3G_WLAN交互网络

摘要：3G/WLAN系统的交互，通过无线局域网 (WLAN)接入控制功能增加新业务功 能，如先进业务支持、实时对等IP通信等；通过引进WLAN和蜂窝IP连接不同类型动 态交换；利用多种接入技术和用户内部先进技术来提供不中断业务和可靠安全接 入。3G/WLAN是迈向新一代无线移动网络的关键，在系统性能上具有巨大的技术优 势，同时也将发挥出巨大的市场潜力。3G通信系统标准组织(3GPP)把3G/WLAN交互 系统作为3GPP的附加标准。在移动环境中，3G/WLAN网络双模终端可提供无处不 在、带宽可变、服务质量(QoS)可保证的多种高速率业务。 关键词：第3代移动通信；无线局域网；交互网络 Abstract: The interworking of 3G networks and Wireless LocalArea Network (WLAN) systems, taking advantage of WLAN controlfunctions, can be enhanced by new functionalities such as advanced services support, real- time peer- to- peer IP communications. It ensures continuity and security of services through the dynamic handover, multi- access technologies, and advanced security technologies. 3G/WLAN integration plays a criticalrole in next- generation wireless mobile networks as it provides great technologicaladvantages in terms of system performance, thus introducing a huge market potential. The Third Generation Partnership Project (3GPP) has extended 3GPP standards to include 3G/WLAN interworking. In a mobile environment, 3G/WLAN dual- mode terminals can provide a wide range of services at high rate with variable bandwidth and Quality of Service (QoS)assurance. Key words: 3G; Wireless LocalArea Network (WLAN); interworking network 中图分类号：TN929.5文献标识码：A 文章编号：1009-6868 (2007) 01-0044-04 中兴通讯技术 2007年2月 第13卷第1期 Feb. 2007 Vol.13 No.1 44 研究论文 ZTECOMMUNICATIONS 谈振辉：3G/WLAN交互网络 谈振辉/TAN Zhen-hui (北京交通大学，北京 100044) (Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China) 3G/ WLAN交互网络 3G/WLAN Interworking 蜂窝移动通信系统提供了巨大的公众无线接入市场。3G网络采 取宏区、微区和微微区的分层结构， 每个区又采用多载频技术。微区和微 微区的基站采用小区扇形极化和多 输入多输出(MIMO)技术，可在较小覆 盖区提供额外信道容量，解决用户高 速率视频流业务的增长。3G通用移动 通信系统 (UMTS)的3GPP组织启动 3GPP/WLAN交互结构作为3GPP的附 加标准，给3GPP用户提供公众无线局 域网(WLAN)接入业务，3GPP预约，网 络选择，基于3GPP认证、鉴权和用户 识别模块/通用签约用户识别模块 (SIM/USIM)密钥，数据路由和用户计 帐等功能。 WLAN逐步成为一种公众无线接 入方式，WLAN网络采用小区扇形极 化和MIMO技术可在室内30 m或室外 100 m半径覆盖区提供额外信道容 量。WLAN网络的主要优点是可以低 成本配置，无线接入成本仅占3G基站 的很小一部分，将有力地促进无线接 入市场的发展。3G/WLAN网络双模终 端可提供无处不在的，带宽可变的， 可保证服务质量(QoS)的多种高速率 业务。 3G网络工作在规定的无线频率 频段，而WLAN网络工作在无线频率 非许可频段，会产生不协调干扰，进 而减少无线接入的覆盖范围。WLAN 网络以高性能价格比用于用户业务 需求猛增的热点区，WLAN网络的小 覆盖区域能力不能提供3G网络那样 的广覆盖能力，需大量的接入点(AP) 来覆盖[1-4]。 3G网络和WLAN网络的主要区别 是在终端移动限制条件，3G网络的移 动终端可广泛地配置，而WLAN网络 受终端位置、移动速度的影响。3G网 络提供话音和数据业务，而WLAN网 络主要提供数据业务。可见，3G网络 和WLAN网络具有互补性，一个网络 的优点是另一个网络的缺点。3G网络 和WLAN网络的一体化可同时综合双 方的优点，减少双方的缺点[5-7]。 1 3G/WLAN结构设计 3GPP与WLAN互通结构设计的关 键技术基于IEEE 802.11标准，提供 3GPP和WLAN之间的交互功能。 WLAN终端和IP网络在WLAN的 接口层完成IP连接，WLAN系统把基 本IP业务链接到应用层IP骨干网。其 中，动态主机配置(DHCP)的服务 器承担WLAN终端的IP堆栈配置。域 名服务器(DNS)把Internet全保质域名 (FQDN)地址转换为IP地址。网关/端 口地址转换(GW/NAPT)为链接外部IP 网络的网关，承担IP网络地址和端口 变换(NAPT)任务，使WLAN接入网以 位于WLAN内的专用IP地址获取外部 IP网的业务。超文本传输协议(HTTP) 服务器给接入用户提供本地应用层 业务，终端以Web浏览器控制接入， 把登录的Web网页送至WLAN终端。 计费系统负责计费，本地业务服务器 提供IP层业务，如Mail服务、本地Web 中兴通讯技术45 Feb.2007Vol.13 No.1 2007年2月 第13卷第1期 ZTECOMMUNICATIONS 谈振辉：3G/WLAN交互网络 研究论文 内容、网络配置和监控管理。 WLAN系统设置鉴权、认证、计费 (AAA)服务器和用户数据库，承担认 证和鉴权等，提供IP链接和其他业 务。对于WLAN系统的用户，AAA服务 器是典型远程拨号用户认证(RA- DIUS)服务器。AAA服务器通过IP骨干 网采用轻量目录访问协议 (LDAP)访 问用户数据库。当用户采用Web浏览 器进行认证和鉴权时，首先向WLAN 系统的HTTP服务器申请，显示登录 的Web主页，输入登录名、口令并支 付链接费用。在IEEE802.1x标准和 IEEE802.11i标准中，鉴权部分实施 3G/WLAN交互操作，也可建立WLAN 系统的漫游，使WLAN系统用户链接 到另一个WLAN系统。 23G/WLAN交互结构 3G和WLAN交互网络的基本结构 有两种，即紧交互模式和松交互模 式。在紧交互模式中，WLAN网络作为 3G服务通用分组无线业务 (GPRS)的 支持节点(SGSN)的接入技术，而在松 交互模式中，WLAN网络不作为3G的 接入技术和核心网络的接口。3G和 WLAN交互网络的紧交互模式和松交 互模式都支持3G和WLAN网络的越区 功能。 图 1为 3G/WLAN紧 交 互 网 络 ， WLAN网络作为3G网络的接入技术， 类似于3G网络的Iu接口，通用无线接 入(UTRA)中WLAN网络Iu接口链接到 3G核心网络。紧交互网络结构可移植 3G核心网络的移动性、QoS和安全 性。WLAN网络的AP通过WLAN网络 的Iub接口链接到交互单元 (IWU)、网 关GPRS支持网关通用分组无线业务 支持节点(GGSN)，把网络链接到In- ternet。 3G/WLAN紧交互网络中，3G网络 和WLAN网络的运营商不是同一实 体。3G/WLAN紧交互网络有6个交互 单元，分别为： !公共计费； !基于3GPP系统的接入控制， 3GPP用户以WLAN网络的IP接入； !基于分组交换 (PS)业务的接 入，如来自交互WLAN网络的短消息 业务(SMS)、无线接入协议(WAP)、多 媒体消息业务(MMS)； !连续业务，保持跨越WLAN和 3G网络不透明业务； !无隙缝业务，跨越WLAN和3G 网络透明业务； !提供基于电路交换(CS)业务的 接入3GPP系统。 图2为3G/WLAN松交互网络，利 用用户数据库，把WLAN网络作为3G 接入网络的补充，不用用户平面Iu接 口，避免GSM/GPRS网络的SGSN和 GGSN。 同 一 用 户 数 据 库 用 于 3G/WLAN网络，IP业务仍需要跨越接 入网络的支持，其中AAA功能直接由 接入核心网络控制。 3GPP标准考虑了3G/WLAN交互 网络的实现可行性，其中3GPPR6标 准采纳3G/WLAN松交互网络，提供了 系统灵活性和升级性，WLAN网络无 需支持复杂的Iu接口。 "图1 3G/WLAN紧交互 网络结构 ▲图23G/WLAN松交互网络结构 中兴通讯技术 2007年2月 第13卷第1期 Feb.2007Vol.13 No.1 46 漫游参考结构和无漫游参考结 构分别提供经过本地或来访3G网络 的3GPP分组交换业务。其中，Wn接口 链接WLAN接入网络和WLAN接入网 关 (WAG)，Wa为WLAN接入网络和 3GPPAAA服务器/代理之间的接口。 Wi为分组数据网关和外部IP网络之 间的接口，Wp为WAG和分组数据网 关(PDG)之间的接口，Wu为WLAN网 络用户设备(UE)和PDG之间的接口， Wd为3GPPAAA代理和3GPPAAA服 务器之间的接口。其他接口如Wx、 D’/Gr’、Wf、Wo、Wm、Dw和Wg分别 负责归属用户服务器(HSS)、归属位 置寄存器(HLR)、计费网关/计费功能 (CGw/CCF)、在线计费系统、PDG、用户 位置功能(SLF)、WAG到AAA服务器及 跨越接口的相关协议。 33G/WLAN接入鉴权和认证 在本地运行网络之外，3G网络的 用户具有选择被访问网络的漫游功 能。在人工选择模式，用户以基于本 地网广播的公众陆地移动网络标识 (PLMNID)从现有网络表中选择网络， 而在自动网络模式，用户利用存储在 SIM/USIM中的PLMNID来选择网络。 在3G/WLAN交互结构中，选择网 络和从WLAN接入网漫游到本地网的 路由是关键。在与WLAN交互中，3G 网络具有选择被访问网络的功能，在 现存漫游路由中构成移动网络。解决 路由的是基于网络接入识别器 (NAI)的WLAN用户表格。WLAN接入 网不给本地网申请安排路由，在 WLAN接入网中给用户提供访问区公 众陆地移动网(VPLMN)表。用户从中 选择可靠的VPLMN，重新格式含有 VPLMNID的NAI，以新的标识(ID)认 证WLAN接入网。 WLAN提高了WLAN空中接口的 安全层次，IEEE802.11i标准增强安 全，升级认证，控制接入，定义IEEE 802.1x协议框架。其中，认证和关键 协议功能采用RADIUS和含有扩展认 证协议(EAP)的集中认证服务器，利 用扩展认证协议和RADIUS安全分布 密钥构成新的分组安全法算法。 扩展认证协议本身并不具备认 证和关键协议互认，但它提供用于多 路由传输的认证协议框架。作为终端 到终端的扩展认证协议，接入点或其 他中介元素并不需要知道每个认证 和关键协议互认细节，AAA服务器和 用户足以运行扩展认证协议。 3G移动网的智能卡承担用户接 入网络控制的认证、无线链路加密和 综合安全密钥认可。在GSM和GPRS系 统中，认证和密钥互认功能由SIM卡 的挑战/响应算法承担。在UMTS系统 中，还含有USIM智能卡，承担认证和 密钥互认功能。 随着3G/WLAN互连层在WLAN接 入网上新需求的增加，采用IEEE 802.11i标准可实现认证、接入控制和 密钥互认功能。基于USIM/SIM认证算 法的3G/WLAN交互结构有两类扩展 认证协议：SIM的扩展认证协议和认 证与密钥协商 (AKA)的扩展认证协 议。SIM的扩展认证协议基于GSMSIM 的认证和密钥互认协议，源于GSM认 证协议，但包括若干重要加强， 如交互认证、身份隐藏、假名和快速 重新认证。AKA的扩展认证协议在扩 展认证协议中包装UMTS认证和密钥 互认，UMTS的AKA支持互认证 和较强密钥算法，AKA的扩展认证协 议把UMTS机理融合到EAP中。 3GPPAAA服务器恢复来自HSS交 换所需的鉴权信息，3GPPAAA服务 器包括扩展认证协议服务器，用于网 络侧SIM的扩展认证协议和AKA的扩 展认证协议的功能，验证用户是否有 权使用WLAN。 4用户数据路由和接入 用户经过认证和鉴权成功地接 入网络，WLAN网络会确保用户终端 接入IP网络。在Internet作为IP网时，用 户数据可直接从WLAN接入网至In- ternet。建立在WLAN接入网和3G之间 的地址到地址的汇聚隧道，提供IP网 中的多媒体消息业务(MMS)、无线应 用协议 (WAP)、IP多媒体子系统(IMS) 业务等。 远程连接IP网和经过确定接口进 行流量路由需求分析需要采用分组 数据隧道技术，即在隧道一侧端点组 装指向隧道另一侧新的分组数据，在 隧道另一侧端点拆包并把数据传送 到指定地址。 IP网络选择采用类似GPRS中接 入名称(APN)参数的WLAN接入点名 称(WAPN)参数，用户终端指向WAPN 所需的IP网。WAPN进行鉴权申请，验 证用户是否有权使用WAPN，也可以 按用户指定方式选择IP网。在WAPN 选择IP网后，依靠建立的隧道把用户 数据送至所选择的IP网中。 本地网运行的终止由隧道的分 组数据网关(PDG)的网络元素承担。 对被选择的远程IP网而言，PDG终止 隧道后还承担网关作用，类似于 GPRS中网关GPRS支持节点(GGSN)。 PDG和远程IP网之间的Wi接口类似 于GPRS中GGSN和远程IP网之间的Gi 接口，Gi接口也是3GPPIP网和外部IP 网之间的连接点。被访网中网络元素 的WLAN接入网关(WAG)也可用来实 施隧道功能。 53G/WLAN终端与业务 3G/WLAN交互网络的终端类型有 具有多种无线接口和备用PC卡模块 的多模式终端，如具有3G/WLAN模块 的个人数字助理(PDA)把3G和WLAN 模块综合在一起。位于单个终端主动 模式之间的驱动器具有不同无线接 口的选择分离功能，如WLAN网络的 3G电话或接入WLAN网络的PDA，可 在第三方接口上具有3G/WLAN网络 交互通信能力。 3G/WLAN交互网络的业务受到终 端能力、用户移动性和系统交互能力 的限制。终端能力直接影响业务类 型，有些3G网络终端不能支持所有 3G业务模式，如高数据速率、下行高 数据/上行分组接入(HSDPA/HSUPA) 研究论文 ZTECOMMUNICATIONS 谈振辉：3G/WLAN交互网络 中兴通讯技术47 Feb.2007Vol.13 No.1 2007年2月 第13卷第1期 等。用户移动性会影响系统容量、吞 吐量、覆盖和负载平衡，在热点地区 的高数据速率业务的WLAN用户如接 入3G网络会降低其高数据速率业务 质量。 3G/WLAN交互网络支持的业务主 要有： (1)个人通信 与其他个人通信相比有一对一 通信或一对多个人通信，通信业务是 指话音、视频通话、MMS、SMS、移动 Email和信使。从QoS看，话音和视频 通话属于实时业务会话类，而其他属 于基本类。 (2)移动娱乐 移动娱乐可分成下述类型：按需 视频/语音流(流类)，此类业务包括视 频/语音文本下载，并存储在终端；游 戏(基本分类/在线游戏交互)，以Java 为基础的Web浏览器用于在线游戏； 聊天(交互/基本分类)，Internet中继聊 天(IRC)和移动聊天；E-Book(基本分 类)，在显示屏阅读电子书籍，下载或 购买。 (3)移动信息 由交互分类的InternetWeb浏览器 提供新闻、财经、体育、指南、气候和 交通信息等移动信息，用户仅承担网 络接入费用。个性化信息送至指定用 户终端，并不通过群通信分布传播。 如旅行者在不熟悉地区驾驶时，指南 下载业务随着位置信息加入而强化， 可获得最佳加油站的位置信息，并指 引加油站位置和地图。 (4)基于位置业务 基于位置业务属于交互分类，包 括与位置有关信息和公共业务，提供 与用户有关的信息。 (5)移动交易 移动交易包括移动财政，如银行 存款、股票经纪、支付现金等。还包括 移动消费(如零售、订票、拍卖、预定、 移动广告)和移动娱乐(游戏、音乐、视 频、赌注)。另外，移动商业为在移动 网络上进行货币交易，使移动终端成 为电子钱包。移动交易的安全性由 HTTPWeb安全浏览功能承担。 (6)商业业务 业务的交互分类或基本分类取 决于业务的应用，协调型业务给商业 用户提供瞬变信息的数据变换，信息 经过虚拟专用网(VPN)安全地链接到 Internet。 3G/WLAN交互系统采用诸如： 3GPP预约、网络选择，基于3GPP系统 的AAA利用SIM/USIM数据实现路由， 业务接入和终端用户付费等复用技 术，可以给3GPP的用户提供公共 WLAN接入业务功能。业务功能的获 取并没有在WLAN接入系统上增设 3GPP特定要求，而是依靠基于IEEE 802.11标准的典型WLAN接入网的现 有性能。 3GPP系统演进趋势的一方面是 通过3G/WLAN交互系统通过WLAN接 入控制功能增加新功能，如先进业务 支持，实时对等IP通信等；另一方面 是3G/WLAN交互系统引进WLAN和蜂 窝IP连接之间不同类型动态交换，提 供不中断业务。总之，3G/WLAN系统 演进趋势是利用多种接入技术和用 户内部先进技术来提供可靠安全接 入和基于IP的业务，3G/WLAN是迈向 新一代无线网络的关键的一步，在系 统性能上具有巨大的技术优势，同时 也具有巨大的市场潜力。 6参考文献 ZTECOMMUNICATIONS 谈振辉：3G/WLAN交互网络 研究论文 综合信息 2006年信息产业发展基金支持TD发展 中兴通讯赢得最 多基金项目 本刊2006年12月24日讯，信 息 产业 部 通 过了 《TD-SCDMA第三代移动通信标准与产品开发项目》的 项目验收。国家TD-SCDMA专项基金得到了有效的应用。 信息产业部大力促进行业核心企业成为基金承担主 体。在2006年电子信息产业发展基金项目中，TD-SCDMA 相关项目占4项。TD联盟主要企业之一中兴通讯竞标获 得3项基金支持，成为获得研发基金最多的企业。 中兴通讯5产品荣获“中国创新设计红星奖” 本刊2006年12月31日讯，由中国工业设计协会等单 位主办的“中国创新设计红星奖”在北京人民大会堂隆 重颁布，中兴通讯“中国窗系列机柜”、“T500视频会议 终端”、“H100家庭网关”、“I20X系列家庭网关”和 “V200可视电话”5产品荣获大奖。 作 者 简 介 谈振辉，北京交通大学校长， 教授，博士生导师。第一、二、 三届国家“863”通信主 题个人通信专业专家组成 员。主要从事无线ATM、扩 频通信、个人通信方面的研 究。 [1]AHMAVAARAK,HAVERINENH,ROMANP. 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