淺析LTE與WiFi網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1 LTE及WiFi網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)分析

LTE作為下一代網(wǎng)絡(luò)首選的移動(dòng)通信制式，擁有一些特有的技術(shù)，與WiFi網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，最具有優(yōu)勢(shì)的是通過(guò)ICIC（小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)）技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)同頻組網(wǎng)。

ICIC主要是通過(guò)管理無(wú)線資源使得小區(qū)間干擾得到控制，是一種考慮多個(gè)小區(qū)中資源使用和負(fù)載等情況而進(jìn)行的多小區(qū)無(wú)線資源管理。具體而言，ICIC以小區(qū)間協(xié)調(diào)的方式對(duì)各個(gè)小區(qū)中無(wú)線資源的使用進(jìn)行限制，包括限制時(shí)頻資源的使用，或在一定的時(shí)頻資源上限制其發(fā)射功率。

LTE Rel-8版本首先支持ICIC機(jī)制，基站間可以通過(guò)X2接口交換RNTP（相關(guān)窄帶傳輸功率）、HII（高干擾指示）及OI（過(guò)載指示）三種信號(hào)，實(shí)現(xiàn)載波內(nèi)頻域數(shù)據(jù)信道小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)。最初的Rel-8版本主要關(guān)注宏基站異構(gòu)組網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景，Rel-10版本提出了eICIC（增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)機(jī)制），支持強(qiáng)干擾場(chǎng)景（如宏站與微站、宏站與家庭基站等）異構(gòu)組網(wǎng)的情況。目前正處于研究階段的Rel-l1版本則提出了FeICIC（Further-eICIC）工作項(xiàng)，以解決eICIC中遺留的問(wèn)題及進(jìn)一步研究其他小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)方案。

Rel-10版本中提出的eICIC大致可以分為時(shí)域干擾協(xié)調(diào)、頻域干擾協(xié)調(diào)、功率控制三類。

1）功率控制方案

當(dāng)服務(wù)小區(qū)與相鄰小區(qū)使用相同的頻率資源時(shí)，該方案會(huì)適當(dāng)降低服務(wù)小區(qū)或相鄰小區(qū)的發(fā)射功率，以提高被干擾宏基站用戶性能。與傳統(tǒng)閉環(huán)功率控制方案相比，功率控制是從抑制小區(qū)間干擾、優(yōu)化系統(tǒng)整體小區(qū)邊緣性能的角度出發(fā)，直到達(dá)到一個(gè)期望的SNR（信噪比）值。

功率控制方案作為一種重要的ICIC方案在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛應(yīng)用，如宏與Pico（微微蜂窩）、宏與家庭基站等異構(gòu)場(chǎng)景。該方案可以得到系統(tǒng)的后向兼容，且同時(shí)適用于FDD（頻分雙工）、TDD（時(shí)分雙工）雙工模式。但是，功率控制方案的實(shí)現(xiàn)必須基于用戶的測(cè)量和上報(bào)，在設(shè)計(jì)上需要考慮基站間的交互信息設(shè)計(jì)和傳遞。

2）頻域方案

頻域上實(shí)現(xiàn)ICIC實(shí)際上是限制資源的調(diào)度，即將不同小區(qū)信號(hào)在頻帶上進(jìn)行調(diào)度，利用OFDM（正交頻分復(fù)用）窄帶正交性，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的正交傳輸，從而實(shí)現(xiàn)干擾消除。頻域干擾協(xié)調(diào)方案可以很好地解決Rel-8/9版本中終端的后向兼容問(wèn)題，也同時(shí)適用于FDD、TDD雙工模式。但是，該方案實(shí)現(xiàn)同樣要基于用戶的測(cè)量和上報(bào)及基站間信息交互，增加了回傳信令的開銷及宏站的檢測(cè)復(fù)雜度。

3）時(shí)域方案

Rel-10版本特別對(duì)時(shí)域干擾協(xié)調(diào)方案進(jìn)行了重點(diǎn)研究，方案對(duì)受干擾用戶在子幀或OFDM符號(hào)等時(shí)域資源上進(jìn)行調(diào)度，而這些時(shí)域資源上已通過(guò)各種其他途徑降低了來(lái)源于其他節(jié)點(diǎn)的干擾。

2 LTE及WiFi網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力分析

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有LTE及WiFi的無(wú)線覆蓋能力進(jìn)行對(duì)比分析，列出兩者在覆蓋能力上的優(yōu)缺點(diǎn)，分析兩張網(wǎng)絡(luò)適合的覆蓋場(chǎng)景。

2.1 LTE覆蓋能力

由于LTE的覆蓋能力與制式及頻段密切相關(guān)，我們以電信可能采用的FDD-LTE制式進(jìn)行覆蓋半徑測(cè)算。

選擇2.1 GHz的FDD-LTE、2×15 MHz帶寬、小區(qū)邊緣速率4 Mbps / 256 kbps、基站側(cè)天線配置2×2MIMO、無(wú)線傳播模型為標(biāo)準(zhǔn)COST231 HATA.

具體的鏈路預(yù)算見表1.

FDD-LTE密集市區(qū)站點(diǎn)覆蓋半徑為320 m，站間距480 m;普通市區(qū)站點(diǎn)覆蓋半徑為440 m，站間距660 m.

2.2 WiFi覆蓋能力

目前WiFi網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式主要有三種方式：室內(nèi)AP（接入點(diǎn)）直接覆蓋、室內(nèi)AP合路分布系統(tǒng)覆蓋、室外AP直接覆蓋。AP設(shè)備類型主要包括室外型500 mW、室內(nèi)型500 mW和室內(nèi)型100 mW.其中室內(nèi)型100 mW用于室內(nèi)放裝直接覆蓋，室內(nèi)型500mW用于接入室內(nèi)分布系統(tǒng)覆蓋，室外型500mW用于覆蓋室內(nèi)或室外區(qū)域。

1）鏈路損耗

a）WLAN（無(wú)線局域網(wǎng)）在2.4

5 GHz頻段一般應(yīng)用COST231-Hata無(wú)線傳播模型：傳輸損耗Lp= 46.3+33.9lgf-13.82lghb+（44.9-6.55lghb）lgd.

式中，d：基站與終端的距離，hb：基站天線高度，f：載波頻率。

b）上行鏈路預(yù)算公式（即計(jì)算上行鏈路的最大允許Lp）：

室內(nèi)Lp =終端發(fā)射功率+終端天線增益+AP天線增益-AP接收靈敏度-陰影儲(chǔ)備-穿透損耗

c）下行鏈路預(yù)算公式（即計(jì)算下行鏈路的最大允許Lp）：

室內(nèi)Lp =AP發(fā)射功率+AP天線增益+終端天線增益-終端接收靈敏度-陰影儲(chǔ)備-穿透損耗

d）2.4 GHz電磁波對(duì)于各種穿透損耗的經(jīng)驗(yàn)值如下：隔墻的阻擋（磚墻厚度100～300 mm）：20～40dB;樓層的阻擋：30 dB以上;木制家具、門和其他木板隔墻的阻擋：2

15 dB;厚玻璃（12 mm）：10 dB;普通玻璃窗（3～5 mm）：5～7 dB.

表1鏈路預(yù)算表

2）室內(nèi)放裝型AP覆蓋能力

由于室內(nèi)型100mW AP和用戶在同一樓層，所以AP天線高度考慮為3m;由于室內(nèi)型100mW AP只覆蓋同樓層小范圍區(qū)域，所以沒(méi)有考慮陰影儲(chǔ)備。

中國(guó)電信運(yùn)營(yíng)商設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：目標(biāo)覆蓋區(qū)域內(nèi)95%以上的位置，接收信號(hào)電平不小于-75dBm，即這時(shí)自帶網(wǎng)卡的接收機(jī)靈敏度取-75 dBm.由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)具有不對(duì)稱特性，所以對(duì)上行速率要求不高。AP接收機(jī)靈敏度為-79 dBm，自帶網(wǎng)卡接收機(jī)靈敏度為-75 dBm.具體覆蓋范圍見表2.

在實(shí)際工程規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，室內(nèi)空曠覆蓋距離一般取40 m，室內(nèi)隔墻覆蓋距離一般取15 m.

3）室內(nèi)分布型AP覆蓋能力

室內(nèi)天線到用戶終端的傳播模型可參照表2，走廊上的天線輸出口功率（EIRP）要求：10 dBm≤EIRP≤15 dBm，天線與天線之間的距離嚴(yán)格要求在10～15 m;進(jìn)入需覆蓋房間的天線輸出口功率（EIRP）要求：EIRP≥8 dBm，可以比走廊上的天線輸出口功率小一些，天線與天線之間的距離可以放寬到20～25 m.

4）室外型AP覆蓋能力

室外型AP直接覆蓋，一般采用高增益天線，其天線安裝在較高區(qū)域，能直視整個(gè)覆蓋區(qū)域。目標(biāo)覆蓋區(qū)域內(nèi)95%以上的位置，接收信號(hào)電平為-75dBm，AP接收機(jī)靈敏度為-77 dBm.具體覆蓋范圍見表3.

在實(shí)際工程規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，室外空曠覆蓋距離一般取250 m，室內(nèi)覆蓋距離一般取80 m.

3 LTE與WiFi覆蓋能力對(duì)比

由以上分析可得，在室外，LTE比WiFi明顯具有更好的覆蓋能力，且移動(dòng)性支持遠(yuǎn)高于WiFi.而在室內(nèi)場(chǎng)景，LTE采用2.1 GHz頻段或2.3 GHz頻段，覆蓋能力均比WiFi的2.4 GHz要低，而且天線及設(shè)備增益更大，故LTE在室內(nèi)也比WiFi具有更好的覆蓋能力。

綜上，LTE在覆蓋能力上遠(yuǎn)優(yōu)于WiFi網(wǎng)絡(luò)。 3 LTE及WiFi網(wǎng)絡(luò)無(wú)線容量分析

3.1 WiFi網(wǎng)絡(luò)容量

1）IEEE 802.11n

目前使用的主流IEEE 802.11協(xié)議為IEEE802.11n協(xié)議，IEEE 802.11n將IEEE 802.11g的54 Mbps最高發(fā)送速率提高到了300 Mbps，其中關(guān)鍵技術(shù)為：MIMO-OFDM、40 MHz頻寬模式、幀聚合、Short GI.

IEEE 802.11n最突出的特點(diǎn)當(dāng)屬M(fèi)IMO技術(shù)，或稱為空間復(fù)用技術(shù)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)流，在一個(gè)信道上使吞吐量增加了一倍，條件為多個(gè)發(fā)射機(jī)，多個(gè)接收機(jī)，并且每個(gè)流間的路徑不相關(guān)。IEEE802.11n的其他技術(shù)有：采用40 MHz的信道（帶寬翻倍）、多天線的空時(shí)碼（STBC）和波束成形、更高的編碼速率（從而提高有效數(shù)據(jù)傳輸率）、更大的數(shù)據(jù)子載波比例以及更短的保護(hù)間隔等。

在各種配置下單AP的容量見表4.

表2室內(nèi)放裝型AP覆蓋能力表

表3室外型AP覆蓋能力表

表4 AP速率表

在實(shí)際工程規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，基本采用天線2×2的放裝型AP，在2.4 GHz頻段應(yīng)用20 MHz帶寬，5.8 GHz頻段可采用40 MHz帶寬。

a）在室內(nèi)分布型（單信道/ 20 MHz帶寬，天線1×1）的覆蓋方式下，實(shí)際帶寬30~40 Mbps，滿足用戶上下行單向速率660 kbps時(shí)，建議并發(fā)用戶為23人;滿足用戶上下行單向速率400 kbps時(shí)，建議允許接入最大并發(fā)用戶數(shù)37人。

b）在室內(nèi)放裝型AP或者室外型AP（單信道/20 MHz帶寬，天線2×2）的覆蓋方式下，實(shí)際帶寬70~80 Mbps，滿足用戶上下行單向速率1 Mbps時(shí)，建議并發(fā)用戶為35人;滿足用戶上下行單向速率400 kbps時(shí)，建議允許接入最大并發(fā)用戶數(shù)87人。c）在室內(nèi)放裝型AP或室外型AP（雙信道/ 40MHz帶寬，天線2×2）的覆蓋方式下，理論帶寬150Mbps，滿足用戶上下行單向速率2 Mbps時(shí)，建議并發(fā)用戶為37人;滿足用戶上下行單向速率400 kbps時(shí)，建議允許接入最大并發(fā)用戶數(shù)180人。

2）IEEE 802.11ac / IEEE 802.11ad

目前，在標(biāo)準(zhǔn)組織、設(shè)備廠商及運(yùn)營(yíng)商的共同推動(dòng)下，WiFi技術(shù)正在不斷革新，向著千兆時(shí)代邁進(jìn)。不僅IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)正在向著新一代IEEE802.11ac演進(jìn)，具備更短距離、更快速率的WiGig（無(wú)線千兆比特）技術(shù)也悄然興起。

為了適應(yīng)高帶寬數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展及大數(shù)據(jù)時(shí)代的要求，并繼續(xù)保持WiFi網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，IEEE于2008年底啟動(dòng)了吞吐量可達(dá)千兆的新一代WLAN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.11ac和IEEE 802.11ad）的研制工作。IEEE 802.11ac工作在5 GHz頻段，是IEEE802.11n的直接演進(jìn)，是新一代WLAN的主流技術(shù)，預(yù)計(jì)將于2014年完成標(biāo)準(zhǔn)制定。根據(jù)當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展情況，IEEE 802.11ac將在IEEE 802.11n的基礎(chǔ)上支持更大信道帶寬、更高階MIMO和更高階調(diào)制編碼方式，理論最高傳輸速率高達(dá)6.93 Gbps.IEEE802.11ad工作在60 GHz頻段，面向極高速短距離應(yīng)用，目前剛剛完成標(biāo)準(zhǔn)制定工作。IEEE 802.11ad采用單載波、OFDM和波束賦形作為主要傳輸技術(shù)，支持高達(dá)2.16 GHz的信道帶寬，其理論最高傳輸速率高達(dá)6.76 Gbps.

3.2 LTE網(wǎng)絡(luò)無(wú)線容量

吞吐率取決于MAC（媒體接入控制）層調(diào)度選擇的TBS（傳輸塊大?。碚摲逯低掏侣示褪窃谝欢l件下計(jì)算可以選擇的最大TBS.TBS由RB（資源塊）數(shù)和MCS（自適應(yīng)調(diào)制編碼方案）階數(shù)查表得到，具體計(jì)算思路如下：

a）針對(duì)每個(gè)子幀計(jì)算可用的RE（資源粒子）數(shù)，此處要根據(jù)協(xié)議物理層資源分布，扣除每個(gè)子幀里PDCCH（物理下行控制信道）、PBCH（物理廣播信道）、S-SS（輔同步信號(hào)）、P-SS（主同步信號(hào)）、CRS（小區(qū)專有導(dǎo)頻）（對(duì)于BF〔波束賦形〕還有DRS〔上行信道估計(jì)〕）等開銷。這些開銷中，PBCH，S-SS，P-SS是固定的，其他開銷要考慮具體的參數(shù)設(shè)置（如PDCCH符號(hào)數(shù)、特殊子幀配比、4天線以上時(shí)映射到2端口還是4端口等）。

b）計(jì)算每個(gè)子幀RE可攜帶的比特?cái)?shù)，可攜帶比特?cái)?shù)=可用RE×調(diào)制系數(shù)（64QAM為6）。

c）依據(jù)可用的RB數(shù)選擇滿足CR（碼率）不超過(guò)0.93的最大的TBS，其中CR = TBS/可攜帶比特?cái)?shù)。d）計(jì)算出每個(gè)子幀選擇的TBS后，根據(jù)時(shí)隙配比累加各個(gè)子幀的TBS，如果是雙碼字還要乘以2，計(jì)算出最終吞吐率。

由于LTE網(wǎng)絡(luò)不存在并發(fā)用戶數(shù)限制的情況，假定每個(gè)用戶都處于最佳的位置，可以均分峰值速率。這樣與WiFi網(wǎng)絡(luò)對(duì)比：并發(fā)用戶數(shù)37人，滿足用戶下行單向速率2.22 Mbps;并發(fā)用戶數(shù)180人，滿足用戶下行單向速率468 kbps.

3.3 LTE及WiFi容量對(duì)比

由以上分析可知，LTE在極端情況下，單用戶速率略高于WiFi（雙信道/ 40MHz帶寬、天線2×2），但考慮WiFi網(wǎng)絡(luò)AP設(shè)置的便利性及新一代標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11ac（理論最高傳輸速率高達(dá)6.93 Gbps）、IEEE 802.11ad（支持高達(dá)2.16 GHz的信道帶寬，其理論最高傳輸速率高達(dá)6.76 Gbps）的優(yōu)越性，LTE網(wǎng)絡(luò)在容量能力上遠(yuǎn)低于WiFi網(wǎng)絡(luò)。

4 LTE及WiFi網(wǎng)絡(luò)終端情況分析

4.1 LTE的終端發(fā)展情況

對(duì)于新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在商用初期終端支持通常是最大的短板。在LTE發(fā)展的初期階段，由于LTE對(duì)終端芯片處理能力和功耗控制能力要求非常高，所以對(duì)終端芯片在材料、工藝等方面都提出了更高要求。受制于終端芯片技術(shù)的發(fā)展，終端一度被認(rèn)為是LTE發(fā)展中的短板。但LTE恰恰趕上了移動(dòng)通信終端發(fā)展最迅猛的階段，無(wú)論是平板電腦還是其他大尺寸移動(dòng)設(shè)備的快速普及，再加上多媒體以及社交網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的強(qiáng)勢(shì)，都促使各大廠商加大對(duì)LTE終端芯片技術(shù)的研究投入。

從GSA（全球移動(dòng)設(shè)備供應(yīng)商協(xié)會(huì)）發(fā)布的最新報(bào)告來(lái)看，截至2013年2月，97家制造商已經(jīng)宣布推出了821款支持LTE的用戶終端設(shè)備。過(guò)去一年，共有474款新LTE終端推出。在此期間，制造商的數(shù)量增長(zhǎng)了54%.

821款LTE終端中大部分為FDD制式。有166款終端支持TD-LTE制式，頻段38（2.6 GHz）和頻段40（2.3GHz）的數(shù)量最多。TD-LTE設(shè)備種類涵蓋全部形式，包括智能手機(jī)、dongle、路由器、便攜式熱點(diǎn)、嵌入式模塊和平板電腦。在報(bào)告中，GSA呼吁半導(dǎo)體和終端制造商支持全球許多正在3.5 GHz頻段（頻段42、43）部署TD-LTE系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)商，及時(shí)提供可用的用戶終端。 GSA總裁Alan Hadden表示：用戶使用一款雙頻段1800 MHz / 2600 MHz FDD-LTE終端，可能能在超過(guò)55個(gè)國(guó)家的約100張LTE網(wǎng)絡(luò)上使用，也即目前推出商用LTE終端市場(chǎng)的83%.

4.2 WiFi的終端發(fā)展情況

當(dāng)前受到人們對(duì)設(shè)備無(wú)線連接功能需求的影響，WiFi將席卷整個(gè)電腦市場(chǎng)，而消費(fèi)電子市場(chǎng)對(duì)WiFi功能的需求也將日益旺盛?；旧纤械?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/1252/" target="_blank">無(wú)線通信智能手機(jī)均帶有WiFi模塊，滿足用戶的多樣性需求。同時(shí)，其他電子產(chǎn)品也將WiFi模塊作為其產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)配件。

目前所有的WiFi移動(dòng)電子設(shè)備中，手機(jī)銷量所占據(jù)的比重最大，預(yù)計(jì)2014年WiFi設(shè)備的產(chǎn)品將達(dá)到5.15億部。同期具備WiFi功能的平板電腦（如蘋果iPad等）銷量則可能突破4600萬(wàn)部，上網(wǎng)本的銷量則有望達(dá)到2.65億部。索尼PPS等掌上游戲機(jī)的同期銷售有望突破3000萬(wàn)臺(tái)?？偟目磥?lái)，到2014年前，所有具備WiFi功能的電子產(chǎn)品設(shè)備的銷量有望突破35億臺(tái)。WiFi終端產(chǎn)品數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通信終端。

4.3 LTE與WiFi的終端發(fā)展情況對(duì)比

由以上分析可知，WiFi終端產(chǎn)品數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通信終端，基本上90%以上的通信終端都具備WiFi功能，但受制于移動(dòng)性能力，用戶基本都是在靜止或低速率情況下使用WiFi.而LTE終端隨著產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展及運(yùn)營(yíng)商的推動(dòng)，已經(jīng)邁入飛速發(fā)展的時(shí)期，同時(shí)大部分LTE終端都將具備WiFi功能。由此可見，LTE及WiFi終端都不會(huì)制約網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，反而會(huì)成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一大助力。

5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)LTE與WiFi網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、覆蓋能力、容量、終端等多方面的比較可以看出：LTE作為下一代網(wǎng)絡(luò)首選的移動(dòng)通信制式在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、覆蓋能力、特有技術(shù)上均全面領(lǐng)先WiFi網(wǎng)絡(luò)，但WiFi網(wǎng)絡(luò)在容量、AP性價(jià)比、終端普及率上的優(yōu)勢(shì)決定了在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)、在特定場(chǎng)景下WiFi網(wǎng)絡(luò)仍然是LTE網(wǎng)絡(luò)的有效補(bǔ)充。