LTE与WLAN异构融合网关的研究

ilovett2020

摘 要：网络融合是近年来发展的趋势，LTE与WLAN作为新生且肩负重任的数据分流手段，实现WLAN与LTE异构间融合对于电信运营商而言尤为重要。本文将从LTE内部以及异构切换的相关机制分析，研究一种更为有效的异构融合方案。

关键词：LTE；WLAN；融合；切换            

1，            LTE内部切换机制

LTE内构切换特指在RRC 连接状态下，UE的移动性管理。按照切换对象以及服务质量来划分，其中按照切换对象，可以分为E-UTRAN内部切换、3GPP内部之间切换以及3GPP无线接入技术与其他切换等；按照服务质量以及是否丢包可以划分为无缝切换和无丢包切换[1]。

1.1  相关接口先容

1.1.1  S1接口

S1接口指的是eNB与EPC之间的接口，S1切换流程是由源eNB到S1-MME接口向MME发起切换请求，而且可以实现MME/SGW的重定位。

1.1.2  X2接口

X2接口指的是E-UTRAN 中任意两个 eNB 之间的接口。 其控制面基于流控制传输协议（SCTP）和IP 协议的，用户面是基于GPRS 隧道协议（GTP）和UDP/IP 协议的，如图1所示。

                              

图1 X2接口协议栈

X2切换主要是指eNB之间利用其传输UE上下文相关信息，从而实现用户面数据传输承载的管理。初始化过程是指与邻居建立传输网络层（TNL）连接。自动邻居关联功能（ANRF）可以让UE来识别相邻小区节点，即利用UE从另外小区的广播信息中读取其全局小区身份标识，识别成功后，初始eNB触发X2建立流程，通过无线接口向合适的邻居广播自己相关的信息：小区物理标识、频率带宽、跟踪区域标识、相关PLMN等等[2]。

1.2  LTE内部切换流程

LTE所规范的切换流程，如图2所示[3]。大致主要可以分为：eNB下发测量控制、UE上发测量报告、eNB下发切换命令（HandoverCommand）、UE与目标基站（TargeteNB）建立同步、UE发送切换确认消息、切换完成。

图2 切换流程示意图

1.2.1  LTE切换命令生成

根据LTE相关规范，目标小区以切换请求确认（HRA）的形式发送单个信息元素，源服务小区根据这些产生切换命令。依据源服务小区提供的参数并考虑自身当前的负载情况，来决定是否切换此移动用户。另外，在HRA信息当中还包含了要转交给移动用户的信息（例如新的C-RNTI识别码、随机存取通道的相关信息等）。

1.2.2  同步基站的建立

UE实行切换命令开始，用户将断开与源服务小区的连接，向目标小区要求其提供TA调整，以完成上行同步。在这一过程中，源小区将下行数据通过缓存方式到目标小区。无线链路建立后，再下行发送到UE，确保数据无损失。目标小区在随机接入周期内检测到UE发出的请求，向UE发送随机接入请求的确认消息，分配上行资源，回复TA调整值，帮助UE在收到此确认消息后同步接入目标小区。一旦用户成功的与目标基站取得联系后，移动用户将通过切换确认信息来通知目标基站，从此恢复正常的通信，也标志着切换实行过程顺利完成。

1.3 协议栈先容

1.3.1 MIPv6（RFC3775）

MIPv6主要是针对“三角路由”而提出来，其与MIPv4工作流程类似，其区别主要在于转交地址确定方式、转交地址通告方式以及数据包选路方式等方面，可以使通信期间移动用户在网络内任意改变接入路由的位置，而不会导致通信中断。

1.3.2 PMIPv6（RFC521）

MIPv6是基于终端的移动性管理协议，而PMIPv6协议为基于网络，即由网络代替UE完成移动性管理。

在PMIPv6中，核心的功能实体是移动接入网关（MAG）和本地移动锚点（LMA）。PMIPv6的最大特点是由MAG代替移动节点处理移动性管理信令。

1.3.3 DSMIPv6（RFC5555）

同样是由IETF提出的派生于MIP协议的网络移动管理协议，由P-GW实现家庭代理（HomeAgent）实体功能，其他与PMIPv6一致[4]。

2，            LTE异构切换机制

2.1  LTE异构切换系统架构现状

WLAN与LTE融合，目前研究已设置一种机制，它利用了PMIPv6或DSMIPv6等移动IP协议，通过对非信任WLAN 通过S2b接口连接演进分组数据网关（ePDG）（对于PMIPv6而言，移动锚点设置在P-GW）到核心网的P-GW，可信任WLAN可以直接通过S2c连接到P-GW，从而来实现LTE-WLAN异构切换，具体如图3和图4所示。

图3基于S2b接口的非漫游系统结构

图4基于S2c接口的非漫游系统结构

2.2  LTE异构切换流程

2.2.1 基于S2b接口和 PMIPv6 协议的LTE异构切换

首先ePDG对UE进行鉴权。完成ePDG 侧的鉴权后，UE还需要和所连接的APN 进行鉴权，完成后ePDG和P-GW之间将实行代理绑定更新，从而建立基于PMIPv6的传输数据隧道。最后由P-GW触发LTE侧的资源释放流程，具体如图5所示。

  图5基于S2b接口和PMIPv6 协议的LTE异构切换

2.2.2基于S2c接口和 DSMIPv6 协议的LTE异构切换

在使用S2c 接口和DSMIPv6 协议的场景下，不同之处在于此时将在UE和P-GW之间将实行DSMIPv6 绑定更新流程，在 ePDG 注册自己的转交地址（CoA），其他流程与S2b接口相同，如图6所示[5][6]。

图6基于S2c接口和DSMIPv6 协议的LTE异构切换

3，            LTE与WLAN异构融合网关的研究

3.1 异构融合存在的问题

目前LTE与WLAN异构融合的结合程度主要以松耦合为主，因此仍无法很好地解决数据丢失以及时延过大，主要原因有以下方面：

（1）导致切换数据丢失的原因在于LTE系统是通过L2层中的PDCP协议层中实现的，通过上面分析可知，对于信任类WLAN而言，P-GW不支撑LTE的PDCP子层；对于非信任类WLAN而言，ePDG里面同样没有PDCP子层，因此无法处理来自eNB的PDCP重排序缓存和重传缓存中的转发数据，只能丢弃[7]。

解决办法是在ePDG、P-GW以及处于WLAN模式下的UE中引入PDCP子层。

（2）时延问题主要在于由WLAN与LTE的接入网E-UTRAN不相关的机制，导致当UE从LTE切换到WLAN时，UE需要与WLAN-AP进行关联，即完成路由信息的注册，而当UE从WLAN切换到LTE时，UE在WLAN-AP上注册的路由信息也无法传送给LTE的MME，UE需要重新在MME中注册。

3.2 异构融合网关的研究

面对3.1遇到的问题，需要找到一个可以解决由松耦合产生的问题[8]。综合以上分析，可以构造这样一个网关（LTE-WLANGW）。首先，LTEMAC层以上通过WLAN无线链路承载；其次此网关与eNB连接的接口为X2。LTE-WLAN网关设计实现功能主要有：将PDCP的分组数据单元通过WLAN隧道封装；异构切换承载以及资源管理控制；实现MME选择寻呼功能；完成用户面路由功能；负责路由到UE关联的WLAN-AP等功能，控制面与用户面分层如图7，图8所示。

     图7 LTE-WLAN网关控制面协议栈

      图8 LTE-WLAN网关用户面协议栈

3.2.1 切换流程分析

LTE-WLAN网关涉及到的切换流程主要是当WLAN-AP发出测量上报指令时候，由源eNB响应切换请求给LTE-WLAN网关，网关对请求进行确认后，建立从eNB到UE的RRC连接重配。同时源eNB会发出序列号（SN）状态传输[9]。

由于本网关协议的承载，WLAN-AP可以视为数据中转站而透明存在，因此当LTE切换到WLAN的时候，在UE和LTE-WLAN网关之间在概念上依然存在无线承载，各自的RRC层与RLC层之间的逻辑信道也依然存在。

在切换实行阶段，首先UE附着LTE服务小区。由于UE在进入WLAN覆盖区域的时候，已经通过扫描获得了WLAN的物理层相关参数、AP参数，与WLAN进行同步。同步的方式是基于WLAN-AP发送的信标（beacon）实现的。然后UE和AP实行WLAN的鉴权和关联过程，成功后，UE获得AP分配的关联标识符（AID）。     

在切换完成阶段，主要是进行路径切换以及资源释放，其中路径切换主要是建立S1-U的承载，实现EPC向LTE-WLAN网关转发数据，资源释放由源eNB完成。

3.2.2 切换性能优化

切换优化的切入点主要是切换判决机制，通过选择合适的接收信号强度等方法，采样平均值来自于切换实行前后的临界时刻的取值。假设UE与WLAN-AP以及LTE-eNB的距离分别为dw和dL,则接收信号强度模型分别为：

Dw=K1w-K2wlog(dw)+u(d)          (1)

DL=K1L-K2Llog(dL)+v(d)           (2)

其中Kij（i=1,2；j=W，L）为路径损失参量，u、v为高斯白噪声。

定义Dx为切换实行前后临界最后一次取值的均值，即：

Dx=Dw-DL                                （3）

对于同一覆盖场景而言，则有K1w=K1L且K2w=K2L=K，即：

Dx=Klog（dL/dW）+a，            (4)

其中a=u(d)-v(d)

现假设切换未完成事件为M，切换已完成事件为N，则对于任意一个Dx而言，根据全概率公式，进入切换实行阶段时，以下不等式成立：

P(N)P(Dx|N)>P(M)P(Dx|M)        (5)

即：

P(Dx|N)/P(Dx|M)> P(M)/ P(N)     (6)

令P(M)/P(N)=t，对于P(N)P(Dx|N)以及P(M)P(Dx|M)而言，它们分别服从均值为Dw与DL，方差为a的正态分布：

P(Dx|N)=         (7)

P(Dx|N)=         （8）

联立（6）、（7）和（8）并进行化简后可得Dx与Dw、DL关系如下：

Dx>           (9)

也就是说当且仅当Dx大于此值时将可避免“乒乓效应”的发生，在此定义接收时延电平Tdelay：

Tdelay=        （10）

在LTE与WLAN互切换融合的时候，其接收信号强度电平需满足Dw>DL+Tdelay（W=>L）或DL>Dw+Tdelay（L=>W）方能满足切换时网络条件较好，为实时业务的顺利交接提供了保障。

4，            结束语

LTE作为3/4G广域网蜂窝技术，与WLAN局部热点区域定点覆盖的融合，将在各运营商开展4G争夺战中成为一个热门的技术，其核心则是LTE-WLAN异构切换机制以及移动性管理技术的研究。本文提出了一种基于紧耦合的设计思路并对其切换流程以及性能优化进行了研究，为今后运营商大规模开展LTE/WLAN/GSM/3G融合作出了贡献。

参考文献

[1]      杨琳琳.3GPP LTE系统的切换机制研究[J].通信技术.2008：20~22.

[2]      IEEE Std.802.16-2004, IEEEStandard for Local and Metropolitan Area Networks: Air Interface for FixedBroadband Wireless Access Systems ,2004

[3]       SuKyoungLe, Sung Hoonseo , and Nada Golmie. An Efficient PowerSaving Mechanism for integration of WLAN and Cellular Networks ,IEEE 1052-1054.

[4]       3GPP R2-062831,LTE neighborhood list and measurement organization,Siemens[S].

[5]      Inwhee Joe, and Jaeyoung Kim.A Novel IP Paging Scheme with Dynamic Paging Area according to the MobileVelocity ,IEEE computer society, Fifth International Joint Conference onINC,  IMS and IDC，2009:404-408.

[6]       周鑫.无线异构网络分组调度算法与多跳路由协议研究[D]. 武汉：华中科技大学，2009.

[7]      Perras Michelle .Method andApparatus for Fast Break-Before-Make Media Independent Handover[P].USA  Patents :US 20100111040A1.May 6,2010.

[8]      中国科学院计算技术研究所.一种整合的异构无线网络及其通信方法[P].中国专利:CN200810057535.7.2008年2月2日.

[9]      Mateus Andreia, MarinheiroRui Neto. A Media Independent Information Service Integration Architecture forMedia Independent Handover[C].In:9th International Conference onNetworks.Menuires,France,2010.Piscataway,NJ,USA:IEEE ComputerSociety,2010:173~178.