摘要 本文首先分析了WiMax与3GPP长期演进项目（LTE）两种无线接入技术融合的可能性，基于通用链路层（GLL）和协同无线资源管理（CRRM）机制的引入，提出了两种不同的协作程度的互联融合技术的网络架构。引入GLL的目的是为不同的无线接入机制提供统一的链路层数据处理，同时带来两个新的研究子课题：异构发送分集与异构多跳技术。CRRM完成网络间无线资源的协调管理，以达到最优化无线资源利用率和最大化系统容量的目的，几种关键的协同无线资源管理机制包括：接入选择、负载均衡、动态频谱控制技术在文中进行了详细分析及讨论。
1、引言
无线接入互联网和无线多媒体数据业务的巨大需求推动了无线通信技术的快速发展，不同的无线通信技术，如蜂窝通信3G/4G，宽带无线接入IEEE802.16/20以及短距通信WLAN、Bluetooth、UWB等为用户提供各种不同的服务。WiMax具有传输距离远、传输速率高、容量大、信道宽度灵活、安全性高等特点，并已推出最新的支持固定、移动接入的空中接口标准——IEEE 802.16e[1]。与此同时，3GPP组织也在积极开展3G的长期演进项目（LTE）的研究，该技术也采用了以OFDM为核心的关键技术，并计划在2007年推出正式标准。针对WiMax“低移动性宽带IP接入”的定位，LTE提出了相对应的需求，如相似的带宽、数据率和频谱效率指标，对低移动性进行优化，只支持PS域，强调广播/多播业务等。
由于用户对信息通信和带宽的需求不平衡且呈多样化的特点，使得各种无线网络技术都有其生存和发展的空间，WiMax和LTE两种无线技术的融合具有潜在的优势及可能性：
●从运营的角度看，WiMax的目标是要提供一种城域网区域点对多点的宽带无线接入手段，3G及LTE是定位于无线广域网范畴。WiMax可以作为3G及LTE网络的补充，在高速无线宽带接入领域发挥作用。
●从技术的角度看。两者物理层都采用了相似的先进技术，如OFDM、MIMO、自适应链路层技术以及分等级的多种QoS保证机制。两者都设计为基于全IP核心网的蜂窝式网络结构，在无线接入网络（RAN）的结构方面都弱化基站控制器设备实体，采用公共无线资源管理控制基站等概念，这些都为网络的互联及融合机制的研究及设计提供了良好的条件，如负载均衡、动态频谱分配、系统间无损切换等。
异构无线网络融合要获得多无线接入网络增益，必须要求不同的接入技术在设计及应用中能紧密地协作，具体技术包括：协作网络架构的设计；支持快速无缝漫游的MAC及网络协议层设计；协同无线资源管理算法研究；网络自适应及组织理论；动态可重配置终端的设计。
2、WiMax与LTE网络互联架构
一般来说，在研究WiMax和B3G/4G互联结构时，需要考虑如下问题：
●提供网络间相互协作的同时，要折中考虑网络之间的公平性。
●建立一种能提供费用低廉、频谱效率高的架构方案，为移动用户提供种类多样的服务。
●合理定义结构实体，使WiMax和B3G/4G之间以一种性能耗费比更优的方式通信。
●定义总的容量、指标和每个网间架构实体的功能。
●互联架构应当是灵活的，能够在不引入太多新节点和接口的条件下支持其他新型网络的协作。
目前，3GPP在LTE项目的研究中也提出了网络的演进架构和接入网的一些新的演化方向。在R4、R5版本中引入基于IP的骨干网后，3GPP TSG RAN工作组又针对UTRAN架构演进，主要对如何提高无线性能和传输层的协议机制进行了研究[2，3]，并且此工作将在R7中继续。在参考文献[2]几种增强的UTRAN架构提议中，都体现了控制层面和用户层面分离、UTRAN节点功能重定义、小区/多小区/用户相关功能的功能实体分离等。此外，将原先RNC中的部分功能转移到Node B中形成增强Node B（iNode B），这些功能包括：小区无线资源管理、软切换管理、无线和用户数据处理等。
本文基于对WiMax及LTE不同组网技术研究，提出了两种WiMax和B3G/4G系统异构互联的架构，分别针对不同协作层次。值得指出的是，这里互联网络架构的提出主要参考了Ambient Network项目中关于“多空中接口接入”的网络结构[4]，并适当加入必要的节点和接口。因此，同样两个重要的概念及功能体被引入来完成网络间协作：通用链路层（GLL）、multi-radio资源管理。在此互联网络架构中，WiMax与LTE接入网互为补充进行网络覆盖，GLL被引入数据承载节点，如多模终端，承载网关等，以在原有链路层机制上增加协作功能，如分组队列、高层数据头压缩、分割和重传功能等。同时，协调无线资源管理功能体被引入原有的无线资源控制层（LTE）及MAC（WiMax）中，以保证网络协作后整体的无线资源能更有效地利用。
下面对于两种架构中出现的一些网络节点作一些说明：
●协同无线控制服务器（MRCS）：控制了包括承载网关在内的整个异构互联网络，决定网间切换，实现多无线通信系统间的协同无线资源管理，从而提供优质高效的无缝覆盖。
●异构中继节点（RN）：可以实现覆盖的拓展，支持移动台接入到其他系统。
●基站（BS）：WiMax的BS或者B3G的Node B。
●无线控制服务器（RCS）：根据目标网络自身特点实施控制，实现网间切换，无线资源管理（RRM）等功能，且在前一种异构互联架构中为MRCS提供一些有用的网络信息。
●用户终端（UT）：可以连接RN中多个BS/Node B，也可以相互间通信。GLL功能保证接入多个无线系统，并由RCS协调控制。
●承载网关（BG）：因为要处理来自不同网络的数据包，它要包含GLL功能实体，同时将提供到IP核心网的统一接口。
●统一接入点（RAT AP）：具有GLL功能，同时支持WiMax和B3G/4G网络的通信，即至少具有双模功能。
●接入路由器（AR）：主要功能是给接入网的各终端分配IP地址、它可以不具有GLL功能，因为所有RAT-AP能够提供具有统一格式的IP数据包。
本文提出的两种互联网络结构如图1和图2所示。图1是基于松协作模式下场景。WiMax与LTE网络分别进行覆盖，其中WiMax针对热点地区，而LTE针对全网无缝服务。以上行为例，数据传送分别经过终端、基站、承载网关，承载网关通过引入GLL将来自不同网络的数据进行处理并以统一的结构提供给骨干网。无线控制服务及协同无线控制服务节点被引入控制层面，前者来完成相应网络的独立无线资源管理，而后者在协同前者的基础上完成网络间的协同资源管理。因此，这种互联网络架构也可看作基于RCS的集中式架构。
图2是基于紧协作模式下的互联网络架构。在这种场景中，两个网络的基站在物理上进行合并为一个通用的基站节点，支持WiMax与LTE两种空中接口的用户接入。GLL直接引入在这样的通用基站节点中，完成网络的链路层协作功能。基于此，另一个新增的通信功能实体BG作为独立于接入技术的核心网接入路由器而存在；无线控制服务节点在此协作模式下，包含协同无线资源管理的功能，因此不再需要独立的协同无线控制服务节点。
图1 基于RCS的集中式架构
图2 基于无线接入点（RAP）的集中式架构
比较这两种互联网络机构可知，基于RCS的集中式架构是在对原有网络拓扑及协议修改不大的基础上完成的，但在控制层面用于协作的控制信息比较复杂，而由于基站独立设计，网络间的切换较难在链路层实现。基于RAP的集中式架构则代表未来发展的一种网络融合观点，简化了协作控制信息，使网络间协作在更低协议层完成，因而效率更高，但缺点是对目前的网络设计所做修改较大。
3、通用链路层技术
GLL可被看作在原有协议层上增加的一个新的通信层，用来为不同的无线接入机制提供统一的链路层数据处理功能。引入GLL主要是为用户提供更好的服务质量，并为在网络间提高资源的有效利用。GLL的设计可与MAC层进行不同程度的耦合，一般来说，耦合程度越高，系统互联的复杂度越高，但能带来更高的多接入增益，GLL的功能主要包括：
●作为不同接入技术的汇聚层，为上面的各种高层协议（如网络层）提供统一的接口，达到屏蔽不同无线接入技术差异的目的。
●对不同接入技术的RLC（无线链路控制）/MAC功能进行控制及补充，达到资源的有效利用以及最大化应用层性能。
●保持网络协议层的模块化结构，以支持不同的接入技术的融合。
●提供对用户数据包在不同网络间调度，以利于网络分集增益。
●提供链路层状态信息给上层，以支持有效的接入网络间的移动性管理。
图3给出采用GLL后的WiMax与LTE网络融合参考协议架构。其中：PDCP表示分组汇聚协议；BMC表示广播、多播控制协议；CS表示汇聚子层；CPS表示通用部分子层；SS表示加密子层。该协议架构是基于一种紧耦合的方式，GLL放在原有协议的层2之上，但在层3之下。按照LTE提出的控制与数据层面分离的演进思路，GLL分别定义了控制平面（GLL-C）和用户平面（GLL-U）。在用户平面，基于不同网络的不同格式MAC数据通过GLL-U层处理，提供给上层一个统一格式定义的数据流。在控制层面，GLL-C将各网络的下层反馈信息收集，并传递到协同资源管理单元，以进行动态的资源管理。
图3 基于GLL的互联网络协议架构
GLL的引入带来两个重要的关键技术：异构发送分集和异构多跳技术。前者指的是业务流将通过多个接入网络进行串行或并行的传输，以获得多无线接入增益；后者则指多跳无线连接可以采用不同的无线接入技术。
