LTE與Wi-Fi發(fā)展趨勢(shì)探討

董 哲

（中國(guó)電信股份有限公司廣州研究院 廣州510630）

1 引言

自2009年底全球首個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)商用以來(lái)，LTE在全球市場(chǎng)取得了快速發(fā)展。根據(jù)GSA的統(tǒng)計(jì)，至2013年4月，LTE已在全球67個(gè)國(guó)家得到商用，網(wǎng)絡(luò)數(shù)量達(dá)到163個(gè)。根 據(jù)Strategy Analytics的 統(tǒng) 計(jì)，至2012年 底LTE網(wǎng)絡(luò)已覆蓋了全球人口的11%，而在2013年內(nèi)，這一數(shù)字將再翻一番，使LTE覆蓋人口數(shù)量達(dá)到全球人口的22%。預(yù)計(jì)Wi-Fi芯片2013年的出貨量將達(dá)到21.4億個(gè)，較2012年的17.8億個(gè)同比大增20%，預(yù)計(jì)Wi-Fi芯片2011-2017年的出貨量約為187億個(gè)。屆時(shí)，全球共有70億人口，而這一數(shù)字意味著Wi-Fi芯片的出貨量將是全球總?cè)丝诘?.5倍之多。本文將對(duì)LTE與Wi-Fi的技術(shù)特征進(jìn)行探討，通過(guò)技術(shù)分析推論出LTE和Wi-Fi之間的關(guān)系，最后對(duì)LTE和Wi-Fi的協(xié)同演進(jìn)方案進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2 LTE與Wi-Fi的技術(shù)特征

LTE是全雙工通信技術(shù)，根據(jù)雙工方式分為FDD和TDD兩種，上行和下行的多址技術(shù)分別為SC-FDMA和OFDMA，采用了MIMO天線技術(shù)和高階調(diào)制技術(shù)，同時(shí)提供了靈活的帶寬配置。

Wi-Fi是半雙工通信技術(shù)，OFDM同樣在Wi-Fi中得到了 廣 泛 的 應(yīng) 用，在IEEE 802.11a、IEEE 802.11g、IEEE 802.11n和IEEE 802.11ac中均采用了OFDM技術(shù)，而MIMO天線技術(shù)和高階調(diào)制技術(shù)也應(yīng)用在IEEE 802.11n和IEEE 802.11ac中，IEEE 802.11n和IEEE 802.11ac在MAC層還采用了幀聚合技術(shù)，將目的地的多個(gè)相同幀合并為一個(gè)幀進(jìn)行傳輸，有效地提高了傳輸效率，如圖1所示。

LTE與Wi-Fi的相關(guān)技術(shù)比較見(jiàn)表1。

圖1 LTE和Wi-Fi采用的主要技術(shù)

表1 LTE和Wi-Fi的技術(shù)比較

在數(shù)據(jù)速率方面，LTE-FDD在20 MHz帶寬條件下可以達(dá)到上行75 Mbit/s、下行150 Mbit/s；Wi-Fi與LTE相對(duì)應(yīng)帶寬的是IEEE 802.11n單流，可以達(dá)到上行150 Mbit/s、下行150 Mbit/s，但目前市面上成熟的IEEE 802.11n雙流產(chǎn)品可以達(dá)到上行300 Mbit/s、下行300 Mbit/s。

在QoS方面，LTE具有低時(shí)延和完善的業(yè)務(wù)流QoS，有切換保證；而Wi-Fi時(shí)延較大，且無(wú)完善業(yè)務(wù)流QoS，僅瘦AP具備切換能力。

在移動(dòng)性和覆蓋方面，LTE具有支持高速移動(dòng)和廣覆蓋的特性，而Wi-Fi目前還無(wú)法做到，僅適用于室內(nèi)等非高速移動(dòng)環(huán)境。

LTE和Wi-Fi均具有豐富的頻率資源，但LTE頻率由國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)劃定，因此不存在Wi-Fi 2.4 GHz免費(fèi)頻段的干擾沖突。LTE在互操作和網(wǎng)管維護(hù)方面同樣具有優(yōu)勢(shì)。

與Wi-Fi相比，LTE網(wǎng)絡(luò)雖然具有優(yōu)勢(shì)，但同樣面臨挑戰(zhàn)，從某國(guó)外運(yùn)營(yíng)商的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，用戶的業(yè)務(wù)速率隨LTE業(yè)務(wù)量增長(zhǎng)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，如圖2所示。平均每個(gè)LTE用戶的月業(yè)務(wù)流量平穩(wěn)地保持在2.5 GB左右，如圖3所示。

圖2 2012年某運(yùn)營(yíng)商LTE用戶速率趨勢(shì)

圖3 2012年某運(yùn)營(yíng)商LTE用戶業(yè)務(wù)流量

圖4 某運(yùn)營(yíng)商LTE小區(qū)負(fù)載趨勢(shì)

從該運(yùn)營(yíng)商對(duì)密集市區(qū)的400個(gè)eNode B（約2 100個(gè)小區(qū)）的數(shù)據(jù)來(lái)看，在兩個(gè)半月的時(shí)間里，小區(qū)連接用戶數(shù)增長(zhǎng)了一倍，LTE小區(qū)負(fù)載隨業(yè)務(wù)量快速增長(zhǎng)，如圖4所示。該網(wǎng)絡(luò)如果在密集市區(qū)，10%小區(qū)承載40%的話務(wù)量，LTE小區(qū)與話務(wù)量的關(guān)系如圖5所示。

圖5 某運(yùn)營(yíng)商LTE小區(qū)與話務(wù)量關(guān)系

基于以上分析，運(yùn)營(yíng)商在LTE時(shí)代很可能會(huì)采用“以LTE為主，Wi-Fi進(jìn)行數(shù)據(jù)分流，LTE與Wi-Fi協(xié) 同 互 補(bǔ)”的策略。

3 LTE與Wi-Fi協(xié)同演進(jìn)方案

既然電信運(yùn)營(yíng)商在LTE時(shí)代離不開(kāi)Wi-Fi，那么如何實(shí)現(xiàn)二者的協(xié)同演進(jìn)將是擺在運(yùn)營(yíng)商面前的一道難題。筆者給出兩種協(xié)同演進(jìn)方案：無(wú)線融合和網(wǎng)絡(luò)融合。

無(wú)線融合，顧名思義，就是利用LTE與Wi-Fi解決無(wú)線覆蓋和容量的融合技術(shù)方案，根據(jù)具體場(chǎng)景和設(shè)備形態(tài)分為以下3種。

·方案1：LTE與Wi-Fi設(shè)備的融合式獨(dú)立布放。

·方案2：天線融合，即融合室內(nèi)分布系統(tǒng)。

·方案3：無(wú)線設(shè)備融合，如Nanocell、LTE-Fi等。

在方案1中，針對(duì)特定目標(biāo)區(qū)域（如圖6所示），用相對(duì)獨(dú)立的LTE和Wi-Fi設(shè)備進(jìn)行重疊覆蓋，通過(guò)Wi-Fi分流LTE的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，達(dá)到解決無(wú)線覆蓋和容量的目的。該方案適用于會(huì)議室、會(huì)展中心等用戶密集型場(chǎng)所。

圖6 LTE與Wi-Fi設(shè)備的融合式獨(dú)立布放示意

圖7 Nanocell組網(wǎng)架構(gòu)

在方案2中，將LTE和Wi-Fi同時(shí)引入室內(nèi)分布系統(tǒng)進(jìn)行同區(qū)域重疊覆蓋，但需考慮LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)的多種改造方式。該方案主要適用于寫(xiě)字樓、商場(chǎng)等大型樓宇。

在方案3中，LTE和Wi-Fi做到了無(wú)線側(cè)設(shè)備的物理融合，即同一個(gè)設(shè)備中包含了LTE和Wi-Fi兩種功能，這類設(shè)備常見(jiàn)的主要有兩種，一種是Nanocell，另一種是LTE-Fi。

Nanocell的架構(gòu)和今天運(yùn)營(yíng)商的WLAN架構(gòu)相同，通過(guò)寬帶回程網(wǎng)絡(luò)接入WLAN的認(rèn)證系統(tǒng)，與AC、Portal和認(rèn)證服務(wù)器AAA接口，一方面支持Web認(rèn)證功能，另一方面也支持EAP-SIM/AKA/PEAP等自動(dòng)認(rèn)證方式。如圖7所示的系統(tǒng)架構(gòu)可分為3個(gè)部分：EPC部分、WLAN接入控制部分及Nanocell新增網(wǎng)元部分。其中，EPC及WLAN接入控制的架構(gòu)和組網(wǎng)方式沿用已有系統(tǒng)的架構(gòu)和功能。而Nanocell新增網(wǎng)元的功能說(shuō)明如下：

·Nanocell，為終端提供蜂窩網(wǎng)接入，和終端間通過(guò)Uu口進(jìn)行空口的通信，其詳細(xì)信息參考第3節(jié)。同時(shí)提供WLAN接入，也和終端通過(guò)WLAN模塊進(jìn)行通信。

圖8 LTE-Fi組網(wǎng)架構(gòu)

圖9 LTE與Wi-Fi的技術(shù)演進(jìn)示意

·Nanocell網(wǎng)關(guān)，對(duì)Nanocell設(shè)備進(jìn)行雙向認(rèn)證；對(duì)S1接口的信令和數(shù)據(jù)及Nanocell與網(wǎng)管間的消息通過(guò)IPSec進(jìn)行加密；在Nanocell數(shù)量大時(shí)，Nanocell網(wǎng)關(guān)可根據(jù)配置進(jìn)行S1接口信令面的匯聚，降低對(duì)MME的信令壓力。

·Nanocell網(wǎng)管，對(duì)Nanocell、Nanocell網(wǎng)關(guān)進(jìn)行管理，在Nanocell啟動(dòng)時(shí)對(duì)其參數(shù)進(jìn)行配置，在運(yùn)行中，對(duì)Nanocell進(jìn)行性能管理。

·本地網(wǎng)關(guān)，是Nanocell的可選功能，可將用戶的數(shù)據(jù)通過(guò)本地網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，訪問(wèn)本地網(wǎng)絡(luò)的IP資源，減少傳遞到核心網(wǎng)的IP數(shù)據(jù)分組。

LTE-Fi的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖8所示，采用LTE作為回傳鏈路，LTE-Fi設(shè)備同傳統(tǒng)AP一樣，由現(xiàn)網(wǎng)AC（AC池）統(tǒng)一管理調(diào)度。LTE-Fi的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及計(jì)費(fèi)認(rèn)證無(wú)需改造，采用瘦AP架構(gòu)，即插即用，接入部分與傳統(tǒng)AP相同，目前可支持到雙流IEEE 802.11n。該方案部署靈活自由，可用于公交車等高速移動(dòng)場(chǎng)景無(wú)線信號(hào)覆蓋以及自然風(fēng)景區(qū)等特殊場(chǎng)景的無(wú)線數(shù)據(jù)回傳。

另一種協(xié)同演進(jìn)的方案是網(wǎng)絡(luò)融合，即LTE與Wi-Fi端到端協(xié)同組網(wǎng)技術(shù)方案，該方案實(shí)現(xiàn)了LTE和Wi-Fi承載網(wǎng)的融合，Wi-Fi網(wǎng)關(guān)接入EPC，LTE和Wi-Fi雙模終端可在接入網(wǎng)進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和選擇。由于該方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)較無(wú)線融合方案更為復(fù)雜，也可以作為無(wú)線融合方案的后續(xù)階段。

4 結(jié)束語(yǔ)

首先介紹了LTE和Wi-Fi的技術(shù)特征，通過(guò)技術(shù)分析推論出LTE和Wi-Fi之間的關(guān)系，最后詳細(xì)闡述了LTE和Wi-Fi的兩種協(xié)同演進(jìn)方案。LTE和Wi-Fi在基于這兩種方案中分別在3GPP和IEEE兩個(gè)組織進(jìn)行技術(shù)演進(jìn)，演進(jìn)路線如圖9所示，但不管兩者如何演進(jìn)，由于二者的技術(shù)特點(diǎn)，運(yùn)營(yíng)商短期內(nèi)將會(huì)繼續(xù)保持 “以LTE為 主，Wi-Fi進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 分 流，LTE與Wi-Fi協(xié) 同 互補(bǔ)”的策略。

1 3GPP TS 36.201 V10.0.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA),LTE Physical Layer,General Description,2010

2 3GPP TS 36.300 V10.4.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN),Overall Description,2011

3 Wi-Fi Alliance.IEEE 802.11n System Interoperability Test Plan(V2.0.11),2011

4 3GPP TR 22.934.Feasibility Study on 3GPP System to Wireless Local Area Network Interworking,2002