WiMAX与3G LTE网络互联与融合技术研究

1、引言

无线接入互联网和无线多媒体数据业务的巨大需求推动了无线通信技术的快速发展，不同的无线通信技术，如蜂窝通信3G/4G，宽带无线接入IEEE802.16/20以及短距通信WLAN、Bluetooth、UWB等为用户提供各种不同的服务。WiMax具有传输距离远、传输速率高、容量大、信道宽度灵活、安全性高等特点，并已推出最新的支持固定、移动接入的空中接口标准——IEEE 802.16e[1]。与此同时，3GPP组织也在积极开展3G的长期演进项目（LTE）的研究，该技术也采用了以OFDM为核心的关键技术，并计划在2007年推出正式标准。针对WiMax“低移动性宽带IP接入”的定位，LTE提出了相对应的需求，如相似的带宽、数据率和频谱效率指标，对低移动性进行优化，只支持PS域，强调广播/多播业务等。

由于用户对信息通信和带宽的需求不平衡且呈多样化的特点，使得各种无线网络技术都有其生存和发展的空间，WiMax和LTE两种无线技术的融合具有潜在的优势及可能性：

●从运营的角度看，WiMax的目标是要提供一种城域网区域点对多点的宽带无线接入手段，3G及LTE是定位于无线广域网范畴。WiMax可以作为3G及LTE网络的补充，在高速无线宽带接入领域发挥作用。

●从技术的角度看。两者物理层都采用了相似的先进技术，如OFDM、MIMO、自适应链路层技术以及分等级的多种QoS保证机制。两者都设计为基于全IP核心网的蜂窝式网络结构，在无线接入网络（RAN）的结构方面都弱化基站控制器设备实体，采用公共无线资源管理控制基站等概念，这些都为网络的互联及融合机制的研究及设计提供了良好的条件，如负载均衡、动态频谱分配、系统间无损切换等。

异构无线网络融合要获得多无线接入网络增益，必须要求不同的接入技术在设计及应用中能紧密地协作，具体技术包括：协作网络架构的设计；支持快速无缝漫游的MAC及网络协议层设计；协同无线资源管理算法研究；网络自适应及组织理论；动态可重配置终端的设计。

2、WiMax与LTE网络互联架构

一般来说，在研究WiMax和B3G/4G互联结构时，需要考虑如下问题：

●提供网络间相互协作的同时，要折中考虑网络之间的公平性。

●建立一种能提供费用低廉、频谱效率高的架构方案，为移动用户提供种类多样的服务。

●合理定义结构实体，使WiMax和B3G/4G之间以一种性能耗费比更优的方式通信。

●定义总的容量、指标和每个网间架构实体的功能。

●互联架构应当是灵活的，能够在不引入太多新节点和接口的条件下支持其他新型网络的协作。

目前，3GPP在LTE项目的研究中也提出了网络的演进架构和接入网的一些新的演化方向。在R4、R5版本中引入基于IP的骨干网后，3GPP TSG RAN工作组又针对UTRAN架构演进，主要对如何提高无线性能和传输层的协议机制进行了研究[2，3]，并且此工作将在R7中继续。在参考文献[2]几种增强的UTRAN架构提议中，都体现了控制层面和用户层面分离、UTRAN节点功能重定义、小区/多小区/用户相关功能的功能实体分离等。此外，将原先RNC中的部分功能转移到Node B中形成增强Node B（iNode B），这些功能包括：小区无线资源管理、软切换管理、无线和用户数据处理等。

本文基于对WiMax及LTE不同组网技术研究，提出了两种WiMax和B3G/4G系统异构互联的架构，分别针对不同协作层次。值得指出的是，这里互联网络架构的提出主要参考了Ambient Network项目中关于“多空中接口接入”的网络结构[4]，并适当加入必要的节点和接口。因此，同样两个重要的概念及功能体被引入来完成网络间协作：通用链路层（GLL）、multi-radio资源管理。在此互联网络架构中，WiMax与LTE接入网互为补充进行网络覆盖，GLL被引入数据承载节点，如多模终端，承载网关等，以在原有链路层机制上增加协作功能，如分组队列、高层数据头压缩、分割和重传功能等。同时，协调无线资源管理功能体被引入原有的无线资源控制层（LTE）及MAC（WiMax）中，以保证网络协作后整体的无线资源能更有效地利用。

下面对于两种架构中出现的一些网络节点作一些说明：

●协同无线控制服务器（MRCS）：控制了包括承载网关在内的整个异构互联网络，决定网间切换，实现多无线通信系统间的协同无线资源管理，从而提供优质高效的无缝覆盖。

●异构中继节点（RN）：可以实现覆盖的拓展，支持移动台接入到其他系统。

●基站（BS）：WiMax的BS或者B3G的Node B。

●无线控制服务器（RCS）：根据目标网络自身特点实施控制，实现网间切换，无线资源管理（RRM）等功能，且在前一种异构互联架构中为MRCS提供一些有用的网络信息。

●用户终端（UT）：可以连接RN中多个BS/Node B，也可以相互间通信。GLL功能保证接入多个无线系统，并由RCS协调控制。

●承载网关（BG）：因为要处理来自不同网络的数据包，它要包含GLL功能实体，同时将提供到IP核心网的统一接口。

●统一接入点（RAT AP）：具有GLL功能，同时支持WiMax和B3G/4G网络的通信，即至少具有双模功能。

●接入路由器（AR）：主要功能是给接入网的各终端分配IP地址、它可以不具有GLL功能，因为所有RAT-AP能够提供具有统一格式的IP数据包。

本文提出的两种互联网络结构如图1和图2所示。图1是基于松协作模式下场景。WiMax与LTE网络分别进行覆盖，其中WiMax针对热点地区，而LTE针对全网无缝服务。以上行为例，数据传送分别经过终端、基站、承载网关，承载网关通过引入GLL将来自不同网络的数据进行处理并以统一的结构提供给骨干网。无线控制服务及协同无线控制服务节点被引入控制层面，前者来完成相应网络的独立无线资源管理，而后者在协同前者的基础上完成网络间的协同资源管理。因此，这种互联网络架构也可看作基于RCS的集中式架构。

图2是基于紧协作模式下的互联网络架构。在这种场景中，两个网络的基站在物理上进行合并为一个通用的基站节点，支持WiMax与LTE两种空中接口的用户接入。GLL直接引入在这样的通用基站节点中，完成网络的链路层协作功能。基于此，另一个新增的通信功能实体BG作为独立于接入技术的核心网接入路由器而存在；无线控制服务节点在此协作模式下，包含协同无线资源管理的功能，因此不再需要独立的协同无线控制服务节点。

图1　基于RCS的集中式架构

图2　基于无线接入点（RAP）的集中式架构

比较这两种互联网络机构可知，基于RCS的集中式架构是在对原有网络拓扑及协议修改不大的基础上完成的，但在控制层面用于协作的控制信息比较复杂，而由于基站独立设计，网络间的切换较难在链路层实现。基于RAP的集中式架构则代表未来发展的一种网络融合观点，简化了协作控制信息，使网络间协作在更低协议层完成，因而效率更高，但缺点是对目前的网络设计所做修改较大。

3、通用链路层技术

GLL可被看作在原有协议层上增加的一个新的通信层，用来为不同的无线接入机制提供统一的链路层数据处理功能。引入GLL主要是为用户提供更好的服务质量，并为在网络间提高资源的有效利用。GLL的设计可与MAC层进行不同程度的耦合，一般来说，耦合程度越高，系统互联的复杂度越高，但能带来更高的多接入增益，GLL的功能主要包括：

●作为不同接入技术的汇聚层，为上面的各种高层协议（如网络层）提供统一的接口，达到屏蔽不同无线接入技术差异的目的。

●对不同接入技术的RLC（无线链路控制）/MAC功能进行控制及补充，达到资源的有效利用以及最大化应用层性能。

●保持网络协议层的模块化结构，以支持不同的接入技术的融合。

●提供对用户数据包在不同网络间调度，以利于网络分集增益。

●提供链路层状态信息给上层，以支持有效的接入网络间的移动性管理。

图3给出采用GLL后的WiMax与LTE网络融合参考协议架构。其中：PDCP表示分组汇聚协议；BMC表示广播、多播控制协议；CS表示汇聚子层；CPS表示通用部分子层；SS表示加密子层。该协议架构是基于一种紧耦合的方式，GLL放在原有协议的层2之上，但在层3之下。按照LTE提出的控制与数据层面分离的演进思路，GLL分别定义了控制平面（GLL-C）和用户平面（GLL-U）。在用户平面，基于不同网络的不同格式MAC数据通过GLL-U层处理，提供给上层一个统一格式定义的数据流。在控制层面，GLL-C将各网络的下层反馈信息收集，并传递到协同资源管理单元，以进行动态的资源管理。

图3　基于GLL的互联网络协议架构

GLL的引入带来两个重要的关键技术：异构发送分集和异构多跳技术。前者指的是业务流将通过多个接入网络进行串行或并行的传输，以获得多无线接入增益；后者则指多跳无线连接可以采用不同的无线接入技术。

3.1　异构发送/接收分集

异构发送/接收分集主要思想是在异构融合网络环境中，将两个通信实体间的数据包（IP或MAC PDU）分配在基于不同的无线接入技术的链路上。由于采用不同的接入技术以及收发端间经历不同的信道衰落，在发送端可以选择一个或多个接入链路进行发送数据，而在接收端进行多链路的合并则可以获取空间分集及多接入（异构）分集增益，提高数据收发的可靠性，同时也提高了整个系统的资源利用率。图4是基于GLL的异构发送/接收分集在下行链路的实现，上层的多用户分组数据IP包发送到GLL，GLL的多接入分组调度器会在综合考虑信道质量、可用资源反馈以及错误重传状态等信息后，动态选择用户和申请接入的传输链路进行数据包发送。其中3个重要的组成模块分别为：（1）接入选择及分组调度器，功能是选择不同用户的数据在不同的接入链路上进行发送；（2）网络资源及承载状态信息反馈，目的是提供必要的信息给接入选择及分组调度器以进行有效调度；（3）错误控制及反馈机制，功能是利用多无线接入特性进行必要的重传，以提高无线传输的链路质量。

图4　异构发送分集模型

在参考文献[5]中，根据网络间融合GLL与原有协议层的耦合程度，异构发送分集可分为：基于IP层的异构发送分集和基于MAC层的异构发送分集。前者接入选择和分组调度基于IP包，而后者则基于MAC PDU（用户数据单元）。从另外一个角度，根据选择一个还是多个接入链路发送同一用户数据，则可将异构发送分集分为选择式异构发送分集和并行异构发送分集。

在选择式异构发送分集应用中，用户数据包根据一定策略选择适合的接入链路进行发送，以获取空间及多接入分集增益。其主要功能可以分为：用户调度和接入链路分配。用户调度指在某个调度周期，在所有等待数据发送的用户中选择部分用户进行发送，目的是来满足用户的需求同时提高网络整体吞吐性能。当选择某些用户在此调度周期进行发送时，接入链路分配则完成分配特定链路来传送指定用户的数据包。在实际系统中可以有多种资源分配及调度算法，但这些算法应考虑如下参数的影响：用户QoS、网络负载状态、信道状态等。

并行异构发送分集是利用多个可用接入链路并行发送相同的数据包，在接收端这些数据包被分别接收并解出。它主要用来提高数据传输的可靠性，最简单的实现方式是在多个接入链路上发送相同的数据包，在接收端分别收到这些数据包后，选择最佳链路的数据包作为接收结果并发送到上层。但更佳的处理方法是，在分组数据包发送前对原始数据进行一定的编码，接收端对所有的接收结果进行合并解码处理，这样可以获得多接入分集增益及编码增益，从而共同提供传输的可靠性。

3.2　异构多跳技术

近几年无线多跳技术成为移动通信领域的研究热点，对系统性能的改进以及潜在的经济效益使得该项技术在通信领域中的地位不断提升。传统意义上的多跳一般是在系统覆盖范围内或小区边缘加入一定数量的中继节点，用户终端以多跳的形式通过中继节点接入到AP点，从而实现系统覆盖范围的扩大和数据传输速率的提高，此种情况下，多条传输采用的是同种接入技术，即被称为同构多跳技术。但是，在网络互联和融合中，多跳技术的使用目的不仅仅局限于解决覆盖和传输速率，更重要的是通过合理地配置中继节点，使用户无缝地接入到各种网络，享受网络融合所带来的优势。由于中继节点在与接入点之间的链路所采用的无线接入技术不同于与用户之间所采用的技术，因此中继节点被赋予了新的意义和功能，它的配置更着重于完成不同无线接入技术的转化，使采用与接入点不同的无线接入技术的用户能够使用不同网络的服务，这种中继节点也被称为异构中继节点。异构多跳技术的主要应用场景如图5所示。

图5　异构多跳技术应用场景

目前，对于异构多跳技术的研究主要是基于异构中继节点来进行，大致包括以下方面：

（1）不同接入技术间的转化

由于中继节点必须同时工作于不同的无线接入技术底层并采用完全不同的技术，无法通过将帧结构划分为上下行来实现中继节点的上下行转发任务。而GLL的增加屏蔽了底层技术的差异，所有经过中继节点的数据包在此经过格式转换、参数映射、分割和重组之后，按照客户的不同要求，采用另一种接入技术进行转发，从而完成网络的互联和融合。

（2）异构多跳网络的路由机制

在异构网络中，对于每个用户存在多个可见的中继节点，选择不同的中继节点和相应的协作节点，所达到的性能不同、对用户而言，希望选择能为其提供最优服务的中继节点，但对整个系统而言，用户的选择并不一定是最好的选择，如何选择相应的中继节点和协作节点，使用户和系统的性能部能够得到最大化的满足，将是一个不可避免的问题。

（3）异构多跳网络中QoS保障机制研究

由于中继节点的加入，来自同一用户的数据可能会通过不同节点进行传输，端到端的时延等QoS性能无法预知。此外，由于使用不同的接入技术，对QoS参数的定义和保障手段存在差别。采用何种保障机制来消除中继节点加入以及多种接入技术共存带来的对用户端到端QoS的影响，是不得不面对的问题。

随着研究的深入，新的研究热点将会被发掘，如异构多跳网络的资源调度，异构节点部署等，将会推动异构多跳技术的不断发展。

4、协同无线资源管理

CRRM主要完成网络间无线资源的协调管理。它的功能目标是扩展容量和业务覆盖范围，最优化无线资源的利用率和最大化系统容量，能够支持智能的联合会话、接入控制以及不同无线接入技术间的切换和同步，从而完成异构系统中的无线资源分配。协同无线资源管理有两种实现方式：集中式或分布式。集中式的协同无线资源管理能对资源进行统一的管理，这种模式很容易达到全局资源最优使用和最大化系统收益的目标，但这种方式的灵活性较差。基于分布式控制的协同无线资源管理可以很好地解决覆盖范围可扩展等问题，使得布网非常便捷简单，但缺点是很难达到资源的最优使用。为进行有效的资源管理，需考虑的参数有：网络拓扑、网络容量、链路条件、业务QoS、用户要求、运营策略等。

CRRM的主要作用集中在系统层、会话层以及数据流层。在系统层，协同无线资源管理主要表现在多个无线接入资源之间进行控制（如频谱、负载和拥塞等）。在会话层，协同无线资源管理模块用于在相关的数据流之间进行匹配，它的功能是由一些通信事件（如会话到达或用户移动等）触发的。在数据流层，协同无线资源管理的功能主要是为了建立或维持无线接入，需要注意的是协同无线资源管理可能会造成持续并行的多跳路由。它的一些关键技术实现，如无线接入的选择、负载均衡以及动态频谱分配，使得在多个可用无线网络之间能够以一种协调的方式自适应分配资源。

4.1　接入选择

在WiMax和LTE互联协同网络中，用户的接入将有更多的选择，享受更优的服务，但是对于一个多模终端用户来说，在处于两个网络同时可以接入的条件下，在综合考虑各种因素的条件下（如用户业务要求、网络资源的有效利用等），如何自动选择一个更适合的网络服务。是协同无线资源管理中一项重要的研究内容。

在网络选择方案的发展过程中主要提出以下几种网络选择方法。在同构网络切换中，一般只考虑无线信号强度的阈值和滞后值，并且基于模糊逻辑算法进行选择。然而，随着多种网络环境以及通用的接入，传统方法已经不足以做出切换和选择，因为它没有充分考虑当前的背景环境和用户的参数选择。于是，更多的决定因素加入考虑，也就产生并发展了一种二维的cost function的选择方法。其中一维条件反映了用户所要求的业务类型，而在另一维中，则代表着对应具体参数的网络开销。

而集中式异构协作网络构架下，网络选择算法应以最大化异构系统资源利用率为目标，同时考虑所有用户的接入方式。其中存在多种因素影响异构系统的资源利用率，算法需要考虑这些因素的以下特点：种类多（包括信号强度、覆盖范围、网络负载、业务带宽等）；异构网络中无线资源具有差异性，不同无线接入网络中影响资源分配的因素不易统一量化表示，难以进行比较。因此需要用数学方法及模型进行定量分析，基于多种因素进行分配决策的过程可以看作是针对难以定量分析、较为模糊的问题作出决策的处理过程，可以参考层次分析法（analytic hierarchy process）[6]对接入选择算法进行建模、分析和设计。

4.2　负载均衡

在协同无线资源管理中，负载均衡是其中一项重要的内容。所谓负载均衡是指两个网络或者两个系统中负载较重的一方将部分负载转移到另一方中去，达到一种负载均匀分布的状态。负载均衡可以提高整体网络无线资源的利用率、扩大系统容量、为用户提供多样化的服务及更好的服务质量。在研究WiMax与3G LTE两个系统相互融合时必然要考虑到系统间的负载均衡。

负载均衡有两种方法：信道借用和负载转移。信道借用主要用于有着固定信道分配的蜂窝系统中，重载小区只能向轻载小区借用信道，而轻载小区只能向重载小区借出信道。基于负载转移的负载均衡是超载的小区迫使一部分终端切换到邻近小区中，以实现整个系统内负载的均匀分布。负载均衡机制可以分为集中式和分散式。在集中式的负载均衡系统内，全部网络或系统的负载信息被集中于一个中央节点。其余节点负责将负载信息传递到中央节点，所有的负载均衡方案都是由中央节点根据收集的信息制定的。集中式负载均衡方案的主要缺点是相对较小的可靠性，中央节点的瘫痪将导致负载均衡策略无法执行。在分散式负载均衡方案中，每一个节点都有能力执行负载均衡的算法，但是，由于节点间需要交换大量的负载信息，这便要花费更多的开销。

参考文献[7]中给出了一种实现负载均衡简单、可行的思路：首先定性规定各小区（或网络）的负载大小，负载由4个参数确定：load force表示某一个目标小区在完成一次切换后的剩余可用容量；QoS force表示源小区与某一目标小区间的QoS差值，包括差错率与吞吐量等；migration attenuation force表示上一次系统间切换到现在所经历的时间，用以避免系统间切换过于频繁和乒乓效应；handover cost force表示系统间切换所花费的信令开销。将这4个参数分别乘以某个权值后相加便得到这一目标小区的负载值，CRRM将会把负载小于特定门限值的目标小区添加到一个列表中，并且随时更新此列表，当某小区的负载超出门限值时，此小区内用户呼叫建立或小区（或系统）间的切换便由CRRM调度到列表中负载最小的目标小区中。

在WiMax与3G LTE中，服务种类多种多样，速率及QoS要求不尽相同，仅仅沿用参考文献[7]中所提出的方案是不可行的，可以采用不同参数计算总负载值的方法。

如图6所示，对各个小区进行周期性负载确定，可以借鉴参考文献[7]中Gross Load的计算方法，且要考虑到用户的不同速率，若某小区超载，系统给出其中用户（包括已经接入的和新的用户）与其可接入网络间的F值（F值的定义包括负载大小、信噪比、QoS参数等），将这些F值从大到小排列成一个表，按照顺序逐个选择用户和对应的网络，直到网络的负载低于特定的门限值。重复执行这些操作，可以使两个网络或小区间的负载趋于一种平衡状态。

图6　负载均衡算法流程

4.3　动态频谱分配

无线通信发展中面临的最大一个瓶颈就是频谱资源的缺乏。实际上，几乎所有的无线通信网络都面临负载的时间变化和区域性变化特性，也就是说，由于业务模式不同，带宽需求的峰值出现在不同时刻或地区，如果采用固定的频谱分配方法，为满足峰值时间或地区通信质量的需求，传统的方法就是预留相应满足峰值流量的频谱，而这部分分配出去的频谱在大多数业务需求少的时间段或地区将处于空闲，造成闲时频谱的严重浪费。

但是，在存在网络相互协作的基础上，动态频谱分配方案（dynamic spectrum allocation，DSA）[8]应用将解决这个问题。对于两个相互协作的网络，可随时随地将业务较少网络的剩余频谱分配到业务稠密的网络中，可以有效地减少固定分配带来的闲时频谱浪费，更好地利用有限的频谱资源。一般来说，动态频谱分配可以分为基于时间和基于空间的动态分配方案，采用动态频谱分配后，将会产生较大的频谱增益。另外，WiMax与LTE属于OFDM多载波系统，基于子载波的网络间动态分配值得进一步深入研究。

参考文献

1　IEEE Std 802.16e-2005.Part 16：air interface for fixed and mobile broadband wireless access systems.2006

2　3GPP TR 25.897.Feasibility on the evolution of UTRAN architecture，2003

3　3GPP TR 25.882.3GPP system architecture evolution：report on technical options and conclusions，2006

4　Sachs J，Muñoz L，Aguero R，et al. Future wireless communication based on multi-radio access.In：WWRF 11th，Oslo，Norway，Jun 2004

5　Dimou K，Agero R，et al.Generic link layer：a solution for multi-radio transmission diversity in communication networks beyond 3G.IEEE VTC Fall.2005

6　Song QingYang，Jamalipour A.A network selection mechanism for next generation networks.In：ICC 2005,May 2005

7　Pillekeit A，Derakhshan F，et al.A force-based load balancing in co-located UMTS/GSM networks.In：IEEE 60th Vehicular Technology Conference,Sept 2004

8　Dynamic spectrum allocation algorithm including results of dsa performance simulations，http：//www.ist-drive.org