下一代移动数据网—WLAN蜂窝数据网

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本文转自《中国通信》
导读：无线本地网（WLAN）技术和蜂窝数据网互工作的需求推动WLAN蜂窝数据网的发展，本文介绍WLAN网和蜂窝数据网两种融合方式，即紧耦合系统和松耦合系统，使其具有鉴权，论证，计费，漫游、终端移动和业务移动性。

一、 引言

　　第二代蜂窝系统在话音和低速数据（<9.6Kb/s）业务中具有较高的移动性和类似有线业务质量，它采取基于数字技术如GSM， CDMA - One全球标准和漫游协议。第二代蜂窝系统的低带宽利用率和复杂性促使研究与开发可提供300 Kb/s至2 Mb/s数据速率业务的第三代蜂窝系统。由于第三代蜂窝网络迟迟未面世和在新频谱上大量投资等原因，2.5G蜂窝数据技术，如提供无线数据速率100 Kb/s业务的GPRS就应运而生。目前的局面是2.5G蜂窝数据技术不能有效地满足市场需求，而第三代蜂窝数据技术又不成熟。研究开发的注意力转向无线本地网（WLAN）技术与蜂窝数据网的融合，使其具有鉴权、漫游、终端移动和业务移动性。因此，把WLAN技术开发融合至蜂窝数据网中并解决WLAN网与蜂窝数据网之间的互操作已成为无线数据环境中一个关键课题。

二、WLAN蜂窝数据网

　　蜂窝数据网在大覆盖区域可提供相对低数据速率（100 Kb/s）业务，而WLAN网可在小覆盖区提供高数据速率（802.11b的11 Mb/s，802.11a的54 Mb/s）业务。若把上述双方优势综合起来，在一些关键位置间以低速或高速漫游，提供数据速率普遍适用的宽域业务网。

　　2.1 漫游

　　图1示意WLAN蜂窝数据网漫游，移动用户利用WLAN的高带宽和无缝链接接入获取业务。在多接入网选择结构上有两类：一类是蜂窝运营商管理WLAN，另一类是无线互联网业务提供商(WISP-Wireless Internet Service Provider)拥有WLAN。前一类结构中，鉴权和计费业务由蜂窝运营商提供，蜂窝运营商和WISP间多重漫游协议准许蜂窝用户使用WISP。在后一类结构中，WISP可选择其鉴权和计费机理。


                              图1 WLAN蜂窝数据网漫游
　　

　　2 2会话移动性

　　这里会活是指在终端用户和外部实体间IP分组的流通。在漫游中，会话移动性不同于漫游，不需用户干涉便维持基于IP的会话移动性。当移动终端移出WLAN的覆盖区，能检测WLAN覆盖的失检并无隙缝地转接至GPRS。反之，当移动终端移进WLAN的覆盖区，IP分组会自动转接至WLAN网络。

　　2.3标准与互操作结构

　　标准的目的是确定互工作标准接口，确保在多种WLAN和多类蜂窝网上无缝隙工作。诸如ETSI, BRAN，IEEE 820.11，IEEE 802.15和MMAC等标准机构已联合成立无线互工作小组（WIG-- Wireless Inter working Group）研究WLAN和蜂窝网之间互工作问题。3GPP也赞同WLAN / GPRS互工作方案。

　　目前，归纳有六个互操作方案：

　　方案1： 公共计费和用户维护：这是六个互操作方案中最简单的一种，WLAN和GPRS间无实质性互工作性能。

　　方案2： 基于3GPP的接入控制和计费，利用GPRS系统的AAA对WLAN用户进行鉴权，认证和记费。WLAN的用户以SIM卡进行类似GPRS环境中的鉴权，以GPRS环境中签名进行认证，而对于GPRS用户通过WLAN提供IP连接。

　　方案3：接入获取基于3GPP GPRS业务：此方案目标是允许蜂窝网运营商给WLAN环境的用户提供接入获取基于GPRS业务。蜂窝网运营商设置无线应用协议（WAP-- Wireless Application Protocol）网关，给用户提供WAP业务，WLAN的用户也可获取WAP业务。基于GPRS业务包括： IP多媒体业务，基于位置业务，瞬时消息等。

　　方案4：业务连续： 除了保留跨越GPRS和WLAN系统业务连续性外，还允许接入获取基于GPRS业务。从GPRS网中获取WAP业务的用户在移至WLAN覆盖区后也能够连续接入获取WAP业务。

　　方案5：无隙缝业务： 在GPRS和WLAN间提供无隙缝业务。

　　方案6：接入3GPP电路交换业务：准许蜂窝运营商接入获取来自WLAN电路交换业务，还可获取无隙缝移动性。

　　WLAN和蜂窝网的互工作结构有多个方案，欧洲电信标准协会（ETSI）提出两种通用方案，即：松耦合和紧耦合结构。在松耦合方案中，WLAN作为GPRS的辅助接入网，WLAN利用在GPRS网中用户数据库，而与GPRS核心网间并没有直接数据接口。在图2示意的简化GPRS参考模型中，可以认为WLAN和GPRS间松耦合主要在Gi参考点，WLAN旁路GPRS网络，数据直接接入到分组数据网（PPN -- Packet Data Network）。而在紧耦合中， WLAN数据流量通过Gb或Iu-PS参考点连接到GPRS核心网再送至外部PPN，详见图2。



      图2 WLAN数据流量通过参考点连接到GPRS核心网再送至外部PPN


三、紧耦合系统结构

　　紧耦合结构一般具备上述方案1至4的要求。若依靠WLAN技术支持类似GPRS Release 1999 QoS 性能，紧耦合结构还需满足方案5的要求。图3示意802.11 WLAN和GPRS网络的互工作紧耦合结构。

                图3 802.11 WLAN和GPRS网络的互工作紧耦合结构


　　802.11 WLAN连接到Gb接口，该结构具有下述特点：

　　* 跨越WLAN和GPRS网的无缝隙业务连续性，当业务在WLAN和GPRS覆盖区来回移动时，能够保持无隙缝业务连续性；

　　* 复用GPRS AAA；

　　* 复用GPRS核心网资源，用户数据库，计费系统；

　　* 安全性；

　　* 接入获取核心GPRS业务。如：短消息业务（SMS），基于位置业务，多媒体消息业务(MMS）。

　　3.1 系统

　　WLAN网络具有多个接入点（AP -- Access Point），多个接入点连接成分布式系统（DS -- Distribution System），在图3中DS为IEEE 802.3的 LAN，AP作为基站，单个AP的覆盖区称之基本业务集（BSS -- Basic Service Set），移动站仅与AP交换数据，每个WLAN由若干个BSS组成并构成扩展业务集（ESS -- Extended Service Set）。

　　WLAN网络可作为备用RAN网络，以标准Gb接口与GPRS核心网相联。WLAN作为系统中GPRS路由区（RA -- Routing Area)，GPRS核心网不区分WLAN无线路由区和GPRS无线路由区。系统关键功能单元是GPRS互工作功能（GIF-- GPRS Inter working Function），它以Gb接口与SGSN相联，给GPRS核心网提供标准接口。 现有GPRS协议，如逻辑链接控制（LLC -- Logical Link Control）,与子网相关收敛协议(SNDCP -- Sub network Dependent Convergence Protocol), GPRS移动性管理(GMM -- GPRS Mobility Management)和会话管理(SM -- Session Management)均用于GPRS和WLAN覆盖区，WLAN仅给GPRS协议提供新的无线传输途径。

　　当MS位于WLAN覆盖区之外，WLAN接口处于被动扫描状态。检验业务识别器(SSID -- Service Set Identifier)作为WLAN的识别器帮助MS接入WLAN。一旦，在指定频段搜索接受到信标信号，就检验SSID并与已识别SSID进行比较。当MS检测到SSID时，运行鉴权算法，并传输GPRS信令。

　　双模MS可以无隙缝地同时支持接入GPRS 和WLAN，采用RA更新（RAU -- RA Update）过程承担GPRS核心网的无隙缝移动性管理。当MS进人WLAN覆盖区，启动RAU过程，在WLAN接口中传输子序列GPRS信令和用户数据。GPRS核心网把GPRS 和WLAN间的越区切换视为两个单独小区的越区切换。

　　在802.11 WLAN中，MS把IEEE 802地址作为介质接入控制(MAC)地址和DS地址。如图3示意，WLAN中MS把上行GPRS流量送至GIF的MAC地址,下行GPRS流量从GIF送至MS的MAC的地址。

                              图4示意在Gb接口上紧耦合结构的参考图


　　图4示意在Gb接口上紧耦合结构的参考图。其中，MS有两个无线子系统，一个用于GPRS接入，另一个用于WLAN接入。当MS具备有效AP时，WLAN适配功能(WAF -- WLAN Adaptation Function)通知LLC层，把信令和数据送至WLAN。

　　3．2 协议结构

                       图5为在Gb 接口上紧耦合系统协议结构。

　　图5为在Gb 接口上紧耦合系统协议结构。其中，两个无线子系统支持传输GPRS信令和用户数据。第一个无线子系统由GPRS指定的无线链接控制（RLC） /MAC物理层组成，而第二个无线子系统由802.11指定的MAC和物理层组成，两个子系统提供交替传输LLC分组数据单元（PDU—Packet Data Unit）。在 WAF帮助下，当MS位于WLAN区域之外，LLC PDU在GPRS接口Um上传输，而当MS位于WLAN区域内，LLC PDU在WLAN接口上传输。

　　在移动模式的LLC和802.11 MAG互工作时，或在GIF模式的802.3 MAC和基站子系统GPRS协议(BSSGP)互工作时，MS和GIF的WAF均提供适配功能。

　　GIF执行Gb接口的GPRS协议，AP执行802.11 和802.3协议。

　　3．3 WLAN适配功能

　　紧耦合系统的主要单元是WLAN适配功能(WAF)，位于双模MS 和GIF中，WAF支持互工作功能。在WAF帮助下，可在802 .11 WLAN上传输GPRS信令和用户数据。

　　WAF提供下述功能：

　　* 当MS进入WLAN区域内，WAF激发WLAN接口。当MS进入WLAN区域内并与AP建立联系时，WAF启动RA转换至GMM。

　　* 支持GIF/RAI发现过程，即MS启动寻找GIF的MAC地址和WLAN的RAI。

　　* 当SGSN寻呼MA时，WAF支持在Gb接口的寻呼过程并给MS发出信令。

　　* 以802.11 MAC提供的传输业务把来自MS的上行LLC PDU送至GIF，把来自GIF的下行LLC PDU送至MS。

　　* 以GIF 和MS的传输调度支持QoS。

　　* 变换WAF分组头中临时逻辑链路识别(TLLI -- Temporary Logical Link Identities)和QoS信息。

                         图6 上行链路分组头和WAF PDU格式


　　上行链路分组头和WAF PDU格式示图6，每个LLC PDU组装成WAF PDU格式，分组头中含有TLLI和QoS。为支持寻呼过程，GIF利用TLLI更新内部映射表，利用802 MAC地址纠正与IMSI 的相关性。利用TLLI和802 MAC把来自GIF的下行LLC PDU送至Gb接口并纠正WLAN的移动性。在上行链路用于MS和GIF的QoS中，含有峰值吞吐量，无线优先权和RLC模式等信息。而在下行链路，不需给MS传输QoS信息。

　　3．4 GIF / RAI发现过程

　　在MS进入WLAN区域内与AP联系后，GIF / RAII发现过程是立即执行的关键过程。MS的WAF启动下述过程：

　　* 发现GIF的MAC地址，把上行链路的LLC PDU送至MAC地址。

　　* 发现WLAN网络的RAI。

　　* 给GIF发出MS的IMSI, GIF运用IMSI支持GPRS寻呼过程。一旦有MS的IMSI，GIF把来自SGSN的寻呼信息发出。

                      图7 在GIF / RAI发现过程的信令流程


　　图7说明MS获取AP后，在GIF / RAI发现过程中，启动信令流程。MS中WAF向MAC请求发射MS MAC的源地址(SA -- Source Address)和终地址，包含地址Addr1,addr2,Addr3的PDU。PDU是GIF / RAI发现过程中包含MS IMSI的

　　请求信息，PDU指向包含BSSID 的AP，AP把此信息广播至DS并被GIF接收。GIF中WAF以GIF / RAI发现过程响应，MS接收该响应并存储GIF地址。GMM启动GPRS RAU过程，在WLAN上运行GPRS信令和用户数据。在紧耦合系统的WAF支持下，MS可无隙缝地在WLAN和GPRS间接入移动，运用GPRS可进行移动性管理。

                 图8 WLAN 与GPRS在IP网上的松耦合系统结构


四，松耦合系统结构

　　图8示意WLAN 与GPRS在IP网上的松耦合系统结构。与紧耦合系统比较,WLAN数据流没有通过GPRS核心网，而直接链接到IP网上。基于SIM的鉴权可同时支持接入WLAN和GPRS获取业务。松耦合系统结构采用标准IETF协议用于鉴权，计费和移动性管理，不必把蜂窝网技术引到WLAN网上，漫游可跨越各种类型WLAN。

　　4．1 鉴权

　　图9示意在WLAN网中运行的类似GPRS鉴权，也可采取基于SIM的鉴权。

                   图9 在WLAN网中运行的类似GPRS鉴权


　　蜂窝接入网关(CAG -- Cellular Access Gateway) 在IP核心网中提供AAA业务，对WLAN用户也起到鉴权功能， CAG和HLR一起可用于MS的鉴权查询和证实响应。WLAN中扩展鉴权协议(EAP -- Extensible Authentication Protocol) 支持MS 的鉴权，用户识别，基于SIM的鉴权数据和会话密钥。图9中信令遵循802.1X原理和GSM / AKA鉴权。在MS与AP联系后，启动鉴权过程。即：MS发出EAP-Over-WLAN(EAPOW) 初始信息启动802.1X鉴权步骤2和3。以标准EAP申请和响应信息识别MS，发出接入申请信息，AP启动RADIUS和CAG会话，CAG使用IMSI和识别信息来驱动HLR地址。在步骤5和6，CAG从HLR捡索鉴权信息，如UMTS鉴权信息，GSM鉴权信息，鉴权信息中含有随机查询(RAND)或期望查询(XRES)。在步骤7和8，RAND送至MS，在SIM中运行鉴权算法并产生查询响应信息(SRES)。在步骤9和10，SRES传输至CAG并与从HLR接收的XRES比较。在两数值匹配时，步骤11产生RADIUS接入准许并准许AP证实802.1X接口。在步骤12，AP发射标准EAP信息和EAPW关键信息用于MS的密钥。

　　图10示意上述鉴权的协议结构，运用GSM AKA和UMTS AKA机理。



                   图10　运用GSM AKA和UMTS AKA鉴权机理


　　4．2 加密

　　802.11 WLAN标准的加密技术，如有线等效密码(WEP -- Wired Equivalent Privacy)有不足之处。在EAP的帮助下，WEP采取特殊会话密钥可运用到WLAN的用户中。图10 运用GSM AKA和UMTS AKA鉴权机理

　　4．3 计费

　　在松耦合结构中，以计费调解功能支持综合计费。WLAN中AP通过AAA向CGA报告综合计费数据，GPRS核心网也报告从属GPRS的计费统计数据，计费系统可以是现有GPRS系统，或者ISP使用的基于IP系统。

　　4．4 会话移动性

　　紧耦合结构以GPRS移动性管理用于会话移动性，而在松耦合结构中，移动IP (MIP--Mobile IP)提供跨越GPRS和WLAN的会话移动性。MIP框架含有MIP用户，外来代理(FA)和本地代理(HA)。GPRS的FA位于GGSN中，WLAN的FA位于接入路由器中。而HA位于IP网中，当MS从GPRS移至WLAN时，通过WLAN的FA与HA进行MIP注册，把转交地址给MA作为MS的前向地址。FA与转交地址一起作为代理权，MS在移至WLAN时，不改变IP地址。

结束语

　　WLAN和蜂窝数据网互工作的需求推动WLAN技术发展，全球相继成立许多标准组织进一步开发WLAN技术并融合至蜂窝数据网中。

　　WLAN和蜂窝数据网有两种融合方式，即：紧耦合系统和松耦合系统。在紧耦合系统中，WLAN连接GPRS是通过标准接口Gb， Iu-P或优化WLAN性能的接口。事实上，紧耦合系统提供WLAN和GPRS间坚实耦合，其优越之处是基于GPRS移动性管理协议来增强跨越两网移动性，复用GPRS鉴权，论证，计费，保护GPRS核心网资源，用户数据库和计费系统，支持SMS，GPRS业务等。尽管如此，紧耦合系统存在不易支持第三方WLAN的缺点，这是目前采用松耦合系统的原因。松耦合系统主要基于IETE协议，以MIP支持跨越两个接人网的移动性。

　　互工作结构的优化选择是由多种因素决定的。如：网由WLAN和蜂窝网构成的，最佳选择是松耦合系统。而WLAN网是由蜂窝网构成的，则紧耦合系统就具有吸引力。当前的趋势是采取松耦合和基于SIM的鉴权和计费机理，其好处是用户可复用SIM卡或USIM卡在WLAN上接入获取无线数据业务。其缺点是相比紧耦合而言，其会话移动性能力受到限制。