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(多图) TD-LTE、LTE-Advanced系统与WiMAX系统的融合研究

2011年12月22日 ?? 收藏0

2.2 TD-LTE与WiMAX的网络选择

在TD-LTE与WiMAX 网络的融合中,网络选择和切换是非常重要的问题。网络选择是指新到达的UE如何接入到无线网络中,下图详细介绍了TD-LTE与WiMAX网络之间的最初的网络选择过程[5],这里主要讨论单无线链路的解决方案,即终端只能接收TD-LTE或者WiMAX中的某一条链路信息。

图5 TD-LTE与WiMAX网络之间的网络注册过程
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
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
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。


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