LTE与Wi-Fi发展趋势探讨

董 哲

（中国电信股份有限公司广州研究院 广州510630）

1 引言

自2009年底全球首个LTE网络商用以来，LTE在全球市场取得了快速发展。根据GSA的统计，至2013年4月，LTE已在全球67个国家得到商用，网络数量达到163个。根 据Strategy Analytics的 统 计，至2012年 底LTE网络已覆盖了全球人口的11%，而在2013年内，这一数字将再翻一番，使LTE覆盖人口数量达到全球人口的22%。预计Wi-Fi芯片2013年的出货量将达到21.4亿个，较2012年的17.8亿个同比大增20%，预计Wi-Fi芯片2011-2017年的出货量约为187亿个。届时，全球共有70亿人口，而这一数字意味着Wi-Fi芯片的出货量将是全球总人口的2.5倍之多。本文将对LTE与Wi-Fi的技术特征进行探讨，通过技术分析推论出LTE和Wi-Fi之间的关系，最后对LTE和Wi-Fi的协同演进方案进行详细阐述。

2 LTE与Wi-Fi的技术特征

LTE是全双工通信技术，根据双工方式分为FDD和TDD两种，上行和下行的多址技术分别为SC-FDMA和OFDMA，采用了MIMO天线技术和高阶调制技术，同时提供了灵活的带宽配置。

Wi-Fi是半双工通信技术，OFDM同样在Wi-Fi中得到了 广 泛 的 应 用，在IEEE 802.11a、IEEE 802.11g、IEEE 802.11n和IEEE 802.11ac中均采用了OFDM技术，而MIMO天线技术和高阶调制技术也应用在IEEE 802.11n和IEEE 802.11ac中，IEEE 802.11n和IEEE 802.11ac在MAC层还采用了帧聚合技术，将目的地的多个相同帧合并为一个帧进行传输，有效地提高了传输效率，如图1所示。

LTE与Wi-Fi的相关技术比较见表1。

图1 LTE和Wi-Fi采用的主要技术

表1 LTE和Wi-Fi的技术比较

在数据速率方面，LTE-FDD在20 MHz带宽条件下可以达到上行75 Mbit/s、下行150 Mbit/s；Wi-Fi与LTE相对应带宽的是IEEE 802.11n单流，可以达到上行150 Mbit/s、下行150 Mbit/s，但目前市面上成熟的IEEE 802.11n双流产品可以达到上行300 Mbit/s、下行300 Mbit/s。

在QoS方面，LTE具有低时延和完善的业务流QoS，有切换保证；而Wi-Fi时延较大，且无完善业务流QoS，仅瘦AP具备切换能力。

在移动性和覆盖方面，LTE具有支持高速移动和广覆盖的特性，而Wi-Fi目前还无法做到，仅适用于室内等非高速移动环境。

LTE和Wi-Fi均具有丰富的频率资源，但LTE频率由国家无线电管理委员会划定，因此不存在Wi-Fi 2.4 GHz免费频段的干扰冲突。LTE在互操作和网管维护方面同样具有优势。

与Wi-Fi相比，LTE网络虽然具有优势，但同样面临挑战，从某国外运营商的统计数据来看，用户的业务速率随LTE业务量增长呈现下降趋势，如图2所示。平均每个LTE用户的月业务流量平稳地保持在2.5 GB左右，如图3所示。

图2 2012年某运营商LTE用户速率趋势

图3 2012年某运营商LTE用户业务流量

图4 某运营商LTE小区负载趋势

从该运营商对密集市区的400个eNode B（约2 100个小区）的数据来看，在两个半月的时间里，小区连接用户数增长了一倍，LTE小区负载随业务量快速增长，如图4所示。该网络如果在密集市区，10%小区承载40%的话务量，LTE小区与话务量的关系如图5所示。

图5 某运营商LTE小区与话务量关系

基于以上分析，运营商在LTE时代很可能会采用“以LTE为主，Wi-Fi进行数据分流，LTE与Wi-Fi协 同 互 补”的策略。

3 LTE与Wi-Fi协同演进方案

既然电信运营商在LTE时代离不开Wi-Fi，那么如何实现二者的协同演进将是摆在运营商面前的一道难题。笔者给出两种协同演进方案：无线融合和网络融合。

无线融合，顾名思义，就是利用LTE与Wi-Fi解决无线覆盖和容量的融合技术方案，根据具体场景和设备形态分为以下3种。

·方案1：LTE与Wi-Fi设备的融合式独立布放。

·方案2：天线融合，即融合室内分布系统。

·方案3：无线设备融合，如Nanocell、LTE-Fi等。

在方案1中，针对特定目标区域（如图6所示），用相对独立的LTE和Wi-Fi设备进行重叠覆盖，通过Wi-Fi分流LTE的数据业务，达到解决无线覆盖和容量的目的。该方案适用于会议室、会展中心等用户密集型场所。

图6 LTE与Wi-Fi设备的融合式独立布放示意

图7 Nanocell组网架构

在方案2中，将LTE和Wi-Fi同时引入室内分布系统进行同区域重叠覆盖，但需考虑LTE室内分布系统的多种改造方式。该方案主要适用于写字楼、商场等大型楼宇。

在方案3中，LTE和Wi-Fi做到了无线侧设备的物理融合，即同一个设备中包含了LTE和Wi-Fi两种功能，这类设备常见的主要有两种，一种是Nanocell，另一种是LTE-Fi。

Nanocell的架构和今天运营商的WLAN架构相同，通过宽带回程网络接入WLAN的认证系统，与AC、Portal和认证服务器AAA接口，一方面支持Web认证功能，另一方面也支持EAP-SIM/AKA/PEAP等自动认证方式。如图7所示的系统架构可分为3个部分：EPC部分、WLAN接入控制部分及Nanocell新增网元部分。其中，EPC及WLAN接入控制的架构和组网方式沿用已有系统的架构和功能。而Nanocell新增网元的功能说明如下：

·Nanocell，为终端提供蜂窝网接入，和终端间通过Uu口进行空口的通信，其详细信息参考第3节。同时提供WLAN接入，也和终端通过WLAN模块进行通信。

图8 LTE-Fi组网架构

图9 LTE与Wi-Fi的技术演进示意

·Nanocell网关，对Nanocell设备进行双向认证；对S1接口的信令和数据及Nanocell与网管间的消息通过IPSec进行加密；在Nanocell数量大时，Nanocell网关可根据配置进行S1接口信令面的汇聚，降低对MME的信令压力。

·Nanocell网管，对Nanocell、Nanocell网关进行管理，在Nanocell启动时对其参数进行配置，在运行中，对Nanocell进行性能管理。

·本地网关，是Nanocell的可选功能，可将用户的数据通过本地网络进行路由转发，访问本地网络的IP资源，减少传递到核心网的IP数据分组。

LTE-Fi的网络架构如图8所示，采用LTE作为回传链路，LTE-Fi设备同传统AP一样，由现网AC（AC池）统一管理调度。LTE-Fi的网络架构及计费认证无需改造，采用瘦AP架构，即插即用，接入部分与传统AP相同，目前可支持到双流IEEE 802.11n。该方案部署灵活自由，可用于公交车等高速移动场景无线信号覆盖以及自然风景区等特殊场景的无线数据回传。

另一种协同演进的方案是网络融合，即LTE与Wi-Fi端到端协同组网技术方案，该方案实现了LTE和Wi-Fi承载网的融合，Wi-Fi网关接入EPC，LTE和Wi-Fi双模终端可在接入网进行发现和选择。由于该方案实现起来较无线融合方案更为复杂，也可以作为无线融合方案的后续阶段。

4 结束语

首先介绍了LTE和Wi-Fi的技术特征，通过技术分析推论出LTE和Wi-Fi之间的关系，最后详细阐述了LTE和Wi-Fi的两种协同演进方案。LTE和Wi-Fi在基于这两种方案中分别在3GPP和IEEE两个组织进行技术演进，演进路线如图9所示，但不管两者如何演进，由于二者的技术特点，运营商短期内将会继续保持 “以LTE为 主，Wi-Fi进 行 数 据 分 流，LTE与Wi-Fi协 同 互补”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