面向5G的多網融合研究

劉云璐，楊 光，楊 寧，陳 卓，胡 南，李 男，謝 芳，金 巴，劉光毅

（中國移動通信有限公司研究院無線技術研究所 北京100053）

1 引言

隨著視頻交互、上傳下載、增強現實等業務種類越來越豐富且越來越普及，在未來的5G通信系統中，用戶期望通過極高的接入速率接入無線網絡，同時期望更短的接入時延和傳輸時間，這對于一些實時交互的業務是極為重要的用戶體驗。另外，用戶也希望在不同的現實場景中都能得到同質、優質的用戶體驗，比如在高速移動的交通工具上、在商業中心或者在比賽場館等人群密集區。

目前，大多數運營商都同時部署并維護著多個移動通信網絡，包括2G、3G以及最近兩年剛剛開始商用的LTE網絡。同時，運營商也已經部署了大規模的Wi-Fi熱點，用以分擔電信網的數據流量負載。國外的運營商也面臨著類似的問題，如美國運營商AT&T，除2G、3G、LTE外，在美國的一些熱點地區部署了上千個Wi-Fi接入點，即使2016年2G退網后，也有3G、LTE、Wi-Fi在同時運營。

但多網運營存在著很多問題，具體如下。

·多張網絡架構不同，需獨立維護，給運營商帶來了很大的部署以及運營維護成本。

·負載在各個網絡上無法實現靈活調度，網絡資源沒有得到最優化的利用，存在嚴重的資源浪費。

·多網絡之間的互操作復雜，時延較大，更換網絡時會對實時性較強的業務產生影響。

·很多操作對用戶不透明，需要用戶手動參與，如需手動打開Wi-Fi等。

目前3GPP R12/R13標準啟動多個多網融合相關的WI/SI課題，其中包括正在進行中的多網協作研究課題，主要針對目前多網絡互操作、WLAN與3GPP間互操作增強以及多網間頻譜共享等[1]；還包括關于UMTS/HSPA和LTE互操作增強課題，期望能在UMTS/HSPA和LTE間打通接口；另外，很多公司也在共同推動WLAN/3GPP網絡數據聚合課題立項及研究，計劃研究WLAN與3GPP網絡數據的聯合傳輸方案。

另外，NGMN、IMT2020等國內外研究組織，也將多網融合納入5G研究的一個重要方向，并寫入相關白皮書和研究綱要中[2,3]。

各國學者也圍繞面向5G的多網融合技術展開了深入研究，提出了一些多網融合的架構設計方案和理念[4～11]。

多網融合是目前以及未來一段時間各國的研究重點之一，本文將就這一議題，從其涉及的關鍵技術需求入手，結合5G網絡架構的示例，給出一種多網融合解決方案以降低多網互操作復雜性，提高用戶體驗。

2 關鍵技術需求

多種無線接入技術長期共存是各運營商面臨的普遍現象，現有的多網絡兩兩間互操作并不利于整體效率以及用戶體驗的提升，面向5G通信系統，需要新型的多網融合技術，通過用戶/核心網透明的多網統一接入、無縫的移動性管理、資源的有效利用，實現資源利用率及網絡吞吐量的提高，降低網絡部署及運營成本，增強用戶體驗。

（1）用戶/核心網透明的多網統一接入

通過設計多網統一接入接口或接口適配層，構造用戶透明的統一接入機制，在用戶無感知的情況下，靈活接入任意網絡，如LTE、Wi-Fi、5G，提供各類型網絡接入點的即插即用，即支持靈活的網絡接入類型擴展，避免對網絡側的影響及改動，并提供一定的向前向后兼容可擴展性。

將多網絡間的互操作從核心網下移，支持多網絡在更靠近用戶側融合，實現對核心網透明的多網絡接入，以減少多網互操作涉及節點，縮短多網絡互操作流程及路徑，降低互操作復雜度。

（2）無縫的移動性管理

終端可同時通過多個網絡接入，實現多流并行傳輸，并且可根據業務及網絡特性，將不同的業務承載在不同的網絡，從而提高吞吐量，增強用戶感受。

實現在多網絡/多類型接入點間的無縫移動，不僅保障在多網間移動時業務不中斷，吞吐量不降低，而且實現網間移動“零”時延，以滿足5G部分應用對時延的高要求。要實現這一目標，需要從網絡架構、協議棧設計、算法設計幾個方面共同考慮，設計完整的方案。

（3）資源的有效利用

在多連接技術的基礎上，結合智能感知技術，對用戶和業務進行精細區分，保障用戶QoS，設計高效的多網數據分流機制及數據聚合算法，以使用最合適的資源承載最合適的業務，實現網絡資源利用的最大化。對各個維度的資源，如時隙、頻譜等，進行多網絡間的靈活共享和調配，例如，對部分頻譜資源依據具體網絡情況，進行靈活的劃分和調配，以對網絡資源實現更高效的利用和管理，具體還需要考慮網絡干擾、網絡覆蓋等問題。其中，用戶/核心網透明的多網統一接入及無縫的移動性管理是面向5G多網融合研究的兩大基本技術需求，是5G多網融合研究的重要內容，也是進一步滿足資源有效利用需求的基礎。

3 多網融合方案

3.1 網絡融合架構

具體的多網融合方案與網絡架構是密不可分的，它既依托于網絡架構的實現，也是網絡架構設計需要重點考慮的內容之一。面向5G，通過分析可以發現，現有的網絡架構很難支撐和實現上述的關鍵技術需求，主要原因如下。

·目前的網絡架構中，各網絡設有獨立的接入機制和協議棧，對于每個網絡制式，NAS接口、空中接口和地面接口之間是端到端耦合的，并沒有一個接入側接口或模塊能夠對多網間的信息進行交互、翻譯以及統一處理。因此，多網的統一靈活接入難以實現，無線資源的靈活調配也缺乏有效通道。

·多網間的互操作也是端到端耦合的，基本是通過核心網進行交互，跨網絡互操作信令多、交互路徑較長、流程復雜、時延長，不能實現網絡制式解耦，是松耦合的融合方式，多網間切換時延很難滿足5G需求，無法實現多網間靈活切換，網絡資源利用率很難提高。

·網絡數據融合方案僅能基于兩網之間進行，缺乏一個統一的錨點，以進行多于兩網間的數據統一分流和聚合，對于網絡容量和資源利用率提高具有很大的局限性。

·在多網絡混合布網且密集部署的情況下，終端在移動過程中必然經歷多個不同網絡接入點的切換，如果切換過程中數據面中斷或具有相應較長的時延，勢必給用戶體驗帶來很大的影響。

綜上所述，目前各網絡獨立的接入框架和相對松散的交互方式，很難實現多網間有效的融合互補，難以滿足對5G關鍵技術的期望。因此，有必要將多網融合放到5G網絡架構設計考慮中，設計便于多網統一融合管理的網絡架構。

圖1為一個帶多網融合功能的邏輯架構示例。在當前網絡架構下，數據面和控制面是未完全分離的，比如，在用戶移動過程中，數據面的切換與控制面相互關聯，數據面的切換時延受控制面的限制。因此，示例架構通過將數據面與控制面徹底分離，將數據與信令完全解耦，實現數據連接與控制的相對獨立，為多網絡間靈活融合和切換提供了基礎，為多網間“零”時延切換提供了技術框架。為了縮短多網絡間互操作路徑，降低多網絡間互操作復雜度，在更靠近用戶的接入側，分別在控制面和數據面接入了兩個邏輯功能模塊：多網管理（multi-RAT management，MRM）模塊和數據中心（date center，DC）模塊。這為實現核心網和用戶透明的多網統一接入管理、多連接技術的采用、無縫移動性的實現、網絡資源共享以及網絡靈活可擴展等提供了框架基礎。下面分別對MRM模塊和DC模塊進行進一步闡述。

圖1 帶多網融合功能的5G邏輯架構示例

MRM模塊主要提供多網融合錨點，將多網間交互從核心網下移。模塊主要通過用戶及核心網透明的多網統一融合管理，支持多連接技術，優化網絡資源調配，減少用戶移動對吞吐量和時延的影響，并降低多網間互操作復雜性以及縮短互操作流程及路徑，從而提高用戶體驗，降低網絡運維成本，并通過提供適配多種網絡的接口，實現網絡的靈活可擴展性。具體地，MRM模塊承載了核心網側部分下沉的多網融合、移動性管理以及接入側的無線資源管理等功能，主要提供向上及向下透明高效的多網絡/多樣化接入點的統一接入和管理，其功能包括：多網/多樣接入點的統一接入、多網/多樣接入點間的無縫移動等。

DC模塊負責數據面的處理，包括數據的本地分流聚合處理和路由等，其與MRM模塊邏輯功能獨立，但存在交互接口，也可位于相同的物理實體中。具體地，DC模塊承載了數據面的主要功能，包括：本地數據緩存、本地路由轉發、本地數據分流及聚合以及本地分組檢測等。

3.2 用戶/核心網透明的多網統一接入管理

為了滿足多網間深度融合的需求，解決各網絡相對獨立、跨網絡互操作復雜的問題，基于引入MRM邏輯模塊的架構，提出將多網絡間各自獨立的接入架構變為統一接入的模式，如圖2所示。基于MRM模塊實現接入網和核心網解耦，根據業務承載的QoS需求選擇合適的無線承載，數據面和控制面靈活映射，跨制式切換過程中，空口制式發生改變，但控制面可以保持不變，這樣，涉及切換過程的流程大大簡化，切換流程的時延減小。

圖2 多網融合演進示意

多網統一接入管理的具體實現包括以下幾個方面。

（1）控制面的統一接入管理

將多網絡的控制面進行統一承載管理，如圖3所示，將控制面承載在廣覆蓋的宏基站，而數據面可靈活承載在不同網絡的接入點。同時實現了控制與承載的分離，當終端數據面切換時，可以保持控制面不變。

（2）引入靈活的協議適配層

通過引入靈活的協議適配層，自適應地匹配不同協議架構或層次的多網絡接入，如圖3所示，具有不同協議架構層次的接入點，在MRM/DC上有不同層次的協議架構進行接入匹配，并在MRM/DC完成統一處理后，向上屏蔽多網間的差異，實現核心網透明的多網融合。

圖3 多網統一接入示例

（3）實現統一的信令解析

針對全局統籌的情況，進行統一控制，設置統一的信令解析，控制指令針對不同的網絡解析、不同的信令格式進行下發，并自適應地解析各網絡不同的控制信令；還可以通過某一種網絡的信令承載其他網絡的信令，并由MRM模塊統一處理。

3.3 無縫的移動性管理

由前所述，引入MRM模塊和DC模塊，為解決多網絡間無縫移動提供了可選方案的框架基礎。具體地，可采用控制面單連接、數據面多連接的方式，采用某一制式廣覆蓋的宏小區作為控制面錨點，以保證移動性，而數據面由多小區構成數據面服務集。控制面與數據面之間的交互由MRM模塊與DC模塊間的交互實現，不同網絡間控制信令的差異，如前文所述，由MRM模塊統一解析適配。

具體地，當控制面發生切換時，數據面保持不變，即切換分為控制面切換和數據面切換，當控制面切換時，源基站與目標基站先執行控制面連接切換，數據面繼續在源基站執行上下行數據傳輸。當用戶完成控制面切換后，在目標側建立新的數據面。用戶在新的數據面上進行上下行數據傳輸，同時，可通過數據轉發實現數據的無損和按序交付。多網絡部署示例如圖4所示。

圖4 多網絡部署示例

數據面由不同網絡接入點組成用戶服務集，如圖5所示，當前終端連接服務的服務集為{c1,c2}，當終端沿箭頭所示方向移動時，為其服務的接入點發生變化，服務集可隨用戶移動而動態配置,如{c1,c2,c3}→{c2,c3,c4}。當終端在移動過程中服務集發生變化時，可優先進行添加操作，再進行刪除操作，如{c1,c2}→{c2,c3}，先執行小區添加{c1,c2}→{c1,c2,c3}，再執行小區刪除{c1,c2,c3}→{c2,c3}，從而保證用戶數據無中斷以及吞吐量無下降。當到達服務集的控制面覆蓋范圍邊緣時，需要進行控制面切換。

圖5 數據面服務集示例

4 結束語

本文在對當前多網絡共存的現狀及問題進行分析的基礎上，闡述了多網融合涉及的關鍵技術需求，包括用戶/核心網透明的多網統一接入、無縫的移動性管理等。通過對當前網絡架構是否能滿足多網融合技術需求的分析，指出面向5G多網融合的研究需要與網絡架構的研究緊密結合，并給出了一個邏輯架構的示例，通過控制面與數據面的完全解耦以及在更靠近用戶的接入網側分別引入控制面和數據面的邏輯模塊（MRM模塊和DC模塊），為多網絡間靈活融合和切換提供了基礎，為實現用戶和核心網透明的多網統一接入、無縫的移動性管理以及資源的有效利用提供了框架基礎。在此框架的基礎上，具體研究了用戶和核心網透明的多網統一接入和無縫移動性的方案，包括：控制面的統一接入管理，引入靈活的協議適配層，實現統一的信令解析，控制面單連接、數據面多連接等，以縮短網絡間互操作路徑，降低復雜度，提高資源利用率、網絡運營效率和用戶體驗。

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