TD系统与WiMAX系统的演进与融合

程楠　王国治　王磊

摘 要 TD-SCDMA、TD-LTE两种TD系统与WiMAX都是TDD制式系统，并且在很多方面都有共同点和相似之处，其二者网络演进与融合是通信技术发展的一个趋势。通过分析移动通信系统的演进与融合，提出移动通信标准的5类演进与融合方式，同时依据标准协议栈和网络架构分析，提出TD-SCDMA、TD-LTE和LTE-Advanced系统与WiMAX系统的演进与融合方案。

关键词 TD系统 TD-SCDMA TD-LTE LTE-Advanced WiMAX 演进 融合

1 引言

TD-SCDMA是中国提出的第三代移动通信技术标准的TDD模式技术，其采用了智能天线、联合检测、接力切换等关键技术，是一种频谱利用率高、抗干扰能力强的移动通信技术。随着技术的演进与发展，3GPP相继提出了TD-LTE，LTE-Advanced等技术。而WiMAX是近年来迅速发展起来的一种新兴宽带无线通信技术，它采用了OFDM、MIMO、HARQ等大量B3G/4G技术，实现了性能上的超越。

TD-SCDMA、TD-LTE等TD系统与WiMAX都是TDD制式系统，二者在很多方面都有共同点和相似之处。那么这两类高性能系统的演进趋势如何、能否实现相互兼容、可否实现相互融合，是目前产业非常关注的一些典型问题。下面将基于移动通信现有系统的演进与融合分析，提出了移动通信标准的5类演进与融合方式，同时依据标准协议栈和网络架构分析，对TD-SCDMA、TD-LTE和LTE-Advanced系统与 WiMAX系统融合方案进行了探讨，提出TD系统与WiMAX系统的演进与融合方案。

2 移动通信标准演进与融合

GSM是目前全球使用最广泛的移动系统，其网络架构如图1（a）所示。GSM网络所有的信令控制与话务交换均由移动交换中心（MSC）完成。虽然GSM网络已经很好地解决了人们对通信及时性的要求，但在数据业务方面则显得束手无策。出于对高速数据业务的需求，GPRS、EDGE技术应运而生。从基本的结构来看，如图1（b）所示，从GSM升级到GPRS对于基站毫无影响，主要改变是核心网，即需要新增PS域的GGSN和SGSN，同时BSC侧需要增加相应的PCU处理单元。GSM升级到EDGE也不需要对网络结构进行大规模的调整，BSS在EDGE引入后需要支持很多新的功能，比如BTS要支持8PSK这种新的调制模式，新增MSC1-9编码方案，负责对无线时隙和Abis子信道的多路合并和分解等功能，BSC要增加调制和编码方案的链路适配新算法等，这只需要通过软硬件修改即可完成，同时，EDGE对现有的GSM核心网络的影响也是有限的。

而GSM和TD-SCDMA/WCDMA是两种完全不同的无线接入体制，TD-SCDMA /WCDMA最基本的多址方式是码分多址，与GSM的时分多址的方式差异很大，对于不同制式的系统而言，通过软件或者硬件升级的方法进行融合十分困难，目前这样的网络融合只能建立在网络叠加以及共有基础设施的情况上。GSM和TD-SCDMA/WCDMA的互操作功能主要分为PLMN选择、小区重选、切换等，由于TD-SCDMA/WCDMA是基于GSM演进的3G网络，因此GSM和TD-SCDMA/WCDMA融合组网上可以共用核心网。

类似的，TD-SCDMA向TD-HSPA/HSPA+演进是一种后向兼容的紧融合方式。TD-SCDMA在向TD-HSPA/HSPA+网络演进过程中，其网元结构没有发生变化，物理层仍然采取CDMA技术，只需要在网络和终端进行软件升级即可实现演进。

而TD-SCDMA/ TD-HSDPA/TD-HSPA+在向TD-LTE演进过程中，在物理层引入了OFDM技术，并且在无线网络结构方面，采用了Flat-All IP的网络架构，对网元功能进行了重新的划分，具体对于接入网侧，将RNC网元实现的功能都放到了NodeB上，删除RNC网元。网络从TD-SCDMA/TD-HSDPA/TD-HSPA+演进到TD-LTE，差异变化太大，因此TD-SCDMA/TD-HSPA/TD-HSPA+向TD-LTE演进最好采用松耦合的方式。

3 移动通信系统演进和融合的方式

从以上分析可以看出，不同无线网络进行融合和演进的过程中，物理层多址技术、双工方式与帧结构等核心技术具有非常重要的作用，凡是这些物理层核心技术不同的系统，进行系统间的演进融合往往无法实现空口相互兼容。例如GSM系统与TD-SCDMA/WCDMA系统分别采用TDMA多址方式和CDMA多址方式，TD-SCDMA /WCDMA系统与LTE系统分别采用CDMA和OFDMA多址方式，这种最基本多址方式的改变使得两个系统无法实现空口兼容。

而对于系统中改变调制编码方式，对子信道合并分解的改变，增加调度、AMC、HARQ、协议层功能实体的改变等方面，可以通过标准升级实现兼容，通过系统的软件或者硬件升级进行两个系统的融合和演进，例如GSM系统到GPRS/EDGE系统，GPRS/EDGE系统相对GSM系统增加了许多新的功能，并且修改了协议栈，但是这些修改通过基于GSM系统进行的软件和硬件升级就可以完成。TD-SCDMA /WCDMA系统演进到HSPA系统，再到HSPA+系统，除了增加MIMO需要对终端进行硬件升级外，其他新增技术，例如增加共享高速信道、基于NodeB的快速调度、AMC、CPC，L2增强、增强CELL_FACH等，只需要在网络和终端进行软件升级即可完成。

可以看出，系统物理层多址方式等核心技术是影响标准兼容性的重要因素，也是无线网络演进和融合的关键技术。

而对于核心网来说，其演进目前主要是向扁平化，全IP化方向发展，网络结构越来越简单，控制面和用户面之间分离，各司其职。由于网络底层采用IP方式，网元之间可以直接以隧道的方式传输数据，使得各个网络之间的融合越来越容易，并且数据转换简单。目前，很多网络融合都采用了通过网关接口进行互连，多种网络共核心网的方式。而蜂窝网络与其他不同制式的网络之间的融合也可以借鉴这种方式，在网关接口处进行数据转换，不同网络的数据可以透明传输。

基于以上分析，并根据现有网络的演进和融合的经验，可以看出，网络的融合主要分为以下的几种类型：

融合类型1（业务层融合）：两个单独的网络，包括单独的核心网和无线网，核心网之间没有接口，每个网络保证各自的业务层数据的连续性，同一个终端不能在两个网络之间进行切换，重选等互操作，不同网络的终端在高层可以互联。

该类型融合的特点是：

基于相同业务应用，各网单独运行，连接到相同的业务应用系统中。

其典型应用是固定网、移动网融合FMC，电信网、互联网、广播网三网融合等。

融合类型2（核心网互联互通融合）：两个单独的网络，包括单独的核心网和无线网，但是两个核心网之间可以有接口进行数据的传输，可以共用鉴权，认证等网元。终端可以在两个网络之间进行切换和重选，从而实现网络之间的互连。这主要是针对两种网络的类型差别较大，主要核心网网元无法共用的情况。

该融合类型的特点是：

无线网相互独立；

核心网相互独立，个别网元可共用，如鉴权、认证等网元；

两个系统控制面相互独立，业务应用可通过网关接口互联互通。

WiMAX与3GPP系统松耦合方式的互联互通可以采用这种融合类型。

融合类型3（核心网共用融合）：两个网络可以全部共用或者部分共用核心网，但是不同的无线网有自己独立的空口。

该融合类型的特点是：

核心网共用或主要部分共用；

双模协议栈；

无线网相互独立；

统一的对外业务出口。

这种融合方式适用于网络架构相似，但协议栈不同的网络间融合。WiMAX与3GPP系统紧耦合方式的互联互通可以采用这种融合方式。

融合类型4（空口部分兼容式的融合）：两种网络共用核心网，不同的无线网之间可以共用相同的空口，这种网络适用于两种网络非常类似，除了无线传输部分有差别之外，其他的部分都差不多的情况。

这种融合方式的特点是：

核心网相同，具有单一协议栈；

无线网有差异，部分网元可共用，协议栈部分可能相同；

统一对外业务出口。

其适用于网络结构相同，但无线接入部分有所差异的系统之间的融合，例如TD-SCDMA与WCDMA，TD-LTE与LTE-FDD系统的融合等。

融合类型5（空口兼容式的融合）：这种融合方式适用于网络演进的过程中，原网络与演进网络之间的互联互通，不同的网络之间不仅共用空口，还共用无线设备，频段等，例如GSM与EDGE网络，TD-SCDMA与HSPA之间的互联互通。

该融合方式的特点是：

核心网相同，单一协议栈；

无线网有差异，但可实现兼容，一般是网络功能增强；

统一的对外业务出口。

这种网络融合方式一般在网络平滑演进时出现，例如GSM、GPRS与EDGE系统，TD-SCDMA、TD-HSPA与TD-HSPA+系统的融合等。

不管是通信标准的演进还是革命，两种不同演进情况的网络之间的互联互通的模式都会是以上5种融合方式中的一种。而WiMAX与TDD网络之间的融合也应该是以上5种融合方式中的一种。

4 TD-SCDMA与WiMAX互联互通

虽然TD-SCDMA和WiMAX系统同属于IMT-2000，但是从协议栈上来看，WiMAX协议和TD-SCDMA协议每一层都有差别[1，2]，并且物理层的差别最大，其物理层多址技术、双工方式与帧结构等核心技术都不相同。根据目前系统演进的情况，除非标准制定初期对系统演进需求做了明确规定，两个系统可以进行比较好的平滑演进和融合，例如WCDMA到HSPA的演进。对于其他的标准，包括在同一标准组织制定的标准之间都没有完成在层3以下的无线接入网完全融合。因此对于TD-SCDMA和WiMAX这两种不同标准组织指定的具有不同目标，不同性能的网络来说，在层3以下实现网络融合很难。目前，许多TD-SCDMA和WiMAX的网络融合研究主要借鉴3GPP系统与WLAN的融合方案[3]。

在此，TD-SCDMA和WiMAX的网络融合主要集中在互联互通方案研究上，即采用融合类型2（核心网互联互通融合）的方式，TD-SCDMA与WiMAX主要通过GGSN进行互联互通，但是从网络融合的紧密程度来分，TD-SCDMA和WiMAX网络之间又可以分为松耦合和紧耦合两种融合方式。

4.1 松耦合

松耦合融合方式又分为两种情况：一个是极松耦合，另一个是松耦合。

图2（a）为TD-SCDMA和WiMAX采用极松耦合方式互联互通的示意图。在这种耦合方式下，TD-SCDMA网络和WiMAX各自独立组网，仅在营帐中心相连。具有以下特征：

独立组网：两个网络具有各自独立的核心网络，独立管理，用户在TD-SCDMA/WiMAX网络中分别享受原有的服务。

公用计费和客户关系：在营帐维护不同的网络接入标识和统一帐号的对应关系，达到公用计费和客户关系。

极松耦合方式下产品成熟度较高，可迅速部署，但是由于两网完全独立，因此无法实现统一的用户管理和业务交互。

图2（b）为松耦合融合方式。此种融合方式下，TD-SCDMA和WiMAX各自使用独立的网关，共用HLR/HSS/AAA系统和HA。具有以下特征：

核心网分离：两个网络具有各自独立的核心网络，独立管理，用户在3G/WiMAX网络中分别享受原有的服务。

业务出口分离：用户数据分别通过各自的核心网络，访问业务平台，与业务平台的接口分别管理。

统一鉴权、认证：WiMAX网络的核心网元AGW连接到TD-SCDMA网络的HLR/HSS/AAA系统，进行用户鉴权、认证，从而实现统一的鉴权、认证。考虑到WiMAX的鉴权方式与TD-SCDMA相差较大，NWG还不支持基于IMSI的鉴权方法，现阶段的鉴权流程将保持独立，在AAA维护不同的网络接入标识间的对应关系。但今后随着标准的发展，可与TD-SCDMA使用相似的鉴权方法，做到真正的统一鉴权，认证。

业务连续性：可考虑通过GGSN或者AGW内置的FA，以及共用的HA，采用MIP技术来实现系统内/系统间的切换。做到业务连续性。但需要支持MIP切换的双模手机终端。

4.2 紧耦合

图3为TD-SCDMA和WiMAX紧耦合组网方式，在这种方式下，TD-SCDMA网络的GGSN网元和WiMAX 的AGW实现融合。主要有以下特征：

共用GGSN：网元GGSN/AGW中，集成了TD-SCDMA网元GGSN功能，和WiMAX AGW的功能，这种方式组网方便，节约投资成本。

统一鉴权、认证：WiMAX网络的核心网元AGW连接到TD-SCDMA网络的HLR/HSS/AAA系统，进行用户鉴权、认证，从而实现统一的鉴权、认证。但是TD-SCDMA和WiMAX的鉴权方式是不同的，要实现真正的统一鉴权、认证，还需要制定相应的标准供WiMAX使用。

统一的IP地址管理：AGW与GGSN采用相同的IP地址分配方式，拥有相同的地址管理系统。

漫游用户的业务连续：对于漫游用户而言，GGSN/AGW中内置FA，以及HA，采用MIP技术，可以实现基于MIP的系统间的业务连续性；而通过统一的IP地址管理功能，可以保证系统采用简单IP地址时，IP地址保持不变，便于简单IP系统中实现系统间的无缝切换。

业务计费和监听：可利用TD-SCDMA已有的监听接口，内容计费接口，修改部分流程，公用单板，接口，方便的实现WiMAX监听，计费。

4.3 两种组网方式比较

可以看出，LTE-Advanced与WiMAX的融合应该需要达到网络融合类型4（空口部分兼容式的融合）的要求，即两个网络可以共用核心网和空口，只是在无线传输侧有所区别，在这种程度上的融合，才是WiMAX和3GPP系列网络的真正融合。

7 总结

本文基于移动通信系统的演进与融合分析，提出了移动通信标准的5类演进与融合方式。并且，依据标准协议栈和网络架构分析，提出了TD-SCDMA和WiMAX的互联互通方案，并分析松耦合和紧耦合方案的优缺点；基于SAE架构，提出了TD-LTE和WiMAX融合方案以及合适的接入点；最后，探讨了LTE-Advanced与WiMAX融合的可能性。

从分析可以看出，随着技术的发展，TD-SCDMA，TD-LTE，LTE-Advanced网络与WiMAX网络的融合越来越紧密，TD-SCDMA只能实现与WiMAX系统的互联互通，而LTE-Advanced则可以实现与WiMAX的全面融合，共同发展。

参 考 文 献

[1] The Draft IEEE 802.16m System Description Document[S]，WiMAX Forum，2008.06

[2] TD-SCDMA系统技术[M]，李世鹤，杨运年，大唐移动通信设备有限公司

[3] 3GPP TS 23. 234 Group，Service and System Aspects.3GPP system to wireless local area network（WLAN） interworking[S]：system description （release6）

[4] 3GPP TS 23.402 V8.2.0，Architecture enhancements for non-3GPP accesses[S]

[5] Seamless Integration of Mobile WiMAX in 3GPP Networks[J]，Pouya Taaghol，Apostolls， etc.，IEEE Communications Magazine，2008.10