面向5G的多網(wǎng)融合研究

劉云璐，楊 光，楊 寧，陳 卓，胡 南，李 男，謝 芳，金 巴，劉光毅

（中國移動通信有限公司研究院無線技術(shù)研究所 北京100053）

1 引言

隨著視頻交互、上傳下載、增強現(xiàn)實等業(yè)務(wù)種類越來越豐富且越來越普及，在未來的5G通信系統(tǒng)中，用戶期望通過極高的接入速率接入無線網(wǎng)絡(luò)，同時期望更短的接入時延和傳輸時間，這對于一些實時交互的業(yè)務(wù)是極為重要的用戶體驗。另外，用戶也希望在不同的現(xiàn)實場景中都能得到同質(zhì)、優(yōu)質(zhì)的用戶體驗，比如在高速移動的交通工具上、在商業(yè)中心或者在比賽場館等人群密集區(qū)。

目前，大多數(shù)運營商都同時部署并維護著多個移動通信網(wǎng)絡(luò)，包括2G、3G以及最近兩年剛剛開始商用的LTE網(wǎng)絡(luò)。同時，運營商也已經(jīng)部署了大規(guī)模的Wi-Fi熱點，用以分擔(dān)電信網(wǎng)的數(shù)據(jù)流量負(fù)載。國外的運營商也面臨著類似的問題，如美國運營商AT&T，除2G、3G、LTE外，在美國的一些熱點地區(qū)部署了上千個Wi-Fi接入點，即使2016年2G退網(wǎng)后，也有3G、LTE、Wi-Fi在同時運營。

但多網(wǎng)運營存在著很多問題，具體如下。

·多張網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不同，需獨立維護，給運營商帶來了很大的部署以及運營維護成本。

·負(fù)載在各個網(wǎng)絡(luò)上無法實現(xiàn)靈活調(diào)度，網(wǎng)絡(luò)資源沒有得到最優(yōu)化的利用，存在嚴(yán)重的資源浪費。

·多網(wǎng)絡(luò)之間的互操作復(fù)雜，時延較大，更換網(wǎng)絡(luò)時會對實時性較強的業(yè)務(wù)產(chǎn)生影響。

·很多操作對用戶不透明，需要用戶手動參與，如需手動打開Wi-Fi等。

目前3GPP R12/R13標(biāo)準(zhǔn)啟動多個多網(wǎng)融合相關(guān)的WI/SI課題，其中包括正在進行中的多網(wǎng)協(xié)作研究課題，主要針對目前多網(wǎng)絡(luò)互操作、WLAN與3GPP間互操作增強以及多網(wǎng)間頻譜共享等[1]；還包括關(guān)于UMTS/HSPA和LTE互操作增強課題，期望能在UMTS/HSPA和LTE間打通接口；另外，很多公司也在共同推動WLAN/3GPP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)聚合課題立項及研究，計劃研究WLAN與3GPP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的聯(lián)合傳輸方案。

另外，NGMN、IMT2020等國內(nèi)外研究組織，也將多網(wǎng)融合納入5G研究的一個重要方向，并寫入相關(guān)白皮書和研究綱要中[2,3]。

各國學(xué)者也圍繞面向5G的多網(wǎng)融合技術(shù)展開了深入研究，提出了一些多網(wǎng)融合的架構(gòu)設(shè)計方案和理念[4～11]。

多網(wǎng)融合是目前以及未來一段時間各國的研究重點之一，本文將就這一議題，從其涉及的關(guān)鍵技術(shù)需求入手，結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的示例，給出一種多網(wǎng)融合解決方案以降低多網(wǎng)互操作復(fù)雜性，提高用戶體驗。

2 關(guān)鍵技術(shù)需求

多種無線接入技術(shù)長期共存是各運營商面臨的普遍現(xiàn)象，現(xiàn)有的多網(wǎng)絡(luò)兩兩間互操作并不利于整體效率以及用戶體驗的提升，面向5G通信系統(tǒng)，需要新型的多網(wǎng)融合技術(shù)，通過用戶/核心網(wǎng)透明的多網(wǎng)統(tǒng)一接入、無縫的移動性管理、資源的有效利用，實現(xiàn)資源利用率及網(wǎng)絡(luò)吞吐量的提高，降低網(wǎng)絡(luò)部署及運營成本，增強用戶體驗。

（1）用戶/核心網(wǎng)透明的多網(wǎng)統(tǒng)一接入

通過設(shè)計多網(wǎng)統(tǒng)一接入接口或接口適配層，構(gòu)造用戶透明的統(tǒng)一接入機制，在用戶無感知的情況下，靈活接入任意網(wǎng)絡(luò)，如LTE、Wi-Fi、5G，提供各類型網(wǎng)絡(luò)接入點的即插即用，即支持靈活的網(wǎng)絡(luò)接入類型擴展，避免對網(wǎng)絡(luò)側(cè)的影響及改動，并提供一定的向前向后兼容可擴展性。

將多網(wǎng)絡(luò)間的互操作從核心網(wǎng)下移，支持多網(wǎng)絡(luò)在更靠近用戶側(cè)融合，實現(xiàn)對核心網(wǎng)透明的多網(wǎng)絡(luò)接入，以減少多網(wǎng)互操作涉及節(jié)點，縮短多網(wǎng)絡(luò)互操作流程及路徑，降低互操作復(fù)雜度。

（2）無縫的移動性管理

終端可同時通過多個網(wǎng)絡(luò)接入，實現(xiàn)多流并行傳輸，并且可根據(jù)業(yè)務(wù)及網(wǎng)絡(luò)特性，將不同的業(yè)務(wù)承載在不同的網(wǎng)絡(luò)，從而提高吞吐量，增強用戶感受。

實現(xiàn)在多網(wǎng)絡(luò)/多類型接入點間的無縫移動，不僅保障在多網(wǎng)間移動時業(yè)務(wù)不中斷，吞吐量不降低，而且實現(xiàn)網(wǎng)間移動“零”時延，以滿足5G部分應(yīng)用對時延的高要求。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、協(xié)議棧設(shè)計、算法設(shè)計幾個方面共同考慮，設(shè)計完整的方案。

（3）資源的有效利用

在多連接技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合智能感知技術(shù)，對用戶和業(yè)務(wù)進行精細(xì)區(qū)分，保障用戶QoS，設(shè)計高效的多網(wǎng)數(shù)據(jù)分流機制及數(shù)據(jù)聚合算法，以使用最合適的資源承載最合適的業(yè)務(wù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源利用的最大化。對各個維度的資源，如時隙、頻譜等，進行多網(wǎng)絡(luò)間的靈活共享和調(diào)配，例如，對部分頻譜資源依據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)情況，進行靈活的劃分和調(diào)配，以對網(wǎng)絡(luò)資源實現(xiàn)更高效的利用和管理，具體還需要考慮網(wǎng)絡(luò)干擾、網(wǎng)絡(luò)覆蓋等問題。其中，用戶/核心網(wǎng)透明的多網(wǎng)統(tǒng)一接入及無縫的移動性管理是面向5G多網(wǎng)融合研究的兩大基本技術(shù)需求，是5G多網(wǎng)融合研究的重要內(nèi)容，也是進一步滿足資源有效利用需求的基礎(chǔ)。

3 多網(wǎng)融合方案

3.1 網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)

具體的多網(wǎng)融合方案與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是密不可分的，它既依托于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的實現(xiàn)，也是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計需要重點考慮的內(nèi)容之一。面向5G，通過分析可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)很難支撐和實現(xiàn)上述的關(guān)鍵技術(shù)需求，主要原因如下。

·目前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，各網(wǎng)絡(luò)設(shè)有獨立的接入機制和協(xié)議棧，對于每個網(wǎng)絡(luò)制式，NAS接口、空中接口和地面接口之間是端到端耦合的，并沒有一個接入側(cè)接口或模塊能夠?qū)Χ嗑W(wǎng)間的信息進行交互、翻譯以及統(tǒng)一處理。因此，多網(wǎng)的統(tǒng)一靈活接入難以實現(xiàn)，無線資源的靈活調(diào)配也缺乏有效通道。

·多網(wǎng)間的互操作也是端到端耦合的，基本是通過核心網(wǎng)進行交互，跨網(wǎng)絡(luò)互操作信令多、交互路徑較長、流程復(fù)雜、時延長，不能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)制式解耦，是松耦合的融合方式，多網(wǎng)間切換時延很難滿足5G需求，無法實現(xiàn)多網(wǎng)間靈活切換，網(wǎng)絡(luò)資源利用率很難提高。

·網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合方案僅能基于兩網(wǎng)之間進行，缺乏一個統(tǒng)一的錨點，以進行多于兩網(wǎng)間的數(shù)據(jù)統(tǒng)一分流和聚合，對于網(wǎng)絡(luò)容量和資源利用率提高具有很大的局限性。

·在多網(wǎng)絡(luò)混合布網(wǎng)且密集部署的情況下，終端在移動過程中必然經(jīng)歷多個不同網(wǎng)絡(luò)接入點的切換，如果切換過程中數(shù)據(jù)面中斷或具有相應(yīng)較長的時延，勢必給用戶體驗帶來很大的影響。

綜上所述，目前各網(wǎng)絡(luò)獨立的接入框架和相對松散的交互方式，很難實現(xiàn)多網(wǎng)間有效的融合互補，難以滿足對5G關(guān)鍵技術(shù)的期望。因此，有必要將多網(wǎng)融合放到5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計考慮中，設(shè)計便于多網(wǎng)統(tǒng)一融合管理的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

圖1為一個帶多網(wǎng)融合功能的邏輯架構(gòu)示例。在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，數(shù)據(jù)面和控制面是未完全分離的，比如，在用戶移動過程中，數(shù)據(jù)面的切換與控制面相互關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)面的切換時延受控制面的限制。因此，示例架構(gòu)通過將數(shù)據(jù)面與控制面徹底分離，將數(shù)據(jù)與信令完全解耦，實現(xiàn)數(shù)據(jù)連接與控制的相對獨立，為多網(wǎng)絡(luò)間靈活融合和切換提供了基礎(chǔ)，為多網(wǎng)間“零”時延切換提供了技術(shù)框架。為了縮短多網(wǎng)絡(luò)間互操作路徑，降低多網(wǎng)絡(luò)間互操作復(fù)雜度，在更靠近用戶的接入側(cè)，分別在控制面和數(shù)據(jù)面接入了兩個邏輯功能模塊：多網(wǎng)管理（multi-RAT management，MRM）模塊和數(shù)據(jù)中心（date center，DC）模塊。這為實現(xiàn)核心網(wǎng)和用戶透明的多網(wǎng)統(tǒng)一接入管理、多連接技術(shù)的采用、無縫移動性的實現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)資源共享以及網(wǎng)絡(luò)靈活可擴展等提供了框架基礎(chǔ)。下面分別對MRM模塊和DC模塊進行進一步闡述。

圖1 帶多網(wǎng)融合功能的5G邏輯架構(gòu)示例

MRM模塊主要提供多網(wǎng)融合錨點，將多網(wǎng)間交互從核心網(wǎng)下移。模塊主要通過用戶及核心網(wǎng)透明的多網(wǎng)統(tǒng)一融合管理，支持多連接技術(shù)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)配，減少用戶移動對吞吐量和時延的影響，并降低多網(wǎng)間互操作復(fù)雜性以及縮短互操作流程及路徑，從而提高用戶體驗，降低網(wǎng)絡(luò)運維成本，并通過提供適配多種網(wǎng)絡(luò)的接口，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的靈活可擴展性。具體地，MRM模塊承載了核心網(wǎng)側(cè)部分下沉的多網(wǎng)融合、移動性管理以及接入側(cè)的無線資源管理等功能，主要提供向上及向下透明高效的多網(wǎng)絡(luò)/多樣化接入點的統(tǒng)一接入和管理，其功能包括：多網(wǎng)/多樣接入點的統(tǒng)一接入、多網(wǎng)/多樣接入點間的無縫移動等。

DC模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)面的處理，包括數(shù)據(jù)的本地分流聚合處理和路由等，其與MRM模塊邏輯功能獨立，但存在交互接口，也可位于相同的物理實體中。具體地，DC模塊承載了數(shù)據(jù)面的主要功能，包括：本地數(shù)據(jù)緩存、本地路由轉(zhuǎn)發(fā)、本地數(shù)據(jù)分流及聚合以及本地分組檢測等。

3.2 用戶/核心網(wǎng)透明的多網(wǎng)統(tǒng)一接入管理

為了滿足多網(wǎng)間深度融合的需求，解決各網(wǎng)絡(luò)相對獨立、跨網(wǎng)絡(luò)互操作復(fù)雜的問題，基于引入MRM邏輯模塊的架構(gòu)，提出將多網(wǎng)絡(luò)間各自獨立的接入架構(gòu)變?yōu)榻y(tǒng)一接入的模式，如圖2所示。基于MRM模塊實現(xiàn)接入網(wǎng)和核心網(wǎng)解耦，根據(jù)業(yè)務(wù)承載的QoS需求選擇合適的無線承載，數(shù)據(jù)面和控制面靈活映射，跨制式切換過程中，空口制式發(fā)生改變，但控制面可以保持不變，這樣，涉及切換過程的流程大大簡化，切換流程的時延減小。

圖2 多網(wǎng)融合演進示意

多網(wǎng)統(tǒng)一接入管理的具體實現(xiàn)包括以下幾個方面。

（1）控制面的統(tǒng)一接入管理

將多網(wǎng)絡(luò)的控制面進行統(tǒng)一承載管理，如圖3所示，將控制面承載在廣覆蓋的宏基站，而數(shù)據(jù)面可靈活承載在不同網(wǎng)絡(luò)的接入點。同時實現(xiàn)了控制與承載的分離，當(dāng)終端數(shù)據(jù)面切換時，可以保持控制面不變。

（2）引入靈活的協(xié)議適配層

通過引入靈活的協(xié)議適配層，自適應(yīng)地匹配不同協(xié)議架構(gòu)或?qū)哟蔚亩嗑W(wǎng)絡(luò)接入，如圖3所示，具有不同協(xié)議架構(gòu)層次的接入點，在MRM/DC上有不同層次的協(xié)議架構(gòu)進行接入匹配，并在MRM/DC完成統(tǒng)一處理后，向上屏蔽多網(wǎng)間的差異，實現(xiàn)核心網(wǎng)透明的多網(wǎng)融合。

圖3 多網(wǎng)統(tǒng)一接入示例

（3）實現(xiàn)統(tǒng)一的信令解析

針對全局統(tǒng)籌的情況，進行統(tǒng)一控制，設(shè)置統(tǒng)一的信令解析，控制指令針對不同的網(wǎng)絡(luò)解析、不同的信令格式進行下發(fā)，并自適應(yīng)地解析各網(wǎng)絡(luò)不同的控制信令；還可以通過某一種網(wǎng)絡(luò)的信令承載其他網(wǎng)絡(luò)的信令，并由MRM模塊統(tǒng)一處理。

3.3 無縫的移動性管理

由前所述，引入MRM模塊和DC模塊，為解決多網(wǎng)絡(luò)間無縫移動提供了可選方案的框架基礎(chǔ)。具體地，可采用控制面單連接、數(shù)據(jù)面多連接的方式，采用某一制式廣覆蓋的宏小區(qū)作為控制面錨點，以保證移動性，而數(shù)據(jù)面由多小區(qū)構(gòu)成數(shù)據(jù)面服務(wù)集?？刂泼媾c數(shù)據(jù)面之間的交互由MRM模塊與DC模塊間的交互實現(xiàn)，不同網(wǎng)絡(luò)間控制信令的差異，如前文所述，由MRM模塊統(tǒng)一解析適配。

具體地，當(dāng)控制面發(fā)生切換時，數(shù)據(jù)面保持不變，即切換分為控制面切換和數(shù)據(jù)面切換，當(dāng)控制面切換時，源基站與目標(biāo)基站先執(zhí)行控制面連接切換，數(shù)據(jù)面繼續(xù)在源基站執(zhí)行上下行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)用戶完成控制面切換后，在目標(biāo)側(cè)建立新的數(shù)據(jù)面。用戶在新的數(shù)據(jù)面上進行上下行數(shù)據(jù)傳輸，同時，可通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無損和按序交付。多網(wǎng)絡(luò)部署示例如圖4所示。

圖4 多網(wǎng)絡(luò)部署示例

數(shù)據(jù)面由不同網(wǎng)絡(luò)接入點組成用戶服務(wù)集，如圖5所示，當(dāng)前終端連接服務(wù)的服務(wù)集為{c1,c2}，當(dāng)終端沿箭頭所示方向移動時，為其服務(wù)的接入點發(fā)生變化，服務(wù)集可隨用戶移動而動態(tài)配置,如{c1,c2,c3}→{c2,c3,c4}。當(dāng)終端在移動過程中服務(wù)集發(fā)生變化時，可優(yōu)先進行添加操作，再進行刪除操作，如{c1,c2}→{c2,c3}，先執(zhí)行小區(qū)添加{c1,c2}→{c1,c2,c3}，再執(zhí)行小區(qū)刪除{c1,c2,c3}→{c2,c3}，從而保證用戶數(shù)據(jù)無中斷以及吞吐量無下降。當(dāng)?shù)竭_(dá)服務(wù)集的控制面覆蓋范圍邊緣時，需要進行控制面切換。

圖5 數(shù)據(jù)面服務(wù)集示例

4 結(jié)束語

本文在對當(dāng)前多網(wǎng)絡(luò)共存的現(xiàn)狀及問題進行分析的基礎(chǔ)上，闡述了多網(wǎng)融合涉及的關(guān)鍵技術(shù)需求，包括用戶/核心網(wǎng)透明的多網(wǎng)統(tǒng)一接入、無縫的移動性管理等。通過對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是否能滿足多網(wǎng)融合技術(shù)需求的分析，指出面向5G多網(wǎng)融合的研究需要與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究緊密結(jié)合，并給出了一個邏輯架構(gòu)的示例，通過控制面與數(shù)據(jù)面的完全解耦以及在更靠近用戶的接入網(wǎng)側(cè)分別引入控制面和數(shù)據(jù)面的邏輯模塊（MRM模塊和DC模塊），為多網(wǎng)絡(luò)間靈活融合和切換提供了基礎(chǔ)，為實現(xiàn)用戶和核心網(wǎng)透明的多網(wǎng)統(tǒng)一接入、無縫的移動性管理以及資源的有效利用提供了框架基礎(chǔ)。在此框架的基礎(chǔ)上，具體研究了用戶和核心網(wǎng)透明的多網(wǎng)統(tǒng)一接入和無縫移動性的方案，包括：控制面的統(tǒng)一接入管理，引入靈活的協(xié)議適配層，實現(xiàn)統(tǒng)一的信令解析，控制面單連接、數(shù)據(jù)面多連接等，以縮短網(wǎng)絡(luò)間互操作路徑，降低復(fù)雜度，提高資源利用率、網(wǎng)絡(luò)運營效率和用戶體驗。

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