LTE与WLAN聚合技术研究*

曹玉群

（诺基亚通信系统技术（北京）有限公司，浙江 杭州 350013）

LTE与WLAN聚合技术研究*

曹玉群

（诺基亚通信系统技术（北京）有限公司，浙江 杭州 350013）

随着移动业务数据量的急剧增加，运营商面临着需要支付高昂的频谱占用费用以申请更多的授权频谱来满足用户需求。为了降低移动网络的部署成本，通过对授权频谱与非授权频谱融合的技术进行研究，详细分析了LTE与WLAN的聚合方案，并通过外场测试场景比较了不同负载条件下的下行速率的增益，给出了LWA的部署建议。

LWA Xw接口 eLWA

1 引言

5G无线网络将包括新的无线接入技术、LTE演进技术和WLAN演进技术等多种无线接入技术。针对5G无线网络存在的多网络、多接入技术共存的网络特性，我国“新一代宽带无线移动通信网 ”重大专项2017年度课题1-7将完成“5G多接入融合组网技术研发、标准化与验证”方面的研究工作，包括：LTE-A与Wi-Fi链路聚合双连接技术；5G、LTE-A与Wi-Fi多连接技术；将LTE的载波聚合技术部分扩展到非授权频谱的LAA（Licensed-Assisted Access，授权频谱辅助接入）技术；等等。

3GPP R13[1-2]定义了LWA（LTE and WLAN Aggregation）与LWIP这两种链路聚合技术，其中LTE链路（授权频谱）提供移动鲁棒性与较广的覆盖范围，而WLAN链路（非授权频谱）承载了更高的数据流量，使UE（User Equipment，用户终端）更好地同时利用LTE与WLAN接入技术，从而可以达到更高的峰值速率[3-5]。这两种聚合技术显著的区别在于：LWA在PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）层聚合，重用PDCP的安全机制；LWIP在IP层聚合，重用IP的安全机制。基于此，本文在介绍LWA技术、协议架构及外场测试结果的基础上，给出了LWA的部署建议。

2 LWA关键技术

LWA是LTE与Wi-Fi双连接的关键技术之一，在3GPP R13中LWA只支持下行数据Wi-Fi路径承载，非授权频谱仅支持2.4 GHz与5 GHz频段，而在3GPP R14中新增的eLWA（enhanced LWA，增强LWA）技术将支持上行链路聚合，非授权频谱新增了60 GHz频段。

3GPP定义了共址部署与非共址部署这两种LWA部署方式。其中，共址部署是将Wi-Fi AP（Access Point，接入点）与LTE小站集成在一起，用于人口密集区域的补盲且提高数据业务下行速率。

典型的非共址部署场景如图1所示，利用LTE宏站的广覆盖实现LTE宏站与WLAN AP的聚合。

图1 非共址部署网络架构

在非共址部署方案中，WT（WLAN Terminal，WLAN的边缘设备）是3GPP新定义的逻辑网元设备，它既可以是一台独立的网络设备，也可能需要集成在WLAN AC（Access Controller，接入控制器）或者WLAN AP中。不管采用什么方式来部署非共址场景，都需要在LTE基站eNB与WT之间建立Xw接口[1,6]，WT与UE之间建立二层连接，因此需要对现有WLAN网络进行改造。

2.1 LWA协议架构

共址部署方式通常采用小站Small Cell，LTE与WLAN是集成在一起的，未定义基带处理单元BBU与WLAN间的接口，Xw接口或者私有接口都可适用于此场景。

共址场景LWA协议架构如图2所示。下行数据承载传输支持三种方式：LTE路径传输的LTE承载（LTE Bearer）方式、Wi-Fi路径传输的切换式LWA承载（Switched LWA Bearer）方式、LTE与Wi-Fi路径分流的分离式LWA承载（Split LWA Bearer）方式，从而大大提升LTE服务的性能。

图2 共址场景LWA协议架构

非共址场景LWA协议架构如图3所示，主要适用于宏站与WLAN的融合。在基站eNB侧PDCP层以下新增一个LWAAP[2]的薄层实体模块，在PDCP PDU的报文基础上新填加数据承载的标识符DRB ID生成LWA PDU，通过Xw接口将LWA PDU传送给WT，WT则通过WLAN 802.11 MAC层[7]将数据传送给UE。在实际网络部署中，为了降低LWA对现有网络部署的影响，可以将WT的功能集成到WLAN AP内或者基站eNB内，本文将采用这种方式实现LWA功能。

2.2 LWA激活过程

图4是终端LWA激活过程的时序流程。以WT集成在WLAN AP中为例，主要包括以下三部分工作：

（1）UE附着到LTE网络；

图3 非共址场景LWA协议架构

图4 LWA激活时序流程

（2）WLAN信息获取；

（3）WLAN联接过程，即LWA激活。如果是将WT功能集成到基站内，则可以忽略步骤7、8。

从图4可以看出，UE附着成功后，如果UE支持LWA功能，则需要对Wi-Fi AP信号强度进行测量（步骤6），若有支持LWA功能的WLAN AP的信号强度高于设定的门限值，则添加对应的WT（步骤7、8）后UE就可以联接到该AP（步骤9、10），LWA激活成功。在LWA激活过程中，需要周期性上报WLAN AP的信号测量报告，如果信号强度低于设定的门限值，则使能LWA去激活。

2.3 LWA流量控制算法

在LWA激活状态下，下行数据承载支持以下三种方式来传输数据：

（1）只通过LTE路径传输；

（2）只通过Wi-Fi路径传输；

（3）通过LTE与Wi-Fi两条路径来传输。

通过两条路径传输可以明显提升UE的下行数据速率，但需要在PDCP层实现调度算法，选择最优的一条路径来传输PDCP PDU。David Lopez-Perez1等人[8]提出了一种流控算法：通过计算两条路径上的可能时延，选择一条时延最小

的路径来传输。

其中，PDUsize为需要传输的PDU数据量； BLTE为已发送但还没有收到ACK的PDU（inflight）数据量； RLTE为LTE路径的传输速率， 在外场测试场景下初始值设置为110 Mb/s，在设定的周期内如1 TTI，计算出实际的LTE速率作为下一个周期的RLTE。

WLAN路径的时延dWLAN公式如下：

其中，PDUsize为需要传输的PDU数据量；BWLAN为已发送但还没有收到ACK的PDU（in flight）数据量；RWLAN为WLAN路径的传输速率，在外场测试场景下初始值设置为300 Mb/s，在设定的周期内如1 TTI，计算出实际的速率作为RWLAN；Xwlatency为Xw接口上数据传输的时延，在外场测试场景下已将WT集成到eNB中，假设Xwlatency=0，则：

由此可知，PDCP层根据dLTE与dWLAN选择时延较小的路径来传输当前的PDCP PDU。

3 LWA外场测试结果

LWA前期的外场测试将WT功能集成在eNB中，eNB与WLAN AP直连，测试一个WLAN AP+一个UE的场景。LTE选择Band 41，WLAN AP支持802.11ac，5.8 GHz频段，峰值速率可达300 Mb/s。LWA外场测试结果如图5所示：

图5 LWA外场测试结果

具体如下：

（1）UDP业务通过iperf网络性能测试工具测试。如果仅使用LTE路径，峰值速率可达到100 Mb/s；如果仅使用Wi-Fi路径，峰值速率可达到300 Mb/s，与LTE相比下行速率提升了200%；在同时使用LT E与Wi-Fi路径的情况下，峰值速率可达到400 Mb/s，与LTE相比下行速率提升了300%。

（2）在终端上使能USB网络共享，笔记本PC通过FTP客户端测试三种场景下的FTP下载速率。由于受限于应用层流控算法及上行带宽（～9 Mb/s）对ACK的限制，FTP下行速率要低于iperf UDP下行速率，其中仅适用LTE路径的情况下，FTP下行速率为56 Mb/s；如果仅适用Wi-Fi路径的情况下，FTP下行速率可达到70 Mb/s，与LTE相比下行速率提升了25%；在同时使用LTE与Wi-Fi路径的情况下，峰值速率可达到79 Mb/s，与LTE相比下行速率提升了41%。

4 LWA实现及部署建议

本文将部分WT的工作放在eNB宏站内部：LWA AP添加了DRB ID后[9]，传输层添加LWA Specific Ether Type（0x9e65）及以太头后根据目标MAC地址转发。图6是LWA的报文格式，在外场测试中DRB ID设置为0x04。

运营商部署LWA主要有以下三种场景：

（1）运营商已部署了大量的传统WLAN AP，不希望对WLAN网络做大的改造及升级；

（2）运营商希望对现有的WLAN AP升级支持WT的功能；

（3）运营商希望有一个简单可行的LWA补盲方案。

本文实现的LWA方案将WT的部分功能集成到宏站内，省略了Xw接口，适合于第一种重用传统WLAN AP的场景：该方案不需要额外引入WT设备。

如果现有的WLAN AP可以通过软件方式升级来支持WT功能，则需要在eNB侧实现Xw接口。

对于需要补盲且运营商尚未部署WLAN AP的场景，则可以采用共址部署的小站LWA方案。相较于本文提出的非共址的宏站方案，部署起来更为灵活、方便，但需要将WLAN AP集成到小站内。

采用LWA技术，数据业务锚定在LTE上：Wi-Fi在未授权频谱上运行，而LTE在授权频谱上运行并管理LWA，这两种无线技术的结合将会带来绝佳的用户体验。LWA最大的优势是WLAN路径上的流量能从移动运营商EPC提供的服务中获益，包括深度包检测、流量计费、报文合法拦截、用户身份认证等。

图6 eN B与AP间LWA报文格式

5 结束语

本文通过对LTE与WLAN聚合技术进行分析，提出了现网LWA部署建议。经过外场测试研究结果表明：LTE与WLAN的聚合可以显著提升UDP业务或TCP业务的下行速率，但对TCP业务的提升效果没有UDP业务那么明显，需要在今后的工作中做进一步的优化及研究。下一步，LWA的研究工作中还需要关注安全等方面的内容，如：通过传统的WLAN AC实现LWA用户的身份认证或者通过eNB实现辅助身份认证[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与WLAN聚合技术研究[J]. 移动通信, 2017,41(20)： 22-26.

国家科技重大专项（2017ZX03001008）

2017-08-21

责任编辑：袁婷 yuanting@mbcom.cn

曹玉群：高级工程师，理学硕士毕业于厦门大学，现任职于诺基亚通信系统技术（北京）有限公司，主要研究方向为嵌入系统System on Chip（SoC）、L2VPN、固网及移动通信等领域，发表论文8篇，授权发明专利10多项。