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行動數據流量激增 LTE/Wi-Fi整合勢在必行

無線網路產品不斷地推陳出新與網路多媒體日漸發達,促成消費者對行動寬頻的大量使用。根據愛立信(Ericsson)發表的統計報告預測,2019年的無線網路數據流量將是現在的十倍以上,市場對無線網路的頻寬需求將大幅增加,單一無線網路技術的頻寬與覆蓋率已不敷使用。
長程演進計畫(Long Term Evolution, LTE)是市場上備受矚目的第四代(4G)行動通訊主流技術,Wi-Fi(Wireless Fidelity)則是目前使用率最高的無線區域網路。利用LTE和Wi-Fi技術做平行的異質網路整合,可在無線網路數據傳輸上進行分流,幫助營運商解決網路負載過重的問題,達到雙贏的局面。本文將先探討LTE與Wi-Fi個別技術,再進一步介紹第三代合作夥伴計畫(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)所提出的LTE和Wi-Fi異質網路整合技術。

Wi-Fi技術易於布建

 

圖1 Wi-Fi架構

Wi-Fi是指根據無線區域網路(WLAN)標準IEEE 802.11所開發出的通訊技術。Wi-Fi因傳輸功率和CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)的限制並不適用於長距離傳輸。

Wi-Fi所使用的頻段屬於工業、科學與醫療頻段(Industrial Scientific Medical Band, ISM),不須要支付頻段費用使其成本相對低廉,但也因此容易受其他同頻段無線網路設備的干擾,圖1是Wi-Fi的基本網路架構,使用者透過接取點(Access Point, AP)連線到分配系統(Distribution System, DS)進行無線網路服務。

Wi-Fi的傳輸速率在IEEE 802.11ac技術世代時大幅提升,而且Wi-Fi聯盟(Wi-Fi Alliance)提出的Hotspot 2.0,使得手機不用帳號、密碼就能夠自動認證並登入Wi-Fi熱點。另一方面,Wi-Fi擁有易於布建的特性,目前大量布建於小範圍的無線上網,如咖啡廳、私人家庭、辦公室等等。

近年來,Wi-Fi在筆記型電腦、平板電腦、手機和數位電視,甚至印表機跟數位相機等電子裝置都有建置Wi-Fi,是現今使用率最高的無線網路技術。因此,電信業者積極布建Wi-Fi熱點,藉此紓解行動網路日漸龐大的流量。

LTE為4G主流技術

 

圖2 LTE架構

LTE是3GPP組織所提出的技術標準,以第三代行動通訊技術(3G)為基礎,底層的關鍵技術為正交分頻多重存取(Orthogonal Frequency-Division Multiple Access, OFDMA)技術、單載波分頻多重存取(Single-carrier Frequency-Division Multiple Access, SC-FDMA)技術和多重輸入多重輸出(Multiple Input and Multiple Output, MIMO)。

3GPP定義了兩種雙工技術--分頻雙工(FDD)和分時雙工(TDD),主要差別在頻譜結構不同,兩種分工技術皆有廠商採用。圖2是LTE的基本網路架構,用戶端設備(UE)透過傳輸介面與由演進型封包核心(Evolved Packet Core, EPC)和無線存取網路E-UTRAN所組成的網路進行接取。

LTE主要的增強目標為提高系統傳輸速率、增加覆蓋範圍、降低延遲、降低營運商的成本、提供彈性的頻寬範圍和提升移動性。LTE技術仍不斷演進中,為了達到國際電信聯盟(ITU)對於IMT-Advanced的關鍵要求,LTE提出的演進版本為LTE-Advanced,其中提出了多種核心技術,例如載波聚合(Carrier Aggregation),能大幅提升傳輸速率。

Wi-Fi/LTE整合發展增溫

在整合系統設計上,有業者提議,在IEEE 802.11u的標準下,將Wi-Fi修改成能和其他無線網路整合的技術,但本文將只討論3GPP提出Wi-Fi和LTE的無線異質網路整合,以下依非漫遊(Non-roaming)模式、漫遊(Roaming)模式、換手(Handover)的順序介紹。

在非漫遊模式,使用者可以透過Wi-Fi的接取點再使用S2a、S2b或S2c等介面和LTE的演進型封包核心進行資料傳輸,並且提出Trusted和Untrusted兩種類別,S2a介面使用Trusted的類別,S2b介面使用Untrusted的類別,S2c介面可以使用Trusted或Untrusted類別。

在LTE的架構中,演進型封包核心的數據封包網路閘道器(Packet Data Network Gateway, PDN-GW)主要是負責配合行動管理實體(Mobility Management Entity, MME)進行用戶數據封包承載(Bearer)的管理,若在整合架構下,則可以處理從WLAN接取點的數據封包。以下按照介面的不同依序介紹。

首先,用戶端設備連上接取點,再經由S2a介面和PDN-GW進入網路。在S2a介面要特別注意的是,若使用S2a介面必須改造Wi-Fi端的設備使其能夠支援異質網路整合,但是接取點的數量通常很龐大,若要修改設備會是個很大的負擔。

再來,在S2b介面中3GPP新增ePDG(Evolved Packet Data Gateway)元件和SWn接口來確保用戶端設備和演進型封包核心之間數據封包傳輸的安全性,用戶端設備透過接取點,以ePDG和PDN-GW進入網路。

S2a介面和S2b介面都是採用PMIPv6

 

圖3 非漫遊模式下使用S2a介面和S2b介面

(Proxy Mobile IPv6)協定,用戶端設備並不須要新增任何功能或更新版本,用戶端設備的IP位址是由WLAN的無線接取閘道器(Wireless Access Gateway, WAG)所配置的。S2a和S2b介面架構如圖3所示。

 

圖4  非漫遊模式下使用S2c介面

在用戶端設備的封包可直接透過S2c介面跟PDN-GW傳輸,並會根據Trusted或Untrusted類別使用不同的介面(圖4)。S2c介面是基於DSMIPv6(Dual-Stack Mobile IP Version 6)協定,用戶端設備必須更新成支援DSMIPv6的版本,然而,虛擬IP位址是由PDN-GW負責配置給用戶端設備。要特別注意的是,在S2c介面,後端和用戶端設備的軟體版本要維持一致才能運作。雖然S2a介面無須和後端軟體版本維持一致,但在換手的訊息交換可能會造成一些非預期的問題。

 

圖5 漫遊模式下使用S2a介面和S2b介面

在非漫遊模式的架構下,3GPP規畫了一個策略計費規範功能(Policya and Charging Rule Function, PCRF)邏輯元件協助處理演進型封包核心的網路承載計價和服務品質(Quality of Service, QoS)的機制。若要使用漫遊模式的架構,3GPP新增兩個邏輯元件Home PCRF(H-PCRF)和Visited PCRF(V-PCRF)。在漫遊模式的架構下,S2a、S2b和S2c的介面並無變動,只是必須先和V-PCRF進行接取,再透過其他介面跟H-PCRF交換計費資訊(圖5~6)。

 

圖6 漫遊模式下使用S2c介面

最後,在異質網路整合當中,換手是一個重要的議題,3GPP根據介面的不同與是否為漫遊模式,而制訂相關的訊息交換流程。在Untrusted的類別下,ePDG是負責處理Wi-Fi系統來的數據進行交換的核心元件,接下來不論是Trusted或Untrusted的類別都是依序透過E-UTRAN、MME、S-GW、PDN-GW、PCRF、AAA等邏輯元件進行連線、認證、位置更新、會議(Session)建立、網路承載建立等交遞流程,若是使用漫遊模式則需要AAA Proxy和V-PCRF來轉送使用者的認證資料。

無線異質網路整合勢不可當

3GPP提出的標準中有包括系統架構、運作程序、封包協定、漫遊模式與換手等介紹。利用這些技術標準中新增的介面和邏輯元件來支援LTE和Wi-Fi的系統整合,不論在漫遊或換手的情形下都能保持連線不中斷。在標準的設計中,營運商也可以針對自己本身的技術去選擇Trusted或Untrusted類別和S2a、S2b或S2c等介面。

Wi-Fi聯盟提出的Hotspot 2.0可以讓用戶如3G系統般的自動認證,有助提升Wi-Fi的互通性並大幅擴張市場;LTE不論在無線網路的移動性或是傳輸速率上都擁有優勢。LTE與Wi-Fi的整合除可改善LTE蜂巢式系統的邊緣問題外,在網路壅塞的情況下也能進行分流,以因應未來龐大的行動數據資料。