LTE-WLAN无线协作机制研究

2014-02-28胡臻平刘光毅

电信科学 2014年3期

关键词：协作基站运营商

谢芳，胡南，李男，胡臻平，刘光毅

（中国移动通信有限公司研究院北京100053）

1 引言

1.1 LTE-WLAN协作的必要性

为了给大专院校、医院、机场、车站等重点区域提供WLAN服务，中国移动已经部署大量WLAN的AP，但仍然存在热点不热、分流蜂窝网络业务效果有待提升、用户体验较差等问题。

另一方面，LTE是移动蜂窝网络的演进方向，也是未来中国移动重点建设部署的网络。因此，加强LTE和WLAN两张网络之间的协作，提升两网资源的利用率，为用户提供更优质的服务是未来的一个重要课题。

1.2 已有LTE-WLAN协作方案

从2008年开始，3GPP已经提出了两种LTE和WLAN协作机制，即基于终端的多连接管理方案和基于核心网的融合切换方案。目前3GPP仍在对这两种机制进行完善和增强。

（1）多连接管理方案

该方案的基本思路是在网络侧部署ANDSF（access network discovery and selection function）策略服务器，向终端推送WLAN的SSID等辅助信息和运营商的选网策略，帮助终端快速发现和使用WLAN。因此，该方案能使用户实现无感知的WLAN发现和接入，同时帮助用户选择合适的承载网络并实现分流。

多连接管理方案的标准化工作从3GPP的R8阶段（2008年）开始，到目前的R12阶段仍在不断持续优化中。产业实现方面，中国移动已联合部分厂商开发出连接管理策略服务器原型产品，并计划在部分省公司开展技术试点工作。

（2）融合切换方案

融合切换方案的思路是为终端建立WLAN访问蜂窝网分组域的通路，并通过移动IP技术保证终端在网间切换时IP地址不变，从而确保业务的连续性。

由于该方案能保持IP地址不变，因此对无应用层保护的业务（如现阶段VoIP等）及有安全策略保护的业务（如VPN、HTTPS等）均可实现切换时业务不中断。

融合切换方案的标准化工作从3GPP R9阶段（2009年）开始，到目前的R12阶段仍在不断持续优化中。产业实现方面，部分厂商已开发出相关系统实现的原型。

1.3 已有协作方案的不足

基于终端和核心网的方案分别侧重于帮助用户发现WLAN和保证用户在两网切换时的业务体验，但仍存在如下不足。

·没有考虑无线网络的信号质量、网络负荷等动态因素，不能避免终端连接到已经过载的网络上，也不能避免大量终端同时连接到同一个网络而引起过载，从而进一步导致终端在两网间发生乒乓切换，最终导致终端耗电增加且用户体验不佳。

·终端决策选择网络，无法考虑全网的总体性能，运营商无法实现网络的负载均衡，不能给用户提供优质的业务QoS保证。

·需要安装非标准的客户端，推广较困难。

因此，亟需引入用户无感知的基于信令面的无线侧协作方案，以提升运营商对WLAN的控制，并为用户提供更好的业务体验。

2 LTE-WLAN无线侧协作

LTE-WLAN无线协作研究项目于2012年12月在3GPP RAN 58次全会上立项成功[1]，该研究成果既可适用于LTE和WLAN独立部署的场景，也可适用于LTE和WLAN共站部署的场景，如nanocell。该研究不在基站和AP之间引入标准接口，也不会修改IEEE的协议标准。引入LTE-WLAN无线协作机制的主要目标有如下几点[2]：

·提升运营商部署的WLAN的利用率；

·避免用户连接到已经过载的WLAN上，从而提升用户体验；

·减少不必要的WLAN扫描带来的终端功耗。

为了达到上述目标，需要在WLAN的发现、业务/终端的网络选择以及终端在两网之间的移动性管理等方面进行增强。下面围绕这3个方面，阐述无线侧协作方案的关键技术和难点所在。

2.1 WLAN的发现

目前，WLAN的发现存在的主要问题有以下3点。

（1）WLAN的时延发现

目前手机或Pad等手持终端上Wi-Fi模块的开关是由用户手动控制的，而由于WLAN不是连续覆盖的，为了避免不必要的WLAN扫描带来终端功耗，大部分手持终端上的Wi-Fi模块都处于关闭状态。这种手动操作会丧失一些WLAN的使用机会（因为需要依赖用户得知有WLAN覆盖之后才手动打开）。

（2）不必要的终端功耗

在网络侧没有给终端提供WLAN辅助信息的情况下，终端的Wi-Fi模块会盲扫可能的工作信道，尤其在没有WLAN覆盖的情况下，这种扫描将造成不必要的终端功耗。

（3）连接到不可用的WLAN上

这种情况经常出现在机场等较繁忙的场景中，终端能扫描到Wi-Fi，信号质量也不错，但是由于AP已经处于过载状态，能给UE提供的速率非常低，其实用户基本无法使用WLAN进行数据业务。

因此，为了解决上述问题，WLAN发现的主要目标是帮助终端快速准确地发现可用的WLAN，避免终端打开Wi-Fi扫描之后找不到WLAN或者连接到已经过载的AP上，并降低终端功耗。

为了达到上述目标，可从如下两个方面进行优化。

·引入针对WLAN的自动邻区上报机制，即终端向eNB上报检测到的周围AP的信息，如SSID、信号质量、AP负载等信息。这样，基站可实时获取并更新周边AP的信息，从而可以用这些信息为其他终端提供更准确的WLAN信息。

·引入自动打开Wi-Fi模块的机制，即LTE基站给终端提供可用的AP信息，如SSID、工作信道等，从而帮助或控制终端有针对性地扫描WLAN，节省终端功耗，提升用户体验；更进一步地，基站还可给终端提供周围AP的负载信息（此信息eNB可通过与AP之间的实现接口获得，也可通过前述针对WLAN的自动邻区上报机制获得），从而避免终端连接到已经过载的AP上。

由于网络发现涉及的因素较多、标准化工作量较大，3GPP经过几次会议的讨论，决定在R12版本中暂时不引入这项增强，可能会在后续版本中进一步研究并进行标准化工作。

2.2 业务/终端网络选择

网络选择方面，已有协作方案主要存在两个问题：一是终端自主选择接入的网络，而非运营商或者蜂窝网络选择，这使得运营商或者网络侧无法控制终端的行为，也就无法实现全网性能的优化；二是现有方案是核心网机制，无法考虑无线网络的动态信息。如ANDSF只考虑接入网优先选择策略（如优先选择WLAN还是LTE）、业务在系统间的路由策略等较为静态的信息，而没有考虑无线网络的无线链路质量、网络负荷等动态信息，从而终端或业务可能选到信号质量不够好或者已经过载的网络上，无法提供QoS保证。

根据网络侧对终端控制力度的强弱，3GPP RAN讨论了如下3种网络选择机制[3]。

·方案一：RAN下发辅助信息，UE根据ANDSF策略辅助信息选网。

·方案二：RAN定义选网准则，并下发辅助信息，UE执行选网。

·方案三：UE上报测量信息，网络决策选网。

如图1所示，在方案一中，网络侧通过广播或专用信令的方式，给终端下发网络负载、资源分配、WLAN和LTE网络的信号质量门限等辅助信息。终端根据ANDSF服务器配置的无线网络选网策略，并结合辅助信息、终端测量到的信号质量等信息，决策应该使用LTE网络还是WLAN。

图1 方案一示意

该方案的优点是比较简单，对空口协议的改动较小。但现有ANDSF机制中没有定义接入网的相关策略，因此需要在SA2中做进一步的标准化工作。为了保证运营商对终端行为的可管理、可控制，该方案必须与ANDSF配置的无线网络选网策略协同工作，否则无法体现运营商的网络选择策略，因此依赖于ANDSF的部署。该方案在3GPP中得到了有明确部署ANDSF计划的运营商（如AT&T）的大力支持，而大多数没有明确部署ANDSF计划的运营商则更倾向于方案二。

如图2所示，在方案二中，选网准则由LTE无线标准制定。网络侧下发选网准则中用到的网络负载、资源分配、WLAN和LTE网络的信号质量门限等信息，终端根据ANDSF策略（如果部署的话）、自身的测量结果和无线侧的选网准则选择使用LTE网络还是WLAN。

图2 方案二示意

方案二与方案一的主要区别在于，既不依赖于ANDSF的部署，也可与ANDSF协作。对于没有部署ANDSF的场景，终端根据LTE标准制定的无线侧准则选网；对于部署ANDSF的场景，需要定义终端的行为，如终端只有在ANDSF策略和无线侧策略都允许的情况下才改变当前的网络，即只有当ANDSF和无线侧都决策把业务从LTE网络分流到WLAN上时，该业务的承载网络才会发生改变。

上述两种方案既适用于处于空闲态的终端，也适用于处于连接态的终端，而方案三只适用于处于连接态的终端。如图3所示，基站首先给终端配置测量事件和测量量，如目标WLAN的SSID、工作信道等，终端上报测量结果；最后基站根据终端上报的信息以及自身的负载情况等做出选网决策，并指示终端。

图3 方案三示意

通过方案三，运营商可完全控制每个终端的行为，且无需依赖于ANDSF的部署。网络侧需要对终端进行测量配置，且终端需要上报测量到的WLAN信息，但会引入一定的信令开销；另一方面，芯片和终端的实现空间较小，在标准化中也遭到芯片和终端厂商的强烈反对，标准化难度很高。

表1中比较了上述3种机制。

方案共同点介绍如下：

·基站和AP之间不引入标准化接口，适用于3GPP和WLAN独立部署和共站部署场景（如nanocell）

·无需引入新的设备或网元，无需修改Wi-Fi协议；

·只需对终端和基站进行软件升级，在空口引入新的信令，传递网络负载、资源分配、选网门限、选网指示等信息；

·可与基于核心网的ANDSF机制协作。

3 种机制的区别主要在于以下几点：

·网络对终端行为的控制力度有所不同，3种机制依次递增；

·方案一和方案二可以用于处于空闲态和连接态的终端，方案三只能用于处于连接态的终端；

·方案一必须与ANDSF协作才能体现运营商策略，且ANDSF要做针对无线机制的升级；方案二和方案三既可以与ANDSF协作，也可单独使用。

无线协作机制的研究项目（study item，SI）于2012年12月在3GPP成功立项，并在2013年12月的第62次RAN全会上顺利结项[4]，同时启动工作项目（work item，WI），进入标准规范制定阶段，预计在2015年年初完成标准制定。产业实现方面，部分厂商正同步开发系统实现原型，基于标准的LTE主设备、WLAN AP的终端预计在2016年年底发布。

2.3 移动性管理

现有协议并不支持终端或业务在LTE网络和WLAN之间的无线侧切换，因此当终端或业务改变网络时，无线侧会发生先中断后连接的现象。因此，移动性管理方面的主要目标是：当出现WLAN信号质量变差、UE移出WLAN覆盖区域或WLAN过载等情况时，终端必须将WLAN上承载的业务快速迁移到蜂窝网络，使得业务的迁移是用户无感知的。

表1 3种网络选择机制的比较

为了达到上述目标，可从如下3个方面进行优化。

·LTE网络帮助UE预测WLAN的不可用，并帮助UE快速返回到蜂窝网络。为了更准确地预测WLAN的覆盖、信号质量、负载等信息，可以利用前述提到的新引入的针对WLAN的自动邻区上报机制，如LTE基站在把UE从蜂窝迁转到WLAN时，给UE配置后续返回LTE网络时优先使用的频点、小区。

·在系统消息中广播LTE网络负荷等状态信息，帮助终端做出正确的移动性管理决策。

·引入由LTE网络决策的终端从WLAN返回LTE的申请、决策等一系列流程。

由于移动性管理涉及的因素较多、标准化工作量较大，3GPP决定在R12阶段中暂时不研究这项内容，可能会在后续版本中进一步研究并进行标准化工作。

3 后续工作展望

3.1 3GPP标准化

3 GPP在2013年12月的第62次RAN全会上启动了该项目的WI，进入网络选择方案的标准制定阶段。其中网络选择的方案一和方案二进入了WI，而方案三由于流程复杂、标准化难度较高、对终端和芯片预留的实现空间较小等，没有进入WI阶段。

对于方案一，需要在SA2和RAN2都开展标准化工作，需要定义的内容有以下两方面。

SA2定义无线侧的选网准则，如if(WLAN RSSI>threshold1)&&(WLAN Loadthreshold3){

steerTrafficToWLAN()

};

RAN2定义基站给UE提供的辅助信息，如WLAN的SSID，上述的门限值threshold1、threshold2、threshold3等。对于处于空闲态的终端，这些辅助信息只能通过广播消息获取；对于处于连接态的终端，辅助信息还可以通过专用信令获取，因此处于连接态的终端可以对每个UE都定义不同的辅助信息，实现对每个终端的灵活控制。

对于方案二，只需要在RAN2开展标准化工作，需要定义的内容有以下两点：

·定义无线侧的选网准则，并固化在RAN标准中，如3GPP TR 36.304；

·定义基站给UE提供的辅助信息，可以与方案一相同也可以不同。

因此，由于方案一的标准化需要涉及SA2和RAN2两个标准子组，而方案二的标准化只涉及RAN2，方案一的标准化复杂度更高一些。

为了实现在一套标准中支持两个方案，后续标准化工作需要考虑如下因素：

·终端是否支持ANDSF或增强的ANDSF，因为方案一只有在部署ANDSF或增强的ANDSF的条件下才能使用；

·两套方案中使用的无线侧选网准则和辅助信息是否一致，如果不一致，两套方案同时存在的场景下哪个方案的优先级更高。为了减少标准制定的复杂度和终端实现的难度，保证两套方案的信息一致是更好的选择。