LTE-WLAN无线协作机制研究

2014-02-28 06:17胡臻平刘光毅
电信科学 2014年3期
关键词:协作基站运营商

谢 芳,胡 南,李 男,胡臻平,刘光毅

(中国移动通信有限公司研究院 北京100053)

1 引言

1.1 LTE-WLAN协作的必要性

为了给大专院校、医院、机场、车站等重点区域提供WLAN服务,中国移动已经部署大量WLAN的AP,但仍然存在热点不热、分流蜂窝网络业务效果有待提升、用户体验较差等问题。

另一方面,LTE是移动蜂窝网络的演进方向,也是未来中国移动重点建设部署的网络。因此,加强LTE和WLAN两张网络之间的协作,提升两网资源的利用率,为用户提供更优质的服务是未来的一个重要课题。

1.2 已有LTE-WLAN协作方案

从2008年开始,3GPP已经提出了两种LTE和WLAN协作机制,即基于终端的多连接管理方案和基于核心网的融合切换方案。目前3GPP仍在对这两种机制进行完善和增强。

(1)多连接管理方案

该方案的基本思路是在网络侧部署ANDSF(access network discovery and selection function)策略服务器,向终端推送WLAN的SSID等辅助信息和运营商的选网策略,帮助终端快速发现和使用WLAN。因此,该方案能使用户实现无感知的WLAN发现和接入,同时帮助用户选择合适的承载网络并实现分流。

多连接管理方案的标准化工作从3GPP的R8阶段(2008年)开始,到目前的R12阶段仍在不断持续优化中。产业实现方面,中国移动已联合部分厂商开发出连接管理策略服务器原型产品,并计划在部分省公司开展技术试点工作。

(2)融合切换方案

融合切换方案的思路是为终端建立WLAN访问蜂窝网分组域的通路,并通过移动IP技术保证终端在网间切换时IP地址不变,从而确保业务的连续性。

由于该方案能保持IP地址不变,因此对无应用层保护的业务(如现阶段VoIP等)及有安全策略保护的业务(如VPN、HTTPS等)均可实现切换时业务不中断。

融合切换方案的标准化工作从3GPP R9阶段(2009年)开始,到目前的R12阶段仍在不断持续优化中。产业实现方面,部分厂商已开发出相关系统实现的原型。

1.3 已有协作方案的不足

基于终端和核心网的方案分别侧重于帮助用户发现WLAN和保证用户在两网切换时的业务体验,但仍存在如下不足。

·没有考虑无线网络的信号质量、网络负荷等动态因素,不能避免终端连接到已经过载的网络上,也不能避免大量终端同时连接到同一个网络而引起过载,从而进一步导致终端在两网间发生乒乓切换,最终导致终端耗电增加且用户体验不佳。

·终端决策选择网络,无法考虑全网的总体性能,运营商无法实现网络的负载均衡,不能给用户提供优质的业务QoS保证。

·需要安装非标准的客户端,推广较困难。

因此,亟需引入用户无感知的基于信令面的无线侧协作方案,以提升运营商对WLAN的控制,并为用户提供更好的业务体验。

2 LTE-WLAN无线侧协作

LTE-WLAN无线协作研究项目于2012年12月在3GPP RAN 58次全会上立项成功[1],该研究成果既可适用于LTE和WLAN独立部署的场景,也可适用于LTE和WLAN共站部署的场景,如nanocell。该研究不在基站和AP之间引入标准接口,也不会修改IEEE的协议标准。引入LTE-WLAN无线协作机制的主要目标有如下几点[2]:

·提升运营商部署的WLAN的利用率;

·避免用户连接到已经过载的WLAN上,从而提升用户体验;

·减少不必要的WLAN扫描带来的终端功耗。

为了达到上述目标,需要在WLAN的发现、业务/终端的网络选择以及终端在两网之间的移动性管理等方面进行增强。下面围绕这3个方面,阐述无线侧协作方案的关键技术和难点所在。

2.1 WLAN的发现

目前,WLAN的发现存在的主要问题有以下3点。

(1)WLAN的时延发现

目前手机或Pad等手持终端上Wi-Fi模块的开关是由用户手动控制的,而由于WLAN不是连续覆盖的,为了避免不必要的WLAN扫描带来终端功耗,大部分手持终端上的Wi-Fi模块都处于关闭状态。这种手动操作会丧失一些WLAN的使用机会(因为需要依赖用户得知有WLAN覆盖之后才手动打开)。

(2)不必要的终端功耗

在网络侧没有给终端提供WLAN辅助信息的情况下,终端的Wi-Fi模块会盲扫可能的工作信道,尤其在没有WLAN覆盖的情况下,这种扫描将造成不必要的终端功耗。

(3)连接到不可用的WLAN上

这种情况经常出现在机场等较繁忙的场景中,终端能扫描到Wi-Fi,信号质量也不错,但是由于AP已经处于过载状态,能给UE提供的速率非常低,其实用户基本无法使用WLAN进行数据业务。

因此,为了解决上述问题,WLAN发现的主要目标是帮助终端快速准确地发现可用的WLAN,避免终端打开Wi-Fi扫描之后找不到WLAN或者连接到已经过载的AP上,并降低终端功耗。

为了达到上述目标,可从如下两个方面进行优化。

·引入针对WLAN的自动邻区上报机制,即终端向eNB上报检测到的周围AP的信息,如SSID、信号质量、AP负载等信息。这样,基站可实时获取并更新周边AP的信息,从而可以用这些信息为其他终端提供更准确的WLAN信息。

·引入自动打开Wi-Fi模块的机制,即LTE基站给终端提供可用的AP信息,如SSID、工作信道等,从而帮助或控制终端有针对性地扫描WLAN,节省终端功耗,提升用户体验;更进一步地,基站还可给终端提供周围AP的负载信息(此信息eNB可通过与AP之间的实现接口获得,也可通过前述针对WLAN的自动邻区上报机制获得),从而避免终端连接到已经过载的AP上。

由于网络发现涉及的因素较多、标准化工作量较大,3GPP经过几次会议的讨论,决定在R12版本中暂时不引入这项增强,可能会在后续版本中进一步研究并进行标准化工作。

2.2 业务/终端网络选择

网络选择方面,已有协作方案主要存在两个问题:一是终端自主选择接入的网络,而非运营商或者蜂窝网络选择,这使得运营商或者网络侧无法控制终端的行为,也就无法实现全网性能的优化;二是现有方案是核心网机制,无法考虑无线网络的动态信息。如ANDSF只考虑接入网优先选择策略(如优先选择WLAN还是LTE)、业务在系统间的路由策略等较为静态的信息,而没有考虑无线网络的无线链路质量、网络负荷等动态信息,从而终端或业务可能选到信号质量不够好或者已经过载的网络上,无法提供QoS保证。

根据网络侧对终端控制力度的强弱,3GPP RAN讨论了如下3种网络选择机制[3]。

·方案一:RAN下发辅助信息,UE根据ANDSF策略辅助信息选网。

·方案二:RAN定义选网准则,并下发辅助信息,UE执行选网。

·方案三:UE上报测量信息,网络决策选网。

如图1所示,在方案一中,网络侧通过广播或专用信令的方式,给终端下发网络负载、资源分配、WLAN和LTE网络的信号质量门限等辅助信息。终端根据ANDSF服务器配置的无线网络选网策略,并结合辅助信息、终端测量到的信号质量等信息,决策应该使用LTE网络还是WLAN。

图1 方案一示意

该方案的优点是比较简单,对空口协议的改动较小。但现有ANDSF机制中没有定义接入网的相关策略,因此需要在SA2中做进一步的标准化工作。为了保证运营商对终端行为的可管理、可控制,该方案必须与ANDSF配置的无线网络选网策略协同工作,否则无法体现运营商的网络选择策略,因此依赖于ANDSF的部署。该方案在3GPP中得到了有明确部署ANDSF计划的运营商(如AT&T)的大力支持,而大多数没有明确部署ANDSF计划的运营商则更倾向于方案二。

如图2所示,在方案二中,选网准则由LTE无线标准制定。网络侧下发选网准则中用到的网络负载、资源分配、WLAN和LTE网络的信号质量门限等信息,终端根据ANDSF策略(如果部署的话)、自身的测量结果和无线侧的选网准则选择使用LTE网络还是WLAN。

图2 方案二示意

方案二与方案一的主要区别在于,既不依赖于ANDSF的部署,也可与ANDSF协作。对于没有部署ANDSF的场景,终端根据LTE标准制定的无线侧准则选网;对于部署ANDSF的场景,需要定义终端的行为,如终端只有在ANDSF策略和无线侧策略都允许的情况下才改变当前的网络,即只有当ANDSF和无线侧都决策把业务从LTE网络分流到WLAN上时,该业务的承载网络才会发生改变。

上述两种方案既适用于处于空闲态的终端,也适用于处于连接态的终端,而方案三只适用于处于连接态的终端。如图3所示,基站首先给终端配置测量事件和测量量,如目标WLAN的SSID、工作信道等,终端上报测量结果;最后基站根据终端上报的信息以及自身的负载情况等做出选网决策,并指示终端。

图3 方案三示意

通过方案三,运营商可完全控制每个终端的行为,且无需依赖于ANDSF的部署。网络侧需要对终端进行测量配置,且终端需要上报测量到的WLAN信息,但会引入一定的信令开销;另一方面,芯片和终端的实现空间较小,在标准化中也遭到芯片和终端厂商的强烈反对,标准化难度很高。

表1中比较了上述3种机制。

方案共同点介绍如下:

·基站和AP之间不引入标准化接口,适用于3GPP和WLAN独立部署和共站部署场景(如nanocell)

·无需引入新的设备或网元,无需修改Wi-Fi协议;

·只需对终端和基站进行软件升级,在空口引入新的信令,传递网络负载、资源分配、选网门限、选网指示等信息;

·可与基于核心网的ANDSF机制协作。

3 种机制的区别主要在于以下几点:

·网络对终端行为的控制力度有所不同,3种机制依次递增;

·方案一和方案二可以用于处于空闲态和连接态的终端,方案三只能用于处于连接态的终端;

·方案一必须与ANDSF协作才能体现运营商策略,且ANDSF要做针对无线机制的升级;方案二和方案三既可以与ANDSF协作,也可单独使用。

无线协作机制的研究项目(study item,SI)于2012年12月 在3GPP成 功 立 项,并 在2013年12月 的 第62次RAN全会上顺利结项[4],同时启动工作项目(work item,WI),进入标准规范制定阶段,预计在2015年年初完成标准制定。产业实现方面,部分厂商正同步开发系统实现原型,基于标准的LTE主设备、WLAN AP的终端预计在2016年年底发布。

2.3 移动性管理

现有协议并不支持终端或业务在LTE网络和WLAN之间的无线侧切换,因此当终端或业务改变网络时,无线侧会发生先中断后连接的现象。因此,移动性管理方面的主要目标是:当出现WLAN信号质量变差、UE移出WLAN覆盖区域或WLAN过载等情况时,终端必须将WLAN上承载的业务快速迁移到蜂窝网络,使得业务的迁移是用户无感知的。

表1 3种网络选择机制的比较

为了达到上述目标,可从如下3个方面进行优化。

·LTE网络帮助UE预测WLAN的不可用,并帮助UE快速返回到蜂窝网络。为了更准确地预测WLAN的覆盖、信号质量、负载等信息,可以利用前述提到的新引入的针对WLAN的自动邻区上报机制,如LTE基站在把UE从蜂窝迁转到WLAN时,给UE配置后续返回LTE网络时优先使用的频点、小区。

·在系统消息中广播LTE网络负荷等状态信息,帮助终端做出正确的移动性管理决策。

·引入由LTE网络决策的终端从WLAN返回LTE的申请、决策等一系列流程。

由于移动性管理涉及的因素较多、标准化工作量较大,3GPP决定在R12阶段中暂时不研究这项内容,可能会在后续版本中进一步研究并进行标准化工作。

3 后续工作展望

3.1 3GPP标准化

3 GPP在2013年12月的第62次RAN全会上启动了该项目的WI,进入网络选择方案的标准制定阶段。其中网络选择的方案一和方案二进入了WI,而方案三由于流程复杂、标准化难度较高、对终端和芯片预留的实现空间较小等,没有进入WI阶段。

对于方案一,需要在SA2和RAN2都开展标准化工作,需要定义的内容有以下两方面。

SA2定义无线侧的选网准则,如if(WLAN RSSI>threshold1)&&(WLAN Loadthreshold3){

steerTrafficToWLAN()

};

RAN2定义基站给UE提供的辅助信息,如WLAN的SSID,上述的门限值threshold1、threshold2、threshold3等。对于处于空闲态的终端,这些辅助信息只能通过广播消息获取;对于处于连接态的终端,辅助信息还可以通过专用信令获取,因此处于连接态的终端可以对每个UE都定义不同的辅助信息,实现对每个终端的灵活控制。

对于方案二,只需要在RAN2开展标准化工作,需要定义的内容有以下两点:

·定义无线侧的选网准则,并固化在RAN标准中,如3GPP TR 36.304;

·定义基站给UE提供的辅助信息,可以与方案一相同也可以不同。

因此,由于方案一的标准化需要涉及SA2和RAN2两个标准子组,而方案二的标准化只涉及RAN2,方案一的标准化复杂度更高一些。

为了实现在一套标准中支持两个方案,后续标准化工作需要考虑如下因素:

·终端是否支持ANDSF或增强的ANDSF,因为方案一只有在部署ANDSF或增强的ANDSF的条件下才能使用;

·两套方案中使用的无线侧选网准则和辅助信息是否一致,如果不一致,两套方案同时存在的场景下哪个方案的优先级更高。为了减少标准制定的复杂度和终端实现的难度,保证两套方案的信息一致是更好的选择。

3.2 产业推动

目前中国移动已联合部分厂商开发基于方案二的运营商控制的LTE/WLAN协作演示系统,其中将考虑无线信号质量、网络负载、用户类型和业务QoS要求等运营商关注的因素,预期可使用户体验到较高的数据速率,并能有效利用运营商的网络资源,预计在2014年中完成第一版本的开发。

后续还将考虑该系统与ANDSF或增强的ANDSF机制协作,即方案一和方案二的融合。

1 RP-130363.Report of 3GPP TSG RAN Meeting #58,2013

2 RP-122038.New Study Item Proposal on WLAN/3GPP Radio Interworking,2013

3 3GPP TR 37.834 V2.0.Study on WLAN/3GPP Radio Interworking(Release 12),2013

4 RP-13xxxx.Report of 3GPP TSG RAN Meeting #62,2013

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