異質網路整合大躍進　LWA技術上線試水溫

3GPP欲納入Wi-Fi於其運作系統中的發展歷史，可說是淵遠流長，可參考表1，從2008年起，即開始發展融合Wi-Fi技術，但一直到了2015年才從網路與系統端的整合技術，向下整合至無線存取網路(Radio Acces Network, RAN)層級，也就是更接近基地台端(eNB)與貼近用戶設備(UE)的聚合技術，如表1所述之Rel-12：Offload based on RAN-level policies and UE measured quality of 3GPP and Wi-Fi(對應於標準規格文件3GPP TS 36.300之RAN Controlled LTE WLAN Interworking)，雖然網路選擇功能依舊保留於用戶設備，但會更進一步考量通道量測結果，相對於早期發展之整合技術，可預期會有更佳的運作成效，然而，這也只是LWA技術發展的前身；受限於無線存取網路解決方案(RAN Solution)與存取網路探索與選擇功能(Access Network Discovery and Selection Function, ANDSF)之設計，基地台或網路端仍舊無法精準地掌握用戶設備的運作狀況，因此，期望能將更多的控制權交由基地台進行管理，讓基地台可得知用戶設備的即時狀態與通訊品質，大幅改善用戶設備的使用體驗。

LTE與WLAN在RAN層級的整合，於2015年3月無線存取網路第67次全會會議，通過的無線存取網路第2工作組工作項目：LTE-WLAN Radio Level Integration，開始起跑！工作項目與內容，其中之一便在討論LTE與WLAN在RAN層級的整合，而LWA採用了3GPP既有的雙連結(Dual-Connectivity, DC)架構進行設計；接下來，本文將介紹LTE與無線區域網路聚合之主要技術演進與重要技術特徵，其包含以下部分：LWA整體架構、LWA協定架構、LTE與無線區域網路聚合適配協定層、流量控制、行動集、WLAN連線狀態回報、上行資料傳送、WLAN上行資料存取種類設定、加密機制、WLAN網路認證、移動管理優化之安全連線、移動管理優化之封包加密金鑰等。

LWA整體架構

標準規格文件3GPP TS 36.300對於LWA整體架構之呈現，如圖1，可知WLAN端點(WLAN Termination, WT)直接連接於基地台，WLAN端點與核心網路(Core Network, CN)的唯一介面為基地台的S1介面，基地台和WLAN端點則是透過Xw介面溝通，且支援必要功能如介面建立(Xw Setup)、流量控制(Flow Control)、狀態回報(Status Report)、與多載體(Multiple Bearer)傳輸等；LWA的建立，除介面建立外，用戶設備與WT端點的連線建立，如圖2，待用戶設備收到網路端的配置資訊後，即會展開一連串的WLAN連線過程，當然也包含了後端網路確認等程序。

LWA協定架構

如圖3，在LWA的下行部分，經由分封數據匯聚協定(Packet Data Convergence Protocol, PDCP)層進行分流，協定數據單元(Protocol Data Unit, PDU)經由基地台的PDCP單元產生後，除藉由LTE的無線鏈路控制(Radio Link Control, RLC)層與媒體存取控制(Medium Access Control, MAC)層，也可以透過LTE與無線區域網路聚合適配協定(LTE-WLAN Aggregation Adaptation Protocol, LWAAP)層，藉由WLAN送至使用者端的PDCP單元；上行部分，也是同樣此道理；值得注意的是，LWAAP層附加了數據無線載體(Data Radio Bearer, DRB)識別的功能，用以識別數據無線載體之相對應的LWA載體，而WLAN端點會利用新設定的EtherType 0x9E65或是WLAN端點MAC位址，用以轉傳資料。

LTE與無線區域網路聚合適配協定層

此層可說是讓資料能轉傳於LTE與WLAN的重要設計，可參考標準規格文件3GPP TS 36.360，為因應支援多載體傳輸，須於PDCP PDU上，新增標頭加入載體識別碼(Bearer ID)資訊以分辨不同的載體，如圖4，其包含了載體識別附加與移除之功能，如圖5，上行與下行資料傳送皆使用此概念。

流量控制

流量控制機制主要作用於Xw介面，讓基地台決定將多少的流量透過WLAN轉傳，目的在於能將資料順利傳送到用戶設備，而不至於丟失或編號亂序，因此，需要讓基地台得知當下的資料傳送狀況，例如是否有資料遺失；而這邊有趣的地方是，WLAN不受控制於LTE，因此，同時設計了由WT端點與用戶設備回報資訊的方案，讓電信商可以因應不同狀況，例如WT端點或用戶設備能力，讓LWA運作順暢；WT端點資料狀態回報格式，可參考3GPP TS 36.425，如圖6，主要資訊即包含成功傳送的部分(Highest successfully delivered PDCP Sequence Number)、所需之暫存能力(Desired buffer size for the E-RAB、Minimum desired buffer size for the UE)、資料遺失的部分(Number of lost X2-U Sequence Number ranges reported、Start of lost X2-U Sequence Number range、End of lost X2-U Sequence Number range)；用戶設備資料狀態回報格式，可參考3GPP TS 36.323，如圖7，主要資訊即包含成功傳送的部分(Highest successfully received PDCP SN on LTE link)、資料遺失的部分(First Missing PDCP SN、Number of missing PDCP PDUs)；用戶設備回報資訊的方案為一優化方法，主要作用於當WT端點回報資訊不可得時；另一個地方要注意的是，LTE原有設計的PDCP回報部分，不會有規則限制用戶設備傳送的方向，可依據所設定的上行傳輸方向，留給用戶設備自行決定；而在上行資料傳輸方面，可能造成的封包序號不同步的議題，會仰賴目前的PDCP回報與LWA狀態回報(即WT端點和用戶設備資料狀態回報)，來處理封包序號不同步的問題，除了留給用戶設備自行處理外，基地台可以可能參考狀態回報，進行相對應的動作，但皆留給用戶設備或基地台自行處理。

行動集

為了因應WLAN的特有架構，即Thin AP(Access Point)與Fat AP的概念，由於布建的各種可能性，預見了用戶設備移動時與WLAN建立連線的狀況，因此，LTE引進了行動集(Mobility Set)的概念，也就是說用戶設備，在行動集內的AP漫遊，可由用戶設備自己決定所要連結的AP，基地台不會也不需要知道，也不會有進一步的控制，這概念可以想像成，行動集為受到同一個接取控制器管理的一組Thin APs，但跨行動集的漫遊，則需用戶設備回報量測報告給基地台，再由基地台決定其漫遊的行動集或下一步動作；基地台為確保用戶設備的控制權，用戶設備同時間只會保有一個行動集，且一次只能連上一個行動集；行動集所包含的WLAN識別碼，可以是基本服務集識別碼(Basic Service Set Identifier, BSSID)、服務集識別碼(Service Set Identifier, SSID)、同質延伸服務集識別碼(Homogenous Extended Service Set Identifier, HESSID)等，其組成與數量於網路端自行決定；在量測回報方面，除了週期性回報之外，亦設計三種觸發條件，如表2，可詳見於標準規格文件3GPP TS 36.331，其重點亦是呼應了行動集之設計，讓用戶設備於AP漫遊的可行性。

WLAN連線狀態回報

簡單來說，由於WLAN之運作並不受LTE所控制，因此，需要由用戶設備，回報當下的WLAN連線狀態(WLAN Connection Status Report)，讓基地台能夠確保WLAN運作順暢；在WLAN的無線鏈路監控(Radio Link Monitoring, RLM)方面，包含了以下四項回報內容：

(1)WLAN連線失敗(WLAN Connection Failure)：當用戶設備在行動集內，有至少一條的LWA載體無法建立或繼續時，用戶設備送出「WLAN連線失敗」的訊息給基地台，但WLAN連線失敗發生時，用戶設備的LTE載體不受影響，不會執行LTE連線重建，但WLAN的資料接收則暫停或傳送。

(2)WLAN連線成功(WLAN Connection Success)：當用戶設備可以成功連上，基地台所提供行動集內的AP時，用戶設備會回報「WLAN連線成功」給基地台，值得注意的是，一個行動集只需傳送一次「WLAN連線成功」訊息，此外，也搭配時間的限制，以避免用戶設備在收到指示執行LWA後，卻長時間無法執行LWA的情況。

(3)WLAN連線暫時中止(WLAN Temporary Suspension)：目的即考量WLAN之運作，可能某段時間用於作業系統所需，暫時中止WLAN之傳送與接收，但不表示失去WLAN連線，因此新加入此原因回報，在此訊息傳送後，用戶設備依然要保持LWA的設定與配置。

(4)WLAN連線恢復(WLAN Connection Resumption)：接續於WLAN連線暫時中止之訊息，當可恢復運作時，用戶設備則送出此訊息讓基地台知悉；第三與第四訊息是否傳送，可經由基地台控制，但其認定標準則由用戶設備自行決定。

上行資料傳送

WLAN的上行資料傳送，可說是為LWA技術完成很重要的一塊拼圖，同樣地，上行資料傳送也採用了資料分流之設計，包含了上行傳送方向的控制與設定方式，技術採用臨界型分割(Threshold Based Splitting)機制之概念，如圖8所示，但又保有用戶設備自主決定資料封包的傳送方向，藉此達到網路端控制與用戶設備端自主控的平衡點。首先，關於觸動緩衝區狀態回報(Buffer Status Report, BSR)傳送，當上行傳送的載體設定為僅透過WLAN，此載體則不會觸動緩衝區狀態回報傳送。所有可能透過LTE的上行傳送資料，才會計算於BSR中，即排除已送到或決定送到WLAN MAC的上行資料，即目的在於正確估計用戶設備所需之LTE上行傳送資源。

換句話說，透過WLAN傳送之資料，不會再透過LTE重傳之設計，不支援PDCP上行傳輸重傳的機制，也就是從PDCP層完全分流，透過WLAN的上行傳送，將不影響LTE MAC的程序，例如觸動緩衝區狀態回報之內容、格式與傳送，以及邏輯通道之多工與組件等，協定數據單元資料透過WLAN分流之決定權，不會由LTE的MAC、RLC、LWAAP層決定，須注意的是，觸動緩衝區狀態回報僅透過LTE，不透過WLAN；LWA上行傳送所採用臨界型分割機制，網路端會設定臨界型的判斷方式給用戶設備，當可傳送的資料量(Data Available for Transmission)超過臨界值時，用戶設備便可將資料傳往LTE和WLAN。

舉個例子，上行載體被賦予分流設定時，基地台會配置臨界值給用戶設備，其設定方式為未超過臨界值時，僅有單一上行傳送方向，即透過LTE傳送或WLAN傳送，如圖8的兩個例子，但當可傳送的資料量超過臨界值時，用戶設備便可將資料傳往LTE和WLAN，其資料分流量或比例，則留給用戶設備自行決定，沒有細部的限制或設計，留給製造商或研究單位，各展身手。

WLAN上行資料存取種類設定

此設計主要用於上行載體的服務品質級別指標(QoS Class Identifier, QCI)和存取種類(Access Category)之對應的決定與通知方式，參考表3與表4的例子，不外乎是要讓WLAN的服務品質能如LTE的預期。原則上，即在設定WLAN將不同訊務(Traffic)分類成多種的存取種類，而不同存取種類則有相對應的競爭參數及優先權值。

延伸出要注意的事項是，由於在下行傳送的LWA運作中，網路端會先將此載體的服務品質級別指標送到WLAN端點，因此WLAN端點會決定適當的存取種類，進行非授權頻的通道存取；然而，在上行傳送時，用戶設備該要如何決定存取種類？依照WLAN的運作原則，是由傳送端決定存取種類，但LWA採用的，則是LWA載體的服務品質級別指標和IEEE 802.11存取種類的對應，皆會由WLAN端點決定，再利用RRC訊務通知用戶設備，但當沒有通知用戶設備有關存取種類的設定時，才由用戶設備自行決定。是的，LTE總是想要走出自己一條不同的道路。

加密機制

不知讀者是否有發現，當資料封包透過WLAN傳送接收時，加密機制(Encryption)會同時進行於PDCP層與WLAN，當支援傳送速率增加後，分封數據匯聚協定層的負擔，可能也會大大地增加，進而成為傳輸的瓶頸，而重覆的加密動作，會對用戶設備造成額外的電量消耗與負擔，那是否可取消PDCP層的加密動作，藉以減輕分封數據匯聚協定層的負擔呢？結論很簡單，還是進行重覆加密動作，在此方面未進行優化的動作。

WLAN網路認證

關於網路認證(Authentication)，LTE在這邊也設計了一套新的做法，參考3GPP TS 33.401，如圖9所示，和WT端點的安全金鑰產生方式，主要是藉由基地台的金鑰(KeNB)與網路端給用戶設備的數值(WT Counter)，推導出用戶設備與WT端點共同的金鑰(S-KWT)，用戶設備便可與WT端點進行網路連接，換句話說，當基地台金鑰或網路端給用戶設備的數值有更新時，用戶設備便要適時地進行網路重新授權與連接。

移動管理優化之安全連線

原則上，當用戶設備進行LTE換手程序時，LWA可先進行連線釋放，有需求時再次進行WLAN的連線，而在用戶設備保持使用相同無線區域網路時，則有進一步的優化設計，但須考慮無線區域網路的安全連線問題；於上點所述，既然用戶設備進行LTE換手服務，基地台金鑰更新後，共同金鑰也隨之更新，用戶設備應當進行網路重新授權與連接，但，用戶設備是否需要重新進行連結服務的程序呢？其答案也相當有趣！

來自系統架構第3工作群組(SA3)的回覆，需要更新但不必立即更新，而在LTE換手過程中，網路端不需要改變WLAN的共同金鑰，但在之後的某個時間點，仍需要更新，但共同金鑰更新程序可獨自運作，不必然伴隨於LTE換手程序中；也就是說，LTE換手程序和共同金鑰更新程序，為兩個可獨立運作的程序，例如先執行LTE換手程序，但不觸發共同金鑰更新程序，之後在某個時間點，再觸發執行共同金鑰更新程序，用戶設備可只需在再連接時，再進行共同金鑰更新即可。

移動管理優化之封包加密金鑰

同樣於用戶設備進行LTE換手服務時，延伸的問題，用戶設備端與無線區域網路，金鑰(PDCP Key)同步更新或生效的時機？基地台或是用戶設備在加解密PDCP PDU所應使用的金鑰，原則上的設計理念包含：保證不管是基地台或用戶設備不會使用錯誤的PDCP Key；何時該停止透過WLAN傳送下行資料留給基地台實作；對WT端點影響最小；用戶設備可不需要同時保有兩把PDCP Key，留給UE實作。

而標準設計的方案，則歸納到使用用戶平面(User Plane)的解法，使用封包中夾帶End Marker與先新的封包序號，來處理PDCP Key改變的問題，此方法會同時運用在上行與下行方向的資料傳輸中，封包遺失或亂序的處理方式，則留給實作處理或是重複傳送夾帶End Marker的封包，甚至可能因為沒有正確PDCP Key下而丟棄封包。

在此，參考3GPP TS 36.300，如圖10所示，綜觀於LTE換手服務時的相關程序。當網路端發起換手服務時，來源端基地台通知目標端基地台時，會將用戶設備目前使用LWA的資訊與相關量測資訊，一起通知目標端基地台，之後目標端基地台會確認是否要讓用戶設備持續執行LWA，確定持續運作LWA時，目標端基地台會與WLAN端點進行溝通，建立溝通介面等程序，並通知及取得用戶設備資料。目標端基地台回應來源端基地台時，除了相關所需設定外，亦會包含保留LWA設定及運作的訊息，來源端基地台通知用戶設備進行換手時，即會包含適當的行動集與先新的封包序號，用戶平面的封包轉傳也會加上End Marker，確保加解密封包用了適當的PDCP金鑰。

完成LTE換手服務程序後，用戶設備在需再連接時，再進行共同金鑰更新程序，之後的LWA運作，即會包含本文所述之重點技術等程序，例如量測與回報、流量控制、服務品質管理等等。

突破層層關卡桎梏　LWA技術指日可待

談到這裡，讀者們應該有發現，LWA技術之實現，包含了非常多層面的考量，Xw新介面的建立與溝通、通道量測與回報、狀況回報用於傳輸改善、WLAN的安全認證程序、PDCP金鑰的更新、移動管理優化、流量控制、服務品質管理、資料轉傳、數據無線載體之識別、LWAAP層之加入、WLAN上行傳輸之實現等的技術，每一項都可用相當大的篇幅於以說明，更多的細節則僅能留給讀者自行發掘。

文末，附上一點說明，LWA所能支援的運作頻帶，除了2.4/5GHz的無線網路基地台外，亦了支援60GHz頻段，也就是說，即使是IEEE未全部制定完備的版本，例如802.11ax、802.11ad和802.11ay版本的無線網路基地台，也會納入支援LWA的麾下。目前已經可看到，台灣有電信公司採用LWA技術，企圖商用運轉，期望未來有更多電信公司實際部署LWA技術。

(本文由台灣資通產業標準協會提供，作者為工業技術研究院資訊與通訊研究所資深工程師)