TD-LTE、LTE-Advanced與WiMAX融合解決方案

1. 引言
TD- SCDMA是中國提出的第三代移動通信技術(shù)標準的TDD模式技術(shù)，其采用了智能天線、聯(lián)合檢測、接力切換等關(guān)鍵技術(shù)，是一種頻譜利用率高、抗干擾能力強的移動通信技術(shù)。隨著技術(shù)的演進與發(fā)展，3GPP相繼提出了TD-LTE，LTE-Advanced等技術(shù)。而WiMAX是近年迅速發(fā)展起來的一種新興寬帶無線通信技術(shù)，它采用了OFDM、MIMO、HARQ等大量B3G/4G技術(shù)，實現(xiàn)了性能上的超越。TD-LTE、LTE-Advanced與WiMAX 系統(tǒng)雖然分屬于IMT2000不同的空中接口技術(shù)，但是二者在很多方面都有共同點和相似之處。那么這兩類高性能系統(tǒng)能否實現(xiàn)相互融合，以及采用怎樣的方式進行融合是目前產(chǎn)業(yè)非常關(guān)注的一些問題。
下面將依據(jù)標準協(xié)議棧和網(wǎng)絡架構(gòu)分析，對TD-LTE和LTE-Advanced系統(tǒng)與 WiMAX系統(tǒng)融合方案進行了探討，提出TD-LTE，LTE-Advanced系統(tǒng)與WiMAX系統(tǒng)的演進與融合方案。
2. TD-LTE與WiMAX的融合研究
2.1 TD-LTE與WiMAX的融合架構(gòu)和接入點
2.1.1 TD-LTE與WiMAX的融合架構(gòu)
當前，無線接入速度的提升突飛猛進，傳統(tǒng)的移動PS域網(wǎng)絡已無法勝任高速率和高帶寬的未來無線分組業(yè)務的考驗。因此，3GPP國際標準化組織開始展開下一代網(wǎng)絡架構(gòu)的研究，在R7階段推出了全新的移動PS域網(wǎng)絡架構(gòu)，即SAE（System Architecture Evolution）[4]。SAE的主要思想是簡化現(xiàn)有移動PS網(wǎng)絡架構(gòu)，通過網(wǎng)元整合和功能的重新劃分，減少業(yè)務處理的中間環(huán)節(jié)，實現(xiàn)網(wǎng)絡架構(gòu)的扁平化。同時，SAE為LTE網(wǎng)絡與其他技術(shù)網(wǎng)絡的融合設計了接口，規(guī)劃了多網(wǎng)絡融合的網(wǎng)絡架構(gòu)。而WiMAX網(wǎng)絡與TD-LTE的融合就可以通過SAE提供的LTE與非3GPP IP網(wǎng)絡的網(wǎng)絡接口處進行融合互聯(lián)。

圖1 SAE的架構(gòu)
SAE 的架構(gòu)如上圖所示，其中Non-3GPP IP Access分為Trusted和Untrusted兩類，這由運營商決定，例如系統(tǒng)運營商可以基于商業(yè)協(xié)議選擇信任同一個運營商或者不同運營商運營的非 3GPP IP接入網(wǎng)。Untrusted Non-3GPP IP Access需要通過ePDG輔助接入。這里假設WiMAX系統(tǒng)是Trusted的Non-3GPP IP Access網(wǎng)絡。那么WiMAX系統(tǒng)主要通過S2a，Gxa，STa接入到3GPP網(wǎng)絡中去。TD-LTE與WiMAX融合具體的網(wǎng)絡架構(gòu)如下圖所示 [5]。

圖2 LTE與WiMAX的融合架構(gòu)
從上圖可以看出，為了保證WiMAX業(yè)務的QoS，ASN-GW需要使用策略和計費控制（PCC）架構(gòu)。在3GPP演進方案中，策略決定點 PDF(Policy Decision Function)和計費規(guī)則功能(Charging Rule Function, CRF)融合為一個新的功能實體PCRF(Policy and Charging Rules Function)。WiMAX PCC使用PCRF來接收QoS參數(shù)。
2.1.2 TD-LTE與WiMAX融合涉及的接入點
在TD-LTE與WiMAX的融合中，WiMAX ASN直接通過S2a接口接入到TD-LTE中，P-GW執(zhí)行分組過濾，偵聽，計費，IP地址分配等功能，TD-LTE和WiMAX的數(shù)據(jù)在P-GW進行組合，并通過SGi接口路由到外部網(wǎng)絡中。
而用戶的認證主要是WiMAX ASN通過STa接口與AAA服務器進行交互。
融合方案中涉及幾個重要的接入點：
STa（相當于WiMAX R3-AAA接口）：用于對UE進行基于AAA的認證。
Gxa（相當于WiMAX R3-PCC-P）：用于執(zhí)行動態(tài)QoS和計費規(guī)則。
S2a（相當于WiMAX R2-MIP）：用于L3移動性和接入核心網(wǎng)鏈路的建立。
S14：用于不同網(wǎng)絡的選擇，并利于優(yōu)化WiMAX-3GPP切換。該接口也可以提供接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)和選擇功能（ANDSF）與FAF（Forward Attachment Function）功能實體。
在以上接入點中，S2a是最主要的接入點，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?，不同網(wǎng)絡的分組需要在該接入點處進行處理，符合外部網(wǎng)絡的特性。因此其協(xié)議棧的設計對于數(shù)據(jù)的傳輸十分重要。
S2a 協(xié)議棧對于PMIPv6和MIPv4稍有不同，對于PMIPv6，終結(jié)控制面和用戶面的功能實體是non-3GPP IP access（WiMAX）的MAG（移動接入網(wǎng)關(guān)）和網(wǎng)關(guān)中的LMA（本地移動錨點），這里LMA包括本地代理的功能。控制面的協(xié)議棧是基于 IPv6/IPv4的PMIPv6，用戶面的協(xié)議棧是基于IPv4/v6轉(zhuǎn)發(fā)分組。而對于MIPv4，終結(jié)控制和用戶面的功能實體是UE中的MN和 non-3GPP IP access（WiMAX）的FA，以及網(wǎng)關(guān)中的HA?？刂泼鎱f(xié)議棧是MIPv4，用戶面在IPv4傳輸層轉(zhuǎn)發(fā)IPv4分組。

圖3 S2a 參考點協(xié)議棧（PMIPv6）

圖4 S2a 參考點協(xié)議棧（MIPv4）
從以上分析可以看到S2a協(xié)議棧比較簡單，符合數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換的需要，是TD-LTE與WiMAX融合最合適的接入點。而TD-LTE和WiMAX融合的網(wǎng)絡架構(gòu)采用的是核心網(wǎng)全部或部分共用的方式，即TD-LTE和WiMAX具有獨立的無線網(wǎng)，TD-LTE和WiMAX的核心網(wǎng)既有各自獨立的部分，也有共用的網(wǎng)元，例如AAA服務器、PCRF、PGW等。
2.2 TD-LTE與WiMAX的網(wǎng)絡選擇
在TD-LTE與WiMAX 網(wǎng)絡的融合中，網(wǎng)絡選擇和切換是非常重要的問題。網(wǎng)絡選擇是指新到達的UE如何接入到無線網(wǎng)絡中，下圖詳細介紹了TD-LTE與WiMAX網(wǎng)絡之間的最初的網(wǎng)絡選擇過程[5]，這里主要討論單無線鏈路的解決方案，即終端只能接收TD-LTE或者WiMAX中的某一條鏈路信息。
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圖5 TD-LTE與WiMAX網(wǎng)絡之間的網(wǎng)絡注冊過程
首先，移動終端需要與WiMAX BS進行同步并交換基礎能力信息，接著觸發(fā)EAP-AKA程序用于終端認證，經(jīng)過成功認證之后，終端和BS之間將經(jīng)過3次握手來交換空口的安全密鑰，接著將進行注冊，觸發(fā)BS和ASN－GW數(shù)據(jù)鏈路的建立，這樣，根據(jù)認證期間從AAA服務器中下載的協(xié)議建立服務流。此時，層2上的連接已經(jīng)建立起來。而UE 連接的網(wǎng)絡將觸發(fā)DHCP過程獲得IP地址，在交互Proxy Binding Update和Proxy Binding Acknowledge信息之后，鏈路將通過代理MIP在ASN－GW和P－GW之間建立，在此期間，PCRF從ASN－GW和P－GW中得到策略參數(shù)。
從上述過程可以看到，TD-LTE可以讓終端通過AAA服務器，WiMAX ASN－GW和P-GW之間的PMIP接口（S2a）接入到核心網(wǎng)中。并且，PCC可以對用戶業(yè)務提供動態(tài)策略和計費規(guī)則。
2.3 TD-LTE與WiMAX的網(wǎng)絡切換
TD- LTE與WiMAX系統(tǒng)間的切換最重要的一點是提供用戶的無縫移動體驗，即TD-LTE與WiMAX之間的切換對用戶來說是透明的。UE是否進行切換可以由UE決定，也可以由網(wǎng)絡側(cè)決定。3GPP R8要求UE決定切換，因為首先，UE可以基于它的無線測量，用戶實現(xiàn)配置的參數(shù)選擇，和運營商的移動策略來決定切換；其次，UE不需要向網(wǎng)絡發(fā)送異系統(tǒng)之間的策略；第三，對TD-LTE網(wǎng)絡和WiMAX網(wǎng)絡的影響最小，例如，TD-LTE網(wǎng)絡不需要接收WiMAX小區(qū)的測量報告，不需要決定是否進行切換，也不需要跟蹤WiMAX的資源使用情況，對于WiMAX網(wǎng)絡來說也是如此。下面將以終端從WiMAX網(wǎng)絡切換到TD-LTE網(wǎng)絡為例來討論TD- LTE與WiMAX網(wǎng)絡之間的切換。
在切換方案中，需要建立新的功能實體FAF（Forward Attachment Function）[5]，UE可以通過S14接口與FAF聯(lián)系。從WiMAX網(wǎng)絡切換到TD-LTE網(wǎng)絡，終端通過WiMAX接入網(wǎng)和FAF建立通信，得到與切換相關(guān)的信息，F(xiàn)AF相當于eNB；相反地，從TD-LTE網(wǎng)絡到WiMAX網(wǎng)絡，終端通過TD-LTE接入網(wǎng)和FAF建立通信，得到準備切換相關(guān)的的信息，在這種情況下，F(xiàn)AF的功能相當于WiMAX ASN功能。在切換中假設WiMAX網(wǎng)絡支持PMIPv6，這樣WiMAX網(wǎng)絡和P－GW之間可以建立PMIPv6隧道。

圖6 WiMAX到TD-LTE的切換流程
TD- LTE與WiMAX的切換流程如上圖所示。UE通過ANDSF/FAF得到LTE鄰區(qū)信息，以及系統(tǒng)間的移動策略。UE接著測量LTE鄰區(qū)，如果UE決定發(fā)起切換，UE將發(fā)起預先注冊過程，預先注冊過程是典型的3GPP attach過程，雖然UE在WiMAX網(wǎng)絡中，但是可以通過UE和FAF之間的IP隧道進行。注冊過程由UE發(fā)送給FAF的Attach Request信息激活，F(xiàn)AF將Attach Request信息通過普通的Iu-PS接口發(fā)送給SGSN，它將發(fā)出普通的LTE認證過程，如果認證成功，SGSN將接收attach請求，并發(fā)送 Attach Accept信息，同時更新UE在HSS中的位置信息。
注冊之后，當UE決定需要向TD-LTE切換的時候，UE可以自主的或者被動的選擇一個LTE小區(qū)，在被動選擇模式中，UE發(fā)送Handover Required信息給源WiMAX ASN，其中包括候選LTE小區(qū)，源WiMAX ASN向UE發(fā)送包括切換目標LTE小區(qū)的Handover Request Response信息。目標小區(qū)選定之后，UE發(fā)送包含目標小區(qū)的Handover Request信息給FAF，F(xiàn)AF使用正常的Relocation過程在目標小區(qū)中準備合適的無線資源，并且向UE發(fā)送Handover Command信息，其中包括目標小區(qū)的信息。此時，UE離開WiMAX網(wǎng)絡，按照3GPP正常的切換程序接入到目標小區(qū)中，即發(fā)送Handover Complete信息，并完成Relocation過程。之后，UE創(chuàng)建一個合適的PDP context，并繼續(xù)數(shù)據(jù)傳輸。
需要注意的是，在 PDP context創(chuàng)建之后，UE維持和同一個P-GW的連接，因此保持原來的IP地址。另外，TD-LTE和WiMAX切換還需要保持業(yè)務的QoS。這需要考慮QoS映射，資源分配等情況。WiMAX允許多條業(yè)務流具有不同的QoS，這與3GPP PDP內(nèi)容激活程序類似，另外，業(yè)務分類也是需要考慮的部分。WiMAX與3GPP之間的QoS保持主要是通過PCC來提供。
從以上分析可以看出，通過無縫切換，TD-LTE和WiMAX可以順利的實現(xiàn)網(wǎng)絡互通，數(shù)據(jù)互相傳輸。
2.4 小結(jié)
TD- LTE與WiMAX的融合只能通過松耦合的方式進行，采用雙模協(xié)議棧，獨立的無線網(wǎng)，統(tǒng)一的對外業(yè)務出口，這種融合方式可以在TD-LTE和WiMAX系統(tǒng)之間實現(xiàn)無縫傳輸，并且通過交換QoS參數(shù)可以保證業(yè)務在不同網(wǎng)絡之間傳輸，而且這種融合方式采用3GPP的SAE架構(gòu)進行實現(xiàn)，通過S2a接口進行 WiMAX網(wǎng)絡與TD-LTE網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸，通過Gxa接口與PCRF實體溝通，實現(xiàn)業(yè)務QoS的保持，通過STa實現(xiàn)用戶AAA認證，是比較簡單，對現(xiàn)網(wǎng)改造較少的融合方式。
3 LTE-Advanced和WiMAX融合分析
LTE- Advanced是LTE的演進版本，需要支持更高的峰值速率，更高的頻譜效率，還有更高的用戶吞吐量和用戶數(shù)目，還需要進一步提高小區(qū)邊緣用戶的體驗。從技術(shù)的角度看，LTE-Advanced和WiMAX物理層都采用了相似的先進技術(shù)，如OFDM、MIMO、自適應鏈路層技術(shù)以及分等級的多種QoS 保證機制。兩者都是設計為基于全IP 核心網(wǎng)的蜂窩式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，在無線接入網(wǎng)絡（RAN）的結(jié)構(gòu)方面都弱化基站控制器設備實體，采用公共無線資源管理控制基站等概念，這些都為網(wǎng)絡的互聯(lián)及融合機制的研究及設計提供了良好的條件，如負載均衡、動態(tài)頻譜分配、系統(tǒng)間無損切換等。
一般來說，在研究LTE-Advanced和WiMAX互聯(lián)結(jié)構(gòu)時，需要考慮如下問題：
●提供網(wǎng)絡間相互協(xié)作的同時，要折中考慮網(wǎng)絡之間的公平性。
●合理定義結(jié)構(gòu)實體，使LTE-Advanced和WiMAX之間以一種性能耗費比更優(yōu)的方式通信。
●定義總的容量、指標和每個網(wǎng)間架構(gòu)實體的功能。
●互聯(lián)架構(gòu)應當是靈活的，能夠在不引入太多新節(jié)點和接口的條件下支持其他新型網(wǎng)絡的協(xié)作。
由于LTE-Advanced和WiMAX的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)相對簡單，并且LTE-Advanced的網(wǎng)絡架構(gòu)還沒有最后確定，因此，LTE-Advanced與 WiMAX有可能在空口進行緊密融合。如果LTE-Advanced沿用LTE的網(wǎng)絡架構(gòu)，那么，在LTE-Advanced和WiMAX系統(tǒng)之間實現(xiàn)異構(gòu)互聯(lián)的架構(gòu)，需要增加必要的節(jié)點和接口。因此，一個非常重要的概念及功能體被引入來完成網(wǎng)絡間協(xié)作：通用鏈路層（GLL）[6]。在此融合網(wǎng)絡架構(gòu)中，LTE-Advanced與WiMAX接入網(wǎng)互為補充進行網(wǎng)絡覆蓋，GLL 被引入到數(shù)據(jù)承載節(jié)點中，如多模終端，承載網(wǎng)關(guān)等，以在原有鏈路層機制上增加協(xié)作功能，如分組隊列、高層數(shù)據(jù)頭壓縮、分割和重傳功能等。同時，協(xié)調(diào)無線資源管理功能體被引入到原有的無線資源控制層（LTE-Advanced）及MAC（WiMAX）中，以保證網(wǎng)絡融合后整體的無線資源能更有效地利用。
3.1 通用鏈路層技術(shù)GLL
GLL 可被看作在原有協(xié)議層上增加的一個新的通信層，用來為不同的無線接入機制提供統(tǒng)一的鏈路層數(shù)據(jù)處理功能。GLL 的設計可與MAC 層進行不同程度的耦合，一般來說，耦合程度越高，系統(tǒng)互聯(lián)的復雜度越高，但能帶來更高的多接入增益，GLL 的功能主要包括：
●作為不同接入技術(shù)的匯聚層，為上面的各種高層協(xié)議（如網(wǎng)絡層）提供統(tǒng)一的接口，達到屏蔽不同無線接入技術(shù)差異的目的。
●對不同接入技術(shù)的RLC（無線鏈路控制）/MAC 功能進行控制及補充，達到資源的有效利用以及最大化發(fā)揮應用層性能。
●保持網(wǎng)絡協(xié)議層的模塊化結(jié)構(gòu)，以支持不同的接入技術(shù)的融合。
●提供對用戶數(shù)據(jù)包在不同網(wǎng)絡間調(diào)度，以利于網(wǎng)絡分集增益。
●提供鏈路層狀態(tài)信息給上層，以支持有效的接入網(wǎng)絡間的移動性管理。
下圖給出了采用GLL后的WiMAX與LTE－Advanced網(wǎng)絡融合參考協(xié)議架構(gòu)。其中：PDCP表示分組匯聚協(xié)議；BMC表示廣播、多播控制協(xié)議；CS表示匯聚子層；CPS表示通用部分子層；SS表示加密子層。該協(xié)議架構(gòu)是基于一種緊耦合的方式，GLL放在原有協(xié)議的層2之上，但在層3之下。由于在LTE中，控制與數(shù)據(jù)層面已經(jīng)分離，GLL分別定義了控制平面（GLL-C）和用戶平面（GLL-U）。在用戶平面，基于不同網(wǎng)絡的不同格式MAC數(shù)據(jù)通過GLL-U層處理，提供給上層一個統(tǒng)一格式定義的數(shù)據(jù)流。在控制層面，GLL-C將各網(wǎng)絡的下層反饋信息收集，并傳遞到協(xié)同資源管理單元，以進行動態(tài)的資源管理。

圖7 基于GLL 的互聯(lián)網(wǎng)絡協(xié)議架構(gòu)
可以看出，LTE-Advanced與WiMAX的融合可以達到緊密融合的要求，即兩個網(wǎng)絡可以共用核心網(wǎng)和空口，只是在無線傳輸側(cè)有所區(qū)別，在這種程度上的融合，才是WiMAX和3GPP系列網(wǎng)絡的真正融合。
4． 總結(jié)
本文依據(jù)標準協(xié)議棧和網(wǎng)絡架構(gòu)分析，分析和探討了TD-LTE，LTE-Advanced網(wǎng)絡與WiMAX網(wǎng)絡融合方案：基于SAE架構(gòu)，提出了TD- LTE和WiMAX松耦合的融合方案以及合適的接入點，并探討了在網(wǎng)絡融合中最重要的網(wǎng)絡選擇和網(wǎng)絡切換問題，并給出了解決方案；對于LTE- Advanced與WiMAX方案，則給出了緊耦合的融合方案，以及緊耦合的協(xié)議棧。從分析可以看出，隨著技術(shù)的發(fā)展，3GPP系列網(wǎng)絡與WiMAX網(wǎng)絡的融合越來越緊密，相信在不遠的將來，3GPP系列網(wǎng)絡可以實現(xiàn)與WiMAX的全面融合，共同發(fā)展。