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聚焦：LTE与WiFi技术的对比分析

2014-9-3 14:59:46 5687

0 1 LTE及WiFi网络技术特点分析 LTE作为下一代网络首选的移动通信制式，拥有一些特有的技术，与WiFi网络技术相比，最具有优势的是通过ICIC(小区间干扰协调)技术能够实现同频组网。 ICIC主要是通过管理无线资源使得小区间干扰得到控制，是一种考虑多个小区中资源使用和负载等情况而进行的多小区无线资源管理。具体而言，ICIC以小区间协调的方式对各个小区中无线资源的使用进行限制，包括限制时频资源的使用，或在一定的时频资源上限制其发射功率。 LTE Rel-8版本首先支持ICIC机制，基站间可以通过X2接*换RNTP(相关窄带传输功率)、HII(高干扰指示)及OI(过载指示)三种信号，实现载波内频域数据信道小区间干扰协调。最初的Rel-8版本主要关注宏基站异构组网的应用场景，Rel-10版本提出了eICIC(增强型小区间干扰协调机制)，支持强干扰场景(如宏站与微站、宏站与家庭基站等)异构组网的情况。目前正处于研究阶段的Rel-l1版本则提出了FeICIC(Further-eICIC)工作项，以解决eICIC中遗留的问题及进一步研究其他小区间干扰协调技术方案。 Rel-10版本中提出的eICIC大致可以分为时域干扰协调、频域干扰协调、功率控制三类。 1)功率控制方案当服务小区与相邻小区使用相同的频率资源时，该方案会适当降低服务小区或相邻小区的发射功率，以提高*扰宏基站用户性能。与传统闭环功率控制方案相比，功率控制是从抑制小区间干扰、优化系统整体小区边缘性能的角度出发，直到达到一个期望的SNR(信噪比)值。功率控制方案作为一种重要的ICIC方案在异构网络中得到了广泛应用，如宏与Pico(微微蜂窝)、宏与家庭基站等异构场景。该方案可以得到系统的后向兼容，且同时适用于FDD(频分双工)、TDD(时分双工)双工模式。但是，功率控制方案的实现必须基于用户的测量和上报，在设计上需要考虑基站间的交互信息设计和传递。 2)频域方案频域上实现ICIC实际上是限制资源的调度，即将不同小区信号在频带上进行调度，利用OFDM(正交频分复用)窄带正交性，实现信号的正交传输，从而实现干扰消除。频域干扰协调方案可以很好地解决Rel-8/9版本中终端的后向兼容问题，也同时适用于FDD、TDD双工模式。但是，该方案实现同样要基于用户的测量和上报及基站间信息交互，增加了回传信令的开销及宏站的检测复杂度。 3)时域方案 Rel-10版本特别对时域干扰协调方案进行了重点研究，方案对受干扰用户在子帧或OFDM符号等时域资源上进行调度，而这些时域资源上已通过各种其他途径降低了来源于其他节点的干扰。 2 LTE及WiFi网络覆盖能力分析通过对现有LTE及WiFi的无线覆盖能力进行对比分析，列出两者在覆盖能力上的优缺点，分析两张网络适合的覆盖场景。 2.1 LTE覆盖能力由于LTE的覆盖能力与制式及频段密切相关，我们以电信可能采用的FDD-LTE制式进行覆盖半径测算。选择2.1 GHz的FDD-LTE、2×15 MHz带宽、小区边缘速率4 Mbps / 256 kbps、基站侧天线配置2×2MIMO、无线传播模型为标准COST231 HATA. 具体的链路预算见表1. FDD-LTE密集市区站点覆盖半径为320 m，站间距480 m;普通市区站点覆盖半径为440 m，站间距660 m. 2.2 WiFi覆盖能力目前WiFi网络覆盖方式主要有三种方式：室内AP(接入点)直接覆盖、室内AP合路分布系统覆盖、室外AP直接覆盖。AP设备类型主要包括室外型500 mW、室内型500 mW和室内型100 mW.其中室内型100 mW用于室内放装直接覆盖，室内型500mW用于接入室内分布系统覆盖，室外型500mW用于覆盖室内或室外区域。 1)链路损耗 a)WLAN(无线局域网)在2.4 5 GHz频段一般应用COST231-Hata无线传播模型：传输损耗Lp= 46.3+33.9lgf-13.82lghb+(44.9-6.55lghb)lgd. 式中，d：基站与终端的距离，hb：基站天线高度，f：载波频率。 b)上行链路预算公式(即计算上行链路的最大允许Lp)：室内Lp =终端发射功率+终端天线增益+AP天线增益-AP接收灵敏度-阴影储备-穿透损耗 c)下行链路预算公式(即计算下行链路的最大允许Lp)：室内Lp =AP发射功率+AP天线增益+终端天线增益-终端接收灵敏度-阴影储备-穿透损耗 d)2.4 GHz电磁波对于各种穿透损耗的经验值如下：隔墙的阻挡(砖墙厚度100～300 mm)：20～40dB;楼层的阻挡：30 dB以上;木制家具、门和其他木板隔墙的阻挡：2 15 dB;厚玻璃(12 mm)：10 dB;普通玻璃窗(3～5 mm)：5～7 dB. 2)室内放装型AP覆盖能力由于室内型100mW AP和用户在同一楼层，所以AP天线高度考虑为3m;由于室内型100mW AP只覆盖同楼层小范围区域，所以没有考虑阴影储备。中国电信运营商设计规范规定：目标覆盖区域内95%以上的位置，接收信号电平不小于-75dBm，即这时自带网卡的接收机灵敏度取-75 dBm.由于数据业务具有不对称特性，所以对上行速率要求不高。AP接收机灵敏度为-79 dBm，自带网卡接收机灵敏度为-75 dBm.具体覆盖范围见表2. 在实际工程规划设计时，室内空旷覆盖距离一般取40 m，室内隔墙覆盖距离一般取15 m. 3)室内分布型AP覆盖能力室内天线到用户终端的传播模型可参照表2，走廊上的天线输出口功率(EIRP)要求：10 dBm≤EIRP≤15 dBm，天线与天线之间的距离严格要求在10～15 m;进入需覆盖房间的天线输出口功率(EIRP)要求：EIRP≥8 dBm，可以比走廊上的天线输出口功率小一些，天线与天线之间的距离可以放宽到20～25 m. 4)室外型AP覆盖能力室外型AP直接覆盖，一般采用高增益天线，其天线安装在较高区域，能直视整个覆盖区域。目标覆盖区域内95%以上的位置，接收信号电平为-75dBm，AP接收机灵敏度为-77 dBm.具体覆盖范围见表3. 在实际工程规划设计时，室外空旷覆盖距离一般取250 m，室内覆盖距离一般取80 m. 2.3 LTE与WiFi覆盖能力对比由以上分析可得，在室外，LTE比WiFi明显具有更好的覆盖能力，且移动性支持远高于WiFi.而在室内场景，LTE采用2.1 GHz频段或2.3 GHz频段，覆盖能力均比WiFi的2.4 GHz要低，而且天线及设备增益更大，故LTE在室内也比WiFi具有更好的覆盖能力。综上，LTE在覆盖能力上远优于WiFi网络。 3 LTE及WiFi网络无线容量分析 3.1 WiFi网络容量 1)IEEE 802.11n 目前使用的主流IEEE 802.11协议为IEEE802.11n协议，IEEE 802.11n将IEEE 802.11g的54 Mbps最高发送速率提高到了300 Mbps，其中关键技术为：MIMO-OFDM、40 MHz频宽模式、帧聚合、Short GI. IEEE 802.11n最突出的特点当属MIMO技术，或称为空间复用技术。该技术实现了两个流，在一个信道上使吞吐量增加了一倍，条件为多个发射机，多个接收机，并且每个流间的路径不相关。IEEE802.11n的其他技术有：采用40 MHz的信道(带宽翻倍)、多天线的空时码(STBC)和波束成形、更高的编码速率(从而提高有效数据传输率)、更大的数据子载波比例以及更短的保护间隔等。在实际工程规划设计时，基本采用天线2×2的放装型AP，在2.4 GHz频段应用20 MHz带宽，5.8 GHz频段可采用40 MHz带宽。 a)在室内分布型(单信道/ 20 MHz带宽，天线1×1)的覆盖方式下，实际带宽30~40 Mbps，满足用户上下行单向速率660 kbps时，建议并发用户为23人;满足用户上下行单向速率400 kbps时，建议允许接入最大并发用户数37人。 b)在室内放装型AP或者室外型AP(单信道/20 MHz带宽，天线2×2)的覆盖方式下，实际带宽70~80 Mbps，满足用户上下行单向速率1 Mbps时，建议并发用户为35人;满足用户上下行单向速率400 kbps时，建议允许接入最大并发用户数87人。c)在室内放装型AP或室外型AP(双信道/ 40MHz带宽，天线2×2)的覆盖方式下，理论带宽150Mbps，满足用户上下行单向速率2 Mbps时，建议并发用户为37人;满足用户上下行单向速率400 kbps时，建议允许接入最大并发用户数180人。 2)IEEE 802.11ac / IEEE 802.11ad 目前，在标准组织、设备厂商及运营商的共同推动下，WiFi技术正在不断革新，向着千兆时代迈进。不仅IEEE 802.11标准正在向着新一代IEEE802.11ac演进，具备更短距离、更快速率的WiGig(无线千兆比特)技术也悄然兴起。为了适应高带宽数据业务的发展及大数据时代的要求，并继续保持WiFi网络的竞争优势，IEEE于2008年底启动了吞吐量可达千兆的新一代WLAN技术标准(IEEE 802.11ac和IEEE 802.11ad)的研制工作。IEEE 802.11ac工作在5 GHz频段，是IEEE802.11n的直接演进，是新一代WLAN的主流技术，预计将于2014年完成标准制定。根据当前标准进展情况，IEEE 802.11ac将在IEEE 802.11n的基础上支持更大信道带宽、更高阶MIMO和更高阶调制编码方式，理论最高传输速率高达6.93 Gbps.IEEE802.11ad工作在60 GHz频段，面向极高速短距离应用，目前刚刚完成标准制定工作。IEEE 802.11ad采用单载波、OFDM和波束赋形作为主要传输技术，支持高达2.16 GHz的信道带宽，其理论最高传输速率高达6.76 Gbps. 3.2 LTE网络无线容量吞吐率取决于MAC(媒体接入控制)层调度选择的TBS(传输块大小)，理论峰值吞吐率就是在一定条件下计算可以选择的最大TBS.TBS由RB(资源块)数和MCS(自适应调制编码方案)阶数查表得到，具体计算思路如下： a)针对每个子帧计算可用的RE(资源粒子)数，此处要根据协议物理层资源分布，扣除每个子帧里PDCCH(物理下行控制信道)、PBCH(物理广播信道)、S-SS(辅同步信号)、P-SS(主同步信号)、CRS(小区专有导频)(对于BF〔波束赋形〕还有DRS〔上行信道估计〕)等开销。这些开销中，PBCH，S-SS，P-SS是固定的，其他开销要考虑具体的参数设置(如PDCCH符号数、特殊子帧配比、4天线以上时映射到2端口还是4端口等)。 b)计算每个子帧RE可携带的比特数，可携带比特数=可用RE×调制系数(64QAM为6)。 c)依据可用的RB数选择满足CR(码率)不超过0.93的最大的TBS，其中CR = TBS/可携带比特数。d)计算出每个子帧选择的TBS后，根据时隙配比累加各个子帧的TBS，如果是双码字还要乘以2，计算出最终吞吐率。由于LTE网络不存在并发用户数限制的情况，假定每个用户都处于最佳的位置，可以均分峰值速率。这样与WiFi网络对比：并发用户数37人，满足用户下行单向速率2.22 Mbps;并发用户数180人，满足用户下行单向速率468 kbps. 3.3 LTE及WiFi容量对比由以上分析可知，LTE在极端情况下，单用户速率略高于WiFi(双信道/ 40MHz带宽、天线2×2)，但考虑WiFi网络AP设置的便利性及新一代标准IEEE 802.11ac(理论最高传输速率高达6.93 Gbps)、IEEE 802.11ad(支持高达2.16 GHz的信道带宽，其理论最高传输速率高达6.76 Gbps)的优越性，LTE网络在容量能力上远低于WiFi网络。 4 LTE及WiFi网络终端情况分析 4.1 LTE的终端发展情况对于新的网络技术，在商用初期终端支持通常是最大的短板。在LTE发展的初期阶段，由于LTE对终端芯片处理能力和功耗控制能力要求非常高，所以对终端芯片在材料、工艺等方面都提出了更高要求。受制于终端芯片技术的发展，终端一度被认为是LTE发展中的短板。但LTE恰恰赶上了移动通信终端发展最迅猛的阶段，无论是平板电脑还是其他大尺寸移动设备的快速普及，再加上多媒体以及社交网络应用的强势，都促使各大厂商加大对LTE终端芯片技术的研究投入。从GSA(全球移动设备供应商协会)发布的最新报告来看，截至2013年2月，97家制造商已经宣布推出了821款支持LTE的用户终端设备。过去一年，共有474款新LTE终端推出。在此期间，制造商的数量增长了54%. 821款LTE终端中大部分为FDD制式。有166款终端支持TD-LTE制式，频段38(2.6 GHz)和频段40(2.3GHz)的数量最多。TD-LTE设备种类涵盖全部形式，包括智能手机、dongle、路由器、便携式热点、嵌入式模块和平板电脑。在报告中，GSA呼吁半导体和终端制造商支持全球许多正在3.5 GHz频段(频段42、43)部署TD-LTE系统的运营商，及时提供可用的用户终端。 GSA总裁Alan Hadden表示：用户使用一款双频段1800 MHz / 2600 MHz FDD-LTE终端，可能能在超过55个国家的约100张LTE网络上使用，也即目前推出商用LTE终端市场的83%. 4.2 WiFi的终端发展情况当前受到人们对设备无线连接功能需求的影响，WiFi将席卷整个电脑市场，而消费电子市场对WiFi功能的需求也将日益旺盛。基本上所有的无线通信智能手机均带有WiFi模块，满足用户的多样性需求。同时，其他电子产品也将WiFi模块作为其产品的标准配件。目前所有的WiFi移动电子设备中，手机销量所占据的比重最大，预计2014年WiFi设备的产品将达到5.15亿部。同期具备WiFi功能的平板电脑(如苹果iPad等)销量则可能突破4600万部，上网本的销量则有望达到2.65亿部。索尼PPS等掌上游戏机的同期销售有望突破3000万台。总的看来，到2014年前，所有具备WiFi功能的电子产品设备的销量有望突破35亿台。WiFi终端产品数量远远大于通信终端。 4.3 LTE与WiFi的终端发展情况对比由以上分析可知，WiFi终端产品数量远远大于通信终端，基本上90%以上的通信终端都具备WiFi功能，但受制于移动性能力，用户基本都是在静止或低速率情况下使用WiFi.而LTE终端随着产业链的发展及运营商的推动，已经迈入飞速发展的时期，同时大部分LTE终端都将具备WiFi功能。由此可见，LTE及WiFi终端都不会制约网络的发展，反而会成为网络发展的一大助力。 5结束语通过以上对LTE与WiFi网络的技术标准、覆盖能力、容量、终端等多方面的比较可以看出：LTE作为下一代网络首选的移动通信制式在技术标准、覆盖能力、特有技术上均全面领先WiFi网络，但WiFi网络在容量、AP性价比、终端普及率上的优势决定了在很长一段时间内、在特定场景下WiFi网络仍然是LTE网络的有效补充。 1
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