基于LTE-A升级系统LWA承载链路的设计与实现

基于LTE-A升级系统LWA承载链路的设计与实现
陈发堂;郑辉;周述淇
【摘要】在第三代合作伙伴计划(3GPP)提出的面向第五代移动通信技术的多网融合中,加强的长期演进(LTE-A)与无线局域网(WLAN)的交互融合对系统的吞吐量和传输速率有很大提升,蜂窝局域网聚合(LWA)的引入为实现多网融合进行资源的集中管理和控制提供了架构的设计基础.文章基于LTE A升级系统的无线资源管理功能和丰富的频谱资源,设计了LTE-A与WLAN的链路聚合,实现了LWA无线承载的建立和切换功能;基于测试与测试控制描述第三版(TTCN-3)语言的终端无线资源管理一致性测试平台对流程设计进行了验证,证明了该设计的可行性.
【期刊名称】《光通信研究》
【年(卷),期】2018(000)001
【总页数】5页(P61-65)
【关键词】蜂窝局域网聚合承载;加强的长期演进;无线局域网;一致性测试
【作者】陈发堂;郑辉;周述淇
【作者单位】重庆邮电大学重庆市移动通信技术重点实验室,重庆400065;重庆邮电大学重庆市移动通信技术重点实验室,重庆400065;重庆邮电大学重庆市移动通信技术重点实验室,重庆400065
【正文语种】中文
【中图分类】TN929.5
0 引言
近年来，由于智能手机、平板电脑和其他无线设备的强劲动力，无线蜂窝网络中的数据业务速率出现了爆炸性增长，增加无线通信网络的传输容量和速率成为亟待解决的关键问题。

由于许可频谱稀缺并且昂贵，而在非授权频谱5 GHz频段中存有
大量可用频谱[1]，因此，研究加强的长期演进(Long Term Evolution-Advanced, LTE-A)和无线局域网(Wireless Local Area Network, WLAN)的协同工作为运营
商的发展带来了可能，在未授权频段中实现蜂窝数据的传输是很好的解决方案。

特别地，第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)已经研
究了其可行性，并且在最新的标准LTE-A R14中分别引入了蜂窝局域网聚合(LTE-A WLAN Aggregation, LWA)、授权频谱辅助接入(License Assisted Access, LAA)和LTE的免授权频谱(LTE Advanced in Unlicensed Spectrums, LTE-U)的
概念。

利用WLAN的特性来提高蜂窝性能，在LTE-A和WLAN的交互融合中，
通过网络配置可以同时使用LTE-A和WLAN两个链路网络。

通过在WLAN中的
非授权频段引入LTE-A，终端可以同时使用LTE-A和WLAN的无线资源以提高系统的吞吐量和传输速率[2]。

1 LTE-A和WLAN融合的应用分析
LTE-A和WLAN的融合设计需要考虑无线链路承载的选择和聚合方案的设计。

无线链路承载的正确选择可以保证异构网的正确融合，聚合方案的设计是实现数据高速传输的重要指标。

本文提出了3种方案来实现LTE-A与WLAN的交互设计传输，如图1所示。

在方案 1中，LTE-A和WLAN的交互是单链路传输，两者之间只能有一个处于数据传输状态，这种传输是目前终端所使用的设计，属于浅度耦合，其并没有实现数据的高速传输和带宽的增加。

图1 3种 LTE-A与WLAN融合设计方案
在方案 2中，部分数据流通过蜂窝网中的核心网分流承载到WLAN链路上，这种设计需要重新部署核心网，增加了网络结构的复杂度和消费成本，其产生的分流粒度也是非常粗糙的。

方案3中的设计是先将数据从核心网路由到接入网的基站上，然后由基站将数据分流到WLAN上传输[3]。

这种设计需要考虑共址和非共址两种情况，在共址条件下，将eNB和WLAN AP集成在一起，这种情况类似于双链接的链路设计。

而在非共址情况下，需要在eNB和WLAN AP之间设计一条链路，用来实现两者之间的数据交互和传输。

这种设计有效整合了LTE-A和WLAN异构网络，可以协助电信运营商进行数据的分流，随时管控流量的分配和处理，同时也能够为用户提供多种异构网络间无缝切换的极佳体验，可大幅度提高数据传输速率并解决频谱带宽受限的困局[4]。

但是这种设计在复杂度上会增加对终端和基站的高层协议的聚合功能设计，可通过协议软件来实现。

2 LTE-A和WLAN的耦合设计
2.1 适配层的设计
在LTE-A和WLAN的深度耦合设计中，为了不浪费现有WLAN频谱资源，在原有部署条件下，通过蜂窝网将WLAN资源包含进来一并进行管理和控制。

但是在LTE-A和WLAN两种无线接入网中存在很大的不同，传输的耦合方向上也面临很多问题和挑战[5]。

因为两种网络结构中有着不同的协议架构。

在发送侧，对演进的分组系统(Evolved Packet System, EPS)承载应用加密，由于分组数据汇聚协议层(Packet Data Convergence Protocol, PDCP)的协议数据单元 (Protocol Data Unit, PDU)被加密，意味着IP报头中的服务类型(Type Of Serve, TOS)字段被加密，因此，WLAN 的媒体访问控制(Media Access Control, MAC)不能识别EPS 承载的服务质量(Quality of Service, QoS)类别[6]。

同时，在WLAN的MAC帧
中没有逻辑信道的概念，WLAN中的MAC层不能为发送的WLAN PDU添加逻
辑信道标识(Logical Channel Identity, LCID)，因此，接收侧不能识别对应的无线承载(Radio Bearer, RB)并将WLAN PDU传递到相应的EPS承载。

通过对接入网和局域网之间设立标准化接口来实现信息的交互和管理。

同时，为了解决PDCP数据包传输的问题，设置了蜂窝局域网聚合适配层协议 (LWA Adaptation Layer Protocol, LWAAP)，此适配层分别在eNB端和UE设置一个
对等的实体，用来实现LWA的无线承载[7]。

图2所示为LWAAP Data PDU,此
适配层位于PDCP的下方，由上层传输到下层之后，将PDCP PDU添加一个字节的LWAAP头域，有5 bit的数据域用来标识LCID,其他3 bit作为保留位。

图2 LWAAP Data PDU
2.2 QoS的映射
在实现两者耦合的设计中，还需要解决的一个重要问题是QoS的不同，LTE-A中的QoS控制着EPS系统的承载,根据QoS的不同来区分不同的承载。

而WLAN QoS根据不同的需求，提供不同的网络QoS，其按着优先级划分为4类接入类别，分别是语音流(Voice, VO)、视频流(Video, VI)、最大流(Best-effort, BE)和背景流(Back-ground, BK)[8]。

为了实现在LWA上的QoS，需要设置一个处理机制确保无线设备选择的接入类别与无线承载的QoS相一致。

通过设置的映射机制来完成
匹配，如表1所示。

表1 LTE-A与WLAN之间的QoS映射
QCIDSCP802.11eACExample3GPPservice1EF3AC_VOConversationalvoice2E
F3AC_VOConversationalvideo3EF3AC_VOReal-
timegaming4AF412AC_VIBufferedstreaming5AF312AC_VIIMSsignaling6AF 312AC_VIBufferedstreaming7AF210AC_BEInteractivegaming8AF110AC_BE Webaccess9BE1AC_BKe-mail
注：QCI为QoS的标度值；DSCP为差分服务代码点；AC为接入控制器;EF为加速转发；AF为确保转发。

2.3 LWA链路传输
在两种无线网络交互中，已经为eNB和WLAN之间的控制平面和数据平面连接定义了称为Xw的接口。

在数据平面中，Xw用于用户平面的通用分组无线系统隧道协议(GPRS Tunnelling Protocol-user ，GTP-U)，并且还具有用于流控制和反馈的可选支持。

在控制平面中，Xw支持添加、修改和释放WLAN AP以及报告到eNB的WLAN测量和连接状态的功能，实际上Xw接口是从由3GPP在版本12中开发的用于双链接增强的X2接口借用的。

借鉴于双链接的承载分割架构，LWA支持PDCP层的下行聚合，并重新使用为拆分承载引入的基于PDCP的重新排序机制。

相同IP流的PDCP PDU可以由LTE-A eNB通过LTE-A和WLAN链路独立地路由，而UE处的PDCP层重新排序机制确保了顺序传送到上层基于每个PDCP的序列号。

LWA为通过WLAN路由在WLAN上的每个PDCP PDU添加了一个新的LWA特定EtherType，作为以太网帧的一部分，这样可以使UE将LWA业务和WLAN数据区分开来。

图3所示为LWA的整体网络设计架构。

图3 LWA的整体网络设计
3 LWA的建立和切换流程设计
本文中LWA的设计主要是提高系统的传输速率和减轻基站的负载，在建立LWA 无线承载的过程中，当传输的数据速率很低，或者达到了某个很低的阀值时，根据用户需要，由终端选择开启LWA承载功能，选择一个WLAN AP进行聚合，当此WLAN AP信号表现较弱时，需要对LWA承载重新配置。

图4给出了LWA的建立过程。

本文的研究场景是在UE处于链接模式下的LWA建立和WLAN AP切换，在建立
过程中，终端首先发起无线承载建立请求，以获得无线承载资源。

由UE来对WLAN AP进行测量，并将测量结果发送给eNB，eNB处理之后，下发命令来决
定要聚合的WLAN AP，并通知UE触发连接。

在LWA承载建立之后，UE需要不断实时地测量WLAN AP，并将测量结果传给eNB,当连接的WLAN AP链路环境较差时，借鉴原有LTE-A的小区切换模式，同样对WLAN AP进行切换设计，以
实现更好的用户体验。

根据需要在传输信令中设置mobility set，mobility set的作用包含一组信号较好的WLAN AP,以便eNB从这组AP中选择更好的无线承载，在上报测量报告中，需要对WLAN AP的信道利用率、回程数据速率、信号强度
以及接入点的带宽等进行测量，eNB根据WLAN AP的链路状态在PDCP层进行分流聚合。

图4 LWA承载建立过程
在设计LWA上行链路时，根据PDCP层缓存区的状态设置一个阀值，当数据上行缓存高于此阀值时，通过LWA链路路由，低于此阀值时，传输的数据直接由
LTE-A链路进行。

在结束LWA链路承载时，本文设计为eNB触发释放。

4 测试设计和结果分析
LWA链路承载的建立和同小区中WLAN AP的切换测试可以通过搭建支持测试与测试控制描述第三版(TTCN-3)语言的测试系统来实现，分别由模拟小区的测试仪
表1、模拟WLAN AP的测试仪表2和测试仪表3、开关设备以及模拟信道等设备组成。

根据小区收到的消息以及发送的信令是否正确传输来判断RRC层是否满足
无线资源管理(Radio Resource Management, RRM)的一致性测试要求[9]。

测试平台架构如图5所示。

从图中可以看出，小区的NAS层和RRC层由TTworkbench软件来模拟，模拟WLAN AP的测试仪表分别加入了适配层，由socket接口来模拟小区和WLAN AP的隧道接口协议。

从图6的测试结果可以看到，在链路处于连接状态下由小区发送给UE的测量请求
进行WLAN AP切换，在进行一系列的信令交互后，可以在测试流程图上看到“success”符号，表明由RRC层进行的RRM测试切换成功。

证明本文的切换流程设计合理，符合协议的一致性测试。

图5 测试平台架构
图6 LWA链接建立过程
5 结束语
本文对LTE-A和WLAN的链路聚合进行了深入地分析，解决了数据传输的分流问题；设计了LWA链路承载的整体架构；对LWA承载的建立和切换流程进行了设计，并通过TTCN-3语言对建立过程和切换流程进行了验证。

参考文献:
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[9] 陈发堂, 吴中华, 张有缘,等. 多模终端测试平台的搭建及仿真实现 [J]. 电讯技术, 2015, 55(9):1042-1046.。