LTE-WLAN無線協作機制研究

謝 芳，胡 南，李 男，胡臻平，劉光毅

（中國移動通信有限公司研究院 北京100053）

1 引言

1.1 LTE-WLAN協作的必要性

為了給大專院校、醫院、機場、車站等重點區域提供WLAN服務，中國移動已經部署大量WLAN的AP，但仍然存在熱點不熱、分流蜂窩網絡業務效果有待提升、用戶體驗較差等問題。

另一方面，LTE是移動蜂窩網絡的演進方向，也是未來中國移動重點建設部署的網絡。因此，加強LTE和WLAN兩張網絡之間的協作，提升兩網資源的利用率，為用戶提供更優質的服務是未來的一個重要課題。

1.2 已有LTE-WLAN協作方案

從2008年開始，3GPP已經提出了兩種LTE和WLAN協作機制，即基于終端的多連接管理方案和基于核心網的融合切換方案。目前3GPP仍在對這兩種機制進行完善和增強。

（1）多連接管理方案

該方案的基本思路是在網絡側部署ANDSF（access network discovery and selection function）策略服務器，向終端推送WLAN的SSID等輔助信息和運營商的選網策略，幫助終端快速發現和使用WLAN。因此，該方案能使用戶實現無感知的WLAN發現和接入，同時幫助用戶選擇合適的承載網絡并實現分流。

多連接管理方案的標準化工作從3GPP的R8階段（2008年）開始，到目前的R12階段仍在不斷持續優化中。產業實現方面，中國移動已聯合部分廠商開發出連接管理策略服務器原型產品，并計劃在部分省公司開展技術試點工作。

（2）融合切換方案

融合切換方案的思路是為終端建立WLAN訪問蜂窩網分組域的通路，并通過移動IP技術保證終端在網間切換時IP地址不變，從而確保業務的連續性。

由于該方案能保持IP地址不變，因此對無應用層保護的業務（如現階段VoIP等）及有安全策略保護的業務（如VPN、HTTPS等）均可實現切換時業務不中斷。

融合切換方案的標準化工作從3GPP R9階段（2009年）開始，到目前的R12階段仍在不斷持續優化中。產業實現方面，部分廠商已開發出相關系統實現的原型。

1.3 已有協作方案的不足

基于終端和核心網的方案分別側重于幫助用戶發現WLAN和保證用戶在兩網切換時的業務體驗，但仍存在如下不足。

·沒有考慮無線網絡的信號質量、網絡負荷等動態因素，不能避免終端連接到已經過載的網絡上，也不能避免大量終端同時連接到同一個網絡而引起過載，從而進一步導致終端在兩網間發生乒乓切換，最終導致終端耗電增加且用戶體驗不佳。

·終端決策選擇網絡，無法考慮全網的總體性能，運營商無法實現網絡的負載均衡，不能給用戶提供優質的業務QoS保證。

·需要安裝非標準的客戶端，推廣較困難。

因此，亟需引入用戶無感知的基于信令面的無線側協作方案，以提升運營商對WLAN的控制，并為用戶提供更好的業務體驗。

2 LTE-WLAN無線側協作

LTE-WLAN無線協作研究項目于2012年12月在3GPP RAN 58次全會上立項成功[1]，該研究成果既可適用于LTE和WLAN獨立部署的場景，也可適用于LTE和WLAN共站部署的場景，如nanocell。該研究不在基站和AP之間引入標準接口，也不會修改IEEE的協議標準。引入LTE-WLAN無線協作機制的主要目標有如下幾點[2]：

·提升運營商部署的WLAN的利用率；

·避免用戶連接到已經過載的WLAN上，從而提升用戶體驗；

·減少不必要的WLAN掃描帶來的終端功耗。

為了達到上述目標，需要在WLAN的發現、業務/終端的網絡選擇以及終端在兩網之間的移動性管理等方面進行增強。下面圍繞這3個方面，闡述無線側協作方案的關鍵技術和難點所在。

2.1 WLAN的發現

目前，WLAN的發現存在的主要問題有以下3點。

（1）WLAN的時延發現

目前手機或Pad等手持終端上Wi-Fi模塊的開關是由用戶手動控制的，而由于WLAN不是連續覆蓋的，為了避免不必要的WLAN掃描帶來終端功耗，大部分手持終端上的Wi-Fi模塊都處于關閉狀態。這種手動操作會喪失一些WLAN的使用機會（因為需要依賴用戶得知有WLAN覆蓋之后才手動打開）。

（2）不必要的終端功耗

在網絡側沒有給終端提供WLAN輔助信息的情況下，終端的Wi-Fi模塊會盲掃可能的工作信道，尤其在沒有WLAN覆蓋的情況下，這種掃描將造成不必要的終端功耗。

（3）連接到不可用的WLAN上

這種情況經常出現在機場等較繁忙的場景中，終端能掃描到Wi-Fi，信號質量也不錯，但是由于AP已經處于過載狀態，能給UE提供的速率非常低，其實用戶基本無法使用WLAN進行數據業務。

因此，為了解決上述問題，WLAN發現的主要目標是幫助終端快速準確地發現可用的WLAN，避免終端打開Wi-Fi掃描之后找不到WLAN或者連接到已經過載的AP上，并降低終端功耗。

為了達到上述目標，可從如下兩個方面進行優化。

·引入針對WLAN的自動鄰區上報機制，即終端向eNB上報檢測到的周圍AP的信息，如SSID、信號質量、AP負載等信息。這樣，基站可實時獲取并更新周邊AP的信息，從而可以用這些信息為其他終端提供更準確的WLAN信息。

·引入自動打開Wi-Fi模塊的機制，即LTE基站給終端提供可用的AP信息，如SSID、工作信道等，從而幫助或控制終端有針對性地掃描WLAN，節省終端功耗，提升用戶體驗；更進一步地，基站還可給終端提供周圍AP的負載信息（此信息eNB可通過與AP之間的實現接口獲得，也可通過前述針對WLAN的自動鄰區上報機制獲得），從而避免終端連接到已經過載的AP上。

由于網絡發現涉及的因素較多、標準化工作量較大，3GPP經過幾次會議的討論，決定在R12版本中暫時不引入這項增強，可能會在后續版本中進一步研究并進行標準化工作。

2.2 業務/終端網絡選擇

網絡選擇方面，已有協作方案主要存在兩個問題：一是終端自主選擇接入的網絡，而非運營商或者蜂窩網絡選擇，這使得運營商或者網絡側無法控制終端的行為，也就無法實現全網性能的優化；二是現有方案是核心網機制，無法考慮無線網絡的動態信息。如ANDSF只考慮接入網優先選擇策略（如優先選擇WLAN還是LTE）、業務在系統間的路由策略等較為靜態的信息，而沒有考慮無線網絡的無線鏈路質量、網絡負荷等動態信息，從而終端或業務可能選到信號質量不夠好或者已經過載的網絡上，無法提供QoS保證。

根據網絡側對終端控制力度的強弱，3GPP RAN討論了如下3種網絡選擇機制[3]。

·方案一：RAN下發輔助信息，UE根據ANDSF策略輔助信息選網。

·方案二：RAN定義選網準則，并下發輔助信息，UE執行選網。

·方案三：UE上報測量信息，網絡決策選網。

如圖1所示，在方案一中，網絡側通過廣播或專用信令的方式，給終端下發網絡負載、資源分配、WLAN和LTE網絡的信號質量門限等輔助信息。終端根據ANDSF服務器配置的無線網絡選網策略，并結合輔助信息、終端測量到的信號質量等信息，決策應該使用LTE網絡還是WLAN。

圖1 方案一示意

該方案的優點是比較簡單，對空口協議的改動較小。但現有ANDSF機制中沒有定義接入網的相關策略，因此需要在SA2中做進一步的標準化工作。為了保證運營商對終端行為的可管理、可控制，該方案必須與ANDSF配置的無線網絡選網策略協同工作，否則無法體現運營商的網絡選擇策略，因此依賴于ANDSF的部署。該方案在3GPP中得到了有明確部署ANDSF計劃的運營商（如AT&T）的大力支持，而大多數沒有明確部署ANDSF計劃的運營商則更傾向于方案二。

如圖2所示，在方案二中，選網準則由LTE無線標準制定。網絡側下發選網準則中用到的網絡負載、資源分配、WLAN和LTE網絡的信號質量門限等信息，終端根據ANDSF策略（如果部署的話）、自身的測量結果和無線側的選網準則選擇使用LTE網絡還是WLAN。

圖2 方案二示意

方案二與方案一的主要區別在于，既不依賴于ANDSF的部署，也可與ANDSF協作。對于沒有部署ANDSF的場景，終端根據LTE標準制定的無線側準則選網；對于部署ANDSF的場景，需要定義終端的行為，如終端只有在ANDSF策略和無線側策略都允許的情況下才改變當前的網絡，即只有當ANDSF和無線側都決策把業務從LTE網絡分流到WLAN上時，該業務的承載網絡才會發生改變。

上述兩種方案既適用于處于空閑態的終端，也適用于處于連接態的終端，而方案三只適用于處于連接態的終端。如圖3所示，基站首先給終端配置測量事件和測量量，如目標WLAN的SSID、工作信道等，終端上報測量結果；最后基站根據終端上報的信息以及自身的負載情況等做出選網決策，并指示終端。

圖3 方案三示意

通過方案三，運營商可完全控制每個終端的行為，且無需依賴于ANDSF的部署。網絡側需要對終端進行測量配置，且終端需要上報測量到的WLAN信息，但會引入一定的信令開銷；另一方面，芯片和終端的實現空間較小，在標準化中也遭到芯片和終端廠商的強烈反對，標準化難度很高。

表1中比較了上述3種機制。

方案共同點介紹如下：

·基站和AP之間不引入標準化接口，適用于3GPP和WLAN獨立部署和共站部署場景（如nanocell）

·無需引入新的設備或網元，無需修改Wi-Fi協議；

·只需對終端和基站進行軟件升級，在空口引入新的信令，傳遞網絡負載、資源分配、選網門限、選網指示等信息；

·可與基于核心網的ANDSF機制協作。

3 種機制的區別主要在于以下幾點：

·網絡對終端行為的控制力度有所不同，3種機制依次遞增；

·方案一和方案二可以用于處于空閑態和連接態的終端，方案三只能用于處于連接態的終端；

·方案一必須與ANDSF協作才能體現運營商策略，且ANDSF要做針對無線機制的升級；方案二和方案三既可以與ANDSF協作，也可單獨使用。

無線協作機制的研究項目（study item，SI）于2012年12月 在3GPP成 功 立 項，并 在2013年12月 的 第62次RAN全會上順利結項[4]，同時啟動工作項目（work item，WI），進入標準規范制定階段，預計在2015年年初完成標準制定。產業實現方面，部分廠商正同步開發系統實現原型，基于標準的LTE主設備、WLAN AP的終端預計在2016年年底發布。

2.3 移動性管理

現有協議并不支持終端或業務在LTE網絡和WLAN之間的無線側切換，因此當終端或業務改變網絡時，無線側會發生先中斷后連接的現象。因此，移動性管理方面的主要目標是：當出現WLAN信號質量變差、UE移出WLAN覆蓋區域或WLAN過載等情況時，終端必須將WLAN上承載的業務快速遷移到蜂窩網絡，使得業務的遷移是用戶無感知的。

表1 3種網絡選擇機制的比較

為了達到上述目標，可從如下3個方面進行優化。

·LTE網絡幫助UE預測WLAN的不可用，并幫助UE快速返回到蜂窩網絡。為了更準確地預測WLAN的覆蓋、信號質量、負載等信息，可以利用前述提到的新引入的針對WLAN的自動鄰區上報機制，如LTE基站在把UE從蜂窩遷轉到WLAN時，給UE配置后續返回LTE網絡時優先使用的頻點、小區。

·在系統消息中廣播LTE網絡負荷等狀態信息，幫助終端做出正確的移動性管理決策。

·引入由LTE網絡決策的終端從WLAN返回LTE的申請、決策等一系列流程。

由于移動性管理涉及的因素較多、標準化工作量較大，3GPP決定在R12階段中暫時不研究這項內容，可能會在后續版本中進一步研究并進行標準化工作。

3 后續工作展望

3.1 3GPP標準化

3 GPP在2013年12月的第62次RAN全會上啟動了該項目的WI，進入網絡選擇方案的標準制定階段。其中網絡選擇的方案一和方案二進入了WI，而方案三由于流程復雜、標準化難度較高、對終端和芯片預留的實現空間較小等，沒有進入WI階段。

對于方案一，需要在SA2和RAN2都開展標準化工作，需要定義的內容有以下兩方面。

SA2定義無線側的選網準則，如if(WLAN RSSI>threshold1)&&(WLAN Loadthreshold3){

steerTrafficToWLAN()

};

RAN2定義基站給UE提供的輔助信息，如WLAN的SSID，上述的門限值threshold1、threshold2、threshold3等。對于處于空閑態的終端，這些輔助信息只能通過廣播消息獲取；對于處于連接態的終端，輔助信息還可以通過專用信令獲取，因此處于連接態的終端可以對每個UE都定義不同的輔助信息，實現對每個終端的靈活控制。

對于方案二，只需要在RAN2開展標準化工作，需要定義的內容有以下兩點：

·定義無線側的選網準則，并固化在RAN標準中，如3GPP TR 36.304；

·定義基站給UE提供的輔助信息，可以與方案一相同也可以不同。

因此，由于方案一的標準化需要涉及SA2和RAN2兩個標準子組，而方案二的標準化只涉及RAN2，方案一的標準化復雜度更高一些。

為了實現在一套標準中支持兩個方案，后續標準化工作需要考慮如下因素：

·終端是否支持ANDSF或增強的ANDSF，因為方案一只有在部署ANDSF或增強的ANDSF的條件下才能使用；

·兩套方案中使用的無線側選網準則和輔助信息是否一致，如果不一致，兩套方案同時存在的場景下哪個方案的優先級更高。為了減少標準制定的復雜度和終端實現的難度，保證兩套方案的信息一致是更好的選擇。

3.2 產業推動

目前中國移動已聯合部分廠商開發基于方案二的運營商控制的LTE/WLAN協作演示系統，其中將考慮無線信號質量、網絡負載、用戶類型和業務QoS要求等運營商關注的因素，預期可使用戶體驗到較高的數據速率，并能有效利用運營商的網絡資源，預計在2014年中完成第一版本的開發。

后續還將考慮該系統與ANDSF或增強的ANDSF機制協作，即方案一和方案二的融合。

1 RP-130363.Report of 3GPP TSG RAN Meeting #58,2013

2 RP-122038.New Study Item Proposal on WLAN/3GPP Radio Interworking,2013

3 3GPP TR 37.834 V2.0.Study on WLAN/3GPP Radio Interworking(Release 12),2013

4 RP-13xxxx.Report of 3GPP TSG RAN Meeting #62,2013