基于ANDSF實(shí)現(xiàn)WLAN和蜂窩網(wǎng)間選網(wǎng)機(jī)制的增強(qiáng)

楊 靜，孫 滔，魏 冰

（1.北京郵電大學(xué) 北京100876；2.中國(guó)移動(dòng)通信研究院 北京100053）

1 引言

1.1 網(wǎng)絡(luò)選擇的功能概述

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量不斷增加、數(shù)據(jù)流量不斷增長(zhǎng)，導(dǎo)致無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源的加速消耗。2009年第3季度，美國(guó)主要市場(chǎng)峰值時(shí)段無(wú)線資源利用率達(dá)到80%～90%，iPhone在紐約地區(qū)的掉話率高達(dá)30%，收發(fā)一條Twitter消息甚至延遲15 min[1]。

無(wú)線接入網(wǎng)呈現(xiàn)異構(gòu)化的發(fā)展趨勢(shì)，WLAN是蜂窩網(wǎng)分流的重要手段。據(jù)Wi-Fi聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，截至2010年底，全球Wi-Fi用戶數(shù)已經(jīng)達(dá)到了6億。ABI Research預(yù)計(jì)，2014年將有90%的智能手機(jī)內(nèi)置Wi-Fi模塊，智能手機(jī)出貨量將超過9億部[2]。為滿足用戶對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，運(yùn)營(yíng)商對(duì)蜂窩網(wǎng)進(jìn)行了升級(jí)，同時(shí)引入WLAN等分擔(dān)數(shù)據(jù)流量的壓力，使無(wú)線接入網(wǎng)逐步向異構(gòu)化的方向發(fā)展。截至2010年底，中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司已經(jīng)建設(shè)無(wú)線熱點(diǎn)12萬(wàn)個(gè)，中國(guó)電信集團(tuán)公司建設(shè)無(wú)線熱點(diǎn)10萬(wàn)個(gè)，中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司建設(shè)無(wú)線熱點(diǎn)3萬(wàn)個(gè)[3]，各運(yùn)營(yíng)商對(duì)接入點(diǎn)（AP）的部署數(shù)目也相當(dāng)可觀。

為了合理利用網(wǎng)絡(luò)側(cè)資源、保證用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，選擇一個(gè)合適的接入網(wǎng)顯得尤其重要。智能終端的普及和發(fā)展使更多的終端具備同時(shí)接入多個(gè)接入網(wǎng)的能力，如何讓用戶在合適的時(shí)間、合適的地點(diǎn)選擇最合適的接入網(wǎng)，從而獲得最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用體驗(yàn)是運(yùn)營(yíng)商需要關(guān)注的問題。多連接管理中的網(wǎng)絡(luò)選擇機(jī)制可以根據(jù)用戶的地理位置、接入網(wǎng)的負(fù)載狀態(tài)、用戶的選擇偏好等因素進(jìn)行接入網(wǎng)的選擇，為終端提供最優(yōu)的選網(wǎng)策略，均衡了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載狀態(tài)，保證了業(yè)務(wù)的質(zhì)量，提高了用戶的體驗(yàn)。

1.2 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)選擇機(jī)制

現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)選擇機(jī)制包括用戶手動(dòng)選擇機(jī)制，即用戶根據(jù)終端提供的可用接入網(wǎng)信息，手動(dòng)選擇一個(gè)合適的接入網(wǎng)；終端的靜態(tài)配置機(jī)制，如iPhone在同時(shí)接入WLAN和蜂窩網(wǎng)時(shí)，靜態(tài)地選擇使用WLAN進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳送；基于ANDSF（access network discovery and selection function，接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)和選擇功能）的選網(wǎng)機(jī)制[4]；基于IEEE 802.11u的ANQP（access network query protocol，接入網(wǎng)查詢協(xié)議）[5]提供的選網(wǎng)信息等。

其中，ANDSF是由3GPP（the 3rd generation partnership project，第三代合作伙伴計(jì)劃）組織提出的一個(gè)選網(wǎng)策略單元，它可以根據(jù)終端上報(bào)的位置及用戶選網(wǎng)偏好等信息，為終端制定最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)選擇策略，幫助終端發(fā)現(xiàn)周圍可用的接入網(wǎng)（如蜂窩網(wǎng)、WLAN等），并協(xié)助終端選擇一個(gè)最合適的接入網(wǎng)。

2 ANDSF技術(shù)及相關(guān)WLAN新技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 ANDSF技術(shù)

基于ANDSF的選網(wǎng)機(jī)制如圖1所示，手機(jī)等終端可以通過多種接入方式，如3GPP接入方式（蜂窩網(wǎng)）、非3GPP接入方式（如WLAN），與Internet進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通信。非3GPP接入網(wǎng)按照運(yùn)營(yíng)商對(duì)網(wǎng)絡(luò)的信任程度，又分為可信非3GPP接入網(wǎng)和不可信非3GPP接入網(wǎng)。

ANDSF網(wǎng)元部署在蜂窩網(wǎng)的核心網(wǎng)中，通過S14接口與終端進(jìn)行通信，根據(jù)終端上報(bào)的位置信息及用戶選網(wǎng)偏好等信息輔助終端進(jìn)行接入網(wǎng)的選擇。S14接口是一個(gè)實(shí)現(xiàn)在IP層之上的接口，OMA-DM是推薦的實(shí)現(xiàn)方式，這需要網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)都支持OMA-DM協(xié)議。終端從ANDSF上獲取策略的方式有兩種：push方式（ANDSF主動(dòng)發(fā)起策略更新）和pull方式（UE向網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)起請(qǐng)求進(jìn)行策略的更新）。UE可以通過DNS或者DHCP方式來(lái)獲知ANDSF的地址。

ANDSF為終端提供可用接入網(wǎng)類型信息（如蜂窩網(wǎng)、WLAN）、接入網(wǎng)ID信息 （如Cell-ID、SSID（service set identifier，服務(wù)集標(biāo)識(shí)））、是否通過移動(dòng)核心網(wǎng)路由數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信息等。終端根據(jù)ANDSF下發(fā)的選網(wǎng)信息選擇合適的接入網(wǎng)，達(dá)到合理利用網(wǎng)絡(luò)資源、提高用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)的目的。

終端可以通過3GPP或非3GPP接入方式的S14接口與ANDSF進(jìn)行通信，獲取相應(yīng)的選網(wǎng)策略。ANDSF為終端提供3種網(wǎng)絡(luò)選擇策略，分別為系統(tǒng)間移動(dòng)性策略（inter-system mobility policy，ISMP）、接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)信息、系統(tǒng)間路由策略（inter-system routing policy，ISRP）[4]，策略詳細(xì)介紹如下。

·系統(tǒng)間移動(dòng)性策略：描述了終端在同一時(shí)刻只能接入一種接入網(wǎng)時(shí)，終端選擇使用哪種接入網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳送的策略。如終端可以選擇使用WLAN或蜂窩網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳送時(shí)，ANDSF考慮到WLAN負(fù)載較輕，建議終端選擇使用WLAN傳送數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

·接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)信息：ANDSF根據(jù)終端的請(qǐng)求提供其位置附近的可用接入網(wǎng)信息。該可用接入網(wǎng)信息包括接入技術(shù)類型（如WLAN、WiMAX）、無(wú)線接入網(wǎng)ID（如WLAN的SSID）等。

·系統(tǒng)間路由策略：描述了終端在同一時(shí)刻可以接入多種接入網(wǎng)時(shí)，數(shù)據(jù)分組在不同接入網(wǎng)上路由的策略。如當(dāng)終端同時(shí)接入WLAN和蜂窩網(wǎng)時(shí)，ANDSF建議FTP下載業(yè)務(wù)通過WLAN進(jìn)行路由，HTTP瀏覽業(yè)務(wù)通過蜂窩網(wǎng)進(jìn)行路由。

對(duì)于以上3種策略，ANDSF根據(jù)運(yùn)營(yíng)商的需求或漫游協(xié)約決定為終端提供所有的策略還是提供其中一種。更新終端策略的方法有兩種：一是網(wǎng)絡(luò)側(cè)觸發(fā)方法，即網(wǎng)絡(luò)側(cè)在條件滿足后，觸發(fā)ANDSF網(wǎng)元下發(fā)相應(yīng)的策略給終端，對(duì)終端的策略進(jìn)行更新；二是終端主動(dòng)請(qǐng)求策略，即終端主動(dòng)向ANDSF請(qǐng)求進(jìn)行策略更新，ANDSF再向終端下發(fā)新的策略。

ANDSF MO（management object，管理對(duì)象）是對(duì)系統(tǒng)間移動(dòng)性策略、系統(tǒng)間路由策略以及接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)信息進(jìn)行管理的對(duì)象，主要用于支持ANDSF對(duì)這3類信息的存儲(chǔ)和供應(yīng)。OMA-DM架構(gòu)是策略架構(gòu)和傳輸協(xié)議的合一，將MO從選網(wǎng)策略服務(wù)器傳送到移動(dòng)設(shè)備。MO包括了終端用來(lái)進(jìn)行接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)和選擇所需的所有信息，即終端通過MO提供的信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)和選擇。

2.2 IEEE 802.11u及Hotspot2.0規(guī)范簡(jiǎn)介

IEEE 802.11u是IEEE組織提出的一種用增強(qiáng)無(wú)線局域網(wǎng)的MAC層來(lái)支持WLAN和外部網(wǎng)絡(luò)互通的規(guī)范。IEEE 802.11u的目標(biāo)是協(xié)助網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)和選擇，將緊急救援服務(wù)信息、簽約服務(wù)提供商的網(wǎng)絡(luò)接口信息等從外部網(wǎng)絡(luò)傳遞給IEEE 802.11u網(wǎng)絡(luò)，以支持它與外部網(wǎng)絡(luò)的互通[5]。

IEEE 802.11u使用管理幀和公共動(dòng)作幀在UE、WLAN的AP及外部網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行信息的交互，將外部網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞給終端以供其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)和選擇。管理幀包括信標(biāo)幀（beacon）、探測(cè)請(qǐng)求幀（probe request）和探測(cè)響應(yīng)幀（probe response）等，其中信標(biāo)幀和探測(cè)響應(yīng)幀包含ANQP信息元素。該ANQP信息元素包括場(chǎng)地名稱信息（如圖書館、候車室等）、網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證類型信息、可用的IP地址類型信息、網(wǎng)絡(luò)接入ID域列表、3GPP蜂窩網(wǎng)信息等。AP將外部網(wǎng)絡(luò)的有用信息封裝在探測(cè)響應(yīng)幀的ANQP元素里，傳遞給終端，以供終端進(jìn)行接入網(wǎng)的發(fā)現(xiàn)和選擇。

Hotspot2.0采用IEEE 802.11u協(xié)議實(shí)現(xiàn)終端和AP之間的通信，支持網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)、授權(quán)和分配訪問權(quán)限。Hotspot2.0的目的是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)之間的無(wú)縫漫游，解決用戶每次接入Wi-Fi都要認(rèn)證而導(dǎo)致數(shù)據(jù)中斷的問題。支持Hotspot2.0的接入點(diǎn)、終端、運(yùn)營(yíng)商及業(yè)務(wù)提供者，能夠支持并利用ANQP元素提供的一些信息輔助終端進(jìn)行接入網(wǎng)的發(fā)現(xiàn)和選擇。

ANDSF和IEEE 802.11u的目標(biāo)都是協(xié)助終端進(jìn)行接入網(wǎng)的發(fā)現(xiàn)和選擇。兩者的區(qū)別在于ANDSF是核心網(wǎng)的網(wǎng)元，可以隨時(shí)協(xié)助終端發(fā)現(xiàn)其周圍可用的接入網(wǎng)（包括蜂窩網(wǎng)、WLAN等），又因?yàn)镾14接口采用OMA-DM協(xié)議，所以目前ANDSF機(jī)制的實(shí)現(xiàn)是非實(shí)時(shí)性的；而IEEE 802.11u承載在WLAN的空中接口中，是實(shí)時(shí)性的選網(wǎng)機(jī)制，可以使終端根據(jù)獲得的管理幀信息來(lái)選擇一個(gè)合適的WLAN及后端網(wǎng)絡(luò)。兩者的聯(lián)系如下所述：

·ANDSF和IEEE 802.11u技術(shù)是互補(bǔ)的，ANDSF的MO需要升級(jí)才能使用IEEE 802.11u內(nèi)包含的信息；

·終端內(nèi)的ANDSF Client能夠使用ANQP提供的信息，并將其提供給ANDSF Server；

·終端可以綜合參考ANQP和MO提供的信息，選擇一個(gè)接入網(wǎng)；

·終端基于ANDSF提供的有效信息，選擇一個(gè)IEEE 802.11u網(wǎng) 絡(luò)[6]。

由于ANDSF的MO需要升級(jí)才能使用IEEE 802.11u包含的信息，而Hotspot2.0是基于IEEE 802.11u協(xié)議實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)的發(fā)現(xiàn)和選擇功能，因此，現(xiàn)有ANDSF方案還不支持IEEE 802.11u協(xié)議和具有Hotspot2.0功能的終端。

3 基于ANDSF的選網(wǎng)機(jī)制

3.1 ANDSF現(xiàn)有機(jī)制的局限性

在現(xiàn)有國(guó)際規(guī)范中，ANDSF可以提示終端附近可用的接入網(wǎng)信息，并下發(fā)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)選擇策略，詳細(xì)功能如下。

（1）根據(jù)終端上報(bào)的位置信息，下發(fā)終端附近可用的接入網(wǎng)信息

ANDSF可以根據(jù)終端上報(bào)的位置信息，如Cell_ID信息，查詢ANDSF數(shù)據(jù)庫(kù)，如表1所示，將數(shù) 據(jù)庫(kù)里該Cell_ID覆蓋的所有SSID和BSSID（WLAN接入點(diǎn)AP的MAC地址）下發(fā)給終端，以提示終端附近的可用接入網(wǎng)信息。

表1 ANDSF內(nèi)存儲(chǔ)的蜂窩網(wǎng)和WLAN之間的映射關(guān)系

一個(gè)蜂窩網(wǎng)小區(qū)（Cell-ID）有多個(gè)WLAN，表1僅能體現(xiàn)蜂窩網(wǎng)和WLAN之間的一種粗略的部署關(guān)系，不能精確地體現(xiàn)UE當(dāng)前位置周圍可用的WLAN接入網(wǎng)信息，從而不能有針對(duì)性地向UE提供網(wǎng)絡(luò)選擇策略。

由上所述，ANDSF下發(fā)的可用接入網(wǎng)信息不能精確覆蓋終端的可用SSID和BSSID信息，需要用戶參與復(fù)雜的操作，降低了用戶感知，增大了終端的選擇難度。

（2）根據(jù)終端上報(bào)的選網(wǎng)偏好等信息，下發(fā)相應(yīng)的選網(wǎng)策略

ANDSF可以根據(jù)終端上報(bào)的用戶選網(wǎng)偏好信息下發(fā)相應(yīng)的策略，使用戶選擇并接入自己偏好的網(wǎng)絡(luò)。

該功能未結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際使用情況制定選網(wǎng)策略，缺少網(wǎng)絡(luò)側(cè)負(fù)載狀況等信息，因此，終端不能合理地使用網(wǎng)絡(luò)資源，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不均衡。

為使終端能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)進(jìn)行接入網(wǎng)的選擇，減少用戶的參與程度，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡及保證用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)和選擇功能的優(yōu)化，需要對(duì)ANDSF進(jìn)行增強(qiáng)。

3.2 基于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的接入網(wǎng)選擇

為解決3.1節(jié)提出的選網(wǎng)局限性問題，使選網(wǎng)策略結(jié)合接入網(wǎng)的負(fù)載狀態(tài)并精確蜂窩網(wǎng)和WLAN的映射關(guān)系，本節(jié)提出了解決方案。終端需要將所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，如UE當(dāng)前所在的蜂窩網(wǎng)和WLAN的可用情況、WLAN接入點(diǎn)的MAC地址、各接入點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度等，準(zhǔn)確地上報(bào)給ANDSF；如圖2所示，ANDSF根據(jù)終端上報(bào)的信息向網(wǎng)管系統(tǒng)、用戶信息數(shù)據(jù)庫(kù)等進(jìn)行查詢，以獲得各接入網(wǎng)的負(fù)載情況和用戶相關(guān)信息；最后，ANDSF根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和用戶相關(guān)信息制定相應(yīng)的選網(wǎng)策略，協(xié)助終端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選擇。

圖2闡述的步驟如下。

（1）終端探測(cè)附近接入網(wǎng)信息并上報(bào)給ANDSF。終端探測(cè)周圍非3GPP接入網(wǎng)信息，如WLAN的SSID、AP的MAC地址（即BSSID）、對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度、信標(biāo)幀等，3GPP蜂窩網(wǎng)信息，如Cell_ID等，并在向ANDSF發(fā)送的策略請(qǐng)求信息中攜帶上述信息。

（2）ANDSF根據(jù)所獲信息查詢網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀態(tài)及用戶相關(guān)信息。ANDSF根據(jù)終端上報(bào)的Cell_ID向網(wǎng)管系統(tǒng)查詢對(duì)應(yīng)蜂窩網(wǎng)小區(qū)的負(fù)載信息，如表2所示，如當(dāng)前激活用戶數(shù)、物理資源塊利用率等；根據(jù)WLAN AP的MAC地址向網(wǎng)管系統(tǒng)查詢相應(yīng)AP的負(fù)載信息，如表3所示，如信道利用率、當(dāng)前接入或活躍的用戶數(shù)等。ANDSF從用戶信息數(shù)據(jù)庫(kù)獲取用戶的相關(guān)信息，如用戶可接入的SSID列表等。

表2 Cell_ID對(duì)應(yīng)的蜂窩網(wǎng)小區(qū)的負(fù)載信息

表3 WLAN AP的負(fù)載信息

（3）ANDSF根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載信息及用戶相關(guān)信息制定選網(wǎng)策略。ANDSF從網(wǎng)管系統(tǒng)獲取蜂窩網(wǎng)和WLAN的負(fù)載信息后，同時(shí)考慮用戶相關(guān)信息，如用戶簽約信息、個(gè)性化的行為特征等信息，制定最優(yōu)選網(wǎng)策略并下發(fā)給終端，形式如“接入SSID=SSID1，AP MAC=MAC1的接入點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)為1；接入SSID=SSID2，AP MAC=MAC2的接入點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)為2”等。

與現(xiàn)有機(jī)制相比，上述方案有如下優(yōu)點(diǎn)：

·終端上報(bào)WLAN AP的MAC地址，使ANDSF更加準(zhǔn)確地定位用戶可接入的WLAN信息，降低用戶參與選網(wǎng)的復(fù)雜程度；

·ANDSF能夠獲取蜂窩網(wǎng)和WLAN的負(fù)載狀態(tài)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況制定相應(yīng)的選網(wǎng)策略，不僅提升了用戶的選網(wǎng)感知，還實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡和資源協(xié)調(diào)；

·結(jié)合用戶相關(guān)信息（如可用的SSID列表、個(gè)性化的行為特征信息等）制定選網(wǎng)策略，可以做到針對(duì)用戶的個(gè)性化進(jìn)行接入網(wǎng)的選擇；

·為WLAN的選擇引入了類似蜂窩網(wǎng)的選網(wǎng)機(jī)制，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的智能型。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著WLAN熱點(diǎn)的大量部署以及具有Wi-Fi功能的智能終端的普及，如何保證用戶最優(yōu)的上網(wǎng)體驗(yàn)、合理地利用網(wǎng)絡(luò)資源成為運(yùn)營(yíng)商重點(diǎn)關(guān)注的問題。

本文通過分析WLAN的發(fā)展趨勢(shì)、用戶對(duì)手機(jī)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的使用需求以及多連接管理的重要性，主要介紹了終端基于ANDSF實(shí)現(xiàn)蜂窩網(wǎng)和WLAN之間網(wǎng)絡(luò)選擇的機(jī)制。通過分析ANDSF現(xiàn)有機(jī)制的局限性，本文提出了基于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行接入網(wǎng)選擇的方案，并進(jìn)行了重點(diǎn)闡述。該方案可以綜合考慮終端周圍可用的接入網(wǎng)負(fù)載信息（如蜂窩網(wǎng)小區(qū)的負(fù)載情況、WLAN接入點(diǎn)的負(fù)載情況）、用戶的簽約信息等，制定最優(yōu)的選網(wǎng)策略，不僅可以合理地利用各接入網(wǎng)的資源，達(dá)到各接入網(wǎng)的負(fù)載均衡，而且為擴(kuò)展與位置相關(guān)的業(yè)務(wù)提供了基礎(chǔ)。

1 工業(yè)和信息化部電信研究院.移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)白皮書(2011年),2011

2 ABI-中文互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)研究資訊中心.http://www.it199.cn/

3 烽火科技運(yùn)營(yíng)級(jí)WLAN力助移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展.http://www.cnii.com.cn/qyz/content/2011-09/22/content_919514.htm,2011

4 3GPP TS 23.402.Architecture Enhancements for Non-3GPP Accesses,2011

5 IEEE 802.11u.Interworking with External Networks,2011

6 GSM Association-Wireless Broadband Alliance(WBA).Wi-Fi Roaming Whitepaper(Version 0.3),2011

7 3GPP TS 24.302.Access to the 3GPP Evolved Packet Core(EPC)via Non-3GPP Access Networks,2011

8 3GPP TS 24.312.Access Network Discovery and Selection Function(ANDSF)Management Object(MO),2011