LTE/WLAN紧耦合架构及其应用前景

      智能手机、平板等智能终端设备的大规模普及带动了移动互联网应用的大爆炸，4G/LTE和WLAN热点的大规模部署也使得移动互联网应用不再局限于普通的网页浏览和图片分享。高清视频、3D视频、虚拟现实离大规模商用越来越近，这些应用在带给用户视听盛宴的同时，也刺激了网络容量的进一步提升。小区分裂是提升无线网络容量的重要手段之一，在5G 1000倍容量提升需求中，来自小区分裂的增益预计将达到10~100倍。小区的进一步分裂使得无线接入网从宏微异构网往大规模小小区连续覆盖形成超密集网络（UDN）的方向发展。

　　
　　LTE小小区和WLAN的进一步演进是超密集网络中两种并存的接入手段，对于这两种接入手段的融合，现有技术并没有特别考虑密集网络的特点，而仅仅是利用WLAN进行蜂窝网分流。考虑到成本低廉、带宽巨大的WLAN是LTE数据分流的理想通道，3GPP已经为此制定了一系列核心网分流的技术，包括多接入分组数据网络连接（MAPCON）、IP流移动性（IFOM）等，这些基于核心网进行WLAN分流的技术可以和传输层协议多路径传输控制协议（MP-TCP）结合，在实现为蜂窝网分流的同时提升用户峰值速率。这类技术由于分流点在核心网，同时策略控制和实施分别在核心网的接入网络发现和选择功能ANDSF和UE，对于无线侧的资源状态情况无法做到实时的感知和应变，难以进行动态的分流控制，也难以和超密集网络中干扰协调、动态资源管理等技术进行联合优化，限制了性能提升的空间。虽然在R12中RAN侧也增加了向UE发送策略规则的功能，然而策略的具体实施还是在UE侧，而且RAN侧的策略规则也不是动态调整的。因此，在5G中非常有必要考虑在无线接入网侧更紧密的耦合LTE和WLAN接入技术，实现两种资源的动态聚合。

　　除了基于LTE和WLAN接入技术聚合授权和非授权频段资源的思路以外，3GPP R13还提出了LTE直接使用非授权频段的研究立项，即LTE辅助的接入（LAA）。LAA技术通过载波聚合技术将非授权频段资源作为辅载波参与数据传输，从而为授权频段分流负荷。然而，这种技术对物理层和MAC层改动很大，实际商用中也会受到政策、UE能力等诸多限制。

　　本文主要介绍了LTE/WLAN无线侧紧耦合场景、架构和协议栈，并通过将其与MP-TCP以及LAA技术进行对比，阐明了其在未来5G超密集网络中的应用前景。

紧耦合场景和架构

　　LTE/WLAN紧耦合的基本架构如图1所示，WLAN数据分流点在基站处，在不改变WLAN的802.11空口的前提下，基站利用WLAN链路进行部分数据传输，实现动态的数据分流。由于该方案中的WLAN链路对核心网不可见，因此也可以最小化对核心网的影响。在紧耦合架构设计中，需要考虑实际的基站和接入点（AP）的部署形态。

　　LTE基站和WLAN AP的部署形态上非常多样，通常我们可以把他们分为共站部署形态和非共站部署形态。图2列举了几种比较典型的基站/AP共站部署的形态。如图2，由于基站常见的部署有集中式部署（C-RAN，集中式基带池BBU）和分布式部署（D-RAN）的不同，WLAN接入点也有胖AP和瘦AP+接入控制器（AC）的不同，他们相互组合形成了图2中的4种比较典型的共站部署形态。实际商用部署中，即使是瘦AP+AC的部署架构，也有不同的功能切割方式，有些厂商的瘦AP基本只有802.11 PHY层的功能，而MAC层及LLC层的处理都在AC上，也有一些厂商的瘦AP基本上具有较为完整的PHY和MAC层的功能。因此，各种共站部署形态再加上非共站部署形态，LTE基站和无线局域网紧耦合的场景的多样性对架构设计带来了挑战。

　　图3是一种可灵活应用到各种基站/AP部署形态上的紧耦合接入网架构图。考虑到WLAN实际部署中的多样性，与基站建立控制面接口（命名为Xw-C）的WLAN网元根据实际部署情况可以为AC，也可以为AP，与基站建立用户面接口（命名为Xw-U接口）的WLAN网元根据实际部署情况同样可以为AC，也可以为AP。在实际部署中，如图3所示，在像胖AP这样的部署场景，控制面和用户面接口都建立在基站和AP之间，而在像AC+瘦AP（AP具有完整的PHY/MAC功能）这样的部署场景中，则控制面接口可能在基站与AC之间，用户面接口可能在基站与AP之间。另外，在基站和AP共站的情况下，基站和AP间的接口可能在站内实现。

空口协议栈

　　紧耦合空口协议栈依据分流点的选择有多种设计方案，比较典型的设计方案如图4所示。图4是一种PDCP层分流方案，该方案的主要特点是分流点/聚合点选择在PDCP层做完头压缩和安全加密之后，在RLC分段之前。这种方案和双连接承载分裂3C架构的分流点选择相同，因而在产品实现中可以尽可能地复用双连接架构的产品实现，缺点是WLAN链路的丢包或者拥塞会直接反映到PDCP层，而由于PDCP层缺少处理的手段，因而其影响会直接反映到TCP层，最终可能导致TCP性能下降。另一种分流方案也可以选择在RLC层分流，由于分流点在RLC层的ARQ功能之下，因而可以利用ARQ功能改善通过WLAN链路传输的数据包的可靠性，并且可以在首传和重传的路径选择上做一些优化，例如通过WLAN链路首传的数据包，重传链路选择LTE的MAC，这样尽可能避免首传和重传都选择了可靠性较低或者拥塞的链路。通过RLC层的屏蔽作用，WLAN链路的丢包或者拥塞的影响不容易传递到TCP层，从而在WLAN链路不稳定的时候相对于PDCP层分流的方案有更好的性能。

　　在上面的方案中，WLAN适配层的作用主要是起到PDCP或RLC层与WLAN的MAC层对接的作用。代表性的设计方案有两种，第一种方案完全兼容现有的WLAN的产品实现，WLAN适配层由IP/LLC层组成，这样对现有WLAN协议栈的兼容性最好，但是IP/LLC层的包头开销会降低空口效率；另一种方案着眼于最大化空口效率，方案不采用IP/LLC层的架构，而是设计新的适配层直接调用WLAN MAC的服务接入点（MAC-SAP）以实现WLAN数据传输，该方案不兼容现有的WLAN LLC层协议栈，需要对现有WLAN AC/AP产品进行升级，或者部署新的WLAN AC/AP。从商用化角度来看，第一种方案支持终端和AP使用传统的WLAN芯片，也支持已部署的AP，因此可以作为一种初期的方案，而第二种方案可以作为标准化的主要方案。

方案比较

　　表1将紧耦合技术和另两种典型的非授权频段和授权频段联合传输的技术进行对比，从多个维度的对比中，基本可以看出现有的MP-TCP+IFOM技术部署起来相对容易，对UE影响较小，但根据相关研究的实测结果性能上相比紧耦合差30%左右，而LAA技术在对空口的影响上明显大于紧耦合技术，聚合的带宽上也小于紧耦合技术，因而在用户峰值速率上不如紧耦合（虽然可能LAA的频谱效率受益于LTE的干扰协调和消除等物理层技术可能较紧耦合更高）。此外，在演进性和共存性方面LAA也有明显的短板。因而，综合来看，紧耦合技术在5G超密集网络部署中仍具有不可替代的市场地位和前景。

　　本文介绍了紧耦合技术在聚合授权频段和非授权频段技术中的应用，对紧耦合的架构和协议栈进行了设计和分析，并将其与现有的LTE/WLAN互操作技术以及LTE直接使用非授权频谱的LAA技术进行了对比，通过分析及部分实测结果，说明紧耦合技术在融合无线局域网和蜂窝网上相比于现有技术有较大的性能提升，在聚合非授权频段和授权频段上，相比LAA技术能获得更大的聚合带宽，同时有利于保护现有WLAN投资，更好地实现WiFi阵营和蜂窝网阵营的双赢。