異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中無線通信技術(shù)研究綜述

張閩　曹珂崯　戴路,　劉歡　陳清華

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)流量；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；無線通信；LTE 蜂窩系統(tǒng)；無線局域網(wǎng)；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）36-0062-03

1 引言

隨著大數(shù)據(jù)、云計算等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和移動智能通信設(shè)備的普及，人們迫切需要高質(zhì)量、高速率和高可靠的無線通信技術(shù)來滿足需求。根據(jù)思科白皮書顯示，從2017年至2022年，全球移動數(shù)據(jù)流量將增長7倍，預(yù)計到2022年底，全球?qū)⑦_到1 ZB的年度移動數(shù)據(jù)流量。當前，爆炸式增長的數(shù)據(jù)流量和密集的用戶智能設(shè)備給網(wǎng)絡(luò)體系帶來了巨大的壓力，使得有限的網(wǎng)絡(luò)頻譜資源日趨緊張，網(wǎng)絡(luò)體系需要在逼近其網(wǎng)絡(luò)容量的狀況下進行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)資源難以滿足用戶的高速率的網(wǎng)絡(luò)需求。于是，出現(xiàn)了多種技術(shù)來解決海量數(shù)據(jù)傳輸與用戶網(wǎng)絡(luò)需求之間的矛盾，例如LTE（Long Term Evolution，長期演進）系統(tǒng)、WLAN （Wireless Local Area Network，無線局域網(wǎng)）、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等。當海量規(guī)模的用戶和智能設(shè)備在錯綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進行數(shù)據(jù)傳輸時，多種無線通信技術(shù)共存的網(wǎng)絡(luò)體系可以利用其各自的網(wǎng)絡(luò)特點，為用戶和智能設(shè)備提供高可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。因此，多種無線通信技術(shù)共存于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)逐漸成為未來網(wǎng)絡(luò)體系發(fā)展的趨勢[1]。

目前，學(xué)術(shù)界和研究機構(gòu)提出了各種標準的無線數(shù)據(jù)傳輸方式，使得無線通信技術(shù)進入了一個嶄新的數(shù)字化時代。最常見的LTE系統(tǒng)和WLAN仍不斷提出新的技術(shù)，用以支持海量用戶設(shè)備和數(shù)據(jù)流量的傳輸[2]。LTE系統(tǒng)始于2004年，該網(wǎng)絡(luò)旨在為用戶提供一種新的以分組交換數(shù)據(jù)為核心的無線接入技術(shù)。LTE的誕生是為不斷優(yōu)化無線通信技術(shù)以滿足客戶對無線通信的更高要求。第一個LTE 規(guī)范由3GPP （The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃）于2008年完成，并分別于2010年和2015年發(fā)展為LTE-advanced和LTE-advanced Pro[3]。LTE系統(tǒng)由基站對用戶進行資源分配，提供較廣的覆蓋范圍用以接入更多的用戶，能夠分配給用戶的頻譜資源較少且費用較高。WLAN 誕生于1997 年，使用的IEEE802.11標準[4]至今已經(jīng)有20余年，經(jīng)歷了數(shù)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可為覆蓋范圍內(nèi)的用戶提供高可靠的吞吐量，從而滿足用戶的網(wǎng)絡(luò)傳輸需求。眾多公共場所如火車站、商場和辦公大樓等都部署了WLAN的接入點。WLAN因其部署靈活、成本低廉和速率高等優(yōu)點被廣泛使用。各種無線通信技術(shù)充分發(fā)揮自身的優(yōu)勢，同時也形成了“異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)”的必然趨勢。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)就是將LTE與WLAN 兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，既要注重不同無線通信技術(shù)之間的業(yè)務(wù)無縫對接[5]，還要解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中無線通信技術(shù)的共存問題。因此，本文重點介紹LTE系統(tǒng)、WLAN 和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

2 無線通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2.1 無線局域網(wǎng)技術(shù)

1997年，IEEE發(fā)布了第一個802.11標準，其理論最大速率可達到2 Mbps。1999年頒布的IEEE802.11b協(xié)議，新增了直接序列擴頻模式，可以提供11Mbps的數(shù)據(jù)速率。2002年提出的IEEE 802.11g/a協(xié)議，在物理層引入了正交頻分復(fù)用技術(shù)，該技術(shù)可以提高頻譜利用率，達到54 Mbps 的數(shù)據(jù)速率。IEEE802.11n于2009年正式發(fā)布，這是WLAN發(fā)展史上的里程碑，其核心技術(shù)是單用戶的多入多出和信道綁定技術(shù)。802.11n支持256-QAM的調(diào)制方式，其最大速率可以達到500 Mbps，比之前版本的速率提高了10 倍以上。802.11ac于2014年正式發(fā)布，該協(xié)議支持5GHz的免許可頻段，同時兼容之前的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，為用戶提供更高的系統(tǒng)容量、更高的調(diào)制方式（1024-QAM）和更快的傳輸速率[6]。IEEE 802.11n提出的增強型MAC層信道接入技術(shù)是WLAN發(fā)展史的重要里程碑，在這之前的協(xié)議均采用帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問的分布式協(xié)調(diào)功能。而后提出的IEEE802.11n支持分布式協(xié)調(diào)功能接入、增強型分布式信道接入和混合控制信道接入。這些技術(shù)通過傳輸機會機制提高了訪問效率的同時，也提高了用戶的服務(wù)質(zhì)量[7]。此外，幀聚合機制也提高了MAC層的訪問效率。IEEE 802.11ac 沿襲了IEEE 802.11n 的MAC 技術(shù)，因此MAC層的技術(shù)演進促進了WLAN接入效率的不斷提高。

當前，面對有限的免許可頻譜資源和密集部署的智能設(shè)備，WLAN 由于信道接入過多和相互間的干擾，網(wǎng)絡(luò)性能呈下降趨勢。在此背景下，IEEE802.11ax 應(yīng)運而生，并將其稱為高效無線局域網(wǎng)[8]。針對密集部署WLAN環(huán)境，IEEE 802.11ax協(xié)議引入了多個新技術(shù)以支撐數(shù)據(jù)傳輸，其中包括多用戶傳輸?shù)恼活l分多址技術(shù)、空間復(fù)用技術(shù)、TWT節(jié)能技術(shù)等。正交頻分多址技術(shù)用以提升信道利用率，該技術(shù)是在正交頻分復(fù)用技術(shù)的基礎(chǔ)上，將特定的子載波分配給不同的用戶，實現(xiàn)多個用戶的同時傳輸。該機制的優(yōu)點是可以避免深度衰落和窄帶干擾，并且可以減少前導(dǎo)碼和信道接入開銷。多個用戶可以在每個時間片上同時發(fā)送數(shù)據(jù)包，并為每個用戶分配合適的資源單元，從而同時提高多個用戶的性能指標[9]。空間復(fù)用技術(shù)用以提高信道復(fù)用率，用戶在發(fā)送數(shù)據(jù)之前需要檢測網(wǎng)絡(luò)信道是否處于繁忙狀態(tài)，從而避免用戶之間發(fā)生沖突。在檢測時，用戶通過識別同頻干擾強度來確定信道中是否有用戶正在傳輸數(shù)據(jù)，然后動態(tài)地調(diào)整干擾強度的閾值以尋求同頻并發(fā)傳輸[10]。TWT節(jié)能技術(shù)是IEEE 802.11ax WLAN中一個重要的資源調(diào)度功能[4]，它允許用戶與接入點之間協(xié)調(diào)喚醒時間來傳輸數(shù)據(jù)。接入點可以通過TWT節(jié)能機制將用戶分配給不同的TWT服務(wù)期來減少同時競爭信道的用戶數(shù)量。另外，節(jié)能休眠機制還可以提高便攜式設(shè)備的電池使用壽命。

2.2 LTE系統(tǒng)

LTE是3GPP提出的，引入了3G通用移動電信系統(tǒng)無線接入技術(shù)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。LTE的設(shè)計要求主要有：更高的用戶數(shù)據(jù)速率，其中上行鏈路和下行鏈路各達到50 Mbps和100 Mbps；更短的時延，與3G服務(wù)相比，其傳輸時間間隔縮短至10 ms以下；LTE系統(tǒng)容量和覆蓋范圍得以改進；支持可擴展的帶寬，且?guī)挼姆秶鸀? MHz到20 MHz，乃至更寬，使該標準能夠在頻率分配的各種規(guī)模下運行[11]。

LTE系統(tǒng)架構(gòu)是由核心網(wǎng)絡(luò)和無線電接入網(wǎng)絡(luò)組成[12]。其中，核心網(wǎng)絡(luò)被稱為演進分組核心網(wǎng)，由服務(wù)網(wǎng)關(guān)、移動管理實體和分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)組成。演進分組核心網(wǎng)不再使用電路交換，允許分組交換和電路交換業(yè)務(wù)之間的轉(zhuǎn)換，同時降低了網(wǎng)絡(luò)成本。無線電接入網(wǎng)絡(luò)被稱為演進通用陸地無線接入網(wǎng)，它包含用戶和基站。無論信道中可使用的帶寬資源為多少，LTE系統(tǒng)都將頻譜資源分配成相同大小的資源分配單元，即資源塊。LTE系統(tǒng)利用正交頻分復(fù)用技術(shù)將信道帶寬劃分成多個相互正交的子載波，并在每個子載波上并行地傳輸數(shù)據(jù)。由于多個載波各自承載數(shù)據(jù)速率較低，而正交頻分復(fù)用技術(shù)可以通過載波聚合技術(shù)聚合多個子載波，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。該技術(shù)由于將信道帶寬分成較小的頻帶，每個頻帶表現(xiàn)出平坦的衰落，可以抵消由反射和頻域上的一般傳播特性引起的窄帶衰落，因而頻率選擇性衰落的影響被降低。在頻域上，資源塊的大小為180 kHz，一個資源塊由12個子載波組成，數(shù)量的范圍從1.4 MHz的6個到20 MHz的100個。通過載波聚合，LTE系統(tǒng)中的信道帶寬最高可達200 MHz[3]。

2.3 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)

由于接入設(shè)備的增長，可以使用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)來滿足用戶需求，即在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中同時使用LTE和WLAN。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)需考慮兩個問題：一是LTE系統(tǒng)和WLAN之間應(yīng)當如何更好地共存，二是共存環(huán)境中的用戶該如何連接兩種網(wǎng)絡(luò)以完成數(shù)據(jù)傳輸。當前在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)中，LTE系統(tǒng)與WLAN共存的主要技術(shù)如下所述。

（1） 免許可的LTE（LTE unlicensed，LTE-U）

高通和愛立信在2013年的3GPP會議上首次提出了LTE-U技術(shù)，LTE-U技術(shù)的發(fā)展將推動5G蜂窩移動通信系統(tǒng)邁出重要的一步[13]。LTE-U在免許可頻段上使用載波偵聽自適應(yīng)傳輸來實現(xiàn)LTE系統(tǒng)和WLAN的友好共存。在CSAT技術(shù)中，首先用戶對免許可頻段的信道進行幾十毫秒左右的偵聽；然后依據(jù)偵聽到的信道信息，將整個頻段按照一定的比例分成LTE-U和WLAN的傳輸時間段；最后分時間段進行數(shù)據(jù)傳輸。這樣的過程被稱為占空比機制，在免許可頻段上將時域細分成多個時間周期，每個周期只有開和關(guān)兩種模式，當周期為“開”模式時，表示LTE-U在信道上傳輸數(shù)據(jù)，此時WLAN不發(fā)送數(shù)據(jù)；為“關(guān)”模式則表示W(wǎng)LAN進行數(shù)據(jù)傳輸。這樣，LTE-U和WLAN 在傳輸時域上互不干擾，可以動態(tài)調(diào)整占空比。文獻[14]提出了一種新型的無線接入點架構(gòu)，該架構(gòu)由蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署，同時將LTE和WLAN的功能都集成到該架構(gòu)中；然后在WLAN協(xié)議中嵌入LTE-U信令以實現(xiàn)無縫集成；最后，在免許可頻段上實現(xiàn)LTE和WLAN完美地共存。

（2） 許可頻段輔助接入（Licensed Assisted Access，LAA）

由于LTE系統(tǒng)的許可頻譜資源稀缺且昂貴，研究學(xué)者將目光放在了免許可頻譜上，希望利用免許可頻譜來擴充LTE的系統(tǒng)容量，從而提高LTE系統(tǒng)的數(shù)據(jù)效率。在WLAN的免許可頻段上，LAA技術(shù)通過載波聚合技術(shù)實現(xiàn)與WLAN共存，LAA主要將服務(wù)小區(qū)分成主頻小區(qū)和輔助小區(qū)。LTE在主頻小區(qū)上使用許可頻段的信道資源，LAA在輔助小區(qū)上使用免許可頻段的信道資源。J.Tan等利用LAA技術(shù)來擴充LTE的系統(tǒng)容量，提出了靈活的LAA 共存框架，在保護WLAN用戶的前提下，最大化免許可頻段上LAA的用戶數(shù)[15]。對于運營商而言，使用LAA技術(shù)可以利用免許可頻段資源來實現(xiàn)類似于LTE許可服務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，還可以通過接納更多用戶而無須增加許可頻譜的額外投資來增加運營收入。對用戶而言，與WLAN的盡最大努力服務(wù)和LTE系統(tǒng)高昂的費用相比，可以以更低的價格為用戶提供服務(wù)。

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

在LTE系統(tǒng)和WLAN異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，借助LWA技術(shù)，可以將LTE系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進行分離，即，LWA 利用WLAN的接入點來傳輸LTE中的數(shù)據(jù)流量，將一部分LTE系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到接入點上進行傳輸，剩余部分的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)仍在LTE系統(tǒng)上，從而提升LTE系統(tǒng)的性能。LWA技術(shù)集中采用接入點來增大LTE系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率，在WLAN的MAC框架中傳輸LTE的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[16]。因而，雖然它正在傳輸LTE數(shù)據(jù)，但看起來卻像另一個WLAN。與LTE-U和LAA相比，LWA更容易實現(xiàn)，因為只需要利用相關(guān)軟件即可實現(xiàn)共存。智能手機采用LWA技術(shù)就能為這兩種無線網(wǎng)絡(luò)供電并拆分數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)給這兩種網(wǎng)絡(luò)，從而進行數(shù)據(jù)傳輸。當LTE數(shù)據(jù)在接入點上完成傳輸時，會被立即傳送回LTE系統(tǒng)的演進分組核心網(wǎng)。因此，LWA技術(shù)不需要和WLAN共存于免許可頻段，既可以實現(xiàn)LTE 用戶的數(shù)據(jù)傳輸，又能不影響WLAN的數(shù)據(jù)傳輸，是提升LTE系統(tǒng)性能的解決方案之一。

3未來發(fā)展方向

本文首先從數(shù)據(jù)流量爆炸式增長的發(fā)展現(xiàn)狀引出幾種常用的無線通信技術(shù)，從而對無線局域網(wǎng)技術(shù)、LTE系統(tǒng)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)進行了分析。目前無線通信技術(shù)呈現(xiàn)飛速發(fā)展的趨勢，為了更好地滿足用戶的通信需求，5G網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi 7正在緊鑼密鼓地研究中，如何結(jié)合最新的無線通信技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸速率是需要研究的難題。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)及云計算產(chǎn)業(yè)的興起，無線通信技術(shù)必會受到其他新興領(lǐng)域的啟發(fā)，得到更好的發(fā)展。同時與熱點研究的機器學(xué)習(xí)相結(jié)合，通過自身的訓(xùn)練學(xué)習(xí)獲得最優(yōu)解，以實現(xiàn)LTE系統(tǒng)和WLAN異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進一步融合與發(fā)展。