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1、数字通信 final chapter LTE_WLAN异构融合技术,华 中 科 技 大 学,2016年04月08日,dswang,2/26,报告提纲,面向IMT-Advanced跨层优化技术,网络协议栈分析,异构多链路汇聚Relay传输方法,方案与测试,3/26,1、分布式异构协作网络架构示意图,基本特点： 异构融合 分布式系统 全IP构架 结构复杂 协同调度 提高效率,同构协作优化,异构系统优化,转变,分布式异构协作网络架构示意图,4/19,论文依托：国家重大专项 IMT-Advanced 新型无线资源管理研究及验证（2009ZX03003-007-03） IMT-Advanced 跨层优化
2、技术（2010ZX03003-001-02） 现状：通信技术迅猛发展，层出不穷的无线通信系统为用户提供了异构的网络环境。而未来无线网络将以室内通信为其主要应用场景，根据只有空间传输损耗计算法则，传输距离缩短一半，则功耗变为原来1/4，因此，室内覆盖通信方式符合绿色通信的主流；另一方面，对于高速移动或室外通信，我们还必须借助宏基站的覆盖。 问题和挑战：如何使任何用户在任何时间任何地点都能获得具有QoS保证的服务，同时具备较低的功耗？ 解决方案：进行异构网络融合，实现异构网络之间的平滑切换,1、背景概述,研究LTE-WLAN异构无线网络的互联互通方案，向多模终端用户提供LTE、WLAN网络之间的无
3、缝切换服务，使用户获得高速流畅的通信体验,5/26,报告提纲,面向IMT-Advanced跨层优化技术,网络协议栈分析,异构多链路汇聚Relay传输方法,方案与测试,6/19,2、异构切换整体架构,路径选择 根据链路信道质量，进行接入网络选择 虚拟网卡 屏蔽底层不同传输介质，实现异构无线链路平滑切换 网络地址转换(NAT) 使具有内网 IP 地址的终端连接 Internet 自动请求重传协议(ARQ) 多链路数据包汇聚重组，实现数据包按序提交，提供无线网络 QoS 保证的传输,7/19,2、异构切换整体架构,各节点功能模块示意图,网关实现功能： 路径选择、虚拟网卡、NAT、ARQ协议,eNB：
4、提供LTE UE接入 AP：提供WLAN CPE接入,终端实现功能：与网关处对应，实现路径选择、虚拟网卡、ARQ协议,8/26,报告提纲,面向IMT-Advanced跨层优化技术,网络协议栈分析,异构多链路汇聚Relay传输方法,方案与测试,OSI七层网络模型,9/10,IEEE 802.1AX信道聚合协议栈,10/10,3GPP LTE链路协议栈,11/10,Evolution-UTRAN协议栈,12/10,Evolution-UTRAN用户平面协议栈,Evolution-UTRAN控制平面协议栈：,PDCP sublayer (terminated in eNB on the networ
5、k side) performs the functions listed in section 5.3, e.g.: - Header Compression; (Only in User plane) - Integrity Protection; (User plane & control plane) Ciphering. (User plane & control plane),协议架构,13/10,eNB层次功能描述,14/10,数据链路层信道聚合技术,15/10,16/19,3、关键功能模块设计 ARQ,ARQ 模块示意图,终端在 LTE eNB 和 WLAN AP 之间切换路径
6、，由于两侧路径时延特性的不同，会导致IP数据包乱序到达。而IP数据包的乱序或丢包均会导致TCP链接进入拥塞控制状态，执行快恢复或慢启动过程，从而严重影响链路传输性能。为了避免IP数据包被乱序提交到传输层或丢包情况的发生，本系统自定义实现了终端和网关之间的ARQ协议，从而保证终端和网关之间的数据传输质量，为传输层提供可靠服务。,17/26,报告提纲,面向IMT-Advanced跨层优化技术,网络协议栈分析,异构多链路汇聚Relay传输方法,方案与测试,18/26,2、异构的核心问题,新型网络无线协议栈架构：模块最优向全局最优转变,链路层承上启下子模块分析,19/67,各协议层次之间的分组数据流图
7、,20/67,物理层（PHY）层功能描述,CRC检测 物理信道编解码 物理信道的增益控制 物理信道的调制/解调和扩频/解扩 物理信道的OFDM复用/解复用 频率和定时同步 信道估计与均衡 无线特性的测量，包括RSSI、SNR、BLER等,21/67,物理层与MAC子层之间的通信通过层间接口原语来完成。物理层与MAC子层的接口原语分为数据接口原语和控制接口原语。数据接口原语用于物理层和MAC子层间进行数据交换。控制接口原语用于物理层与MAC子层控制实体进行控制信息的交互，为MAC子层提供物理层当前的状态，并完成物理层的参数配置、切换指示、接入消息及测量信息传递等功能。,22/67,媒体接入控制（
8、MAC）子层功能描述,MAC子层处于物理层和RLC子层之间，向上为RLC子层提供服务，RLC子层通过逻辑信道将RLC子层的数据PDU提交给MAC子层发送，MAC子层向下利用物理信道使用物理层提供的服务。 MAC子层实现的主要功能包括：以数据PDU为单位的前、反向无线数据带宽的动态申请和动态统计复用、支持不同优先等级的多个用户的多种数据业务的QoS控制，逻辑信道和物理信道的映射、MAC子层SDU和物理层数据传输块的动态适配以及对物理层传输参数的进行动态配置。,23/67,MAC子层与RLC子层之间的通信由定义的层间接口原语来完成。MAC子层与RLC子层的接口原语分为数据接口原语和控制接口原语。数
9、据接口原语用于MAC子层和RLC子层间进行数据交互。控制接口原语用于MAC子层与RLC子层控制实体进行控制信息的交互，实现RLC子层和MAC子层的状态共享。,24/67,无线链路控制（RLC）子层功能描述,无线链路控制（RLC）子层主要实现对RLC子层服务数据单元的分割和重组、加密和解密、传输差错控制和各种数据逻辑链路的建立、释放、配置等功能。RLC子层由多个RLC实体和控制实体组成。RLC实体可根据传输业务类型的不同，配置成非确认模式、可靠传输模式和尽力可靠传输模式。RLC控制实体的主要功能是实现数据逻辑链路的建立、释放、参数配置，以及数据链路层的软切换控制过程。,25/67,基站发射机设计
10、方案图,26/67,物理层设计方案的主要内容包括,物理层设计方案的主要内容包括： 物理层数据传输流程 物理传输帧结构 传输速率等级 传输信号的随机化 信道编、解码 比特交织 符号调制 正交扩频 帧内调制符号交织 导频信号插入,子载波映射及时频域信号转换 时、频域加窗 符号加扰 MIMO 空时编码 FFT/IFFT 峰均比抑制 传输定时和同步控制 接收机同步算法 信道估计算法,27/67,前向链路物理层数据传输示意图,不同通信方式PHY物理层载体都是异构的； IP互联，任何设备都需遵循共同的IP架构； 因此，异构互联互通，主要在IP之下、PHY之上进行适配；,28/10,29/26,LTE家庭基
11、站（HeNB）-室内覆盖结构,HeNB：一种基于LTE协议栈的小型家庭基站。热点覆盖范围类似于WLAN。,eNB与HeNB之间的切换移动锚点,通过S1接口连接到MME/S-GW 紧耦合的系统结构,基于LTE内部切换机制，属于链路层切换,30/26,LTE-WLAN 紧耦合网关协议栈（Virtual-eNB）,功能定位类似于eNB,可以将其称之为虚拟eNB(Virtual-eNB),WLAN无线传输链路,用户面IP数据分组,RRC信令,NAS信令,30,31/26,LTE-WLAN 紧耦合系统结构,LTE-WLAN移动锚点,几个WLAN子网构成扩展WLAN虚拟小区，赋予跟踪区域标识,S1,X2,
12、紧耦合方式,LTE内部切换移动锚点,32/19,网关侧分别收集三条链路的反馈信息： eNB 把 UE 的测量信息汇报到上层，由 eNB 和Linux 网关之间的 CQI 汇报接口转发给Linux网关； WLAN 的 CPE 设备把 beacon 质量信息和 RSSI也通过相应的接口提交给 Linux 网关。,3、关键功能模块设计 路径选择,Linux 网关根据三条链路的测量信息综合后决定当前用户的 IP 业务流应该给 AP 还是 eNB，同时通过私有信令指示终端发送时选择三个网卡哪一个进行实际发送。,33/26,报告提纲,面向IMT-Advanced跨层优化技术,网络协议栈分析,异构多链路汇聚
13、Relay传输方法,方案与测试,34/26,异构多链路汇聚Relay传输方法,技术背景以及解决的问题： 高铁环境下，如何避免大量UE的切换引起的掉话、切换失败等问题； 如何避免backhaul UE（RN）在RLF时引起的数据传输效率降低的问题； 如何避免backhaul 链路可能受限的问题；,35/26,技术解决方案简要介绍（1）,针对该技术问题采取的针对性手段： 提出了多链路汇聚的设计方案（L2 over 多隧道 ） 多无线链路汇聚RELAY传输方案，支持多个LTE无线接入模块；,36/26,技术解决方案简要介绍（2）,多链路汇聚RELAY传输技术方案的RN，支持多个LTE无线接入模块；
14、RN连接的每个LTE无线接入网元（模块）可以在不同的位置，多个无线接入网元（模块）可能接入同一个eNB，也可能接入不同的eNB； 每个无线接入网元的IP地址与汇聚Server设备IP地址之间，可以建立一条隧道连接，用于回传连接的LLC报文；RN有N个无线接入网元（模块）时，建立N条隧道连接 。,37/26,技术解决方案简要介绍（3）,Mobile RN的协议栈：,Mobile RN的协议分为两部分： 1）RN完成LLC的封装 2）LTE无线接入模块的协议处理部分在LLC之下,38/26,技术解决方案简要介绍（4）,通过LLC层聚合、封装的优点： 高铁环境下RN会频繁的穿越小区，而且火车长度在1
15、00m甚至更长，因此LLC应用层汇聚的方法可以提高backhaul链路的有效性和传输效率； 当只有某路LTE无线接入网元出现RLF时，其余通道不受影响，可以继续在UN口传输数据（LLC负责按序递交和重传）；,39/26,技术解决方案简要介绍（5）,多通道汇聚Relay核心内容和优点： 兼容性、可扩展性好，只增加汇聚Server设备，对空口协议不用修改； 可实现多个backhaul UE的隧道汇聚，支持多无线链路同时传输，保证回传链路IP分组的无线链路传输效率； 多个链路同时relay IP分组，重传和新传可以承载在不同隧道连接上，多个隧道连接同时不通的概率较小，可以较好保证用户保持always
16、 online，通过多通路的重传减少底层切换的影响；,40/26,小结,RLC over WLAN，兼容现有用户平面、控制平面，同时支持RRC信令可靠传输，无丢包； 多隧道异构汇聚大带宽，支持多无线链路同时传输，保证backhaul回传链路IP分组的无线链路传输效率； 以上两方案，不用修改空口协议，兼容性好。,41/26,报告提纲,面向IMT-Advanced跨层优化技术,网络协议栈分析,异构多链路汇聚Relay传输方法,方案与测试,42/19,终端同时连接简化版IMT-A无线上网卡与WLAN终端，无线上网卡与WLAN终端分别能够接入异构场景下的各自网络，并能够进行业务演示，终端根据两个网络的信道质量进行网络切换，系统演示 ftp、语音、多媒体业务。,4、方案验证与测试,测试结果表明：验证系统可以很好地支持 ftp业务、视频点播业务、即时通信业务、 VoIP及视频会议业务,43/1
