WLAN与LTE融合组网研究

顾向锋　孙寰宇

【摘要】 首先分析了WLAN与LTE网络融合组网的场景，之后分析了WLAN系统接入EPC的三种组网架构特点及优劣，WLAN与LTE无线侧融合的需求及候选方案，3GPP关于WLAN与LTE融合研究的进展等，为运营商WLAN与LTE网络融合部署提出了建议。

【关键词】 WLAN LTE EPC 无线网 融合

Abstract：This paper discusses WLAN and LTE Interworking solutions. Interworking architectures of WLAN access to EPC， requirements and candidate solutions of WLAN and LTE radio interworking， are respectively analyzed. 3GPP research history and progress of WLAN/LTE interworking on both system level and radio level are introduced too. Based on the analysis， proposals of WLAN and LTE interworking implementation are given for domestic operators.

Keywords： WLAN； LTE； EPC； Radio network； Interworking

一、 引言

随着移动互联网市场的蓬勃发展、LTE网络建设的如火如荼，以及移动智能终端的快速普及，未来移动数据业务需求将成爆炸式增长。虽然LTE相比2G和3G，空口的频谱带宽更宽、传输效率更高，但仍无法满足用户对移动互联网的迫切需求，尤其在一些城市数据热点区域。因此如何充分利用已有的其他网络资源，分担移动网络的高负荷，从而提升用户体验，是各运营商都非常关心的问题。

无线局域网（Wireless Local Area Network， WLAN） 作为当前固定和移动宽带网络的延伸，已经广泛应用到电信运营商的宽带网络中，各大运营商都在高校、交通枢纽、商业中心等许多热点区域部署了WLAN网络，因此将WLAN作为当前蜂窝技术尤其是LTE网络的补充和协同手段，既可以帮助运营商解决蜂窝网络上数据流量突发过大、占用无线资源过多以及网络负荷过重的问题，又能充分利用已有的WLAN网络，保护既有投资，避免资源的浪费。

二、WLAN与LTE融合的场景

3GPP根据业务需求的迫切程度和技术实现的难易程度，定义了WLAN和移动网络融合的6种场景：

1）公共计费和用户关联；

2）基于3GPP系统的接入控制和计费；

3）通过WLAN接入3GPP系统的PS业务；

4）业务连续性，在切换过程中允许有短暂的业务中断；

5）无缝服务，保证切换过程中业务的连续性和不中断；

6）通过WLAN接入3GPP的CS业务。

这6种场景在时间和功能上逐渐递增，目前现网中WLAN与2G/3G/LTE网络的融合主要是前3种场景下的融合，随着LTE网络的大规模部署，用户希望能在WLAN和LTE网络之间自由切换，运营商也希望能充分利用已有的WLAN網络资源，降低LTE容量需求和网络负荷，这就需要实现场景4和5的互通，即WLAN与LTE网络PS业务之间的平滑切换。未来随着VoLTE的大规模应用，场景6的融合也是必然趋势。

三、WLAN与LTE EPC融合架构

3GPP研究了WLAN等非3GPP系统接入EPC的互通架构，用户终端（UE）可以通过WLAN，以S2a、S2b或S2c等接口接入EPC。基于S2a的融合架构针对授信的WLAN接入，图1为非漫游场景下的融合架构。

S2a是WLAN AN和PDN GW之间的接口，可基于PMIPv6（Proxy Mobile IPv6）或GTP（GPRS Tunnel Protocol）协议实现。通常在授信WLAN中部署TWAG（Trusted WLAN Access Gateway），与PDN GW通过S2a进行交互，PDN GW作为用户通过授信WLAN接入的业务锚点，在授信WLAN和PDN GW之间建立分组数据连接。

基于S2b的融合架构针对非授信的WLAN接入，如图1所示，S2b是ePDG（evolved Packet Data Gateway）与PDN GW之间的接口，可基于PMIPv6或GTP协议实现。该架构引入ePDG接入网关，并在终端和ePDG之间建立IPSec隧道，保证3GPP网络中的业务数据不被其他WLAN窃取。

用户通过授信WLAN接入的认证过程基于STa接口实现，通过该接口可实现WLAN和3GPP AAA Server或漫游场景下的3GPP AAA Proxy之间的认证、授权和计费信息转发。用户通过非授信WLAN接入的认证基于SWa接口实现。

S2c是终端和PDN GW之间的接口，采用DSMIPv6（Dual Stack Mobile IPv6）协议，对终端的要求非常高，要求终端支持DSMIP协议，通过建立终端与PDN GW之间的分组数据连接，保证终端在WLAN和移动网之间移动时的业务连续性。S2c承载接入部分可以是授信的WLAN网络，也可以是非授信的WLAN网络，基于S2c接口非漫游场景下的组网架构如图2所示。

在基于S2a和S2b的融合架构中，授信WLAN接入需要改造接入路由器或者部署TWAG，使其支持PMIP的MAG（Mobile Access Gateway）功能或GTP功能，而非授信WLAN接入需要增加ePDG节点来处理移动性，且要求终端支持到ePDG之间的IPSec隧道。S2b架构针对非授信网络，对WLAN的改造小，但需要在EPC中部署ePDG，另外对终端的要求也较高，除了需要支持EAP-AKA（Extensible Authentication Protocol Method for 3rd Generation Authentication and Key Agreement）认证，还需要支持通过IKEv2（Internet Key Exchange version 2）与ePDG建立IPSec隧道。而S2a架构针对授信的WLAN网络接入，对终端的要求低，且对EPC的改造小，改造量主要集中在WLAN网络侧，WLAN的AC/BRAS或者TWAG需要支持EAP-AKA认证报文转发，支持漫游和PMIPv6或者GTP。S2c方案支持授信或非授信WLAN接入，但对终端要求很高，要求支持IPSec和DSMIP协议，同时厂商在S2c方案中专利较多，运营商很容易受到厂商的制约。

目前国内三大运营商的WLAN网络均是自建，可视为授信接入方式，综合上述分析，建议采用建议采用S2a接入方案，如图3所示，在授信WLAN中部署TWAG（Trusted WLAN Access Gateway）以及TWAP（Trusted WLAN AAA Proxy），实现与PGW的数据连接和用户管理，减少对大量WLAN接入设备的改造工作。

四、WLAN与LTE无线网融合方案

目前的3GPP协议支持WLAN与LTE在EPC层面的融合，包括WLAN与LTE之间连续和无缝服务的场景。3GPP在R12版本中已经开始研究WLAN和LTE在RAN（Radio Access Network）层面的融合，首先明确了在RAN层面融合的需求，包括：

1）支持WLAN和3GPP双向负载均衡，以提供更大的系统容量。

2）能改善系统性能和用户体验。

3）在WLAN可用且無拥塞的情况下，能提高WLAN的利用率。

4）减少终端因搜索WLAN网络造成的电池消耗。

5）与现有的核心网互操作功能兼容，比如连续和无缝业务，流量卸载，授信和非授信WLAN接入等。

6）后向兼容3GPP和WLAN的规范。

7）基于现有的WLAN功能，避免对IEEE和WFA规范作出过多修改。

8）目标WLAN的区分。

9）基于UE的流量控制。

10）避免WLAN和3GPP网络间的乒乓选择。

针对以上需求，在现有标准无法满足的情况下，需研究其解决方案，并评估这些解决方案对现有功能及核心网侧互操作机制的影响，比如在蜂窝网RRM中对WLAN进行管理，依据UE的无线链路质量，回传链路质量，网络负荷等因素，使UE选择合适的网络驻留或在不同网络间切换等。目前3GPP提出了以下几种无线侧融合候选方案。

方案一，RAN通过广播信令提供辅助的信息给UE，UE利用检测到的信息，结合WLAN AP提供的信息、ANDSF（Access Network Discovery and Selection Function）设定的策略，或现有的OMA-DM（Open Mobile Alliance-Device Management）机制，或UE的预先设置，分流部分流量到WLAN或者RAN。

方案二，卸载规则在RAN规范中定义，RAN通过专用信令或者广播信令，下发门限参数，UE根据相应规则，执行双向的流量卸载，并优先考虑用户的喜好。

方案三，对于RRC_CONNECTED/CELL_DCH状态的用户，业务分流由网络控制，eNB配置测量的过程和目标WLAN识别码，然后根据UE上报的RAN和WLAN测量报告，及当前网络负荷，发送Steering Command给UE。而对于IDLE/CELL_FACH/CELL_PCH/和URA_PCH状态的UE，同前两种方案。

3GPP提出了以上3种方案，但是哪一种方案最合适可行，目前尚未最终定论，还在进一步探讨中。

五、WLAN与LTE融合标准进展

3GPP对WLAN与LTE等移动网络在核心网层面融合的研究开始较早，最初的Rel 8版本只是实现了不同接入系统间业务流的整体迁移，之后Rel 10版本提出了MAPCON（Multiple Access PDN Connection）和IFOM（IP Flow Mobility）技术，来实现UE同时通过3GPP和非3GPP接入PDN，并且IP流在不同的接入系统间动态迁移，实现无缝切换和业务分流。在Rel 11版本，3GPP对DIDA（Data identification in ANDSF）和SaMOG方案进行了研究，DIDA方案对ANDSF功能进行增强，使得运营商对网络中每个应用或IP流的使用都能进行资源控制，而SaMOG（S2a-based Mobility over GTP）方案，因对终端要求不高，对核心网改造少，成为众多运营商的首选方案。在即将冻结的R12版本中，除了一些核心网层面的融合增强方案，如eSaMOG， WORM， IARP等外，3GPP还启动了无线侧融合的研究，研究基于UE接入链路质量，ANDSF策略，RAN策略的无缝业务分流方案。将来无线侧融合方案的实现，进一步提升网络利用率和用户体验。

六、结束语

WLAN与LTE融合，目前的方案还仅限于移动核心网侧和用户终端侧的融合，如联合计费和用户管理，UE自动网络选择、MAPCON、IFOM业务分流等技术方案。而针对移动无线侧的融合方案，目前还处于起步阶段，成熟方案的确定和实现还需要一段时间。移动运营商在实际部署中，选择哪种WLAN与LTE的融合架构，取决于运营商的运营策略，现有移动网络和WLAN的实际情况。总之，利用WLAN作为LTE网络的重要补充，两网融合协同发展，不但是移动运营商与广大用户的实际需求，也是未来技术发展的主要趋势。

附：个人简介及联系方式

第一作者：通讯地址：河南省郑州市二七区中原东路102号， 邮编：450052。电话：18137116089，Email： guxf5@163.com

参 考 文 献

[1] 3GPP TS 23.234 3GPP system to Wireless Local Area Network （WLAN） interworking （Release 12） [S].

[2] 3GPP TS 23.402 Architecture enhancements for non-3GPP accesses （Release 12） [S].

[3] 3GPP TS 33.402 Security aspects of non-3GPP accesses （Release 12） [S].

[4] 3GPP TS 37.834 Study on Wireless Local Area Network （WLAN） - 3GPP radio interworking （Release 12） [S].

[5] 3GPP TS 23.327 Mobility between 3GPP-Wireless Local Area Network interworking and 3GPP systems （Release 12） [S].

[6] 蒋军. WLAN与LTE网络融合部署研究[J]. 邮电设计技术，2014（11）. 30-34

[7] 孟军. WLAN与移动网络融合研究[J]. 中兴通讯技术， 2010（5）. 20-21

[8] 梁鹏，刘志勇. 一种WLAN与LTE网络融合方案[J]. 信息通信技术，2012（3）. 42-45