異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)選擇的探討

陽旭艷

摘要：為了在將來實現(xiàn)個人通信的目標(biāo)，必須在開發(fā)更多頻段的同時，使已開發(fā)的頻帶資源更有效地為用戶服務(wù)，不同的無線通信系統(tǒng)就必須協(xié)同工作形成一個‘畀構(gòu)無線通信環(huán)境”。文章在介紹異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)相關(guān)概念的基礎(chǔ)上，著重研究了異構(gòu)無線接入網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)問題并提出了組網(wǎng)建議。最后，對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的選擇問題進行了初步的探討。

關(guān)鍵詞：異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)；松散耦合組網(wǎng)；緊密耦合組網(wǎng)；位置管理；切換管理

1.無線技術(shù)研究背景

隨著無線應(yīng)用的快速增長，采用單一的2G或3G無線技術(shù)的業(yè)務(wù)和設(shè)備都已不能滿足移動用戶無縫覆蓋下的高速數(shù)據(jù)分發(fā)和Qos支持。下一代無線系統(tǒng)應(yīng)該被設(shè)計成為一種異構(gòu)的形式，移動用戶或設(shè)備終端可以同時連接到多個無線網(wǎng)絡(luò)（例如，WLAN、蜂窩網(wǎng)、WMAN）。異構(gòu)無線系統(tǒng)就能滿足這樣的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)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(yè)務(wù)和應(yīng)用的緊密結(jié)合和負荷均衡來保證Qos。總而言之，在這樣的一個異構(gòu)無線接入網(wǎng)絡(luò)中，移動用戶能夠通過無縫方式接入到Internet。從服務(wù)提供商的角度來講，這些無線資源應(yīng)該被高效管理起來，以期系統(tǒng)容量最大化和獲得較高的投資回報。

異構(gòu)無線接入系統(tǒng)中的協(xié)議工程和架構(gòu)設(shè)計是一個比較新的研究領(lǐng)域。負荷均衡和網(wǎng)絡(luò)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(gòu)無線接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)展相關(guān)的研究課題。在本文中，筆者著重對異構(gòu)無線接入網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)問題作綜述性研究。

2.異構(gòu)無線接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)概覽及相關(guān)概念

2.1結(jié)構(gòu)概覽

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的總體結(jié)構(gòu)都可以如圖1所示。在該圖中用戶設(shè)備應(yīng)裝備多種模式的無線接入接口，以應(yīng)對不同的接入技術(shù)。WLAN作為高速數(shù)據(jù)的接入網(wǎng)絡(luò)，既可單獨存在，也可以同蜂窩網(wǎng)、3G，WiMAX等移動通信網(wǎng)絡(luò)重合覆蓋。在一些實時性要求較高的應(yīng)用中，用戶通過固定帶寬的移動通信網(wǎng)接入至Internet，而非實時性的交互數(shù)據(jù)則可以切換至WLAN接入Internet。WLAN中的無線接入節(jié)點為AP，蜂窩/3G網(wǎng)的無線接入節(jié)點為NodeB，而wiMAX的無線接入節(jié)點為RAS。

2.2相關(guān)定義及概念

由于用戶設(shè)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(wǎng)絡(luò)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(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的背景下，會發(fā)生技術(shù)內(nèi)和技術(shù)間兩種切換類型。技術(shù)內(nèi)切換其實就是傳統(tǒng)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(shù)在兩個接入點或基站中進行。與之對應(yīng)的是技術(shù)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(shù)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(qū)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(wǎng)絡(luò)在切換時的特性不一樣。

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

3.組網(wǎng)建議

前面已經(jīng)提到，異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)可分為松散組網(wǎng)和緊密組網(wǎng)兩類，其組織結(jié)構(gòu)比較靈活，但不同的組網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)建議，但根據(jù)各網(wǎng)絡(luò)獨立情況，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)

松散耦合組網(wǎng)表示各個無線接入網(wǎng)絡(luò)間基本保持獨立，各個網(wǎng)絡(luò)協(xié)同完成用戶的業(yè)務(wù)請求，用戶數(shù)據(jù)可以在各個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部進行自主交互和分發(fā)。圖2表示了一種典型的松散耦合組網(wǎng)的方案。其中，每個網(wǎng)絡(luò)都有各自的網(wǎng)關(guān)，如蜂窩網(wǎng)的SGSN，WiMAX的Gateway，和WLAN中的Gateway。每個網(wǎng)關(guān)都支持在各個網(wǎng)絡(luò)中使用移動IP技術(shù)，以實現(xiàn)漫游業(yè)務(wù)的認證和計費。所有的網(wǎng)關(guān)都通過UMTS AAA服務(wù)器接入到Internet中，而不再有到達3G/UMTS網(wǎng)絡(luò)的直連線路。這樣，WiMAX和WLAN中的用戶數(shù)據(jù)就不用通過3G/UMTS的核心網(wǎng)，而是直接到達Internet。

3.2緊密耦合組網(wǎng)

在緊密耦合組網(wǎng)方案中，WLAN和WiMAx會作為一種純粹的接入網(wǎng)連接到3G/UMTS網(wǎng)絡(luò)當(dāng)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(wǎng)中去，在各自的網(wǎng)絡(luò)中，都執(zhí)行統(tǒng)一的3G協(xié)議，包括移動性管理、認證管理等等。WLAN或WiMAX中的所有用戶數(shù)據(jù)都將通過3G/UMTS的核心網(wǎng)，再到達Internet。而且網(wǎng)絡(luò)中的各種信令也會在核心網(wǎng)中完成。這樣，WLAN和WiMAX中需要對各自的協(xié)議進行調(diào)整和修改以支持3G協(xié)議的集中化認證、計費和網(wǎng)絡(luò)管理。

圖3中，虛擬GPRS支持節(jié)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(wǎng)絡(luò)中提供分組路由。VGSN使各個網(wǎng)絡(luò)能夠獨立處理各自的用戶信令，而不需要支持移動IP技術(shù)。但最終會把各自的信令轉(zhuǎn)化為3G信令，通過核心網(wǎng)交互。

圖4中，將wLAN的Gateway調(diào)整為GPRS互聯(lián)模塊（GIF），再與WiMAX網(wǎng)關(guān)和RNC一起連接到SGSN中，這樣處理的好處是，在進行網(wǎng)絡(luò)間的切換時，完全依靠SGSN來完成，省去了多個網(wǎng)元間的協(xié)同通信，降低了網(wǎng)絡(luò)的信令開銷和傳輸時延，切換時延較前兩者優(yōu)勢明顯。

4.結(jié)語

從業(yè)務(wù)應(yīng)用和用戶體驗的趨勢來看，今后的無線接入網(wǎng)絡(luò)必然走向融合和異構(gòu)。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)要求各個無線接入網(wǎng)絡(luò)間能夠互聯(lián)，勢必會帶來協(xié)同合作和QoS保證的諸多問題。本文對異構(gòu)網(wǎng)發(fā)展的背景作了簡要的概述，并就其中的關(guān)鍵概念作了介紹，并對松散耦合組網(wǎng)和緊密耦合組網(wǎng)進行了初步分析，尤其對兩種方案各自的優(yōu)缺點作了明確比較。在今后的研究中，還將就組網(wǎng)中的信令流程和網(wǎng)絡(luò)選擇問題作進一步探索。