異構無線網絡組網結構及網絡選擇的探討

陽旭艷

摘要：為了在將來實現個人通信的目標，必須在開發更多頻段的同時，使已開發的頻帶資源更有效地為用戶服務，不同的無線通信系統就必須協同工作形成一個‘畀構無線通信環境”。文章在介紹異構無線網絡相關概念的基礎上，著重研究了異構無線接入網絡的組網結構問題并提出了組網建議。最后，對異構網絡的選擇問題進行了初步的探討。

關鍵詞：異構無線網絡；松散耦合組網；緊密耦合組網；位置管理；切換管理

1.無線技術研究背景

隨著無線應用的快速增長，采用單一的2G或3G無線技術的業務和設備都已不能滿足移動用戶無縫覆蓋下的高速數據分發和Qos支持。下一代無線系統應該被設計成為一種異構的形式，移動用戶或設備終端可以同時連接到多個無線網絡（例如，WLAN、蜂窩網、WMAN）。異構無線系統就能滿足這樣的要求，能夠實現高效的無線資源利用，無縫的切換，全域漫游，并能在高層面通過業務和應用的緊密結合和負荷均衡來保證Qos。總而言之，在這樣的一個異構無線接入網絡中，移動用戶能夠通過無縫方式接入到Internet。從服務提供商的角度來講，這些無線資源應該被高效管理起來，以期系統容量最大化和獲得較高的投資回報。

異構無線接入系統中的協議工程和架構設計是一個比較新的研究領域。負荷均衡和網絡選擇、資源分配和接納控制，快速有效的垂直切換機制，基于端到端的Qos保證都是與異構無線接入網絡發展相關的研究課題。在本文中，筆者著重對異構無線接入網絡的組網結構問題作綜述性研究。

2.異構無線接入網結構概覽及相關概念

2.1結構概覽

異構網絡的總體結構都可以如圖1所示。在該圖中用戶設備應裝備多種模式的無線接入接口，以應對不同的接入技術。WLAN作為高速數據的接入網絡，既可單獨存在，也可以同蜂窩網、3G，WiMAX等移動通信網絡重合覆蓋。在一些實時性要求較高的應用中，用戶通過固定帶寬的移動通信網接入至Internet，而非實時性的交互數據則可以切換至WLAN接入Internet。WLAN中的無線接入節點為AP，蜂窩/3G網的無線接入節點為NodeB，而wiMAX的無線接入節點為RAS。

2.2相關定義及概念

由于用戶設備裝備了多種模式的無線接入接口，所以用戶可以通過一些策略在各個網絡間漫游，這就引出了用戶移動性管理的問題。這個問題主要包含兩個方面，即位置管理和切換管理。

在異構無線網絡的背景下，會發生技術內和技術間兩種切換類型。技術內切換其實就是傳統意義上的水平切換，其指的是移動終端漫游時采用相同的無線接入技術在兩個接入點或基站中進行。與之對應的是技術間換切換，也稱之為垂直切換，指的是移動終端漫游時采用不同的無線接入技術在兩個接入點或基站中進行。垂直切換和水平切換最主要的區別在于對稱性。水平切換是一個對稱的切換過程，而垂直切換是一個不對稱的切換過程，因為兩個網絡在切換時的特性不一樣。

在多種接入網絡都可用的情況下，以較低成本獲得更高吞吐量性能的網絡我們定義為優選網絡。這樣，就會有兩種場景：移出優選網絡和移進優選網絡。只要優選網絡滿足用戶應用需求，最好就把優選網絡綁定給該用戶。這將大大提高接入網絡的資源利用率和用戶的QoS感知。

3.組網建議

前面已經提到，異構無線網絡可分為松散組網和緊密組網兩類，其組織結構比較靈活，但不同的組網方式下，就會有不同的資源管理和切換機制，從而影響最終的QoS。目前來講，雖然有各種不同的WLAN整合3G（或UMTS）網絡的組網建議，但根據各網絡獨立情況，歐洲電信標準組織將其定義為兩種基本方法：松散耦合和緊密耦合。

3.1松散耦合組網

松散耦合組網表示各個無線接入網絡間基本保持獨立，各個網絡協同完成用戶的業務請求，用戶數據可以在各個網絡內部進行自主交互和分發。圖2表示了一種典型的松散耦合組網的方案。其中，每個網絡都有各自的網關，如蜂窩網的SGSN，WiMAX的Gateway，和WLAN中的Gateway。每個網關都支持在各個網絡中使用移動IP技術，以實現漫游業務的認證和計費。所有的網關都通過UMTS AAA服務器接入到Internet中，而不再有到達3G/UMTS網絡的直連線路。這樣，WiMAX和WLAN中的用戶數據就不用通過3G/UMTS的核心網，而是直接到達Internet。

3.2緊密耦合組網

在緊密耦合組網方案中，WLAN和WiMAx會作為一種純粹的接入網連接到3G/UMTS網絡當中去，成為一個UMTS的陸地RAN（UTRAN）。WLAN和WiMAX的Gateway都被集成到3G/UMTS的核心網中去，在各自的網絡中，都執行統一的3G協議，包括移動性管理、認證管理等等。WLAN或WiMAX中的所有用戶數據都將通過3G/UMTS的核心網，再到達Internet。而且網絡中的各種信令也會在核心網中完成。這樣，WLAN和WiMAX中需要對各自的協議進行調整和修改以支持3G協議的集中化認證、計費和網絡管理。

圖3中，虛擬GPRS支持節點（VGSN）對信令修改程度較小，它用來連接WLAN，WiMAX和UMTS，主要的功能是交換用戶信息和移動性信息，以便在整合的網絡中提供分組路由。VGSN使各個網絡能夠獨立處理各自的用戶信令，而不需要支持移動IP技術。但最終會把各自的信令轉化為3G信令，通過核心網交互。

圖4中，將wLAN的Gateway調整為GPRS互聯模塊（GIF），再與WiMAX網關和RNC一起連接到SGSN中，這樣處理的好處是，在進行網絡間的切換時，完全依靠SGSN來完成，省去了多個網元間的協同通信，降低了網絡的信令開銷和傳輸時延，切換時延較前兩者優勢明顯。

4.結語

從業務應用和用戶體驗的趨勢來看，今后的無線接入網絡必然走向融合和異構。異構網絡要求各個無線接入網絡間能夠互聯，勢必會帶來協同合作和QoS保證的諸多問題。本文對異構網發展的背景作了簡要的概述，并就其中的關鍵概念作了介紹，并對松散耦合組網和緊密耦合組網進行了初步分析，尤其對兩種方案各自的優缺點作了明確比較。在今后的研究中，還將就組網中的信令流程和網絡選擇問題作進一步探索。