淺析TD-LTE四網協同下的移動互聯網

張長青 中國移動通信集團湖南有限公司岳陽分公司高級工程師

發展策略

淺析TD-LTE四網協同下的移動互聯網

張長青 中國移動通信集團湖南有限公司岳陽分公司高級工程師

移動互聯網分為移動終端、接入網絡和應用服務3個層次，接入網絡是指多種制式下的無線接入網。中國移動以TD-LTE為基礎的四網協同，已成為當前移動互聯網接入網絡的主要承載平臺。本文在分析移動互聯網體系架構的同時，還分析了中國移動四網協同的無線傳輸性能及其中TD-LTE核心網的基本流程，對管理、維護移動互聯網的相關技術人員有一定的幫助。

TD-LTE 移動互聯網 四網協同

1 引言

移動互聯網（Mobile Internet）就是將互聯網技術應用到移動網絡中，是移動網與互聯網技術融合的新興產物。移動互聯網通過智能終端操作、采用無線通信方式，可以安全、穩定、高速、不受任何限制、在移動中獲取互聯網業務和服務。2001年隨著中國移動“移動夢網”的正式開通，2G用戶通過帶寬僅為21kbit/s速率的GPRS（General Packet Radio Service，通用無線分組業務），在“移動夢網”中享受移動游戲、信息點播、掌上理財、旅行服務等有限的移動性互聯網服務業務，宣告中國移動互聯網的誕生。

作為擁有自主知識產權的第四代移動通信的演進技術，TD-LTE實現了全網IP化和真正的分組接入，高性能、高速度、高寬帶，以及穩定、安全、可靠的上下行速率，使得移動網速第一次開始超越固網。TD-LTE網絡的高性能、高速率、高帶寬與物聯網、大數據和云計算結合后，既豐富了移動互聯網的訪問內容，又加快了高清視頻和3D媒體的全面發展，還為智能終端拓展了不勝枚舉的專門應用，使移動互聯網所呈現出來的移動通信業務與互聯網業務特征更加明朗，從而呈現出空前廣闊的應用前景。

本文分析了移動互聯網的體系架構，分析了以TD-LTE為基礎的四網協同技術中的傳輸特性，及其中TD-LTE核心網絡中各模塊功能及各自承載移動互聯網時的基本原理和工作流程，分析了TD-LTE網絡系統在四網協同下對移動互聯網發展的影響，為認識、管理和維護以TD-LTE網絡為基礎、以四網協同為條件的移動互聯網系統提供了有益幫助。

2 移動互聯網體系分析

移動互聯網是一個多學科交叉、涵蓋范圍廣泛的新興研究領域，涉及互聯網、移動通信、無線網絡、嵌入式系統以及軟件和安全等高新技術。移動互聯網的體系架構如圖1所示，主要表現為移動終端、接入網絡和應用服務3個層面，其中的移動終端和接入網絡是移動互聯網應用的物理承載基礎，應用服務則是移動互聯網應用的上層具體內容。雖然人們使用移動互聯網就是為了享受物理承載基礎上的具體內容，但圍繞這3個層面還對應著相應的安全與隱私保護。所以，一個完整健康的移動互聯網體系，必須在終端、網絡、服務和安全4方面同步發展。因為，應用服務是用戶享用移動互聯網的必要內容，接入網絡是移動互聯網正常運營的承載平臺，移動終端是用戶享用移動互聯網內容的基礎設備，安全與隱私保護能為移動互聯網正常發展保駕護航。

自移動互聯網應用以來，人們就一直在這4個方面努力探索，研究步伐從來沒有停止。其中，移動終端的研究主要包括終端硬件、操作系統、軟件平臺、應用軟件、節能、定位、上下文感知、內容適配和人機交互等；接入網絡的研究主要包括無線通信基礎理論與技術、蜂窩網絡、無線局域網、多跳無線網絡、異構無線網絡融合、移動性管理與無線資源管理等；應用服務的研究主要包括移動搜索、移動社交網絡、移動互聯網應用拓展、基于云計算的服務、基于智能手機感知的應用等；安全與隱私保護的研究則涉及移動終端、接入網絡、應用服務3個層面，主要包括內容安全、應用安全、無線網絡安全、移動終端安全和位置隱私保護等。

圖1 移動互聯網體系架構

在4G技術應用以前，作為承載平臺技術的接入網一直是束縛移動互聯網發展的羈絆。根據傳統分法，支持移動互聯網的接入網絡主要有衛星通信網、蜂窩網（2G、3G）、無線城域網（WiMAX）、無線局域網（Wireless Local Area Networks，WLAN）和基于藍牙的無線個域網，這些網絡在帶寬、覆蓋、移動性和成本方面各有長短，如蜂窩網絡覆蓋范圍大、移動性管理技術成熟，但帶寬低、成本高；WLAN高帶寬、低成本，但覆蓋范圍有限、移動性管理技術差。以TD-LTE系統為基礎的四網協同架構，因合理地分流了移動互聯網中各接入網的流量關系，從而能上托用戶海量需求的應用服務，下承用戶喜愛使用的智能終端，成為移動互聯網基礎資源的中流砥柱。

不可否認，移動互聯網用戶訪問的應用服務，也是維持和推進移動互聯網發展的重要力量，沒有內容的移動互聯網將是無源之水、無本之木。同樣，移動終端也是移動互聯網應用的前提和用戶的操作基礎，具有強大的計算、存儲和處理能力的，擁有優秀觸摸屏和定位、視頻攝像功能的，配置功能全面的智能操作系統和開放軟件平臺的，外加結構新穎、創意豐富的移動智能終端，不僅是移動互聯網用戶的最愛，更是網絡運營商吸引客戶、開發移動互聯網市場的制勝法寶，蘋果的iPhone和iPad就是一個最具說服力的例子。

正因如此，中國移動不僅一直擔負接入網絡平臺的設計、規劃、建設、管理、維護和優化等基礎應用的運營工作，擔負著移動通信的業務營銷、開拓與發展，還一直擔負著移動通信行業的標準制訂和升級換代工作，尤其是還擔負了部分應用服務和移動終端的研發與推廣工作。早期的“移動夢網”就是中國移動自主開發并應用至今的、具有一定影響力的移動互聯網應用服務的著名品牌；成立于2011年的中國移動終端公司，也先后研發了M701、M601、CM512、CM510、CM40等具有自主知識產權的智能手機，既豐富了移動互聯網體系架構的內容，又加速了移動互聯網體系架構的發展。

隨著移動互聯網的飛速發展，無線接入網絡支撐的綜合語音、數據、高清圖像、高清視頻、三維視頻等海量多媒體業務的數據流量將變得越來越大，傳輸速率的要求也將越來越高，當現有無線接入網絡在帶寬、覆蓋、實時性等方面不能滿足需求時（如中國移動的四網協同），采用多系統融合演進，將現有多種無線接入技術有效地結合起來，實現異構無線網絡融合，不僅能有效地發揮各運營商已投設備的成本效益，做到低成本、低風險，還能有效地提高系統的性能，是一種實用性和時效性很強的長期發展路線。所以，四網、甚至多網協同技術在很長的時間內，將會是移動互聯網在接入網絡方面的重要應用，值得被深入研究和長期實踐。

3 四網協同體系的傳輸分析

圖2所示為四網協同情況下TD-LTE系統的扁平化網絡架構模式，分為接入網和核心網兩個層次。其中的接入網又分為2G、3G、4G接入網和WLAN接入網。所有合法受權的移動終端UE（User Equipment，用戶設備）都可以在這兩個接入網中任意訪問移動互聯網。也就是說，UE可以在2G、3G、4G接入網和WLAN接入網對應的本小區中的任意位置訪問移動互聯網，但只能在2G、3G、4G接入網中高速切換與漫游，WLAN接入網僅支持終端在本區內的慢速移動上網，區域之間不能切換和漫游，這雖然是WLAN的短板，但人們借助手機或筆記本電腦上網時，更多的是在公交、高鐵、車站、商店等支持WLAN的公共通信場合中進行。

圖2 終端在TD-LTE四網共存下訪問互聯網框圖

在2G、3G、4G接入網中，模塊BSC（Base Station Controller，基站控制器）為2G基站BTS（Base Transceiver Station）和核心網的連接點，通常一個BSC可控制幾個BTS，主要功能是進行無線信道管理、實施呼叫和通信鏈路的建立和拆除，以及小區手機切換控制等；模塊RNC（Radio Network Controller，無線網絡控制器）是3G網絡的關鍵網元，與2G的BSC相似，是3G基站NodeB和核心網的連接部分，用于提供移動性管理、呼叫處理、鏈接管理和切換機制，是流量匯集、轉換、軟硬呼叫轉移、智能小區和分組處理的重點。

2G系統的CS（Circuit Switching，電路交換）域和PS（Packet Switching，分組交換）域是完全獨立的兩套系統，CS域負責話務，PS域負責數據，也就是GPRS系統，將幾個BTS的GPRS歸結到一個BSC點，再將BSC通過2M接入到TD-LTE核心網。由于BTS承載數據無線信道是按基站話務數據比和基站下數據終端的多少來分配載頻時隙資源的，且2G空中接口帶寬小于200k，所以2G終端能夠享受數據傳輸帶寬僅為21～171k。因此，2G系統承載數據信道不僅速率較低，穩定性也較差。

3G系統雖然也是CS域和PS域共享，但因3G核心網主要由CS域和PS域公共實體、CS域專用實體、PS域專用實體3部分組成，所以3G的CS和PS是一個相互關聯的有機體。如TD-SCDMA采用了智能天線和軟交換技術，又是時分雙工制，上下行時隙配置比較靈活。在6個常規時隙中，每時隙帶寬為560k，在上行：下行對稱業務配置的3:3中，下行速率為560×3= 1.68Mbit/s；在非對稱業務配置的2:4中，下行速率為560×4=2.24Mbit/s，在1:5配置中，下行速率為560×5= 2.8Mbit/s；上行為單載波，而單載波最大速率為384kbit/s。

TD-LTE是全PS域，無線傳輸采用了OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用）和MIMO（Multiple Input Multiple Output，多輸入多輸出）等核心技術，前者把高速數據流分散到多個正交子載波上傳輸，使子載波上的符號速率大大降低，符號持續時間大大加長，對時延擴展有較強的抵抗力，減小了符號間干擾；后者因為在無線通信系統的接收端和發送端都配備了多個天線端口，可以創造出多個并行空間信道，多個信息流經過多個信道在同一頻帶同時傳輸，在不增加帶寬的情況下可成倍提高通信系統的容量。所以，TD-LTE的無線傳輸速率得到了極大的提高，最大下行速率為100Mbit/s，最大上行速率可達50Mbit/s，演進到TD-LTE-A時，因采用了載波聚合技術，最大傳輸速率可達150Mbit/s，是目前支撐移動互聯網的最佳平臺。

在WLAN接入網中，模塊AP（Access Point，訪問點）是WLAN訪問點，相當于WLAN終端的基站；AC（Access Controller，接入控制器）是無線局域網接入控制設備，負責把來自不同AP的數據匯聚，完成AP設備的配置管理、無線用戶認證/管理及寬帶訪問、安全等控制功能，相當于匯聚交換機；WGW（WLAN Gateway，WLAN網關）主要負責AC路由，因為AC產品商較多，很難做到都支持核心網S2a標準接口。增加符合3GPP標準架構的WGW網關路由，可方便所有AC接入TD-LTE核心網。WLAN接入網沒有漫游和切換，終端接收過程中的鑒權認證和計費比較復雜，采用的協議是IEEE802.11X，最大數據傳輸速率為54Mbit/ s，實際速率約為22～26Mbit/s，且隨著傳輸距離和障礙物的增加而迅速降低，只能作為支撐移動互聯網的輔助平臺。

4 四網終端訪問互聯網分析

首先，討論圖2所示TD-LTE核心網絡各模塊的意義，從中可見四網協同中各終端在訪問互聯網時的基本原理。其次，討論2G、3G、4G和WLAN等終端借助TD-LTE核心網絡訪問互聯網的基本流程，從而可幫助理解在四網協同中為什么側重話務引向以2G、3G為主，而數據引向以4G、WLAN為主的分流原則。最后，總結以TD-LTE網絡為基礎的四網協同系統對移動互聯網發展的推動因素。

●SGSN是GPRS網絡一個基本組成網元。主要作用是為本SGSN服務區域的終端進行移動性管理，轉發輸入輸出IP分組，是2G系統的重要模塊。

●MME（Mobility Management Entity，移動性管理實體）是類似于2/3G的SGSN，主要負責3GPP內不同節點間的移動性管理、PGW和SGW選擇、承載管理、漫游控制和安全認證等。

●HSS（Home Subscriber Server，歸屬用戶服務器）主要提供用戶注冊、終端位置更新、用戶被叫時會話請求等鑒權和用戶簽約等功能，職能相當于2G的HLR。

●SGW（Serving Gateway，服務網關）是網絡用戶面接入服務網關，相當2/3G的SGSN用戶面功能，提供切換的本地錨點或移動性錨點，具有全法監聽、分組路由和轉發、上下行傳輸數據包標記等功能。

●PGW（Packet Data Network Gateway，分組數據網網關）提供承載控制、計費、地址分配和非3GPP接入等功能，相當于2/3G的GGSN。

●PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略與計費規則功能）是業務數據流和IP承載資源的策略與計費控制策略決策點，主要實現策略控制決策和基于流計費控制，提供數據業務QoS保障和資源管理。

●AF（Application Function，應用功能）是業務策略提供點，主要實現與PCRF通信、交互，以傳輸動態會話信息，便于PCRF決策。

從圖2可以看出，終端UE通過接入網和核心網訪問互聯網有4種方式，這些方式都要得到用戶鑒權認證，都需要訪問HSS，同時還需要計費，因此也必須訪問PCRF。又因為只有2G、3G、4G移動通信網絡支持小區切換與終端漫游，所以也只有這3種方式分別訪問SGSN和MME。WLAN在經過鑒權認證和計費確認后，可以直接從接入網訪問互聯網?？傊?，四網協同下，UE通過2G、3G、4G、WLAN訪問移動互聯網的3個基本過程的流程可由圖3簡要說明。

2G的BTS通過BSC、3G的NodeB通過RNC后，共同接入TD-LTE核心網中的SGSN模塊。其實，SGSN是為了兼容2G和3G，才在TD-LTE核心網中增設的模塊，與4G沒有關系，也就是說，SGSN仍然是2G和3G技術。4G基站eNodeB可直接接入TD-LTE核心網的MME和SGW模塊，是因為4G的扁平化設計將3G中RNC的部分功能優化到了eNodeB和MME中，從而簡化了UE訪問核心網的流程，同時也加快了UE訪問互聯網的效率和速度，這些技術也保證了UE永遠在線的基本功能。WLAN的AP在經過AC和WGW后，其中一路直接接入TD-LTE核心網，實施對用戶鑒權和計費；另一路則直接接入互聯網，使得UE通過WLAN訪問移動互聯網的流程得到了極大簡化，明顯提高了UE訪問互聯網的效率和網速。

從以上分析可知，在四網協同環境下，訪問移動互聯網的最佳接入當屬4G和WLAN，它們不僅上網速度和效率無與倫比，更重要的是具有永遠在線的特征，用戶開機附著后就已經建立了與移動互聯網連接的數據通道。雖然4G支持UE網間切換與高速漫游，但當UE漫游速度過高時，不僅會影響上網的速率，還會影響系統的穩定性，所以移動運營商都盡可能地在公共移動載體（如公交車、高鐵、飛機等）上安裝WLAN或Wi-Fi，以保證公交載體上旅行的用戶能夠享受到優質的移動互聯網業務。3G雖然帶寬與速率低于4G，但在沒有4G和WLAN覆蓋的環境中，或者用戶UE不支持4G和WLAN時，仍然可保證UE訪問移動互聯網，是移動互聯網上網的可靠補充方案。2G的GPRS已很少訪問互聯網，因為終端發展至今都已支持3G以上技術了。

圖3 移動終端訪問移動互聯網流程簡圖

5 結束語

以“無處不在的網絡、無處不能的業務”為理念的移動互聯網，正在改變人們的生活習慣、工作方式和娛樂行為。以TD-LTE網絡為基礎的2G、3G、4G、WLAN四網協同架構，已為移動互聯網建起了當前最優秀的移動網絡平臺。以3G、4G智能手機和平板電腦為主體的智能終端，已為廣大用戶在移動中隨意瀏覽移動互聯網提供了大量美觀、可靠、實用和方便的移動終端。以各大門戶網站為主，以手機為載體的商務、銀行、支付、閱讀、游戲等業務為輔的專用服務，正在為移動互聯網應用注入前所未有的活力。移動互聯網的發展勢頭，在以TD-LTE網絡為基礎的四網協同模式的推動下，將會以燎原之勢，席卷全球。

1 羅軍舟,吳文甲,楊明.移動互聯網:終端、網絡與服務.計算機學報.2011,11

2 張長青.TD-LTE演進型分組核心網技術分析.移動通信. 2013,8

3 王映民,孫韶輝等.TD-LTE-Advanced移動通信系統設計.人民郵電出版社.2012,2

Analysis Mobile Internet of TD-LTE on Cooperation Four Networks

The mobile Internet is divided by mobile user equipment and access network and application server,access network is many standard’s radio network,the cooperation with four network of the base by China Mobile TD-LTE has turn into the mostly network flat of access networks.Mobile Internet’s system configuration and the wireless transmission capability and the base flow is analysised,some help is afforded for technical personnel’s management and maintenance.

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2015-02-03）