基于ANDSF实现WLAN和蜂窝网间选网机制的增强

杨 静，孙 滔，魏 冰

（1.北京邮电大学 北京100876；2.中国移动通信研究院 北京100053）

1 引言

1.1 网络选择的功能概述

移动互联网用户数量不断增加、数据流量不断增长，导致无线网络资源的加速消耗。2009年第3季度，美国主要市场峰值时段无线资源利用率达到80%～90%，iPhone在纽约地区的掉话率高达30%，收发一条Twitter消息甚至延迟15 min[1]。

无线接入网呈现异构化的发展趋势，WLAN是蜂窝网分流的重要手段。据Wi-Fi联盟统计，截至2010年底，全球Wi-Fi用户数已经达到了6亿。ABI Research预计，2014年将有90%的智能手机内置Wi-Fi模块，智能手机出货量将超过9亿部[2]。为满足用户对数据业务的需求，运营商对蜂窝网进行了升级，同时引入WLAN等分担数据流量的压力，使无线接入网逐步向异构化的方向发展。截至2010年底，中国移动通信集团公司已经建设无线热点12万个，中国电信集团公司建设无线热点10万个，中国联合网络通信集团有限公司建设无线热点3万个[3]，各运营商对接入点（AP）的部署数目也相当可观。

为了合理利用网络侧资源、保证用户的业务体验，选择一个合适的接入网显得尤其重要。智能终端的普及和发展使更多的终端具备同时接入多个接入网的能力，如何让用户在合适的时间、合适的地点选择最合适的接入网，从而获得最优的网络应用体验是运营商需要关注的问题。多连接管理中的网络选择机制可以根据用户的地理位置、接入网的负载状态、用户的选择偏好等因素进行接入网的选择，为终端提供最优的选网策略，均衡了网络的负载状态，保证了业务的质量，提高了用户的体验。

1.2 现有网络选择机制

现有网络选择机制包括用户手动选择机制，即用户根据终端提供的可用接入网信息，手动选择一个合适的接入网；终端的静态配置机制，如iPhone在同时接入WLAN和蜂窝网时，静态地选择使用WLAN进行数据业务的传送；基于ANDSF（access network discovery and selection function，接入网发现和选择功能）的选网机制[4]；基于IEEE 802.11u的ANQP（access network query protocol，接入网查询协议）[5]提供的选网信息等。

其中，ANDSF是由3GPP（the 3rd generation partnership project，第三代合作伙伴计划）组织提出的一个选网策略单元，它可以根据终端上报的位置及用户选网偏好等信息，为终端制定最优的网络选择策略，帮助终端发现周围可用的接入网（如蜂窝网、WLAN等），并协助终端选择一个最合适的接入网。

2 ANDSF技术及相关WLAN新技术简介

2.1 ANDSF技术

基于ANDSF的选网机制如图1所示，手机等终端可以通过多种接入方式，如3GPP接入方式（蜂窝网）、非3GPP接入方式（如WLAN），与Internet进行数据业务通信。非3GPP接入网按照运营商对网络的信任程度，又分为可信非3GPP接入网和不可信非3GPP接入网。

ANDSF网元部署在蜂窝网的核心网中，通过S14接口与终端进行通信，根据终端上报的位置信息及用户选网偏好等信息辅助终端进行接入网的选择。S14接口是一个实现在IP层之上的接口，OMA-DM是推荐的实现方式，这需要网络侧和终端侧都支持OMA-DM协议。终端从ANDSF上获取策略的方式有两种：push方式（ANDSF主动发起策略更新）和pull方式（UE向网络侧发起请求进行策略的更新）。UE可以通过DNS或者DHCP方式来获知ANDSF的地址。

ANDSF为终端提供可用接入网类型信息（如蜂窝网、WLAN）、接入网ID信息 （如Cell-ID、SSID（service set identifier，服务集标识））、是否通过移动核心网路由数据业务信息等。终端根据ANDSF下发的选网信息选择合适的接入网，达到合理利用网络资源、提高用户业务体验的目的。

终端可以通过3GPP或非3GPP接入方式的S14接口与ANDSF进行通信，获取相应的选网策略。ANDSF为终端提供3种网络选择策略，分别为系统间移动性策略（inter-system mobility policy，ISMP）、接入网发现信息、系统间路由策略（inter-system routing policy，ISRP）[4]，策略详细介绍如下。

·系统间移动性策略：描述了终端在同一时刻只能接入一种接入网时，终端选择使用哪种接入网进行数据业务传送的策略。如终端可以选择使用WLAN或蜂窝网进行数据业务传送时，ANDSF考虑到WLAN负载较轻，建议终端选择使用WLAN传送数据业务。

·接入网发现信息：ANDSF根据终端的请求提供其位置附近的可用接入网信息。该可用接入网信息包括接入技术类型（如WLAN、WiMAX）、无线接入网ID（如WLAN的SSID）等。

·系统间路由策略：描述了终端在同一时刻可以接入多种接入网时，数据分组在不同接入网上路由的策略。如当终端同时接入WLAN和蜂窝网时，ANDSF建议FTP下载业务通过WLAN进行路由，HTTP浏览业务通过蜂窝网进行路由。

对于以上3种策略，ANDSF根据运营商的需求或漫游协约决定为终端提供所有的策略还是提供其中一种。更新终端策略的方法有两种：一是网络侧触发方法，即网络侧在条件满足后，触发ANDSF网元下发相应的策略给终端，对终端的策略进行更新；二是终端主动请求策略，即终端主动向ANDSF请求进行策略更新，ANDSF再向终端下发新的策略。

ANDSF MO（management object，管理对象）是对系统间移动性策略、系统间路由策略以及接入网发现信息进行管理的对象，主要用于支持ANDSF对这3类信息的存储和供应。OMA-DM架构是策略架构和传输协议的合一，将MO从选网策略服务器传送到移动设备。MO包括了终端用来进行接入网发现和选择所需的所有信息，即终端通过MO提供的信息进行网络发现和选择。

2.2 IEEE 802.11u及Hotspot2.0规范简介

IEEE 802.11u是IEEE组织提出的一种用增强无线局域网的MAC层来支持WLAN和外部网络互通的规范。IEEE 802.11u的目标是协助网络发现和选择，将紧急救援服务信息、签约服务提供商的网络接口信息等从外部网络传递给IEEE 802.11u网络，以支持它与外部网络的互通[5]。

IEEE 802.11u使用管理帧和公共动作帧在UE、WLAN的AP及外部网络之间进行信息的交互，将外部网络的信息传递给终端以供其进行网络的发现和选择。管理帧包括信标帧（beacon）、探测请求帧（probe request）和探测响应帧（probe response）等，其中信标帧和探测响应帧包含ANQP信息元素。该ANQP信息元素包括场地名称信息（如图书馆、候车室等）、网络认证类型信息、可用的IP地址类型信息、网络接入ID域列表、3GPP蜂窝网信息等。AP将外部网络的有用信息封装在探测响应帧的ANQP元素里，传递给终端，以供终端进行接入网的发现和选择。

Hotspot2.0采用IEEE 802.11u协议实现终端和AP之间的通信，支持网络的发现、授权和分配访问权限。Hotspot2.0的目的是实现移动网络和Wi-Fi网络之间的无缝漫游，解决用户每次接入Wi-Fi都要认证而导致数据中断的问题。支持Hotspot2.0的接入点、终端、运营商及业务提供者，能够支持并利用ANQP元素提供的一些信息辅助终端进行接入网的发现和选择。

ANDSF和IEEE 802.11u的目标都是协助终端进行接入网的发现和选择。两者的区别在于ANDSF是核心网的网元，可以随时协助终端发现其周围可用的接入网（包括蜂窝网、WLAN等），又因为S14接口采用OMA-DM协议，所以目前ANDSF机制的实现是非实时性的；而IEEE 802.11u承载在WLAN的空中接口中，是实时性的选网机制，可以使终端根据获得的管理帧信息来选择一个合适的WLAN及后端网络。两者的联系如下所述：

·ANDSF和IEEE 802.11u技术是互补的，ANDSF的MO需要升级才能使用IEEE 802.11u内包含的信息；

·终端内的ANDSF Client能够使用ANQP提供的信息，并将其提供给ANDSF Server；

·终端可以综合参考ANQP和MO提供的信息，选择一个接入网；

·终端基于ANDSF提供的有效信息，选择一个IEEE 802.11u网 络[6]。

由于ANDSF的MO需要升级才能使用IEEE 802.11u包含的信息，而Hotspot2.0是基于IEEE 802.11u协议实现接入网的发现和选择功能，因此，现有ANDSF方案还不支持IEEE 802.11u协议和具有Hotspot2.0功能的终端。

3 基于ANDSF的选网机制

3.1 ANDSF现有机制的局限性

在现有国际规范中，ANDSF可以提示终端附近可用的接入网信息，并下发相应的网络选择策略，详细功能如下。

（1）根据终端上报的位置信息，下发终端附近可用的接入网信息

ANDSF可以根据终端上报的位置信息，如Cell_ID信息，查询ANDSF数据库，如表1所示，将数 据库里该Cell_ID覆盖的所有SSID和BSSID（WLAN接入点AP的MAC地址）下发给终端，以提示终端附近的可用接入网信息。

表1 ANDSF内存储的蜂窝网和WLAN之间的映射关系

一个蜂窝网小区（Cell-ID）有多个WLAN，表1仅能体现蜂窝网和WLAN之间的一种粗略的部署关系，不能精确地体现UE当前位置周围可用的WLAN接入网信息，从而不能有针对性地向UE提供网络选择策略。

由上所述，ANDSF下发的可用接入网信息不能精确覆盖终端的可用SSID和BSSID信息，需要用户参与复杂的操作，降低了用户感知，增大了终端的选择难度。

（2）根据终端上报的选网偏好等信息，下发相应的选网策略

ANDSF可以根据终端上报的用户选网偏好信息下发相应的策略，使用户选择并接入自己偏好的网络。

该功能未结合网络的实际使用情况制定选网策略，缺少网络侧负载状况等信息，因此，终端不能合理地使用网络资源，容易导致网络负载不均衡。

为使终端能够根据网络的状态进行接入网的选择，减少用户的参与程度，实现网络的负载均衡及保证用户的业务体验，实现对接入网发现和选择功能的优化，需要对ANDSF进行增强。

3.2 基于网络状态的接入网选择

为解决3.1节提出的选网局限性问题，使选网策略结合接入网的负载状态并精确蜂窝网和WLAN的映射关系，本节提出了解决方案。终端需要将所处的网络环境，如UE当前所在的蜂窝网和WLAN的可用情况、WLAN接入点的MAC地址、各接入点的信号强度等，准确地上报给ANDSF；如图2所示，ANDSF根据终端上报的信息向网管系统、用户信息数据库等进行查询，以获得各接入网的负载情况和用户相关信息；最后，ANDSF根据网络状态和用户相关信息制定相应的选网策略，协助终端进行网络选择。

图2阐述的步骤如下。

（1）终端探测附近接入网信息并上报给ANDSF。终端探测周围非3GPP接入网信息，如WLAN的SSID、AP的MAC地址（即BSSID）、对应的信号强度、信标帧等，3GPP蜂窝网信息，如Cell_ID等，并在向ANDSF发送的策略请求信息中携带上述信息。

（2）ANDSF根据所获信息查询网络负载状态及用户相关信息。ANDSF根据终端上报的Cell_ID向网管系统查询对应蜂窝网小区的负载信息，如表2所示，如当前激活用户数、物理资源块利用率等；根据WLAN AP的MAC地址向网管系统查询相应AP的负载信息，如表3所示，如信道利用率、当前接入或活跃的用户数等。ANDSF从用户信息数据库获取用户的相关信息，如用户可接入的SSID列表等。

表2 Cell_ID对应的蜂窝网小区的负载信息

表3 WLAN AP的负载信息

（3）ANDSF根据网络负载信息及用户相关信息制定选网策略。ANDSF从网管系统获取蜂窝网和WLAN的负载信息后，同时考虑用户相关信息，如用户签约信息、个性化的行为特征等信息，制定最优选网策略并下发给终端，形式如“接入SSID=SSID1，AP MAC=MAC1的接入点的优先级为1；接入SSID=SSID2，AP MAC=MAC2的接入点的优先级为2”等。

与现有机制相比，上述方案有如下优点：

·终端上报WLAN AP的MAC地址，使ANDSF更加准确地定位用户可接入的WLAN信息，降低用户参与选网的复杂程度；

·ANDSF能够获取蜂窝网和WLAN的负载状态，根据网络的实际情况制定相应的选网策略，不仅提升了用户的选网感知，还实现了网络的负载均衡和资源协调；

·结合用户相关信息（如可用的SSID列表、个性化的行为特征信息等）制定选网策略，可以做到针对用户的个性化进行接入网的选择；

·为WLAN的选择引入了类似蜂窝网的选网机制，增强了网络的智能型。

4 结束语

随着WLAN热点的大量部署以及具有Wi-Fi功能的智能终端的普及，如何保证用户最优的上网体验、合理地利用网络资源成为运营商重点关注的问题。

本文通过分析WLAN的发展趋势、用户对手机数据业务的使用需求以及多连接管理的重要性，主要介绍了终端基于ANDSF实现蜂窝网和WLAN之间网络选择的机制。通过分析ANDSF现有机制的局限性，本文提出了基于网络状态进行接入网选择的方案，并进行了重点阐述。该方案可以综合考虑终端周围可用的接入网负载信息（如蜂窝网小区的负载情况、WLAN接入点的负载情况）、用户的签约信息等，制定最优的选网策略，不仅可以合理地利用各接入网的资源，达到各接入网的负载均衡，而且为扩展与位置相关的业务提供了基础。

1 工业和信息化部电信研究院.移动互联网白皮书(2011年),2011

2 ABI-中文互联网数据研究资讯中心.http://www.it199.cn/

3 烽火科技运营级WLAN力助移动数据业务发展.http://www.cnii.com.cn/qyz/content/2011-09/22/content_919514.htm,2011

4 3GPP TS 23.402.Architecture Enhancements for Non-3GPP Accesses,2011

5 IEEE 802.11u.Interworking with External Networks,2011

6 GSM Association-Wireless Broadband Alliance(WBA).Wi-Fi Roaming Whitepaper(Version 0.3),2011

7 3GPP TS 24.302.Access to the 3GPP Evolved Packet Core(EPC)via Non-3GPP Access Networks,2011

8 3GPP TS 24.312.Access Network Discovery and Selection Function(ANDSF)Management Object(MO),2011