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1、 探索无限 网优先锋WiMAXWiMAX 与与 3G3G LTELTE 网络互联与融合技术研究网络互联与融合技术研究1 1、引言、引言 无线接入互联网和无线多媒体数据业务的巨大需求推动了无线通信技术的快速 发展，不同的无线通信技术，如蜂窝通信 3G/4G，宽带无线接入 IEEE802.16/20 以及短距通信 WLAN、Bluetooth、UWB 等为用户提供各种不同的服务。WiMax 具 有传输距离远、传输速率高、容量大、信道宽度灵活、安全性高等特点，并已 推出最新的支持固定、移动接入的空中接口标准IEEE 802.16e1。与此同 时，3GPP 组织也在积极开展 3G 的长期演进项目（LT
2、E）的研究，该技术也采用 了以 OFDM 为核心的关键技术，并计划在 2007 年推出正式标准。针对 WiMax“低移动性宽带 IP 接入”的定位，LTE 提出了相对应的需求，如相似的 带宽、数据率和频谱效率指标，对低移动性进行优化，只支持 PS 域，强调广播 /多播业务等。 由于用户对信息通信和带宽的需求不平衡且呈多样化的特点，使得各种无线网 络技术都有其生存和发展的空间，WiMax 和 LTE 两种无线技术的融合具有潜在 的优势及可能性： 从运营的角度看，WiMax 的目标是要提供一种城域网区域点对多点的宽带无 线接入手段，3G 及 LTE 是定位于无线广域网范畴。WiMax 可以作为 3
3、G 及 LTE 网 络的补充，在高速无线宽带接入领域发挥作用。 从技术的角度看。两者物理层都采用了相似的先进技术，如 OFDM、MIMO、自 适应链路层技术以及分等级的多种 QoS 保证机制。两者都设计为基于全 IP 核心 网的蜂窝式网络结构，在无线接入网络（RAN）的结构方面都弱化基站控制器设 备实体，采用公共无线资源管理控制基站等概念，这些都为网络的互联及融合 机制的研究及设计提供了良好的条件，如负载均衡、动态频谱分配、系统间无 损切换等。 异构无线网络融合要获得多无线接入网络增益，必须要求不同的接入技术在设 计及应用中能紧密地协作，具体技术包括：协作网络架构的设计；支持快速无 缝漫游的
4、MAC 及网络协议层设计；协同无线资源管理算法研究；网络自适应及 组织理论；动态可重配置终端的设计。 2 2、WiMaxWiMax 与与 LTELTE 网络互联架构网络互联架构 一般来说，在研究 WiMax 和 B3G/4G 互联结构时，需要考虑如下问题： 探索无限 网优先锋提供网络间相互协作的同时，要折中考虑网络之间的公平性。 建立一种能提供费用低廉、频谱效率高的架构方案，为移动用户提供种类多 样的服务。 合理定义结构实体，使 WiMax 和 B3G/4G 之间以一种性能耗费比更优的方式通 信。 定义总的容量、指标和每个网间架构实体的功能。 互联架构应当是灵活的，能够在不引入太多新节点和接口
5、的条件下支持其他 新型网络的协作。 目前，3GPP 在 LTE 项目的研究中也提出了网络的演进架构和接入网的一些新的 演化方向。在 R4、R5 版本中引入基于 IP 的骨干网后，3GPP TSG RAN 工作组又 针对 UTRAN 架构演进，主要对如何提高无线性能和传输层的协议机制进行了研 究2，3，并且此工作将在 R7 中继续。在参考文献2几种增强的 UTRAN 架构 提议中，都体现了控制层面和用户层面分离、UTRAN 节点功能重定义、小区/多 小区/用户相关功能的功能实体分离等。此外，将原先 RNC 中的部分功能转移到 Node B 中形成增强 Node B（iNode B），这些功能包括
6、：小区无线资源管理、 软切换管理、无线和用户数据处理等。 本文基于对 WiMax 及 LTE 不同组网技术研究，提出了两种 WiMax 和 B3G/4G 系统 异构互联的架构，分别针对不同协作层次。值得指出的是，这里互联网络架构 的提出主要参考了 Ambient Network 项目中关于“多空中接口接入”的网络结 构4，并适当加入必要的节点和接口。因此，同样两个重要的概念及功能体被 引入来完成网络间协作：通用链路层（GLL）、multi-radio 资源管理。在此互 联网络架构中，WiMax 与 LTE 接入网互为补充进行网络覆盖，GLL 被引入数据承 载节点，如多模终端，承载网关等，以在原
7、有链路层机制上增加协作功能，如 分组队列、高层数据头压缩、分割和重传功能等。同时，协调无线资源管理功 能体被引入原有的无线资源控制层（LTE）及 MAC（WiMax）中，以保证网络协 作后整体的无线资源能更有效地利用。 下面对于两种架构中出现的一些网络节点作一些说明： 协同无线控制服务器（MRCS）：控制了包括承载网关在内的整个异构互联网 络，决定网间切换，实现多无线通信系统间的协同无线资源管理，从而提供优 质高效的无缝覆盖。 异构中继节点（RN）：可以实现覆盖的拓展，支持移动台接入到其他系统。 探索无限 网优先锋基站（BS）：WiMax 的 BS 或者 B3G 的 Node B。 无线控制服
8、务器（RCS）：根据目标网络自身特点实施控制，实现网间切换， 无线资源管理（RRM）等功能，且在前一种异构互联架构中为 MRCS 提供一些有 用的网络信息。 用户终端（UT）：可以连接 RN 中多个 BS/Node B，也可以相互间通信。GLL 功能保证接入多个无线系统，并由 RCS 协调控制。 承载网关（BG）：因为要处理来自不同网络的数据包，它要包含 GLL 功能实 体，同时将提供到 IP 核心网的统一接口。 统一接入点（RAT AP）：具有 GLL 功能，同时支持 WiMax 和 B3G/4G 网络的通 信，即至少具有双模功能。 接入路由器（AR）：主要功能是给接入网的各终端分配 IP
9、地址、它可以不具 有 GLL 功能，因为所有 RAT-AP 能够提供具有统一格式的 IP 数据包。 本文提出的两种互联网络结构如图 1 和图 2 所示。图 1 是基于松协作模式下场 景。WiMax 与 LTE 网络分别进行覆盖，其中 WiMax 针对热点地区，而 LTE 针对 全网无缝服务。以上行为例，数据传送分别经过终端、基站、承载网关，承载 网关通过引入 GLL 将来自不同网络的数据进行处理并以统一的结构提供给骨干 网。无线控制服务及协同无线控制服务节点被引入控制层面，前者来完成相应 网络的独立无线资源管理，而后者在协同前者的基础上完成网络间的协同资源 管理。因此，这种互联网络架构也可看作
10、基于 RCS 的集中式架构。 图 2 是基于紧协作模式下的互联网络架构。在这种场景中，两个网络的基站在 物理上进行合并为一个通用的基站节点，支持 WiMax 与 LTE 两种空中接口的用 户接入。GLL 直接引入在这样的通用基站节点中，完成网络的链路层协作功能。 基于此，另一个新增的通信功能实体 BG 作为独立于接入技术的核心网接入路由 器而存在；无线控制服务节点在此协作模式下，包含协同无线资源管理的功能， 因此不再需要独立的协同无线控制服务节点。 比较这两种互联网络机构可知，基于 RCS 的集中式架构是在对原有网络拓扑及 协议修改不大的基础上完成的，但在控制层面用于协作的控制信息比较复杂，
11、而由于基站独立设计，网络间的切换较难在链路层实现。基于 RAP 的集中式架 构则代表未来发展的一种网络融合观点，简化了协作控制信息，使网络间协作探索无限 网优先锋在更低协议层完成，因而效率更高，但缺点是对目前的网络设计所做修改较大。3 3、通用链路层技术、通用链路层技术 GLL 可被看作在原有协议层上增加的一个新的通信层，用来为不同的无线接入 机制提供统一的链路层数据处理功能。引入 GLL 主要是为用户提供更好的服务 质量，并为在网络间提高资源的有效利用。GLL 的设计可与 MAC 层进行不同程 度的耦合，一般来说，耦合程度越高，系统互联的复杂度越高，但能带来更高 的多接入增益，GLL 的功能
12、主要包括： 作为不同接入技术的汇聚层，为上面的各种高层协议（如网络层）提供统一 的接口，达到屏蔽不同无线接入技术差异的目的。 对不同接入技术的 RLC（无线链路控制）/MAC 功能进行控制及补充，达到资 源的有效利用以及最大化应用层性能。 保持网络协议层的模块化结构，以支持不同的接入技术的融合。 提供对用户数据包在不同网络间调度，以利于网络分集增益。 提供链路层状态信息给上层，以支持有效的接入网络间的移动性管理。 图 3 给出采用 GLL 后的 WiMax 与 LTE 网络融合参考协议架构。其中：PDCP 表示 分组汇聚协议；BMC 表示广播、多播控制协议；CS 表示汇聚子层；CPS 表示通
13、用部分子层；SS 表示加密子层。该协议架构是基于一种紧耦合的方式，GLL 放 在原有协议的层 2 之上，但在层 3 之下。按照 LTE 提出的控制与数据层面分离 的演进思路，GLL 分别定义了控制平面（GLL-C）和用户平面（GLL-U）。在用 户平面，基于不同网络的不同格式 MAC 数据通过 GLL-U 层处理，提供给上层一 个统一格式定义的数据流。在控制层面，GLL-C 将各网络的下层反馈信息收集， 并传递到协同资源管理单元，以进行动态的资源管理。 GLL 的引入带来两个重要的关键技术：异构发送分集和异构多跳技术。前者指 的是业务流将通过多个接入网络进行串行或并行的传输，以获得多无线接入增
14、 益；后者则指多跳无线连接可以采用不同的无线接入技术。 3.1 异构发送/接收分集 探索无限 网优先锋异构发送/接收分集主要思想是在异构融合网络环境中，将两个通信实体间的数 据包（IP 或 MAC PDU）分配在基于不同的无线接入技术的链路上。由于采用不 同的接入技术以及收发端间经历不同的信道衰落，在发送端可以选择一个或多 个接入链路进行发送数据，而在接收端进行多链路的合并则可以获取空间分集 及多接入（异构）分集增益，提高数据收发的可靠性，同时也提高了整个系统 的资源利用率。图 4 是基于 GLL 的异构发送/接收分集在下行链路的实现，上层 的多用户分组数据 IP 包发送到 GLL，GLL 的
15、多接入分组调度器会在综合考虑信 道质量、可用资源反馈以及错误重传状态等信息后，动态选择用户和申请接入 的传输链路进行数据包发送。其中 3 个重要的组成模块分别为：（1）接入选择 及分组调度器，功能是选择不同用户的数据在不同的接入链路上进行发送； （2）网络资源及承载状态信息反馈，目的是提供必要的信息给接入选择及分组 调度器以进行有效调度；（3）错误控制及反馈机制，功能是利用多无线接入特 性进行必要的重传，以提高无线传输的链路质量。 在参考文献5中，根据网络间融合 GLL 与原有协议层的耦合程度，异构发送分 集可分为：基于 IP 层的异构发送分集和基于 MAC 层的异构发送分集。前者接入 选择和
16、分组调度基于 IP 包，而后者则基于 MAC PDU（用户数据单元）。从另外 一个角度，根据选择一个还是多个接入链路发送同一用户数据，则可将异构发 送分集分为选择式异构发送分集和并行异构发送分集。 在选择式异构发送分集应用中，用户数据包根据一定策略选择适合的接入链路 进行发送，以获取空间及多接入分集增益。其主要功能可以分为：用户调度和 接入链路分配。用户调度指在某个调度周期，在所有等待数据发送的用户中选 择部分用户进行发送，目的是来满足用户的需求同时提高网络整体吞吐性能。 当选择某些用户在此调度周期进行发送时，接入链路分配则完成分配特定链路 来传送指定用户的数据包。在实际系统中可以有多种资源分配及调度算法，但 这些算法应考虑如下参数的影响：用户 QoS、网络负载状态、信道状态等。 并行异构发送分集是利用多个可用接入链路并行发送相同的数据包，在接收端 这些数据包被分别接收并解出。它主要用来提高数据传输的可靠性，最简单的 实现方式是在多个接入链路上发送相同的数据包，在接收端分别收到这些数据 包后，选择最佳链路的数据
