WLAN與LTE融合組網(wǎng)研究

顧向鋒　孫寰宇

【摘要】 首先分析了WLAN與LTE網(wǎng)絡(luò)融合組網(wǎng)的場景，之后分析了WLAN系統(tǒng)接入EPC的三種組網(wǎng)架構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)劣，WLAN與LTE無線側(cè)融合的需求及候選方案，3GPP關(guān)于WLAN與LTE融合研究的進(jìn)展等，為運(yùn)營商WLAN與LTE網(wǎng)絡(luò)融合部署提出了建議。

【關(guān)鍵詞】 WLAN LTE EPC 無線網(wǎng) 融合

Abstract：This paper discusses WLAN and LTE Interworking solutions. Interworking architectures of WLAN access to EPC， requirements and candidate solutions of WLAN and LTE radio interworking， are respectively analyzed. 3GPP research history and progress of WLAN/LTE interworking on both system level and radio level are introduced too. Based on the analysis， proposals of WLAN and LTE interworking implementation are given for domestic operators.

Keywords： WLAN； LTE； EPC； Radio network； Interworking

一、 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)市場的蓬勃發(fā)展、LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的如火如荼，以及移動智能終端的快速普及，未來移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求將成爆炸式增長。雖然LTE相比2G和3G，空口的頻譜帶寬更寬、傳輸效率更高，但仍無法滿足用戶對移動互聯(lián)網(wǎng)的迫切需求，尤其在一些城市數(shù)據(jù)熱點(diǎn)區(qū)域。因此如何充分利用已有的其他網(wǎng)絡(luò)資源，分擔(dān)移動網(wǎng)絡(luò)的高負(fù)荷，從而提升用戶體驗(yàn)，是各運(yùn)營商都非常關(guān)心的問題。

無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network， WLAN） 作為當(dāng)前固定和移動寬帶網(wǎng)絡(luò)的延伸，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到電信運(yùn)營商的寬帶網(wǎng)絡(luò)中，各大運(yùn)營商都在高校、交通樞紐、商業(yè)中心等許多熱點(diǎn)區(qū)域部署了WLAN網(wǎng)絡(luò)，因此將WLAN作為當(dāng)前蜂窩技術(shù)尤其是LTE網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充和協(xié)同手段，既可以幫助運(yùn)營商解決蜂窩網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)流量突發(fā)過大、占用無線資源過多以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷過重的問題，又能充分利用已有的WLAN網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)既有投資，避免資源的浪費(fèi)。

二、WLAN與LTE融合的場景

3GPP根據(jù)業(yè)務(wù)需求的迫切程度和技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難易程度，定義了WLAN和移動網(wǎng)絡(luò)融合的6種場景：

1）公共計(jì)費(fèi)和用戶關(guān)聯(lián)；

2）基于3GPP系統(tǒng)的接入控制和計(jì)費(fèi)；

3）通過WLAN接入3GPP系統(tǒng)的PS業(yè)務(wù)；

4）業(yè)務(wù)連續(xù)性，在切換過程中允許有短暫的業(yè)務(wù)中斷；

5）無縫服務(wù)，保證切換過程中業(yè)務(wù)的連續(xù)性和不中斷；

6）通過WLAN接入3GPP的CS業(yè)務(wù)。

這6種場景在時間和功能上逐漸遞增，目前現(xiàn)網(wǎng)中WLAN與2G/3G/LTE網(wǎng)絡(luò)的融合主要是前3種場景下的融合，隨著LTE網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署，用戶希望能在WLAN和LTE網(wǎng)絡(luò)之間自由切換，運(yùn)營商也希望能充分利用已有的WLAN網(wǎng)絡(luò)資源，降低LTE容量需求和網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，這就需要實(shí)現(xiàn)場景4和5的互通，即WLAN與LTE網(wǎng)絡(luò)PS業(yè)務(wù)之間的平滑切換。未來隨著VoLTE的大規(guī)模應(yīng)用，場景6的融合也是必然趨勢。

三、WLAN與LTE EPC融合架構(gòu)

3GPP研究了WLAN等非3GPP系統(tǒng)接入EPC的互通架構(gòu)，用戶終端（UE）可以通過WLAN，以S2a、S2b或S2c等接口接入EPC。基于S2a的融合架構(gòu)針對授信的WLAN接入，圖1為非漫游場景下的融合架構(gòu)。

S2a是WLAN AN和PDN GW之間的接口，可基于PMIPv6（Proxy Mobile IPv6）或GTP（GPRS Tunnel Protocol）協(xié)議實(shí)現(xiàn)。通常在授信WLAN中部署TWAG（Trusted WLAN Access Gateway），與PDN GW通過S2a進(jìn)行交互，PDN GW作為用戶通過授信WLAN接入的業(yè)務(wù)錨點(diǎn)，在授信WLAN和PDN GW之間建立分組數(shù)據(jù)連接。

基于S2b的融合架構(gòu)針對非授信的WLAN接入，如圖1所示，S2b是ePDG（evolved Packet Data Gateway）與PDN GW之間的接口，可基于PMIPv6或GTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。該架構(gòu)引入ePDG接入網(wǎng)關(guān)，并在終端和ePDG之間建立IPSec隧道，保證3GPP網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不被其他WLAN竊取。

用戶通過授信WLAN接入的認(rèn)證過程基于STa接口實(shí)現(xiàn)，通過該接口可實(shí)現(xiàn)WLAN和3GPP AAA Server或漫游場景下的3GPP AAA Proxy之間的認(rèn)證、授權(quán)和計(jì)費(fèi)信息轉(zhuǎn)發(fā)。用戶通過非授信WLAN接入的認(rèn)證基于SWa接口實(shí)現(xiàn)。

S2c是終端和PDN GW之間的接口，采用DSMIPv6（Dual Stack Mobile IPv6）協(xié)議，對終端的要求非常高，要求終端支持DSMIP協(xié)議，通過建立終端與PDN GW之間的分組數(shù)據(jù)連接，保證終端在WLAN和移動網(wǎng)之間移動時的業(yè)務(wù)連續(xù)性。S2c承載接入部分可以是授信的WLAN網(wǎng)絡(luò)，也可以是非授信的WLAN網(wǎng)絡(luò)，基于S2c接口非漫游場景下的組網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

在基于S2a和S2b的融合架構(gòu)中，授信WLAN接入需要改造接入路由器或者部署TWAG，使其支持PMIP的MAG（Mobile Access Gateway）功能或GTP功能，而非授信WLAN接入需要增加ePDG節(jié)點(diǎn)來處理移動性，且要求終端支持到ePDG之間的IPSec隧道。S2b架構(gòu)針對非授信網(wǎng)絡(luò)，對WLAN的改造小，但需要在EPC中部署ePDG，另外對終端的要求也較高，除了需要支持EAP-AKA（Extensible Authentication Protocol Method for 3rd Generation Authentication and Key Agreement）認(rèn)證，還需要支持通過IKEv2（Internet Key Exchange version 2）與ePDG建立IPSec隧道。而S2a架構(gòu)針對授信的WLAN網(wǎng)絡(luò)接入，對終端的要求低，且對EPC的改造小，改造量主要集中在WLAN網(wǎng)絡(luò)側(cè)，WLAN的AC/BRAS或者TWAG需要支持EAP-AKA認(rèn)證報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)，支持漫游和PMIPv6或者GTP。S2c方案支持授信或非授信WLAN接入，但對終端要求很高，要求支持IPSec和DSMIP協(xié)議，同時廠商在S2c方案中專利較多，運(yùn)營商很容易受到廠商的制約。

目前國內(nèi)三大運(yùn)營商的WLAN網(wǎng)絡(luò)均是自建，可視為授信接入方式，綜合上述分析，建議采用建議采用S2a接入方案，如圖3所示，在授信WLAN中部署TWAG（Trusted WLAN Access Gateway）以及TWAP（Trusted WLAN AAA Proxy），實(shí)現(xiàn)與PGW的數(shù)據(jù)連接和用戶管理，減少對大量WLAN接入設(shè)備的改造工作。

四、WLAN與LTE無線網(wǎng)融合方案

目前的3GPP協(xié)議支持WLAN與LTE在EPC層面的融合，包括WLAN與LTE之間連續(xù)和無縫服務(wù)的場景。3GPP在R12版本中已經(jīng)開始研究WLAN和LTE在RAN（Radio Access Network）層面的融合，首先明確了在RAN層面融合的需求，包括：

1）支持WLAN和3GPP雙向負(fù)載均衡，以提供更大的系統(tǒng)容量。

2）能改善系統(tǒng)性能和用戶體驗(yàn)。

3）在WLAN可用且無擁塞的情況下，能提高WLAN的利用率。

4）減少終端因搜索WLAN網(wǎng)絡(luò)造成的電池消耗。

5）與現(xiàn)有的核心網(wǎng)互操作功能兼容，比如連續(xù)和無縫業(yè)務(wù)，流量卸載，授信和非授信WLAN接入等。

6）后向兼容3GPP和WLAN的規(guī)范。

7）基于現(xiàn)有的WLAN功能，避免對IEEE和WFA規(guī)范作出過多修改。

8）目標(biāo)WLAN的區(qū)分。

9）基于UE的流量控制。

10）避免WLAN和3GPP網(wǎng)絡(luò)間的乒乓選擇。

針對以上需求，在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)無法滿足的情況下，需研究其解決方案，并評估這些解決方案對現(xiàn)有功能及核心網(wǎng)側(cè)互操作機(jī)制的影響，比如在蜂窩網(wǎng)RRM中對WLAN進(jìn)行管理，依據(jù)UE的無線鏈路質(zhì)量，回傳鏈路質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷等因素，使UE選擇合適的網(wǎng)絡(luò)駐留或在不同網(wǎng)絡(luò)間切換等。目前3GPP提出了以下幾種無線側(cè)融合候選方案。

方案一，RAN通過廣播信令提供輔助的信息給UE，UE利用檢測到的信息，結(jié)合WLAN AP提供的信息、ANDSF（Access Network Discovery and Selection Function）設(shè)定的策略，或現(xiàn)有的OMA-DM（Open Mobile Alliance-Device Management）機(jī)制，或UE的預(yù)先設(shè)置，分流部分流量到WLAN或者RAN。

方案二，卸載規(guī)則在RAN規(guī)范中定義，RAN通過專用信令或者廣播信令，下發(fā)門限參數(shù)，UE根據(jù)相應(yīng)規(guī)則，執(zhí)行雙向的流量卸載，并優(yōu)先考慮用戶的喜好。

方案三，對于RRC_CONNECTED/CELL_DCH狀態(tài)的用戶，業(yè)務(wù)分流由網(wǎng)絡(luò)控制，eNB配置測量的過程和目標(biāo)WLAN識別碼，然后根據(jù)UE上報(bào)的RAN和WLAN測量報(bào)告，及當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，發(fā)送Steering Command給UE。而對于IDLE/CELL_FACH/CELL_PCH/和URA_PCH狀態(tài)的UE，同前兩種方案。

3GPP提出了以上3種方案，但是哪一種方案最合適可行，目前尚未最終定論，還在進(jìn)一步探討中。

五、WLAN與LTE融合標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

3GPP對WLAN與LTE等移動網(wǎng)絡(luò)在核心網(wǎng)層面融合的研究開始較早，最初的Rel 8版本只是實(shí)現(xiàn)了不同接入系統(tǒng)間業(yè)務(wù)流的整體遷移，之后Rel 10版本提出了MAPCON（Multiple Access PDN Connection）和IFOM（IP Flow Mobility）技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)UE同時通過3GPP和非3GPP接入PDN，并且IP流在不同的接入系統(tǒng)間動態(tài)遷移，實(shí)現(xiàn)無縫切換和業(yè)務(wù)分流。在Rel 11版本，3GPP對DIDA（Data identification in ANDSF）和SaMOG方案進(jìn)行了研究，DIDA方案對ANDSF功能進(jìn)行增強(qiáng)，使得運(yùn)營商對網(wǎng)絡(luò)中每個應(yīng)用或IP流的使用都能進(jìn)行資源控制，而SaMOG（S2a-based Mobility over GTP）方案，因?qū)K端要求不高，對核心網(wǎng)改造少，成為眾多運(yùn)營商的首選方案。在即將凍結(jié)的R12版本中，除了一些核心網(wǎng)層面的融合增強(qiáng)方案，如eSaMOG， WORM， IARP等外，3GPP還啟動了無線側(cè)融合的研究，研究基于UE接入鏈路質(zhì)量，ANDSF策略，RAN策略的無縫業(yè)務(wù)分流方案。將來無線側(cè)融合方案的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)利用率和用戶體驗(yàn)。

六、結(jié)束語

WLAN與LTE融合，目前的方案還僅限于移動核心網(wǎng)側(cè)和用戶終端側(cè)的融合，如聯(lián)合計(jì)費(fèi)和用戶管理，UE自動網(wǎng)絡(luò)選擇、MAPCON、IFOM業(yè)務(wù)分流等技術(shù)方案。而針對移動無線側(cè)的融合方案，目前還處于起步階段，成熟方案的確定和實(shí)現(xiàn)還需要一段時間。移動運(yùn)營商在實(shí)際部署中，選擇哪種WLAN與LTE的融合架構(gòu)，取決于運(yùn)營商的運(yùn)營策略，現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)和WLAN的實(shí)際情況。總之，利用WLAN作為LTE網(wǎng)絡(luò)的重要補(bǔ)充，兩網(wǎng)融合協(xié)同發(fā)展，不但是移動運(yùn)營商與廣大用戶的實(shí)際需求，也是未來技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。

附：個人簡介及聯(lián)系方式

第一作者：通訊地址：河南省鄭州市二七區(qū)中原東路102號， 郵編：450052。電話：18137116089，Email： guxf5@163.com

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 3GPP TS 23.234 3GPP system to Wireless Local Area Network （WLAN） interworking （Release 12） [S].

[2] 3GPP TS 23.402 Architecture enhancements for non-3GPP accesses （Release 12） [S].

[3] 3GPP TS 33.402 Security aspects of non-3GPP accesses （Release 12） [S].

[4] 3GPP TS 37.834 Study on Wireless Local Area Network （WLAN） - 3GPP radio interworking （Release 12） [S].

[5] 3GPP TS 23.327 Mobility between 3GPP-Wireless Local Area Network interworking and 3GPP systems （Release 12） [S].

[6] 蔣軍. WLAN與LTE網(wǎng)絡(luò)融合部署研究[J]. 郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2014（11）. 30-34

[7] 孟軍. WLAN與移動網(wǎng)絡(luò)融合研究[J]. 中興通訊技術(shù)， 2010（5）. 20-21

[8] 梁鵬，劉志勇. 一種WLAN與LTE網(wǎng)絡(luò)融合方案[J]. 信息通信技術(shù)，2012（3）. 42-45