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技術探索

LTE-WiFi異質網路聚合之設計與實現

中文摘要

  為了支援在未來在5G網路環境中,行動寬頻流量之需求將為現在的一千倍,僅靠現有的4GLTE(Long Term Evolution; LTE)技術勢必將無法提供如此高的流量需求,因此國際標準組織與廠商以LTE網路為核心,整合其他異質網路,以提供更高的行動數據流量。本論文提出LTE與WiFi異質網路聚合的設計與實現方法,以LTE網路為主,並且將資料分流至WiFi網路,讓整個系統具備更高的傳輸頻寬,在實現的系統架構上,在鏈路層(Link Layer)作頻寬聚合,根據即時的通道特性,來分配無線資源,獲得較佳的系統效能;基於LTE與WiFi網路本質上的不同,使得在進行資料封包接收時,會有封包失序(packet out of order)的問題發生,我們利用現有的LTE封包重置機制來解決該問題,進而提升資料封包的可靠度與減少資料封包重送的發生。

Abstract

  Since current 4G LTE technology cannot support the 1000x mobile traffic volume which is the requirement of the fifth generation (5G) network, the standard development organizations and the manufactures integrate the LTE and the other heterogeneous networks so that the traffic volume will be improved. This paper proposes the method to design and implement the bandwidth aggregation in LTE-WiFi heterogeneous networks. We use the LTE network as the primary interface and offload the data to the WiFi network, as the secondary interface, in order to perform higher data bandwidth than only using one of the LTE or WiFi network. We implement the method in the link layer so that we can coordinate the radio resources accordi ng to the channel condition and get better system performance. Due to the difference of the LTE and WiFi networks, we encounter the problem of packet out of order when receiving data packets. This problem is solved with the reordering mechanism in LTE technology; as a result, we can enhance the packet reliability and reduce the number of packet retransmission.

關鍵詞(Key Words)

異質網路(Heterogeneous Network;HetNet)
多重無線電接取技術(Multi-Radio Access Technology; Multi-RAT)
封包重置(Packet Reordering)
小型基地台(Small Cell)

1. 前言

  因應行動寬頻流量之需求將在10年內成長1000倍、2020年全球連網裝置之數量將增加至500億台、機器通訊等需求的出現[1], 包含歐盟的5G-PPP(5G Infrastructure Public Private Partnership) [2]、中國的IMT2020 [3]、南韓的5G Forum [4] 與日本的ARIB (Association of Radio Industries and Businesses) [5]等,紛紛已投入5G技術發展。雖然5G在技術規格、網路標準與發展時程尚未明確規範, 然而重要國際組織與廠商皆以2020年為目標,進行規劃5G技術的相關布局。

  多重無線電接取技術利用行動裝置同時具備LTE與WiFi網路存取介面之特性, 可根據當前網路使用之狀態及資料流的特性, 以多網路存取介面進行最佳化網路配置,滿足行動裝置在應用服務傳輸之網路服務品質(Quality of Service; QoS)需求,並提升網路使用效率。在現有眾多不同的無線電技術中,WiFi無線網路與LTE行動通訊網路的整合是目前最被看好的無線電整合技術,原因在於LTE行動通訊網路與WiFi無線網路在本質上有許多不同,卻又能彼此互補。LTE行動通訊網路經過長期的發展,已能提供極高的涵蓋範圍,該使用者不受地域的限制,隨時隨地都能使用行動服務,此外,LTE網路還擁有良好的使用者移動性管理及服務品質保障機制;另一方面,WiFi無線網路具有低成本及高頻寬的優點,而且使用非授權頻帶(Unlicensed Band),使用上無需支付執照費用,因此被廣泛地使用,然而在移動性管理及認證付費機制上不及LTE網路來得健全。在本文中提出一LTE與WiFi異質網路聚合系統,稱為MRC (Multi-RAT Combination)系統,整合LTE行動通訊網路與WiFi無線網路,以提供使用者更高的資料傳輸率。

 後續章節編排如下:首先探討在LTE 與WiFi異質網路聚合的架構比較; 接下來介紹我們所使用的LTE小型基地台;再來則是說明我們針對LTE與WiFi異質網路協同接取所設計的MRC系統;最後總結結論。

2. 相關技術介紹

  目前於行動通訊系統發展趨勢中,將小型基地台結合4G LTE與WiFi資源結合以作為資料分流與頻寬聚合的作法, 依整合的程度與位置之不同而有以下四種架構,如圖1所示

  • 架構一(圖1 (a)),於應用層作負載分流,負載不進入Cellular核心網路;亦即獨立應用鬆耦合(Loosely Coupled Independent Applications):建立Cellular與WiFi共同的使用戶認證機制,獨立的應用分別透過獨立的WiFi及行動通訊系統與手機通訊,並在應用層決定分流的機制。
  • 架構二(圖1 (b)),於應用層作負載分流,特定應用之負載得進入Cellular核心網路; 亦即獨立應用緊耦合(Tightly Coupled Independent Applications):獨立的應用分別透過獨立的WiFi及行動通訊系統與手機通訊,且由後端具有高度整合的核心網路,決定何種特定應用負載進入核心網路,何種應用負載則進入一般網路的分流機制。
  • 架構三(圖1 (c)),透過IP層閘道器作IP Flow Level頻寬聚合;亦即單一應用鬆耦合(Loosely Coupled Single Application):單一的應用分別透過獨立的WiFi及行動通訊系統與手機通訊, 且透過一IP層閘道器與核心網路介接,並決定每一IP Flow的聚合與分流機制。
  • 架構四(圖1 (d)),於鏈路層作Link Level頻寬聚合;亦即單一應用取耦合(Tightly Coupled Single Application):單一的應用透過行動通訊系統核心網路完全控制(Fully Cellular-oriented Controlled),並於WiFi 及行動通訊系統的實體層(Physical Layer) 與協定層(Protocol Layers), 根據即時的通道特性,決定有效率的無線資源分配與最終的分流機制。

圖1 Cellular與WiFi網路頻寬聚合之四種架構

圖1 Cellular與WiFi網路頻寬聚合之四種架構

  架構一不需更動系統規格便可達成,為現行的作法,然而並未對原來兩個系統的資源利用進行管理;架構二需更動系統規格,為現行標準組織正在持續努力的目標;架構三不需更動系統規格,且透過一IP層閘道器與核心網路介接,便可達成於IP層作無線資源管理及頻寬聚合之目的;架構四需更動系統規格,然而卻可透過實體層與協定層之協同運作,極其充分地利用無線資源管理達成頻寬聚合之目的,為標準組織於未來所努力的目標,也是本篇文章所探討的重點。比較上而言,若依產品技術差異化程度由大而小排序,分別為架構四、架構三、架構二、架構一;若依無線資源管理程度與系統性能由高而低排序,結果亦同。所以本篇文章將以架構四為主要開發之目標,使MRC系統在鏈路層進行頻寬聚合,以LTE網路為主要的介面,WiFi網路為次要的介面,整合兩種網路介面進行資料傳輸。

圖2 LTE小型基地台功能方塊圖

圖2 LTE小型基地台功能方塊圖

3. LTE小型基地台

  在LTE與WiFi異質網路聚合系統開發中所使用的LTE小型基地台為自行研發, 該平台包括德州儀器(Texas Instruments; TI) 的TCI6638[6] 開發板(6638 EVM Board)、ADI 936x RF模組[7]和一台PC Host用來執行核心網路模擬軟體、RRC (Radio Resource Control)[8]協定軟體、RRM (Radio Resource Management)軟體和S1AP 協定軟體(S1 Application Protocol)[9],圖2為LTE小型基地台的功能方塊圖。
  TCI6638 開發板上包括8 顆1.0/1.2 GHz TMS320C66x DSP (Digital Signal Processor)處理器,上面執行由TI所提供的即時作業系統-SYS/BIOS[10]

  基於不同處理器的負載工作考量, 目前僅使用5顆DSP處理器, 其餘DSP處理器會用在未來的功能擴充之上, 使用的DSP處理器負責的工作分別敘述如下:

  • Core0 : 負責執行PDCP (Packet DataConvergence Protocol) 協定軟體、RLC40 ICT Journal No.162(Radio Link Control)協定軟體、與部份MAC (Medium Access Control) 協定軟體, 其負責的功能為多工(Multiplexing)與解多工(Demultiplexing)。
  • Core1:負責執行其餘MAC協定軟體所提供的功能, 包括隨機存取(Random Access) 、混合式自動重送請求(Hybrid Automatic Repeat request; HARQ) 和無線資源排程。

  • Core2:負責基頻的傳送功能。
  • Core3:負責基頻關於控制面向的接收功能。
  • Core4:負責基頻關於用戶面向的接收功能。

  ADI 936x RF模組與負責基頻功能的DSP處理器是利用通用公共無線介面(Common Public Radio Interface)[11]來進行資料的傳送與接收; 在PC Host上的RRC與S1AP各自透過Ethernet與TCI6638開發板互相傳送控制面向與用戶面向的資料封包。

圖3 MRC系統架構圖

圖3 MRC系統架構圖

4. MRC系統

  本章描述MRC系統架構,如圖3所示,區分為MRC基站端與MRC用戶端。在MRC基站端的架構,與在第3章中所描述的LTE小型基地台之平台相仿, 其差別僅在於把原本在PC Host上的S1AP 軟體替換成MRC_Srv軟體,並且在PC Host上執行MRC基站端所需使用的WiFi AP軟體,透過PC Host內建的WiFi網卡來提供WiFi網路;MRC用戶端則是使用一台PC Host,同時裝載LTE與WiFi無線網卡, 分別連接上MRC基站端所提供的LTE與
WiFi網路。以下將個別說明MRC基站端與MRC用戶端的軟體架構。

4.1 MRC基站端軟體架構

  圖4為MRC基站端的軟體架構圖,其內部元件及其功能說明如下:

  • Core Network Simulator: 為在PC Host執行的軟體, 負責模擬Cellular 核心網路, 提MME(Mobility Management Entity) 、Serving-Gateway 和PDN(Packet Data Network)-Gateway的功能。
  • RRC:為在PC Host執行的軟體,負責提供LTE RRC協定之服務,包括:系統資訊廣播、Paging、換手服務和連線管理。
  • MRC_Srv:為在PC Host執行的軟體,在封包的傳送上,MRC_Src會根據LTE和WiFi網路的能力, 將資料進行分流(Traffic Steering);在封包的接收上,基於LTE和WiFi網路本質上的不同,會有封包失序的問題發生, 所以我們在MRC_Srv軟體中,移植LTE RLC的封包重置(Packet Reordering)機制,根據封包序號(Sequence Number)還原封包順序。
  • WiFi AP:為在PC Host執行的軟體,使用hostapd[12]來架設WiFi AP, 提供WiFi無線網路。
  • LTE L2:為在TCI6638 DSP上執行的軟體,實現PDCP、RLC和MAC協定所具備之能力。
  • LTE L1:為在TCI6638 DSP上執行的軟體,實現LTE基頻所提供的功能。

圖4 MRC基站端軟體架構圖

圖4 MRC基站端軟體架構圖

4.2 MRC用戶端軟體架構

  圖5為MRC用戶端的軟體架構圖,我們使用Linux作業系統,在核心中增加一個虛擬的網卡介面,稱為MRC_Cli核心模組;在封包傳送上,MRC_Cli核心模組會根據當時LTE與WiFi的負載狀況,決定封包該經由何種網路介面傳送;在封包的接收上,與MRC_Srv相仿,我們在MRC_Cli核心模組中也移植LTE RLC的封包重置機制,差別僅在於MRC_Cli核心模組被實現於Linux核心之中,所以實作的方式必須符合Linux核心的規範。

圖5 MRC用戶端軟體架構圖_

圖5 MRC用戶端軟體架構圖_

4.3 MRC系統流程

  我們假設LTE與WiFi網路的控制訊息仍按照其原本的通訊協定運作,在分別建立連線之後的資料傳輸才會使用MRC系統流程,圖6為MRC系統資料封包流程示意圖,將分成下行方向(Downlink) 與上行方向(Uplink) 兩部份說明; 下行方向指的是由位於外部網路的RemotePeer 透過MRC基站端將資料傳送給MRC用戶端;反之,上行方向則是由MRC用戶端,透過MRC基站端將資料傳送給位於外部網路的Remote Peer;圖6中所使用的箭頭(雙箭頭指的是同時具備上行與下行兩個方向;單箭頭則是指僅具備上行或下行其中一種方向)與其斜體字則是用來標記MRC系統的流程,以便接下來的流程說明。

4.3.1 MRC系統下行流程
  1. 步驟D-1: 位於Remote Peer的應用程式將資料封包,經由本機端的傳輸層(Transport Layer)和網路(Network Layer), 將產生出來的資料封包透過乙太網路(Ethernet)傳送至MRC基站端的PC Host。
  2. 步驟D-2 : MRC基站端的PC Host使用核心的Netfilter [13]模組將資料封包接收到MRC_Srv處理,MRC_Srv會決定資料封包要經由LTE或WiFi網路傳送到MRC用戶端;為了解決封包失序的問題,MRC_Srv 會對資料封包做重置處理, 並加上MRC標頭(Header), 其中包括長度為18個位元的封包序號。
  3. 步驟D-3: 假設MRC_Srv決定將資料封包經由LTE網路傳送, 則會將封包加上GTP-U (GPRS Tunneling Protocol User Plane)協定標頭,然後經由核心的傳輸層和網路層, 透過乙太網路傳送至MRC基站端的TCI6638開發板。
  4. 步驟D-4:MRC基站端的TCI6638開發板收到來自PC Host的資料封包之後,經由LTE L2(Layer2)的處理,加上PDCP、RLC和MAC的標頭,透過LTE基頻傳送至MRC用戶端。
  5. 步驟D-5: 假設MRC_Srv決定將資料封包經由WiFi網路傳送, 則會利用Raw Socket的方式將資料封包經由WiFi網卡傳送至MRC用戶端。
  6. 步驟D-6:MRC用戶端透過LTE無線網卡接收來自LTE網路的資料封包, 依照LTE協定處理之後, 傳送至MRC_Cli核心模組, 按照MRC標頭進行封包重置。
  7. 步驟D-7:MRC用戶端透過WiFi網卡接收來自WiFi 網路的資料封包, 依照WiFi協定處理之後, 傳送至MRC_Cli核心模組, 按照MRC標頭進行封包重置。
  8. 步驟D-8:經過MRC_Cli核心模組的封包重置處理之後,還原成原本從Remote Peear送出的資料封包, 再經由傳輸層和網路層, 傳送至位於使用者空間的應用程式。

4.3.2 MRC系統上行流程
  1. 步驟U-1: 位於MRC用戶端的應用程式將資料封包, 經由本機端的傳輸層和網路層, 將產生出來的資料封包傳送至MRC_Cli核心模組做處理; MRC_Cli核心模組會根據當前LTE與WiFi介面的負載狀況決定資料封包該經由何種介面傳送; 此外, 與MRC_Srv相仿, 為了解決封包失序的問題, MRC_Cli核心模組會對資料封包做重置處理,並加上MRC標頭。
  2. 步驟U-2:假設MRC_Cli核心模組決定將資料封包經由LTE網路傳送, 資料封包會被傳送至MRC基站端的TCI6638開發板,進行LTE基頻與L2的處理。
  3. 步驟U-3:在MRC基站端的TCI6638開發板完成處理的資料封包會透過乙太網路傳送至MRC基站端的PC Host。
  4. 步驟U-4:在MRC基站端的PC Host中,經由LTE網路所接收上來的資料封包, 經由核心的傳輸層與網路層的處理之後, 會傳送至使用者空間的GTP-U處理,然後再送給MRC_Srv,按照MRC標頭進行封包重置。
  5. 步驟U-5:假設MRC_Cli核心模組決定將資料封包經由WiFi 網路傳送, 資料封包會被傳送至MRC基站端的PC Host。
  6. 步驟U-6:在MRC基站端的PC Host中,經由WiFi網路所接收的資料封包, 會利用PCAP (Packet Capture)函式庫[14]擷取至MRC_Srv,然後,按照MRC標頭進行封包重置。
  7. 步驟U-7:經過MRC_Srv的封包重置處理之後,再利用Raw Socket的方式將資料封包經由乙太網路傳送至外部網路。
  8. 步驟U-8:Remote Peer經由乙太網路接收來自外部網路的封包, 再透過核心的傳輸層和網路層的處理, 將資料封包傳送給位在使用者空間的應用程式。

圖6 MRC系統流程示意圖.

圖6 MRC系統流程示意圖.

5. 結論

  本文提出了整合LTE與WiFi異質網路聚合之設計與實現方法,在鏈路層處理LTE與WiFi多重無線接取的資料封包管理與分配,利用在基站端與用戶端開發協作接取的軟體,可以依照當前各網路的負載狀況,控制資料封包的傳送方式,以有效地達到提升整個系統的傳輸頻寬;根據實驗的結果,假設LTE與WiFi的傳輸頻寬為1:1,則進行網路聚合之後的傳輸頻寬約可達到LTE與WiFi傳輸頻寬加總之後的80%,其頻寬減少的原因在於封包重置機制的使用;另外,3GPP在Release 12的規格中,也開始加入關於LTE與WiFi異質網路聚合的相關標準,我們亦根據3GPP的標準規格調整我們的實作架構,並重新評估系統效能。

  在異質網路協作接取發展中,所面臨的封包失序問題,在本文中提出在異質網路聚合軟體中,應用LTE的封包重置機制來保證資料封包接收的順序,以提高其可靠度,並且也採用其重送機制,當發生資料封包遺失時,可以重送該封包。本文所提出的實作架構是基於我們自主開發的LTE小型基地台加以改良,透過與WiFi網路相互結合而提升傳輸頻寬的方式,可以增加LTE小型基地台的附加價值。

參考文獻

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  9. 3GPP. 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN); S1 Application Protocol(S1AP) (Release 10). 3GPP 36.413,September 2014.

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  12. Hostapd: IEEE 802.11 AP, IEEE 802.1X/WPA/WPA2/EAP/RADIUSAuthenticator. [Online]. Available:http://w1.fi/hostapd/

  13. Netfilter Modules. [Online]. Available:http://netfilter.org/

  14. Tcpdump & libpcap. [Online]. Available:http://www.tcpdump.org/

  15. 3GPP: The 3rd Generation Partnership Project. [Online]. Available:http://www.3gpp.org/

作者簡介

王立昌

現任資通所新興無線應用技術組軟體設計部工程師。2007年畢業於國立成功大學資訊工程研究所,2008年起服務於工業技術研究院。專長為嵌入式系統開發、無線網路。
E-mail: LCWang@itri.org.tw

蔡廷銘

現任資通所新興無線應用技術組軟體設計部技術經理。1994 年取得國立清華大學核子工程博士學位。,2004年起服務於工業技術研究院。專長為測試及偵錯。
E-mail: tmtsai@itri.org.tw