徐 浪，申 濱，周曉勇，金 純

重慶郵電大學(xué) 移動通信技術(shù)重點實驗室，重慶 400065

1 引言

隨著近些年移動互聯(lián)網(wǎng)和計算機(jī)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，移動通信網(wǎng)給人們帶來巨大便利的同時也帶來了許多的技術(shù)挑戰(zhàn)和難題。研究表明，全球移動數(shù)據(jù)流量預(yù)計在未來幾年將增長8倍，達(dá)到每月47 EB，圖1展示了未來幾年每個月移動數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量的預(yù)測。相對于以前的網(wǎng)絡(luò)，4G在網(wǎng)絡(luò)速度方面取得了巨大的提升，甚至可以達(dá)到最高的150 Mb/s。新時代大量的新技術(shù)涌現(xiàn)，如車聯(lián)網(wǎng)、人工智能、VR虛擬現(xiàn)實、海量機(jī)器通信、D2D通信等，4G的傳輸速率并不能滿足上述技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)速率和時延越來越高的需求，同時大量設(shè)備的接入對LTE網(wǎng)絡(luò)的容量提出了挑戰(zhàn)。5G時代的來臨給運營商帶來了巨大的挑戰(zhàn)，未來已經(jīng)不再是單一的處理語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的時代，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的到來，移動通信相關(guān)的產(chǎn)業(yè)也將發(fā)生變化。屆時，5G不僅僅是擁有大容量、高速率、高效率、低時延的無線接入網(wǎng)，而且還是一種能夠處理不同業(yè)務(wù)需求并獲得良好用戶體驗的智能網(wǎng)絡(luò)[1]。

圖1 全球每月移動數(shù)據(jù)需求量預(yù)測

為了應(yīng)對系統(tǒng)容量與數(shù)據(jù)速率的挑戰(zhàn)，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HetNet）已經(jīng)成為關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)路徑。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，各種網(wǎng)絡(luò)的相互融合也成為一大趨勢。而IEEE 802.11無線局域網(wǎng)（WLAN）擁有豐富的帶寬資源和城市中大量低成本部署的優(yōu)勢，使得WLAN網(wǎng)絡(luò)成為補充4G網(wǎng)絡(luò)比較有吸引力解決方案。大型運營商正在轉(zhuǎn)向WiFi（Wireless Fidelity），盡量地把LWA作為降低蜂窩基礎(chǔ)架構(gòu)負(fù)載的可能解決方案，同時為用戶提供合理的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）。除了增加網(wǎng)絡(luò)容量之外，WLAN還具有提供良好覆蓋功能，特別是當(dāng)用戶靠近小區(qū)邊緣或者蜂窩覆蓋薄弱的室內(nèi)環(huán)境時，可以利用WLAN網(wǎng)絡(luò)來保障用戶的QoS。相對于用戶較少的稀疏區(qū)域，用戶密集區(qū)域?qū)W(wǎng)絡(luò)需求量更大。

對于位于用戶密集區(qū)域的LTE網(wǎng)絡(luò)，大量的用戶意味著大量的接入并且有巨大數(shù)據(jù)流通過LTE網(wǎng)絡(luò)傳輸，由于LTE基站負(fù)載超過限制，基站性能就會減弱且不再保證用戶的QoS，所以減少基站的負(fù)載至關(guān)重要。因此LTE WLAN網(wǎng)絡(luò)融合（LTE WLAN Aggregation，LWA）應(yīng)運而生，LWA是對現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)的融合，是如今應(yīng)對在LTE網(wǎng)絡(luò)下用戶激增、數(shù)據(jù)暴漲情況的一種解決方案。LWA主要目的是在不改變或者盡可能少地改變現(xiàn)有的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)情況下減輕LTE網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載和提升整個系統(tǒng)的容量。

本文首先對LWA技術(shù)進(jìn)行簡要概述，然后詳細(xì)介紹LWA的部署場景以及融合結(jié)構(gòu)，并著重地分析LWA的分流機(jī)制和部分關(guān)鍵技術(shù)，同時歸納了目前業(yè)界對關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀，最后提出了未來LWA可能的研究方向，旨在提供綜合性的認(rèn)識。

2 LWA概述

2.1 LTE與WLAN

LTE是指3GPP組織推行的蜂窩技術(shù)在無線接入方面的最新演進(jìn)。由于移動用戶對高速率業(yè)務(wù)需求的快速增長以及新型寬帶接入高速發(fā)展，為了解決這種挑戰(zhàn)，蜂窩網(wǎng)絡(luò)從3G演進(jìn)到4G。同3G網(wǎng)絡(luò)相比，LTE網(wǎng)絡(luò)擁有高速率、低時延、更大系統(tǒng)容量和覆蓋范圍廣等特性。同WLAN網(wǎng)絡(luò)相比，LTE具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、時延低、安全性高等特點。

WLAN是以無線電波通信技術(shù)構(gòu)建的局域網(wǎng)，其傳輸范圍為100 m左右，而且擁有傳統(tǒng)有限局域網(wǎng)功能。WiFi是采用WLAN協(xié)議中的一項技術(shù)，基礎(chǔ)配備為無線網(wǎng)卡及一個接入點（Access Point，AP）。WLAN網(wǎng)絡(luò)擁有傳輸速率快、安裝便捷、易規(guī)劃、易擴(kuò)展等特性，使其在校園、車站、體育場、企業(yè)、視頻監(jiān)控中等大型場所中被廣泛使用。無線局域網(wǎng)的應(yīng)用給用戶帶來了快捷、方便、低費用等良好的體驗，因此在LTE網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過重時是一個很好的補充。表1列出了現(xiàn)有的蜂窩技術(shù)和WLAN技術(shù)的對比。

表1 蜂窩網(wǎng)與WLAN技術(shù)對比

2.2 LWA

LWA主要指LTE網(wǎng)絡(luò)與WLAN網(wǎng)絡(luò)通過特定的Xw接口實現(xiàn)雙連接后再同時向用戶提供傳輸業(yè)務(wù)的一種技術(shù)。其主要利用現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和WLAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為用戶傳輸數(shù)據(jù)，而融合的關(guān)鍵是將本應(yīng)由eNB（evolved NodeB）進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分流到WLAN AP通過WLAN特有的非授權(quán)頻段傳輸用戶的數(shù)據(jù)，用戶只需要通過簡單的網(wǎng)絡(luò)配置可以同時支持這兩條鏈路。

LWA與之前提出的LTE-U（LTE in Unlicensed spectrum）、LAA（License Assisted Access）技術(shù)都有所不同。LAA主要指在非授權(quán)頻段中使用LTE技術(shù)，而且是基于載波聚合的架構(gòu)，授權(quán)頻段載波通常是作為主小區(qū)（Pcell），非授權(quán)頻段載波只作為輔小區(qū)（Scell）。同時為了保證與其他在非授權(quán)頻段工作的技術(shù)共存，LAA采用了先聽后說（Listen Before Talk，LBT）的信道競爭接入機(jī)制[2]。LTE-U是指利用現(xiàn)有的載波聚合（Carrier Aggregation，CA）技術(shù)，將授權(quán)和非授權(quán)頻譜聚合，允許用戶在一個LTE框架下同時通過非授權(quán)頻譜和授權(quán)頻譜接入系統(tǒng)。與LAA不同，LTE-U并不能保證LTE在非授權(quán)頻譜上與WiFi的公平共存。對于業(yè)務(wù)傳輸，LWA也使用LTE-U和LAA工作的非授權(quán)頻帶，但是本質(zhì)上的不同在于LWA通過WLAN網(wǎng)絡(luò)自身進(jìn)行傳輸。在LWA中，LTE和WLAN系統(tǒng)相互獨立，這就意味著LWA不需要配置新的允許LTE在5 GHz上傳輸?shù)挠布?，它可以通過用戶連接到WLAN AP的方式傳輸LTE網(wǎng)絡(luò)流量。LWA通過IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)接入非授權(quán)頻譜，從而可以利用現(xiàn)有的WLAN部署。LWA系統(tǒng)只需要更改設(shè)備軟件和部分協(xié)議就可以使移動設(shè)備通過非授權(quán)頻段進(jìn)行分流，把業(yè)務(wù)通過不同的鏈路進(jìn)行傳輸，以達(dá)到分流的目的。

LWA移動管理功能主要包含移動性管理、測量和安全性管理。LWA移動性功能設(shè)計的目的是為了保持網(wǎng)絡(luò)控制和UE（User Equipment）靈活性之間的良好平衡。eNB使用由一組WLAN AP組成的集合來服務(wù)用戶。移動性可以由WLAN標(biāo)識符（SSID、HESSID和BSSID）的任何組合識別。在移動組內(nèi)，WLAN網(wǎng)絡(luò)移動性由用戶控制，WLAN網(wǎng)絡(luò)之外的移動性由eNB控制。同時存在一種WLAN測量框架用來幫助eNB進(jìn)行LWA配置（例如，激活/停用LWA和移動性）。eNB可以確定特定WLAN標(biāo)識符和頻率的測量結(jié)果來選擇適當(dāng)AP點進(jìn)行連接。WLAN測量報告包括WLAN接收信號強(qiáng)度指示符（RSSI）和其他WLAN測量度量，如基于HotSpot 2.0的標(biāo)準(zhǔn)、準(zhǔn)入容量、上行鏈路和下行鏈路回程率、信道利用率和站計數(shù)等。

在3GPP R13中，當(dāng)eNB發(fā)生切換時，需要釋放LWA配置。在R14中，與之前不同，在切換期間若UE、WT與目標(biāo)eNB保持連接，UE仍能保持LWA配置。與R13相比，UE在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時保持LWA配置將會有更小的時延。在R13中LWA只支持WLAN側(cè)下行分流，在R14中，LWA擴(kuò)展分流范圍還支持上行分流[3]。在下行傳輸中，承載拆分發(fā)生在eNB，而在上行傳輸中，承載的拆分發(fā)生在UE側(cè)。由于上行傳輸同樣涉及承載的拆分，若UE的緩沖區(qū)較小則會導(dǎo)致時延的增加，通過LTE或者WLAN鏈路會增加eNB到用戶端的時延，這對分流業(yè)務(wù)是不利的。需要在eNB設(shè)置相應(yīng)的LWA承載緩沖閾值，當(dāng)用戶緩沖區(qū)值大于閾值才進(jìn)行LWA相關(guān)的操作，反之則單一選擇LTE或者WLAN傳輸業(yè)務(wù)。

2.3 LWA融合結(jié)構(gòu)

3GPP TS 23.402中提出了WLAN等非3GPP系統(tǒng)接入演進(jìn)的分組核心網(wǎng)（Evolved Packet Core，EPC）的互通架構(gòu)，WLAN網(wǎng)絡(luò)可以利用S2a、S2b或S2c等接口方式接入LTE EPC[4]。圖2所示為非漫游融合架構(gòu)，初期以S2a針對授信的非3GPP接入，是WLAN和PDN-GW（Public Data Network GateWay）、PCRF（Policy and Charging Rules Function）之間的接口，可基于PMIPv6（Proxy Mobile IPv6）或者GTP（GPRS Tunneling Protocol）協(xié)議實現(xiàn)。相比于S2a接口方式融合方案，S2b接口方式融合架構(gòu)主要在非授權(quán)WLAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，是ePDG與PDN-GW之間的接口，可基于PMIPv6或GTP協(xié)議實現(xiàn)。該架構(gòu)引入ePDG接入網(wǎng)關(guān)，并在終端和ePDG之間通過Internet密鑰交換協(xié)議-版本2（IKEv2）建立IPSec隧道，保證3GPP網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不被中間WLAN竊取。S2c是終端和PDN-GW之間的接口，采用DSMIPv6協(xié)議，對終端的要求非常高。通過S2c承載既可以接入授信的非3GPP網(wǎng)絡(luò)，也可以接入非授信的非3GPP網(wǎng)絡(luò)。在HPLMN（Home Public Land Mobile Network）中，用戶可以選擇接入到PCRF或者3GPP AAA服務(wù)器。若接入到PCRF，則通過3GPP服務(wù)網(wǎng)關(guān)（SGW）經(jīng)過Gxc接口接入到PCRF，若接入到3GPP AAA服務(wù)器則先通過3GPP SGW經(jīng)過S6a接口接入到HSS（Home Subscriber Server）再通過SWx.接口接入到3GPP AAA服務(wù)器。用戶還可以WLAN接入到PCRF或者3GPP AAA服務(wù)器。授權(quán)WLAN接入通過S2a接口接入到PGN-GW，PGN-GW通過Gx接口接入到PCRF。非授權(quán)WLAN接入通過SWa接入到3GPP AAA服務(wù)器。在整個融合架構(gòu)下，用戶可以選擇3GPP授權(quán)的HPLMN接入或者WLAN接入進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 非漫游S2a、S2b接口方式融合架構(gòu)

3 LWA部署場景和分流機(jī)

3.1 LWA部署場景

2016年3月由3GPP RAN全體會議在R13中正式批準(zhǔn)LWA解決方案。目前提出的適用于LWA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)只有兩種部署方案：一為共址場景；二為非共址場景。在共址場景中，eNB和WLAN AP實體通過理想鏈路連接并集成于公共節(jié)點中?；诋悩?gòu)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有的部署，eNB和WLAN AP都是獨立的存在，并沒有集成在一個節(jié)點中。非共址場景是指當(dāng)eNB和WLAN實體并沒有集成在一個公共節(jié)點中，主要使用非理想回程[5]。圖3提供了非共址部署的示例。3GPP提出了用于WLAN系統(tǒng)邏輯表示的無線終端（Wireless Terminal，WT）節(jié)點概念。同時，UE與eNB、WT三者兩兩采用雙連接模式，相互連接。其中eNB與WT在控制平面與數(shù)據(jù)平面通過Xw鏈路連接。在數(shù)據(jù)平面上，Xw使用用于用戶平面的GPRS隧道協(xié)議（GTP-U），同時還提供流量控制和反饋功能。在控制平面上，Xw擁有添加、修改和釋放WT以及從WT到eNB報告WLAN測量和連接狀態(tài)的功能。其中，Xw接口具有3GPP R12中用于雙連接的X2接口的部分特征。

圖3 非共址配置的LWA部署場景

在實際部署中，由于LTE和WLAN網(wǎng)絡(luò)相互獨立性同時導(dǎo)致eNB和WLAN AP都獨立分布在不同區(qū)域，而采用雙連接方式也是直接利用eNB和AP最好的連接方式。直接利用現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)部署可以減少開銷，所以主要存在場景為非共址場景，而目前對共址部署場景的研究較少，需要投入資金和時間去研究將eNB和AP集成在一個終端并實現(xiàn)功能，在短期內(nèi)大范圍實現(xiàn)并不容易。但在用戶密集區(qū)域，在eNB上增加AP節(jié)點形成共址場景下的節(jié)點，可以減少接口Xw的排隊時延，處理更多的用戶數(shù)據(jù)并提高系統(tǒng)性能。在未來部署中，非共址場景更有前景。

3.2 LWA分流機(jī)制

在LWA主要的部署場景中，eNB和WT主要采用雙連接模式，它們之間通過Xw接口進(jìn)行連接。在LWA系統(tǒng)中要進(jìn)行數(shù)據(jù)分流傳輸，需要考慮眾多因素。首先，在用戶向eNB卸載數(shù)據(jù)之前，用戶需要先與LTE網(wǎng)絡(luò)建立連接；其次，當(dāng)接收到來自核心網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時，eNB考慮當(dāng)前的負(fù)載情況、空閑WLAN AP數(shù)目、WLAN AP連接負(fù)載情況、鏈路通信質(zhì)量等再動態(tài)選擇相對較優(yōu)的WLAN AP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；最后，數(shù)據(jù)分流時根據(jù)上面的參考因素選擇合適的WT，再根據(jù)接入點的性能和相應(yīng)的算法再決定分流的數(shù)量，通過WT傳輸?shù)経E。在R13中，LWA提出的分流機(jī)制主要是針對于下行鏈路的分流。而在R14中LWA也支持在WLAN側(cè)上行傳輸。在R13中，LWA融合主要發(fā)生在PDCP（Packet Data Convergence Protocol）下行聚合[6]。為了能夠讓分流順利進(jìn)行，LWA為承載的拆分引入了基于PDCP的重新排序機(jī)制。相同IP（Internet Protocol）流的PDCP協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit，PDU）可以由eNB通過LTE和WLAN網(wǎng)絡(luò)獨立傳輸，而UE的PDCP層重新排序機(jī)制確保被拆分的數(shù)據(jù)的完整性。不同于應(yīng)用層聚合方案，如多路徑傳輸控制協(xié)議（MPTCP），LWA中的每個PDCP PDU分裂承載允許更快地適應(yīng)無線業(yè)務(wù)在LTE和WLAN下行鏈路上的波動。圖4表示LWA數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，主要涉及數(shù)據(jù)流在eNB和WLAN中具體流向問題。eNB在參考部分因素后將決定PDU的流向。LWA解決方案支持兩種數(shù)據(jù)承載：分離承載和交換承載。屬于LWA交換承載的數(shù)據(jù)包總是由eNB通過WLAN AP傳輸?shù)経E，而屬于LWA分離承載的數(shù)據(jù)包可以通過AP或LTE傳輸?shù)経E。若選擇通過eNB進(jìn)行傳輸則按照藍(lán)色線路傳輸分離承載。藍(lán)色線路表示從eNB的PDCP層到MAC層然后再傳輸?shù)経E。若選擇通過AP進(jìn)行傳輸則按照綠色線路傳輸交換承載。綠色線路表示了數(shù)據(jù)流從eNB的PDCP到LWAAP（LTE-WLAN Aggregation Adaptation Protocol）層再到 WLAN MAC層最后傳輸?shù)経E的過程。在AP中存在一個反饋機(jī)制，AP接收到來自eNB中的數(shù)據(jù)包并向UE傳輸完成后會向eNB發(fā)送一個反饋報告，同時在UE中同樣會存在反饋機(jī)制，UE在接收數(shù)據(jù)包完成后向eNB發(fā)送傳輸完成反饋。在R13中，定義LWAAP實體作為PDCP層與WiFi MAC層之間的接口[7]。eNB的LWAAP實體向每個PDCP PDU附加一個字節(jié)的報頭，以識別與PDCP實體相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)無線承載（Data Radio Bearer，DRB），并允許LWA支持多個DRB的傳輸。為了讓UE將攜帶PDU的WiFi幀與其他類型的分組進(jìn)行解復(fù)用，IEEE委員會專門分配了新的以太網(wǎng)型（802.11MAC頭中的一個字段）。

圖4 LWA分流數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

4 技術(shù)挑戰(zhàn)和研究方向

LWA在滿足上面的設(shè)計要求之外，還存在一部分技術(shù)難題。本章主要討論LWA面臨的主要研究難題，分析部分關(guān)鍵技術(shù)并闡述關(guān)鍵技術(shù)上的研究現(xiàn)狀。

4.1 技術(shù)難題

在LWA系統(tǒng)中，傳輸數(shù)據(jù)前首先需要解決的問題是接入點選擇。在LWA系統(tǒng)中主有兩種無線接入網(wǎng)絡(luò)，分別是LTE網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)，其對應(yīng)的接入點的主要有兩種：一是eNB；二是AP。在LWA系統(tǒng)中，用戶需要先接入eNB后再接入WLAN網(wǎng)絡(luò)，最后eNB與AP相連接。目前LWA系統(tǒng)區(qū)域都是由幾個eNB和多個AP提供業(yè)務(wù)覆蓋。在擁有大量網(wǎng)絡(luò)接入點的區(qū)域內(nèi)，選擇一個容量大、速度快的接入點進(jìn)行數(shù)據(jù)分流至關(guān)重要。事實上，WLAN與LTE在物理（PHY）層和媒體接入控制層（MAC）層的接入技術(shù)并不相同。LTE采用集中式的MAC協(xié)議，WiFi的MAC層協(xié)議則采用分布式協(xié)調(diào)（Distributed Coordination Function，DCF）機(jī)制。圖5對比顯示了LTE與WiFi物理層資源配置方式。LTE在物理層下行鏈路采用的是正交頻分多址接入（OFDMA）技術(shù)，通過CA技術(shù)寬帶可達(dá)到100 MHz。WiFi系統(tǒng)在物理層則采用正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)。如圖5，在LTE系統(tǒng)中將帶寬分為一系列的資源塊（Physical Resource Block，PRB），12個OFDMA子載波組成一個PRB，不同的PRB可以為不同用戶服務(wù)。同LTE網(wǎng)絡(luò)有所區(qū)別，WiFi網(wǎng)絡(luò)采用獨占信道特性，當(dāng)WiFi信道為某個用戶傳輸數(shù)據(jù)，被占用信道就不能再向其他用戶提供服務(wù)。在LWA系統(tǒng)中，eNB和AP根據(jù)自身的容量和當(dāng)前負(fù)載可提供不同的服務(wù)質(zhì)量并向UE發(fā)送報告，而UE需要根據(jù)eNB和WLAN發(fā)送的測量報告來選擇性能較好的接入點進(jìn)行數(shù)據(jù)分流。由此可知，LWA系統(tǒng)并不需要改變現(xiàn)有設(shè)備而是充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備。接入點的選擇會影響分流的后續(xù)操作，從而影響整個系統(tǒng)的性能。優(yōu)良的接入點不僅可以分擔(dān)其他接入點的負(fù)載還可以增加整個系統(tǒng)的容量。

圖5 LTE與WiFi物理層資源配置

在LWA系統(tǒng)中，LTE鏈路和WLAN鏈路使用不同的承載，即LTE使用LWA分離承載和WLAN使用LWA交換承載。當(dāng)確定了所有承載模式時，eNB需要執(zhí)行拆分調(diào)度，將LWA承載分離成兩個鏈路，使承載內(nèi)TCP流在整個系統(tǒng)中帶來到良好吞吐量。系統(tǒng)流量分流并不是通過單一選擇接入點就可以進(jìn)行分流傳輸。在數(shù)據(jù)分流前系統(tǒng)需要考慮網(wǎng)絡(luò)接入點的容量和性能，例如接入點的負(fù)載、帶寬、參考信號接收功率（RSRP）等，eNB再根據(jù)這些性能評估分流到AP接入點的數(shù)量以及分流可能帶來的影響。同時，分流的數(shù)量還涉及到系統(tǒng)公平性的問題。若分流的數(shù)量不加以限制，則極有可能給接入點帶來性能下降、容量降低等弊端。因此，分流需要考慮在不損害現(xiàn)有接入點性能情況下，如何通過控制流量的數(shù)量來提升整個系統(tǒng)的吞吐量和性能。在LWA系統(tǒng)中，LTE和WLAN網(wǎng)絡(luò)不僅可以保持其現(xiàn)有鏈接同時還可以實現(xiàn)LWA相關(guān)的操作，如何做到在不犧牲現(xiàn)有系統(tǒng)性能下，合理分配資源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸來獲得最大化的系統(tǒng)容量和較優(yōu)良的系統(tǒng)性能也是一個需要解決的問題。

4.2 研究現(xiàn)狀及解決方案

根據(jù)上文提到的LWA所面臨主要的問題，本節(jié)主要從融合架構(gòu)、接入點選擇和資源分配三個方面對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的分流機(jī)制進(jìn)行討論。

4.2.1 融合層次選擇

目前，主流的網(wǎng)絡(luò)融合分流架構(gòu)是由3GPP在2016年在會議上提出的。這種分流機(jī)制主要是發(fā)生在非共址場景下eNB的PDCP層。eNB和WLAN AP建立雙連接后，eNB在PDCP層上執(zhí)行PDCP分組的調(diào)度，數(shù)據(jù)可以分別通過LTE或WLAN傳輸?shù)乃蟹纸M，通過WLAN傳輸?shù)臄?shù)據(jù)需要將其封裝在幀中，UE接收到來自eNB和WLAN的數(shù)據(jù)需要在PDCP層重排序。目前大部分研究都采用在PDCP層融合架構(gòu)，然后設(shè)計不同的方案進(jìn)行流量分流以獲取較好的吞吐量。文獻(xiàn)[15]利用了PDCP層融合機(jī)制并對AP和用戶端進(jìn)行了設(shè)計。為了讓承載順利地卸載到AP，可以考慮將承載進(jìn)行分類，在eNB側(cè)RLC（Radio Link Control）層上增加新數(shù)據(jù)包濾波器層，將之前分組的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排序再傳送到用戶的RLC層。3GPP在R13中不僅提出了主流的PDCP層分流的融合機(jī)制，還提出了通過IP層進(jìn)行分流的融合機(jī)制。如圖6所示，該融合機(jī)制主要發(fā)生在IP層。該機(jī)制需要通過在節(jié)點的協(xié)議棧中引入鏈路聚合層（LAL）來實現(xiàn)。LAL可以支持基于頻道信息的分組轉(zhuǎn)向。經(jīng)過LTE和WiFi接口的數(shù)據(jù)包將在其協(xié)議棧上進(jìn)行常規(guī)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)過程，并直接發(fā)送到IP層。該機(jī)制可以通過LTE和WiFi接口實現(xiàn)無縫移動，實現(xiàn)鏈路層的互通效益和更好的服務(wù)質(zhì)量（QoS）。以上都是發(fā)生在非共址場景中的分流，共址場景下存在一種新的網(wǎng)絡(luò)分流架構(gòu)。如圖7所示，該融合機(jī)制發(fā)生在RLC層，這種融合機(jī)制需要將eNB和WLAN AP集成在一個端點中，該融合機(jī)制可以在RLC層形成一個緩沖窗來控制PDU的大小，在WiFi側(cè)設(shè)計一個虛擬WiFi調(diào)度器（Virtual Wifi Scheduler，VWS），該調(diào)度機(jī)制只作用于WiFi傳輸?shù)某休d。最后通過LTE或者WiFi鏈路傳輸。受益于這種機(jī)制的設(shè)計，系統(tǒng)的吞吐量增加且時延有所減少。表2分析對比了在PDPC層、IP層和RLC層融合方案的優(yōu)點性能及復(fù)雜度。

圖6 LTE和WLAN在IP層融合

圖7 LTE和WLAN在RLC層的融合架構(gòu)和虛擬WiFi調(diào)度程序

4.2.2 網(wǎng)絡(luò)接入點選擇

多個WLAN AP通過雙連接與eNB相連，并且向eNB報告關(guān)于當(dāng)前接入點的性能和信道狀況的信息，然后eNB根據(jù)所報告的信息來確定WLAN AP是否適用于LWA。WLAN AP也可以作為不服務(wù)于LWA的本地WLAN AP。網(wǎng)絡(luò)接入點的選擇主要包括三個過程：（1）接入點發(fā)現(xiàn)過程；（2）接入點選擇過程；（3）接入點接入過程。在網(wǎng)絡(luò)接入點發(fā)現(xiàn)過程中，LWA系統(tǒng)會要求接入點向用戶發(fā)送當(dāng)前接入點的服務(wù)質(zhì)量、支持?jǐn)?shù)據(jù)速率、負(fù)載情況、接收信號強(qiáng)度等信息。在接入點選擇過程中，用戶接收到各接入點發(fā)送的信息，根據(jù)綜合性能和信道質(zhì)量的比較來選擇性能較好的接入點進(jìn)行連接。由于在LWA系統(tǒng)中，WLAN必須先連接支持LWA的小區(qū)，可以考慮在宏小區(qū)和小小區(qū)之間做出抉擇時用戶使用CRE（Cell Range Expansion）算法進(jìn)行選擇，然后將吞吐量取對數(shù)作為系統(tǒng)的效用函數(shù)，通過用戶在兩種技術(shù)下可獲得的帶寬比值建立KKT（Karush Kuhn Tucker）條件，幫助用戶選擇使用LTE技術(shù)還是WiFi技術(shù)[8]。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，用戶體驗（Quality of Experience，QoE）也是一種衡量性能的標(biāo)準(zhǔn)，為了得到更好的QoE，文獻(xiàn)[9]提出了一種基于QoE的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入點算法，首先歸納用戶的偏好屬性集，其次計算每個屬性的效用值，利用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）計算判決指標(biāo)的主觀權(quán)重，再利用歸一化方法獲得各個屬性的效用值向量和主觀偏好權(quán)重向量，最后通過加權(quán)平均法得到用戶對網(wǎng)絡(luò)接入點總的滿意度，選擇滿意度最高的網(wǎng)絡(luò)接入點進(jìn)行連接。由于算法選擇用戶體驗，所以系統(tǒng)在吞吐量方面提升不大。為了兼容用戶需求和吞吐量問題，可以考慮一種聯(lián)合系統(tǒng)性能和用戶需求的接入點選擇方法[10]。用戶在接入點接入過程中對接入點的反饋的信息如信道資源、接收信號強(qiáng)度等使用獎勵函數(shù)進(jìn)行接入點的性能評價。經(jīng)過性能評估后，選擇一個滿足用戶QoS需求和網(wǎng)絡(luò)性能需求的接入點進(jìn)行連接。方案雖然提升了整個系統(tǒng)的性能，但是對于小區(qū)邊緣的用戶卻沒有提升?？紤]全局，文獻(xiàn)[12]提出了一種基于聚合的小區(qū)選擇的算法。在選擇接入點前，eNB需要向用戶定期廣播可用的WLAN AP接入點列表。方案需要考慮價格、能耗、負(fù)載、時延四個屬性值，并通過層次分析法對多屬性決策做出改進(jìn)，然后計算用戶對于各網(wǎng)絡(luò)的偏好同用戶接收到的信號質(zhì)量相結(jié)合，綜合所有條件來選擇一個功耗低、時延小、成本低的網(wǎng)絡(luò)接入點進(jìn)行數(shù)據(jù)分流。該方案在整體性上不僅對系統(tǒng)吞吐量有所提升還能提升邊緣用戶體驗性能。表3中分析對比了三種不同的接入算法的優(yōu)勢及缺陷。

4.2.3 資源分配選擇

無論選擇在PDCP層、IP層或RLC層進(jìn)行數(shù)據(jù)分流，都需要對數(shù)據(jù)資源進(jìn)行合理的分配。數(shù)據(jù)分流首先要涉及到承載拆分，數(shù)據(jù)承載拆分會帶來延時，為了減少傳輸過程的時延，每個PDCP PDU都需要選擇提供最短分組延遲的鏈路進(jìn)行流量傳輸。在用戶側(cè)PDCP層承載的重新排序同樣帶來延時。一個優(yōu)良的分流機(jī)制不僅可以減少傳輸控制協(xié)議（TCP）往返時間還能避免潛在TCP擁塞，這對于提高基于TCP的應(yīng)用程序的性能方面起著關(guān)鍵作用。在LWA系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)資源合理分配之前，選擇性能優(yōu)良的接入點后，能不能讓LWA系統(tǒng)實現(xiàn)吞吐量和性能的提升取決于數(shù)據(jù)資源的分配。為了解決用戶滿意度的問題，文獻(xiàn)[14]提出基于LTE與WLAN流量轉(zhuǎn)向和鏈路聚合方案。將平均數(shù)據(jù)速率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計不同的分流方案，例如將對LTE不滿意用戶轉(zhuǎn)移到WLAN、將不滿意用戶轉(zhuǎn)移到次級小區(qū)WLAN、轉(zhuǎn)移不滿意用戶到次級小區(qū)和轉(zhuǎn)移滿意用戶到LTE、將頻譜效率最高的用戶轉(zhuǎn)移到WLAN、將LWA應(yīng)用于頻譜效率最高的用戶轉(zhuǎn)移到WLAN。然后通過與閾值的對比來選擇相應(yīng)的分流網(wǎng)絡(luò)。最后對比以上不同的方案來選擇一個性能最好的分流方案。算法對于不滿意的用戶分配了更多的資源，減少了不滿意用戶，提升系統(tǒng)性能，但在時延和吞吐量上優(yōu)勢并不明顯。為了解決時延問題，文獻(xiàn)[15]提出一種基于時延的流量控制方案。在時延比較的標(biāo)準(zhǔn)下，首先要評估LTE和WLAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的時延，然后對時延的大小進(jìn)行比較，選擇時延較小的網(wǎng)絡(luò)，若時延較小為LTE網(wǎng)絡(luò)，再次將LTE時延和最大排隊時延進(jìn)行比較，小于最大排隊時延則選擇LTE進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；若時延較小為WLAN網(wǎng)絡(luò)，將雙連接通道Xw時延加上最大排隊時延總和與WLAN網(wǎng)絡(luò)時延相比較，若WLAN時延較小則選擇WLAN進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，否則保留數(shù)據(jù)，系統(tǒng)重新評估LTE和WLAN時延。該算法雖然選擇時延較小的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，但整個系統(tǒng)吞吐量提升效果一般且公平性較差。為了實現(xiàn)更大吞吐量增益，文獻(xiàn)[18]提出了一種基于智能承載的調(diào)度算法。分別設(shè)計模式選擇和承載調(diào)度機(jī)制的方案。為了小區(qū)內(nèi)公平性，在模式選擇中，LWA經(jīng)過求最大化吞吐量來決定模式的選擇，LTE或者LWA。承載調(diào)度機(jī)制中包括基于時延的調(diào)度機(jī)制、帶寬評估機(jī)制和在用戶的PDCP層重新排序機(jī)制。該方案能夠在用戶吞吐量和公平性取得較好的提升，滿足LWA提出的初衷，然而其實現(xiàn)復(fù)雜度較高。文獻(xiàn)[20]提出了一種獨特RLC層集成架構(gòu)（該融合架構(gòu)發(fā)生在共址場景下）和虛擬WiFi調(diào)度器，它包含一個數(shù)據(jù)導(dǎo)向一體化窗口方案，最大限度地減少WiFi網(wǎng)絡(luò)中存在的三次確認(rèn)的延遲。算法還考慮到用戶的CQI（Channel Quality Indicator）和負(fù)載，VWS還為WiFi傳輸設(shè)計了最小CQI優(yōu)先傳輸方案、最大CQI優(yōu)先傳輸方案、在RLC緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)量最多的用戶優(yōu)先傳輸方案、在RLC緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)量最多的用戶最小CQI傳輸方案、在RLC緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)量最多的用戶最大CQI傳輸方案五種可選的承載選擇方案。同時為了實現(xiàn)系統(tǒng)公平性，增加與LTE調(diào)度器協(xié)調(diào)的反饋機(jī)制。正是采用了共址場景，算法在吞吐量、時延及公平性方面的性能都較好。由于WLAN網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的局限性，以上所有方案并不適用于高速移動的用戶。表4中分析對比了四種不同的資源分配算法的優(yōu)勢、缺陷、特點和應(yīng)用場景。

表2 LWA融合層次的對比分析

表3 LWA接入點選擇方案對比分析

表4 LWA流量控制算法對比

5 結(jié)束語

本文對LWA技術(shù)進(jìn)行了概述，將本應(yīng)LTE網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)分流到WLAN網(wǎng)絡(luò)，直接利用WLAN網(wǎng)絡(luò)的非授權(quán)頻譜進(jìn)行傳輸，不僅可以減輕LTE網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載還可以提升系統(tǒng)容量。從目前來看，LWA要廣泛地在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)部署，接入點選擇和資源分配的問題是最需要解決的。對未來的研究中，以下幾個方面值得關(guān)注：首先由于WLAN系統(tǒng)只針對于靜止或者低速的用戶，對于一般的速度或者高速用戶是否適用于LWA系統(tǒng)，值得研究。其次是分流方案的設(shè)計是否高效的、合理的。優(yōu)良的分流機(jī)制利用空閑WLAN網(wǎng)絡(luò)不僅能解決LTE的負(fù)載問題還能實現(xiàn)吞吐量的提升。再者，如何有效合理地部署共址場景和非共址場景，來獲得最大的吞吐量并且盡可能使用成熟的技術(shù)，降低開發(fā)的成本。最后，在5G來臨之際，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)將有更多的接入技術(shù)，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)仍然是一項研究熱點。