一种基于LTE-Wi-Fi融合的宽带无线组网方法

孙长龙

（中国人民解放军91404部队，秦皇岛066001）

1 引言

随着移动互联技术迅速发展,人们对移动宽带的需求与日俱增,移动通信网络将逐渐难以满足移动互联应用的爆发式增长[1]。英国电信集团（BT）的统计结果（如图1所示）表明：约80%的移动数据流量来自室内Wi-Fi，而运营商的蜂窝网络承担的移动流量不过仅仅20%左右，从图1可以看出室内外流量之间的差值越来越大，亦即Wi-Fi的移动数据流量所占的比例越来越大，这驱使着4G网络和Wi-Fi网络走向融合，面对“拥有广域覆盖优势”的LTE网络与“拥有一定范围内高速数据传输优势”的Wi-Fi网络,一些LTE和Wi-Fi网络融合的概念应运而生。2014年末华为提出了基于LTE和Wi-Fi融合的4.5G概念。阿尔卡特朗讯在MWC2015上发布的实现4.5G的主要手段是同时推出Wi-Fi增强功能和蜂窝增强功能。所以LTE技术和Wi-Fi技术的融合是缓解现阶段爆发式增长移动互联业务发展的趋势。

图1移动数据流量统计预测

2 LTE和Wi-Fi

3GPP标准化组织于2005年3月启动了空口技术的长期演进（LTE）工作，采用OFDMA和多天线（MIMO）为主要技术基础，开发出了一套满足更低传输时延、能够提供更高用户传输速率、增加容量和覆盖、减少运营费用、优化网络架构、采用更大载波带宽，并以优化分组数据业务为目标的新一代移动通信标准。LTE采用“扁平化”的无线访问网络结构，取消RNC节点，简化网络设计，实现了全IP路由。其无线传输速率下行峰值速率为100Mbps，上行峰值速率达到50Mbps，因此能较好地支持指挥控制系统的无线接入多媒体业务。LTE支持小区覆盖在100公里以上的移动用户业务，从而可以实现远距离高带宽覆盖。

IEEE802.11（Wi-Fi）系列作为移动互联网技术的重要分支，在Wi-Fi技术上蓬勃发展，从802.11n普及开始向802.11ac的商用迈进。在802.11ac时代，双模终端的下行带宽设置超越局域网的速率，目前商用的产品达到了惊人的1.3Gbps。其覆盖范围也可达几公里。可以利用其高数据传输速率、覆盖范围以及自组织等特点使Wi-Fi终端能够灵活高速的接入[2]。

4G与Wi-Fi融合的产品即是把LTE技术和Wi-Fi技术有机的结合在一起，将4G网络作为透明通道回传Wi-Fi业务，从而既能提高4G网络的利用率，又可以降低WLAN网络部署的难度和成本费用。除此之外，LTE和Wi-Fi融合符合运营商网络建设思路，由于支持Wi-Fi网络已成为笔记本电脑、智能终端、智能手机的标配功能，在LTE建设初期，用LTE提供回程传输，Wi-Fi实现覆盖的方案可以解决LTE终端少、2G/3G手机终端不兼容LTE的问题。同时也实现了运营商LTE流量运营的新模式。

3 LTE和Wi-Fi融合组网设计

3.1 组网需求分析

从用户角度来看，无线接入网要满足爆发式增长的移动互联网业务需求和降低业务增长所带来的移动网络资费，而且能满足用户随时随地支持多制式高速接入的需求。

从运营商的角度分析，首先要缓解业务增长给蜂窝网络带来的压力，其次要减少网络建设和维护成本，提高网络接入能力实现高效的利用率，通过增强网络覆盖的灵活性，实现网络负载均衡。

对于手机厂商来说，应在尽量减少手机制造成本前提下兼顾对4G网络的支持。

3.2 组网结构设计

根据组网需求分析，设计一种能提高数据传输速率且同时具有灵活无线覆盖范围、使多种制式终端能够灵活接入的宽带无线接入网组网架构。架构示意图如图2所示。

图2宽带无线接入网组网结构

如图2可见，该架构由核心网（EPC），LTE基站（eNodeB），Wi-Fi热点（双模终端）和多个普通双模或者单模终端（STA）组成，各部分功能简介如下：

EPC：负责终端的控制和承载的建立；

LTE基站：实现LTE终端设备快速接入控制管理，移动管理实现无线资源调度；

双模终端：实现LTE网络与Wi-Fi网络融合，从而实现普通Wi-Fi终端设备接入4G网络；

单模终端：支持Wi-Fi接入或LTE接入的终端设备。

在该组网方法中，LTE基站以以太网的方式接入核心网，LTE基站既支持双模终端接入，也支持LTE终端直接接入。双模终端下支持Wi-Fi终端接入和LTE终端接入。Wi-Fi数据帧和LTE数据帧格式在双模终端实现帧格式转换。

由于该系统采用了LTE和Wi-Fi宽带无线接入技术，所以该系统能够支持话音、数据和视频等多媒体业务，并且同一个双模终端下的多个STA相互传输业务时，由于在双模终端处采用二层交换机制，双模终端可以直接转发业务而不经过LTE基站，从而减少了数据传输和处理时延，同时也缓解了移动骨干网络的带宽压力。

3.3 组网优势

该组网方案基于LTE技术和Wi-Fi技术实现LTE网络和Wi-Fi网络的有机结合。根据需求分析从用户、网络运营商、手机厂商和软件服务商四方面探讨该组网方案的优劣：

用户：从覆盖范围上来说，LTE支持较远距离覆盖，Wi-Fi支持近距离特殊场合覆盖并提供高宽带数据传输速率，使用户终端能够灵活的接入。由于支持LTE终端和Wi-Fi终端接入，所以既降低了移动网络资费而且还兼容了不能支持LTE网络的终端接入4G网络。

网络运营商：对于运营商而言，LTE和Wi-Fi网络的融合缓解了蜂窝网对于流量和速度的限制，以及自身对于频谱资源的大量需求问题，进而缩小移动数据急速增长和移动蜂窝带宽匀速增长之间的差距。由于4G网络不兼容对速率需求不高的2G/3G手机问题，所以可以通过使2G/3G手机以Wi-Fi的方式接入4G网络，提高了网络的兼容性和接入能力，同时也弥补了有线接入资源匮乏的状况，使其能够快速覆盖需要布设热点的场所，进而从一定程度上，LTE和Wi-Fi融合方案将成为运营商流量运营模式的一个新契机。

手机厂商：因为融合后的网络能支持Wi-Fi手机通过Wi-Fi方式接入4G网络，从而降低了瞄准低端市场的手机制造商的制造成本。

软件服务商：由于现有的移动网络资费较高，导致用户对较大流量需求的业务没有得到大量的习惯性应用，最终使得原本被认为在4G到来后会蓬勃发展的短视频以及视频直播及相关云等服务的发展仍旧受到钳制，由于Wi-Fi和LTE的融合，这种局面可能将得以扭转。

3.4 关键技术

此处涉及到的关键技术包括OFDM技术、MIMO技术、TDMA、LTE扁平化网络结构、软件无线电技术，详细介绍如下：

(1)OFDM技术

OFDM即正交频分复用技术，采用串行数据流经过串/并转换后，分割成大量的低速数据流，每路数据采用独立载波调制并叠加，接收端依据载波的正交特性分离多路信号，然后并/串转换实现信号的解调。在组网的方案中，LTE基站和双模终端物理层都采用OFDM调制方式，利用其载波间的正交性来提高频谱利用率，提高信号的抗干扰能力[3]。

(2)MIMO技术

MIMO即多天线技术，是指在无线通信的发射端或接收端采用多副天线，形成天线阵，在发送端每根天线上发送不同的数据比特。在多散射体的无线环境中，来自每个天线发射的信号在每个天线中的相关性为0，在接收端利用这个特性对多个天线发送的数据进行区分和监测，然后经过基带数字信号处理，对各天线链路接收到的信号按照一定的算法进行合并。在所提的组网方案中，LTE基站和双模终端都采用MIMO技术提高了信号的传输质量和数据传输带宽，增强了系统的容量[4]。

(3)TDMA

TDMA即时分多址，也就是把时间分割成周期的帧，每一帧在分割成若干个时隙发送和接收信号。该技术用于双模终端的MAC层实现有效的无线资源调度分配，从而减少Wi-Fi载波侦听以及冲突退避过程中无线资源的浪费。提高了无线资源的利用率，优化了无线数据传输带宽[5]。

(4)LTE扁平化网络结构

为简化网络和减小时延，满足低时延、低复杂度和低成本的要求，LTE网络采用“扁平化”“低耦合”设计，改变了传统3GPP接入网的Node B和RNC两层结构，将上层ARQ和无线资源管理控制功能集成到eNode B中，形成“扁平”的E-UTRAN结构，从而降低了网络的时延，提高了网络的运行效率[6-8]。

(5)软件无线电技术

软件无线电技术使宽带A/D和D/A转换尽可能靠近天线，将各种功能，如调制解调类型、数据格式转换、加解密、通信协议等依靠软件完成，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统，实现软件和硬件的可移植性和可配置性，从而实现无线通信产品之间的互联互通[9-10]。

3.5 组网方案实现及测试

该组网方案涉及到LTE基站、LTE终端、Wi-Fi终端和双模终端等多种网络设备，课题组基于软件无线电思想，开发了通用硬件平台，并在该平台上实现了LTE基站协议栈和双模终端协议栈的任意加载，并完成图2所示试验平台的搭建。LTE基站通过以太网与核心网进行信令/数据信息交互。双模终端具备Wi-Fi AP和LTE终端接入的能力，能支持32个Wi-Fi STA设备同时接入且实现高速数据传输，并通过LTE终端接入功能实现与LTE基站的联接，LTE数据和Wi-Fi数据格式在双模终端设备内实现转换。测试终端采用既能支持4G网络接入又能支持Wi-Fi模式接入的智能双模手机，即可接入LTE基站也可接入双模终端。

不同模式的协议栈有其不同构成，如图3所示。其中，LTE基站是按照TD-LTE协议标准设计的，其协议栈如图3(a)所示，包括LTE物理层（LTE PHY），完成基带/射频信号的调制解调功能。LTE基站的数据链路层（DLL）分为MAC、RLC和PDCP三层。MAC层主要实现上下行数据调度、随机接入以及MAC层控制信息的处理功能等，在LTE基站中采用混合分级调度算法来提高数据业务传输的可靠性和高效性。RLC层实现不同QoS参数的RLC数据传输。PDCP层主要实现数据和信令的加解密、控制面信令完整性保护以及数据面头压缩功能。网络层包括网络传输协议以及路由算法等，实现各种信令/数据业务传输，其中的路由算法支持广播、多播、组播和单播业务，可高效灵活地实现各种多媒体业务。

双模终端的协议栈架构如图3(b)所示。支持LTE和Wi-Fi两种通信制式。协议栈既包括LTE的物理层也包括支持IEEE 802.11系列的物理层。同理，MAC被分为LTE MAC和支持IEEE 802.11的MAC。网络层除了要实现TCP/IP协议，同时还要完成LTE数据帧格式和Wi-Fi数据帧格式转换，从而实现指挥控制通信系统中不同通信制式设备之间信息共享，提高了通信系统的接入能力。

图3协议栈示意图

为验证该组网方案的可行性，对LTE终端和Wi-Fi终端，LTE终端之间以及Wi-Fi终端之间都分别就话音业务、视频业务、ping包业务和灌包业务等做了测试。测试结果表明，话音业务均清晰，时延小；高清视频业务均传输流畅；ping包业务时任意终端之间的时延均在150ms以内。LTE终端之间以及LTE终端与Wi-Fi终端之间根据不同的调制方式能实现10M到45M的数据传输速率，在同一个双模终端下的Wi-Fi终端之间能实现双向150M的数据传输速率。因此相比现有的无线通信系统接入网，该组网方案在无线数据传输带宽、组网灵活性以及传输时延等指标方面都具有优势。

4 结束语

基于LTE技术和Wi-Fi技术融合的组网方法一方面使移动数据网络融入了新的免费频谱资源，增大了数据传输带宽和通信系统容量，缓解了移动互联业务爆发式增长的带宽需求。另一方面采用Wi-Fi技术，兼顾了非4G网络终端的快速接入，不仅提高了网络的接入能力，而且还降低了网络建设的成本。由于采用远距离（LTE）和近距离（Wi-Fi）搭配的灵活组网模式，在增强通信节点间的横向信息交流的同时，还为用户的随时随地高速接入提供必要的前提与支持。