异构融合网络体系技术

雷小燕+李鹏翔+霍玉臻

Heterogeneous Converged Network System

中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1009-6868 （2014） 01-0054-05

摘要：将WLAN和蜂窝网络进行融合形成了异构融合网络体系，研究并分析了该体系的若干关键技术。该异构融合网络体系能够有效实现用户无感知接入WLAN网络，降低终端的功耗，尽可能地利用现有的网络资源，充分体现用户意愿，并提高用户业务体验，另外还能够优化运营商网络资源的使用、管理和控制，为运营商网络部署和运营提供重要的参考价值。

关键词：无线局域网；演进的分组核心网；接入网发现和选择；无感知接入

Abstract： In this paper， we describe the integration of two kinds of heterogeneous networks： WLAN and cellular. We analyze the key technology in a heterogeneous converged network system， which realizes non-perceptive access WLAN， saves terminal battery， efficiently uses existing network resources， and improves user experience. A heterogeneous converged network system also can better use and manage operator network resources. This paper also is a reference for operators deploying networks for the future.

Key words： wireless local area networks； evolved packet core network； access network discovery and selection function； non-perceptive access

随着移动通信和互联网技术的高速发展，大量不同类型的通信网络不断涌现，使用户置身于一种复杂多样的异构网络环境中。目前的网络形式种类繁多并各具特点，相互之间形成一种共同存并发展的关系。

目前的移动网络包括全球移动通信系统（GSM）、时分同步码分多址（TD-SCDMA）、宽带码分多址（WCDMA）、码分多址2000（CDMA 2000）、长期演进（LTE）等多种制式，各移动网络之间呈现叠加式的演进发展。但移动网络发展的速度远远赶不上移动用户的增长速度，近年来移动用户以每年1亿人的速度迅猛增长。

随着用户数的增长，移动网络数据业务流量也呈爆炸式增长，远远超过移动网络的负荷，再加上移动网络空口资源的短缺，现有的移动网络已经无法满足用户的需求，不能更好地为用户提供服务，迫切需要出现一种新技术或者新方案来解决目前这种状况。

随着无线局域网（WLAN）技术的成熟、WLAN速度的快速提高（802.11n的最高速率已达540 Mbit/s）以及WLAN的频率优势，WLAN网络得到了大规模部署，但由于WLAN网络本身的一些缺点，如覆盖范围有限，不能保证用户的移动性，不能给用户提供很好的服务质量（QoS）保证，对终端功耗要求高以及前期WLAN网络的弱安全性等，使WLAN网络处于热建冷用的状态。

因此异构网络融合成为下一代网络发展的必然趋势，业界已经开展了不少关于异构网络融合的研究，其侧重点与文章所研究的不太相同，如文献[1]侧重于异构无线网络的融合，通过集中架构的射频控制服务器和接入点来实现WiMAX和B3G/4G多个异构无线网络之间的融合，进而减少异构融合网络的无线侧信令，节约终端能量消耗。

文章主要从总体框架上研究蜂窝网和WLAN两种异构网络的融合，利用蜂窝网为用户提供很好的移动性和QoS保障，并利用WLAN网络的广覆盖把对QoS和移动性要求不高的业务流通过WLAN分流走，这就能充分利用WLAN的网络资源，同时缓解蜂窝网紧缺的空口资源，保证用户的业务体验，进而优化运营商网络的使用、管理和控制。文章还将接入网发现和选择功能（ANDSF）[2]和广告服务器（GAS）[3]合一，为用户提供选网策略，从而实现用户的WLAN无感知接入。

1 异构融合网络体系研究

异构融合网络体系包括WLAN接入网和蜂窝网，其中蜂窝网包含WCDMA、TD-CDMA和LTE 3种接入方式。异构融合网络体系关键技术有WLAN无感知接入、WLAN可信任接入演进的分组核心网（EPC）、并行接入以及多种接入方式之间流迁移等几个方面。

1.1 异构融合网络体系架构

图1是异构融合网络体系架构示意图，图中列了4种不同的接入网技术，分别为WLAN接入网、WCDMA接入网、TD-SCDMA接入网以及LTE接入网。其中WLAN接入网被认为是可信任的，终端从WLAN通过可信任的WLAN接入网关（TWAG）接入核心网[4]。TWAG和分组数据网关（P-GW）之间是S2a接口，可信任的WLAN项目鉴权、授权和计费（AAA）代理（TWAP）和第三代合作伙伴（3GPP）项目AAA之间是STa接口，用于传输签约数据、鉴权信息等。终端通过S14接口同ANDSF/GAS连接，用于获取接入网络信息以及流迁移策略和系统间切换策略。

异构融合网络体系架构中将ANDSF和GAS合设，能够有效实现WLAN选网和3GPP选网策略统一，实现终端无感知打开和关闭WLAN开关，并降低终端的功耗。同时能通过WLAN可信任接入EPC，访问运营商的自营业务和Internet业务。同时还能通过多种接入网络同时接入EPC，多种接入技术同时锚定在同一个分组数据网关（P-GW）上时，接入技术之间可以进行业务流的平滑迁移。这能充分利用现有的网络资源，优化运营商网络资源的使用、管理和控制。

1.2 异构融合网络体系关键技术

1.2.1 WLAN无感知接入

3GPP中采用ANDSF辅助终端进行网络发现和选择。ANDSF可以提供终端附近的接入网信息，指导终端进行网络发现及选择。除此之外，ANDSF还能够提供系统间移动性策略（ISMP）信息和系统间路由策略（ISRP）信息，其中ISMP中包括接入网络和接入技术的优先级、有效区域和有效时间等，ISRP中包括一个或多个路由规则[2]。

Hotspot 2.0[5]（也称为热点2.0）是国际上正在研发的新一代WLAN技术，它以802.11u为基础，实现了802.11u中的网络发现和选择功能。802.11u 中利用GAS辅助终端完成WLAN内的网络发现和选择，主要是由于GAS中存储了WLAN网络的部署位置、负载信息、鉴权类型等信息。

在接入网络信息提供方面，Hotspot 2.0可提供ANDSF不能提供的部分信息，如场所名称、漫游联合列表、网络接入标识符域名和可扩展的鉴权协议方式、可获得的公共陆地移动网络列表等。而ANDSF也具有Hotspot 2.0不具备的功能，如ANDSF脱网后也能够提供接入网信息等，所以两者的功能是互补的。

异构融合网络体系中把ANDSF和GAS合设（如图2所示），融合了ANDSF和GAS功能，这样可以实现3GPP和WLAN网络选择的统一，指导用户无感知接入WLAN。

在接入阶段，终端通过3GPP蜂窝网上报自己的位置信息，并从ANDSF/GAS获得WLAN网络部署情况，终端发现可接入的WLAN网络后，自动开启WLAN功能，并自动接入WLAN网络。

在关闭阶段，若终端发生移动，终端可以通过3GPP蜂窝网上报自己的位置信息，并从ANDSF/GAS获得所在位置处WLAN网络部署情况。终端发现无可接入的WLAN网络后，终端自动断开WLAN连接，自动关闭WLAN功能，完成用户无感知WLAN关闭。

如上所述，将ANDSF与Hotspot 2.0结合后，终端能自动打开或关闭WLAN开关，实现用户无感知接入WLAN网络，并通过WLAN网络访问Internet业务。同时在用户自动打开WLAN功能，接入WLAN网络之前，ANDSF/GAS能对终端可接入的运营商进行筛选，通过对运营商进行筛选，可以只为用户提供可接入运营商的接入点（AP），从而进一步提高了接入网络筛选的精度，缩小了可选AP的地址范围，降低了终端的功耗，如图3所示。如果终端属于服务集标志2（SSID2）运营商，则对存在多个运营商AP的情况下，可以只为终端提供SSID2的AP。同时ANDSF/GAS服务器还可为用户提供AP的经纬度、市内位置等信息，供终端展示给用户，提高了用户体验，如图4所示。终端通过无感知接入WLAN网络访问Internet业务，能有效利用WLAN的网络资源，降低蜂窝网数据负荷，缓解蜂窝网空口资源短缺。

1.2.2 通过WLAN可信任接入EPC

现有的通过WLAN接入网接入EPC的方式要求终端和网络都支持IP安全（IPSec）或双栈移动IP （DSMIP）功能，这对网络和终端的要求很高，现有终端一般都不支持IPSec和DSMIP功能，同时由于WLAN安全性能的提高和完善，越来越多的人认为WLAN接入网是可信任的。因此在异构融合网络体系中，终端从WLAN以可信任的方式接入EPC，访问运营商的自营业务和Internet业务。如图5所示。图中TWAG、TWAP、接入控制器（AC）、宽带远程接入服务器（BRAS）的物理位置并不是唯一的，相互之间可以分离也可以合一，或者两两合一。TWAG和P-GW之间采用GPRS隧道协议（GTP）。TWAG/TWAP和AC/BRAS分离时，相互之间可以通过通用路由封装（GRE）隧道连接。

终端通过WLAN以可信任的方式接入EPC，这对终端没有特殊的要求，并且对现有网络影响小，只需现有网元升级支持TWAG/TWAP功能或者新增TWAG/TWAP网元就能实现。从而降低了网络复杂度，使网络易于运营和部署，能兼容现有的终端，不需要终端做任何增强。同时终端通过WLAN接入EPC能有效利用WLAN的网络资源，减低蜂窝网数据业务负荷，解决蜂窝网空口资源的紧缺。对同时通过蜂窝和WLAN接入EPC的用户来说，还能保证业务的连续性，提升用户的业务体验，优化运营商网络资源的使用、管理和控制。

1.2.3 并行接入和流迁移

对能支持多接入的终端来说，当同时存在多个网络覆盖时，用户可以同时从多个网络接入。如图6所示，当同时存在蜂窝网和WLAN覆盖时，终端根据ANDSF/GAS服务器提供的接入网络信息，可以同时通过3G、LTE和WLAN接入网接入EPC，通过P-GW访问运营商提供的自营业务以及Internet业务。

当终端从不同的接入网络并行接入时，如果锚定在同一个P-GW上，则能够实现多种接入技术之间业务流的平滑迁移，如图7所示。并行接入的终端可以实时从ANDSF/GAS处获取接入网络的状况、网络负荷以及流迁移策略等信息。终端根据从ANDSF处收到的策略信息以及自身的意愿，可以让多种接入技术之间的业务流进行平滑迁移。当终端想进行流迁移时，终端把流迁移策略通过应用软件传递给P-GW，利用该应用层的交互实现流迁移策略的协商。P-GW和终端完成流迁移策略协商之后，各自根据协商后的流迁移策略，为用户的上下行数据选择网络，从而实现业务流平滑迁移。

图7中的Flow 1是终端通过WLAN接入EPC访问外部Internet业务的数据流，图中用红线表示。当终端由于自身意愿改变想移出WLAN或者根据ANDSF下发的网络状况（由于用户移动而WLAN信号减弱）信息判断出此时WLAN信息很弱，已经不能继续给用户提供想要的服务时，为了保证业务数据流Flow 1的连续性，终端需要把业务流Flow 1迁移到此时覆盖很好的蜂窝网内，终端就可以通过自身的应用软件将此流迁移策略信息传递给P-GW，然后同P-GW协商此流的迁移策略，待P-GW和终端完成流迁移策略协商之后，P-GW则会根据收到的流迁移策略调整业务流Flow 1的下行走向，将Flow 1迁移到LTE网络内，然后终端根据流迁移策略调整业务流Flow 1的上行走向，把业务数据流Flow 1迁移到LTE网络内。图中Flow 2是通过3G网络接入访问运营商自营业务的数据流，当由于蜂窝网内数据拥塞或者终端意愿发生改变以及其他原因，终端想把业务流Flow 2迁移到WLAN内时，终端同P-GW发起应用层协商过程，策略协商之后终端和P-GW根据协商后的流迁移策略，为Flow 2选择上下行网络，把Flow 2从3G网络迁移到WLAN内，实现业务流的平滑迁移。

在多种接入方式之间做业务流的平滑迁移能充分体现用户的意愿，有效利用现有的网络资源。当存在WLAN覆盖时，可以把对QoS和移动性要求不高的业务从蜂窝迁移到WLAN，这能解决蜂窝网空口资源短缺问题，又能充分利用现有的WLAN网络资源。当某种接入网络的无线环境发生改变时，能把该接入网络内的业务数据流迁移到其他的接入网络上，这能保证业务的连续性，又能提升用户的业务体验。流迁移还能优化运营商网络资源的使用、管理和控制。流迁移策略通过应用层协商完成，实现起来简单、灵活方便。

实现业务流在多种接入技术之间平滑迁移对现有网元有影响，但对网元的影响主要是为了保证用户从多个接入网并行接入时选择到同一个P-GW。对现有网元的具体影响分析见表1。

2 结束语

文章主要研究了异构融合网络体系，该体系把WLAN和蜂窝网进行融合，同时把ANDSF和GAS进行合一，利用ANDSF/GAS提供的选网策略实现WLAN的无感知接入。同时通过WLAN可信任接入EPC，有效利用WLAN的网络资源，减低蜂窝网数据业务负荷，解决蜂窝网空口资源的紧缺。最后实现了终端通过多种接入网络并行接入时的业务流平滑迁移，并利用应用层协商流迁移策略。文章所提方案实现方式简单、灵活方便，平滑的流迁移能够优化运营商网络资源的使用、管理和控制。

参考文献

[1] Peng Mugen， Wang Wenbo. A unified architecture and key techniques for interworking between WiMAX and beyond 3G/4G systems [J]. Wireless personal communications.2008，45（1）：67-90.

[2] 3GPP TS23.402. Architecture Enhancements for Non-3GPP Accesses [S]. 2007.

[3] IEEE Std 802.11u?-2011. Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks - Specific requirements Part 11： Wireless LAN Medium Access Control （MAC） and Physical Layer （PHY） specifications Amendment 9： Interworking with External Networks[S].2006.

[4] TR23.852. Study on S2a Mobility based On GTP & WLAN access to EPC （SaMOG） [S].

[5] WFA_HS2-0_Technical_Specification_R2_V1.0[S].

作者简介

雷小燕，湖南大学硕士毕业；现就职于中兴通讯任技术预研工程师；现从事技术预研工作，研究方向为PS核心网、多接入技术。

李鹏翔，重庆邮电大学硕士毕业；现就职于中兴通讯任技术预研工程师；现从事技术预研工作，研究方向为多接入技术。

霍玉臻，青岛海洋大学硕士毕业；现就职于中兴通讯任技术预研工程师；现从事3GPP、3GPP2、WLAN等通信技术的预研和标准研究。

在多种接入方式之间做业务流的平滑迁移能充分体现用户的意愿，有效利用现有的网络资源。当存在WLAN覆盖时，可以把对QoS和移动性要求不高的业务从蜂窝迁移到WLAN，这能解决蜂窝网空口资源短缺问题，又能充分利用现有的WLAN网络资源。当某种接入网络的无线环境发生改变时，能把该接入网络内的业务数据流迁移到其他的接入网络上，这能保证业务的连续性，又能提升用户的业务体验。流迁移还能优化运营商网络资源的使用、管理和控制。流迁移策略通过应用层协商完成，实现起来简单、灵活方便。

实现业务流在多种接入技术之间平滑迁移对现有网元有影响，但对网元的影响主要是为了保证用户从多个接入网并行接入时选择到同一个P-GW。对现有网元的具体影响分析见表1。

2 结束语

文章主要研究了异构融合网络体系，该体系把WLAN和蜂窝网进行融合，同时把ANDSF和GAS进行合一，利用ANDSF/GAS提供的选网策略实现WLAN的无感知接入。同时通过WLAN可信任接入EPC，有效利用WLAN的网络资源，减低蜂窝网数据业务负荷，解决蜂窝网空口资源的紧缺。最后实现了终端通过多种接入网络并行接入时的业务流平滑迁移，并利用应用层协商流迁移策略。文章所提方案实现方式简单、灵活方便，平滑的流迁移能够优化运营商网络资源的使用、管理和控制。

参考文献

[1] Peng Mugen， Wang Wenbo. A unified architecture and key techniques for interworking between WiMAX and beyond 3G/4G systems [J]. Wireless personal communications.2008，45（1）：67-90.

[2] 3GPP TS23.402. Architecture Enhancements for Non-3GPP Accesses [S]. 2007.

[3] IEEE Std 802.11u?-2011. Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks - Specific requirements Part 11： Wireless LAN Medium Access Control （MAC） and Physical Layer （PHY） specifications Amendment 9： Interworking with External Networks[S].2006.

[4] TR23.852. Study on S2a Mobility based On GTP & WLAN access to EPC （SaMOG） [S].

[5] WFA_HS2-0_Technical_Specification_R2_V1.0[S].

作者简介

雷小燕，湖南大学硕士毕业；现就职于中兴通讯任技术预研工程师；现从事技术预研工作，研究方向为PS核心网、多接入技术。

李鹏翔，重庆邮电大学硕士毕业；现就职于中兴通讯任技术预研工程师；现从事技术预研工作，研究方向为多接入技术。

霍玉臻，青岛海洋大学硕士毕业；现就职于中兴通讯任技术预研工程师；现从事3GPP、3GPP2、WLAN等通信技术的预研和标准研究。

在多种接入方式之间做业务流的平滑迁移能充分体现用户的意愿，有效利用现有的网络资源。当存在WLAN覆盖时，可以把对QoS和移动性要求不高的业务从蜂窝迁移到WLAN，这能解决蜂窝网空口资源短缺问题，又能充分利用现有的WLAN网络资源。当某种接入网络的无线环境发生改变时，能把该接入网络内的业务数据流迁移到其他的接入网络上，这能保证业务的连续性，又能提升用户的业务体验。流迁移还能优化运营商网络资源的使用、管理和控制。流迁移策略通过应用层协商完成，实现起来简单、灵活方便。

实现业务流在多种接入技术之间平滑迁移对现有网元有影响，但对网元的影响主要是为了保证用户从多个接入网并行接入时选择到同一个P-GW。对现有网元的具体影响分析见表1。

2 结束语

文章主要研究了异构融合网络体系，该体系把WLAN和蜂窝网进行融合，同时把ANDSF和GAS进行合一，利用ANDSF/GAS提供的选网策略实现WLAN的无感知接入。同时通过WLAN可信任接入EPC，有效利用WLAN的网络资源，减低蜂窝网数据业务负荷，解决蜂窝网空口资源的紧缺。最后实现了终端通过多种接入网络并行接入时的业务流平滑迁移，并利用应用层协商流迁移策略。文章所提方案实现方式简单、灵活方便，平滑的流迁移能够优化运营商网络资源的使用、管理和控制。

参考文献

[1] Peng Mugen， Wang Wenbo. A unified architecture and key techniques for interworking between WiMAX and beyond 3G/4G systems [J]. Wireless personal communications.2008，45（1）：67-90.

[2] 3GPP TS23.402. Architecture Enhancements for Non-3GPP Accesses [S]. 2007.

[3] IEEE Std 802.11u?-2011. Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks - Specific requirements Part 11： Wireless LAN Medium Access Control （MAC） and Physical Layer （PHY） specifications Amendment 9： Interworking with External Networks[S].2006.

[4] TR23.852. Study on S2a Mobility based On GTP & WLAN access to EPC （SaMOG） [S].

[5] WFA_HS2-0_Technical_Specification_R2_V1.0[S].

作者简介

雷小燕，湖南大学硕士毕业；现就职于中兴通讯任技术预研工程师；现从事技术预研工作，研究方向为PS核心网、多接入技术。

李鹏翔，重庆邮电大学硕士毕业；现就职于中兴通讯任技术预研工程师；现从事技术预研工作，研究方向为多接入技术。

霍玉臻，青岛海洋大学硕士毕业；现就职于中兴通讯任技术预研工程师；现从事3GPP、3GPP2、WLAN等通信技术的预研和标准研究。