浅析TD-LTE四网协同下的移动互联网

张长青 中国移动通信集团湖南有限公司岳阳分公司高级工程师

发展策略

浅析TD-LTE四网协同下的移动互联网

张长青 中国移动通信集团湖南有限公司岳阳分公司高级工程师

移动互联网分为移动终端、接入网络和应用服务3个层次，接入网络是指多种制式下的无线接入网。中国移动以TD-LTE为基础的四网协同，已成为当前移动互联网接入网络的主要承载平台。本文在分析移动互联网体系架构的同时，还分析了中国移动四网协同的无线传输性能及其中TD-LTE核心网的基本流程，对管理、维护移动互联网的相关技术人员有一定的帮助。

TD-LTE 移动互联网 四网协同

1 引言

移动互联网（Mobile Internet）就是将互联网技术应用到移动网络中，是移动网与互联网技术融合的新兴产物。移动互联网通过智能终端操作、采用无线通信方式，可以安全、稳定、高速、不受任何限制、在移动中获取互联网业务和服务。2001年随着中国移动“移动梦网”的正式开通，2G用户通过带宽仅为21kbit/s速率的GPRS（General Packet Radio Service，通用无线分组业务），在“移动梦网”中享受移动游戏、信息点播、掌上理财、旅行服务等有限的移动性互联网服务业务，宣告中国移动互联网的诞生。

作为拥有自主知识产权的第四代移动通信的演进技术，TD-LTE实现了全网IP化和真正的分组接入，高性能、高速度、高宽带，以及稳定、安全、可靠的上下行速率，使得移动网速第一次开始超越固网。TD-LTE网络的高性能、高速率、高带宽与物联网、大数据和云计算结合后，既丰富了移动互联网的访问内容，又加快了高清视频和3D媒体的全面发展，还为智能终端拓展了不胜枚举的专门应用，使移动互联网所呈现出来的移动通信业务与互联网业务特征更加明朗，从而呈现出空前广阔的应用前景。

本文分析了移动互联网的体系架构，分析了以TD-LTE为基础的四网协同技术中的传输特性，及其中TD-LTE核心网络中各模块功能及各自承载移动互联网时的基本原理和工作流程，分析了TD-LTE网络系统在四网协同下对移动互联网发展的影响，为认识、管理和维护以TD-LTE网络为基础、以四网协同为条件的移动互联网系统提供了有益帮助。

2 移动互联网体系分析

移动互联网是一个多学科交叉、涵盖范围广泛的新兴研究领域，涉及互联网、移动通信、无线网络、嵌入式系统以及软件和安全等高新技术。移动互联网的体系架构如图1所示，主要表现为移动终端、接入网络和应用服务3个层面，其中的移动终端和接入网络是移动互联网应用的物理承载基础，应用服务则是移动互联网应用的上层具体内容。虽然人们使用移动互联网就是为了享受物理承载基础上的具体内容，但围绕这3个层面还对应着相应的安全与隐私保护。所以，一个完整健康的移动互联网体系，必须在终端、网络、服务和安全4方面同步发展。因为，应用服务是用户享用移动互联网的必要内容，接入网络是移动互联网正常运营的承载平台，移动终端是用户享用移动互联网内容的基础设备，安全与隐私保护能为移动互联网正常发展保驾护航。

自移动互联网应用以来，人们就一直在这4个方面努力探索，研究步伐从来没有停止。其中，移动终端的研究主要包括终端硬件、操作系统、软件平台、应用软件、节能、定位、上下文感知、内容适配和人机交互等；接入网络的研究主要包括无线通信基础理论与技术、蜂窝网络、无线局域网、多跳无线网络、异构无线网络融合、移动性管理与无线资源管理等；应用服务的研究主要包括移动搜索、移动社交网络、移动互联网应用拓展、基于云计算的服务、基于智能手机感知的应用等；安全与隐私保护的研究则涉及移动终端、接入网络、应用服务3个层面，主要包括内容安全、应用安全、无线网络安全、移动终端安全和位置隐私保护等。

图1 移动互联网体系架构

在4G技术应用以前，作为承载平台技术的接入网一直是束缚移动互联网发展的羁绊。根据传统分法，支持移动互联网的接入网络主要有卫星通信网、蜂窝网（2G、3G）、无线城域网（WiMAX）、无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）和基于蓝牙的无线个域网，这些网络在带宽、覆盖、移动性和成本方面各有长短，如蜂窝网络覆盖范围大、移动性管理技术成熟，但带宽低、成本高；WLAN高带宽、低成本，但覆盖范围有限、移动性管理技术差。以TD-LTE系统为基础的四网协同架构，因合理地分流了移动互联网中各接入网的流量关系，从而能上托用户海量需求的应用服务，下承用户喜爱使用的智能终端，成为移动互联网基础资源的中流砥柱。

不可否认，移动互联网用户访问的应用服务，也是维持和推进移动互联网发展的重要力量，没有内容的移动互联网将是无源之水、无本之木。同样，移动终端也是移动互联网应用的前提和用户的操作基础，具有强大的计算、存储和处理能力的，拥有优秀触摸屏和定位、视频摄像功能的，配置功能全面的智能操作系统和开放软件平台的，外加结构新颖、创意丰富的移动智能终端，不仅是移动互联网用户的最爱，更是网络运营商吸引客户、开发移动互联网市场的制胜法宝，苹果的iPhone和iPad就是一个最具说服力的例子。

正因如此，中国移动不仅一直担负接入网络平台的设计、规划、建设、管理、维护和优化等基础应用的运营工作，担负着移动通信的业务营销、开拓与发展，还一直担负着移动通信行业的标准制订和升级换代工作，尤其是还担负了部分应用服务和移动终端的研发与推广工作。早期的“移动梦网”就是中国移动自主开发并应用至今的、具有一定影响力的移动互联网应用服务的著名品牌；成立于2011年的中国移动终端公司，也先后研发了M701、M601、CM512、CM510、CM40等具有自主知识产权的智能手机，既丰富了移动互联网体系架构的内容，又加速了移动互联网体系架构的发展。

随着移动互联网的飞速发展，无线接入网络支撑的综合语音、数据、高清图像、高清视频、三维视频等海量多媒体业务的数据流量将变得越来越大，传输速率的要求也将越来越高，当现有无线接入网络在带宽、覆盖、实时性等方面不能满足需求时（如中国移动的四网协同），采用多系统融合演进，将现有多种无线接入技术有效地结合起来，实现异构无线网络融合，不仅能有效地发挥各运营商已投设备的成本效益，做到低成本、低风险，还能有效地提高系统的性能，是一种实用性和时效性很强的长期发展路线。所以，四网、甚至多网协同技术在很长的时间内，将会是移动互联网在接入网络方面的重要应用，值得被深入研究和长期实践。

3 四网协同体系的传输分析

图2所示为四网协同情况下TD-LTE系统的扁平化网络架构模式，分为接入网和核心网两个层次。其中的接入网又分为2G、3G、4G接入网和WLAN接入网。所有合法受权的移动终端UE（User Equipment，用户设备）都可以在这两个接入网中任意访问移动互联网。也就是说，UE可以在2G、3G、4G接入网和WLAN接入网对应的本小区中的任意位置访问移动互联网，但只能在2G、3G、4G接入网中高速切换与漫游，WLAN接入网仅支持终端在本区内的慢速移动上网，区域之间不能切换和漫游，这虽然是WLAN的短板，但人们借助手机或笔记本电脑上网时，更多的是在公交、高铁、车站、商店等支持WLAN的公共通信场合中进行。

图2 终端在TD-LTE四网共存下访问互联网框图

在2G、3G、4G接入网中，模块BSC（Base Station Controller，基站控制器）为2G基站BTS（Base Transceiver Station）和核心网的连接点，通常一个BSC可控制几个BTS，主要功能是进行无线信道管理、实施呼叫和通信链路的建立和拆除，以及小区手机切换控制等；模块RNC（Radio Network Controller，无线网络控制器）是3G网络的关键网元，与2G的BSC相似，是3G基站NodeB和核心网的连接部分，用于提供移动性管理、呼叫处理、链接管理和切换机制，是流量汇集、转换、软硬呼叫转移、智能小区和分组处理的重点。

2G系统的CS（Circuit Switching，电路交换）域和PS（Packet Switching，分组交换）域是完全独立的两套系统，CS域负责话务，PS域负责数据，也就是GPRS系统，将几个BTS的GPRS归结到一个BSC点，再将BSC通过2M接入到TD-LTE核心网。由于BTS承载数据无线信道是按基站话务数据比和基站下数据终端的多少来分配载频时隙资源的，且2G空中接口带宽小于200k，所以2G终端能够享受数据传输带宽仅为21～171k。因此，2G系统承载数据信道不仅速率较低，稳定性也较差。

3G系统虽然也是CS域和PS域共享，但因3G核心网主要由CS域和PS域公共实体、CS域专用实体、PS域专用实体3部分组成，所以3G的CS和PS是一个相互关联的有机体。如TD-SCDMA采用了智能天线和软交换技术，又是时分双工制，上下行时隙配置比较灵活。在6个常规时隙中，每时隙带宽为560k，在上行：下行对称业务配置的3:3中，下行速率为560×3= 1.68Mbit/s；在非对称业务配置的2:4中，下行速率为560×4=2.24Mbit/s，在1:5配置中，下行速率为560×5= 2.8Mbit/s；上行为单载波，而单载波最大速率为384kbit/s。

TD-LTE是全PS域，无线传输采用了OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）和MIMO（Multiple Input Multiple Output，多输入多输出）等核心技术，前者把高速数据流分散到多个正交子载波上传输，使子载波上的符号速率大大降低，符号持续时间大大加长，对时延扩展有较强的抵抗力，减小了符号间干扰；后者因为在无线通信系统的接收端和发送端都配备了多个天线端口，可以创造出多个并行空间信道，多个信息流经过多个信道在同一频带同时传输，在不增加带宽的情况下可成倍提高通信系统的容量。所以，TD-LTE的无线传输速率得到了极大的提高，最大下行速率为100Mbit/s，最大上行速率可达50Mbit/s，演进到TD-LTE-A时，因采用了载波聚合技术，最大传输速率可达150Mbit/s，是目前支撑移动互联网的最佳平台。

在WLAN接入网中，模块AP（Access Point，访问点）是WLAN访问点，相当于WLAN终端的基站；AC（Access Controller，接入控制器）是无线局域网接入控制设备，负责把来自不同AP的数据汇聚，完成AP设备的配置管理、无线用户认证/管理及宽带访问、安全等控制功能，相当于汇聚交换机；WGW（WLAN Gateway，WLAN网关）主要负责AC路由，因为AC产品商较多，很难做到都支持核心网S2a标准接口。增加符合3GPP标准架构的WGW网关路由，可方便所有AC接入TD-LTE核心网。WLAN接入网没有漫游和切换，终端接收过程中的鉴权认证和计费比较复杂，采用的协议是IEEE802.11X，最大数据传输速率为54Mbit/ s，实际速率约为22～26Mbit/s，且随着传输距离和障碍物的增加而迅速降低，只能作为支撑移动互联网的辅助平台。

4 四网终端访问互联网分析

首先，讨论图2所示TD-LTE核心网络各模块的意义，从中可见四网协同中各终端在访问互联网时的基本原理。其次，讨论2G、3G、4G和WLAN等终端借助TD-LTE核心网络访问互联网的基本流程，从而可帮助理解在四网协同中为什么侧重话务引向以2G、3G为主，而数据引向以4G、WLAN为主的分流原则。最后，总结以TD-LTE网络为基础的四网协同系统对移动互联网发展的推动因素。

●SGSN是GPRS网络一个基本组成网元。主要作用是为本SGSN服务区域的终端进行移动性管理，转发输入输出IP分组，是2G系统的重要模块。

●MME（Mobility Management Entity，移动性管理实体）是类似于2/3G的SGSN，主要负责3GPP内不同节点间的移动性管理、PGW和SGW选择、承载管理、漫游控制和安全认证等。

●HSS（Home Subscriber Server，归属用户服务器）主要提供用户注册、终端位置更新、用户被叫时会话请求等鉴权和用户签约等功能，职能相当于2G的HLR。

●SGW（Serving Gateway，服务网关）是网络用户面接入服务网关，相当2/3G的SGSN用户面功能，提供切换的本地锚点或移动性锚点，具有全法监听、分组路由和转发、上下行传输数据包标记等功能。

●PGW（Packet Data Network Gateway，分组数据网网关）提供承载控制、计费、地址分配和非3GPP接入等功能，相当于2/3G的GGSN。

●PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略与计费规则功能）是业务数据流和IP承载资源的策略与计费控制策略决策点，主要实现策略控制决策和基于流计费控制，提供数据业务QoS保障和资源管理。

●AF（Application Function，应用功能）是业务策略提供点，主要实现与PCRF通信、交互，以传输动态会话信息，便于PCRF决策。

从图2可以看出，终端UE通过接入网和核心网访问互联网有4种方式，这些方式都要得到用户鉴权认证，都需要访问HSS，同时还需要计费，因此也必须访问PCRF。又因为只有2G、3G、4G移动通信网络支持小区切换与终端漫游，所以也只有这3种方式分别访问SGSN和MME。WLAN在经过鉴权认证和计费确认后，可以直接从接入网访问互联网。总之，四网协同下，UE通过2G、3G、4G、WLAN访问移动互联网的3个基本过程的流程可由图3简要说明。

2G的BTS通过BSC、3G的NodeB通过RNC后，共同接入TD-LTE核心网中的SGSN模块。其实，SGSN是为了兼容2G和3G，才在TD-LTE核心网中增设的模块，与4G没有关系，也就是说，SGSN仍然是2G和3G技术。4G基站eNodeB可直接接入TD-LTE核心网的MME和SGW模块，是因为4G的扁平化设计将3G中RNC的部分功能优化到了eNodeB和MME中，从而简化了UE访问核心网的流程，同时也加快了UE访问互联网的效率和速度，这些技术也保证了UE永远在线的基本功能。WLAN的AP在经过AC和WGW后，其中一路直接接入TD-LTE核心网，实施对用户鉴权和计费；另一路则直接接入互联网，使得UE通过WLAN访问移动互联网的流程得到了极大简化，明显提高了UE访问互联网的效率和网速。

从以上分析可知，在四网协同环境下，访问移动互联网的最佳接入当属4G和WLAN，它们不仅上网速度和效率无与伦比，更重要的是具有永远在线的特征，用户开机附着后就已经建立了与移动互联网连接的数据通道。虽然4G支持UE网间切换与高速漫游，但当UE漫游速度过高时，不仅会影响上网的速率，还会影响系统的稳定性，所以移动运营商都尽可能地在公共移动载体（如公交车、高铁、飞机等）上安装WLAN或Wi-Fi，以保证公交载体上旅行的用户能够享受到优质的移动互联网业务。3G虽然带宽与速率低于4G，但在没有4G和WLAN覆盖的环境中，或者用户UE不支持4G和WLAN时，仍然可保证UE访问移动互联网，是移动互联网上网的可靠补充方案。2G的GPRS已很少访问互联网，因为终端发展至今都已支持3G以上技术了。

图3 移动终端访问移动互联网流程简图

5 结束语

以“无处不在的网络、无处不能的业务”为理念的移动互联网，正在改变人们的生活习惯、工作方式和娱乐行为。以TD-LTE网络为基础的2G、3G、4G、WLAN四网协同架构，已为移动互联网建起了当前最优秀的移动网络平台。以3G、4G智能手机和平板电脑为主体的智能终端，已为广大用户在移动中随意浏览移动互联网提供了大量美观、可靠、实用和方便的移动终端。以各大门户网站为主，以手机为载体的商务、银行、支付、阅读、游戏等业务为辅的专用服务，正在为移动互联网应用注入前所未有的活力。移动互联网的发展势头，在以TD-LTE网络为基础的四网协同模式的推动下，将会以燎原之势，席卷全球。

1 罗军舟,吴文甲,杨明.移动互联网:终端、网络与服务.计算机学报.2011,11

2 张长青.TD-LTE演进型分组核心网技术分析.移动通信. 2013,8

3 王映民,孙韶辉等.TD-LTE-Advanced移动通信系统设计.人民邮电出版社.2012,2

Analysis Mobile Internet of TD-LTE on Cooperation Four Networks

The mobile Internet is divided by mobile user equipment and access network and application server,access network is many standard’s radio network,the cooperation with four network of the base by China Mobile TD-LTE has turn into the mostly network flat of access networks.Mobile Internet’s system configuration and the wireless transmission capability and the base flow is analysised,some help is afforded for technical personnel’s management and maintenance.

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2015-02-03）