异构网络中无线通信技术研究综述

张闽　曹珂崯　戴路,　刘欢　陈清华

关键词： 数据流量；网络技术；无线通信；LTE 蜂窝系统；无线局域网；异构网络

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）36-0062-03

1 引言

随着大数据、云计算等新兴产业的发展和移动智能通信设备的普及，人们迫切需要高质量、高速率和高可靠的无线通信技术来满足需求。根据思科白皮书显示，从2017年至2022年，全球移动数据流量将增长7倍，预计到2022年底，全球将达到1 ZB的年度移动数据流量。当前，爆炸式增长的数据流量和密集的用户智能设备给网络体系带来了巨大的压力，使得有限的网络频谱资源日趋紧张，网络体系需要在逼近其网络容量的状况下进行数据传输，网络资源难以满足用户的高速率的网络需求。于是，出现了多种技术来解决海量数据传输与用户网络需求之间的矛盾，例如LTE（Long Term Evolution，长期演进）系统、WLAN （Wireless Local Area Network，无线局域网）、异构网络等。当海量规模的用户和智能设备在错综复杂的网络环境中进行数据传输时，多种无线通信技术共存的网络体系可以利用其各自的网络特点，为用户和智能设备提供高可靠的网络服务。因此，多种无线通信技术共存于异构网络中已经逐渐成为未来网络体系发展的趋势[1]。

目前，学术界和研究机构提出了各种标准的无线数据传输方式，使得无线通信技术进入了一个崭新的数字化时代。最常见的LTE系统和WLAN仍不断提出新的技术，用以支持海量用户设备和数据流量的传输[2]。LTE系统始于2004年，该网络旨在为用户提供一种新的以分组交换数据为核心的无线接入技术。LTE的诞生是为不断优化无线通信技术以满足客户对无线通信的更高要求。第一个LTE 规范由3GPP （The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）于2008年完成，并分别于2010年和2015年发展为LTE-advanced和LTE-advanced Pro[3]。LTE系统由基站对用户进行资源分配，提供较广的覆盖范围用以接入更多的用户，能够分配给用户的频谱资源较少且费用较高。WLAN 诞生于1997 年，使用的IEEE802.11标准[4]至今已经有20余年，经历了数十次提案和修改，包括IEEE 802.11b、IEEE 802.11g/a、IEEE802.11n以及IEEE 802.11ac等版本。WLAN可为覆盖范围内的用户提供高可靠的吞吐量，从而满足用户的网络传输需求。众多公共场所如火车站、商场和办公大楼等都部署了WLAN的接入点。WLAN因其部署灵活、成本低廉和速率高等优点被广泛使用。各种无线通信技术充分发挥自身的优势，同时也形成了“异构网络”的必然趋势。异构网络就是将LTE与WLAN 两种网络结合起来，既要注重不同无线通信技术之间的业务无缝对接[5]，还要解决异构网络中无线通信技术的共存问题。因此，本文重点介绍LTE系统、WLAN 和异构网络组网技术的研究现状。

2 无线通信技术的研究现状

2.1 无线局域网技术

1997年，IEEE发布了第一个802.11标准，其理论最大速率可达到2 Mbps。1999年颁布的IEEE802.11b协议，新增了直接序列扩频模式，可以提供11Mbps的数据速率。2002年提出的IEEE 802.11g/a协议，在物理层引入了正交频分复用技术，该技术可以提高频谱利用率，达到54 Mbps 的数据速率。IEEE802.11n于2009年正式发布，这是WLAN发展史上的里程碑，其核心技术是单用户的多入多出和信道綁定技术。802.11n支持256-QAM的调制方式，其最大速率可以达到500 Mbps，比之前版本的速率提高了10 倍以上。802.11ac于2014年正式发布，该协议支持5GHz的免许可频段，同时兼容之前的网络协议，为用户提供更高的系统容量、更高的调制方式（1024-QAM）和更快的传输速率[6]。IEEE 802.11n提出的增强型MAC层信道接入技术是WLAN发展史的重要里程碑，在这之前的协议均采用带有冲突避免的载波侦听多路访问的分布式协调功能。而后提出的IEEE802.11n支持分布式协调功能接入、增强型分布式信道接入和混合控制信道接入。这些技术通过传输机会机制提高了访问效率的同时，也提高了用户的服务质量[7]。此外，帧聚合机制也提高了MAC层的访问效率。IEEE 802.11ac 沿袭了IEEE 802.11n 的MAC 技术，因此MAC层的技术演进促进了WLAN接入效率的不断提高。

当前，面对有限的免许可频谱资源和密集部署的智能设备，WLAN 由于信道接入过多和相互间的干扰，网络性能呈下降趋势。在此背景下，IEEE802.11ax 应运而生，并将其称为高效无线局域网[8]。针对密集部署WLAN环境，IEEE 802.11ax协议引入了多个新技术以支撑数据传输，其中包括多用户传输的正交频分多址技术、空间复用技术、TWT节能技术等。正交频分多址技术用以提升信道利用率，该技术是在正交频分复用技术的基础上，将特定的子载波分配给不同的用户，实现多个用户的同时传输。该机制的优点是可以避免深度衰落和窄带干扰，并且可以减少前导码和信道接入开销。多个用户可以在每个时间片上同时发送数据包，并为每个用户分配合适的资源单元，从而同时提高多个用户的性能指标[9]。空间复用技术用以提高信道复用率，用户在发送数据之前需要检测网络信道是否处于繁忙状态，从而避免用户之间发生冲突。在检测时，用户通过识别同频干扰强度来确定信道中是否有用户正在传输数据，然后动态地调整干扰强度的阈值以寻求同频并发传输[10]。TWT节能技术是IEEE 802.11ax WLAN中一个重要的资源调度功能[4]，它允许用户与接入点之间协调唤醒时间来传输数据。接入点可以通过TWT节能机制将用户分配给不同的TWT服务期来减少同时竞争信道的用户数量。另外，节能休眠机制还可以提高便携式设备的电池使用寿命。

2.2 LTE系统

LTE是3GPP提出的，引入了3G通用移动电信系统无线接入技术，以实现数据传输。LTE的设计要求主要有：更高的用户数据速率，其中上行链路和下行链路各达到50 Mbps和100 Mbps；更短的时延，与3G服务相比，其传输时间间隔缩短至10 ms以下；LTE系统容量和覆盖范围得以改进；支持可扩展的带宽，且带宽的范围为5 MHz到20 MHz，乃至更宽，使该标准能够在频率分配的各种规模下运行[11]。

LTE系统架构是由核心网络和无线电接入网络组成[12]。其中，核心网络被称为演进分组核心网，由服务网关、移动管理实体和分组数据网关组成。演进分组核心网不再使用电路交换，允许分组交换和电路交换业务之间的转换，同时降低了网络成本。无线电接入网络被称为演进通用陆地无线接入网，它包含用户和基站。无论信道中可使用的带宽资源为多少，LTE系统都将频谱资源分配成相同大小的资源分配单元，即资源块。LTE系统利用正交频分复用技术将信道带宽划分成多个相互正交的子载波，并在每个子载波上并行地传输数据。由于多个载波各自承载数据速率较低，而正交频分复用技术可以通过载波聚合技术聚合多个子载波，以实现数据的高速传输。该技术由于将信道带宽分成较小的频带，每个频带表现出平坦的衰落，可以抵消由反射和频域上的一般传播特性引起的窄带衰落，因而频率选择性衰落的影响被降低。在频域上，资源块的大小为180 kHz，一个资源块由12个子载波组成，数量的范围从1.4 MHz的6个到20 MHz的100个。通过载波聚合，LTE系统中的信道带宽最高可达200 MHz[3]。

2.3 异构网络组网技术

由于接入设备的增长，可以使用异构网络组网技术来满足用户需求，即在异构网络中同时使用LTE和WLAN。异构网络需考虑两个问题：一是LTE系统和WLAN之间应当如何更好地共存，二是共存环境中的用户该如何连接两种网络以完成数据传输。当前在异构网络组网技术中，LTE系统与WLAN共存的主要技术如下所述。

（1） 免许可的LTE（LTE unlicensed，LTE-U）

高通和爱立信在2013年的3GPP会议上首次提出了LTE-U技术，LTE-U技术的发展将推动5G蜂窝移动通信系统迈出重要的一步[13]。LTE-U在免许可频段上使用载波侦听自适应传输来实现LTE系统和WLAN的友好共存。在CSAT技术中，首先用户对免许可频段的信道进行几十毫秒左右的侦听；然后依据侦听到的信道信息，将整个频段按照一定的比例分成LTE-U和WLAN的传输时间段；最后分时间段进行数据传输。这样的过程被称为占空比机制，在免许可频段上将时域细分成多个时间周期，每个周期只有开和关两种模式，当周期为“开”模式时，表示LTE-U在信道上传输数据，此时WLAN不发送数据；为“关”模式则表示WLAN进行数据传输。这样，LTE-U和WLAN 在传输时域上互不干扰，可以动态调整占空比。文献[14]提出了一种新型的无线接入点架构，该架构由蜂窝网络部署，同时将LTE和WLAN的功能都集成到该架构中；然后在WLAN协议中嵌入LTE-U信令以实现无缝集成；最后，在免许可频段上实现LTE和WLAN完美地共存。

（2） 许可频段辅助接入（Licensed Assisted Access，LAA）

由于LTE系统的许可频谱资源稀缺且昂贵，研究学者将目光放在了免许可频谱上，希望利用免许可频谱来扩充LTE的系统容量，从而提高LTE系统的数据效率。在WLAN的免许可频段上，LAA技术通过载波聚合技术实现与WLAN共存，LAA主要将服务小区分成主频小区和辅助小区。LTE在主頻小区上使用许可频段的信道资源，LAA在辅助小区上使用免许可频段的信道资源。J.Tan等利用LAA技术来扩充LTE的系统容量，提出了灵活的LAA 共存框架，在保护WLAN用户的前提下，最大化免许可频段上LAA的用户数[15]。对于运营商而言，使用LAA技术可以利用免许可频段资源来实现类似于LTE许可服务的服务质量，还可以通过接纳更多用户而无须增加许可频谱的额外投资来增加运营收入。对用户而言，与WLAN的尽最大努力服务和LTE系统高昂的费用相比，可以以更低的价格为用户提供服务。

（3） LTE和Wi-Fi链路聚合（LTE + Wi-Fi Link Ag⁃gregation，LWA）

在LTE系统和WLAN异构网络中，借助LWA技术，可以将LTE系统中的数据业务进行分离，即，LWA 利用WLAN的接入点来传输LTE中的数据流量，将一部分LTE系统中的数据业务转移到接入点上进行传输，剩余部分的数据业务仍在LTE系统上，从而提升LTE系统的性能。LWA技术集中采用接入点来增大LTE系统的数据速率，在WLAN的MAC框架中传输LTE的数据业务[16]。因而，虽然它正在传输LTE数据，但看起来却像另一个WLAN。与LTE-U和LAA相比，LWA更容易实现，因为只需要利用相关软件即可实现共存。智能手机采用LWA技术就能为这两种无线网络供电并拆分数据业务给这两种网络，从而进行数据传输。当LTE数据在接入点上完成传输时，会被立即传送回LTE系统的演进分组核心网。因此，LWA技术不需要和WLAN共存于免许可频段，既可以实现LTE 用户的数据传输，又能不影响WLAN的数据传输，是提升LTE系统性能的解决方案之一。

3未来发展方向

本文首先从数据流量爆炸式增长的发展现状引出几种常用的无线通信技术，从而对无线局域网技术、LTE系统和异构网络组网技术的关键技术进行了分析。目前无线通信技术呈现飞速发展的趋势，为了更好地满足用户的通信需求，5G网络和Wi-Fi 7正在紧锣密鼓地研究中，如何结合最新的无线通信技术和数据传输速率是需要研究的难题。随着人工智能、大数据及云计算产业的兴起，无线通信技术必会受到其他新兴领域的启发，得到更好的发展。同时与热点研究的机器学习相结合，通过自身的训练学习获得最优解，以实现LTE系统和WLAN异构网络进一步融合与发展。