3G与WLAN交互网络结构

     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，动态主机配置协议(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(RADIUS)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IEEE 802.1x标准和IEEE 802.11i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。

  2 3G/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Internet。

  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3GPP R6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。

  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3GPP AAA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3GPP AAA代理和3GPP AAA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。

  3 3G/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(PLMN ID)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PLMN ID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。解决路由的方案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VPLMN ID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，IEEE 802.11i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GSM SIM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措施，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认证和密钥互认合同，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。

  3GPP AAA服务器恢复来自HSS交换所需的鉴权信息，3GPP AAA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Internet。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3GPP IP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。

  5 3G/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)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Internet Web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HTTP Web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

  [1]AHMAVAARAK,HAVERINEN H, ROMAN P. Interworking architecture between 3GPP and WLAN systems [J]. IEEE Communications Magazine,2003,41(11):74-81.

  [2]3GPPTS23.234.v.1.10.0. Group Services and System Aspects: 3GPP System to Wireless Local Area Networks )WLAN) Interworking, System Description ( Release 6) [S]. 2003.

  [3]AXIOTISDI, AL-GIZAWI T, PEPPAS K, et al. Services in interworking 3G and WLAN environments [J]. IEEE Wireless Communications,2004,11(5):14-20.

  [4]谈振辉.应用于移动环境中的WLAN接入网结构[J].中兴通讯技术, 2003,9(2):27-31.

  [5]谈振辉.3GPP与WLAN的交互[J]. 中国通信，2005(4):40-48.

  [6]谈振辉,金晓军.宽带无线接入网中的空时编码技术 [J].中兴通讯技术, 2004,10(3):5-8.

  [7]谈振辉.UMTS全IP无线网络的移动性管理 [J].中兴通讯技术, 2004,10(5):8-11.

  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"计划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。