TD-LTE、LTE-Advanced與WiMAX融合解決方案

1. 引言
TD- SCDMA是中國(guó)提出的第三代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的TDD模式技術(shù)，其采用了智能天線、聯(lián)合檢測(cè)、接力切換等關(guān)鍵技術(shù)，是一種頻譜利用率高、抗干擾能力強(qiáng)的移動(dòng)通信技術(shù)。隨著技術(shù)的演進(jìn)與發(fā)展，3GPP相繼提出了TD-LTE，LTE-Advanced等技術(shù)。而WiMAX是近年迅速發(fā)展起來的一種新興寬帶無線通信技術(shù)，它采用了OFDM、MIMO、HARQ等大量B3G/4G技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了性能上的超越。TD-LTE、LTE-Advanced與WiMAX 系統(tǒng)雖然分屬于IMT2000不同的空中接口技術(shù)，但是二者在很多方面都有共同點(diǎn)和相似之處。那么這兩類高性能系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)相互融合，以及采用怎樣的方式進(jìn)行融合是目前產(chǎn)業(yè)非常關(guān)注的一些問題。
下面將依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析，對(duì)TD-LTE和LTE-Advanced系統(tǒng)與 WiMAX系統(tǒng)融合方案進(jìn)行了探討，提出TD-LTE，LTE-Advanced系統(tǒng)與WiMAX系統(tǒng)的演進(jìn)與融合方案。
2. TD-LTE與WiMAX的融合研究
2.1 TD-LTE與WiMAX的融合架構(gòu)和接入點(diǎn)
2.1.1 TD-LTE與WiMAX的融合架構(gòu)
當(dāng)前，無線接入速度的提升突飛猛進(jìn)，傳統(tǒng)的移動(dòng)PS域網(wǎng)絡(luò)已無法勝任高速率和高帶寬的未來無線分組業(yè)務(wù)的考驗(yàn)。因此，3GPP國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織開始展開下一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究，在R7階段推出了全新的移動(dòng)PS域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即SAE（System Architecture Evolution）[4]。SAE的主要思想是簡(jiǎn)化現(xiàn)有移動(dòng)PS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過網(wǎng)元整合和功能的重新劃分，減少業(yè)務(wù)處理的中間環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的扁平化。同時(shí)，SAE為L(zhǎng)TE網(wǎng)絡(luò)與其他技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的融合設(shè)計(jì)了接口，規(guī)劃了多網(wǎng)絡(luò)融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。而WiMAX網(wǎng)絡(luò)與TD-LTE的融合就可以通過SAE提供的LTE與非3GPP IP網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)接口處進(jìn)行融合互聯(lián)。

圖1 SAE的架構(gòu)
SAE 的架構(gòu)如上圖所示，其中Non-3GPP IP Access分為Trusted和Untrusted兩類，這由運(yùn)營(yíng)商決定，例如系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商可以基于商業(yè)協(xié)議選擇信任同一個(gè)運(yùn)營(yíng)商或者不同運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)的非 3GPP IP接入網(wǎng)。Untrusted Non-3GPP IP Access需要通過ePDG輔助接入。這里假設(shè)WiMAX系統(tǒng)是Trusted的Non-3GPP IP Access網(wǎng)絡(luò)。那么WiMAX系統(tǒng)主要通過S2a，Gxa，STa接入到3GPP網(wǎng)絡(luò)中去。TD-LTE與WiMAX融合具體的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如下圖所示 [5]。

圖2 LTE與WiMAX的融合架構(gòu)
從上圖可以看出，為了保證WiMAX業(yè)務(wù)的QoS，ASN-GW需要使用策略和計(jì)費(fèi)控制（PCC）架構(gòu)。在3GPP演進(jìn)方案中，策略決定點(diǎn) PDF(Policy Decision Function)和計(jì)費(fèi)規(guī)則功能(Charging Rule Function, CRF)融合為一個(gè)新的功能實(shí)體PCRF(Policy and Charging Rules Function)。WiMAX PCC使用PCRF來接收QoS參數(shù)。
2.1.2 TD-LTE與WiMAX融合涉及的接入點(diǎn)
在TD-LTE與WiMAX的融合中，WiMAX ASN直接通過S2a接口接入到TD-LTE中，P-GW執(zhí)行分組過濾，偵聽，計(jì)費(fèi)，IP地址分配等功能，TD-LTE和WiMAX的數(shù)據(jù)在P-GW進(jìn)行組合，并通過SGi接口路由到外部網(wǎng)絡(luò)中。
而用戶的認(rèn)證主要是WiMAX ASN通過STa接口與AAA服務(wù)器進(jìn)行交互。
融合方案中涉及幾個(gè)重要的接入點(diǎn)：
STa（相當(dāng)于WiMAX R3-AAA接口）：用于對(duì)UE進(jìn)行基于AAA的認(rèn)證。
Gxa（相當(dāng)于WiMAX R3-PCC-P）：用于執(zhí)行動(dòng)態(tài)QoS和計(jì)費(fèi)規(guī)則。
S2a（相當(dāng)于WiMAX R2-MIP）：用于L3移動(dòng)性和接入核心網(wǎng)鏈路的建立。
S14：用于不同網(wǎng)絡(luò)的選擇，并利于優(yōu)化WiMAX-3GPP切換。該接口也可以提供接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)和選擇功能（ANDSF）與FAF（Forward Attachment Function）功能實(shí)體。
在以上接入點(diǎn)中，S2a是最主要的接入點(diǎn)，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?，不同網(wǎng)絡(luò)的分組需要在該接入點(diǎn)處進(jìn)行處理，符合外部網(wǎng)絡(luò)的特性。因此其協(xié)議棧的設(shè)計(jì)對(duì)于數(shù)據(jù)的傳輸十分重要。
S2a 協(xié)議棧對(duì)于PMIPv6和MIPv4稍有不同，對(duì)于PMIPv6，終結(jié)控制面和用戶面的功能實(shí)體是non-3GPP IP access（WiMAX）的MAG（移動(dòng)接入網(wǎng)關(guān)）和網(wǎng)關(guān)中的LMA（本地移動(dòng)錨點(diǎn)），這里L(fēng)MA包括本地代理的功能。控制面的協(xié)議棧是基于 IPv6/IPv4的PMIPv6，用戶面的協(xié)議棧是基于IPv4/v6轉(zhuǎn)發(fā)分組。而對(duì)于MIPv4，終結(jié)控制和用戶面的功能實(shí)體是UE中的MN和 non-3GPP IP access（WiMAX）的FA，以及網(wǎng)關(guān)中的HA?？刂泼鎱f(xié)議棧是MIPv4，用戶面在IPv4傳輸層轉(zhuǎn)發(fā)IPv4分組。

圖3 S2a 參考點(diǎn)協(xié)議棧（PMIPv6）

圖4 S2a 參考點(diǎn)協(xié)議棧（MIPv4）
從以上分析可以看到S2a協(xié)議棧比較簡(jiǎn)單，符合數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換的需要，是TD-LTE與WiMAX融合最合適的接入點(diǎn)。而TD-LTE和WiMAX融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用的是核心網(wǎng)全部或部分共用的方式，即TD-LTE和WiMAX具有獨(dú)立的無線網(wǎng)，TD-LTE和WiMAX的核心網(wǎng)既有各自獨(dú)立的部分，也有共用的網(wǎng)元，例如AAA服務(wù)器、PCRF、PGW等。
2.2 TD-LTE與WiMAX的網(wǎng)絡(luò)選擇
在TD-LTE與WiMAX 網(wǎng)絡(luò)的融合中，網(wǎng)絡(luò)選擇和切換是非常重要的問題。網(wǎng)絡(luò)選擇是指新到達(dá)的UE如何接入到無線網(wǎng)絡(luò)中，下圖詳細(xì)介紹了TD-LTE與WiMAX網(wǎng)絡(luò)之間的最初的網(wǎng)絡(luò)選擇過程[5]，這里主要討論單無線鏈路的解決方案，即終端只能接收TD-LTE或者WiMAX中的某一條鏈路信息。