TD系統與WiMAX系統的演進與融合

程楠　王國治　王磊

摘 要 TD-SCDMA、TD-LTE兩種TD系統與WiMAX都是TDD制式系統，并且在很多方面都有共同點和相似之處，其二者網絡演進與融合是通信技術發展的一個趨勢。通過分析移動通信系統的演進與融合，提出移動通信標準的5類演進與融合方式，同時依據標準協議棧和網絡架構分析，提出TD-SCDMA、TD-LTE和LTE-Advanced系統與WiMAX系統的演進與融合方案。

關鍵詞 TD系統 TD-SCDMA TD-LTE LTE-Advanced WiMAX 演進 融合

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，其采用了智能天線、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是近年來迅速發展起來的一種新興寬帶無線通信技術，它采用了OFDM、MIMO、HARQ等大量B3G/4G技術，實現了性能上的超越。

TD-SCDMA、TD-LTE等TD系統與WiMAX都是TDD制式系統，二者在很多方面都有共同點和相似之處。那么這兩類高性能系統的演進趨勢如何、能否實現相互兼容、可否實現相互融合，是目前產業非常關注的一些典型問題。下面將基于移動通信現有系統的演進與融合分析，提出了移動通信標準的5類演進與融合方式，同時依據標準協議棧和網絡架構分析，對TD-SCDMA、TD-LTE和LTE-Advanced系統與 WiMAX系統融合方案進行了探討，提出TD系統與WiMAX系統的演進與融合方案。

2 移動通信標準演進與融合

GSM是目前全球使用最廣泛的移動系統，其網絡架構如圖1（a）所示。GSM網絡所有的信令控制與話務交換均由移動交換中心（MSC）完成。雖然GSM網絡已經很好地解決了人們對通信及時性的要求，但在數據業務方面則顯得束手無策。出于對高速數據業務的需求，GPRS、EDGE技術應運而生。從基本的結構來看，如圖1（b）所示，從GSM升級到GPRS對于基站毫無影響，主要改變是核心網，即需要新增PS域的GGSN和SGSN，同時BSC側需要增加相應的PCU處理單元。GSM升級到EDGE也不需要對網絡結構進行大規模的調整，BSS在EDGE引入后需要支持很多新的功能，比如BTS要支持8PSK這種新的調制模式，新增MSC1-9編碼方案，負責對無線時隙和Abis子信道的多路合并和分解等功能，BSC要增加調制和編碼方案的鏈路適配新算法等，這只需要通過軟硬件修改即可完成，同時，EDGE對現有的GSM核心網絡的影響也是有限的。

而GSM和TD-SCDMA/WCDMA是兩種完全不同的無線接入體制，TD-SCDMA /WCDMA最基本的多址方式是碼分多址，與GSM的時分多址的方式差異很大，對于不同制式的系統而言，通過軟件或者硬件升級的方法進行融合十分困難，目前這樣的網絡融合只能建立在網絡疊加以及共有基礎設施的情況上。GSM和TD-SCDMA/WCDMA的互操作功能主要分為PLMN選擇、小區重選、切換等，由于TD-SCDMA/WCDMA是基于GSM演進的3G網絡，因此GSM和TD-SCDMA/WCDMA融合組網上可以共用核心網。

類似的，TD-SCDMA向TD-HSPA/HSPA+演進是一種后向兼容的緊融合方式。TD-SCDMA在向TD-HSPA/HSPA+網絡演進過程中，其網元結構沒有發生變化，物理層仍然采取CDMA技術，只需要在網絡和終端進行軟件升級即可實現演進。

而TD-SCDMA/ TD-HSDPA/TD-HSPA+在向TD-LTE演進過程中，在物理層引入了OFDM技術，并且在無線網絡結構方面，采用了Flat-All IP的網絡架構，對網元功能進行了重新的劃分，具體對于接入網側，將RNC網元實現的功能都放到了NodeB上，刪除RNC網元。網絡從TD-SCDMA/TD-HSDPA/TD-HSPA+演進到TD-LTE，差異變化太大，因此TD-SCDMA/TD-HSPA/TD-HSPA+向TD-LTE演進最好采用松耦合的方式。

3 移動通信系統演進和融合的方式

從以上分析可以看出，不同無線網絡進行融合和演進的過程中，物理層多址技術、雙工方式與幀結構等核心技術具有非常重要的作用，凡是這些物理層核心技術不同的系統，進行系統間的演進融合往往無法實現空口相互兼容。例如GSM系統與TD-SCDMA/WCDMA系統分別采用TDMA多址方式和CDMA多址方式，TD-SCDMA /WCDMA系統與LTE系統分別采用CDMA和OFDMA多址方式，這種最基本多址方式的改變使得兩個系統無法實現空口兼容。

而對于系統中改變調制編碼方式，對子信道合并分解的改變，增加調度、AMC、HARQ、協議層功能實體的改變等方面，可以通過標準升級實現兼容，通過系統的軟件或者硬件升級進行兩個系統的融合和演進，例如GSM系統到GPRS/EDGE系統，GPRS/EDGE系統相對GSM系統增加了許多新的功能，并且修改了協議棧，但是這些修改通過基于GSM系統進行的軟件和硬件升級就可以完成。TD-SCDMA /WCDMA系統演進到HSPA系統，再到HSPA+系統，除了增加MIMO需要對終端進行硬件升級外，其他新增技術，例如增加共享高速信道、基于NodeB的快速調度、AMC、CPC，L2增強、增強CELL_FACH等，只需要在網絡和終端進行軟件升級即可完成。

可以看出，系統物理層多址方式等核心技術是影響標準兼容性的重要因素，也是無線網絡演進和融合的關鍵技術。

而對于核心網來說，其演進目前主要是向扁平化，全IP化方向發展，網絡結構越來越簡單，控制面和用戶面之間分離，各司其職。由于網絡底層采用IP方式，網元之間可以直接以隧道的方式傳輸數據，使得各個網絡之間的融合越來越容易，并且數據轉換簡單。目前，很多網絡融合都采用了通過網關接口進行互連，多種網絡共核心網的方式。而蜂窩網絡與其他不同制式的網絡之間的融合也可以借鑒這種方式，在網關接口處進行數據轉換，不同網絡的數據可以透明傳輸。

基于以上分析，并根據現有網絡的演進和融合的經驗，可以看出，網絡的融合主要分為以下的幾種類型：

融合類型1（業務層融合）：兩個單獨的網絡，包括單獨的核心網和無線網，核心網之間沒有接口，每個網絡保證各自的業務層數據的連續性，同一個終端不能在兩個網絡之間進行切換，重選等互操作，不同網絡的終端在高層可以互聯。

該類型融合的特點是：

基于相同業務應用，各網單獨運行，連接到相同的業務應用系統中。

其典型應用是固定網、移動網融合FMC，電信網、互聯網、廣播網三網融合等。

融合類型2（核心網互聯互通融合）：兩個單獨的網絡，包括單獨的核心網和無線網，但是兩個核心網之間可以有接口進行數據的傳輸，可以共用鑒權，認證等網元。終端可以在兩個網絡之間進行切換和重選，從而實現網絡之間的互連。這主要是針對兩種網絡的類型差別較大，主要核心網網元無法共用的情況。

該融合類型的特點是：

無線網相互獨立；

核心網相互獨立，個別網元可共用，如鑒權、認證等網元；

兩個系統控制面相互獨立，業務應用可通過網關接口互聯互通。

WiMAX與3GPP系統松耦合方式的互聯互通可以采用這種融合類型。

融合類型3（核心網共用融合）：兩個網絡可以全部共用或者部分共用核心網，但是不同的無線網有自己獨立的空口。

該融合類型的特點是：

核心網共用或主要部分共用；

雙模協議棧；

無線網相互獨立；

統一的對外業務出口。

這種融合方式適用于網絡架構相似，但協議棧不同的網絡間融合。WiMAX與3GPP系統緊耦合方式的互聯互通可以采用這種融合方式。

融合類型4（空口部分兼容式的融合）：兩種網絡共用核心網，不同的無線網之間可以共用相同的空口，這種網絡適用于兩種網絡非常類似，除了無線傳輸部分有差別之外，其他的部分都差不多的情況。

這種融合方式的特點是：

核心網相同，具有單一協議棧；

無線網有差異，部分網元可共用，協議棧部分可能相同；

統一對外業務出口。

其適用于網絡結構相同，但無線接入部分有所差異的系統之間的融合，例如TD-SCDMA與WCDMA，TD-LTE與LTE-FDD系統的融合等。

融合類型5（空口兼容式的融合）：這種融合方式適用于網絡演進的過程中，原網絡與演進網絡之間的互聯互通，不同的網絡之間不僅共用空口，還共用無線設備，頻段等，例如GSM與EDGE網絡，TD-SCDMA與HSPA之間的互聯互通。

該融合方式的特點是：

核心網相同，單一協議棧；

無線網有差異，但可實現兼容，一般是網絡功能增強；

統一的對外業務出口。

這種網絡融合方式一般在網絡平滑演進時出現，例如GSM、GPRS與EDGE系統，TD-SCDMA、TD-HSPA與TD-HSPA+系統的融合等。

不管是通信標準的演進還是革命，兩種不同演進情況的網絡之間的互聯互通的模式都會是以上5種融合方式中的一種。而WiMAX與TDD網絡之間的融合也應該是以上5種融合方式中的一種。

4 TD-SCDMA與WiMAX互聯互通

雖然TD-SCDMA和WiMAX系統同屬于IMT-2000，但是從協議棧上來看，WiMAX協議和TD-SCDMA協議每一層都有差別[1，2]，并且物理層的差別最大，其物理層多址技術、雙工方式與幀結構等核心技術都不相同。根據目前系統演進的情況，除非標準制定初期對系統演進需求做了明確規定，兩個系統可以進行比較好的平滑演進和融合，例如WCDMA到HSPA的演進。對于其他的標準，包括在同一標準組織制定的標準之間都沒有完成在層3以下的無線接入網完全融合。因此對于TD-SCDMA和WiMAX這兩種不同標準組織指定的具有不同目標，不同性能的網絡來說，在層3以下實現網絡融合很難。目前，許多TD-SCDMA和WiMAX的網絡融合研究主要借鑒3GPP系統與WLAN的融合方案[3]。

在此，TD-SCDMA和WiMAX的網絡融合主要集中在互聯互通方案研究上，即采用融合類型2（核心網互聯互通融合）的方式，TD-SCDMA與WiMAX主要通過GGSN進行互聯互通，但是從網絡融合的緊密程度來分，TD-SCDMA和WiMAX網絡之間又可以分為松耦合和緊耦合兩種融合方式。

4.1 松耦合

松耦合融合方式又分為兩種情況：一個是極松耦合，另一個是松耦合。

圖2（a）為TD-SCDMA和WiMAX采用極松耦合方式互聯互通的示意圖。在這種耦合方式下，TD-SCDMA網絡和WiMAX各自獨立組網，僅在營帳中心相連。具有以下特征：

獨立組網：兩個網絡具有各自獨立的核心網絡，獨立管理，用戶在TD-SCDMA/WiMAX網絡中分別享受原有的服務。

公用計費和客戶關系：在營帳維護不同的網絡接入標識和統一帳號的對應關系，達到公用計費和客戶關系。

極松耦合方式下產品成熟度較高，可迅速部署，但是由于兩網完全獨立，因此無法實現統一的用戶管理和業務交互。

圖2（b）為松耦合融合方式。此種融合方式下，TD-SCDMA和WiMAX各自使用獨立的網關，共用HLR/HSS/AAA系統和HA。具有以下特征：

核心網分離：兩個網絡具有各自獨立的核心網絡，獨立管理，用戶在3G/WiMAX網絡中分別享受原有的服務。

業務出口分離：用戶數據分別通過各自的核心網絡，訪問業務平臺，與業務平臺的接口分別管理。

統一鑒權、認證：WiMAX網絡的核心網元AGW連接到TD-SCDMA網絡的HLR/HSS/AAA系統，進行用戶鑒權、認證，從而實現統一的鑒權、認證。考慮到WiMAX的鑒權方式與TD-SCDMA相差較大，NWG還不支持基于IMSI的鑒權方法，現階段的鑒權流程將保持獨立，在AAA維護不同的網絡接入標識間的對應關系。但今后隨著標準的發展，可與TD-SCDMA使用相似的鑒權方法，做到真正的統一鑒權，認證。

業務連續性：可考慮通過GGSN或者AGW內置的FA，以及共用的HA，采用MIP技術來實現系統內/系統間的切換。做到業務連續性。但需要支持MIP切換的雙模手機終端。

4.2 緊耦合

圖3為TD-SCDMA和WiMAX緊耦合組網方式，在這種方式下，TD-SCDMA網絡的GGSN網元和WiMAX 的AGW實現融合。主要有以下特征：

共用GGSN：網元GGSN/AGW中，集成了TD-SCDMA網元GGSN功能，和WiMAX AGW的功能，這種方式組網方便，節約投資成本。

統一鑒權、認證：WiMAX網絡的核心網元AGW連接到TD-SCDMA網絡的HLR/HSS/AAA系統，進行用戶鑒權、認證，從而實現統一的鑒權、認證。但是TD-SCDMA和WiMAX的鑒權方式是不同的，要實現真正的統一鑒權、認證，還需要制定相應的標準供WiMAX使用。

統一的IP地址管理：AGW與GGSN采用相同的IP地址分配方式，擁有相同的地址管理系統。

漫游用戶的業務連續：對于漫游用戶而言，GGSN/AGW中內置FA，以及HA，采用MIP技術，可以實現基于MIP的系統間的業務連續性；而通過統一的IP地址管理功能，可以保證系統采用簡單IP地址時，IP地址保持不變，便于簡單IP系統中實現系統間的無縫切換。

業務計費和監聽：可利用TD-SCDMA已有的監聽接口，內容計費接口，修改部分流程，公用單板，接口，方便的實現WiMAX監聽，計費。

4.3 兩種組網方式比較

可以看出，LTE-Advanced與WiMAX的融合應該需要達到網絡融合類型4（空口部分兼容式的融合）的要求，即兩個網絡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系列網絡的真正融合。

7 總結

本文基于移動通信系統的演進與融合分析，提出了移動通信標準的5類演進與融合方式。并且，依據標準協議棧和網絡架構分析，提出了TD-SCDMA和WiMAX的互聯互通方案，并分析松耦合和緊耦合方案的優缺點；基于SAE架構，提出了TD-LTE和WiMAX融合方案以及合適的接入點；最后，探討了LTE-Advanced與WiMAX融合的可能性。

從分析可以看出，隨著技術的發展，TD-SCDMA，TD-LTE，LTE-Advanced網絡與WiMAX網絡的融合越來越緊密，TD-SCDMA只能實現與WiMAX系統的互聯互通，而LTE-Advanced則可以實現與WiMAX的全面融合，共同發展。

參 考 文 獻

[1] The Draft IEEE 802.16m System Description Document[S]，WiMAX Forum，2008.06

[2] TD-SCDMA系統技術[M]，李世鶴，楊運年，大唐移動通信設備有限公司

[3] 3GPP TS 23. 234 Group，Service and System Aspects.3GPP system to wireless local area network（WLAN） interworking[S]：system description （release6）

[4] 3GPP TS 23.402 V8.2.0，Architecture enhancements for non-3GPP accesses[S]

[5] Seamless Integration of Mobile WiMAX in 3GPP Networks[J]，Pouya Taaghol，Apostolls， etc.，IEEE Communications Magazine，2008.10