LTE與WLAN聚合技術研究*

曹玉群

（諾基亞通信系統技術（北京）有限公司，浙江 杭州 350013）

LTE與WLAN聚合技術研究*

曹玉群

（諾基亞通信系統技術（北京）有限公司，浙江 杭州 350013）

隨著移動業務數據量的急劇增加，運營商面臨著需要支付高昂的頻譜占用費用以申請更多的授權頻譜來滿足用戶需求。為了降低移動網絡的部署成本，通過對授權頻譜與非授權頻譜融合的技術進行研究，詳細分析了LTE與WLAN的聚合方案，并通過外場測試場景比較了不同負載條件下的下行速率的增益，給出了LWA的部署建議。

LWA Xw接口 eLWA

1 引言

5G無線網絡將包括新的無線接入技術、LTE演進技術和WLAN演進技術等多種無線接入技術。針對5G無線網絡存在的多網絡、多接入技術共存的網絡特性，我國“新一代寬帶無線移動通信網 ”重大專項2017年度課題1-7將完成“5G多接入融合組網技術研發、標準化與驗證”方面的研究工作，包括：LTE-A與Wi-Fi鏈路聚合雙連接技術；5G、LTE-A與Wi-Fi多連接技術；將LTE的載波聚合技術部分擴展到非授權頻譜的LAA（Licensed-Assisted Access，授權頻譜輔助接入）技術；等等。

3GPP R13[1-2]定義了LWA（LTE and WLAN Aggregation）與LWIP這兩種鏈路聚合技術，其中LTE鏈路（授權頻譜）提供移動魯棒性與較廣的覆蓋范圍，而WLAN鏈路（非授權頻譜）承載了更高的數據流量，使UE（User Equipment，用戶終端）更好地同時利用LTE與WLAN接入技術，從而可以達到更高的峰值速率[3-5]。這兩種聚合技術顯著的區別在于：LWA在PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分組數據匯聚協議）層聚合，重用PDCP的安全機制；LWIP在IP層聚合，重用IP的安全機制。基于此，本文在介紹LWA技術、協議架構及外場測試結果的基礎上，給出了LWA的部署建議。

2 LWA關鍵技術

LWA是LTE與Wi-Fi雙連接的關鍵技術之一，在3GPP R13中LWA只支持下行數據Wi-Fi路徑承載，非授權頻譜僅支持2.4 GHz與5 GHz頻段，而在3GPP R14中新增的eLWA（enhanced LWA，增強LWA）技術將支持上行鏈路聚合，非授權頻譜新增了60 GHz頻段。

3GPP定義了共址部署與非共址部署這兩種LWA部署方式。其中，共址部署是將Wi-Fi AP（Access Point，接入點）與LTE小站集成在一起，用于人口密集區域的補盲且提高數據業務下行速率。

典型的非共址部署場景如圖1所示，利用LTE宏站的廣覆蓋實現LTE宏站與WLAN AP的聚合。

圖1 非共址部署網絡架構

在非共址部署方案中，WT（WLAN Terminal，WLAN的邊緣設備）是3GPP新定義的邏輯網元設備，它既可以是一臺獨立的網絡設備，也可能需要集成在WLAN AC（Access Controller，接入控制器）或者WLAN AP中。不管采用什么方式來部署非共址場景，都需要在LTE基站eNB與WT之間建立Xw接口[1,6]，WT與UE之間建立二層連接，因此需要對現有WLAN網絡進行改造。

2.1 LWA協議架構

共址部署方式通常采用小站Small Cell，LTE與WLAN是集成在一起的，未定義基帶處理單元BBU與WLAN間的接口，Xw接口或者私有接口都可適用于此場景。

共址場景LWA協議架構如圖2所示。下行數據承載傳輸支持三種方式：LTE路徑傳輸的LTE承載（LTE Bearer）方式、Wi-Fi路徑傳輸的切換式LWA承載（Switched LWA Bearer）方式、LTE與Wi-Fi路徑分流的分離式LWA承載（Split LWA Bearer）方式，從而大大提升LTE服務的性能。

圖2 共址場景LWA協議架構

非共址場景LWA協議架構如圖3所示，主要適用于宏站與WLAN的融合。在基站eNB側PDCP層以下新增一個LWAAP[2]的薄層實體模塊，在PDCP PDU的報文基礎上新填加數據承載的標識符DRB ID生成LWA PDU，通過Xw接口將LWA PDU傳送給WT，WT則通過WLAN 802.11 MAC層[7]將數據傳送給UE。在實際網絡部署中，為了降低LWA對現有網絡部署的影響，可以將WT的功能集成到WLAN AP內或者基站eNB內，本文將采用這種方式實現LWA功能。

2.2 LWA激活過程

圖4是終端LWA激活過程的時序流程。以WT集成在WLAN AP中為例，主要包括以下三部分工作：

（1）UE附著到LTE網絡；

圖3 非共址場景LWA協議架構

圖4 LWA激活時序流程

（2）WLAN信息獲取；

（3）WLAN聯接過程，即LWA激活。如果是將WT功能集成到基站內，則可以忽略步驟7、8。

從圖4可以看出，UE附著成功后，如果UE支持LWA功能，則需要對Wi-Fi AP信號強度進行測量（步驟6），若有支持LWA功能的WLAN AP的信號強度高于設定的門限值，則添加對應的WT（步驟7、8）后UE就可以聯接到該AP（步驟9、10），LWA激活成功。在LWA激活過程中，需要周期性上報WLAN AP的信號測量報告，如果信號強度低于設定的門限值，則使能LWA去激活。

2.3 LWA流量控制算法

在LWA激活狀態下，下行數據承載支持以下三種方式來傳輸數據：

（1）只通過LTE路徑傳輸；

（2）只通過Wi-Fi路徑傳輸；

（3）通過LTE與Wi-Fi兩條路徑來傳輸。

通過兩條路徑傳輸可以明顯提升UE的下行數據速率，但需要在PDCP層實現調度算法，選擇最優的一條路徑來傳輸PDCP PDU。David Lopez-Perez1等人[8]提出了一種流控算法：通過計算兩條路徑上的可能時延，選擇一條時延最小

的路徑來傳輸。

其中，PDUsize為需要傳輸的PDU數據量； BLTE為已發送但還沒有收到ACK的PDU（inflight）數據量； RLTE為LTE路徑的傳輸速率， 在外場測試場景下初始值設置為110 Mb/s，在設定的周期內如1 TTI，計算出實際的LTE速率作為下一個周期的RLTE。

WLAN路徑的時延dWLAN公式如下：

其中，PDUsize為需要傳輸的PDU數據量；BWLAN為已發送但還沒有收到ACK的PDU（in flight）數據量；RWLAN為WLAN路徑的傳輸速率，在外場測試場景下初始值設置為300 Mb/s，在設定的周期內如1 TTI，計算出實際的速率作為RWLAN；Xwlatency為Xw接口上數據傳輸的時延，在外場測試場景下已將WT集成到eNB中，假設Xwlatency=0，則：

由此可知，PDCP層根據dLTE與dWLAN選擇時延較小的路徑來傳輸當前的PDCP PDU。

3 LWA外場測試結果

LWA前期的外場測試將WT功能集成在eNB中，eNB與WLAN AP直連，測試一個WLAN AP+一個UE的場景。LTE選擇Band 41，WLAN AP支持802.11ac，5.8 GHz頻段，峰值速率可達300 Mb/s。LWA外場測試結果如圖5所示：

圖5 LWA外場測試結果

具體如下：

（1）UDP業務通過iperf網絡性能測試工具測試。如果僅使用LTE路徑，峰值速率可達到100 Mb/s；如果僅使用Wi-Fi路徑，峰值速率可達到300 Mb/s，與LTE相比下行速率提升了200%；在同時使用LT E與Wi-Fi路徑的情況下，峰值速率可達到400 Mb/s，與LTE相比下行速率提升了300%。

（2）在終端上使能USB網絡共享，筆記本PC通過FTP客戶端測試三種場景下的FTP下載速率。由于受限于應用層流控算法及上行帶寬（～9 Mb/s）對ACK的限制，FTP下行速率要低于iperf UDP下行速率，其中僅適用LTE路徑的情況下，FTP下行速率為56 Mb/s；如果僅適用Wi-Fi路徑的情況下，FTP下行速率可達到70 Mb/s，與LTE相比下行速率提升了25%；在同時使用LTE與Wi-Fi路徑的情況下，峰值速率可達到79 Mb/s，與LTE相比下行速率提升了41%。

4 LWA實現及部署建議

本文將部分WT的工作放在eNB宏站內部：LWA AP添加了DRB ID后[9]，傳輸層添加LWA Specific Ether Type（0x9e65）及以太頭后根據目標MAC地址轉發。圖6是LWA的報文格式，在外場測試中DRB ID設置為0x04。

運營商部署LWA主要有以下三種場景：

（1）運營商已部署了大量的傳統WLAN AP，不希望對WLAN網絡做大的改造及升級；

（2）運營商希望對現有的WLAN AP升級支持WT的功能；

（3）運營商希望有一個簡單可行的LWA補盲方案。

本文實現的LWA方案將WT的部分功能集成到宏站內，省略了Xw接口，適合于第一種重用傳統WLAN AP的場景：該方案不需要額外引入WT設備。

如果現有的WLAN AP可以通過軟件方式升級來支持WT功能，則需要在eNB側實現Xw接口。

對于需要補盲且運營商尚未部署WLAN AP的場景，則可以采用共址部署的小站LWA方案。相較于本文提出的非共址的宏站方案，部署起來更為靈活、方便，但需要將WLAN AP集成到小站內。

采用LWA技術，數據業務錨定在LTE上：Wi-Fi在未授權頻譜上運行，而LTE在授權頻譜上運行并管理LWA，這兩種無線技術的結合將會帶來絕佳的用戶體驗。LWA最大的優勢是WLAN路徑上的流量能從移動運營商EPC提供的服務中獲益，包括深度包檢測、流量計費、報文合法攔截、用戶身份認證等。

圖6 eN B與AP間LWA報文格式

5 結束語

本文通過對LTE與WLAN聚合技術進行分析，提出了現網LWA部署建議。經過外場測試研究結果表明：LTE與WLAN的聚合可以顯著提升UDP業務或TCP業務的下行速率，但對TCP業務的提升效果沒有UDP業務那么明顯，需要在今后的工作中做進一步的優化及研究。下一步，LWA的研究工作中還需要關注安全等方面的內容，如：通過傳統的WLAN AC實現LWA用戶的身份認證或者通過eNB實現輔助身份認證[10]。

[1]3GPP TS 36.300 V13.4.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN)[S]. 2016.

[2]3GPP TS 36.361 V13.2.0. E-UTRA – LTE/WLAN Radio Level Integration using IPsec Tunnel (LWIP)encapsulation – Protocol speci fi cation[S]. 2016.

[3]J Ling, S Kanugovi, S Vasudevan, et al. Enhanced Capacity amp; Coverage by Wi-Fi LTE Integration[J]. IEEE Communications Magazine, 2014,53(3)： 165-171.

[4]S Singh, M Geraseminko, SP Yeh, et al. Proportional Fair Traf fic Splitting and Aggregation in Heterogeneous Wireless Networks[J]. IEEE Communications Letters,2016,20(5)： 1010-1013.

[5]D López-Pérez, M Ding, H Claussen, et al. Towards 1Gbps/UE in Cellular Systems： Understanding Ultra-Dense Small Cell Deployments[J]. IEEE Communications Surveys amp; Tutorials, 2015,17(4)： 2078-2101.

[6]3GPP TS 36.360 V13.0.0. LTE-WLAN Aggregation Adaptation Protocol (LWAAP) specification[S]. 2016.

[7]IEEE standard 802.11. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY)specifications[S]. 2012.

[8]D López- Pérez, D Laselva, E Wallmeier, et al. Long Term Evolution-Wireless Local Area Network Aggregation Flow Control[J]. IEEE Access, 2016(4)： 9860-9869.

[9]3GPP TS 36.331 V13.2.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC);Protocol specification[S]. 2016.

[10]3GP P TS 33.401 V13.2.0. 3GPP System Architecture Evolution (SAE); Security architecture[S]. 2016.

Research on Aggregation Technology of LTE and WLAN

CAO Yuqun
(Nokia Networks, Hangzhou 350013, China)

With the drastic growth of mobile data traffic, operators are now facing a burden of tremendous spectrum occupancy costs to apply more licensed spectrums. In order to reduce the deployment costs of mobile networks, the solution of LTE and WLAN aggregation was analyzed in detail by studying the technique of licensed spectrum and unlicensed spectrum combination. The potential gains of downlink rate in different load conditions were compared infieldtrial scenarios. The corresponding deployment suggestion of LWA was proposed in this paper.

LWA Xw interface eLWA

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.20.004

TN929.5

A

1006-1010(2017)20-0022-05

曹玉群. LTE與WLAN聚合技術研究[J]. 移動通信, 2017,41(20)： 22-26.

國家科技重大專項（2017ZX03001008）

2017-08-21

責任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn

曹玉群：高級工程師，理學碩士畢業于廈門大學，現任職于諾基亞通信系統技術（北京）有限公司，主要研究方向為嵌入系統System on Chip（SoC）、L2VPN、固網及移動通信等領域，發表論文8篇，授權發明專利10多項。