異構網絡中無線通信技術研究綜述

張閩　曹珂崯　戴路,　劉歡　陳清華

關鍵詞： 數據流量；網絡技術；無線通信；LTE 蜂窩系統；無線局域網；異構網絡

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

隨著大數據、云計算等新興產業的發展和移動智能通信設備的普及，人們迫切需要高質量、高速率和高可靠的無線通信技術來滿足需求。根據思科白皮書顯示，從2017年至2022年，全球移動數據流量將增長7倍，預計到2022年底，全球將達到1 ZB的年度移動數據流量。當前，爆炸式增長的數據流量和密集的用戶智能設備給網絡體系帶來了巨大的壓力，使得有限的網絡頻譜資源日趨緊張，網絡體系需要在逼近其網絡容量的狀況下進行數據傳輸，網絡資源難以滿足用戶的高速率的網絡需求。于是，出現了多種技術來解決海量數據傳輸與用戶網絡需求之間的矛盾，例如LTE（Long Term Evolution，長期演進）系統、WLAN （Wireless Local Area Network，無線局域網）、異構網絡等。當海量規模的用戶和智能設備在錯綜復雜的網絡環境中進行數據傳輸時，多種無線通信技術共存的網絡體系可以利用其各自的網絡特點，為用戶和智能設備提供高可靠的網絡服務。因此，多種無線通信技術共存于異構網絡中已經逐漸成為未來網絡體系發展的趨勢[1]。

目前，學術界和研究機構提出了各種標準的無線數據傳輸方式，使得無線通信技術進入了一個嶄新的數字化時代。最常見的LTE系統和WLAN仍不斷提出新的技術，用以支持海量用戶設備和數據流量的傳輸[2]。LTE系統始于2004年，該網絡旨在為用戶提供一種新的以分組交換數據為核心的無線接入技術。LTE的誕生是為不斷優化無線通信技術以滿足客戶對無線通信的更高要求。第一個LTE 規范由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年發展為LTE-advanced和LTE-advanced Pro[3]。LTE系統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]至今已經有20余年，經歷了數十次提案和修改，包括IEEE 802.11b、IEEE 802.11g/a、IEEE802.11n以及IEEE 802.11ac等版本。WLAN可為覆蓋范圍內的用戶提供高可靠的吞吐量，從而滿足用戶的網絡傳輸需求。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點被廣泛使用。各種無線通信技術充分發揮自身的優勢，同時也形成了“異構網絡”的必然趨勢。異構網絡就是將LTE與WLAN 兩種網絡結合起來，既要注重不同無線通信技術之間的業務無縫對接[5]，還要解決異構網絡中無線通信技術的共存問題。因此，本文重點介紹LTE系統、WLAN 和異構網絡組網技術的研究現狀。

2 無線通信技術的研究現狀

2.1 無線局域網技術

1997年，IEEE發布了第一個802.11標準，其理論最大速率可達到2 Mbps。1999年頒布的IEEE802.11b協議，新增了直接序列擴頻模式，可以提供11Mbps的數據速率。2002年提出的IEEE 802.11g/a協議，在物理層引入了正交頻分復用技術，該技術可以提高頻譜利用率，達到54 Mbps 的數據速率。IEEE802.11n于2009年正式發布，這是WLAN發展史上的里程碑，其核心技術是單用戶的多入多出和信道綁定技術。802.11n支持256-QAM的調制方式，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年正式發布，該協議支持5GHz的免許可頻段，同時兼容之前的網絡協議，為用戶提供更高的系統容量、更高的調制方式（1024-QAM）和更快的傳輸速率[6]。IEEE 802.11n提出的增強型MAC層信道接入技術是WLAN發展史的重要里程碑，在這之前的協議均采用帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問的分布式協調功能。而后提出的IEEE802.11n支持分布式協調功能接入、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質量[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，因此MAC層的技術演進促進了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備，WLAN 由于信道接入過多和相互間的干擾，網絡性能呈下降趨勢。在此背景下，IEEE802.11ax 應運而生，并將其稱為高效無線局域網[8]。針對密集部署WLAN環境，IEEE 802.11ax協議引入了多個新技術以支撐數據傳輸，其中包括多用戶傳輸的正交頻分多址技術、空間復用技術、TWT節能技術等。正交頻分多址技術用以提升信道利用率，該技術是在正交頻分復用技術的基礎上，將特定的子載波分配給不同的用戶，實現多個用戶的同時傳輸。該機制的優點是可以避免深度衰落和窄帶干擾，并且可以減少前導碼和信道接入開銷。多個用戶可以在每個時間片上同時發送數據包，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]。空間復用技術用以提高信道復用率，用戶在發送數據之前需要檢測網絡信道是否處于繁忙狀態，從而避免用戶之間發生沖突。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據，然后動態地調整干擾強度的閾值以尋求同頻并發傳輸[10]。TWT節能技術是IEEE 802.11ax WLAN中一個重要的資源調度功能[4]，它允許用戶與接入點之間協調喚醒時間來傳輸數據。接入點可以通過TWT節能機制將用戶分配給不同的TWT服務期來減少同時競爭信道的用戶數量。另外，節能休眠機制還可以提高便攜式設備的電池使用壽命。

2.2 LTE系統

LTE是3GPP提出的，引入了3G通用移動電信系統無線接入技術，以實現數據傳輸。LTE的設計要求主要有：更高的用戶數據速率，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服務相比，其傳輸時間間隔縮短至10 ms以下；LTE系統容量和覆蓋范圍得以改進；支持可擴展的帶寬，且帶寬的范圍為5 MHz到20 MHz，乃至更寬，使該標準能夠在頻率分配的各種規模下運行[11]。

LTE系統架構是由核心網絡和無線電接入網絡組成[12]。其中，核心網絡被稱為演進分組核心網，由服務網關、移動管理實體和分組數據網關組成。演進分組核心網不再使用電路交換，允許分組交換和電路交換業務之間的轉換，同時降低了網絡成本。無線電接入網絡被稱為演進通用陸地無線接入網，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系統利用正交頻分復用技術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據。由于多個載波各自承載數據速率較低，而正交頻分復用技術可以通過載波聚合技術聚合多個子載波，以實現數據的高速傳輸。該技術由于將信道帶寬分成較小的頻帶，每個頻帶表現出平坦的衰落，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系統中的信道帶寬最高可達200 MHz[3]。

2.3 異構網絡組網技術

由于接入設備的增長，可以使用異構網絡組網技術來滿足用戶需求，即在異構網絡中同時使用LTE和WLAN。異構網絡需考慮兩個問題：一是LTE系統和WLAN之間應當如何更好地共存，二是共存環境中的用戶該如何連接兩種網絡以完成數據傳輸。當前在異構網絡組網技術中，LTE系統與WLAN共存的主要技術如下所述。

（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，LTE-U技術的發展將推動5G蜂窩移動通信系統邁出重要的一步[13]。LTE-U在免許可頻段上使用載波偵聽自適應傳輸來實現LTE系統和WLAN的友好共存。在CSAT技術中，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據傳輸。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兩種模式，當周期為“開”模式時，表示LTE-U在信道上傳輸數據，此時WLAN不發送數據；為“關”模式則表示WLAN進行數據傳輸。這樣，LTE-U和WLAN 在傳輸時域上互不干擾，可以動態調整占空比。文獻[14]提出了一種新型的無線接入點架構，該架構由蜂窩網絡部署，同時將LTE和WLAN的功能都集成到該架構中；然后在WLAN協議中嵌入LTE-U信令以實現無縫集成；最后，在免許可頻段上實現LTE和WLAN完美地共存。

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

由于LTE系統的許可頻譜資源稀缺且昂貴，研究學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的系統容量，從而提高LTE系統的數據效率。在WLAN的免許可頻段上，LAA技術通過載波聚合技術實現與WLAN共存，LAA主要將服務小區分成主頻小區和輔助小區。LTE在主頻小區上使用許可頻段的信道資源，LAA在輔助小區上使用免許可頻段的信道資源。J.Tan等利用LAA技術來擴充LTE的系統容量，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[15]。對于運營商而言，使用LAA技術可以利用免許可頻段資源來實現類似于LTE許可服務的服務質量，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的盡最大努力服務和LTE系統高昂的費用相比，可以以更低的價格為用戶提供服務。

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

在LTE系統和WLAN異構網絡中，借助LWA技術，可以將LTE系統中的數據業務進行分離，即，LWA 利用WLAN的接入點來傳輸LTE中的數據流量，將一部分LTE系統中的數據業務轉移到接入點上進行傳輸，剩余部分的數據業務仍在LTE系統上，從而提升LTE系統的性能。LWA技術集中采用接入點來增大LTE系統的數據速率，在WLAN的MAC框架中傳輸LTE的數據業務[16]。因而，雖然它正在傳輸LTE數據，但看起來卻像另一個WLAN。與LTE-U和LAA相比，LWA更容易實現，因為只需要利用相關軟件即可實現共存。智能手機采用LWA技術就能為這兩種無線網絡供電并拆分數據業務給這兩種網絡，從而進行數據傳輸。當LTE數據在接入點上完成傳輸時，會被立即傳送回LTE系統的演進分組核心網。因此，LWA技術不需要和WLAN共存于免許可頻段，既可以實現LTE 用戶的數據傳輸，又能不影響WLAN的數據傳輸，是提升LTE系統性能的解決方案之一。

3未來發展方向

本文首先從數據流量爆炸式增長的發展現狀引出幾種常用的無線通信技術，從而對無線局域網技術、LTE系統和異構網絡組網技術的關鍵技術進行了分析。目前無線通信技術呈現飛速發展的趨勢，為了更好地滿足用戶的通信需求，5G網絡和Wi-Fi 7正在緊鑼密鼓地研究中，如何結合最新的無線通信技術和數據傳輸速率是需要研究的難題。隨著人工智能、大數據及云計算產業的興起，無線通信技術必會受到其他新興領域的啟發，得到更好的發展。同時與熱點研究的機器學習相結合，通過自身的訓練學習獲得最優解，以實現LTE系統和WLAN異構網絡進一步融合與發展。