江西农业大学网络新技术论文
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无线局域网和蜂窝网融合技术
1、引言
随着智能终端等移动设备的普及，移动数据流量呈现持续快速增长的趋势。
按照Cisco的预测，从2015到2017移动数据流量年复合增长率高达66%。
移动数据流量的爆发式增长不仅给蜂窝网造成了巨大的流量压力，也使蜂窝运营商陷入了高投入、低产出的经营困境。
WLAN以其技术体制简单、接入灵活、成本低、建网和维护容易受到运营商的青睐，纷纷大规模建设WLAN热点来缓解蜂窝网流量和经营上的压力。
目前为了提高运营商WLAN网络的利用率和用户体验，业界展开了大量WLAN 和蜂窝网互通和整合(Interworking and Integration)方面的技术研究。
3GPP
正在Rel-12中以已有核心网层面(CN-level)互通标准为基础，展开WLAN和蜂窝网在无线接入网层面(RAN-level)互通的标准化研究。
Wi-Fi联盟(WFA)正在开展基于可有效帮助移动运营商整合WLAN业务、构建运营级网络的Hotspot 2.0标准的Wi-Fi CERTIFIED Passpoint? 项目。
无线宽带联盟(WBA)正在针对支持WLAN 与蜂窝网之间无缝流量切换和跨运营商Wi-Fi漫游的下一代热点(NGH)项目进行第二阶段的测试。
所有这些标准化努力都体现了WLAN和蜂窝网正在从高层融合和底层融合走向深度融合的发展趋势。
本文将分别从蜂窝网和WLAN两个角度，对支撑WLAN和蜂窝网进行深度融合的关键技术发展历史和现状及其未来的演进方向进行介绍和分析。
2、蜂窝网侧在融合方向的技术演进
从WLAN和蜂窝网技术的发展过程看，它们之间的融合需求是伴随着WLAN
的标准化和快速增长的市场而产生的。
为了支持和改进WLAN和蜂窝网之间的互通，3GPP进行了大量的研究和标准化工作，产生了分别针对UMTS核心网和EPC 一系列互通技术规范。
UMTS核心网相关的技术规范又被称为
I-WLAN(Interworking WLAN)规范。
为了进一步对WLAN进行整合，除CN-level 互通的标准外，3GPP在Rel-12中启动了RAN-level互通的研究项目“WLAN/3GPP Radio Interworking”，目的是使运营商能够更好的整合WLAN网络，改善用户对WLAN的感知。
基于GSMA WLAN Task Force的研究成果，3GPP于2002年启动了WLAN和3GPP 系统互通的标准化研究。
在WLAN 与3GPP网络互通的可行性技术研究报告TR 22.934中，3GPP将互通场景分为以下6种：
场景1 - 统一账单和客户服务(Common Billing and Customer Care)。
场景2 - 基于3GPP系统的接入控制和计费(3GPP system based Access Control and Charging)。
场景3 - WLAN UE 接入3GPP PS域业务(Access to 3GPP system PS based services)。
场景4 - 业务连续性(Service Continuity)。
场景5 - 无缝的业务连续性(Seamless services)。
场景6 - WLAN UE接入3GPP CS域业务(Access to 3GPP CS Services)。
这6种场景从功能上依次增强，技术实施难易程度也依次增加，后一种场景在前一种场景基础上提供更高水平的服务。
运营商可根据自身的需求，选择相应的场景，分阶段地进行网络部署。
在实际组网中，I-WLAN的实现方案可以分为两种，一种是独立组网方案，一种是重用GGSN方案。
在独立组网方案中，WLAN UE通过新增的PDG网元实现WLAN 3GPP IP接入，与现有核心网分组域相互独立。
在重用GGSN方案中，通过新增隧道终止网关设备TTG(Tunnel Termination Gateway)，由TTG与GGSN功能子集共同实现PDG功能。
这两种组网方案各有优缺点，独立组网方案能够直接分流WLAN 业务，相当于新建了一个核心网分组域网络，对现网的影响较小，但设备利用率较低，需要和现网的计费设备进行集成，维护工作量较大;重用GGSN方案有效利用了现有网络，能够提高GGSN设备的利用率，但WLAN流量的引入会增大GGSN的负荷，对现网造成影响需要考虑对核心网分组域分流。
综合来看独立组网方案会增大网络的复杂性。
由于用户在WLAN和3GPP接入网之间移动时，不能保证业务的连续性，即不支持场景4和5。
针对这一点，3GPP在Rel-8的TS 23.327技术规范中进行了增强，提出了基于DSMIPv6(Dual-Stack Mobile IPv6)的I-WLAN移动性解决方案。
在该解决方案中，归属代理(Home Agent, HA)位于归属3GPP网络的核心网，可以单独设置也可以和GGSN合设。
为了能够支持DSMIPv6信令和向归属代理传输数据，UE需要包含一个DSMIPv6 Client。
UE有一个归属地址(Home Address)和一个转交地址(Care-of-Address)。
随着UE在WLAN和蜂窝网之间的切换，UE 和HA通过逻辑上的H1接口，使用绑定更新消息对转交地址进行同步更新，在此过程中保持归属地址不变，从而实现切换时的业务连续性。
由于网络侧对拥塞状况有更全面的了解，目前3GPP正在寻求对网络触发的切换进行标准化。
基于DSMIPv6 I-WLAN移动性解决方案由于需要终端支持DSMIPv6，增大了终端的实现复杂度。
3、WLAN侧在融合方向的技术演进
WLAN技术近十年来不断发展与完善，为WLAN向电信级网络的发展奠定了基础，主要体现在：1)从54Mbps的802.11a，到600Mbps的802.11n，再到超过
1Gbps的802.11ac和802.11ad，传输速率持续提高;2)从802.11e，802.11r到最新的802.11ae，802.11ai，Qos控制能力和接入时间等服务质量不断改善。
为了增强WLAN与蜂窝网等外部网络之间的互联互通，IEEE于2011年发布了802.11u标准。
在网络发现和选择方面，802.11u定义了通用广告业务
GAS(Generic advertisement service)。
GAS在STA和服务器之间提供广告协议
帧的层2传输，使STA能够在与BSS关联之前就发现与期望网络业务相关的可用信息(如可用签约服务提供网络等)。
ANQP是一个请求、响应协议，用于移动设备发现包括热点运营商的域名，可接入的漫游伙伴及其认证支持的EAP方法和证书类型，IP地址类型和场馆类型等在内的信息。
802.11u使用GAS作为ANQP的容器，将ANQP元素包含在802.11u的信标帧和探测响应帧中，使用信标帧、探测请求帧和探测响应帧在内的管理帧和公共动作帧在STA、AP和外部网络之间进行信息交互。
STA通过探测响应帧获得SSPN或外部网络可用信息，并基于这些信息进行802.11基础设施和SSPN的发现与选择。
在Qos方面，802.11u定义了Qos映射机制，以支持在包括蜂窝网在内的签约服务网络或其他外部网络与WLAN之间实现Qos映射。
由于每个签约服务网络或其他外部网络可能有它自身的层3端到端标记实现机制(如不同的差分服务代码点DSCP实现方式)，因此在层三业务和空口业务之间进行Qos映射是很有必的。
802.11u定义了Qos映射机制，以支持在包括蜂窝网在内的签约服务网络或其他外部网络与WLAN之间实现Qos映射。
802.11u的Qos映射机制可以将网络层的Qos包标记映射为空口的Qos帧标记(即用户的优先级)。
4、结束语
在新一代移动通信技术快速发展下，WLAN与蜂窝网除了从技术上逐渐走向深度融合。
这种融合趋势也体现在产业链方面。
2012年Femto论坛改名为Small Cell论坛，从专注蜂窝网技术转向在Small Cell设备中对蜂窝网和WLAN进行整合;中国移动基于Small Cell推出了在设备内集成蜂窝网和WLAN的Nanocell 技术白皮书和设备规范;传统的蜂窝和WLAN芯片、设备厂商也纷纷向对方领域拓展，就是这一趋势的体现。
WLAN和蜂窝网的深度融合将对二者未来的发展产生重要影响，希望本文所做的工作能够对该领域的研究做出一个较为全面和清晰的研究基础。
