謝 芳，胡 南，李 男，胡臻平，劉光毅

（中國移動通信有限公司研究院 北京100053）

1 引言

1.1 LTE-WLAN協(xié)作的必要性

為了給大專院校、醫(yī)院、機場、車站等重點區(qū)域提供WLAN服務(wù)，中國移動已經(jīng)部署大量WLAN的AP，但仍然存在熱點不熱、分流蜂窩網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)效果有待提升、用戶體驗較差等問題。

另一方面，LTE是移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)的演進方向，也是未來中國移動重點建設(shè)部署的網(wǎng)絡(luò)。因此，加強LTE和WLAN兩張網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)作，提升兩網(wǎng)資源的利用率，為用戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)是未來的一個重要課題。

1.2 已有LTE-WLAN協(xié)作方案

從2008年開始，3GPP已經(jīng)提出了兩種LTE和WLAN協(xié)作機制，即基于終端的多連接管理方案和基于核心網(wǎng)的融合切換方案。目前3GPP仍在對這兩種機制進行完善和增強。

（1）多連接管理方案

該方案的基本思路是在網(wǎng)絡(luò)側(cè)部署ANDSF（access network discovery and selection function）策略服務(wù)器，向終端推送WLAN的SSID等輔助信息和運營商的選網(wǎng)策略，幫助終端快速發(fā)現(xiàn)和使用WLAN。因此，該方案能使用戶實現(xiàn)無感知的WLAN發(fā)現(xiàn)和接入，同時幫助用戶選擇合適的承載網(wǎng)絡(luò)并實現(xiàn)分流。

多連接管理方案的標(biāo)準(zhǔn)化工作從3GPP的R8階段（2008年）開始，到目前的R12階段仍在不斷持續(xù)優(yōu)化中。產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)方面，中國移動已聯(lián)合部分廠商開發(fā)出連接管理策略服務(wù)器原型產(chǎn)品，并計劃在部分省公司開展技術(shù)試點工作。

（2）融合切換方案

融合切換方案的思路是為終端建立WLAN訪問蜂窩網(wǎng)分組域的通路，并通過移動IP技術(shù)保證終端在網(wǎng)間切換時IP地址不變，從而確保業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

由于該方案能保持IP地址不變，因此對無應(yīng)用層保護的業(yè)務(wù)（如現(xiàn)階段VoIP等）及有安全策略保護的業(yè)務(wù)（如VPN、HTTPS等）均可實現(xiàn)切換時業(yè)務(wù)不中斷。

融合切換方案的標(biāo)準(zhǔn)化工作從3GPP R9階段（2009年）開始，到目前的R12階段仍在不斷持續(xù)優(yōu)化中。產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)方面，部分廠商已開發(fā)出相關(guān)系統(tǒng)實現(xiàn)的原型。

1.3 已有協(xié)作方案的不足

基于終端和核心網(wǎng)的方案分別側(cè)重于幫助用戶發(fā)現(xiàn)WLAN和保證用戶在兩網(wǎng)切換時的業(yè)務(wù)體驗，但仍存在如下不足。

·沒有考慮無線網(wǎng)絡(luò)的信號質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)負荷等動態(tài)因素，不能避免終端連接到已經(jīng)過載的網(wǎng)絡(luò)上，也不能避免大量終端同時連接到同一個網(wǎng)絡(luò)而引起過載，從而進一步導(dǎo)致終端在兩網(wǎng)間發(fā)生乒乓切換，最終導(dǎo)致終端耗電增加且用戶體驗不佳。

·終端決策選擇網(wǎng)絡(luò)，無法考慮全網(wǎng)的總體性能，運營商無法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負載均衡，不能給用戶提供優(yōu)質(zhì)的業(yè)務(wù)QoS保證。

·需要安裝非標(biāo)準(zhǔn)的客戶端，推廣較困難。

因此，亟需引入用戶無感知的基于信令面的無線側(cè)協(xié)作方案，以提升運營商對WLAN的控制，并為用戶提供更好的業(yè)務(wù)體驗。

2 LTE-WLAN無線側(cè)協(xié)作

LTE-WLAN無線協(xié)作研究項目于2012年12月在3GPP RAN 58次全會上立項成功[1]，該研究成果既可適用于LTE和WLAN獨立部署的場景，也可適用于LTE和WLAN共站部署的場景，如nanocell。該研究不在基站和AP之間引入標(biāo)準(zhǔn)接口，也不會修改IEEE的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。引入LTE-WLAN無線協(xié)作機制的主要目標(biāo)有如下幾點[2]：

·提升運營商部署的WLAN的利用率；

·避免用戶連接到已經(jīng)過載的WLAN上，從而提升用戶體驗；

·減少不必要的WLAN掃描帶來的終端功耗。

為了達到上述目標(biāo)，需要在WLAN的發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)/終端的網(wǎng)絡(luò)選擇以及終端在兩網(wǎng)之間的移動性管理等方面進行增強。下面圍繞這3個方面，闡述無線側(cè)協(xié)作方案的關(guān)鍵技術(shù)和難點所在。

2.1 WLAN的發(fā)現(xiàn)

目前，WLAN的發(fā)現(xiàn)存在的主要問題有以下3點。

（1）WLAN的時延發(fā)現(xiàn)

目前手機或Pad等手持終端上Wi-Fi模塊的開關(guān)是由用戶手動控制的，而由于WLAN不是連續(xù)覆蓋的，為了避免不必要的WLAN掃描帶來終端功耗，大部分手持終端上的Wi-Fi模塊都處于關(guān)閉狀態(tài)。這種手動操作會喪失一些WLAN的使用機會（因為需要依賴用戶得知有WLAN覆蓋之后才手動打開）。

（2）不必要的終端功耗

在網(wǎng)絡(luò)側(cè)沒有給終端提供WLAN輔助信息的情況下，終端的Wi-Fi模塊會盲掃可能的工作信道，尤其在沒有WLAN覆蓋的情況下，這種掃描將造成不必要的終端功耗。

（3）連接到不可用的WLAN上

這種情況經(jīng)常出現(xiàn)在機場等較繁忙的場景中，終端能掃描到Wi-Fi，信號質(zhì)量也不錯，但是由于AP已經(jīng)處于過載狀態(tài)，能給UE提供的速率非常低，其實用戶基本無法使用WLAN進行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

因此，為了解決上述問題，WLAN發(fā)現(xiàn)的主要目標(biāo)是幫助終端快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)可用的WLAN，避免終端打開Wi-Fi掃描之后找不到WLAN或者連接到已經(jīng)過載的AP上，并降低終端功耗。

為了達到上述目標(biāo)，可從如下兩個方面進行優(yōu)化。

·引入針對WLAN的自動鄰區(qū)上報機制，即終端向eNB上報檢測到的周圍AP的信息，如SSID、信號質(zhì)量、AP負載等信息。這樣，基站可實時獲取并更新周邊AP的信息，從而可以用這些信息為其他終端提供更準(zhǔn)確的WLAN信息。

·引入自動打開Wi-Fi模塊的機制，即LTE基站給終端提供可用的AP信息，如SSID、工作信道等，從而幫助或控制終端有針對性地掃描WLAN，節(jié)省終端功耗，提升用戶體驗；更進一步地，基站還可給終端提供周圍AP的負載信息（此信息eNB可通過與AP之間的實現(xiàn)接口獲得，也可通過前述針對WLAN的自動鄰區(qū)上報機制獲得），從而避免終端連接到已經(jīng)過載的AP上。

由于網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)涉及的因素較多、標(biāo)準(zhǔn)化工作量較大，3GPP經(jīng)過幾次會議的討論，決定在R12版本中暫時不引入這項增強，可能會在后續(xù)版本中進一步研究并進行標(biāo)準(zhǔn)化工作。

2.2 業(yè)務(wù)/終端網(wǎng)絡(luò)選擇

網(wǎng)絡(luò)選擇方面，已有協(xié)作方案主要存在兩個問題：一是終端自主選擇接入的網(wǎng)絡(luò)，而非運營商或者蜂窩網(wǎng)絡(luò)選擇，這使得運營商或者網(wǎng)絡(luò)側(cè)無法控制終端的行為，也就無法實現(xiàn)全網(wǎng)性能的優(yōu)化；二是現(xiàn)有方案是核心網(wǎng)機制，無法考慮無線網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)信息。如ANDSF只考慮接入網(wǎng)優(yōu)先選擇策略（如優(yōu)先選擇WLAN還是LTE）、業(yè)務(wù)在系統(tǒng)間的路由策略等較為靜態(tài)的信息，而沒有考慮無線網(wǎng)絡(luò)的無線鏈路質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)負荷等動態(tài)信息，從而終端或業(yè)務(wù)可能選到信號質(zhì)量不夠好或者已經(jīng)過載的網(wǎng)絡(luò)上，無法提供QoS保證。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)側(cè)對終端控制力度的強弱，3GPP RAN討論了如下3種網(wǎng)絡(luò)選擇機制[3]。

·方案一：RAN下發(fā)輔助信息，UE根據(jù)ANDSF策略輔助信息選網(wǎng)。

·方案二：RAN定義選網(wǎng)準(zhǔn)則，并下發(fā)輔助信息，UE執(zhí)行選網(wǎng)。

·方案三：UE上報測量信息，網(wǎng)絡(luò)決策選網(wǎng)。

如圖1所示，在方案一中，網(wǎng)絡(luò)側(cè)通過廣播或?qū)Ｓ眯帕畹姆绞?，給終端下發(fā)網(wǎng)絡(luò)負載、資源分配、WLAN和LTE網(wǎng)絡(luò)的信號質(zhì)量門限等輔助信息。終端根據(jù)ANDSF服務(wù)器配置的無線網(wǎng)絡(luò)選網(wǎng)策略，并結(jié)合輔助信息、終端測量到的信號質(zhì)量等信息，決策應(yīng)該使用LTE網(wǎng)絡(luò)還是WLAN。

圖1 方案一示意

該方案的優(yōu)點是比較簡單，對空口協(xié)議的改動較小。但現(xiàn)有ANDSF機制中沒有定義接入網(wǎng)的相關(guān)策略，因此需要在SA2中做進一步的標(biāo)準(zhǔn)化工作。為了保證運營商對終端行為的可管理、可控制，該方案必須與ANDSF配置的無線網(wǎng)絡(luò)選網(wǎng)策略協(xié)同工作，否則無法體現(xiàn)運營商的網(wǎng)絡(luò)選擇策略，因此依賴于ANDSF的部署。該方案在3GPP中得到了有明確部署ANDSF計劃的運營商（如AT&T）的大力支持，而大多數(shù)沒有明確部署ANDSF計劃的運營商則更傾向于方案二。

如圖2所示，在方案二中，選網(wǎng)準(zhǔn)則由LTE無線標(biāo)準(zhǔn)制定。網(wǎng)絡(luò)側(cè)下發(fā)選網(wǎng)準(zhǔn)則中用到的網(wǎng)絡(luò)負載、資源分配、WLAN和LTE網(wǎng)絡(luò)的信號質(zhì)量門限等信息，終端根據(jù)ANDSF策略（如果部署的話）、自身的測量結(jié)果和無線側(cè)的選網(wǎng)準(zhǔn)則選擇使用LTE網(wǎng)絡(luò)還是WLAN。

圖2 方案二示意

方案二與方案一的主要區(qū)別在于，既不依賴于ANDSF的部署，也可與ANDSF協(xié)作。對于沒有部署ANDSF的場景，終端根據(jù)LTE標(biāo)準(zhǔn)制定的無線側(cè)準(zhǔn)則選網(wǎng)；對于部署ANDSF的場景，需要定義終端的行為，如終端只有在ANDSF策略和無線側(cè)策略都允許的情況下才改變當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)，即只有當(dāng)ANDSF和無線側(cè)都決策把業(yè)務(wù)從LTE網(wǎng)絡(luò)分流到WLAN上時，該業(yè)務(wù)的承載網(wǎng)絡(luò)才會發(fā)生改變。

上述兩種方案既適用于處于空閑態(tài)的終端，也適用于處于連接態(tài)的終端，而方案三只適用于處于連接態(tài)的終端。如圖3所示，基站首先給終端配置測量事件和測量量，如目標(biāo)WLAN的SSID、工作信道等，終端上報測量結(jié)果；最后基站根據(jù)終端上報的信息以及自身的負載情況等做出選網(wǎng)決策，并指示終端。

圖3 方案三示意

通過方案三，運營商可完全控制每個終端的行為，且無需依賴于ANDSF的部署。網(wǎng)絡(luò)側(cè)需要對終端進行測量配置，且終端需要上報測量到的WLAN信息，但會引入一定的信令開銷；另一方面，芯片和終端的實現(xiàn)空間較小，在標(biāo)準(zhǔn)化中也遭到芯片和終端廠商的強烈反對，標(biāo)準(zhǔn)化難度很高。

表1中比較了上述3種機制。

方案共同點介紹如下：

·基站和AP之間不引入標(biāo)準(zhǔn)化接口，適用于3GPP和WLAN獨立部署和共站部署場景（如nanocell）

·無需引入新的設(shè)備或網(wǎng)元，無需修改Wi-Fi協(xié)議；

·只需對終端和基站進行軟件升級，在空口引入新的信令，傳遞網(wǎng)絡(luò)負載、資源分配、選網(wǎng)門限、選網(wǎng)指示等信息；

·可與基于核心網(wǎng)的ANDSF機制協(xié)作。

3 種機制的區(qū)別主要在于以下幾點：

·網(wǎng)絡(luò)對終端行為的控制力度有所不同，3種機制依次遞增；

·方案一和方案二可以用于處于空閑態(tài)和連接態(tài)的終端，方案三只能用于處于連接態(tài)的終端；

·方案一必須與ANDSF協(xié)作才能體現(xiàn)運營商策略，且ANDSF要做針對無線機制的升級；方案二和方案三既可以與ANDSF協(xié)作，也可單獨使用。

無線協(xié)作機制的研究項目（study item，SI）于2012年12月 在3GPP成 功 立 項，并 在2013年12月 的 第62次RAN全會上順利結(jié)項[4]，同時啟動工作項目（work item，WI），進入標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定階段，預(yù)計在2015年年初完成標(biāo)準(zhǔn)制定。產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)方面，部分廠商正同步開發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)原型，基于標(biāo)準(zhǔn)的LTE主設(shè)備、WLAN AP的終端預(yù)計在2016年年底發(fā)布。

2.3 移動性管理

現(xiàn)有協(xié)議并不支持終端或業(yè)務(wù)在LTE網(wǎng)絡(luò)和WLAN之間的無線側(cè)切換，因此當(dāng)終端或業(yè)務(wù)改變網(wǎng)絡(luò)時，無線側(cè)會發(fā)生先中斷后連接的現(xiàn)象。因此，移動性管理方面的主要目標(biāo)是：當(dāng)出現(xiàn)WLAN信號質(zhì)量變差、UE移出WLAN覆蓋區(qū)域或WLAN過載等情況時，終端必須將WLAN上承載的業(yè)務(wù)快速遷移到蜂窩網(wǎng)絡(luò)，使得業(yè)務(wù)的遷移是用戶無感知的。

表1 3種網(wǎng)絡(luò)選擇機制的比較

為了達到上述目標(biāo)，可從如下3個方面進行優(yōu)化。

·LTE網(wǎng)絡(luò)幫助UE預(yù)測WLAN的不可用，并幫助UE快速返回到蜂窩網(wǎng)絡(luò)。為了更準(zhǔn)確地預(yù)測WLAN的覆蓋、信號質(zhì)量、負載等信息，可以利用前述提到的新引入的針對WLAN的自動鄰區(qū)上報機制，如LTE基站在把UE從蜂窩遷轉(zhuǎn)到WLAN時，給UE配置后續(xù)返回LTE網(wǎng)絡(luò)時優(yōu)先使用的頻點、小區(qū)。

·在系統(tǒng)消息中廣播LTE網(wǎng)絡(luò)負荷等狀態(tài)信息，幫助終端做出正確的移動性管理決策。

·引入由LTE網(wǎng)絡(luò)決策的終端從WLAN返回LTE的申請、決策等一系列流程。

由于移動性管理涉及的因素較多、標(biāo)準(zhǔn)化工作量較大，3GPP決定在R12階段中暫時不研究這項內(nèi)容，可能會在后續(xù)版本中進一步研究并進行標(biāo)準(zhǔn)化工作。

3 后續(xù)工作展望

3.1 3GPP標(biāo)準(zhǔn)化

3 GPP在2013年12月的第62次RAN全會上啟動了該項目的WI，進入網(wǎng)絡(luò)選擇方案的標(biāo)準(zhǔn)制定階段。其中網(wǎng)絡(luò)選擇的方案一和方案二進入了WI，而方案三由于流程復(fù)雜、標(biāo)準(zhǔn)化難度較高、對終端和芯片預(yù)留的實現(xiàn)空間較小等，沒有進入WI階段。

對于方案一，需要在SA2和RAN2都開展標(biāo)準(zhǔn)化工作，需要定義的內(nèi)容有以下兩方面。

SA2定義無線側(cè)的選網(wǎng)準(zhǔn)則，如if(WLAN RSSI>threshold1)&&(WLAN Loadthreshold3){

steerTrafficToWLAN()

};

RAN2定義基站給UE提供的輔助信息，如WLAN的SSID，上述的門限值threshold1、threshold2、threshold3等。對于處于空閑態(tài)的終端，這些輔助信息只能通過廣播消息獲??；對于處于連接態(tài)的終端，輔助信息還可以通過專用信令獲取，因此處于連接態(tài)的終端可以對每個UE都定義不同的輔助信息，實現(xiàn)對每個終端的靈活控制。

對于方案二，只需要在RAN2開展標(biāo)準(zhǔn)化工作，需要定義的內(nèi)容有以下兩點：

·定義無線側(cè)的選網(wǎng)準(zhǔn)則，并固化在RAN標(biāo)準(zhǔn)中，如3GPP TR 36.304；

·定義基站給UE提供的輔助信息，可以與方案一相同也可以不同。

因此，由于方案一的標(biāo)準(zhǔn)化需要涉及SA2和RAN2兩個標(biāo)準(zhǔn)子組，而方案二的標(biāo)準(zhǔn)化只涉及RAN2，方案一的標(biāo)準(zhǔn)化復(fù)雜度更高一些。

為了實現(xiàn)在一套標(biāo)準(zhǔn)中支持兩個方案，后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)化工作需要考慮如下因素：

·終端是否支持ANDSF或增強的ANDSF，因為方案一只有在部署ANDSF或增強的ANDSF的條件下才能使用；

·兩套方案中使用的無線側(cè)選網(wǎng)準(zhǔn)則和輔助信息是否一致，如果不一致，兩套方案同時存在的場景下哪個方案的優(yōu)先級更高。為了減少標(biāo)準(zhǔn)制定的復(fù)雜度和終端實現(xiàn)的難度，保證兩套方案的信息一致是更好的選擇。

3.2 產(chǎn)業(yè)推動

目前中國移動已聯(lián)合部分廠商開發(fā)基于方案二的運營商控制的LTE/WLAN協(xié)作演示系統(tǒng)，其中將考慮無線信號質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)負載、用戶類型和業(yè)務(wù)QoS要求等運營商關(guān)注的因素，預(yù)期可使用戶體驗到較高的數(shù)據(jù)速率，并能有效利用運營商的網(wǎng)絡(luò)資源，預(yù)計在2014年中完成第一版本的開發(fā)。

后續(xù)還將考慮該系統(tǒng)與ANDSF或增強的ANDSF機制協(xié)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