TD-LTE、LTE-Advanced與WiMAX融合解決方案

作者：時間：2011-12-16 來源：網(wǎng)絡(luò)

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圖5 TD-LTE與WiMAX網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)絡(luò)注冊過程
首先，移動終端需要與WiMAX BS進行同步并交換基礎(chǔ)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(wù)器中下載的協(xié)議建立服務(wù)流。此時，層2上的連接已經(jīng)建立起來。而UE 連接的網(wǎng)絡(luò)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(wù)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(wù)提供動態(tài)策略和計費規(guī)則。
2.3 TD-LTE與WiMAX的網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)發(fā)送異系統(tǒng)之間的策略；第三，對TD-LTE網(wǎng)絡(luò)和WiMAX網(wǎng)絡(luò)的影響最小，例如，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)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(luò)來說也是如此。下面將以終端從WiMAX網(wǎng)絡(luò)切換到TD-LTE網(wǎng)絡(luò)為例來討論TD- LTE與WiMAX網(wǎng)絡(luò)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(luò)切換到TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，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(luò)到WiMAX網(wǎng)絡(luò)，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(shè)WiMAX網(wǎng)絡(luò)支持PMIPv6，這樣WiMAX網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)，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(wù)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(wù)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(wù)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(luò)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(wù)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(wù)在不同網(wǎng)絡(luò)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(luò)與TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，通過Gxa接口與PCRF實體溝通，實現(xiàn)業(yè)務(wù)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(yīng)鏈路層技術(shù)以及分等級的多種QoS 保證機制。兩者都是設(shè)計為基于全IP 核心網(wǎng)的蜂窩式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）的結(jié)構(gòu)方面都弱化基站控制器設(shè)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(luò)的互聯(lián)及融合機制的研究及設(shè)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(luò)間相互協(xié)作的同時，要折中考慮網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(luò)的協(xié)作。
由于LTE-Advanced和WiMAX的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對簡單，并且LTE-Advanced的網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)間協(xié)作：通用鏈路層（GLL）[6]。在此融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，LTE-Advanced與WiMAX接入網(wǎng)互為補充進行網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(shè)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(luò)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(yīng)用層性能。
●保持網(wǎng)絡(luò)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(luò)間調(diào)度，以利于網(wǎng)絡(luò)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(luò)間的移動性管理。
下圖給出了采用GLL后的WiMAX與LTE－Advanced網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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(luò)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(luò)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(luò)的真正融合。
4．總結(jié)
本文依據(jù)標準協(xié)議棧和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析，分析和探討了TD-LTE，LTE-Advanced網(wǎng)絡(luò)與WiMAX網(wǎng)絡(luò)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(luò)融合中最重要的網(wǎng)絡(luò)選擇和網(wǎng)絡(luò)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(luò)與WiMAX網(wǎng)絡(luò)的融合越來越緊密，相信在不遠的將來，3GPP系列網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)與WiMAX的全面融合，共同發(fā)展。