3G與無線局域網聯合組網及漫游技術分析

甘 翼， 王國慶， 劉 筱， 賈 坤

0 引言

進入二十一世紀以來，中國移動通信業務迅速發展，截止2011年底，全國移動通信用戶總數已超過10億。在世界其他地區，移動通信業務同樣保持著比較快的發展速度，截止2011年6月，全球移動通信用戶已突破56億大關。其中約90%以上的用戶主要使用第二代移動通信系統（簡稱：2G，主要包括 GSM/CDMA95）[1]。

盡管 2G系統在過去二十年間取得了巨大的成功，但由于其系統帶寬受限、編碼和調制方式相對落后，主要針對傳統語音業務，即使經過改進后的通用分組無線業務（GPRS）和增強型數據業務（EDGE）在數據傳輸率上還是受到了較大的限制，無法實現高數據率移動多媒體業務。另一方面，隨著移動用戶的持續增加，2G系統已不堪重負。以中國為例，截止2011年底的2G系統平均呼損率已由2000年初的5%上升到15%左右。因此，中國從2008年開始實驗性推廣第三代移動通信網（簡稱：3G），截止2011年底，中國3G用戶已達到3 800余萬，全球3G用戶已突破5億。

同時，隨著互聯網技術的不斷發展以及人們對移動寬帶無線數據交互（如：實時的網上購物、信息查詢、低成本視頻聊天和大容量郵件傳輸等）的需求日益增加，擁有巨大可用數據帶寬優勢和接入方便優點的無線局域網業務在全球也得到了廣泛的發展。據不完全統計，截止2011年底，中國運營商級WLAN用戶已超過6500萬，全球運營商級WLAN用戶已超過7億[2]。

綜上所述，在未來 5～10年內，3G網絡和WLAN將成為人們信息化生活中最重要的無線移動通信和信息交互手段之一。

1 3G和WLAN特點及組網漫游方式簡介

3G技術和系統由國際電信聯盟（ITU）于上世紀末提出，最先提出時的主要目的是建立全球統一標準、支持寬帶數據交互、具備更大的用戶容量和利用各種資源管理和分配算法提高單位頻譜資源利用率。由于各國政府和運營商的壓力，最終未能形成全球統一標準，而按上下行信道頻分復用（FDD）和上下行信道時分復用（TDD）分為了兩大類系統和技術，現投入商用的3G網絡系統和技術主要有3種：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。

上述3種技術都具備了國際電聯最初提出的3G技術應擁有的較大數據傳輸率、更大用戶容量和更高頻譜利用率的要求。在核心網、越區切換和數據交互等方面雖采用了不同的技術且有較大差別，但從使用者層面來看差別不大，且使用的頻段均在1.8～2.2 GHz頻段范圍內。

3G系統繼承了2G系統的優點，具有接通率較高、移動中和越區時無縫切換、已接通用戶的通信質量基本不受實時用戶通信數量增加影響的優點。除此之外，3G系統用戶實際最高數據交換率可達1 Mb/s以上，遠高于2G系統，可以進行一定分辨率的視頻通話。但由于 3G系統帶寬依然受限，在中國其可用帶寬一般在30 MHz左右，且一個小區覆蓋范圍較大，小區內的用戶容納數量多。同時，為保證基本的窄帶語音及視頻通話質量，數據業務所占用帶寬則更小，從運營商統計的數據來看，一般用于分組數據業務的帶寬不大于10 MHz，可承載的有效數據傳輸率受限。另一方面，即使分組數據業務也必須進入移動業務交換中心（MSC）才能接入國際互聯網，多個小區基站則必須通過微波中繼或電纜中繼的方式與MSC進行數據交互，這也限制了通過3G系統完成大數據量業務傳輸。

3G系統在組網和漫游方式上基本沿用了2G系統的方式，如圖1和圖2所示（圖1中，MSS：移動終端；MSC：移動業務交換中心；BS：小區基站；AMC：移動控制及主交換中心。圖2中，VLR：來訪區位置寄存器；HLR：歸屬區位置寄存器；CCITT No.7：7號信令網）。

圖1 3G系統組網示意

圖2 3G系統漫游示意

綜上所述，3G系統依然保持著移動通信系統在移動實時不間斷語音通話方面的傳統優勢，并在此基礎上開發了視頻通話業務。分組數據業務雖然較2G系統有所發展，但較電信級互聯網絡有效數據傳輸率還有較大差距[3]。

WLAN從本世紀初開始快速發展，有效數據傳輸率從2 Mb/s（IEEE802.11b）發展到現在的600 Mb/s（IEEE802.11n），設計之初主要在難于布線的地方作為有線以太網的補充。隨著人們對寬帶移動上網需求的日益增加，以及無線寬帶數據傳輸技術的發展，WLAN已經發展成為最重要的無線寬帶數據傳輸手段，在IEEE和ITU的計劃中，預計2012年底將發布的IEEE802.11x（正式發布后，x將被其他未用字母替代）將正式納入3G及后續4G可行技術，并考慮和長期演進技術（LTE）的兼容問題。

WLAN具有架設簡單、控制方便（設置出口IP后，可直接通過有線以太網接入或通過網橋的方式中繼接入，無需MSC介入）、工作頻段較寬（2402～2485 MHz）、頻率復用性好（微小區和微微小區架設方式）、有效傳輸速率高以及資費極低（與普通寬帶網收費一致）的優點。但是，由于WLAN協議架構并不是為實時移動通信而建立的，因此在小區切換時會出現先斷再聯的情況，對于移動中的持續語音和視頻通信影響較大；高速移動中受多徑快速變化引起的碼間串擾影響，穩定通信能力較差。而且，由于 WLAN在 MAC子層采用沖突避免載波偵聽(CSMA/CA)技術實現無線信道資源的共享，在用戶量較大的情況下，增加使用者會加大碰撞開銷，嚴重影響有效數據傳輸率。另一方面，WLAN采用寬帶調制技術，解調信噪比需求較高，且發射功率較小，因此覆蓋范圍較小，移動中小區切換頻繁。

WLAN組網和漫游方式如圖3和圖4所示。

圖3 WLAN組網示意

圖4 WLAN越區切換示意

綜上所述，WLAN在實際數據傳輸率和使用資費上相比 3G系統有著極大的優勢，但是在高速移動狀態下的穩定通信能力以及小區切換管理方面較3G也有著較大劣勢。因此，針對不同業務類型和區域，結合3G系統和WLAN的優點和互補性，研究兩者聯合組網和切換漫游的優點和可行性，在未來利用有限的頻譜資源最大效率的完成各類通信業務，對于降低運營成本、增加用戶量和擴展業務種類都有著較大的益處。

2 3G和WLAN聯合組網漫游的優勢

現代智能手機大多數已經集成了 3G信號及WLAN信號收發功能，但沒有聯合使用，在用戶使用WLAN時，需打開WLAN功能并查找周圍的無線接入點（AP），選擇其中一個按關聯認證流程接入，若離開該網絡范圍，手機沒有能力自動連接到下一個合法的WLAN網絡中，除非該網絡的網絡名（BSSID）與上一個AP一致，且加密密鑰和算法一致。由于缺乏智能切換功能，大多數不太了解WLAN使用方法的用戶，即使在覆蓋WLAN信號的地方，依然使用3G或2G信號完成數據傳輸業務，造成用戶網絡使用資費增加，在現行資費條件下，使用3G系統進行海量數據傳輸的費用大約是利用 WLAN系統的5～10倍；另外，利用3G業務信道在常規業務量較大的中心商業區或行政區完成數據傳輸，占據了寶貴的 3G頻譜信道資源，使其不能用于傳統語音或視頻通話業務，同時空置了WLAN頻譜資源，也造成了運營商運營成本的提高[4-5]。

綜上所述，3G系統若和WLAN聯合組網，將使未來無線移動通信網相比現在具備以下5大優勢：

1）根據業務類型進行通信鏈路分配，均衡頻譜資源、提高頻譜利用率。

在3G和WLAN雙信號覆蓋區，當用戶進行傳統語音或視頻實時通信時，使用 3G信道；當用戶進行大數據量信息傳輸或在慢速移動（含不移動）情況下進行視頻聊天和其他網絡業務時可使用WLAN信道。

2）有效降低WLAN覆蓋區域的MSC/AMC數據業務負載。

通過 WLAN系統接入的用戶將直接通過本地路由器或無線中繼直接進入國際互聯網，無需通過MSC/AMC進行移動通信網與主干網之間數據的轉換。

3）有效提高接通率和低可靠性數據業務傳輸效率。

占據傳輸信道較多帶寬較大的數據業務從WLAN傳輸后，3G信道將主要用于傳統語音和視頻通話，呼損率將下降。數據業務通過大帶寬WLAN傳輸，傳輸效率也將顯著提高。

4）顯著降低用戶無線數據業務使用資費。

5）利用3G和WLAN覆蓋范圍的差別實現高層、大縱深樓房補盲覆蓋。

WLAN的AP在具備光纖或同軸電纜的樓房內可廣泛布置，并就近接入有線網，不需要額外的中繼器或放大器對室外傳入 3G信號進行中繼完成室內覆蓋。

3 聯合組網及各類業務漫游可行性分析

由圖 1所示，3G系統所有業務交換均需通過MSC，而和電信主干網交互還需經過更高一級的AMC；WLAN的AP一般連接在主干網分支有線鏈路上，如圖2所示。因此，在MSC/AMC管轄區域范圍內的 WLAN無線接入點（AP）可直接通過主干網與MSC/AMC通信，接受MSC/AMC控制和管理，并和3G基站實時交換相關業務信息。MSC/AMC通過簡單修改管理軟件，增加VLR和HLR寄存器對WLAN接入方式的管理，增加延遲檢測算法，修改越區切換算法即可實現聯合組網。若未來用于移動終端的3G和WLAN雙模芯片能夠實現控制命令實時交互，包括 3G芯片能夠將保存的手機號碼、PIN碼（作為WLAN認證密碼）通過內部總線傳給WLAN模塊?；谠撔酒墓碳臀⒅噶钅軌蛟诰W絡切換時支持物理鏈路層的變化而不影響網絡層和應用層協議和數據，那么只用通過網絡切換軟件根據雙模移動終端收到的信號和執行的業務，實時切換網絡[6]。當用戶使用到訪移動區WLAN時，可根據其登錄手機號與 WLAN本地服務器或該區域MSC的VLR內的號碼對比，確認該手機是否漫游。

綜上所述，3G系統和WLAN聯合組網是具備實現可行性的。但是對于各種不同業務，由于可靠性和實時性要求不同，因此并不是所有業務都支持3G和WLAN的網間切換及漫游，下面將詳細介紹幾種主要業務的可行性。

（1）移動語音與視頻通話業務

移動語音與視頻通話業務為移動通信系統的主要業務，其最主要的特點是實時性、可靠性和移動中特別是越區切換時的通話聯系性。因此，該業務一般采用傳統的移動通信系統專用通話業務信道完成，且上下行信道分離；當越區切換時，采用接力切換、軟切換和頻間切換等方式保證通話連續性[7]。

切換到WLAN網絡時，由于WLAN只有數據信道，所有語音及視頻通話也必須通過數據信道經過互聯網與目標網絡聯接，相對 3G系統專用的業務信道延遲較大且可靠性較差，同時在網間切換時通信軟件也必須更換，需從 3G系統的移動通信專用音視頻調制解調軟件更換成Skype或類似的網絡電話軟件，做到連續通話保證的可能性較小。

另一方面，WLAN采用寬帶調制，城市移動環境多徑造成的碼間串擾影響較大，很難保證4級（較好的通話質量）或以上通信質量。

由此可知，從業務能力上講，移動語音和視頻通話業務在WLAN和3G網間切換難度較大且服務質量等級不能保證，可行性較小。

（2）數據業務

數據業務包括網絡電話業務（含網絡視頻交互）、基本互聯網業務和互聯網增值業務。移動通信數據業務除了物理層信號從無線口接入外，就業務服務類型而言和傳統互聯網業務類似，主要針對大數量、準實時和可靠性相對較低的用戶數據交互需求。

3G系統主要通過信道分配機制在業務信道上將未使用的信道組合起來形成一個帶寬5～10 MHz專用分組數據信道，完成數據業務的執行。在話務量極大的中心商業區或行政區，使用 3G系統業務信道完成數據業務執行將比較嚴重的影響傳統通話業務的接通率，若保證接通率則數據傳輸效率又較低。因此，為保證傳統業務正常運行，一般情況下運營商在 3G系統執行數據業務時按流量計費，以控制使用3G數據業務的用戶和總流量。

現在，隨著“無線城市”計劃的推廣，中心商業區和行政區開始逐步覆蓋 WLAN，但WLAN和3G還處于分別組網的運行模式。從數據業務的應用來看，主要是基于網絡層以上的網頁瀏覽、文件數據下載以及長時間屬于某一小范圍移動或固定的視頻聊天及網絡電視收看等附加需求，上述業務需求對可靠性、實時性和持續性要求相對較低，且快速移動可能性較小，使用區域在一段時間內相對固定。另一方面，底層硬件相對上述基于應用層的網絡軟件透明，即使網絡發生切換，在用戶操作層面無需做任何處理，除在切換時間窗內的一小段時間中斷外，其余時刻均可正常運行，且該小段時間中斷可通過軟件的延遲緩沖機制使用戶使用層面無法或基本感受不到網絡的切換。

在切換過程中，雙模芯片并不用切斷和3G系統的聯系，當發現執行數據業務，區域內存在該運營商的 WLAN信號且信號質量超過一定門限值時，該業務使用物理信道直接切換到WLAN信道，并釋放3G數據信道。

因此，在執行數據業務時，實現3G和WLAN網間切換和漫游具備較大可行性。

4 實現方案

3G和WLAN聯合組網如圖5所示。

聯合組網時，3G系統AMC/MSC在原有VLR和HLR記錄本地用戶和來訪用戶的基礎上，增加互聯網接口和數據業務寄存器，管理通過WLAN開展數據業務的服務器和移動終端。互聯網服務器管理其控制范圍內的多個AP以及接入終端認證和通信。服務器根據所在區域和各級電纜鋪設的規劃，可與MSC架設與同一級鏈路、直接架構在主干網光纖鏈路或有線支線鏈路上，接受區域AMC/MSC統一管理，實時向AMC/MSC回報業務負載、接入管理、用戶信息和運行狀態等相關信息。

數據業務的網間切換與漫游如圖6所示。整個切換和漫游過程由3G與WLAN系統網絡設備和移動終端協作完成（圖6中，①切換過程中移動終端與 3G基站之間由業務信道占用切換為待機狀態，終端WLAN由搜索切換為認證和業務開展狀態；②3G間越區切換遵循移動通信相應標準；③WLAN間切換同樣遵循WLAN越區切換相應標準）。

圖5 3G與WLAN聯合組網示意

圖6 數據業務切換示意

（1）3G與WLAN系統網絡設備

當移動終端向AP發起認證時，AP從互聯網本地服務器數據庫或通過該服務器從 MSC/AMC中獲取手機號碼和對應 PIN碼與用戶認證手機號碼及作為認證密碼的PIN碼進行比對，確認用戶的合法性，并提供相關服務。服務器還需對AP收到的用戶發射信號進行持續檢測，當一段時間內用戶信號連續低于有效聯接門限值時，通知用戶切斷連接并告知MSC/AMC用戶WLAN連接中斷，將恢復3G數據業務，并報告用戶所在大致區域。AMC通知管理該區域的MSC，由MSC確定該用戶范圍內的基站，由該基站通過查詢該時間范圍內的尋呼信號和終端應答信號數據庫，確認終端所在區域，然后準備響應移動用戶的3G業務請求，隨時恢復其3G數據業務。

若該移動終端為漫游來訪終端，在其通過WLAN進行數據業務時，可同樣通過手機號碼和PIN碼對比確認其所在地，并將其業務使用明細及資費通過AMC及WLAN所在地計費中心經主干網傳回終端所在地相關電話局。3G業務漫游與2G一致，具體過程查詢移動通信相關資料[1]。

（2）移動終端

移動終端當發現 WLAN信號強度在一段時間內持續超過門限值時，先向 AP發起認證請求，當認證通過后，停止3G數據業務信道請求，3G系統處于待機狀態。數據業務通過WLAN無線IP網絡繼續進行或直接發起。

終端在與WLAN進行數據交互的同時，持續檢測AP發射信號強度，當AP信號強度在一段時間內持續低于門限或收到 AP發來的切斷連接指令時，向AP發出去認證請求，并等待AP去認證確認。若一段時間內無法收到去認證信號，默認為去認證狀態。同時，向附近基站發起 3G數據業務請求，經基站分配信道后恢復3G數據業務。

數據業務應用層軟件由于被鏈路層和網絡層隔離，在此切換過程中無需人工干預。由于網絡的準實時性和具備一定緩沖能力的特點，因此還可在應用軟件編寫時通過緩沖區和時間控制，使用戶基本無法感覺網絡切換帶來的停頓或減少停頓時間。

5 結語

綜上所述，3G與WLAN在覆蓋范圍、業務類型和通信特點等方面均有著較大的互補性[8-10]，兩者聯合組網在減少 3G移動通信系統負載、提高傳輸效率及降低用費資費方面具有較大的優勢，在數據業務開展時進行網間切換和漫游也具備技術可行性和可實現性，且在網絡架設時只需對現有移動通信系統做出一定改動即可滿足聯合組網和網間切換及漫游的需求。結合國際電聯對移動通信系統的發展規劃，3G和WLAN聯合組網在未來具有廣泛的應用前景，極具發展價值。

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