作者:談振輝

    摘要：3G/WLAN系統的交互，通過無線局域網(WLAN)接入控制功能增加新業務功能，

    要害詞：第3代移動通信；無線局域網；交互網絡

    Abstract:Theinterworkingof3G networks and Wireless Local Area Network (WLAN) systems, taking advantage of WLAN control functions, 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 critical role in next-generation wireless mobile networks as it PRovides great technological advantages 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.

    KeyWords:3G;WirelessLocal Area Network (WLAN); interworking network

    蜂窩移動通信系統提供了巨大的公眾無線接入市場。3G網絡采取宏區、微區和微微區的分層結構，每個區又采用多載頻技術。微區和微微區的基站采用小區扇形極化和多輸入多輸出(MIMO)技術，可在較小覆蓋區提供額外信道容量，解決用戶高速率視頻流業務的增長。3G通用移動通信系統(UMTS)的3GPP組織啟動3GPP/WLAN交互結構作為3GPP的附加標準，給3GPP用戶提供公眾無線局域網(WLAN)接入業務，3GPP預約，網絡選擇，基于3GPP認證、鑒權和用戶識別模塊/通用簽約用戶識別模塊(SIM/USIM)密鑰，數據路由和用戶計帳等功能。

    WLAN逐步成為一種公眾無線接入方式，WLAN網絡采用小區扇形極化和MIMO技術可在室內30 m或室外100 m半徑覆蓋區提供額外信道容量。WLAN網絡的主要優點是可以低成本配置，無線接入成本僅占3G基站的很小一部分，將有力地促進無線接入市場的發展。3G/WLAN網絡雙模終端可提供無處不在的，帶寬可變的，可保證服務質量(QoS)的多種高速率業務。

    3G網絡工作在規定的無線頻率頻段，而WLAN網絡工作在無線頻率非許可頻段，會產生不協調干擾，進而減少無線接入的覆蓋范圍。WLAN網絡以高性能價格比用于用戶業務需求猛增的熱點區，WLAN網絡的小覆蓋區域能力不能提供3G網絡那樣的廣覆蓋能力，需大量的接入點(AP)來覆蓋[1-4]。

    3G網絡和WLAN網絡的主要區別是在終端移動限制條件，3G網絡的移動終端可廣泛地配置，而WLAN網絡受終端位置、移動速度的影響。3G網絡提供話音和數據業務，而WLAN網絡主要提供數據業務。可見，3G網絡和WLAN網絡具有互補性，一個網絡的優點是另一個網絡的缺點。3G網絡和WLAN網絡的一體化可同時綜合雙方的優點，減少雙方的缺點[5-7]。

    1 3G/WLAN結構設計

    3GPP與WLAN互通結構設計的要害技術基于IEEE 802.11標準，提供3GPP和WLAN之間的交互功能。

    WLAN終端和IP網絡在WLAN的接口層完成IP連接，WLAN系統把基本IP業務鏈接到應用層IP骨干網。其中，動態主機配置協議(DHCP)的服務器承擔WLAN終端的IP堆棧配置。域名服務器(DNS)把Internet全保質域名(FQDN)地址轉換為IP地址。網關/端口地址轉換(GW/NAPT)為鏈接外部IP網絡的網關，承擔IP網絡地址和端口變換(NAPT)任務，使WLAN接入網以位于WLAN內的專用IP地址獲取外部IP網的業務。超文本傳輸協議(HTTP)服務器給接入用戶提供本地應用層業務，終端以Web瀏覽器控制接入，把登錄的Web網頁送至WLAN終端。計費系統負責計費，本地業務服務器提供IP層業務，如Mail服務、本地Web內容、網絡配置和監控治理。

    WLAN系統設置鑒權、認證、計費(AAA)服務器和用戶數據庫，承擔認證和鑒權等，提供IP鏈接和其他業務。對于WLAN系統的用戶，AAA服務器是典型遠程撥號用戶認證(RADIUS)服務器。AAA服務器通過IP骨干網采用輕量目錄訪問協議(LDAP)訪問用戶數據庫。當用戶采用Web瀏覽器進行認證和鑒權時，首先向WLAN系統的HTTP服務器申請，顯示登錄的Web主頁，輸入登錄名、口令并支付鏈接費用。在IEEE 802.1x標準和IEEE 802.11i標準中，鑒權部分實施3G/WLAN交互操作，也可建立WLAN系統的漫游，使WLAN系統用戶鏈接到另一個WLAN系統。

    2 3G/WLAN交互結構

    3G和WLAN交互網絡的基本結構有兩種，即緊交互模式和松交互模式。在緊交互模式中，WLAN網絡作為3G服務通用分組無線業務(GPRS)的支持節點(SGSN)的接入技術，而在松交互模式中，WLAN網絡不作為3G的接入技術和核心網絡的接口。3G和WLAN交互網絡的緊交互模式和松交互模式都支持3G和WLAN網絡的越區功能。

    圖1為3G/WLAN緊交互網絡，WLAN網絡作為3G網絡的接入技術，類似于3G網絡的Iu接口，通用無線接入(UTRA)中WLAN網絡Iu接口鏈接到3G核心網絡。緊交互網絡結構可移植3G核心網絡的移動性、QoS和安全性。WLAN網絡的AP通過WLAN網絡的Iub接口鏈接到交互單元(IWU)、網關GPRS支持網關通用分組無線業務支持節點(GGSN)，把網絡鏈接到Internet。

    3G/WLAN緊交互網絡中，3G網絡和WLAN網絡的運營商不是同一實體。3G/WLAN緊交互網絡有6個交互單元，分別為：

    公共計費；

    基于3GPP系統的接入控制，3GPP用戶以WLAN網絡的IP接入；

    基于分組交換(PS)業務的接入，如來自交互WLAN網絡的短消息業務(SMS)、無線接入協議(WAP)、多媒體消息業務(MMS)；

    連續業務，保持跨越WLAN和3G網絡不透明業務；

    無隙縫業務，跨越WLAN和3G網絡透明業務；

    提供基于電路交換(CS)業務的接入3GPP系統。

    圖2為3G/WLAN松交互網絡，利用用戶數據庫，把WLAN網絡作為3G接入網絡的補充，不用用戶平面Iu接口，避免GSM/GPRS網絡的SGSN和GGSN。同一用戶數據庫用于3G/WLAN網絡，IP業務仍需要跨越接入網絡的支持，其中AAA功能直接由接入核心網絡控制。

    3GPP標準考慮了3G/WLAN交互網絡的實現可行性，其中3GPP R6標準采納3G/WLAN松交互網絡，提供了系統靈活性和升級性，WLAN網絡無需支持復雜的Iu接口。

    漫游參考結構和無漫游參考結構分別提供經過本地或來訪3G網絡的3GPP分組交換業務。其中，Wn接口鏈接WLAN接入網絡和WLAN接入網關(WAG)，Wa為WLAN接入網絡和3GPP AAA服務器/代理之間的接口。Wi為分組數據網關和外部IP網絡之間的接口，Wp為WAG和分組數據網關(PDG)之間的接口，Wu為WLAN網絡用戶設備(UE)和PDG之間的接口，Wd為3GPP AAA代理和3GPP AAA服務器之間的接口。其他接口如Wx、D’/Gr’、Wf、Wo、Wm、Dw和Wg分別負責歸屬用戶服務器(HSS)、歸屬位置寄存器(HLR)、計費網關/計費功能(CGw/CCF)、在線計費系統、PDG、用戶位置功能(SLF)、WAG到AAA服務器及跨越接口的相關協議。

    3 3G/WLAN接入鑒權和認證

    在本地運行網絡之外，3G網絡的用戶具有選擇被訪問網絡的漫游功能。在人工選擇模式，用戶以基于本地網廣播的公眾陸地移動網絡標識(PLMN ID)從現有網絡表中選擇網絡，而在自動網絡模式，用戶利用存儲在SIM/USIM中的PLMN ID來選擇網絡。

    在3G/WLAN交互結構中，選擇網絡和從WLAN接入網漫游到本地網的路由是要害。在與WLAN交互中，3G網絡具有選擇被訪問網絡的功能，在現存漫游路由中構成移動網絡。解決路由的方案是基于網絡接入識別器(NAI)的WLAN用戶表格。WLAN接入網不給本地網申請安排路由，在WLAN接入網中給用戶提供訪問區公眾陸地移動網(VPLMN)表。用戶從中選擇可靠的VPLMN，重新格式含有VPLMN ID的NAI，以新的標識(ID)認證WLAN接入網。

    WLAN提高了WLAN空中接口的安全層次，IEEE 802.11i標準增強安全，升級認證，控制接入，定義IEEE 802.1x協議框架。其中，認證和要害協議功能采用RADIUS和含有擴展認證協議(EAP)的集中認證服務器，利用擴展認證協議和RADIUS安全分布密鑰構成新的分組安全法算法。

    擴展認證協議本身并不具備認證和要害協議互認，但它提供用于多路由傳輸的認證協議框架。作為終端到終端的擴展認證協議，接入點或其他中介元素并不需要知道每個認證和要害協議互認細節，AAA服務器和用戶足以運行擴展認證協議。

    3G移動網的智能卡承擔用戶接入網絡控制的認證、無線鏈路加密和綜合安全密鑰認可。在GSM和GPRS系統中，認證和密鑰互認功能由SIM卡的挑戰/響應算法承擔。在UMTS系統中，還含有USIM智能卡，承擔認證和密鑰互認功能。

    隨著3G/WLAN互連層在WLAN接入網上新需求的增加，采用IEEE 802.11i標準可實現認證、接入控制和密鑰互認功能。基于USIM/SIM認證算法的3G/WLAN交互結構有兩類擴展認證協議：SIM的擴展認證協議和認證與密鑰協商(AKA)的擴展認證協議。SIM的擴展認證協議基于GSM SIM的認證和密鑰互認協議，源于GSM認證協議，但包括若干重要加強措施，如交互認證、身份隱藏、假名和快速重新認證。AKA的擴展認證協議在擴展認證協議中包裝UMTS認證和密鑰互認合同，UMTS的AKA支持互認證和較強密鑰算法，AKA的擴展認證協議把UMTS機理融合到EAP中。

    3GPP AAA服務器恢復來自HSS交換所需的鑒權信息，3GPP AAA服務器包括擴展認證協議服務器，用于網絡側SIM的擴展認證協議和AKA的擴展認證協議的功能，驗證用戶是否有權使用WLAN。

    4 用戶數據路由和接入

    用戶經過認證和鑒權成功地接入網絡，WLAN網絡會確保用戶終端接入IP網絡。在Internet作為IP網時，用戶數據可直接從WLAN接入網至Internet。建立在WLAN接入網和3G之間的地址到地址的匯聚隧道，提供IP網中的多媒體消息業務(MMS)、無線應用協議(WAP)、IP多媒體子系統(IMS)業務等。

    遠程連接IP網和經過確定接口進行流量路由需求分析需要采用分組數據隧道技術，即在隧道一側端點組裝指向隧道另一側新的分組數據，在隧道另一側端點拆包并把數據傳送到指定地址。

    IP網絡選擇采用類似GPRS中接入名稱(APN)參數的WLAN接入點名稱(WAPN)參數，用戶終端指向WAPN所需的IP網。WAPN進行鑒權申請，驗證用戶是否有權使用WAPN，也可以按用戶指定方式選擇IP網。在WAPN選擇IP網后，依靠建立的隧道把用戶數據送至所選擇的IP網中。

    本地網運行的終止由隧道的分組數據網關(PDG)的網絡元素承擔。對被選擇的遠程IP網而言，PDG終止隧道后還承擔網關作用，類似于GPRS中網關GPRS支持節點(GGSN)。PDG和遠程IP網之間的Wi接口類似于GPRS中GGSN和遠程IP網之間的Gi接口，Gi接口也是3GPP IP網和外部IP網之間的連接點。被訪網中網絡元素的WLAN接入網關(WAG)也可用來實施隧道功能。

    5 3G/WLAN終端與業務

    3G/WLAN交互網絡的終端類型有具有多種無線接口和備用PC卡模塊的多模式終端，如具有3G/WLAN模塊的個人數字助理(PDA)把3G和WLAN模塊綜合在一起。位于單個終端主動模式之間的驅動器具有不同無線接口的選擇分離功能，如WLAN網絡的3G電話或接入WLAN網絡的PDA，可在第三方接口上具有3G/WLAN網絡交互通信能力。

    3G/WLAN交互網絡的業務受到終端能力、用戶移動性和系統交互能力的限制。終端能力直接影響業務類型，有些3G網絡終端不能支持所有3G業務模式，如高數據速率、下行高數據/上行分組接入(HSDPA/HSUPA)等。用戶移動性會影響系統容量、吞吐量、覆蓋和負載平衡，在熱點地區的高數據速率業務的WLAN用戶如接入3G網絡會降低其高數據速率業務質量。

    3G/WLAN交互網絡支持的業務主要有：

    (1)個人通信

    與其他個人通信相比有一對一通信或一對多個人通信，通信業務是指話音、視頻通話、MMS、SMS、移動Email和信使。從QoS看，話音和視頻通話屬于實時業務會話類，而其他屬于基本類。

    (2)移動娛樂

    移動娛樂可分成下述類型：按需視頻/語音流(流類)，此類業務包括視頻/語音文本下載，并存儲在終端；游戲(基本分類/在線游戲交互)，以java為基礎的Web瀏覽器用于在線游戲；聊天(交互/基本分類)，Internet中繼聊天(IRC)和移動聊天；E-Book(基本分類)，在顯示屏閱讀電子書籍，下載或購買。

    (3)移動信息

    由交互分類的Internet Web瀏覽器提供新聞、財經、體育、指南、氣候和交通信息等移動信息，用戶僅承擔網絡接入費用。個性化信息送至指定用戶終端，并不通過群通信分布傳播。如旅行者在不熟悉地區駕駛時，指南下載業務隨著位置信息加入而強化，可獲得最佳加油站的位置信息，并指引加油站位置和地圖。

    (4)基于位置業務

    基于位置業務屬于交互分類，包括與位置有關信息和公共業務，提供與用戶有關的信息。

    (5)移動交易

    移動交易包括移動財政，如銀行存款、股票經紀、支付現金等。還包括移動消費(如零售、訂票、拍賣、預定、移動廣告)和移動娛樂(游戲、音樂、視頻、賭注)。另外，移動商業為在移動網絡上進行貨幣交易，使移動終端成為電子錢包。移動交易的安全性由HTTP Web安全瀏覽功能承擔。

    (6)商業業務

    業務的交互分類或基本分類取決于業務的應用，協調型業務給商業用戶提供瞬變信息的數據變換，信息經過虛擬專用網(VPN)安全地鏈接到Internet。

    3G/WLAN交互系統采用諸如：3GPP預約、網絡選擇，基于3GPP系統的AAA利用SIM/USIM數據實現路由，業務接入和終端用戶付費等復用技術，可以給3GPP的用戶提供公共WLAN接入業務功能。業務功能的獲取并沒有在WLAN接入系統上增設3GPP特定要求，而是依靠基于IEEE 802.11標準的典型WLAN接入網的現有性能。

    3GPP系統演進趨勢的一方面是通過3G/WLAN交互系統通過WLAN接入控制功能增加新功能，如先進業務支持，實時對等IP通信等；另一方面是3G/WLAN交互系統引進WLAN和蜂窩IP連接之間不同類型動態交換，提供不中斷業務。總之，3G/WLAN系統演進趨勢是利用多種接入技術和用戶內部先進技術來提供可靠安全接入和基于IP的業務，3G/WLAN是邁向新一代無線網絡的要害的一步，在系統性能上具有巨大的技術優勢，同時也具有巨大的市場潛力。

    6 參考文獻

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    [7]談振輝.UMTS全IP無線網絡的移動性治理 [J].中興通訊技術, 2004,10(5):8-11.

    作者簡介：

    談振輝，北京交通大學校長，教授，博士生導師。第一、二、三屆國家“863”計劃通信主題個人通信專業專家組成員。主要從事無線ATM、擴頻通信、個人通信方面的研究。（寧一編輯）