張閩　曹珂崯　戴路,　劉歡　陳清華

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)流量；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；無線通信；LTE 蜂窩系統(tǒng)；無線局域網(wǎng)；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）36-0062-03

1 引言

隨著大數(shù)據(jù)、云計算等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和移動智能通信設(shè)備的普及，人們迫切需要高質(zhì)量、高速率和高可靠的無線通信技術(shù)來滿足需求。根據(jù)思科白皮書顯示，從2017年至2022年，全球移動數(shù)據(jù)流量將增長7倍，預(yù)計到2022年底，全球?qū)⑦_(dá)到1 ZB的年度移動數(shù)據(jù)流量。當(dāng)前，爆炸式增長的數(shù)據(jù)流量和密集的用戶智能設(shè)備給網(wǎng)絡(luò)體系帶來了巨大的壓力，使得有限的網(wǎng)絡(luò)頻譜資源日趨緊張，網(wǎng)絡(luò)體系需要在逼近其網(wǎng)絡(luò)容量的狀況下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)資源難以滿足用戶的高速率的網(wǎng)絡(luò)需求。于是，出現(xiàn)了多種技術(shù)來解決海量數(shù)據(jù)傳輸與用戶網(wǎng)絡(luò)需求之間的矛盾，例如LTE（Long Term Evolution，長期演進(jìn)）系統(tǒng)、WLAN （Wireless Local Area Network，無線局域網(wǎng)）、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等。當(dāng)海量規(guī)模的用戶和智能設(shè)備在錯綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，多種無線通信技術(shù)共存的網(wǎng)絡(luò)體系可以利用其各自的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，為用戶和智能設(shè)備提供高可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。因此，多種無線通信技術(shù)共存于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)逐漸成為未來網(wǎng)絡(luò)體系發(fā)展的趨勢[1]。

目前，學(xué)術(shù)界和研究機(jī)構(gòu)提出了各種標(biāo)準(zhǔn)的無線數(shù)據(jù)傳輸方式，使得無線通信技術(shù)進(jìn)入了一個嶄新的數(shù)字化時代。最常見的LTE系統(tǒng)和WLAN仍不斷提出新的技術(shù)，用以支持海量用戶設(shè)備和數(shù)據(jù)流量的傳輸[2]。LTE系統(tǒng)始于2004年，該網(wǎng)絡(luò)旨在為用戶提供一種新的以分組交換數(shù)據(jù)為核心的無線接入技術(shù)。LTE的誕生是為不斷優(yōu)化無線通信技術(shù)以滿足客戶對無線通信的更高要求。第一個LTE 規(guī)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(fā)展為LTE-advanced和LTE-advanced Pro[3]。LTE系統(tǒng)由基站對用戶進(jìn)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(fèi)用較高。WLAN 誕生于1997 年，使用的IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)[4]至今已經(jīng)有20余年，經(jīng)歷了數(shù)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(nèi)的用戶提供高可靠的吞吐量，從而滿足用戶的網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)。WLAN因其部署靈活、成本低廉和速率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。各種無線通信技術(shù)充分發(fā)揮自身的優(yōu)勢，同時也形成了“異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)”的必然趨勢。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)就是將LTE與WLAN 兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，既要注重不同無線通信技術(shù)之間的業(yè)務(wù)無縫對接[5]，還要解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中無線通信技術(shù)的共存問題。因此，本文重點(diǎn)介紹LTE系統(tǒng)、WLAN 和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

2 無線通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2.1 無線局域網(wǎng)技術(shù)

1997年，IEEE發(fā)布了第一個802.11標(biāo)準(zhǔn)，其理論最大速率可達(dá)到2 Mbps。1999年頒布的IEEE802.11b協(xié)議，新增了直接序列擴(kuò)頻模式，可以提供11Mbps的數(shù)據(jù)速率。2002年提出的IEEE 802.11g/a協(xié)議，在物理層引入了正交頻分復(fù)用技術(shù)，該技術(shù)可以提高頻譜利用率，達(dá)到54 Mbps 的數(shù)據(jù)速率。IEEE802.11n于2009年正式發(fā)布，這是WLAN發(fā)展史上的里程碑，其核心技術(shù)是單用戶的多入多出和信道綁定技術(shù)。802.11n支持256-QAM的調(diào)制方式，其最大速率可以達(dá)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(fā)布，該協(xié)議支持5GHz的免許可頻段，同時兼容之前的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，為用戶提供更高的系統(tǒng)容量、更高的調(diào)制方式（1024-QAM）和更快的傳輸速率[6]。IEEE 802.11n提出的增強(qiáng)型MAC層信道接入技術(shù)是WLAN發(fā)展史的重要里程碑，在這之前的協(xié)議均采用帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問的分布式協(xié)調(diào)功能。而后提出的IEEE802.11n支持分布式協(xié)調(diào)功能接入、增強(qiáng)型分布式信道接入和混合控制信道接入。這些技術(shù)通過傳輸機(jī)會機(jī)制提高了訪問效率的同時，也提高了用戶的服務(wù)質(zhì)量[7]。此外，幀聚合機(jī)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(shù)，因此MAC層的技術(shù)演進(jìn)促進(jìn)了WLAN接入效率的不斷提高。

當(dāng)前，面對有限的免許可頻譜資源和密集部署的智能設(shè)備，WLAN 由于信道接入過多和相互間的干擾，網(wǎng)絡(luò)性能呈下降趨勢。在此背景下，IEEE802.11ax 應(yīng)運(yùn)而生，并將其稱為高效無線局域網(wǎng)[8]。針對密集部署WLAN環(huán)境，IEEE 802.11ax協(xié)議引入了多個新技術(shù)以支撐數(shù)據(jù)傳輸，其中包括多用戶傳輸?shù)恼活l分多址技術(shù)、空間復(fù)用技術(shù)、TWT節(jié)能技術(shù)等。正交頻分多址技術(shù)用以提升信道利用率，該技術(shù)是在正交頻分復(fù)用技術(shù)的基礎(chǔ)上，將特定的子載波分配給不同的用戶，實現(xiàn)多個用戶的同時傳輸。該機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)是可以避免深度衰落和窄帶干擾，并且可以減少前導(dǎo)碼和信道接入開銷。多個用戶可以在每個時間片上同時發(fā)送數(shù)據(jù)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(biāo)[9]?？臻g復(fù)用技術(shù)用以提高信道復(fù)用率，用戶在發(fā)送數(shù)據(jù)之前需要檢測網(wǎng)絡(luò)信道是否處于繁忙狀態(tài)，從而避免用戶之間發(fā)生沖突。在檢測時，用戶通過識別同頻干擾強(qiáng)度來確定信道中是否有用戶正在傳輸數(shù)據(jù)，然后動態(tài)地調(diào)整干擾強(qiáng)度的閾值以尋求同頻并發(fā)傳輸[10]。TWT節(jié)能技術(shù)是IEEE 802.11ax WLAN中一個重要的資源調(diào)度功能[4]，它允許用戶與接入點(diǎn)之間協(xié)調(diào)喚醒時間來傳輸數(shù)據(jù)。接入點(diǎn)可以通過TWT節(jié)能機(jī)制將用戶分配給不同的TWT服務(wù)期來減少同時競爭信道的用戶數(shù)量。另外，節(jié)能休眠機(jī)制還可以提高便攜式設(shè)備的電池使用壽命。

2.2 LTE系統(tǒng)

LTE是3GPP提出的，引入了3G通用移動電信系統(tǒng)無線接入技術(shù)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。LTE的設(shè)計要求主要有：更高的用戶數(shù)據(jù)速率，其中上行鏈路和下行鏈路各達(dá)到50 Mbps和100 Mbps；更短的時延，與3G服務(wù)相比，其傳輸時間間隔縮短至10 ms以下；LTE系統(tǒng)容量和覆蓋范圍得以改進(jìn)；支持可擴(kuò)展的帶寬，且?guī)挼姆秶鸀? MHz到20 MHz，乃至更寬，使該標(biāo)準(zhǔn)能夠在頻率分配的各種規(guī)模下運(yùn)行[11]。

LTE系統(tǒng)架構(gòu)是由核心網(wǎng)絡(luò)和無線電接入網(wǎng)絡(luò)組成[12]。其中，核心網(wǎng)絡(luò)被稱為演進(jìn)分組核心網(wǎng)，由服務(wù)網(wǎng)關(guān)、移動管理實體和分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)組成。演進(jìn)分組核心網(wǎng)不再使用電路交換，允許分組交換和電路交換業(yè)務(wù)之間的轉(zhuǎn)換，同時降低了網(wǎng)絡(luò)成本。無線電接入網(wǎng)絡(luò)被稱為演進(jìn)通用陸地?zé)o線接入網(wǎng)，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(tǒng)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(tǒng)利用正交頻分復(fù)用技術(shù)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(shù)據(jù)。由于多個載波各自承載數(shù)據(jù)速率較低，而正交頻分復(fù)用技術(shù)可以通過載波聚合技術(shù)聚合多個子載波，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。該技術(shù)由于將信道帶寬分成較小的頻帶，每個頻帶表現(xiàn)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(shù)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(tǒng)中的信道帶寬最高可達(dá)200 MHz[3]。

2.3 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)

由于接入設(shè)備的增長，可以使用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)來滿足用戶需求，即在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中同時使用LTE和WLAN。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)需考慮兩個問題：一是LTE系統(tǒng)和WLAN之間應(yīng)當(dāng)如何更好地共存，二是共存環(huán)境中的用戶該如何連接兩種網(wǎng)絡(luò)以完成數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)前在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)中，LTE系統(tǒng)與WLAN共存的主要技術(shù)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(shù)，LTE-U技術(shù)的發(fā)展將推動5G蜂窩移動通信系統(tǒng)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(yīng)傳輸來實現(xiàn)LTE系統(tǒng)和WLAN的友好共存。在CSAT技術(shù)中，首先用戶對免許可頻段的信道進(jìn)行幾十毫秒左右的偵聽；然后依據(jù)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這樣的過程被稱為占空比機(jī)制，在免許可頻段上將時域細(xì)分成多個時間周期，每個周期只有開和關(guān)兩種模式，當(dāng)周期為“開”模式時，表示LTE-U在信道上傳輸數(shù)據(jù)，此時WLAN不發(fā)送數(shù)據(jù)；為“關(guān)”模式則表示W(wǎng)LAN進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這樣，LTE-U和WLAN 在傳輸時域上互不干擾，可以動態(tài)調(diào)整占空比。文獻(xiàn)[14]提出了一種新型的無線接入點(diǎn)架構(gòu)，該架構(gòu)由蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署，同時將LTE和WLAN的功能都集成到該架構(gòu)中；然后在WLAN協(xié)議中嵌入LTE-U信令以實現(xiàn)無縫集成；最后，在免許可頻段上實現(xiàn)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(tǒng)的許可頻譜資源稀缺且昂貴，研究學(xué)者將目光放在了免許可頻譜上，希望利用免許可頻譜來擴(kuò)充LTE的系統(tǒng)容量，從而提高LTE系統(tǒng)的數(shù)據(jù)效率。在WLAN的免許可頻段上，LAA技術(shù)通過載波聚合技術(shù)實現(xiàn)與WLAN共存，LAA主要將服務(wù)小區(qū)分成主頻小區(qū)和輔助小區(qū)。LTE在主頻小區(qū)上使用許可頻段的信道資源，LAA在輔助小區(qū)上使用免許可頻段的信道資源。J.Tan等利用LAA技術(shù)來擴(kuò)充LTE的系統(tǒng)容量，提出了靈活的LAA 共存框架，在保護(hù)WLAN用戶的前提下，最大化免許可頻段上LAA的用戶數(shù)[15]。對于運(yùn)營商而言，使用LAA技術(shù)可以利用免許可頻段資源來實現(xiàn)類似于LTE許可服務(wù)的服務(wù)質(zhì)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(yùn)營收入。對用戶而言，與WLAN的盡最大努力服務(wù)和LTE系統(tǒng)高昂的費(fèi)用相比，可以以更低的價格為用戶提供服務(wù)。

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

在LTE系統(tǒng)和WLAN異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，借助LWA技術(shù)，可以將LTE系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行分離，即，LWA 利用WLAN的接入點(diǎn)來傳輸LTE中的數(shù)據(jù)流量，將一部分LTE系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到接入點(diǎn)上進(jìn)行傳輸，剩余部分的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)仍在LTE系統(tǒng)上，從而提升LTE系統(tǒng)的性能。LWA技術(shù)集中采用接入點(diǎn)來增大LTE系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率，在WLAN的MAC框架中傳輸LTE的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[16]。因而，雖然它正在傳輸LTE數(shù)據(jù)，但看起來卻像另一個WLAN。與LTE-U和LAA相比，LWA更容易實現(xiàn)，因為只需要利用相關(guān)軟件即可實現(xiàn)共存。智能手機(jī)采用LWA技術(shù)就能為這兩種無線網(wǎng)絡(luò)供電并拆分?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)給這兩種網(wǎng)絡(luò)，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)LTE數(shù)據(jù)在接入點(diǎn)上完成傳輸時，會被立即傳送回LTE系統(tǒng)的演進(jìn)分組核心網(wǎng)。因此，LWA技術(shù)不需要和WLAN共存于免許可頻段，既可以實現(xiàn)LTE 用戶的數(shù)據(jù)傳輸，又能不影響WLAN的數(shù)據(jù)傳輸，是提升LTE系統(tǒng)性能的解決方案之一。

3未來發(fā)展方向

本文首先從數(shù)據(jù)流量爆炸式增長的發(fā)展現(xiàn)狀引出幾種常用的無線通信技術(shù)，從而對無線局域網(wǎng)技術(shù)、LTE系統(tǒng)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。目前無線通信技術(shù)呈現(xiàn)飛速發(fā)展的趨勢，為了更好地滿足用戶的通信需求，5G網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi 7正在緊鑼密鼓地研究中，如何結(jié)合最新的無線通信技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸速率是需要研究的難題。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)及云計算產(chǎn)業(yè)的興起，無線通信技術(shù)必會受到其他新興領(lǐng)域的啟發(fā)，得到更好的發(fā)展。同時與熱點(diǎn)研究的機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，通過自身的訓(xùn)練學(xué)習(xí)獲得最優(yōu)解，以實現(xiàn)LTE系統(tǒng)和WLAN異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步融合與發(fā)展。