基于SAE架構的 TD-LTE與WiMAX的融合方案研究

多網絡融合是移動通信網絡技術發展的重要趨勢，TD-LTE、LTE-Advanced系統與WiMAX系統是IMT2000的重要分支，根據標準協議棧和網絡架構分析，探討了TD-LTE，LTE-Advanced網絡與WiMAX網絡融合方案：基于SAE架構，提出了TD-LTE和WiMAX松耦合的融合方案以及合適的接入點，并探討了在網絡融合中最重要的網絡選擇和網絡切換問題，并給出了解決方案；對于LTE-Advanced與WiMAX系統，則提出緊耦合的融合方案，并給出緊耦合融合的協議棧。

1. 引言

TD- SCDMA是中國提出的第三代移動通信技術標準的TDD模式技術，其采用了智能天線、聯合檢測、接力切換等關鍵技術，是一種頻譜利用率高、抗干擾能力強的移動通信技術。隨著技術的演進與發展，3GPP相繼提出了TD-LTE，LTE-Advanced等技術。而WiMAX是近年迅速發展起來的一種新興寬帶無線通信技術，它采用了OFDM、MIMO、HARQ等大量B3G/4G技術，實現了性能上的超越。TD-LTE、LTE-Advanced與WiMAX 系統雖然分屬于IMT2000不同的空中接口技術，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能否實現相互融合，以及采用怎樣的方式進行融合是目前產業非常關注的一些問題。

下面將依據標準協議棧和網絡架構分析，對TD-LTE和LTE-Advanced系統與 WiMAX系統融合方案進行了探討，提出TD-LTE，LTE-Advanced系統與WiMAX系統的演進與融合方案。

2. TD-LTE與WiMAX的融合研究

2.1 TD-LTE與WiMAX的融合架構和接入點

2.1.1 TD-LTE與WiMAX的融合架構

當前，無線接入速度的提升突飛猛進，傳統的移動PS域網絡已無法勝任高速率和高帶寬的未來無線分組業務的考驗。因此，3GPP國際標準化組織開始展開下一代網絡架構的研究，在R7階段推出了全新的移動PS域網絡架構，即SAE（System Architecture Evolution）［4］。SAE的主要思想是簡化現有移動PS網絡架構，通過網元整合和功能的重新劃分，減少業務處理的中間環節，實現網絡架構的扁平化。同時，SAE為LTE網絡與其他技術網絡的融合設計了接口，規劃了多網絡融合的網絡架構。而WiMAX網絡與TD-LTE的融合就可以通過SAE提供的LTE與非3GPP IP網絡的網絡接口處進行融合互聯。

圖1 SAE的架構

SAE 的架構如上圖所示，其中Non-3GPP IP Access分為Trusted和Untrusted兩類，這由運營商決定，例如系統運營商可以基于商業協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。Untrusted Non-3GPP IP Access需要通過ePDG輔助接入。這里假設WiMAX系統是Trusted的Non-3GPP IP Access網絡。那么WiMAX系統主要通過S2a，Gxa，STa接入到3GPP網絡中去。TD-LTE與WiMAX融合具體的網絡架構如下圖所示 ［5］。

圖2 LTE與WiMAX的融合架構

從上圖可以看出，為了保證WiMAX業務的QoS，ASN-GW需要使用策略和計費控制（PCC）架構。在3GPP演進方案中，策略決定點 PDF（Policy Decision Function）和計費規則功能（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。

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執行分組過濾，偵聽，計費，IP地址分配等功能，TD-LTE和WiMAX的數據在P-GW進行組合，并通過SGi接口路由到外部網絡中。

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）：用于執行動態QoS和計費規則。

S2a（相當于WiMAX R2-MIP）：用于L3移動性和接入核心網鏈路的建立。

S14：用于不同網絡的選擇，并利于優化WiMAX-3GPP切換。該接口也可以提供接入網發現和選擇功能（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，是數據傳輸的接口，不同網絡的分組需要在該接入點處進行處理，符合外部網絡的特性。因此其協議棧的設計對于數據的傳輸十分重要。

S2a 協議棧對于PMIPv6和MIPv4稍有不同，對于PMIPv6，終結控制面和用戶面的功能實體是non-3GPP IP access（WiMAX）的MAG（移動接入網關）和網關中的LMA（本地移動錨點），這里LMA包括本地代理的功能?？刂泼娴膮f議棧是基于 IPv6/IPv4的PMIPv6，用戶面的協議棧是基于IPv4/v6轉發分組。而對于MIPv4，終結控制和用戶面的功能實體是UE中的MN和 non-3GPP IP access（WiMAX）的FA，以及網關中的HA?？刂泼鎱f議棧是MIPv4，用戶面在IPv4傳輸層轉發IPv4分組。

圖3 S2a 參考點協議棧（PMIPv6）

圖4 S2a 參考點協議棧（MIPv4）

從以上分析可以看到S2a協議棧比較簡單，符合數據傳輸轉換的需要，是TD-LTE與WiMAX融合最合適的接入點。而TD-LTE和WiMAX融合的網絡架構采用的是核心網全部或部分共用的方式，即TD-LTE和WiMAX具有獨立的無線網，TD-LTE和WiMAX的核心網既有各自獨立的部分，也有共用的網元，例如AAA服務器、PCRF、PGW等。

2.2 TD-LTE與WiMAX的網絡選擇

在TD-LTE與WiMAX 網絡的融合中，網絡選擇和切換是非常重要的問題。網絡選擇是指新到達的UE如何接入到無線網絡中，下圖詳細介紹了TD-LTE與WiMAX網絡之間的最初的網絡選擇過程［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。

圖5 TD-LTE與WiMAX網絡之間的網絡注冊過程

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EAP-AKA程序用于終端認證，經過成功認證之后，終端和BS之間將經過3次握手來交換空口的安全密鑰，接著將進行注冊，觸發BS和ASN－GW數據鏈路的建立，這樣，根據認證期間從AAA服務器中下載的協議建立服務流。此時，層2上的連接已經建立起來。而UE 連接的網絡將觸發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。

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）接入到核心網中。并且，PCC可以對用戶業務提供動態策略和計費規則。

2.3 TD-LTE與WiMAX的網絡切換

TD- LTE與WiMAX系統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，也可以由網絡側決定。3GPP R8要求UE決定切換，因為首先，UE可以基于它的無線測量，用戶實現配置的參數選擇，和運營商的移動策略來決定切換；其次，UE不需要向網絡發送異系統之間的策略；第三，對TD-LTE網絡和WiMAX網絡的影響最小，例如，TD-LTE網絡不需要接收WiMAX小區的測量報告，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網絡來說也是如此。下面將以終端從WiMAX網絡切換到TD-LTE網絡為例來討論TD- LTE與WiMAX網絡之間的切換。

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聯系。從WiMAX網絡切換到TD-LTE網絡，終端通過WiMAX接入網和FAF建立通信，得到與切換相關的信息，FAF相當于eNB；相反地，從TD-LTE網絡到WiMAX網絡，終端通過TD-LTE接入網和FAF建立通信，得到準備切換相關的的信息，在這種情況下，FAF的功能相當于WiMAX ASN功能。在切換中假設WiMAX網絡支持PMIPv6，這樣WiMAX網絡和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鄰區信息，以及系統間的移動策略。UE接著測量LTE鄰區，如果UE決定發起切換，UE將發起預先注冊過程，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發送給FAF的Attach Request信息激活，FAF將Attach Request信息通過普通的Iu-PS接口發送給SGSN，它將發出普通的LTE認證過程，如果認證成功，SGSN將接收attach請求，并發送 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，在被動選擇模式中，UE發送Handover Required信息給源WiMAX ASN，其中包括候選LTE小區，源WiMAX ASN向UE發送包括切換目標LTE小區的Handover Request Response信息。目標小區選定之后，UE發送包含目標小區的Handover Request信息給FAF，FAF使用正常的Relocation過程在目標小區中準備合適的無線資源，并且向UE發送Handover Command信息，其中包括目標小區的信息。此時，UE離開WiMAX網絡，按照3GPP正常的切換程序接入到目標小區中，即發送Handover Complete信息，并完成Relocation過程。之后，UE創建一個合適的PDP context，并繼續數據傳輸。

需要注意的是，在 PDP context創建之后，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切換還需要保持業務的QoS。這需要考慮QoS映射，資源分配等情況。WiMAX允許多條業務流具有不同的QoS，這與3GPP PDP內容激活程序類似，另外，業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可以順利的實現網絡互通，數據互相傳輸。

2.4 小結

TD- LTE與WiMAX的融合只能通過松耦合的方式進行，采用雙模協議棧，獨立的無線網，統一的對外業務出口，這種融合方式可以在TD-LTE和WiMAX系統之間實現無縫傳輸，并且通過交換QoS參數可以保證業務在不同網絡之間傳輸，而且這種融合方式采用3GPP的SAE架構進行實現，通過S2a接口進行 WiMAX網絡與TD-LTE網絡的數據傳輸，通過Gxa接口與PCRF實體溝通，實現業務QoS的保持，通過STa實現用戶AAA認證，是比較簡單，對現網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目，還需要進一步提高小區邊緣用戶的體驗。從技術的角度看，LTE-Advanced和WiMAX物理層都采用了相似的先進技術，如OFDM、MIMO、自適應鏈路層技術以及分等級的多種QoS 保證機制。兩者都是設計為基于全IP 核心網的蜂窩式網絡結構，在無線接入網絡（RAN）的結構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，這些都為網絡的互聯及融合機制的研究及設計提供了良好的條件，如負載均衡、動態頻譜分配、系統間無損切換等。

一般來說，在研究LTE-Advanced和WiMAX互聯結構時，需要考慮如下問題：

●提供網絡間相互協作的同時，要折中考慮網絡之間的公平性。

●合理定義結構實體，使LTE-Advanced和WiMAX之間以一種性能耗費比更優的方式通信。

●定義總的容量、指標和每個網間架構實體的功能。

●互聯架構應當是靈活的，能夠在不引入太多新節點和接口的條件下支持其他新型網絡的協作。

由于LTE-Advanced和WiMAX的網絡結構相對簡單，并且LTE-Advanced的網絡架構還沒有最后確定，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的網絡架構，那么，在LTE-Advanced和WiMAX系統之間實現異構互聯的架構，需要增加必要的節點和接口。因此，一個非常重要的概念及功能體被引入來完成網絡間協作：通用鏈路層（GLL）［6］。在此融合網絡架構中，LTE-Advanced與WiMAX接入網互為補充進行網絡覆蓋，GLL 被引入到數據承載節點中，如多模終端，承載網關等，以在原有鏈路層機制上增加協作功能，如分組隊列、高層數據頭壓縮、分割和重傳功能等。同時，協調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GLL

GLL 可被看作在原有協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一的鏈路層數據處理功能。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，系統互聯的復雜度越高，但能帶來更高的多接入增益，GLL 的功能主要包括：

●作為不同接入技術的匯聚層，為上面的各種高層協議（如網絡層）提供統一的接口，達到屏蔽不同無線接入技術差異的目的。

●對不同接入技術的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揮應用層性能。

●保持網絡協議層的模塊化結構，以支持不同的接入技術的融合。

●提供對用戶數據包在不同網絡間調度，以利于網絡分集增益。

●提供鏈路層狀態信息給上層，以支持有效的接入網絡間的移動性管理。

下圖給出了采用GLL后的WiMAX與LTE－Advanced網絡融合參考協議架構。其中：PDCP表示分組匯聚協議；BMC表示廣播、多播控制協議；CS表示匯聚子層；CPS表示通用部分子層；SS表示加密子層。該協議架構是基于一種緊耦合的方式，GLL放在原有協議的層2之上，但在層3之下。由于在LTE中，控制與數據層面已經分離，GLL分別定義了控制平面（GLL-C）和用戶平面（GLL-U）。在用戶平面，基于不同網絡的不同格式MAC數據通過GLL-U層處理，提供給上層一個統一格式定義的數據流。在控制層面，GLL-C將各網絡的下層反饋信息收集，并傳遞到協同資源管理單元，以進行動態的資源管理。

圖7 基于GLL 的互聯網絡協議架構

可以看出，LTE-Advanced與WiMAX的融合可以達到緊密融合的要求，即兩個網絡可以共用核心網和空口，只是在無線傳輸側有所區別，在這種程度上的融合，才是WiMAX和3GPP系列網絡的真正融合。

4． 總結

本文依據標準協議棧和網絡架構分析，分析和探討了TD-LTE，LTE-Advanced網絡與WiMAX網絡融合方案：基于SAE架構，提出了TD- LTE和WiMAX松耦合的融合方案以及合適的接入點，并探討了在網絡融合中最重要的網絡選擇和網絡切換問題，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，以及緊耦合的協議棧。從分析可以看出，隨著技術的發展，3GPP系列網絡與WiMAX網絡的融合越來越緊密，相信在不遠的將來，3GPP系列網絡可以實現與WiMAX的全面融合，共同發展。