TD-LTE，LTE-Advanced系統與WiMAX系統的演進與融合方案
本文依據標準協議棧和網路架構分析，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。
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，其採用了智慧天線、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頻無線通訊技術，它採用了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 系統雖然分屬於IMT2000不同的空中介面技術，但是二者在很多方面都有共同點和相似之處。那麼這兩類高性能系統能否實現相互融合，以及採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路架構分析，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域網路已無法勝任高速率和高頻寬的未來無線分組業務的考驗。因此，3GPP國際標準組織開始展開下一代 網路架構的研究，在R7階段推出了全新的移動PS域網路架構，即SAE（System
Architecture Evolution）。SAE的主要思想是簡化現有移動PS網路架構，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，實現網路架構的扁平化。同 時，SAE為LTE網路與其他技術網路的融合設計了介面，規劃了多網路融合的網路架構。而WiMAX網路與TD-LTE的融合就可以通過SAE提供的 LTE與非3GPP IP網路的網路介面處進行融合互聯。
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於商業協定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。這裡假設WiMAX系統是Trusted的Non-3GPP
IP Access網路。那麼WiMAX系統主要通過S2a，Gxa，STa接入到3GPP網路中去。TD-LTE與WiMAX融合具體的網路架構如下圖所示。
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介面接入到TD-LTE中，P-GW執行分組過濾，偵聽，計費，IP位址分配等功能，TD-LTE和WiMAX的資料在P-GW進行組合，並通過SGi介面路由到外部網路中。
而使用者的認證主要是WiMAX ASN通過STa介面與AAA伺服器進行交互。
融合方案中涉及幾個重要的接入點：
STa（相當於WiMAX
R3-AAA介面）：用於對UE進行基於AAA的認證。
Gxa（相當於WiMAX
R3-PCC-P）：用於執行動態QoS和計費規則。
S2a（相當於WiMAX
R2-MIP）：用於L3移動性和接入核心網鏈路的建立。
S14：用於不同網路的選擇，並利於優化WiMAX-3GPP切換。該介面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，是資料傳輸的介面，不同網路的分組需要在該接入點處進行處理，符合外部網路的特性。因此其協定棧的設計對於資料的傳輸十分重要。
S2a 協議棧對於PMIPv6和MIPv4稍 有不同，對於PMIPv6，終結控制面和使用者面的功能實體是non-3GPP
IP access（WiMAX）的MAG（移動接入閘道）和閘道中的LMA（本地移動錨點），這裡LMA包括本地代理的功能。控制面的協議棧是基於
IPv6/IPv4的PMIPv6，使用者面的協定棧是基於IPv4/v6轉發分組。而對於MIPv4，終結控制和使用者面的功能實體是UE中的MN和 non-3GPP
IP access（WiMAX）的FA，以及閘道中的HA。控制面協議棧是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，符合資料傳輸轉換的需要，是TD-LTE與WiMAX融合最合適的接入點。而TD-LTE和WiMAX融合的網路 架構採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伺服器、PCRF、PGW等。
2.2
TD-LTE與WiMAX的網路選擇
在TD-LTE與WiMAX 網路的融合中，網路選擇和切換是非常重要的問題。網路選擇是指新到達的UE如何接入到無線網路中，下圖詳細介紹了TD-LTE與WiMAX網路之間的最初的網路選擇過程，這裡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中的某一條鏈路資訊。
圖5 TD-LTE與WiMAX網路之間的網路註冊過程
首 先，移動終端需要與WiMAX
BS進行同步並交換基礎能力資訊，接著觸發EAP-AKA程式用於終端認證，經過成功認證之後，終端和BS之間將經過3次握手來交換空口的安全金鑰，接著 將進行註冊，觸發BS和ASN－GW資料連結的建立，這樣，根據認證期間從AAA伺服器中下載的協定建立服務流。此時，層2上的連接已經建立起來。而UE 連接的網路將觸發DHCP過程獲得IP位址，在交互Proxy
Binding Update和Proxy
Binding Acknowledge資訊之後，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伺服器，WiMAX ASN－GW和P-GW之間的PMIP介面（S2a）接入到核心網中。並且，PCC可以對使用者業務提供動態策略和計費規則。
2.3
TD-LTE與WiMAX的網路切換
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，也可以由網路側決定。3GPP R8要求UE決定切換，因為首先，UE可以基於它的無線測量，使用者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不需要向網路發送異系統 之間的策略；第三，對TD-LTE網路和WiMAX網路的影響最小，例如，TD-LTE網路不需要接收WiMAX社區的測量報告，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，對於WiMAX網路來說也是如此。下面將以終端從WiMAX網路切換到TD-LTE網路為例來討論TD- LTE與WiMAX網路之間的切換。
在 切換方案中，需要建立新的功能實體FAF（Forward
Attachment Function），UE可以通過S14介面與FAF聯繫。從WiMAX網路切換到TD-LTE網路，終端通過WiMAX接入網和FAF建立通信，得到與 切換相關的資訊，FAF相當於eNB；相反地，從TD-LTE網路到WiMAX網路，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 資訊，在這種情況下，FAF的功能相當於WiMAX ASN功能。在切換中假設WiMAX網路支援PMIPv6，這樣WiMAX網路和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鄰區資訊，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將發起預先註冊過程，預先註冊過程是典型的3GPP attach過程，雖然UE在WiMAX網路中，但是可以通過UE和FAF之間的IP隧道進行。註冊過程由UE發送給FAF的Attach
Request信息啟動，FAF將Attach Request資訊通過普通的Iu-PS介面發送給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，並發送 Attach Accept資訊，同時更新UE在HSS中的位置資訊。
注 冊之後，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社區，在被動選擇模式中，UE發送Handover Required資訊給源WiMAX ASN，其中包括候選LTE社區，源WiMAX ASN向UE發送包括切換目標LTE社區的Handover Request
Response資訊。目標社區選定之後，UE發送包含目標社區的Handover Request資訊給FAF，FAF使用正常的Relocation過程在目標社區中準備合適的無線資源，並且向UE發送Handover Command資訊，其中包括目標社區的資訊。此時，UE離開WiMAX網路，按照3GPP正常的切換程式接入到目標社區中，即發送Handover Complete資訊，並完成Relocation過程。之後，UE創建一個合適的PDP context，並繼續資料傳輸。
需 要注意的是，在 PDP context創建之後，UE維持和同一個P-GW的連接，因此保持原來的IP位址。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，資源配置等情況。WiMAX允許多條業務流具有不同的QoS，這與3GPP PDP內容啟動程式類似，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可以順利的實現網路互通，資料互相傳輸。
2.4 小結
TD- LTE與WiMAX的融合只能通過松耦合的方式進行，採用雙模協議棧，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，並且通過交換QoS參數可以保證業務在不同網路之間傳輸，而且這種融合方式採用3GPP的SAE架構進行實現，通過S2a介面進行 WiMAX網路與TD-LTE網路的資料傳輸，通過Gxa介面與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，需要支援更高的峰值速率，更高的頻譜效率，還有更高的使用者輸送量和使用者數目，還需要進一步提高社區邊緣使用者的體驗。 從技術的角度看，LTE-Advanced和WiMAX實體層都採用了相似的先進技術，如OFDM、MIMO、自我調整鏈路層技術以及分等級的多種QoS 保證機制。兩者都是設計為基於全IP 核心網的蜂窩式網路結構，在無線接入網路（RAN）的結構方面都弱化基站控制器設備實體，採用公共無線資源管理控制基站等概念，這些都為網路的互聯及融合 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：
●提供網路間相互協作的同時，要折中考慮網路之間的公平性。
●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介面的條件下支援其他新型網路的協作。
由 於LTE-Advanced和WiMAX的網路結構相對簡單，並且LTE-Advanced的網路架構還沒有最後確定，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的網路架構，那麼，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介面。因此，一個非常重要的概念及功能體被引入來完成網路間協作：通用鏈路層（GLL）。在此融合網路架構 中，LTE-Advanced與WiMAX接入網互為補充進行網路覆蓋，GLL 被引入到資料承載節點中，如多模終端，承載閘道等，以在原有鏈路層機制上增加協作功能，如分組佇列、高層資料頭壓縮、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，以保證網路融合後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資料處理功能。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，系統互聯的複雜度越高，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彙聚層，為上面的各種高層協定（如網路層）提供統一的介面，達到遮罩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。
●保持網路通訊協定層的模組化結構，以支援不同的接入技術的融合。
●提供對使用者資料包在不同網路間調度，以利於網路分集增益。
●提供鏈路層狀態資訊給上層，以支援有效的接入網路間的移動性管理。
下 圖給出了採用GLL後的WiMAX與LTE－Advanced網路融合參考協定架構。其中：PDCP表示分組彙聚協議；BMC表示廣播、多播控制協 議；CS表示彙聚子層；CPS表示通用部分子層；SS表示加密子層。該協定架構是基於一種緊耦合的方式，GLL放在原有協議的層2之上，但在層3之下。由 於在LTE中，控制與資料層面已經分離，GLL分別定義了控制平面（GLL-C）和用戶平面（GLL-U）。在使用者平面，基於不同網路的不同格式MAC數 據通過GLL-U層處理，提供給上層一個統一格式定義的資料流程。在控制層面，GLL-C將各網路的下層回饋資訊收集，並傳遞到協同資源管理單元，以進行動 態的資源管理。
圖7 基於GLL 的互聯網路通訊協定架構
可以看出，LTE-Advanced與WiMAX的融合可以達到緊密融合的要求，即兩個網路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系列網路的真正融合。
4． 總結
本 文依據標準協定棧和網路架構分析，分析和探討了TD-LTE，LTE-Advanced網路與WiMAX網路融合方案：基於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，並探討了在網路融合中最重要的網路選擇和網路切換問題，並給出了解決方案；對於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系列網路與WiMAX網路 的融合越來越緊密，相信在不遠的將來，3GPP系列網路可以實現與WiMAX的全面融合，共同發展。
