通信網(wǎng)絡(luò)大PK：LTE與WiFi技術(shù)的對比

1 LTE及WiFi網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點分析

LTE作為下一代網(wǎng)絡(luò)首選的移動通信制式，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)勢的是通過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主要是通過管理無線資源使得小區(qū)間干擾得到控制，是一種考慮多個小區(qū)中資源使用和負載等情況而進行的多小區(qū)無線資源管理。具體而言，ICIC以小區(qū)間協(xié)調(diào)的方式對各個小區(qū)中無線資源的使用進行限制，包括限制時頻資源的使用，或在一定的時頻資源上限制其發(fā)射功率。

LTE  Rel-8版本首先支持ICIC機制，基站間可以通過X2接口交換RNTP(相關(guān)窄帶傳輸功率)、HII(高干擾指示)及OI(過載指示)三種信號，實現(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)用場景，Rel-10版本提出了eICIC(增強型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)機制)，支持強干擾場景(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，以解決eICIC中遺留的問題及進一步研究其他小區(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，該方案會適當(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)，直到達到一個期望的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)場景。該方案可以得到系統(tǒng)的后向兼容，且同時適用于FDD(頻分雙工)、TDD(時分雙工)雙工模式。但是，功率控制方案的實現(xiàn)必須基于用戶的測量和上報，在設(shè)計上需要考慮基站間的交互信息設(shè)計和傳遞。

2)頻域方案

頻域上實現(xiàn)ICIC實際上是限制資源的調(diào)度，即將不同小區(qū)信號在頻帶上進行調(diào)度，利用OFDM(正交頻分復(fù)用)窄帶正交性，實現(xiàn)信號的正交傳輸，從而實現(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題，也同時適用于FDD、TDD雙工模式。但是，該方案實現(xiàn)同樣要基于用戶的測量和上報及基站間信息交互，增加了回傳信令的開銷及宏站的檢測復(fù)雜度。

3)時域方案

Rel-10版本特別對時域干擾協(xié)調(diào)方案進行了重點研究，方案對受干擾用戶在子幀或OFDM符號等時域資源上進行調(diào)度，而這些時域資源上已通過各種其他途徑降低了來源于其他節(jié)點的干擾。

2 LTE及WiFi網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力分析

通過對現(xiàn)有LTE及WiFi的無線覆蓋能力進行對比分析，列出兩者在覆蓋能力上的優(yōu)缺點，分析兩張網(wǎng)絡(luò)適合的覆蓋場景。

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制式進行覆蓋半徑測算。

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、無線傳播模型為標準COST231 HATA.

具體的鏈路預(yù)算見表1.

FDD-LTE密集市區(qū)站點覆蓋半徑為320 m，站間距480 m;普通市區(qū)站點覆蓋半徑為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)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(無線局域網(wǎng))在2.4

5 GHz頻段一般應(yīng)用COST231-Hata無線傳播模型：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-陰影儲備-穿透損耗

c)下行鏈路預(yù)算公式(即計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-陰影儲備-穿透損耗

d)2.4 GHz電磁波對于各種穿透損耗的經(jīng)驗值如下：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，所以沒有考慮陰影儲備。

中國電信運營商設(shè)計規(guī)范規(guī)定：目標覆蓋區(qū)域內(nèi)95%以上的位置，接收信號電平不小于-75dBm，即這時自帶網(wǎng)卡的接收機靈敏度取-75  dBm.由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)具有不對稱特性，所以對上行速率要求不高。AP接收機靈敏度為-79 dBm，自帶網(wǎng)卡接收機靈敏度為-75 dBm.具體覆蓋范圍見表2.

在實際工程規(guī)劃設(shè)計時，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格要求在10～15 m;進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，能直視整個覆蓋區(qū)域。目標覆蓋區(qū)域內(nèi)95%以上的位置，接收信號電平為-75dBm，AP接收機靈敏度為-77  dBm.具體覆蓋范圍見表3.

在實際工程規(guī)劃設(shè)計時，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.

2.3 LTE與WiFi覆蓋能力對比

由以上分析可得，在室外，LTE比WiFi明顯具有更好的覆蓋能力，且移動性支持遠高于WiFi.而在室內(nèi)場景，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在覆蓋能力上遠優(yōu)于WiFi網(wǎng)絡(luò)。

3 LTE及WiFi網(wǎng)絡(luò)無線容量分析

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最突出的特點當(dāng)屬MIMO技術(shù)，或稱為空間復(fù)用技術(shù)。該技術(shù)實現(xiàn)了兩個流，在一個信道上使吞吐量增加了一倍，條件為多個發(fā)射機，多個接收機，并且每個流間的路徑不相關(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

在實際工程規(guī)劃設(shè)計時，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，實際帶寬30~40 Mbps，滿足用戶上下行單向速率660  kbps時，建議并發(fā)用戶為23人;滿足用戶上下行單向速率400 kbps時，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，實際帶寬70~80 Mbps，滿足用戶上下行單向速率1  Mbps時，建議并發(fā)用戶為35人;滿足用戶上下行單向速率400 kbps時，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，建議并發(fā)用戶為37人;滿足用戶上下行單向速率400  kbps時，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，在標準組織、設(shè)備廠商及運營商的共同推動下，WiFi技術(shù)正在不斷革新，向著千兆時代邁進。不僅IEEE  802.11標準正在向著新一代IEEE802.11ac演進，具備更短距離、更快速率的WiGig(無線千兆比特)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)時代的要求，并繼續(xù)保持WiFi網(wǎng)絡(luò)的競爭優(yōu)勢，IEEE于2008年底啟動了吞吐量可達千兆的新一代WLAN技術(shù)標準(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，是新一代WLAN的主流技術(shù)，預(yù)計將于2014年完成標準制定。根據(jù)當(dāng)前標準進展情況，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，目前剛剛完成標準制定工作。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2.16 GHz的信道帶寬，其理論最高傳輸速率高達6.76 Gbps.

3.2 LTE網(wǎng)絡(luò)無線容量

吞吐率取決于MAC(媒體接入控制)層調(diào)度選擇的TBS(傳輸塊大小)，理論峰值吞吐率就是在一定條件下計算可以選擇的最大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，具體計算思路如下：

a)針對每個子幀計算可用的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)、P-SS(主同步信號)、CRS(小區(qū)專有導(dǎo)頻)(對于BF〔波束賦形〕還有DRS〔上行信道估計〕)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符號數(shù)、特殊子幀配比、4天線以上時映射到2端口還是4端口等)。

b)計算每個子幀RE可攜帶的比特數(shù)，可攜帶比特數(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0.93的最大的TBS，其中CR =  TBS/可攜帶比特數(shù)。d)計算出每個子幀選擇的TBS后，根據(jù)時隙配比累加各個子幀的TBS，如果是雙碼字還要乘以2，計算出最終吞吐率。

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準IEEE 802.11ac(理論最高傳輸速率高達6.93 Gbps)、IEEE  802.11ad(支持高達2.16 GHz的信道帶寬，其理論最高傳輸速率高達6.76 Gbps)的優(yōu)越性，LTE網(wǎng)絡(luò)在容量能力上遠低于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對終端芯片處理能力和功耗控制能力要求非常高，所以對終端芯片在材料、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，終端一度被認為是LTE發(fā)展中的短板。但LTE恰恰趕上了移動通信終端發(fā)展最迅猛的階段，無論是平板電腦還是其他大尺寸移動設(shè)備的快速普及，再加上多媒體以及社交網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的強勢，都促使各大廠商加大對LTE終端芯片技術(shù)的研究投入。

從GSA(全球移動設(shè)備供應(yīng)商協(xié)會)發(fā)布的最新報告來看，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、dongle、路由器、便攜式熱點、嵌入式模塊和平板電腦。在報告中，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)的運營商，及時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55個國家的約100張LTE網(wǎng)絡(luò)上使用，也即目前推出商用LTE終端市場的83%.

4.2 WiFi的終端發(fā)展情況

當(dāng)前受到人們對設(shè)備無線連接功能需求的影響，WiFi將席卷整個電腦市場，而消費電子市場對WiFi功能的需求也將日益旺盛。基本上所有的無線通信智能手機均帶有WiFi模塊，滿足用戶的多樣性需求。同時，其他電子產(chǎn)品也將WiFi模塊作為其產(chǎn)品的標準配件。

目前所有的WiFi移動電子設(shè)備中，手機銷量所占據(jù)的比重最大，預(yù)計2014年WiFi設(shè)備的產(chǎn)品將達到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4600萬部，上網(wǎng)本的銷量則有望達到2.65億部。索尼PPS等掌上游戲機的同期銷售有望突破3000萬臺?？偟目磥?，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。WiFi終端產(chǎn)品數(shù)量遠遠大于通信終端。

4.3 LTE與WiFi的終端發(fā)展情況對比

由以上分析可知，WiFi終端產(chǎn)品數(shù)量遠遠大于通信終端，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)展及運營商的推動，已經(jīng)邁入飛速發(fā)展的時期，同時大部分LTE終端都將具備WiFi功能。由此可見，LTE及WiFi終端都不會制約網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，反而會成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一大助力。

5結(jié)束語

通過以上對LTE與WiFi網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)標準、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)首選的移動通信制式在技術(shù)標準、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性價比、終端普及率上的優(yōu)勢決定了在很長一段時間內(nèi)、在特定場景下WiFi網(wǎng)絡(luò)仍然是  LTE網(wǎng)絡(luò)的有效補充。