WLAN與LTE網(wǎng)絡(luò)間IP流移動(dòng)性的控制策略探討

沈 驍，邵 震，劉 琛

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海200122）

1 引言

隨著智能終端的普及和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷發(fā)展，目前移動(dòng)數(shù)據(jù)流量增長顯著，可以預(yù)見，在高帶寬、高QoS保障的LTE網(wǎng)絡(luò)商用以后，這一增長勢頭將更加迅猛。而且，近年來我國運(yùn)營商對WLAN的部署日漸擴(kuò)大，并且初具規(guī)模，在這種情況下，越來越多的運(yùn)營商開始研究WLAN與LTE網(wǎng)絡(luò)間的IP流移動(dòng)性問題，希望通過WLAN分流部分LTE網(wǎng)絡(luò)流量的方法，有效緩解網(wǎng)絡(luò)的壓力。

國際上對于WLAN如何接入LTE網(wǎng)絡(luò)已有多年的研究，并提出了幾種解決方案，但是對于數(shù)據(jù)流如何在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)間切換，以何種策略進(jìn)行控制，還僅有初步的設(shè)想，而未有明確的定論，這是因?yàn)樾枰\(yùn)營商根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況進(jìn)行深入的探索和研究。本文以目前3GPP組織定義的WLAN與LTE融合的相關(guān)研究為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，對數(shù)據(jù)流移動(dòng)的策略控制提出了幾種設(shè)想，作為未來LTE引入后實(shí)施兩網(wǎng)融合的參考。

2 WLAN與LTE協(xié)同組網(wǎng)方案

3GPP在R6以后陸續(xù)發(fā)布了一批關(guān)于WLAN與LTE網(wǎng)絡(luò)融合協(xié)同的研究報(bào)告與標(biāo)準(zhǔn)，其中，涉及WLAN與3GPP網(wǎng)絡(luò)的融合場景、WLAN等非3GPP網(wǎng)絡(luò)接入EPC網(wǎng)絡(luò)的互通架構(gòu)、多PDN與單PDN下多模終端的IP流移動(dòng)性、非無縫WLAN數(shù)據(jù)分流以及ANDSF網(wǎng)絡(luò)實(shí)體等多方面的內(nèi)容。

在TS 22.934中，定義了WLAN與3GPP網(wǎng)絡(luò)融合的6種場景，此6種場景體現(xiàn)了從松耦合到緊耦合、從分組域融合到電路域融合、從簡單協(xié)同的統(tǒng)一認(rèn)證到跨系統(tǒng)業(yè)務(wù)連續(xù)性的一個(gè)完整的融合演進(jìn)過程。

在R8階段，TS23.402開始研究WLAN等非3GPP網(wǎng)絡(luò)接入EPC網(wǎng)絡(luò)的互通架構(gòu)。UE可以通過WLAN，以S2a、S2b或S2c等接口接入EPC網(wǎng)絡(luò)。其中，S2a針對授信的WLAN接入，S2b針對非授信的WLAN接入，S2c則可以兼容授信和非授信的WLAN接入。這3種接入方式各有利弊，其中，S2b和S2c對終端的要求比較高，必須支持建立IPSec隧道；而S2a則需要BRAS支持PMIPv6或者GTP。為避免現(xiàn)網(wǎng)BRAS的改造問題，3GPP在2012年又提出了基于S2a的SaMOG方案，在該方案中通過引入新的網(wǎng)元——TWAG（trusted WLAN access gateway）來支持GTP，這樣就降低了對BRAS的要求。在上述幾種組網(wǎng)方案中，從產(chǎn)業(yè)鏈成熟度、網(wǎng)絡(luò)與產(chǎn)品現(xiàn)狀等幾個(gè)角度比較，SaMOG方案成為業(yè)界關(guān)注度最高的組網(wǎng)方案，S2b方案位居其次。其實(shí)，這兩種組網(wǎng)方案在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上差異不大，分別引入TWAG/TWAP（trusted WLAN AAA peer）與ePDG網(wǎng)元完成對WLAN接入?yún)R聚后接入EPC網(wǎng)絡(luò)中的操作，如圖1所示。

在研究3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義的授信和非授信的WLAN接入時(shí)，一般認(rèn)為運(yùn)營商自建的WLAN是授信的，應(yīng)該采用SaMOG方案；而非運(yùn)營商自建的WLAN是非授信的，應(yīng)該采用S2b方案。其實(shí)不然。由于TWAG/TWAP與ePDG網(wǎng)元在網(wǎng)絡(luò)中的位置以及所提供的功能基本上一致，因此，在選擇組網(wǎng)方案的時(shí)候就沒有必要糾結(jié)對“授信”和“非授信”的解讀，運(yùn)營商既可以選擇采用SaMOG方案，也可以采用S2b方案，這種選擇純粹取決于產(chǎn)業(yè)鏈的成熟度，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備研發(fā)進(jìn)度、終端支持能力的普及等。

到了R9階段，提出了MAPIM的概念，其研究目標(biāo)是UE應(yīng)能同時(shí)通過3GPP和非3GPP接入系統(tǒng)，接入一個(gè)PDN，運(yùn)營商應(yīng)能配置UE在不同接入系統(tǒng)間的IP流路由規(guī)則，以實(shí)現(xiàn)在不同接入系統(tǒng)間的動(dòng)態(tài)遷移。MAPIM包括了基于PDN粒度進(jìn)行的MAPCON（mutiple access PDN connetion）和基于流粒度進(jìn)行的IFOM（IP flow mobility）兩種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

為實(shí)現(xiàn)WLAN與LTE網(wǎng)絡(luò)間智能協(xié)同的控制，R10定義了ANDSF網(wǎng)元，該網(wǎng)元涵蓋了3大功能：

·ANDI實(shí)現(xiàn)了向UE提供鄰近區(qū)域的所有接入系統(tǒng)的接入網(wǎng)絡(luò)列表的功能；

·ISMP針對不支持WLAN和LTE同時(shí)接入的終端，可以指示終端使用哪種接入技術(shù)或哪個(gè)特定的接入網(wǎng)接入EPC網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也可以指示終端何時(shí)允許或禁止系統(tǒng)間的切換；

·ISRP針對支持WLAN和LTE同時(shí)接入的終端，實(shí)現(xiàn)IP路由選擇。

3 WLAN與LTE網(wǎng)絡(luò)間IP流移動(dòng)性的控制策略

本文研究控制策略實(shí)現(xiàn)架構(gòu)與思路的出發(fā)點(diǎn)是在WLAN與LTE協(xié)同組網(wǎng)下，如何有效地對兩張網(wǎng)絡(luò)間的IP流移動(dòng)性進(jìn)行策略控制，切實(shí)做到將用戶的當(dāng)前應(yīng)用切換到更有效的網(wǎng)絡(luò)中去，增強(qiáng)運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)管控能力，提升每一張網(wǎng)絡(luò)的利用率。由于S2b方案與SaMOG方案在組網(wǎng)架構(gòu)上沒有本質(zhì)差異，因此，本文就以SaMOG方案為基礎(chǔ)來探討兩者協(xié)同組網(wǎng)時(shí)IP流移動(dòng)性的控制策略的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，同時(shí)，考慮到現(xiàn)階段終端無法支持單PDN的多流連接能力，因此，所有控制策略僅需適用于終端的單系統(tǒng)接入場景即可。

3.1 控制策略的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

在網(wǎng)絡(luò)側(cè)引入ANDSF與多維網(wǎng)絡(luò)感知系統(tǒng)后，就形成了如圖2所示的WLAN與LTE協(xié)同組網(wǎng)的IP流移動(dòng)性策略控制的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)。在此實(shí)現(xiàn)架構(gòu)中，WLAN與LTE雙模終端既可通過WLAN接入，也可通過LTE接入。當(dāng)通過WLAN接入時(shí)，數(shù)據(jù)流通過AP經(jīng)寬帶城域網(wǎng)的BRAS匯聚到TWAG，之后經(jīng)過EPC網(wǎng)絡(luò)到達(dá)運(yùn)營商自營的業(yè)務(wù)平臺(tái)或Internet；當(dāng)通過LTE接入時(shí)，通過eNode B直接接入EPC網(wǎng)絡(luò)。在這兩種接入方式下，IP流的控制錨點(diǎn)均為PDN GW，因此，在一定的策略下，IP流可在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行無縫切換。

在實(shí)現(xiàn)架構(gòu)中引入ANDSF網(wǎng)元，使其具備實(shí)時(shí)獲取網(wǎng)絡(luò)信息參數(shù)與IP流移動(dòng)性的策略控制的能力。該網(wǎng)元主要有兩個(gè)接口：一個(gè)是與終端間基于OMA DM的S14接口，該接口可以借助終端的上報(bào)信息獲取實(shí)時(shí)的終端側(cè)信息參數(shù)，并可以將切換指示發(fā)送給終端；同時(shí)，若要求ANDSF可以作為控制策略分析與生成網(wǎng)元，還需要另一個(gè)接口與智能型網(wǎng)絡(luò)體系中所定義的多維網(wǎng)絡(luò)感知系統(tǒng)進(jìn)行對接，獲取網(wǎng)絡(luò)側(cè)的信息。

在實(shí)際的業(yè)務(wù)流程中，首先，由于多維網(wǎng)絡(luò)感知系統(tǒng)具有對網(wǎng)絡(luò)、用戶、業(yè)務(wù)、流量等狀態(tài)信息的匯聚能力，所以ANDSF將通過多維網(wǎng)絡(luò)感知系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)側(cè)信息參數(shù)；其次，ANDSF將利用收集到的終端側(cè)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)的信息參數(shù)與策略控制庫中所定義的參數(shù)門限進(jìn)行比對，綜合分析后判決是否進(jìn)行跨網(wǎng)絡(luò)的切換；最后，ANDSF將判決結(jié)果告知終端，由終端根據(jù)判決結(jié)果來執(zhí)行（或不執(zhí)行）跨網(wǎng)絡(luò)的切換。因此，在此實(shí)現(xiàn)架構(gòu)下，ANDSF將不再僅是3GPP所定義的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)元，而是被賦予了更多的運(yùn)營商個(gè)性化要求。

3.2 控制策略的思路與實(shí)現(xiàn)

本文所指的IP流移動(dòng)性控制策略其實(shí)就是指示終端何時(shí)能夠進(jìn)行跨網(wǎng)絡(luò)的切換，3GPP對于ANDSF可實(shí)現(xiàn)的具體策略仍處于研究狀態(tài)中，目前僅僅是提及了要考慮基于時(shí)間、用戶的地理位置與業(yè)務(wù)類型的控制策略，還未涉及具體的實(shí)現(xiàn)流程。在這一點(diǎn)上，3GPP并不關(guān)心運(yùn)營商具體使用什么策略，完全依賴于運(yùn)營商自己的需求，定制個(gè)性化的網(wǎng)絡(luò)切換策略，本文在擴(kuò)展了幾種控制策略的同時(shí)，也提出了實(shí)現(xiàn)的可行性建議。

（1）基于WLAN質(zhì)量的控制策略

目前，對WLAN質(zhì)量表征的主要指標(biāo)是信噪比（SNR），但由于信號(hào)與干擾噪聲比（SINR）考慮了信號(hào)的干擾，因此，更能表征WLAN的可用性?？梢酝ㄟ^在終端側(cè)實(shí)現(xiàn)WLAN的SINR值的實(shí)時(shí)測量，并上傳ANDSF，由ANDSF判斷是否啟動(dòng)跨網(wǎng)絡(luò)的切換。

值得注意的是，目前的主流終端操作系統(tǒng)iOS、Andriod等都未提供接口直接獲取SNR或者SINR測量值，而是需要在終端上增加基于WLAN信號(hào)場強(qiáng)（RSSI）的計(jì)算功能，而這一計(jì)算過程就提高了對終端的內(nèi)存、CPU的要求。式（1）為目前定義的SINR計(jì)算式，其中，假定終端接收到m個(gè)同頻的WLAN信號(hào)與n個(gè)鄰頻的WLAN信號(hào)。

（2）基于WLAN負(fù)荷的控制策略

除了網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，另一個(gè)決定WLAN可用性的重要因素就是其網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷，由于每個(gè)WLAN AP都有關(guān)聯(lián)用戶數(shù)的容量限制，當(dāng)AP下的用戶數(shù)達(dá)到或接近其容量限制時(shí)，用戶對WLAN的體驗(yàn)水平就會(huì)下降，而這在對SNR或SINR的測量中是無法體現(xiàn)的，因此，就需要在判決是否進(jìn)行切換時(shí)，考慮目標(biāo)AP的當(dāng)前實(shí)際用戶數(shù)和實(shí)時(shí)吞吐量，即實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。

目前標(biāo)準(zhǔn)中，并未定義ANDSF獲取WLAN負(fù)荷的途徑，這就可以通過終端所上報(bào)的切換目標(biāo)WLAN AP的MAC地址信息，再利用多維網(wǎng)絡(luò)感知系統(tǒng)，主動(dòng)獲取該AP當(dāng)前的負(fù)荷信息。

（3）基于業(yè)務(wù)體驗(yàn)的控制策略

由于LTE系統(tǒng)提供了良好的端到端QoS保證能力，相比無質(zhì)量保證的WLAN來說，用戶在LTE網(wǎng)絡(luò)下的業(yè)務(wù)體驗(yàn)往往要好一些，因此，在這種情況下就沒有必要盲目地切換到WLAN，此策略實(shí)現(xiàn)就需要ANDSF能實(shí)時(shí)獲取用戶當(dāng)前在LTE網(wǎng)絡(luò)下的業(yè)務(wù)體驗(yàn)信息，這些信息可以包括業(yè)務(wù)速率、業(yè)務(wù)時(shí)延以及分組丟失率等。

而目前標(biāo)準(zhǔn)中，也沒有定義ANDSF獲取這類信息參數(shù)的途徑：一種最簡單的方案就是通過終端實(shí)時(shí)上報(bào)測速結(jié)果，由ANDSF進(jìn)行切換判決；另一種方案就是通過終端所上報(bào)的當(dāng)前使用的LTE基站小區(qū)ID信息，再利用多維網(wǎng)絡(luò)感知系統(tǒng)主動(dòng)獲取該小區(qū)當(dāng)前的負(fù)荷信息。

（4）基于時(shí)間的控制策略

在網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際運(yùn)營過程中，不同忙閑時(shí)段的WLAN與LTE網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的差異較大，因此，可以考慮根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)忙閑時(shí)段來制定不同的切換策略。這就要求ANDSF具備配置網(wǎng)絡(luò)忙閑時(shí)段的能力，同時(shí)，要求定義好終端解析識(shí)別這一信息參數(shù)字段的能力。

（5）基于地理位置的控制策略

地理位置是一個(gè)制定切換策略所要考慮的重要因素，比如，在一些商務(wù)區(qū)域，LTE網(wǎng)絡(luò)的流量壓力較大，而WLAN則相對小一點(diǎn)，這時(shí)可以考慮把流量從LTE網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)向到WLAN。此策略的實(shí)現(xiàn)就需要ANDSF提供切換地理區(qū)域以及LTE基站小區(qū)ID與WLAN AP的MAC地址關(guān)聯(lián)配置等信息，并將此類信息作為切換判決算法的輸入，這也可以認(rèn)為是多維網(wǎng)絡(luò)感知系統(tǒng)所提供的能力之一。對于終端的定位實(shí)現(xiàn)，可以是終端將GPS信息上報(bào)，也可以通過網(wǎng)絡(luò)側(cè)的數(shù)據(jù)分析來獲取。

（6）基于業(yè)務(wù)類型的控制策略

由于用戶在業(yè)務(wù)使用過程中，對不同的業(yè)務(wù)類型以及不同業(yè)務(wù)流的QoS要求是不同的。而且，對運(yùn)營商而言，不同的業(yè)務(wù)類型也體現(xiàn)了不同的商業(yè)價(jià)值和保障優(yōu)先級，比如，自營業(yè)務(wù)，為了突出競爭優(yōu)勢，需要優(yōu)先保證其業(yè)務(wù)質(zhì)量，而對于普通的P2P下載來說，可以降低其QoS優(yōu)先級。因此，ANDSF也需要知道用戶當(dāng)前使用業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)類型，對QoS要求高或需要保證QoS的業(yè)務(wù)，優(yōu)先讓其在LTE網(wǎng)絡(luò)下運(yùn)行，而對QoS要求不高的業(yè)務(wù)，則優(yōu)先在WLAN下運(yùn)行。這一策略的實(shí)現(xiàn)，首先要求PDN GW與終端都具備DPI（deep packet inspection，深度分組檢測）能力，并且網(wǎng)絡(luò)側(cè)與終端側(cè)要進(jìn)行協(xié)同工作，就目前判斷其實(shí)現(xiàn)難度相當(dāng)大。

3.3 多策略的綜合分析探討

上述6種不同的切換策略對應(yīng)了不同的應(yīng)用場景。如果僅使用單一的策略作為跨網(wǎng)絡(luò)的切換依據(jù)，并不能有效地反映出實(shí)際情況，很可能出現(xiàn)適得其反的情況，執(zhí)行切換后反而造成了用戶感知度的下降。為了更好地體現(xiàn)出“智接入、巧分流”的效果，針對上述6種切換策略，需要仔細(xì)研究分析孰主孰次、孰先孰后，并根據(jù)實(shí)際情況不斷摸索改進(jìn)才能提高跨網(wǎng)絡(luò)切換的有效性。

本文先提供一個(gè)切換策略綜合分析的思路：首先，將6種策略分成兩大類，其中用戶的地理位置和時(shí)間表征了用戶的使用場景，作為主策略，其他策略作為輔策略；其次，ANDSF實(shí)時(shí)地獲取主策略的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)信息參數(shù)，將這些信息參數(shù)與策略定義的參數(shù)門限進(jìn)行比較，得出的結(jié)果為“盡量導(dǎo)向WLAN”和“盡量導(dǎo)向LTE”；接著，為每個(gè)輔策略制定兩套切換門限，分別對應(yīng)主策略的兩個(gè)結(jié)果；最后，對每個(gè)輔策略進(jìn)行優(yōu)先級排列或權(quán)重分配，最終決定是否進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的切換。多種策略綜合分析的流程如圖3所示。

當(dāng)一個(gè)移動(dòng)狀態(tài)下的用戶在LTE網(wǎng)絡(luò)下使用某種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)，就會(huì)進(jìn)入一個(gè)商務(wù)區(qū)。ANDSF在首先獲取了用戶的地理位置及當(dāng)前的時(shí)間信息后，啟動(dòng)比對策略庫中的主策略工作，時(shí)間信息——白天，地理信息——商務(wù)區(qū)，得出第一步判決結(jié)果——“盡量導(dǎo)向WLAN”，同時(shí)，將策略庫中各輔策略的門限定位成較低的切入WLAN門限；然后，ANDSF繼續(xù)獲取輔策略的相關(guān)信息，包括WLAN質(zhì)量、WLAN負(fù)荷、LTE業(yè)務(wù)體驗(yàn)以及用戶的業(yè)務(wù)類型等信息參數(shù)，將每個(gè)信息參數(shù)與相應(yīng)的參數(shù)門限進(jìn)行比較，得出每個(gè)策略的判決結(jié)果，之后根據(jù)各策略的優(yōu)先級或權(quán)重，綜合判斷是否進(jìn)行從LTE到WLAN的切換；最后，ANDSF將判決結(jié)果通知終端，由終端來執(zhí)行（或不執(zhí)行）切換。

目前，由于網(wǎng)絡(luò)側(cè)未引入ANDSF與多維網(wǎng)絡(luò)感知系統(tǒng)，故選擇其中基于WLAN質(zhì)量與基于業(yè)務(wù)體驗(yàn)兩種能在終端側(cè)實(shí)現(xiàn)的策略進(jìn)行功能測試。從功能測試的結(jié)果看，在使用QQ視頻與聊天、音樂播放等業(yè)務(wù)過程中進(jìn)行基于策略控制的跨網(wǎng)絡(luò)切換，業(yè)務(wù)未發(fā)生中斷，用戶對切換過程無感知。后續(xù)，將陸續(xù)開展基于時(shí)間以及網(wǎng)絡(luò)側(cè)實(shí)現(xiàn)的基于業(yè)務(wù)體驗(yàn)的策略控制方案驗(yàn)證測試。

4 結(jié)束語

本文探討了WLAN與LTE協(xié)同組網(wǎng)的IP流移動(dòng)性的幾種控制策略，而對于各種切換策略如何組合適用于不同的應(yīng)用場景，是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問題，需要進(jìn)一步深入研究?，F(xiàn)階段，包括3GPP在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)組織、設(shè)備廠商也只是定義了一些跨網(wǎng)絡(luò)切換需要考慮的因素，對于具體如何合理使用以及終端與網(wǎng)絡(luò)協(xié)同實(shí)現(xiàn)等問題還在研究與摸索過程中，當(dāng)然，最終采用的切換策略，仍需要運(yùn)營商結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)實(shí)際情況，通過大量的試驗(yàn)才能確定。

1 3GPP TS22.934.Feasibility Study on 3GPP System to Wireless Local Area Network(WLAN)Interworking,2011

2 3GPP TS23.402.Architecture Enhancements for Non-3GPP Accesses,2012

3 3GPP TS23.861.Network Based IP Flow Mobility,2012

4 3GPP TS23.852.Study on S2a Mobility Based on GTP & WLAN Access to EPC,2012

5 王建秀.無線寬帶與蜂窩移動(dòng)通信的融合策略研究.通信技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，2011(1)