甘 翼， 王國慶， 劉 筱， 賈 坤

0 引言

進入二十一世紀以來，中國移動通信業(yè)務迅速發(fā)展，截止2011年底，全國移動通信用戶總數(shù)已超過10億。在世界其他地區(qū)，移動通信業(yè)務同樣保持著比較快的發(fā)展速度，截止2011年6月，全球移動通信用戶已突破56億大關。其中約90%以上的用戶主要使用第二代移動通信系統(tǒng)（簡稱：2G，主要包括 GSM/CDMA95）[1]。

盡管 2G系統(tǒng)在過去二十年間取得了巨大的成功，但由于其系統(tǒng)帶寬受限、編碼和調(diào)制方式相對落后，主要針對傳統(tǒng)語音業(yè)務，即使經(jīng)過改進后的通用分組無線業(yè)務（GPRS）和增強型數(shù)據(jù)業(yè)務（EDGE）在數(shù)據(jù)傳輸率上還是受到了較大的限制，無法實現(xiàn)高數(shù)據(jù)率移動多媒體業(yè)務。另一方面，隨著移動用戶的持續(xù)增加，2G系統(tǒng)已不堪重負。以中國為例，截止2011年底的2G系統(tǒng)平均呼損率已由2000年初的5%上升到15%左右。因此，中國從2008年開始實驗性推廣第三代移動通信網(wǎng)（簡稱：3G），截止2011年底，中國3G用戶已達到3 800余萬，全球3G用戶已突破5億。

同時，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展以及人們對移動寬帶無線數(shù)據(jù)交互（如：實時的網(wǎng)上購物、信息查詢、低成本視頻聊天和大容量郵件傳輸?shù)龋┑男枨笕找嬖黾樱瑩碛芯薮罂捎脭?shù)據(jù)帶寬優(yōu)勢和接入方便優(yōu)點的無線局域網(wǎng)業(yè)務在全球也得到了廣泛的發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止2011年底，中國運營商級WLAN用戶已超過6500萬，全球運營商級WLAN用戶已超過7億[2]。

綜上所述，在未來 5～10年內(nèi)，3G網(wǎng)絡和WLAN將成為人們信息化生活中最重要的無線移動通信和信息交互手段之一。

1 3G和WLAN特點及組網(wǎng)漫游方式簡介

3G技術和系統(tǒng)由國際電信聯(lián)盟（ITU）于上世紀末提出，最先提出時的主要目的是建立全球統(tǒng)一標準、支持寬帶數(shù)據(jù)交互、具備更大的用戶容量和利用各種資源管理和分配算法提高單位頻譜資源利用率。由于各國政府和運營商的壓力，最終未能形成全球統(tǒng)一標準，而按上下行信道頻分復用（FDD）和上下行信道時分復用（TDD）分為了兩大類系統(tǒng)和技術，現(xiàn)投入商用的3G網(wǎng)絡系統(tǒng)和技術主要有3種：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。

上述3種技術都具備了國際電聯(lián)最初提出的3G技術應擁有的較大數(shù)據(jù)傳輸率、更大用戶容量和更高頻譜利用率的要求。在核心網(wǎng)、越區(qū)切換和數(shù)據(jù)交互等方面雖采用了不同的技術且有較大差別，但從使用者層面來看差別不大，且使用的頻段均在1.8～2.2 GHz頻段范圍內(nèi)。

3G系統(tǒng)繼承了2G系統(tǒng)的優(yōu)點，具有接通率較高、移動中和越區(qū)時無縫切換、已接通用戶的通信質(zhì)量基本不受實時用戶通信數(shù)量增加影響的優(yōu)點。除此之外，3G系統(tǒng)用戶實際最高數(shù)據(jù)交換率可達1 Mb/s以上，遠高于2G系統(tǒng)，可以進行一定分辨率的視頻通話。但由于 3G系統(tǒng)帶寬依然受限，在中國其可用帶寬一般在30 MHz左右，且一個小區(qū)覆蓋范圍較大，小區(qū)內(nèi)的用戶容納數(shù)量多。同時，為保證基本的窄帶語音及視頻通話質(zhì)量，數(shù)據(jù)業(yè)務所占用帶寬則更小，從運營商統(tǒng)計的數(shù)據(jù)來看，一般用于分組數(shù)據(jù)業(yè)務的帶寬不大于10 MHz，可承載的有效數(shù)據(jù)傳輸率受限。另一方面，即使分組數(shù)據(jù)業(yè)務也必須進入移動業(yè)務交換中心（MSC）才能接入國際互聯(lián)網(wǎng)，多個小區(qū)基站則必須通過微波中繼或電纜中繼的方式與MSC進行數(shù)據(jù)交互，這也限制了通過3G系統(tǒng)完成大數(shù)據(jù)量業(yè)務傳輸。

3G系統(tǒng)在組網(wǎng)和漫游方式上基本沿用了2G系統(tǒng)的方式，如圖1和圖2所示（圖1中，MSS：移動終端；MSC：移動業(yè)務交換中心；BS：小區(qū)基站；AMC：移動控制及主交換中心。圖2中，VLR：來訪區(qū)位置寄存器；HLR：歸屬區(qū)位置寄存器；CCITT No.7：7號信令網(wǎng)）。

圖1 3G系統(tǒng)組網(wǎng)示意

圖2 3G系統(tǒng)漫游示意

綜上所述，3G系統(tǒng)依然保持著移動通信系統(tǒng)在移動實時不間斷語音通話方面的傳統(tǒng)優(yōu)勢，并在此基礎上開發(fā)了視頻通話業(yè)務。分組數(shù)據(jù)業(yè)務雖然較2G系統(tǒng)有所發(fā)展，但較電信級互聯(lián)網(wǎng)絡有效數(shù)據(jù)傳輸率還有較大差距[3]。

WLAN從本世紀初開始快速發(fā)展，有效數(shù)據(jù)傳輸率從2 Mb/s（IEEE802.11b）發(fā)展到現(xiàn)在的600 Mb/s（IEEE802.11n），設計之初主要在難于布線的地方作為有線以太網(wǎng)的補充。隨著人們對寬帶移動上網(wǎng)需求的日益增加，以及無線寬帶數(shù)據(jù)傳輸技術的發(fā)展，WLAN已經(jīng)發(fā)展成為最重要的無線寬帶數(shù)據(jù)傳輸手段，在IEEE和ITU的計劃中，預計2012年底將發(fā)布的IEEE802.11x（正式發(fā)布后，x將被其他未用字母替代）將正式納入3G及后續(xù)4G可行技術，并考慮和長期演進技術（LTE）的兼容問題。

WLAN具有架設簡單、控制方便（設置出口IP后，可直接通過有線以太網(wǎng)接入或通過網(wǎng)橋的方式中繼接入，無需MSC介入）、工作頻段較寬（2402～2485 MHz）、頻率復用性好（微小區(qū)和微微小區(qū)架設方式）、有效傳輸速率高以及資費極低（與普通寬帶網(wǎng)收費一致）的優(yōu)點。但是，由于WLAN協(xié)議架構并不是為實時移動通信而建立的，因此在小區(qū)切換時會出現(xiàn)先斷再聯(lián)的情況，對于移動中的持續(xù)語音和視頻通信影響較大；高速移動中受多徑快速變化引起的碼間串擾影響，穩(wěn)定通信能力較差。而且，由于 WLAN在 MAC子層采用沖突避免載波偵聽(CSMA/CA)技術實現(xiàn)無線信道資源的共享，在用戶量較大的情況下，增加使用者會加大碰撞開銷，嚴重影響有效數(shù)據(jù)傳輸率。另一方面，WLAN采用寬帶調(diào)制技術，解調(diào)信噪比需求較高，且發(fā)射功率較小，因此覆蓋范圍較小，移動中小區(qū)切換頻繁。

WLAN組網(wǎng)和漫游方式如圖3和圖4所示。

圖3 WLAN組網(wǎng)示意

圖4 WLAN越區(qū)切換示意

綜上所述，WLAN在實際數(shù)據(jù)傳輸率和使用資費上相比 3G系統(tǒng)有著極大的優(yōu)勢，但是在高速移動狀態(tài)下的穩(wěn)定通信能力以及小區(qū)切換管理方面較3G也有著較大劣勢。因此，針對不同業(yè)務類型和區(qū)域，結合3G系統(tǒng)和WLAN的優(yōu)點和互補性，研究兩者聯(lián)合組網(wǎng)和切換漫游的優(yōu)點和可行性，在未來利用有限的頻譜資源最大效率的完成各類通信業(yè)務，對于降低運營成本、增加用戶量和擴展業(yè)務種類都有著較大的益處。

2 3G和WLAN聯(lián)合組網(wǎng)漫游的優(yōu)勢

現(xiàn)代智能手機大多數(shù)已經(jīng)集成了 3G信號及WLAN信號收發(fā)功能，但沒有聯(lián)合使用，在用戶使用WLAN時，需打開WLAN功能并查找周圍的無線接入點（AP），選擇其中一個按關聯(lián)認證流程接入，若離開該網(wǎng)絡范圍，手機沒有能力自動連接到下一個合法的WLAN網(wǎng)絡中，除非該網(wǎng)絡的網(wǎng)絡名（BSSID）與上一個AP一致，且加密密鑰和算法一致。由于缺乏智能切換功能，大多數(shù)不太了解WLAN使用方法的用戶，即使在覆蓋WLAN信號的地方，依然使用3G或2G信號完成數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務，造成用戶網(wǎng)絡使用資費增加，在現(xiàn)行資費條件下，使用3G系統(tǒng)進行海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁M用大約是利用 WLAN系統(tǒng)的5～10倍；另外，利用3G業(yè)務信道在常規(guī)業(yè)務量較大的中心商業(yè)區(qū)或行政區(qū)完成數(shù)據(jù)傳輸，占據(jù)了寶貴的 3G頻譜信道資源，使其不能用于傳統(tǒng)語音或視頻通話業(yè)務，同時空置了WLAN頻譜資源，也造成了運營商運營成本的提高[4-5]。

綜上所述，3G系統(tǒng)若和WLAN聯(lián)合組網(wǎng)，將使未來無線移動通信網(wǎng)相比現(xiàn)在具備以下5大優(yōu)勢：

1）根據(jù)業(yè)務類型進行通信鏈路分配，均衡頻譜資源、提高頻譜利用率。

在3G和WLAN雙信號覆蓋區(qū)，當用戶進行傳統(tǒng)語音或視頻實時通信時，使用 3G信道；當用戶進行大數(shù)據(jù)量信息傳輸或在慢速移動（含不移動）情況下進行視頻聊天和其他網(wǎng)絡業(yè)務時可使用WLAN信道。

2）有效降低WLAN覆蓋區(qū)域的MSC/AMC數(shù)據(jù)業(yè)務負載。

通過 WLAN系統(tǒng)接入的用戶將直接通過本地路由器或無線中繼直接進入國際互聯(lián)網(wǎng)，無需通過MSC/AMC進行移動通信網(wǎng)與主干網(wǎng)之間數(shù)據(jù)的轉換。

3）有效提高接通率和低可靠性數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸效率。

占據(jù)傳輸信道較多帶寬較大的數(shù)據(jù)業(yè)務從WLAN傳輸后，3G信道將主要用于傳統(tǒng)語音和視頻通話，呼損率將下降。數(shù)據(jù)業(yè)務通過大帶寬WLAN傳輸，傳輸效率也將顯著提高。

4）顯著降低用戶無線數(shù)據(jù)業(yè)務使用資費。

5）利用3G和WLAN覆蓋范圍的差別實現(xiàn)高層、大縱深樓房補盲覆蓋。

WLAN的AP在具備光纖或同軸電纜的樓房內(nèi)可廣泛布置，并就近接入有線網(wǎng)，不需要額外的中繼器或放大器對室外傳入 3G信號進行中繼完成室內(nèi)覆蓋。

3 聯(lián)合組網(wǎng)及各類業(yè)務漫游可行性分析

由圖 1所示，3G系統(tǒng)所有業(yè)務交換均需通過MSC，而和電信主干網(wǎng)交互還需經(jīng)過更高一級的AMC；WLAN的AP一般連接在主干網(wǎng)分支有線鏈路上，如圖2所示。因此，在MSC/AMC管轄區(qū)域范圍內(nèi)的 WLAN無線接入點（AP）可直接通過主干網(wǎng)與MSC/AMC通信，接受MSC/AMC控制和管理，并和3G基站實時交換相關業(yè)務信息。MSC/AMC通過簡單修改管理軟件，增加VLR和HLR寄存器對WLAN接入方式的管理，增加延遲檢測算法，修改越區(qū)切換算法即可實現(xiàn)聯(lián)合組網(wǎng)。若未來用于移動終端的3G和WLAN雙模芯片能夠?qū)崿F(xiàn)控制命令實時交互，包括 3G芯片能夠?qū)⒈４娴氖謾C號碼、PIN碼（作為WLAN認證密碼）通過內(nèi)部總線傳給WLAN模塊?；谠撔酒墓碳臀⒅噶钅軌蛟诰W(wǎng)絡切換時支持物理鏈路層的變化而不影響網(wǎng)絡層和應用層協(xié)議和數(shù)據(jù)，那么只用通過網(wǎng)絡切換軟件根據(jù)雙模移動終端收到的信號和執(zhí)行的業(yè)務，實時切換網(wǎng)絡[6]。當用戶使用到訪移動區(qū)WLAN時，可根據(jù)其登錄手機號與 WLAN本地服務器或該區(qū)域MSC的VLR內(nèi)的號碼對比，確認該手機是否漫游。

綜上所述，3G系統(tǒng)和WLAN聯(lián)合組網(wǎng)是具備實現(xiàn)可行性的。但是對于各種不同業(yè)務，由于可靠性和實時性要求不同，因此并不是所有業(yè)務都支持3G和WLAN的網(wǎng)間切換及漫游，下面將詳細介紹幾種主要業(yè)務的可行性。

（1）移動語音與視頻通話業(yè)務

移動語音與視頻通話業(yè)務為移動通信系統(tǒng)的主要業(yè)務，其最主要的特點是實時性、可靠性和移動中特別是越區(qū)切換時的通話聯(lián)系性。因此，該業(yè)務一般采用傳統(tǒng)的移動通信系統(tǒng)專用通話業(yè)務信道完成，且上下行信道分離；當越區(qū)切換時，采用接力切換、軟切換和頻間切換等方式保證通話連續(xù)性[7]。

切換到WLAN網(wǎng)絡時，由于WLAN只有數(shù)據(jù)信道，所有語音及視頻通話也必須通過數(shù)據(jù)信道經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)與目標網(wǎng)絡聯(lián)接，相對 3G系統(tǒng)專用的業(yè)務信道延遲較大且可靠性較差，同時在網(wǎng)間切換時通信軟件也必須更換，需從 3G系統(tǒng)的移動通信專用音視頻調(diào)制解調(diào)軟件更換成Skype或類似的網(wǎng)絡電話軟件，做到連續(xù)通話保證的可能性較小。

另一方面，WLAN采用寬帶調(diào)制，城市移動環(huán)境多徑造成的碼間串擾影響較大，很難保證4級（較好的通話質(zhì)量）或以上通信質(zhì)量。

由此可知，從業(yè)務能力上講，移動語音和視頻通話業(yè)務在WLAN和3G網(wǎng)間切換難度較大且服務質(zhì)量等級不能保證，可行性較小。

（2）數(shù)據(jù)業(yè)務

數(shù)據(jù)業(yè)務包括網(wǎng)絡電話業(yè)務（含網(wǎng)絡視頻交互）、基本互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務和互聯(lián)網(wǎng)增值業(yè)務。移動通信數(shù)據(jù)業(yè)務除了物理層信號從無線口接入外，就業(yè)務服務類型而言和傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務類似，主要針對大數(shù)量、準實時和可靠性相對較低的用戶數(shù)據(jù)交互需求。

3G系統(tǒng)主要通過信道分配機制在業(yè)務信道上將未使用的信道組合起來形成一個帶寬5～10 MHz專用分組數(shù)據(jù)信道，完成數(shù)據(jù)業(yè)務的執(zhí)行。在話務量極大的中心商業(yè)區(qū)或行政區(qū)，使用 3G系統(tǒng)業(yè)務信道完成數(shù)據(jù)業(yè)務執(zhí)行將比較嚴重的影響傳統(tǒng)通話業(yè)務的接通率，若保證接通率則數(shù)據(jù)傳輸效率又較低。因此，為保證傳統(tǒng)業(yè)務正常運行，一般情況下運營商在 3G系統(tǒng)執(zhí)行數(shù)據(jù)業(yè)務時按流量計費，以控制使用3G數(shù)據(jù)業(yè)務的用戶和總流量。

現(xiàn)在，隨著“無線城市”計劃的推廣，中心商業(yè)區(qū)和行政區(qū)開始逐步覆蓋 WLAN，但WLAN和3G還處于分別組網(wǎng)的運行模式。從數(shù)據(jù)業(yè)務的應用來看，主要是基于網(wǎng)絡層以上的網(wǎng)頁瀏覽、文件數(shù)據(jù)下載以及長時間屬于某一小范圍移動或固定的視頻聊天及網(wǎng)絡電視收看等附加需求，上述業(yè)務需求對可靠性、實時性和持續(xù)性要求相對較低，且快速移動可能性較小，使用區(qū)域在一段時間內(nèi)相對固定。另一方面，底層硬件相對上述基于應用層的網(wǎng)絡軟件透明，即使網(wǎng)絡發(fā)生切換，在用戶操作層面無需做任何處理，除在切換時間窗內(nèi)的一小段時間中斷外，其余時刻均可正常運行，且該小段時間中斷可通過軟件的延遲緩沖機制使用戶使用層面無法或基本感受不到網(wǎng)絡的切換。

在切換過程中，雙模芯片并不用切斷和3G系統(tǒng)的聯(lián)系，當發(fā)現(xiàn)執(zhí)行數(shù)據(jù)業(yè)務，區(qū)域內(nèi)存在該運營商的 WLAN信號且信號質(zhì)量超過一定門限值時，該業(yè)務使用物理信道直接切換到WLAN信道，并釋放3G數(shù)據(jù)信道。

因此，在執(zhí)行數(shù)據(jù)業(yè)務時，實現(xiàn)3G和WLAN網(wǎng)間切換和漫游具備較大可行性。

4 實現(xiàn)方案

3G和WLAN聯(lián)合組網(wǎng)如圖5所示。

聯(lián)合組網(wǎng)時，3G系統(tǒng)AMC/MSC在原有VLR和HLR記錄本地用戶和來訪用戶的基礎上，增加互聯(lián)網(wǎng)接口和數(shù)據(jù)業(yè)務寄存器，管理通過WLAN開展數(shù)據(jù)業(yè)務的服務器和移動終端?；ヂ?lián)網(wǎng)服務器管理其控制范圍內(nèi)的多個AP以及接入終端認證和通信。服務器根據(jù)所在區(qū)域和各級電纜鋪設的規(guī)劃，可與MSC架設與同一級鏈路、直接架構在主干網(wǎng)光纖鏈路或有線支線鏈路上，接受區(qū)域AMC/MSC統(tǒng)一管理，實時向AMC/MSC回報業(yè)務負載、接入管理、用戶信息和運行狀態(tài)等相關信息。

數(shù)據(jù)業(yè)務的網(wǎng)間切換與漫游如圖6所示。整個切換和漫游過程由3G與WLAN系統(tǒng)網(wǎng)絡設備和移動終端協(xié)作完成（圖6中，①切換過程中移動終端與 3G基站之間由業(yè)務信道占用切換為待機狀態(tài)，終端WLAN由搜索切換為認證和業(yè)務開展狀態(tài)；②3G間越區(qū)切換遵循移動通信相應標準；③WLAN間切換同樣遵循WLAN越區(qū)切換相應標準）。

圖5 3G與WLAN聯(lián)合組網(wǎng)示意

圖6 數(shù)據(jù)業(yè)務切換示意

（1）3G與WLAN系統(tǒng)網(wǎng)絡設備

當移動終端向AP發(fā)起認證時，AP從互聯(lián)網(wǎng)本地服務器數(shù)據(jù)庫或通過該服務器從 MSC/AMC中獲取手機號碼和對應 PIN碼與用戶認證手機號碼及作為認證密碼的PIN碼進行比對，確認用戶的合法性，并提供相關服務。服務器還需對AP收到的用戶發(fā)射信號進行持續(xù)檢測，當一段時間內(nèi)用戶信號連續(xù)低于有效聯(lián)接門限值時，通知用戶切斷連接并告知MSC/AMC用戶WLAN連接中斷，將恢復3G數(shù)據(jù)業(yè)務，并報告用戶所在大致區(qū)域。AMC通知管理該區(qū)域的MSC，由MSC確定該用戶范圍內(nèi)的基站，由該基站通過查詢該時間范圍內(nèi)的尋呼信號和終端應答信號數(shù)據(jù)庫，確認終端所在區(qū)域，然后準備響應移動用戶的3G業(yè)務請求，隨時恢復其3G數(shù)據(jù)業(yè)務。

若該移動終端為漫游來訪終端，在其通過WLAN進行數(shù)據(jù)業(yè)務時，可同樣通過手機號碼和PIN碼對比確認其所在地，并將其業(yè)務使用明細及資費通過AMC及WLAN所在地計費中心經(jīng)主干網(wǎng)傳回終端所在地相關電話局。3G業(yè)務漫游與2G一致，具體過程查詢移動通信相關資料[1]。

（2）移動終端

移動終端當發(fā)現(xiàn) WLAN信號強度在一段時間內(nèi)持續(xù)超過門限值時，先向 AP發(fā)起認證請求，當認證通過后，停止3G數(shù)據(jù)業(yè)務信道請求，3G系統(tǒng)處于待機狀態(tài)。數(shù)據(jù)業(yè)務通過WLAN無線IP網(wǎng)絡繼續(xù)進行或直接發(fā)起。

終端在與WLAN進行數(shù)據(jù)交互的同時，持續(xù)檢測AP發(fā)射信號強度，當AP信號強度在一段時間內(nèi)持續(xù)低于門限或收到 AP發(fā)來的切斷連接指令時，向AP發(fā)出去認證請求，并等待AP去認證確認。若一段時間內(nèi)無法收到去認證信號，默認為去認證狀態(tài)。同時，向附近基站發(fā)起 3G數(shù)據(jù)業(yè)務請求，經(jīng)基站分配信道后恢復3G數(shù)據(jù)業(yè)務。

數(shù)據(jù)業(yè)務應用層軟件由于被鏈路層和網(wǎng)絡層隔離，在此切換過程中無需人工干預。由于網(wǎng)絡的準實時性和具備一定緩沖能力的特點，因此還可在應用軟件編寫時通過緩沖區(qū)和時間控制，使用戶基本無法感覺網(wǎng)絡切換帶來的停頓或減少停頓時間。

5 結語

綜上所述，3G與WLAN在覆蓋范圍、業(yè)務類型和通信特點等方面均有著較大的互補性[8-10]，兩者聯(lián)合組網(wǎng)在減少 3G移動通信系統(tǒng)負載、提高傳輸效率及降低用費資費方面具有較大的優(yōu)勢，在數(shù)據(jù)業(yè)務開展時進行網(wǎng)間切換和漫游也具備技術可行性和可實現(xiàn)性，且在網(wǎng)絡架設時只需對現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)做出一定改動即可滿足聯(lián)合組網(wǎng)和網(wǎng)間切換及漫游的需求。結合國際電聯(lián)對移動通信系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃，3G和WLAN聯(lián)合組網(wǎng)在未來具有廣泛的應用前景，極具發(fā)展價值。

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