一種基于LTE-Wi-Fi融合的寬帶無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)方法

孫長(zhǎng)龍

（中國(guó)人民解放軍91404部隊(duì)，秦皇島066001）

1 引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)迅速發(fā)展,人們對(duì)移動(dòng)寬帶的需求與日俱增,移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將逐漸難以滿(mǎn)足移動(dòng)互聯(lián)應(yīng)用的爆發(fā)式增長(zhǎng)[1]。英國(guó)電信集團(tuán)（BT）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（如圖1所示）表明：約80%的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量來(lái)自室內(nèi)Wi-Fi，而運(yùn)營(yíng)商的蜂窩網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)的移動(dòng)流量不過(guò)僅僅20%左右，從圖1可以看出室內(nèi)外流量之間的差值越來(lái)越大，亦即Wi-Fi的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量所占的比例越來(lái)越大，這驅(qū)使著4G網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)走向融合，面對(duì)“擁有廣域覆蓋優(yōu)勢(shì)”的LTE網(wǎng)絡(luò)與“擁有一定范圍內(nèi)高速數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢(shì)”的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò),一些LTE和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)融合的概念應(yīng)運(yùn)而生。2014年末華為提出了基于LTE和Wi-Fi融合的4.5G概念。阿爾卡特朗訊在MWC2015上發(fā)布的實(shí)現(xiàn)4.5G的主要手段是同時(shí)推出Wi-Fi增強(qiáng)功能和蜂窩增強(qiáng)功能。所以LTE技術(shù)和Wi-Fi技術(shù)的融合是緩解現(xiàn)階段爆發(fā)式增長(zhǎng)移動(dòng)互聯(lián)業(yè)務(wù)發(fā)展的趨勢(shì)。

圖1移動(dòng)數(shù)據(jù)流量統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)

2 LTE和Wi-Fi

3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織于2005年3月啟動(dòng)了空口技術(shù)的長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）工作，采用OFDMA和多天線(xiàn)（MIMO）為主要技術(shù)基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)出了一套滿(mǎn)足更低傳輸時(shí)延、能夠提供更高用戶(hù)傳輸速率、增加容量和覆蓋、減少運(yùn)營(yíng)費(fèi)用、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、采用更大載波帶寬，并以?xún)?yōu)化分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為目標(biāo)的新一代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。LTE采用“扁平化”的無(wú)線(xiàn)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，取消RNC節(jié)點(diǎn)，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了全I(xiàn)P路由。其無(wú)線(xiàn)傳輸速率下行峰值速率為100Mbps，上行峰值速率達(dá)到50Mbps，因此能較好地支持指揮控制系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)接入多媒體業(yè)務(wù)。LTE支持小區(qū)覆蓋在100公里以上的移動(dòng)用戶(hù)業(yè)務(wù)，從而可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高帶寬覆蓋。

IEEE802.11（Wi-Fi）系列作為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要分支，在Wi-Fi技術(shù)上蓬勃發(fā)展，從802.11n普及開(kāi)始向802.11ac的商用邁進(jìn)。在802.11ac時(shí)代，雙模終端的下行帶寬設(shè)置超越局域網(wǎng)的速率，目前商用的產(chǎn)品達(dá)到了驚人的1.3Gbps。其覆蓋范圍也可達(dá)幾公里。可以利用其高數(shù)據(jù)傳輸速率、覆蓋范圍以及自組織等特點(diǎn)使Wi-Fi終端能夠靈活高速的接入[2]。

4G與Wi-Fi融合的產(chǎn)品即是把LTE技術(shù)和Wi-Fi技術(shù)有機(jī)的結(jié)合在一起，將4G網(wǎng)絡(luò)作為透明通道回傳Wi-Fi業(yè)務(wù)，從而既能提高4G網(wǎng)絡(luò)的利用率，又可以降低WLAN網(wǎng)絡(luò)部署的難度和成本費(fèi)用。除此之外，LTE和Wi-Fi融合符合運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)思路，由于支持Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)已成為筆記本電腦、智能終端、智能手機(jī)的標(biāo)配功能，在LTE建設(shè)初期，用LTE提供回程傳輸，Wi-Fi實(shí)現(xiàn)覆蓋的方案可以解決LTE終端少、2G/3G手機(jī)終端不兼容LTE的問(wèn)題。同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了運(yùn)營(yíng)商LTE流量運(yùn)營(yíng)的新模式。

3 LTE和Wi-Fi融合組網(wǎng)設(shè)計(jì)

3.1 組網(wǎng)需求分析

從用戶(hù)角度來(lái)看，無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)要滿(mǎn)足爆發(fā)式增長(zhǎng)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求和降低業(yè)務(wù)增長(zhǎng)所帶來(lái)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)資費(fèi)，而且能滿(mǎn)足用戶(hù)隨時(shí)隨地支持多制式高速接入的需求。

從運(yùn)營(yíng)商的角度分析，首先要緩解業(yè)務(wù)增長(zhǎng)給蜂窩網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的壓力，其次要減少網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)成本，提高網(wǎng)絡(luò)接入能力實(shí)現(xiàn)高效的利用率，通過(guò)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的靈活性，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡。

對(duì)于手機(jī)廠商來(lái)說(shuō)，應(yīng)在盡量減少手機(jī)制造成本前提下兼顧對(duì)4G網(wǎng)絡(luò)的支持。

3.2 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)組網(wǎng)需求分析，設(shè)計(jì)一種能提高數(shù)據(jù)傳輸速率且同時(shí)具有靈活無(wú)線(xiàn)覆蓋范圍、使多種制式終端能夠靈活接入的寬帶無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)。架構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2寬帶無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

如圖2可見(jiàn)，該架構(gòu)由核心網(wǎng)（EPC），LTE基站（eNodeB），Wi-Fi熱點(diǎn)（雙模終端）和多個(gè)普通雙模或者單模終端（STA）組成，各部分功能簡(jiǎn)介如下：

EPC：負(fù)責(zé)終端的控制和承載的建立；

LTE基站：實(shí)現(xiàn)LTE終端設(shè)備快速接入控制管理，移動(dòng)管理實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)資源調(diào)度；

雙模終端：實(shí)現(xiàn)LTE網(wǎng)絡(luò)與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)融合，從而實(shí)現(xiàn)普通Wi-Fi終端設(shè)備接入4G網(wǎng)絡(luò)；

單模終端：支持Wi-Fi接入或LTE接入的終端設(shè)備。

在該組網(wǎng)方法中，LTE基站以以太網(wǎng)的方式接入核心網(wǎng)，LTE基站既支持雙模終端接入，也支持LTE終端直接接入。雙模終端下支持Wi-Fi終端接入和LTE終端接入。Wi-Fi數(shù)據(jù)幀和LTE數(shù)據(jù)幀格式在雙模終端實(shí)現(xiàn)幀格式轉(zhuǎn)換。

由于該系統(tǒng)采用了LTE和Wi-Fi寬帶無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)，所以該系統(tǒng)能夠支持話(huà)音、數(shù)據(jù)和視頻等多媒體業(yè)務(wù)，并且同一個(gè)雙模終端下的多個(gè)STA相互傳輸業(yè)務(wù)時(shí)，由于在雙模終端處采用二層交換機(jī)制，雙模終端可以直接轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)而不經(jīng)過(guò)LTE基站，從而減少了數(shù)據(jù)傳輸和處理時(shí)延，同時(shí)也緩解了移動(dòng)骨干網(wǎng)絡(luò)的帶寬壓力。

3.3 組網(wǎng)優(yōu)勢(shì)

該組網(wǎng)方案基于LTE技術(shù)和Wi-Fi技術(shù)實(shí)現(xiàn)LTE網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)結(jié)合。根據(jù)需求分析從用戶(hù)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、手機(jī)廠商和軟件服務(wù)商四方面探討該組網(wǎng)方案的優(yōu)劣：

用戶(hù)：從覆蓋范圍上來(lái)說(shuō)，LTE支持較遠(yuǎn)距離覆蓋，Wi-Fi支持近距離特殊場(chǎng)合覆蓋并提供高寬帶數(shù)據(jù)傳輸速率，使用戶(hù)終端能夠靈活的接入。由于支持LTE終端和Wi-Fi終端接入，所以既降低了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)資費(fèi)而且還兼容了不能支持LTE網(wǎng)絡(luò)的終端接入4G網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商：對(duì)于運(yùn)營(yíng)商而言，LTE和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的融合緩解了蜂窩網(wǎng)對(duì)于流量和速度的限制，以及自身對(duì)于頻譜資源的大量需求問(wèn)題，進(jìn)而縮小移動(dòng)數(shù)據(jù)急速增長(zhǎng)和移動(dòng)蜂窩帶寬勻速增長(zhǎng)之間的差距。由于4G網(wǎng)絡(luò)不兼容對(duì)速率需求不高的2G/3G手機(jī)問(wèn)題，所以可以通過(guò)使2G/3G手機(jī)以Wi-Fi的方式接入4G網(wǎng)絡(luò)，提高了網(wǎng)絡(luò)的兼容性和接入能力，同時(shí)也彌補(bǔ)了有線(xiàn)接入資源匱乏的狀況，使其能夠快速覆蓋需要布設(shè)熱點(diǎn)的場(chǎng)所，進(jìn)而從一定程度上，LTE和Wi-Fi融合方案將成為運(yùn)營(yíng)商流量運(yùn)營(yíng)模式的一個(gè)新契機(jī)。

手機(jī)廠商：因?yàn)槿诤虾蟮木W(wǎng)絡(luò)能支持Wi-Fi手機(jī)通過(guò)Wi-Fi方式接入4G網(wǎng)絡(luò)，從而降低了瞄準(zhǔn)低端市場(chǎng)的手機(jī)制造商的制造成本。

軟件服務(wù)商：由于現(xiàn)有的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)資費(fèi)較高，導(dǎo)致用戶(hù)對(duì)較大流量需求的業(yè)務(wù)沒(méi)有得到大量的習(xí)慣性應(yīng)用，最終使得原本被認(rèn)為在4G到來(lái)后會(huì)蓬勃發(fā)展的短視頻以及視頻直播及相關(guān)云等服務(wù)的發(fā)展仍舊受到鉗制，由于Wi-Fi和LTE的融合，這種局面可能將得以扭轉(zhuǎn)。

3.4 關(guān)鍵技術(shù)

此處涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括OFDM技術(shù)、MIMO技術(shù)、TDMA、LTE扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，詳細(xì)介紹如下：

(1)OFDM技術(shù)

OFDM即正交頻分復(fù)用技術(shù)，采用串行數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)串/并轉(zhuǎn)換后，分割成大量的低速數(shù)據(jù)流，每路數(shù)據(jù)采用獨(dú)立載波調(diào)制并疊加，接收端依據(jù)載波的正交特性分離多路信號(hào)，然后并/串轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解調(diào)。在組網(wǎng)的方案中，LTE基站和雙模終端物理層都采用OFDM調(diào)制方式，利用其載波間的正交性來(lái)提高頻譜利用率，提高信號(hào)的抗干擾能力[3]。

(2)MIMO技術(shù)

MIMO即多天線(xiàn)技術(shù)，是指在無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)射端或接收端采用多副天線(xiàn)，形成天線(xiàn)陣，在發(fā)送端每根天線(xiàn)上發(fā)送不同的數(shù)據(jù)比特。在多散射體的無(wú)線(xiàn)環(huán)境中，來(lái)自每個(gè)天線(xiàn)發(fā)射的信號(hào)在每個(gè)天線(xiàn)中的相關(guān)性為0，在接收端利用這個(gè)特性對(duì)多個(gè)天線(xiàn)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分和監(jiān)測(cè)，然后經(jīng)過(guò)基帶數(shù)字信號(hào)處理，對(duì)各天線(xiàn)鏈路接收到的信號(hào)按照一定的算法進(jìn)行合并。在所提的組網(wǎng)方案中，LTE基站和雙模終端都采用MIMO技術(shù)提高了信號(hào)的傳輸質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸帶寬，增強(qiáng)了系統(tǒng)的容量[4]。

(3)TDMA

TDMA即時(shí)分多址，也就是把時(shí)間分割成周期的幀，每一幀在分割成若干個(gè)時(shí)隙發(fā)送和接收信號(hào)。該技術(shù)用于雙模終端的MAC層實(shí)現(xiàn)有效的無(wú)線(xiàn)資源調(diào)度分配，從而減少Wi-Fi載波偵聽(tīng)以及沖突退避過(guò)程中無(wú)線(xiàn)資源的浪費(fèi)。提高了無(wú)線(xiàn)資源的利用率，優(yōu)化了無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸帶寬[5]。

(4)LTE扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

為簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)和減小時(shí)延，滿(mǎn)足低時(shí)延、低復(fù)雜度和低成本的要求，LTE網(wǎng)絡(luò)采用“扁平化”“低耦合”設(shè)計(jì)，改變了傳統(tǒng)3GPP接入網(wǎng)的Node B和RNC兩層結(jié)構(gòu)，將上層ARQ和無(wú)線(xiàn)資源管理控制功能集成到eNode B中，形成“扁平”的E-UTRAN結(jié)構(gòu)，從而降低了網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延，提高了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率[6-8]。

(5)軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)

軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)使寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換盡可能靠近天線(xiàn)，將各種功能，如調(diào)制解調(diào)類(lèi)型、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、加解密、通信協(xié)議等依靠軟件完成，以研制出具有高度靈活性、開(kāi)放性的新一代無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軟件和硬件的可移植性和可配置性，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品之間的互聯(lián)互通[9-10]。

3.5 組網(wǎng)方案實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

該組網(wǎng)方案涉及到LTE基站、LTE終端、Wi-Fi終端和雙模終端等多種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，課題組基于軟件無(wú)線(xiàn)電思想，開(kāi)發(fā)了通用硬件平臺(tái)，并在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了LTE基站協(xié)議棧和雙模終端協(xié)議棧的任意加載，并完成圖2所示試驗(yàn)平臺(tái)的搭建。LTE基站通過(guò)以太網(wǎng)與核心網(wǎng)進(jìn)行信令/數(shù)據(jù)信息交互。雙模終端具備Wi-Fi AP和LTE終端接入的能力，能支持32個(gè)Wi-Fi STA設(shè)備同時(shí)接入且實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，并通過(guò)LTE終端接入功能實(shí)現(xiàn)與LTE基站的聯(lián)接，LTE數(shù)據(jù)和Wi-Fi數(shù)據(jù)格式在雙模終端設(shè)備內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。測(cè)試終端采用既能支持4G網(wǎng)絡(luò)接入又能支持Wi-Fi模式接入的智能雙模手機(jī)，即可接入LTE基站也可接入雙模終端。

不同模式的協(xié)議棧有其不同構(gòu)成，如圖3所示。其中，LTE基站是按照TD-LTE協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，其協(xié)議棧如圖3(a)所示，包括LTE物理層（LTE PHY），完成基帶/射頻信號(hào)的調(diào)制解調(diào)功能。LTE基站的數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）分為MAC、RLC和PDCP三層。MAC層主要實(shí)現(xiàn)上下行數(shù)據(jù)調(diào)度、隨機(jī)接入以及MAC層控制信息的處理功能等，在LTE基站中采用混合分級(jí)調(diào)度算法來(lái)提高數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃院透咝浴LC層實(shí)現(xiàn)不同QoS參數(shù)的RLC數(shù)據(jù)傳輸。PDCP層主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信令的加解密、控制面信令完整性保護(hù)以及數(shù)據(jù)面頭壓縮功能。網(wǎng)絡(luò)層包括網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議以及路由算法等，實(shí)現(xiàn)各種信令/數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸，其中的路由算法支持廣播、多播、組播和單播業(yè)務(wù)，可高效靈活地實(shí)現(xiàn)各種多媒體業(yè)務(wù)。

雙模終端的協(xié)議棧架構(gòu)如圖3(b)所示。支持LTE和Wi-Fi兩種通信制式。協(xié)議棧既包括LTE的物理層也包括支持IEEE 802.11系列的物理層。同理，MAC被分為L(zhǎng)TE MAC和支持IEEE 802.11的MAC。網(wǎng)絡(luò)層除了要實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，同時(shí)還要完成LTE數(shù)據(jù)幀格式和Wi-Fi數(shù)據(jù)幀格式轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)指揮控制通信系統(tǒng)中不同通信制式設(shè)備之間信息共享，提高了通信系統(tǒng)的接入能力。

圖3協(xié)議棧示意圖

為驗(yàn)證該組網(wǎng)方案的可行性，對(duì)LTE終端和Wi-Fi終端，LTE終端之間以及Wi-Fi終端之間都分別就話(huà)音業(yè)務(wù)、視頻業(yè)務(wù)、ping包業(yè)務(wù)和灌包業(yè)務(wù)等做了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，話(huà)音業(yè)務(wù)均清晰，時(shí)延小；高清視頻業(yè)務(wù)均傳輸流暢；ping包業(yè)務(wù)時(shí)任意終端之間的時(shí)延均在150ms以?xún)?nèi)。LTE終端之間以及LTE終端與Wi-Fi終端之間根據(jù)不同的調(diào)制方式能實(shí)現(xiàn)10M到45M的數(shù)據(jù)傳輸速率，在同一個(gè)雙模終端下的Wi-Fi終端之間能實(shí)現(xiàn)雙向150M的數(shù)據(jù)傳輸速率。因此相比現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)接入網(wǎng)，該組網(wǎng)方案在無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸帶寬、組網(wǎng)靈活性以及傳輸時(shí)延等指標(biāo)方面都具有優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于LTE技術(shù)和Wi-Fi技術(shù)融合的組網(wǎng)方法一方面使移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)融入了新的免費(fèi)頻譜資源，增大了數(shù)據(jù)傳輸帶寬和通信系統(tǒng)容量，緩解了移動(dòng)互聯(lián)業(yè)務(wù)爆發(fā)式增長(zhǎng)的帶寬需求。另一方面采用Wi-Fi技術(shù)，兼顧了非4G網(wǎng)絡(luò)終端的快速接入，不僅提高了網(wǎng)絡(luò)的接入能力，而且還降低了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本。由于采用遠(yuǎn)距離（LTE）和近距離（Wi-Fi）搭配的靈活組網(wǎng)模式，在增強(qiáng)通信節(jié)點(diǎn)間的橫向信息交流的同時(shí)，還為用戶(hù)的隨時(shí)隨地高速接入提供必要的前提與支持。