異構融合網絡體系技術

雷小燕+李鵬翔+霍玉臻

Heterogeneous Converged Network System

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 （2014） 01-0054-05

摘要：將WLAN和蜂窩網絡進行融合形成了異構融合網絡體系，研究并分析了該體系的若干關鍵技術。該異構融合網絡體系能夠有效實現用戶無感知接入WLAN網絡，降低終端的功耗，盡可能地利用現有的網絡資源，充分體現用戶意愿，并提高用戶業(yè)務體驗，另外還能夠優(yōu)化運營商網絡資源的使用、管理和控制，為運營商網絡部署和運營提供重要的參考價值。

關鍵詞：無線局域網；演進的分組核心網；接入網發(fā)現和選擇；無感知接入

Abstract： In this paper， we describe the integration of two kinds of heterogeneous networks： WLAN and cellular. We analyze the key technology in a heterogeneous converged network system， which realizes non-perceptive access WLAN， saves terminal battery， efficiently uses existing network resources， and improves user experience. A heterogeneous converged network system also can better use and manage operator network resources. This paper also is a reference for operators deploying networks for the future.

Key words： wireless local area networks； evolved packet core network； access network discovery and selection function； non-perceptive access

隨著移動通信和互聯網技術的高速發(fā)展，大量不同類型的通信網絡不斷涌現，使用戶置身于一種復雜多樣的異構網絡環(huán)境中。目前的網絡形式種類繁多并各具特點，相互之間形成一種共同存并發(fā)展的關系。

目前的移動網絡包括全球移動通信系統(tǒng)（GSM）、時分同步碼分多址（TD-SCDMA）、寬帶碼分多址（WCDMA）、碼分多址2000（CDMA 2000）、長期演進（LTE）等多種制式，各移動網絡之間呈現疊加式的演進發(fā)展。但移動網絡發(fā)展的速度遠遠趕不上移動用戶的增長速度，近年來移動用戶以每年1億人的速度迅猛增長。

隨著用戶數的增長，移動網絡數據業(yè)務流量也呈爆炸式增長，遠遠超過移動網絡的負荷，再加上移動網絡空口資源的短缺，現有的移動網絡已經無法滿足用戶的需求，不能更好地為用戶提供服務，迫切需要出現一種新技術或者新方案來解決目前這種狀況。

隨著無線局域網（WLAN）技術的成熟、WLAN速度的快速提高（802.11n的最高速率已達540 Mbit/s）以及WLAN的頻率優(yōu)勢，WLAN網絡得到了大規(guī)模部署，但由于WLAN網絡本身的一些缺點，如覆蓋范圍有限，不能保證用戶的移動性，不能給用戶提供很好的服務質量（QoS）保證，對終端功耗要求高以及前期WLAN網絡的弱安全性等，使WLAN網絡處于熱建冷用的狀態(tài)。

因此異構網絡融合成為下一代網絡發(fā)展的必然趨勢，業(yè)界已經開展了不少關于異構網絡融合的研究，其側重點與文章所研究的不太相同，如文獻[1]側重于異構無線網絡的融合，通過集中架構的射頻控制服務器和接入點來實現WiMAX和B3G/4G多個異構無線網絡之間的融合，進而減少異構融合網絡的無線側信令，節(jié)約終端能量消耗。

文章主要從總體框架上研究蜂窩網和WLAN兩種異構網絡的融合，利用蜂窩網為用戶提供很好的移動性和QoS保障，并利用WLAN網絡的廣覆蓋把對QoS和移動性要求不高的業(yè)務流通過WLAN分流走，這就能充分利用WLAN的網絡資源，同時緩解蜂窩網緊缺的空口資源，保證用戶的業(yè)務體驗，進而優(yōu)化運營商網絡的使用、管理和控制。文章還將接入網發(fā)現和選擇功能（ANDSF）[2]和廣告服務器（GAS）[3]合一，為用戶提供選網策略，從而實現用戶的WLAN無感知接入。

1 異構融合網絡體系研究

異構融合網絡體系包括WLAN接入網和蜂窩網，其中蜂窩網包含WCDMA、TD-CDMA和LTE 3種接入方式。異構融合網絡體系關鍵技術有WLAN無感知接入、WLAN可信任接入演進的分組核心網（EPC）、并行接入以及多種接入方式之間流遷移等幾個方面。

1.1 異構融合網絡體系架構

圖1是異構融合網絡體系架構示意圖，圖中列了4種不同的接入網技術，分別為WLAN接入網、WCDMA接入網、TD-SCDMA接入網以及LTE接入網。其中WLAN接入網被認為是可信任的，終端從WLAN通過可信任的WLAN接入網關（TWAG）接入核心網[4]。TWAG和分組數據網關（P-GW）之間是S2a接口，可信任的WLAN項目鑒權、授權和計費（AAA）代理（TWAP）和第三代合作伙伴（3GPP）項目AAA之間是STa接口，用于傳輸簽約數據、鑒權信息等。終端通過S14接口同ANDSF/GAS連接，用于獲取接入網絡信息以及流遷移策略和系統(tǒng)間切換策略。

異構融合網絡體系架構中將ANDSF和GAS合設，能夠有效實現WLAN選網和3GPP選網策略統(tǒng)一，實現終端無感知打開和關閉WLAN開關，并降低終端的功耗。同時能通過WLAN可信任接入EPC，訪問運營商的自營業(yè)務和Internet業(yè)務。同時還能通過多種接入網絡同時接入EPC，多種接入技術同時錨定在同一個分組數據網關（P-GW）上時，接入技術之間可以進行業(yè)務流的平滑遷移。這能充分利用現有的網絡資源，優(yōu)化運營商網絡資源的使用、管理和控制。

1.2 異構融合網絡體系關鍵技術

1.2.1 WLAN無感知接入

3GPP中采用ANDSF輔助終端進行網絡發(fā)現和選擇。ANDSF可以提供終端附近的接入網信息，指導終端進行網絡發(fā)現及選擇。除此之外，ANDSF還能夠提供系統(tǒng)間移動性策略（ISMP）信息和系統(tǒng)間路由策略（ISRP）信息，其中ISMP中包括接入網絡和接入技術的優(yōu)先級、有效區(qū)域和有效時間等，ISRP中包括一個或多個路由規(guī)則[2]。

Hotspot 2.0[5]（也稱為熱點2.0）是國際上正在研發(fā)的新一代WLAN技術，它以802.11u為基礎，實現了802.11u中的網絡發(fā)現和選擇功能。802.11u 中利用GAS輔助終端完成WLAN內的網絡發(fā)現和選擇，主要是由于GAS中存儲了WLAN網絡的部署位置、負載信息、鑒權類型等信息。

在接入網絡信息提供方面，Hotspot 2.0可提供ANDSF不能提供的部分信息，如場所名稱、漫游聯合列表、網絡接入標識符域名和可擴展的鑒權協(xié)議方式、可獲得的公共陸地移動網絡列表等。而ANDSF也具有Hotspot 2.0不具備的功能，如ANDSF脫網后也能夠提供接入網信息等，所以兩者的功能是互補的。

異構融合網絡體系中把ANDSF和GAS合設（如圖2所示），融合了ANDSF和GAS功能，這樣可以實現3GPP和WLAN網絡選擇的統(tǒng)一，指導用戶無感知接入WLAN。

在接入階段，終端通過3GPP蜂窩網上報自己的位置信息，并從ANDSF/GAS獲得WLAN網絡部署情況，終端發(fā)現可接入的WLAN網絡后，自動開啟WLAN功能，并自動接入WLAN網絡。

在關閉階段，若終端發(fā)生移動，終端可以通過3GPP蜂窩網上報自己的位置信息，并從ANDSF/GAS獲得所在位置處WLAN網絡部署情況。終端發(fā)現無可接入的WLAN網絡后，終端自動斷開WLAN連接，自動關閉WLAN功能，完成用戶無感知WLAN關閉。

如上所述，將ANDSF與Hotspot 2.0結合后，終端能自動打開或關閉WLAN開關，實現用戶無感知接入WLAN網絡，并通過WLAN網絡訪問Internet業(yè)務。同時在用戶自動打開WLAN功能，接入WLAN網絡之前，ANDSF/GAS能對終端可接入的運營商進行篩選，通過對運營商進行篩選，可以只為用戶提供可接入運營商的接入點（AP），從而進一步提高了接入網絡篩選的精度，縮小了可選AP的地址范圍，降低了終端的功耗，如圖3所示。如果終端屬于服務集標志2（SSID2）運營商，則對存在多個運營商AP的情況下，可以只為終端提供SSID2的AP。同時ANDSF/GAS服務器還可為用戶提供AP的經緯度、市內位置等信息，供終端展示給用戶，提高了用戶體驗，如圖4所示。終端通過無感知接入WLAN網絡訪問Internet業(yè)務，能有效利用WLAN的網絡資源，降低蜂窩網數據負荷，緩解蜂窩網空口資源短缺。

1.2.2 通過WLAN可信任接入EPC

現有的通過WLAN接入網接入EPC的方式要求終端和網絡都支持IP安全（IPSec）或雙棧移動IP （DSMIP）功能，這對網絡和終端的要求很高，現有終端一般都不支持IPSec和DSMIP功能，同時由于WLAN安全性能的提高和完善，越來越多的人認為WLAN接入網是可信任的。因此在異構融合網絡體系中，終端從WLAN以可信任的方式接入EPC，訪問運營商的自營業(yè)務和Internet業(yè)務。如圖5所示。圖中TWAG、TWAP、接入控制器（AC）、寬帶遠程接入服務器（BRAS）的物理位置并不是唯一的，相互之間可以分離也可以合一，或者兩兩合一。TWAG和P-GW之間采用GPRS隧道協(xié)議（GTP）。TWAG/TWAP和AC/BRAS分離時，相互之間可以通過通用路由封裝（GRE）隧道連接。

終端通過WLAN以可信任的方式接入EPC，這對終端沒有特殊的要求，并且對現有網絡影響小，只需現有網元升級支持TWAG/TWAP功能或者新增TWAG/TWAP網元就能實現。從而降低了網絡復雜度，使網絡易于運營和部署，能兼容現有的終端，不需要終端做任何增強。同時終端通過WLAN接入EPC能有效利用WLAN的網絡資源，減低蜂窩網數據業(yè)務負荷，解決蜂窩網空口資源的緊缺。對同時通過蜂窩和WLAN接入EPC的用戶來說，還能保證業(yè)務的連續(xù)性，提升用戶的業(yè)務體驗，優(yōu)化運營商網絡資源的使用、管理和控制。

1.2.3 并行接入和流遷移

對能支持多接入的終端來說，當同時存在多個網絡覆蓋時，用戶可以同時從多個網絡接入。如圖6所示，當同時存在蜂窩網和WLAN覆蓋時，終端根據ANDSF/GAS服務器提供的接入網絡信息，可以同時通過3G、LTE和WLAN接入網接入EPC，通過P-GW訪問運營商提供的自營業(yè)務以及Internet業(yè)務。

當終端從不同的接入網絡并行接入時，如果錨定在同一個P-GW上，則能夠實現多種接入技術之間業(yè)務流的平滑遷移，如圖7所示。并行接入的終端可以實時從ANDSF/GAS處獲取接入網絡的狀況、網絡負荷以及流遷移策略等信息。終端根據從ANDSF處收到的策略信息以及自身的意愿，可以讓多種接入技術之間的業(yè)務流進行平滑遷移。當終端想進行流遷移時，終端把流遷移策略通過應用軟件傳遞給P-GW，利用該應用層的交互實現流遷移策略的協(xié)商。P-GW和終端完成流遷移策略協(xié)商之后，各自根據協(xié)商后的流遷移策略，為用戶的上下行數據選擇網絡，從而實現業(yè)務流平滑遷移。

圖7中的Flow 1是終端通過WLAN接入EPC訪問外部Internet業(yè)務的數據流，圖中用紅線表示。當終端由于自身意愿改變想移出WLAN或者根據ANDSF下發(fā)的網絡狀況（由于用戶移動而WLAN信號減弱）信息判斷出此時WLAN信息很弱，已經不能繼續(xù)給用戶提供想要的服務時，為了保證業(yè)務數據流Flow 1的連續(xù)性，終端需要把業(yè)務流Flow 1遷移到此時覆蓋很好的蜂窩網內，終端就可以通過自身的應用軟件將此流遷移策略信息傳遞給P-GW，然后同P-GW協(xié)商此流的遷移策略，待P-GW和終端完成流遷移策略協(xié)商之后，P-GW則會根據收到的流遷移策略調整業(yè)務流Flow 1的下行走向，將Flow 1遷移到LTE網絡內，然后終端根據流遷移策略調整業(yè)務流Flow 1的上行走向，把業(yè)務數據流Flow 1遷移到LTE網絡內。圖中Flow 2是通過3G網絡接入訪問運營商自營業(yè)務的數據流，當由于蜂窩網內數據擁塞或者終端意愿發(fā)生改變以及其他原因，終端想把業(yè)務流Flow 2遷移到WLAN內時，終端同P-GW發(fā)起應用層協(xié)商過程，策略協(xié)商之后終端和P-GW根據協(xié)商后的流遷移策略，為Flow 2選擇上下行網絡，把Flow 2從3G網絡遷移到WLAN內，實現業(yè)務流的平滑遷移。

在多種接入方式之間做業(yè)務流的平滑遷移能充分體現用戶的意愿，有效利用現有的網絡資源。當存在WLAN覆蓋時，可以把對QoS和移動性要求不高的業(yè)務從蜂窩遷移到WLAN，這能解決蜂窩網空口資源短缺問題，又能充分利用現有的WLAN網絡資源。當某種接入網絡的無線環(huán)境發(fā)生改變時，能把該接入網絡內的業(yè)務數據流遷移到其他的接入網絡上，這能保證業(yè)務的連續(xù)性，又能提升用戶的業(yè)務體驗。流遷移還能優(yōu)化運營商網絡資源的使用、管理和控制。流遷移策略通過應用層協(xié)商完成，實現起來簡單、靈活方便。

實現業(yè)務流在多種接入技術之間平滑遷移對現有網元有影響，但對網元的影響主要是為了保證用戶從多個接入網并行接入時選擇到同一個P-GW。對現有網元的具體影響分析見表1。

2 結束語

文章主要研究了異構融合網絡體系，該體系把WLAN和蜂窩網進行融合，同時把ANDSF和GAS進行合一，利用ANDSF/GAS提供的選網策略實現WLAN的無感知接入。同時通過WLAN可信任接入EPC，有效利用WLAN的網絡資源，減低蜂窩網數據業(yè)務負荷，解決蜂窩網空口資源的緊缺。最后實現了終端通過多種接入網絡并行接入時的業(yè)務流平滑遷移，并利用應用層協(xié)商流遷移策略。文章所提方案實現方式簡單、靈活方便，平滑的流遷移能夠優(yōu)化運營商網絡資源的使用、管理和控制。

參考文獻

[1] Peng Mugen， Wang Wenbo. A unified architecture and key techniques for interworking between WiMAX and beyond 3G/4G systems [J]. Wireless personal communications.2008，45（1）：67-90.

[2] 3GPP TS23.402. Architecture Enhancements for Non-3GPP Accesses [S]. 2007.

[3] IEEE Std 802.11u?-2011. Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks - Specific requirements Part 11： Wireless LAN Medium Access Control （MAC） and Physical Layer （PHY） specifications Amendment 9： Interworking with External Networks[S].2006.

[4] TR23.852. Study on S2a Mobility based On GTP & WLAN access to EPC （SaMOG） [S].

[5] WFA_HS2-0_Technical_Specification_R2_V1.0[S].

作者簡介

雷小燕，湖南大學碩士畢業(yè)；現就職于中興通訊任技術預研工程師；現從事技術預研工作，研究方向為PS核心網、多接入技術。

李鵬翔，重慶郵電大學碩士畢業(yè)；現就職于中興通訊任技術預研工程師；現從事技術預研工作，研究方向為多接入技術。

霍玉臻，青島海洋大學碩士畢業(yè)；現就職于中興通訊任技術預研工程師；現從事3GPP、3GPP2、WLAN等通信技術的預研和標準研究。

在多種接入方式之間做業(yè)務流的平滑遷移能充分體現用戶的意愿，有效利用現有的網絡資源。當存在WLAN覆蓋時，可以把對QoS和移動性要求不高的業(yè)務從蜂窩遷移到WLAN，這能解決蜂窩網空口資源短缺問題，又能充分利用現有的WLAN網絡資源。當某種接入網絡的無線環(huán)境發(fā)生改變時，能把該接入網絡內的業(yè)務數據流遷移到其他的接入網絡上，這能保證業(yè)務的連續(xù)性，又能提升用戶的業(yè)務體驗。流遷移還能優(yōu)化運營商網絡資源的使用、管理和控制。流遷移策略通過應用層協(xié)商完成，實現起來簡單、靈活方便。

實現業(yè)務流在多種接入技術之間平滑遷移對現有網元有影響，但對網元的影響主要是為了保證用戶從多個接入網并行接入時選擇到同一個P-GW。對現有網元的具體影響分析見表1。

2 結束語

文章主要研究了異構融合網絡體系，該體系把WLAN和蜂窩網進行融合，同時把ANDSF和GAS進行合一，利用ANDSF/GAS提供的選網策略實現WLAN的無感知接入。同時通過WLAN可信任接入EPC，有效利用WLAN的網絡資源，減低蜂窩網數據業(yè)務負荷，解決蜂窩網空口資源的緊缺。最后實現了終端通過多種接入網絡并行接入時的業(yè)務流平滑遷移，并利用應用層協(xié)商流遷移策略。文章所提方案實現方式簡單、靈活方便，平滑的流遷移能夠優(yōu)化運營商網絡資源的使用、管理和控制。

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[4] TR23.852. Study on S2a Mobility based On GTP & WLAN access to EPC （SaMOG） [S].

[5] WFA_HS2-0_Technical_Specification_R2_V1.0[S].

作者簡介

雷小燕，湖南大學碩士畢業(yè)；現就職于中興通訊任技術預研工程師；現從事技術預研工作，研究方向為PS核心網、多接入技術。

李鵬翔，重慶郵電大學碩士畢業(yè)；現就職于中興通訊任技術預研工程師；現從事技術預研工作，研究方向為多接入技術。

霍玉臻，青島海洋大學碩士畢業(yè)；現就職于中興通訊任技術預研工程師；現從事3GPP、3GPP2、WLAN等通信技術的預研和標準研究。

在多種接入方式之間做業(yè)務流的平滑遷移能充分體現用戶的意愿，有效利用現有的網絡資源。當存在WLAN覆蓋時，可以把對QoS和移動性要求不高的業(yè)務從蜂窩遷移到WLAN，這能解決蜂窩網空口資源短缺問題，又能充分利用現有的WLAN網絡資源。當某種接入網絡的無線環(huán)境發(fā)生改變時，能把該接入網絡內的業(yè)務數據流遷移到其他的接入網絡上，這能保證業(yè)務的連續(xù)性，又能提升用戶的業(yè)務體驗。流遷移還能優(yōu)化運營商網絡資源的使用、管理和控制。流遷移策略通過應用層協(xié)商完成，實現起來簡單、靈活方便。

實現業(yè)務流在多種接入技術之間平滑遷移對現有網元有影響，但對網元的影響主要是為了保證用戶從多個接入網并行接入時選擇到同一個P-GW。對現有網元的具體影響分析見表1。

2 結束語

文章主要研究了異構融合網絡體系，該體系把WLAN和蜂窩網進行融合，同時把ANDSF和GAS進行合一，利用ANDSF/GAS提供的選網策略實現WLAN的無感知接入。同時通過WLAN可信任接入EPC，有效利用WLAN的網絡資源，減低蜂窩網數據業(yè)務負荷，解決蜂窩網空口資源的緊缺。最后實現了終端通過多種接入網絡并行接入時的業(yè)務流平滑遷移，并利用應用層協(xié)商流遷移策略。文章所提方案實現方式簡單、靈活方便，平滑的流遷移能夠優(yōu)化運營商網絡資源的使用、管理和控制。

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[1] Peng Mugen， Wang Wenbo. A unified architecture and key techniques for interworking between WiMAX and beyond 3G/4G systems [J]. Wireless personal communications.2008，45（1）：67-90.

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[4] TR23.852. Study on S2a Mobility based On GTP & WLAN access to EPC （SaMOG） [S].

[5] WFA_HS2-0_Technical_Specification_R2_V1.0[S].

作者簡介

雷小燕，湖南大學碩士畢業(yè)；現就職于中興通訊任技術預研工程師；現從事技術預研工作，研究方向為PS核心網、多接入技術。

李鵬翔，重慶郵電大學碩士畢業(yè)；現就職于中興通訊任技術預研工程師；現從事技術預研工作，研究方向為多接入技術。

霍玉臻，青島海洋大學碩士畢業(yè)；現就職于中興通訊任技術預研工程師；現從事3GPP、3GPP2、WLAN等通信技術的預研和標準研究。