TD-LTE、LTE-Advanced与WiMAX融合解决方案

作者：时间：2011-12-16来源：网络收藏

图5 TD-LTE与WiMAX网络之间的网络注册过程
首先，移动终端需要与WiMAX BS进行同步并交换基础能力信息，接着触发EAP-AKA程序用于终端认证，经过成功认证之后，终端和BS之间将经过3次握手来交换空口的安全密钥，接着将进行注册，触发BS和ASN－GW数据链路的建立，这样，根据认证期间从AAA服务器中下载的协议建立服务流。此时，层2上的连接已经建立起来。而UE 连接的网络将触发DHCP过程获得IP地址，在交互Proxy Binding Update和Proxy Binding Acknowledge信息之后，链路将通过代理MIP在ASN－GW和P－GW之间建立，在此期间，PCRF从ASN－GW和P－GW中得到策略参数。
从上述过程可以看到，TD-LTE可以让终端通过AAA服务器，WiMAX ASN－GW和P-GW之间的PMIP接口（S2a）接入到核心网中。并且，PCC可以对用户业务提供动态策略和计费规则。
2.3 TD-LTE与WiMAX的网络切换
TD- LTE与WiMAX系统间的切换最重要的一点是提供用户的无缝移动体验，即TD-LTE与WiMAX之间的切换对用户来说是透明的。UE是否进行切换可以由UE决定，也可以由网络侧决定。3GPP R8要求UE决定切换，因为首先，UE可以基于它的无线测量，用户实现配置的参数选择，和运营商的移动策略来决定切换；其次，UE不需要向网络发送异系统之间的策略；第三，对TD-LTE网络和WiMAX网络的影响最小，例如，TD-LTE网络不需要接收WiMAX小区的测量报告，不需要决定是否进行切换，也不需要跟踪WiMAX的资源使用情况，对于WiMAX网络来说也是如此。下面将以终端从WiMAX网络切换到TD-LTE网络为例来讨论TD- LTE与WiMAX网络之间的切换。
在切换方案中，需要建立新的功能实体FAF（Forward Attachment Function）[5]，UE可以通过S14接口与FAF联系。从WiMAX网络切换到TD-LTE网络，终端通过WiMAX接入网和FAF建立通信，得到与切换相关的信息，FAF相当于eNB；相反地，从TD-LTE网络到WiMAX网络，终端通过TD-LTE接入网和FAF建立通信，得到准备切换相关的的信息，在这种情况下，FAF的功能相当于WiMAX ASN功能。在切换中假设WiMAX网络支持PMIPv6，这样WiMAX网络和P－GW之间可以建立PMIPv6隧道。

图6 WiMAX到TD-LTE的切换流程
TD- LTE与WiMAX的切换流程如上图所示。UE通过ANDSF/FAF得到LTE邻区信息，以及系统间的移动策略。UE接着测量LTE邻区，如果UE决定发起切换，UE将发起预先注册过程，预先注册过程是典型的3GPP attach过程，虽然UE在WiMAX网络中，但是可以通过UE和FAF之间的IP隧道进行。注册过程由UE发送给FAF的Attach Request信息激活，FAF将Attach Request信息通过普通的Iu-PS接口发送给SGSN，它将发出普通的LTE认证过程，如果认证成功，SGSN将接收attach请求，并发送 Attach Accept信息，同时更新UE在HSS中的位置信息。
注册之后，当UE决定需要向TD-LTE切换的时候，UE可以自主的或者被动的选择一个LTE小区，在被动选择模式中，UE发送Handover Required信息给源WiMAX ASN，其中包括候选LTE小区，源WiMAX ASN向UE发送包括切换目标LTE小区的Handover Request Response信息。目标小区选定之后，UE发送包含目标小区的Handover Request信息给FAF，FAF使用正常的Relocation过程在目标小区中准备合适的无线资源，并且向UE发送Handover Command信息，其中包括目标小区的信息。此时，UE离开WiMAX网络，按照3GPP正常的切换程序接入到目标小区中，即发送Handover Complete信息，并完成Relocation过程。之后，UE创建一个合适的PDP context，并继续数据传输。
需要注意的是，在 PDP context创建之后，UE维持和同一个P-GW的连接，因此保持原来的IP地址。另外，TD-LTE和WiMAX切换还需要保持业务的QoS。这需要考虑QoS映射，资源分配等情况。WiMAX允许多条业务流具有不同的QoS，这与3GPP PDP内容激活程序类似，另外，业务分类也是需要考虑的部分。WiMAX与3GPP之间的QoS保持主要是通过PCC来提供。
从以上分析可以看出，通过无缝切换，TD-LTE和WiMAX可以顺利的实现网络互通，数据互相传输。
2.4 小结
TD- LTE与WiMAX的融合只能通过松耦合的方式进行，采用双模协议栈，独立的无线网，统一的对外业务出口，这种融合方式可以在TD-LTE和WiMAX系统之间实现无缝传输，并且通过交换QoS参数可以保证业务在不同网络之间传输，而且这种融合方式采用3GPP的SAE架构进行实现，通过S2a接口进行 WiMAX网络与TD-LTE网络的数据传输，通过Gxa接口与PCRF实体沟通，实现业务QoS的保持，通过STa实现用户AAA认证，是比较简单，对现网改造较少的融合方式。
3 LTE-Advanced和WiMAX融合分析
LTE- Advanced是LTE的演进版本，需要支持更高的峰值速率，更高的频谱效率，还有更高的用户吞吐量和用户数目，还需要进一步提高小区边缘用户的体验。从技术的角度看，LTE-Advanced和WiMAX物理层都采用了相似的先进技术，如OFDM、MIMO、自适应链路层技术以及分等级的多种QoS 保证机制。两者都是设计为基于全IP 核心网的蜂窝式网络结构，在无线接入网络（RAN）的结构方面都弱化基站控制器设备实体，采用公共无线资源管理控制基站等概念，这些都为网络的互联及融合机制的研究及设计提供了良好的条件，如负载均衡、动态频谱分配、系统间无损切换等。
一般来说，在研究LTE-Advanced和WiMAX互联结构时，需要考虑如下问题：
●提供网络间相互协作的同时，要折中考虑网络之间的公平性。
●合理定义结构实体，使LTE-Advanced和WiMAX之间以一种性能耗费比更优的方式通信。
●定义总的容量、指标和每个网间架构实体的功能。
●互联架构应当是灵活的，能够在不引入太多新节点和接口的条件下支持其他新型网络的协作。
由于LTE-Advanced和WiMAX的网络结构相对简单，并且LTE-Advanced的网络架构还没有最后确定，因此，LTE-Advanced与 WiMAX有可能在空口进行紧密融合。如果LTE-Advanced沿用LTE的网络架构，那么，在LTE-Advanced和WiMAX系统之间实现异构互联的架构，需要增加必要的节点和接口。因此，一个非常重要的概念及功能体被引入来完成网络间协作：通用链路层（GLL）[6]。在此融合网络架构中，LTE-Advanced与WiMAX接入网互为补充进行网络覆盖，GLL 被引入到数据承载节点中，如多模终端，承载网关等，以在原有链路层机制上增加协作功能，如分组队列、高层数据头压缩、分割和重传功能等。同时，协调无线资源管理功能体被引入到原有的无线资源控制层（LTE-Advanced）及MAC（WiMAX）中，以保证网络融合后整体的无线资源能更有效地利用。
3.1 通用链路层技术GLL
GLL 可被看作在原有协议层上增加的一个新的通信层，用来为不同的无线接入机制提供统一的链路层数据处理功能。GLL 的设计可与MAC 层进行不同程度的耦合，一般来说，耦合程度越高，系统互联的复杂度越高，但能带来更高的多接入增益，GLL 的功能主要包括：
●作为不同接入技术的汇聚层，为上面的各种高层协议（如网络层）提供统一的接口，达到屏蔽不同无线接入技术差异的目的。
●对不同接入技术的RLC（无线链路控制）/MAC 功能进行控制及补充，达到资源的有效利用以及最大化发挥应用层性能。
●保持网络协议层的模块化结构，以支持不同的接入技术的融合。
●提供对用户数据包在不同网络间调度，以利于网络分集增益。
●提供链路层状态信息给上层，以支持有效的接入网络间的移动性管理。
下图给出了采用GLL后的WiMAX与LTE－Advanced网络融合参考协议架构。其中：PDCP表示分组汇聚协议；BMC表示广播、多播控制协议；CS表示汇聚子层；CPS表示通用部分子层；SS表示加密子层。该协议架构是基于一种紧耦合的方式，GLL放在原有协议的层2之上，但在层3之下。由于在LTE中，控制与数据层面已经分离，GLL分别定义了控制平面（GLL-C）和用户平面（GLL-U）。在用户平面，基于不同网络的不同格式MAC数据通过GLL-U层处理，提供给上层一个统一格式定义的数据流。在控制层面，GLL-C将各网络的下层反馈信息收集，并传递到协同资源管理单元，以进行动态的资源管理。

图7 基于GLL 的互联网络协议架构
可以看出，LTE-Advanced与WiMAX的融合可以达到紧密融合的要求，即两个网络可以共用核心网和空口，只是在无线传输侧有所区别，在这种程度上的融合，才是WiMAX和3GPP系列网络的真正融合。
4．总结
本文依据标准协议栈和网络架构分析，分析和探讨了TD-LTE，LTE-Advanced网络与WiMAX网络融合方案：基于SAE架构，提出了TD- LTE和WiMAX松耦合的融合方案以及合适的接入点，并探讨了在网络融合中最重要的网络选择和网络切换问题，并给出了解决方案；对于LTE- Advanced与WiMAX方案，则给出了紧耦合的融合方案，以及紧耦合的协议栈。从分析可以看出，随着技术的发展，3GPP系列网络与WiMAX网络的融合越来越紧密，相信在不远的将来，3GPP系列网络可以实现与WiMAX的全面融合，共同发展。