TD系统与WiMAX系统的演进与融合

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  摘 要 TD-SCDMA、TD-LTE两种TD系统与WiMAX都是TDD制式系统,并且在很多方面都有共同点和相似之处,其二者网络演进与融合是通信技术发展的一个趋势。通过分析移动通信系统的演进与融合,依据标准协议栈和网络架构分析,提出TD-SCDMA、TD-LTE系统与WiMAX系统的演进与融合方案。
  关键词 TD系统 TD-SCDMA TD-LTE WiMAX 演进 融合
  1 引言
  TD-SCDMA、TD-LTE等TD系统与WiMAX都是TDD制式系统,二者在很多方面都有共同点和相似之处。这两类高性能系统能否实现相互兼容或融合,是目前产业非常关注的典型问题。下面将基于移动通信现有系统的演进与融合分析,依据标准协议栈和网络架构分析,对TD-SCDMA、TD-LTE系统与 WiMAX系统融合方案进行了探讨,提出TD系统与WiMAX系统的演进与融合方案。
  2 移动通信标准演进与融合
  GSM是目前全球使用最广泛的移动系统,出于对数据业务的需求,基于GSM的GPRS、EDGE技术应运而生。从基本的结构来看,从GSM升级到GPRS对于基站毫无影响,主要改变是核心网,即需要新增PS域的GGSN和SGSN,同时BSC侧需要增加相应的PCU处理单元。GSM升级到EDGE也不需要对网络结构进行大规模的调整,BSS在EDGE引入后需要支持很多新的功能,比如BTS要支持8PSK这种新的调制模式,新增MSC1-9编码方案,负责对无线时隙和Abis子信道的多路合并和分解等功能,BSC要增加调制和编码方案的链路适配新算法等,这只需要通过软硬件修改即可完成,同时,EDGE对现有的GSM核心网络的影响也是有限的。
  而GSM和TD-SCDMA/WCDMA是两种完全不同的无线接入体制,TD-SCDMA /WCDMA最基本的多址方式是码分多址,与GSM的时分多址的方式差异很大,对于不同制式的系统而言,通过软件或者硬件升级的方法进行融合十分困难,目前这样的网络融合只能建立在网络叠加以及共有基础设施的情况上。GSM和TD-SCDMA/WCDMA的互操作功能主要分为PLMN选择、小区重选、切换等,由于TD-SCDMA/WCDMA是基于GSM演进的3G网络,因此GSM和TD-SCDMA/WCDMA融合组网上可以共用核心网。
  类似的,TD-SCDMA向TD-HSPA+演进是一种后向兼容的紧融合方式。TD-SCDMA在向TD- HSPA+网络演进过程中,其网元结构没有发生变化,物理层仍然采取CDMA技术,只需要在网络和终端进行软件升级即可实现演进。
  而TD-SCDMA/TD-HSPA+在向TD-LTE演进过程中,在物理层引入了OFDM技术,并且在无线网络结构方面,采用了Flat-All IP的网络架构,对网元功能进行了重新的划分,而对于接入网侧,将RNC网元实现的功能都放到了NodeB上,删除RNC网元。网络从TD-SCDMA/TD-HSPA+演进到TD-LTE,差异变化太大,因此最好采用松耦合的方式。
  3 移动通信系统演进和融合的方式
  从以上分析可以看出,不同无线网络进行融合和演进的过程中,物理层多址技术、双工方式与帧结构等核心技术是非常重要的因素,凡是物理层核心技术不同的系统,进行系统间的演进融合往往无法实现空口相互兼容。而对于系统中改变调制编码方式,对子信道合并分解的改变,增加调度、AMC、HARQ、协议层功能实体的改变等,可以通过标准升级实现兼容,通过系统的软件或者硬件升级进行两个系统的融合和演进。
  而对于核心网来说,其演进目前主要是向扁平化,全IP化方向发展,网络结构越来越简单,控制面和用户面之间分离,各司其职。由于网络底层采用IP方式,网元之间可以直接以隧道的方式传输数据,使得各个网络之间的融合越来越容易,并且数据转换简单。目前,很多网络融合都采用了通过网关接口进行互连,多种网络共核心网的方式。而蜂窝网络与其他不同制式的网络之间的融合也可以借鉴这种方式,在网关接口处进行数据转换,不同网络的数据可以透明传输。
  4 TD-SCDMA与WiMAX互联互通
  虽然TD-SCDMA和WiMAX系统同属于IMT-2000,但是从协议栈上来看,WiMAX协议和TD-SCDMA协议每一层都有差别[1,2],并且物理层的差别最大,其物理层多址技术、双工方式与帧结构等核心技术都不相同。根据目前系统演进的情况,除非标准制定初期对系统演进需求做了明确规定,两个系统可以进行比较好的平滑演进和融合,例如WCDMA到HSPA的演进。对于其他的标准,包括在同一标准组织制定的标准之间都没有完成在层3以下的无线接入网完全融合。因此对于TD-SCDMA和WiMAX这两种不同标准组织指定的具有不同目标,不同性能的网络来说,在层3以下实现网络融合很难。目前,许多TD-SCDMA和WiMAX的网络融合研究主要借鉴3GPP系统与WLAN的融合方案[3]。
  因此,TD-SCDMA和WiMAX的网络融合主要集中在互联互通方案研究上,可以通过GGSN进行互联互通,但是从网络融合的紧密程度来分,TD-SCDMA和WiMAX网络之间又可以分为松耦合和紧耦合两种融合方式。
  4.1 松耦合
  松耦合融合方式又分为两种情况:松耦合及极松耦合。
  图1(a)为TD-SCDMA和WiMAX采用极松耦合方式互联互通的示意图。在这种耦合方式下,TD-SCDMA网络和WiMAX各自独立组网,仅在营帐中心相连。具有以下特征:
  ●独立组网:两个网络具有各自独立的核心网络,独立管理,用户在TD-SCDMA/ WiMAX网络中分别享受原有的服务。
  ●公用计费和客户关系:在营帐维护不同的网络接入标识和统一帐号的对应关系,达到公用计费和客户关系。
  极松耦合方式下产品成熟度较高,可迅速部署,但是由于两网完全独立,因此无法实现统一的用户管理和业务交互。   图1(b)为松耦合融合方式。此种融合方式下,TD-SCDMA和WiMAX各自使用独立的网关,共用HLR/HSS/AAA系统和HA。具有以下特征:
  ●核心网分离:两个网络具有各自独立的核心网络,独立管理,用户在3G/WiMAX网络中分别享受原有的服务。
  ●业务出口分离:用户数据分别通过各自的核心网络,访问业务平台,与业务平台的接口分别管理。
  ●统一鉴权、认证:WiMAX网络的核心网元AGW连接到TD-SCDMA网络的HLR/ HSS/AAA系统,进行用户鉴权、认证,从而实现统一的鉴权、认证。考虑到WiMAX的鉴权方式与TD-SCDMA相差较大,NWG还不支持基于IMSI的鉴权方法,现阶段的鉴权流程将保持独立,在AAA维护不同的网络接入标识间的对应关系。但今后随着标准的发展,可与TD-SCDMA使用相似的鉴权方法,做到真正的统一鉴权,认证。
  ●业务连续性:可考虑通过GGSN或者AGW内置的FA,以及共用的HA,采用MIP技术来实现系统内/系统间的切换。做到业务连续性。但需要支持MIP切换的双模手机终端。
  4.2 紧耦合
  图2为TD-SCDMA和WiMAX紧耦合组网方式,在这种方式下,TD-SCDMA网络的GGSN网元和WiMAX 的AGW实现融合。主要有以下特征:
  ●共用GGSN:网元GGSN/AGW中,集成了TD-SCDMA网元GGSN功能,和WiMAX AGW的功能,这种方式组网方便,节约投资成本。
  ●统一鉴权、认证:WiMAX网络的核心网元AGW连接到TD-SCDMA网络的HLR/HSS/AAA系统,进行用户鉴权、认证,从而实现统一的鉴权、认证。但是TD-SCDMA和WiMAX的鉴权方式是不同的,要实现真正的统一鉴权、认证,还需要制定相应的标准供WiMAX使用。
  ●统一的IP地址管理:AGW与GGSN采用相同的IP地址分配方式,拥有相同的地址管理系统。
  ●漫游用户的业务连续:对于漫游用户而言,GGSN/AGW中内置FA,以及HA,采用MIP技术,可以实现基于MIP的系统间的业务连续性;而通过统一的IP地址管理功能,可以保证系统采用简单IP地址时,IP地址保持不变,便于简单IP系统中实现系统间的无缝切换。
  ●业务计费和监听:可利用TD-SCDMA已有的监听接口,内容计费接口,修改部分流程,公用单板,接口,方便的实现WiMAX监听,计费。
  5 TD-LTE与WiMAX的融合架构
  目前,传统的移动网络架构已无法胜任高速率和高带宽的未来无线分组业务的考验。因此3GPP国际标准化组织开始展开下一代网络架构的研究,在R7阶段推出全新的移动PS域网络架构,即SAE(System Architecture Evolution)[4]。SAE的主要思想是简化现有移动PS网络架构,通过网元整合和功能的重新划分,减少业务处理的中间环节,实现网络架构的扁平化。同时,SAE为LTE网络与其他技术网络的融合设计了接口,规划了多网络融合的网络架构。而WiMAX网络与LTE的融合就可以通过SAE提供的LTE与非3GPP IP网络的网络接口处进行融合互联。SAE的架构如下图(a)所示,其中Non-3GPP IP Access分为Trusted和Untrusted两类,这由运营商决定,例如系统运营商可以基于商业协议选择信任同一个运营商或者不同运营商运营的非3GPP IP接入网。Untrusted Non-3GPP IP Access需要通过ePDG辅助接入。这里假设WiMAX系统是Trusted的Non-3GPP IP Access网络。那么WiMAX系统主要通过S2a,Gxa,STa接入到3GPP网络中去。LTE与WiMAX融合具体的网络架构如下图(b)所示[5]。
  从图3可以看出,为了保证WiMAX业务的QoS,ASN-GW需要使用策略和计费控制(PCC)架构。在3GPP演进方案中,策略决定点PDF(Policy Decision Function)和计费规则功能(Charging Rule Function, CRF)融合为一个新的功能实体PCRF(Policy and Charging Rules Function)。WiMAX PCC使用PCRF来接收QoS参数。
  在TD-LTE与WiMAX的融合中,WiMAX ASN直接通过S2a接口接入到TD-LTE中,P-GW执行分组过滤,侦听,计费,IP地址分配等功能。LTE和WiMAX的数据在P-GW进行组合,并通过SGi接口路由到外部网络中。
  而用户的认证主要是WiMAX ASN通过STa接口与AAA服务器进行交互。
  融合方案中涉及几个重要的接入点:
  STa(相当于WiMAX R3-AAA接口):用于对UE进行基于AAA的认证。
  Gxa(相当于WiMAX R3-PCC-P):用于执行动态QoS和计费规则。
  S2a(相当于WiMAX R2-MIP):用于L3移动性和接入核心网链路的建立。
  S14:用于不同网络的选择,并利于优化WiMAX-3GPP切换。该接口也可以提供接入网发现和选择功能(ANDSF)和FAF(Forward Attachment Function)功能实体。
  在以上接入点中,S2a是最主要的接入点,是数据传输的接口,不同网络的分组需要在该接入点处进行处理,符合内外部网络的特性。
  6 总结
  本文基于移动通信系统的演进与融合分析,依据标准协议栈和网络架构,提出了TD-SCDMA和WiMAX的互联互通方案;基于SAE架构,提出了TD-LTE和WiMAX融合方案以及合适的接入点。从分析可以看出,要实现移动通信网络间的紧密融合,需要在标准制定初期就要进行充分的考虑,对系统演进需求做了明确规定,从才能实现网络间的全面融合,共同发展。
  参 考 文 献   [1] The Draft IEEE 802.16m System Description Document[S],WiMAX Forum,2008.06
  [2] TD-SCDMA系统技术[M],李世鹤,杨运年,大唐移动通信设备有限公司
  [3] 3GPP TS 23. 234 Group,Service and System Aspects.3GPP system to wireless local area network(WLAN) interworking[S]:system description (release6)
  [4] 3GPP TS 23.402 V8.2.0,Architecture enhancements for non-3GPP accesses[S]
  [5] Seamless Integration of Mobile WiMAX in 3GPP Networks[J],Pouya Taaghol,Apostolls, etc.,IEEE Communications Magazine,2008.10
  TD System and WiMAX System Development and Integration
  Wang Xidian,Cheng Nan,Wang Lei
  (China Mobile Communication Group Design Institute Co Ltd,Beijing 100080,China)
  Abstract TD-SCDMA,TD-LTE two TD system and WiMAX are TDD standard system, and has many common points and similarity, the network evolution and fusion is a developing trend of communication technology. Through the analysis of the mobile communication system evolution and fusion, according to the standard protocol stack and network structure analysis, proposed by TD-SCDMA, TD-LTE system and WiMAX system evolution and fusion scheme.
  Key words TD,TD-SCDMA,TD-LTE,WiMAX,evolution,fusion
  (收稿日期:2012年7月21日)
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