对WLAN和LTE网络融合方案思考和实现分析

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本文摘自《信息通信》2012年06期。【作者】 王建军；

【机构】 中国电信股份有限公司常德长途电信线路局；

【摘要】 随着经济技术的迅猛发展,人们对移动数据流量的需求也在不断扩大,WLAN因其独特的使用优势受到很多通信运营商的青睐,利用WLAN来缓解移动数据流量的压力成为当前时代发展的趋势,所以以LTE为代表的蜂窝网同WLAN的融合也是一种必然,这种网络技术的融合不仅可以有效推动LTE的发展,也可以为移动通信业务的可持续发展提供坚实的基础。本文主要论述了WLAN与LTE的技术特点,并根据现实的需要提出了一种具有可操作性的网络融合方案,以期能够为相关的实践提供些许理论基础。

【关键词】 WLAN； LTE； 网络融合方案；

最近几年，智能终端与移动互联网技术的发展速度很快，且拥有非常广阔的发展前景，在WLAN的大范围部署的前提下，LTE技术也在不断发展，二者在各自的领域中都有着一定的使用优势，并出现相互借鉴与融合的趋势。WLAN和LTE技术都属于无线通信技术的一种，二者的适用范围有所差异，前者主营业务面向的是个人消费电子市场，还负责家庭与企业的宽带无线接入市场，后者为消费者提供的主要是移动通信业务，是由电信运营商来负责的。WLAN和LTE技术的融合可以有效降低电信运营商的运营成本，缓解大规模流量的压力，可以使运营商走出当前“投入多，产出少”的低谷，促进电信行业的可持续发展。

1 WLAN和LTE网络的各自特点

WLAN的全称是Wireless Local Area Networks，是一种数据传输系统，使用起来非常便捷。在实际操作过程中它利用的是射频技术，可以彻底替换使用双绞铜线的传统局域网络，对信息的提取和存储更加便捷。WLAN的技术发展速速非常快，也得到了社会各界的广泛认可，基于IEEE802.11标准的WLAN允许在局域网络环境中采用不需要授权的ISM频段中的2.4或5.8GHz射频波段实施无线连接。WLAN的主要设备包括无线网卡，无限AP，无线天线。WLAN技术在实际的应用中必须具备的性能包括要有良好的兼容性与可靠性，数据传输的速率一定要高，通信具有保密性，可以支持全移动网络或者半移动网络，在使用的时候可以达到充分节能的效果。WLAN因其使用起来非常便捷，价格也比较便宜而得到人们的青睐。在具体的应用过程中还应该充分考虑到电磁环境对WLAN技术的影响。

LTE网络的全称是Long Term Evolution，是一种介于3G和4G之间的技术，它在3G的基础上使用OFDM以及MIMO作为无线网络演进的唯一准则，在很大程度上提高了3G的空中对接技术。通常也被称作3.9G，它的结构中单层结构占据了绝大部分，简化了网络的连接程序，降低了延迟的时间，充分实现了其在开发过程中追求的“低延时、低成本”的技术要求，同时还降低了RNC的节点，可以说，该技术是对3GPP技术进行的全方位的变革，极大地提高了通信的速率和频谱效率，将分组域业务做为其技术实现的目标，整个系统结构会按照一定的顺序进行分组交换，总体来看部署非常灵活，可以支持1.25MHz到20MHz之间的多种系统的带宽网络连接，并在保持现有基站位置稳定性的情况下相应地拓展了小区周边的比特速率。LTE的向下兼容性比较强，不仅支持现有的3G技术，还支持不是3GPP规范的技术，该技术的发展与应用主要包括两个阶段，研宄阶段和应用阶段。

2 WLAN和LTE网络融合方案实施的必要性

WLAN与LTE网路融合的必要性主要体现在以下两个方面：

2.1缓解流量压力的有效途径

当前随着经济的迅猛发展，移动数据的总体业务量也在不断攀升，这就给大部分的蜂窝运营商带来巨大的流量压力，业务量的持续走高也检验着运营商的经营管理能力，据相关部门统计，在全球范围内，移动数据的流量增长速度是语音速度的10倍以上，很多移动通信运营公司都预计在2020年左右该倍数会激增到500倍甚至1000倍左右。目前，移动数据业务正向着室内数据业务的方向发展，大部分运营商都使用了WLAN进行移动数据的分流，基于人们对移动数据服务业务的使用习惯，在室内热点地区进行的业务也通常是互联网业务，所以对移动性的标准要求稍低一些，对服务质量的要求也无需太尖端，WLAN正好符合这两项标准，且具有非常大的信息吞吐量，运行使用的成本比较低，在实际使用过程中非常方便，普及的速度也相当快速，为蜂窝网的信息数据分流提供了非常实用的平台。使用蜂窝网的回传链路的Wi-Fi移动热点通常也被成为Mi-Fi，它可以充分使用Wi-Fi网络将大量的数据终端转接到蜂窝网中，通过Mi-Fi就达到了用户与运营商的有效沟通，不仅提高了终端的总体数量，同时还可以最大限度地拓展移动数据业务量，获得了相当可观的收入，同时用户在运用Mi-Fi的过程与使用蜂窝网数据业务是同步的，在这一过程中不会过多地消耗流量，比一般的Wi-Fi更加节省。现阶段很多的美国运营商在向用户提供Wi-Fi接入的时候已经不收取任何费用，且会增加一些特别的优惠措施以促进数据信息流的大量转移，同时非蜂窝智能终端的移动上网需要也促进了Wi-Fi移动热点的迅猛发展，非蜂窝智能终端包括笔记本电脑、一些平板电脑等个人用户终端，这些用户终端在日常使用的时候不具有移动通讯功能，却有移动上网的需求。

2.2进行纵深层次的融合是科技发展的必然趋势

为了能够有效处理移动数据流量所带来的一系列问题，蜂窝运营商在部署WLAN热点工作上投入了很大的力度，去年中国移动和中国电信曾表示要在2014年或者2015年把各自的WLAN热点数量提高至100万个，中国联通也拟定出了详细完整的WLAN发展规划。无线宽带联盟面向全球的运营商，积极推广Wi-Fi全球漫游服务业务，国内外的主流蜂窝运营商纷纷参与其中，获得了不小的收益。各大蜂窝运营商相互之间也签订了Wi-Fi漫游协议，达到Wi-Fi网络资源共享的目的。例如2011年中国电信同AT&T、台湾地区中华电信分别签署了 双边漫游协议，促进相关业务的积极发展。

蜂窝运营商为促进WLAN的长远发展战略，不断进行着积极的探索，拓展有可能实现的各种运营模式，在降低成本的基础上实现利益的最大化。WLAN和蜂窝网的合理高效融合可以开发出更具有实际吸引力的业务形式，例如和无线城市、移动互联网、物联网等相关联的业务，促进网络融合效果的多样化。WLAN和LTE在信息吞吐量上相比占有很大的使用优势，为LTE网络的信息分流提供了更多的平台。并且，在实际应用中LTE的综合成本比WLAN高出很多，所以二者的融合也是蜂窝网实现低成本、高收益的一条路径。WLAN和LTE网的融合技术随着科技的不断发展也在由高层融合与底层融合向着深入融合的方向发展。高层融合的特点是二者可以实现技术上的互联互通，WLAN与LTE网本质上属于两种形式的网络系统，加强应用的融合可以拓展技术发展与业务交流的空间，IEEE特别规定了WLAN和LTE网为主的蜂窝网的互联互通的技术准则802.11u，同时Wi-Fi联盟在此标准的基础上又进行了革新，提出Hotspot2.0和下一代热点(NGH)技术，这样就为跨网漫游提供了坚实的技术支持，也能够满足Wi-Fi网和蜂窝网之间的无缝流量切换的需求，促使相关的领域都有力新的发展。底层融合使二者更有利于管理，以便进一步提高传输的效率。当前的使用市场有着强烈的业务需求，二者的深入融合可以带来更多的市场机遇，从网络运营的角度讲，不仅可以使配套的资源达到充分的共享，还可以增强融合网络的综合部署与管理能力，网络的维护能力也在不断地提高，经济实用性也不断加大。传统的蜂窝芯片厂商与WLAN芯片厂商同时向着对方的技术领域进行了全面的探索，全方位产业化的融合加快了WLAN与LTE网络融合的速度，从芯片的处理上来看，推出比较完整高效的“蜂窝+WLAN”芯片解决方案是各大厂商共同的责任与义务。同时，智能手机也已经把WLAN作为其使用的标准配置，Wi-Fi移动热点越来越成为智能手机的一项必有功能，也有很多的智能手机可以实现3G与WLAN的自动转换，为广大用户提供了更多的便利。通过以上分析可知移动信息数据流量的猛增致使WLAN和LTE的融合已经成为不可逆转的时代趋势，国内的信息产业更是要及时抓住这一关键的时机，在实践中不断开发适合广大用户的新技术与新产品，同时要制定相应的行业标准，注重与实际需要相结合，进而提高国际竞争力。

3 WLAN和LTE网络融合方案的具体实现

在3GPP中利用WLAN接入EPC的架构可以实现网络融合的方案。用户终端可以利用WLAN，通过S2a、S2b或者是S2c接口将EPC顺利接入，这三种接口各自有着不同的应用之处。例如S2a主要接入的是授信的非3GPP端口，它连接着WLANAN与PDNGW二者之间的接口，这一融合的过程中可以在PMIPv6基础上实现，或者通过GTP协议来实现对接。通常情况下，在Non-3GPP的网络部署中MAG充当的是一种可授信域中的网元，在接入WLAN的过程中，要针对具体的情况对BAS进行必要的升级，以适应MAG的功能，非授信的非3GPP接入口的承载接口是S2b，同时它也是连接ePDG和PONGW之间的端口，与S2a—样也是在PMIPv6的基础上实现的，此结构可以通过ePDG来接入网关，为了确保在信息传递中的数据信息不被无线局域网络所窃取，可以在接口终端和ePDG之间建构IPSec通道，以保证信息传递的顺畅。

S2c不仅可以连接授信的非3GPP网络，同时还可以连接非授信的非3GPP的网络，S2c通常连接的是PDNGW之间的接口，一般情况下使用的DSMIPv6协议实现融合的，它在实际使用中对终端有很高的要求，只有这样才可以提高系统的工作效率。

授信网络与非授信网络的最明显的不同点体现在改造方式上的差异，在S2a与S2b的接入中，为了让授信网络可以顺利接入系统并可以支持PMIP的MAG功能，在接入之前就要对被接入网的路由器进行必要的改造，才能够与网络融合系统相符合。在非授信网络进行系统接入的时候需要考虑的事情是如何提高ePDG的节点并通过此来提高信息数据的移动性，同时还要加强IPSec隧道的建设，以提高UE与ePDG之间沟通的有效性。

WLAN网络与S2a之间形成的网络融合的主要应用场合针对的还是通信运营商自己的网络系统。如果是用在第三方上则要格外考虑数据信息传递的安全性，以保证系统运行的稳定并规避安全风险。

在WLAN和LTE相互融合的过程中，为了进一步提高系统结构的简单程度同时增强其安全性，可以采用一种WGW-S2a的方案，该种方案的使用范围更为广阔一些，对于运营商在实际操作中也比较容易一些，具体体现在以下几个方面：

首先，从网络融合的结构上分析，WGW-S2a的架构不仅可以使WLAN网络和EPC之间的接口依然符合S2ae的标准，同时还与3GPP的标准相符合。这样现网以及其他AC或者Bras在接入的时候就可以直接通过WGW路由器接入EPC，而不需要进行额外的改造，程序操作起来非常简便。

其次，从信息安全认证的角度来看，此种结构的安全性能还是比较高的，尤其在用户的数据信息传输和认证方面还是具有很高的可靠性的，结合802.1x协议更加提高了信息认证解决方法的灵活性与多样性。使用WLAN接入系统的时候，通常使用的认证方式在Client/Server的基础上建立起来的访问控制权和认证协议，通过认证之前只有基于局域网的扩展认证协议的相关数据符合802.1x设备连接的标准，当认证顺利通过之后，一般的数据信息则可以通过以太网的连接端口，这样充分保证了信息的安全。另外，WLAN与LTE在进行网络融合对接的时候使用的标识具有统一性，直接的接入凭据都是以SIM卡为主，IMSI通常为用户的标识，认证的方式一般为EAPAKA与EAPSIM，由网络系统自动进行接入，在这一过程中用户不需要再进行用户名和密码的输入，所以操作非常方便。

最后，从IP地址的分配方面来看，Portal认证用户通常情况下会接入固网，而统一认证用户则会接入到移动网，接入的方式不同，被分配到的IP地址段就会有所不同，进而所选择的路由方式也就有所区别。当用户接入移动核心网的时候，在接入侧不会受到隧道模式的影响，所以移动用户不会有若干IP地址，最终只有一个而已，通过这个IP地址用户端可以访问业务网络，它统一由PDNGW分配，也叫家乡地址。现阶段，很多厂家都可以利用S2a接口和S2b接口把WLAN顺利接入EPC，并可以利用EAP-SIM达到统一认证的效果，在WLAN和LTE之间可以同时进行双向的跨域转换，在转换的过程中亦不用更改IP地址，为广大用户提供了更多的便利也为将来网络技术的持续演进提供了参考的范本。

望到天那边

这个方案提了很久了，WLAN与蜂窝网的融合主要有TTG和PDG两种方案，11年的时候huawei和nsn等厂商在广东组建了实验网，涉及到多网元的技术改造（从终端到计费），商用时间还尚不明确。