TD-LTE、LTE-Advanced与WiMAX融合解决方案

1. 引言
TD- SCDMA是中国提出的第三代移动通信技术标准的TDD模式技术，其采用了智能天线、联合检测、接力切换等关键技术，是一种频谱利用率高、抗干扰能力强的移动通信技术。随着技术的演进与发展，3GPP相继提出了TD-LTE，LTE-Advanced等技术。而WiMAX是近年迅速发展起来的一种新兴宽带无线通信技术，它采用了OFDM、MIMO、HARQ等大量B3G/4G技术，实现了性能上的超越。TD-LTE、LTE-Advanced与WiMAX 系统虽然分属于IMT2000不同的空中接口技术，但是二者在很多方面都有共同点和相似之处。那么这两类高性能系统能否实现相互融合，以及采用怎样的方式进行融合是目前产业非常关注的一些问题。
下面将依据标准协议栈和网络架构分析，对TD-LTE和LTE-Advanced系统与 WiMAX系统融合方案进行了探讨，提出TD-LTE，LTE-Advanced系统与WiMAX系统的演进与融合方案。
2. TD-LTE与WiMAX的融合研究
2.1 TD-LTE与WiMAX的融合架构和接入点
2.1.1 TD-LTE与WiMAX的融合架构
当前，无线接入速度的提升突飞猛进，传统的移动PS域网络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阶段推出了全新的移动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TD-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。

图1 SAE的架构
SAE 的架构如上图所示，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。TD-LTE与WiMAX融合具体的网络架构如下图所示 [5]。

图2 LTE与WiMAX的融合架构
从上图可以看出，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。
2.1.2 TD-LTE与WiMAX融合涉及的接入点
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，TD-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）与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，符合外部网络的特性。因此其协议栈的设计对于数据的传输十分重要。
S2a 协议栈对于PMIPv6和MIPv4稍有不同，对于PMIPv6，终结控制面和用户面的功能实体是non-3GPP IP access（WiMAX）的MAG（移动接入网关）和网关中的LMA（本地移动锚点），这里LMA包括本地代理的功能。控制面的协议栈是基于 IPv6/IPv4的PMIPv6，用户面的协议栈是基于IPv4/v6转发分组。而对于MIPv4，终结控制和用户面的功能实体是UE中的MN和 non-3GPP IP access（WiMAX）的FA，以及网关中的HA。控制面协议栈是MIPv4，用户面在IPv4传输层转发IPv4分组。

图3 S2a 参考点协议栈（PMIPv6）

图4 S2a 参考点协议栈（MIPv4）
从以上分析可以看到S2a协议栈比较简单，符合数据传输转换的需要，是TD-LTE与WiMAX融合最合适的接入点。而TD-LTE和WiMAX融合的网络架构采用的是核心网全部或部分共用的方式，即TD-LTE和WiMAX具有独立的无线网，TD-LTE和WiMAX的核心网既有各自独立的部分，也有共用的网元，例如AAA服务器、PCRF、PGW等。
2.2 TD-LTE与WiMAX的网络选择
在TD-LTE与WiMAX 网络的融合中，网络选择和切换是非常重要的问题。网络选择是指新到达的UE如何接入到无线网络中，下图详细介绍了TD-LTE与WiMAX网络之间的最初的网络选择过程[5]，这里主要讨论单无线链路的解决方案，即终端只能接收TD-LTE或者WiMAX中的某一条链路信息。