LTE与WLAN网络融合关键技术研究

孙 亮

中国移动通信集团内蒙古有限公司呼和浩特分公司

0 引言

5G无线网络将会涵盖多种无线技术如WLAN演进技术、LTE演进技术以及新的无线接入技术等，因此具有多接入技术、多网络共存的特点，主要包括LAA技术（LTE载波聚合技术部分扩展于授权频谱）、WLAN与LTE-A多连接技术以及WLAN与LTE-A链路聚合双连接技术等。WLAN链路（非授权频谱）具有数据流量承载力更高的特点，LTE链路（授权频谱）则提供广阔的覆盖范围，同时具有良好的移动鲁棒性，而足以为UE（用户终端）同时充分利用WLAN与LTE技术创造条件。3GPP R13中以聚合层的不同将聚合技术分为LWIP与LWA两种，前者聚合于IP层，主要利用IP的安全机制；后者则聚合于PDCP层，利用PDCP的安全机制。以下将对LWA技术、协议架构作探讨，提出LWA部署建议。

1 LWA技术

作为WLAN与LTE双连接的关键技术，3GPP R13中的LWA在非授权频谱只对5GHz与2.4GHz频段提供支持，且仅对下行数据WLAN路径提供支持。但是发展至3GPP R14时，新加入的eLWA（增强LWA）技术为上行链路聚合提供支持，同时对非授权频谱中，也增加了60GHz这一频段。

1.1 部署方式

3GPP中，对LWA部署方式进行了定义，分为非共址部署与共址部署两种部署方式。共址部署指的是将LTE小站与WLAN AP（接入点）集成于一处，适用于人口密集的区域，能对人口密集的区域进行补盲，同时，还能加快数据下行速度。非共址部署是指利用LTE宏站广覆盖范围的特点实现WLAN AP与LTE宏站的聚合，见图1。

图1 非共址部署网络架构示意图

非共址部署时，3GPP添加了新定义的逻辑网元设备WLAN边缘设备（WT），WT的部署形式是非固定的，可以作为网络设备而独立出去，也可以根据需要集成于WLAP AP或WLAN AC（接入控制器）中。但是无论采取哪种接入方式进行非共址场景的部署，都需要将Xw接口设置于WT与LTE基站eNB之间，UE与WT之间还需要建立二层连接，因此仍然需要对当前的WLAN网络进行改造。

1.2 LWA协议架构

1.2.1 共址部署

对采用共址部署方式的LWA，可采用小站Small Cell将WLAN与LTE集成于一处，此类场景的接口可选择私有接口、Xw接口或者未定义基带处理单元BBU与WLAN间的接口。

共址部署时，LWA协议架构见图2。下行数据进行数据的传输、承载时可支持三种方式：分离式LWA承载（WLAN与LTE路径分流）、切换式LWA承载（WLAN路径传输）以及LTE承载（经LTE路径进行传输）的方式，因此对提高LTE服务作用明显。

图2 共址部署下的L WA协议架构

1.2.2 非共址部署的LWA协议架构

非共址部署LWA适用于将WLAN与宏站进行融合的场景，其协议架构见图3。将LWA AP的薄层实体模块设置于基层eNB侧PDCP层以下，将新添加数据承载的标识符DRB ID添加于PDCP PDU报文基础上，从而生成LWA PDU, LWA

PDU经Xw结构传输给WT后，经WLAN 802.11 MAC层将数据传送至UE。出于减少LWA对已有网络部署造成的影响的考虑，可以采用将WT功能集成于基层eNB或WLAN AP内的方式。

图3 非共址部署的LWA协议架构

1.2.3 LWA的激活

终端进行LWA的激活流程见图4。以在WLAN AP中集成WT为例，其激活过程可包括：在LTE网络上附着UE→WLAN完成信息获取→激活WLAN,对已在基站内集成WT功能的可忽略示意图中的步骤7与8。

图4 LWA激活流程

从上图可见，若UE支持LWA功能，则需要在UE附着完毕后测量WLAN AP的信号强度，也即执行步骤6的操作；当WLAN AP（支持LWA功能）的信号强度高于设定阈值时，需要执行步骤7与8的操作，即添加对应WT，添加完毕后即可连接至AP，即步骤9与10的操作，至此，LWA已激活成功。需注意，进行LWA的激活时，应对WLAN AP的信号测量报告作周期性上报，信号强度低于设定阈值时才能激活LWA。

1.2.4 LWA的流量控制算法

如前所述，激活LWA后，数据可通过WLAN与LTE两条线路传输，也可以仅通过WLAN路径传输或者仅通过LTE路径传输。选取两条线路传输数据的方式可以极大提升UE下行数据的速度，但是需要对PDCP层进行调度算法以寻找最优路径来进行PDCP PDU的传输。

进行LTE路径的时延dLTE计算时，有公式

公式中，PDUsize是指需要进行数据传输的PDU数据量；RLTE是LTE路径的传输速率（外场测试时，设定周期为1TTI,初始值常为110MB/s,据此计算出实际LTE速率，作为下周期的RLTE）；BLTE是指已经发送完毕，但未接收ACK的PDU的数据量。

进行WLAN路径的时延dWLAN计算时，有公式

公式中，PDUsize代表需要进行数据传输的PDU数据量；RWLAN是WLAN路径的传输速率（外场测试时，设定周期为1TTI,初始值常为300MB/s,据此计算出实际LTE速率RWLAN），BWLAN是指已经发送完毕，但未接收ACK的PDU的数据量。

可见PDCP层进行PDCP PDU的传输时，根据dWLAN与dWLAN的数值选取时延更小的路径。

2 外场测试

进行LWA前期的外场测试时，在eNB内集成WT功能，将WLAN AP与eNB直接连接，对单独UE+单独WLAN AP场景下峰值速率进行测试。设置WLAN AP支持802.11ac，频段为5.8GHz频段，LTE支持Band 41，发现峰值速度达到300MB/s，测试结果如图5。

图5 外场测试结果

展开进一步外场测试，在终端上使用USB网络共享功能，采用FTP客户端在笔记本PC上对三种场景下的FTP下载速度进行测试。由于ACK受到上行带宽（9MB/s以下）以及应用层流控算法的限制，FTP的下行速率较低，但使用LTE路径的FTP下行速率达到56MB/s；仅使用WLAN路径下的FTP下行速率为70MB/s；同时使用两种路径的下行峰值速率为79MB/s。

采用iperf对UDP业务展开测试，单独使用LTE路径的峰值速率为100MB/s；单独使用WLAN路径的峰值为300MB/s；同时使用两种路径的峰值速率为400MB/s。

3 结束语

本文对WLAN与LTE网络的融合技术做出探讨，同时提出了相关部署建议，外场测试提示WLAN与LTE网络融合对提升TCP业务、UDP业务下行速率明显，但是对UDP业务的提升更大。关于提升TCP业务的下行速率的方法，仍需进一步研究。