WLAN和移動(dòng)網(wǎng)互通技術(shù)分析方案

1 引言

以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，比如，熱點(diǎn)覆蓋、低移動(dòng)性和高數(shù)據(jù)傳輸速率，與移動(dòng)網(wǎng)形成了很好的互補(bǔ)，因而在移動(dòng)網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛。從國(guó)外運(yùn)營(yíng)商到國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商，都在不斷擴(kuò)展、完善移動(dòng)網(wǎng)和WLAN的互通技術(shù)，目的是快速、經(jīng)濟(jì)地部署WLAN網(wǎng)絡(luò)，做到在對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)改動(dòng)最小的情況，以簡(jiǎn)單實(shí)用的技術(shù)吸引用戶，分流目前快速增長(zhǎng)的移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，緩解移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的資源在忙時(shí)忙區(qū)嚴(yán)重不足的壓力，提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，提高網(wǎng)絡(luò)的用戶黏度。

WLAN和移動(dòng)網(wǎng)互通時(shí)，根據(jù)互通技術(shù)實(shí)施的難易程度，可以有多種互通場(chǎng)景。

最基礎(chǔ)、最簡(jiǎn)單的一種模式，是在互通的初期，兩個(gè)系統(tǒng)基本是獨(dú)立運(yùn)營(yíng)的，兩個(gè)系統(tǒng)的安全機(jī)制也完全分開，WLAN用戶通過WLAN接入網(wǎng)之后就直接接入Internet業(yè)務(wù)，不會(huì)接入移動(dòng)核心網(wǎng)。WLAN和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)間只有簡(jiǎn)單的賬單信息關(guān)聯(lián)，也就是說，這個(gè)階段WLAN和移動(dòng)的互通僅體現(xiàn)在通過BOSS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶的賬單里同時(shí)包括移動(dòng)網(wǎng)和WLAN的費(fèi)用。

這種互通模式雖然簡(jiǎn)單，但是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和WLAN無法共享統(tǒng)一的認(rèn)證方式和鑒權(quán)信息。用戶使用不同的接入方式時(shí)，需要分別鑒權(quán)。對(duì)用戶來說，這樣的操作復(fù)雜，與網(wǎng)絡(luò)間的消息交互時(shí)延長(zhǎng)，因而影響了用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)。所以，在基礎(chǔ)模式的基礎(chǔ)上，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能逐步實(shí)現(xiàn)給通過WLAN接入的用戶提供統(tǒng)一的鑒權(quán)方式，簡(jiǎn)化鑒權(quán)流程，縮短用戶接入時(shí)延。

隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)自營(yíng)的分組域業(yè)務(wù)（如IMS業(yè)務(wù)、即時(shí)消息業(yè)務(wù)、MBMS業(yè)務(wù)等）發(fā)展更加成熟，對(duì)用戶更具吸引力時(shí)，互通技術(shù)還能滿足用戶通過移動(dòng)核心網(wǎng)，接入那些移動(dòng)網(wǎng)獨(dú)有的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

上面討論的只是用戶如何通過WLAN使用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，不涉及到用戶的業(yè)務(wù)在WLAN和移動(dòng)網(wǎng)間的移動(dòng)和切換。但是，隨著業(yè)務(wù)模式和技術(shù)的發(fā)展，用戶希望能夠自如地在不同的接入系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)切換。因此，更進(jìn)一步的互通技術(shù)需要解決的問題是，用戶在移動(dòng)網(wǎng)和WLAN之間切換時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)無縫的業(yè)務(wù)連續(xù)性，也就是說，在切換過程中幾乎沒有數(shù)據(jù)的丟失和中斷情況發(fā)生，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)類似VoIP業(yè)務(wù)的切換。

本文將介紹WLAN和移動(dòng)網(wǎng)互通的基本架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)連續(xù)性所采用的新技術(shù)，以及互通技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

2　WLAN與GPRS互通架構(gòu)

通過上面的場(chǎng)景分析，我們可以看出，WLAN與移動(dòng)網(wǎng)互通時(shí)的業(yè)務(wù)形式有兩種：一種是WLAN直接接入IP業(yè)務(wù)，另一種是WLAN通過3GPP網(wǎng)絡(luò)接入IP業(yè)務(wù)。圖1表示了WLAN用戶的兩種業(yè)務(wù)模式。

圖1　WLAN與GPRS網(wǎng)絡(luò)互通的架構(gòu)圖

當(dāng)用戶通過WLAN直接接入IP業(yè)務(wù)時(shí)，用戶可以使用Internet業(yè)務(wù)。圖中的3GPP AAA Server是為WLAN業(yè)務(wù)新增的網(wǎng)元，它將配合移動(dòng)網(wǎng)中的HLR完成用戶的鑒權(quán)和接入認(rèn)證功能。3GPP AAA Server還將配合BOSS系統(tǒng)或者計(jì)費(fèi)網(wǎng)關(guān)（CG）完成用戶的計(jì)費(fèi)。這種接入方式能夠保持移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和WLAN的獨(dú)立性。對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來說，這種架構(gòu)非常簡(jiǎn)單，易于部署。

當(dāng)用戶通過3GPP網(wǎng)絡(luò)接入IP業(yè)務(wù)時(shí)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)除了提供鑒權(quán)和接入認(rèn)證外，還需要提供接入3GPP網(wǎng)絡(luò)的隧道管理、基于隧道的計(jì)費(fèi)功能、接入策略控制等功能。這種接入方式下的技術(shù)要點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)用戶的統(tǒng)一認(rèn)證和用戶使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的IP業(yè)務(wù)。

用戶如要通過WLAN訪問運(yùn)營(yíng)商的分組域業(yè)務(wù)，需要對(duì)核心網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)或改造，通常有TTG和PDG兩種建設(shè)模式可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

TTG模式是在不改變現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的前提下，通過引入TTG，使得終端能夠通過WLAN接入網(wǎng)、TTG和GGSN訪問數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。TTG的功能，包括TTG到GGSN之間的GTP隧道管理功能、W-APN解析、提供位置信息、支持漫游限制、NSAPI分配等。

PDG模式則是把TTG功能加上GGSN原有功能和增強(qiáng)功能，共同完成PDG的功能。相比TTG模式，PDG能夠直接分流WLAN業(yè)務(wù)，減少了對(duì)現(xiàn)有移動(dòng)分組域的影響。但是PDG功能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，需要和現(xiàn)網(wǎng)的計(jì)費(fèi)設(shè)備進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)起來比較困難些。

3　WLAN與EPC互通架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)

支持多種無線接入技術(shù)，是演進(jìn)的移動(dòng)分組網(wǎng)（EPC）在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)之初就定義的基本目標(biāo)之一。WLAN接入EPC的互通架構(gòu)按照WLAN與EPC核心網(wǎng)之間的信任關(guān)系以及采用的移動(dòng)性管理協(xié)議（GTP，PMIP和DSMIP），可以分為S2a，S2b和S2c三種場(chǎng)景。圖2為WLAN與EPC互通架構(gòu)圖。

圖2　WLAN與EPC互通架構(gòu)圖

如果EPC網(wǎng)絡(luò)將WLAN接入視為可信任接入，比如，WLAN網(wǎng)絡(luò)是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商自建的網(wǎng)絡(luò)，那么UE不需要建立終端與網(wǎng)絡(luò)間的IPSec，直接通過PDN GW就能接入到移動(dòng)核心網(wǎng)；如果EPC網(wǎng)絡(luò)將WLAN接入視為不可信任接入，則必須通過ePDG接入EPC，UE和ePDG之間采用IPSec隧道承載數(shù)據(jù)，使得不可信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)元無法感知數(shù)據(jù)傳輸，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴LAN接入網(wǎng)是否可信是與其本身的特性無關(guān)，是HPLMN綜合各種安全因素來決定的。

在此，我們可以比較一下三種WLAN接入方式的特點(diǎn)：

（1）S2a接口應(yīng)用于可信固定網(wǎng)絡(luò)和EPC互通，采用GTP/PMIP協(xié)議。為了支持互通，需要對(duì)現(xiàn)有固網(wǎng)進(jìn)行較大的改動(dòng)，例如，需要對(duì)固網(wǎng)設(shè)備（BRAS/BNG）進(jìn)行增強(qiáng)改造，使之支持移動(dòng)性要求。但這種接入方式符合國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)環(huán)境，對(duì)終端影響小，能避開高通大量的專利，因此運(yùn)營(yíng)商研究意愿還是很強(qiáng)烈的，特別是采用GTP協(xié)議的S2a接口。

（2）S2b接口應(yīng)用于非信任固定網(wǎng)絡(luò)和EPC互通，采用GTP/PMIP協(xié)議。固網(wǎng)通過ePDG接入PDN GW，通過增強(qiáng)ePDG以實(shí)現(xiàn)非信任固網(wǎng)和EPC的互通，對(duì)固網(wǎng)改造較小。但S2b方式要求終端和ePDG之間建立IPSec，額外開銷比較大。

（3）S2c接口采用DSMIPv6協(xié)議，提供UE和PDN GW之間的DSMIP隧道連接，這樣UE和EPC網(wǎng)絡(luò)交互的數(shù)據(jù)在固網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)透?jìng)?，因此采用S2c方式對(duì)固網(wǎng)的影響也較小。應(yīng)該說有關(guān)S2c的技術(shù)方案得力于高通的推動(dòng)，技術(shù)完善、成熟，但該技術(shù)要求終端支持DSMIPv6，這樣運(yùn)營(yíng)商會(huì)受制于高通專利。

相對(duì)3G網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備完備的用戶鑒權(quán)、數(shù)據(jù)加密機(jī)制，WLAN在安全性方面很薄弱，因此移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商在實(shí)現(xiàn)與WLAN互通時(shí)，增加了IKEv2用于終端的認(rèn)證和授權(quán)，并增加了IPSec用于終端和ePDG間的數(shù)據(jù)安全，以提高互通時(shí)的業(yè)務(wù)安全性。

如果單是考慮用戶通過WLAN接入核心網(wǎng)，不涉及用戶在WLAN和移動(dòng)網(wǎng)間的業(yè)務(wù)切換，其處理流程并不復(fù)雜，與移動(dòng)網(wǎng)接入下的流程區(qū)別不大。以支持GTP協(xié)議的S2a接口方式下的附著過程為例來看（見圖3），同樣是包括用戶的鑒權(quán)、授權(quán)過程和承載的創(chuàng)建過程。與移動(dòng)網(wǎng)接入有所不同的是，在WLAN接入情況下，除了建立核心網(wǎng)的承載之外，還需要建立WLAN接入網(wǎng)和PDN GW之間的GTP隧道。

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