WLAN與LTE融合組網研究

顧向鋒　孫寰宇

【摘要】 首先分析了WLAN與LTE網絡融合組網的場景，之后分析了WLAN系統接入EPC的三種組網架構特點及優劣，WLAN與LTE無線側融合的需求及候選方案，3GPP關于WLAN與LTE融合研究的進展等，為運營商WLAN與LTE網絡融合部署提出了建議。

【關鍵詞】 WLAN LTE EPC 無線網 融合

Abstract：This paper discusses WLAN and LTE Interworking solutions. Interworking architectures of WLAN access to EPC， requirements and candidate solutions of WLAN and LTE radio interworking， are respectively analyzed. 3GPP research history and progress of WLAN/LTE interworking on both system level and radio level are introduced too. Based on the analysis， proposals of WLAN and LTE interworking implementation are given for domestic operators.

Keywords： WLAN； LTE； EPC； Radio network； Interworking

一、 引言

隨著移動互聯網市場的蓬勃發展、LTE網絡建設的如火如荼，以及移動智能終端的快速普及，未來移動數據業務需求將成爆炸式增長。雖然LTE相比2G和3G，空口的頻譜帶寬更寬、傳輸效率更高，但仍無法滿足用戶對移動互聯網的迫切需求，尤其在一些城市數據熱點區域。因此如何充分利用已有的其他網絡資源，分擔移動網絡的高負荷，從而提升用戶體驗，是各運營商都非常關心的問題。

無線局域網（Wireless Local Area Network， WLAN） 作為當前固定和移動寬帶網絡的延伸，已經廣泛應用到電信運營商的寬帶網絡中，各大運營商都在高校、交通樞紐、商業中心等許多熱點區域部署了WLAN網絡，因此將WLAN作為當前蜂窩技術尤其是LTE網絡的補充和協同手段，既可以幫助運營商解決蜂窩網絡上數據流量突發過大、占用無線資源過多以及網絡負荷過重的問題，又能充分利用已有的WLAN網絡，保護既有投資，避免資源的浪費。

二、WLAN與LTE融合的場景

3GPP根據業務需求的迫切程度和技術實現的難易程度，定義了WLAN和移動網絡融合的6種場景：

1）公共計費和用戶關聯；

2）基于3GPP系統的接入控制和計費；

3）通過WLAN接入3GPP系統的PS業務；

4）業務連續性，在切換過程中允許有短暫的業務中斷；

5）無縫服務，保證切換過程中業務的連續性和不中斷；

6）通過WLAN接入3GPP的CS業務。

這6種場景在時間和功能上逐漸遞增，目前現網中WLAN與2G/3G/LTE網絡的融合主要是前3種場景下的融合，隨著LTE網絡的大規模部署，用戶希望能在WLAN和LTE網絡之間自由切換，運營商也希望能充分利用已有的WLAN網絡資源，降低LTE容量需求和網絡負荷，這就需要實現場景4和5的互通，即WLAN與LTE網絡PS業務之間的平滑切換。未來隨著VoLTE的大規模應用，場景6的融合也是必然趨勢。

三、WLAN與LTE EPC融合架構

3GPP研究了WLAN等非3GPP系統接入EPC的互通架構，用戶終端（UE）可以通過WLAN，以S2a、S2b或S2c等接口接入EPC?；赟2a的融合架構針對授信的WLAN接入，圖1為非漫游場景下的融合架構。

S2a是WLAN AN和PDN GW之間的接口，可基于PMIPv6（Proxy Mobile IPv6）或GTP（GPRS Tunnel Protocol）協議實現。通常在授信WLAN中部署TWAG（Trusted WLAN Access Gateway），與PDN GW通過S2a進行交互，PDN GW作為用戶通過授信WLAN接入的業務錨點，在授信WLAN和PDN GW之間建立分組數據連接。

基于S2b的融合架構針對非授信的WLAN接入，如圖1所示，S2b是ePDG（evolved Packet Data Gateway）與PDN GW之間的接口，可基于PMIPv6或GTP協議實現。該架構引入ePDG接入網關，并在終端和ePDG之間建立IPSec隧道，保證3GPP網絡中的業務數據不被其他WLAN竊取。

用戶通過授信WLAN接入的認證過程基于STa接口實現，通過該接口可實現WLAN和3GPP AAA Server或漫游場景下的3GPP AAA Proxy之間的認證、授權和計費信息轉發。用戶通過非授信WLAN接入的認證基于SWa接口實現。

S2c是終端和PDN GW之間的接口，采用DSMIPv6（Dual Stack Mobile IPv6）協議，對終端的要求非常高，要求終端支持DSMIP協議，通過建立終端與PDN GW之間的分組數據連接，保證終端在WLAN和移動網之間移動時的業務連續性。S2c承載接入部分可以是授信的WLAN網絡，也可以是非授信的WLAN網絡，基于S2c接口非漫游場景下的組網架構如圖2所示。

在基于S2a和S2b的融合架構中，授信WLAN接入需要改造接入路由器或者部署TWAG，使其支持PMIP的MAG（Mobile Access Gateway）功能或GTP功能，而非授信WLAN接入需要增加ePDG節點來處理移動性，且要求終端支持到ePDG之間的IPSec隧道。S2b架構針對非授信網絡，對WLAN的改造小，但需要在EPC中部署ePDG，另外對終端的要求也較高，除了需要支持EAP-AKA（Extensible Authentication Protocol Method for 3rd Generation Authentication and Key Agreement）認證，還需要支持通過IKEv2（Internet Key Exchange version 2）與ePDG建立IPSec隧道。而S2a架構針對授信的WLAN網絡接入，對終端的要求低，且對EPC的改造小，改造量主要集中在WLAN網絡側，WLAN的AC/BRAS或者TWAG需要支持EAP-AKA認證報文轉發，支持漫游和PMIPv6或者GTP。S2c方案支持授信或非授信WLAN接入，但對終端要求很高，要求支持IPSec和DSMIP協議，同時廠商在S2c方案中專利較多，運營商很容易受到廠商的制約。

目前國內三大運營商的WLAN網絡均是自建，可視為授信接入方式，綜合上述分析，建議采用建議采用S2a接入方案，如圖3所示，在授信WLAN中部署TWAG（Trusted WLAN Access Gateway）以及TWAP（Trusted WLAN AAA Proxy），實現與PGW的數據連接和用戶管理，減少對大量WLAN接入設備的改造工作。

四、WLAN與LTE無線網融合方案

目前的3GPP協議支持WLAN與LTE在EPC層面的融合，包括WLAN與LTE之間連續和無縫服務的場景。3GPP在R12版本中已經開始研究WLAN和LTE在RAN（Radio Access Network）層面的融合，首先明確了在RAN層面融合的需求，包括：

1）支持WLAN和3GPP雙向負載均衡，以提供更大的系統容量。

2）能改善系統性能和用戶體驗。

3）在WLAN可用且無擁塞的情況下，能提高WLAN的利用率。

4）減少終端因搜索WLAN網絡造成的電池消耗。

5）與現有的核心網互操作功能兼容，比如連續和無縫業務，流量卸載，授信和非授信WLAN接入等。

6）后向兼容3GPP和WLAN的規范。

7）基于現有的WLAN功能，避免對IEEE和WFA規范作出過多修改。

8）目標WLAN的區分。

9）基于UE的流量控制。

10）避免WLAN和3GPP網絡間的乒乓選擇。

針對以上需求，在現有標準無法滿足的情況下，需研究其解決方案，并評估這些解決方案對現有功能及核心網側互操作機制的影響，比如在蜂窩網RRM中對WLAN進行管理，依據UE的無線鏈路質量，回傳鏈路質量，網絡負荷等因素，使UE選擇合適的網絡駐留或在不同網絡間切換等。目前3GPP提出了以下幾種無線側融合候選方案。

方案一，RAN通過廣播信令提供輔助的信息給UE，UE利用檢測到的信息，結合WLAN AP提供的信息、ANDSF（Access Network Discovery and Selection Function）設定的策略，或現有的OMA-DM（Open Mobile Alliance-Device Management）機制，或UE的預先設置，分流部分流量到WLAN或者RAN。

方案二，卸載規則在RAN規范中定義，RAN通過專用信令或者廣播信令，下發門限參數，UE根據相應規則，執行雙向的流量卸載，并優先考慮用戶的喜好。

方案三，對于RRC_CONNECTED/CELL_DCH狀態的用戶，業務分流由網絡控制，eNB配置測量的過程和目標WLAN識別碼，然后根據UE上報的RAN和WLAN測量報告，及當前網絡負荷，發送Steering Command給UE。而對于IDLE/CELL_FACH/CELL_PCH/和URA_PCH狀態的UE，同前兩種方案。

3GPP提出了以上3種方案，但是哪一種方案最合適可行，目前尚未最終定論，還在進一步探討中。

五、WLAN與LTE融合標準進展

3GPP對WLAN與LTE等移動網絡在核心網層面融合的研究開始較早，最初的Rel 8版本只是實現了不同接入系統間業務流的整體遷移，之后Rel 10版本提出了MAPCON（Multiple Access PDN Connection）和IFOM（IP Flow Mobility）技術，來實現UE同時通過3GPP和非3GPP接入PDN，并且IP流在不同的接入系統間動態遷移，實現無縫切換和業務分流。在Rel 11版本，3GPP對DIDA（Data identification in ANDSF）和SaMOG方案進行了研究，DIDA方案對ANDSF功能進行增強，使得運營商對網絡中每個應用或IP流的使用都能進行資源控制，而SaMOG（S2a-based Mobility over GTP）方案，因對終端要求不高，對核心網改造少，成為眾多運營商的首選方案。在即將凍結的R12版本中，除了一些核心網層面的融合增強方案，如eSaMOG， WORM， IARP等外，3GPP還啟動了無線側融合的研究，研究基于UE接入鏈路質量，ANDSF策略，RAN策略的無縫業務分流方案。將來無線側融合方案的實現，進一步提升網絡利用率和用戶體驗。

六、結束語

WLAN與LTE融合，目前的方案還僅限于移動核心網側和用戶終端側的融合，如聯合計費和用戶管理，UE自動網絡選擇、MAPCON、IFOM業務分流等技術方案。而針對移動無線側的融合方案，目前還處于起步階段，成熟方案的確定和實現還需要一段時間。移動運營商在實際部署中，選擇哪種WLAN與LTE的融合架構，取決于運營商的運營策略，現有移動網絡和WLAN的實際情況?？傊?，利用WLAN作為LTE網絡的重要補充，兩網融合協同發展，不但是移動運營商與廣大用戶的實際需求，也是未來技術發展的主要趨勢。

附：個人簡介及聯系方式

第一作者：通訊地址：河南省鄭州市二七區中原東路102號， 郵編：450052。電話：18137116089，Email： guxf5@163.com

參 考 文 獻

[1] 3GPP TS 23.234 3GPP system to Wireless Local Area Network （WLAN） interworking （Release 12） [S].

[2] 3GPP TS 23.402 Architecture enhancements for non-3GPP accesses （Release 12） [S].

[3] 3GPP TS 33.402 Security aspects of non-3GPP accesses （Release 12） [S].

[4] 3GPP TS 37.834 Study on Wireless Local Area Network （WLAN） - 3GPP radio interworking （Release 12） [S].

[5] 3GPP TS 23.327 Mobility between 3GPP-Wireless Local Area Network interworking and 3GPP systems （Release 12） [S].

[6] 蔣軍. WLAN與LTE網絡融合部署研究[J]. 郵電設計技術，2014（11）. 30-34

[7] 孟軍. WLAN與移動網絡融合研究[J]. 中興通訊技術， 2010（5）. 20-21

[8] 梁鵬，劉志勇. 一種WLAN與LTE網絡融合方案[J]. 信息通信技術，2012（3）. 42-45