3G與WLAN交互網(wǎng)絡(luò )結構

WLAN逐步成為一種公眾無(wú)線(xiàn)接入方式，WLAN網(wǎng)絡(luò )采用小區扇形極化和MIMO技術(shù)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(wǎng)絡(luò )的主要優(yōu)點(diǎn)是可以低成本配置，無(wú)線(xiàn)接入成本僅占3G基站的很小一部分，將有力地促進(jìn)無(wú)線(xiàn)接入市場(chǎng)的發(fā)展。 3G/WLAN網(wǎng)絡(luò )雙模終端可提供無(wú)處不在的，帶寬可變的，可保證服務(wù)質(zhì)量(QoS)的多種高速率業(yè)務(wù)。

3G網(wǎng)絡(luò )工作在規定的無(wú)線(xiàn)頻率頻段，而WLAN網(wǎng)絡(luò )工作在無(wú)線(xiàn)頻率非許可頻段，會(huì )產(chǎn)生不協(xié)調干擾，進(jìn)而減少無(wú)線(xiàn)接入的覆蓋范圍。WLAN網(wǎng)絡(luò )以高性能價(jià)格比用于用戶(hù)業(yè)務(wù)需求猛增的熱點(diǎn)區，WLAN網(wǎng)絡(luò )的小覆蓋區域能力不能提供3G網(wǎng)絡(luò )那樣的廣覆蓋能力，需大量的接入點(diǎn)(AP)來(lái)覆蓋[1-4]。

3G網(wǎng)絡(luò )和WLAN網(wǎng)絡(luò )的主要區別是在終端移動(dòng)限制條件，3G網(wǎng)絡(luò )的移動(dòng)終端可廣泛地配置，而WLAN網(wǎng)絡(luò )受終端位置、移動(dòng)速度的影響。3G網(wǎng)絡(luò )提供話(huà)音和數據業(yè)務(wù)，而WLAN網(wǎng)絡(luò )主要提供數據業(yè)務(wù)?？梢?jiàn)，3G網(wǎng)絡(luò )和WLAN網(wǎng)絡(luò )具有互補性，一個(gè)網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)點(diǎn)是另一個(gè)網(wǎng)絡(luò )的缺點(diǎn)。3G網(wǎng)絡(luò )和 WLAN網(wǎng)絡(luò )的一體化可同時(shí)綜合雙方的優(yōu)點(diǎn)，減少雙方的缺點(diǎn)[5-7]。

1 3G/WLAN結構設計

3GPP與WLAN互通結構設計的關(guān)鍵技術(shù)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(wǎng)絡(luò )在WLAN的接口層完成IP連接，WLAN系統把基本IP業(yè)務(wù)鏈接到應用層IP骨干網(wǎng)。其中，動(dòng)態(tài)主機配置協(xié)議 (DHCP)的服務(wù)器承擔WLAN終端的IP堆棧配置。域名服務(wù)器(DNS)把Internet全保質(zhì)域名(FQDN)地址轉換為IP地址。網(wǎng)關(guān)/端口地址轉換(GW/NAPT)為鏈接外部IP網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)關(guān)，承擔IP網(wǎng)絡(luò )地址和端口變換(NAPT)任務(wù)，使WLAN接入網(wǎng)以位于WLAN內的專(zhuān)用IP地址獲取外部IP網(wǎng)的業(yè)務(wù)。超文本傳輸協(xié)議(HTTP)服務(wù)器給接入用戶(hù)提供本地應用層業(yè)務(wù)，終端以Web瀏覽器控制接入，把登錄的Web網(wǎng)頁(yè)送至WLAN終端。計費系統負責計費，本地業(yè)務(wù)服務(wù)器提供IP層業(yè)務(wù)，如Mail服務(wù)、本地Web內容、網(wǎng)絡(luò )配置和監控管理。

WLAN系統設置鑒權、認證、計費(AAA)服務(wù)器和用戶(hù)數據庫，承擔認證和鑒權等，提供IP鏈接和其他業(yè)務(wù)。對于WLAN系統的用戶(hù)，AAA 服務(wù)器是典型遠程撥號用戶(hù)認證(RADIUS)服務(wù)器。AAA服務(wù)器通過(guò)IP骨干網(wǎng)采用輕量目錄訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議(LDAP)訪(fǎng)問(wèn)用戶(hù)數據庫。當用戶(hù)采用Web瀏覽器進(jìn)行認證和鑒權時(shí)，首先向WLAN系統的HTTP服務(wù)器申請，顯示登錄的Web主頁(yè)，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(shí)施3G/WLAN交互操作，也可建立WLAN系統的漫游，使WLAN系統用戶(hù)鏈接到另一個(gè)WLAN系統。

2 3G/WLAN交互結構

3G和WLAN交互網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )作為3G服務(wù)通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)(GPRS) 的支持節點(diǎn)(SGSN)的接入技術(shù)，而在松交互模式中，WLAN網(wǎng)絡(luò )不作為3G的接入技術(shù)和核心網(wǎng)絡(luò )的接口。3G和WLAN交互網(wǎng)絡(luò )的緊交互模式和松交互模式都支持3G和WLAN網(wǎng)絡(luò )的越區功能。

圖1為3G/WLAN緊交互網(wǎng)絡(luò )，WLAN網(wǎng)絡(luò )作為3G網(wǎng)絡(luò )的接入技術(shù)，類(lèi)似于3G網(wǎng)絡(luò )的Iu接口，通用無(wú)線(xiàn)接入(UTRA)中WLAN網(wǎng)絡(luò ) Iu接口鏈接到3G核心網(wǎng)絡(luò )。緊交互網(wǎng)絡(luò )結構可移植3G核心網(wǎng)絡(luò )的移動(dòng)性、QoS和安全性。WLAN網(wǎng)絡(luò )的AP通過(guò)WLAN網(wǎng)絡(luò )的Iub接口鏈接到交互單元(IWU)、網(wǎng)關(guān)GPRS支持網(wǎng)關(guān)通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)支持節點(diǎn)(GGSN)，把網(wǎng)絡(luò )鏈接到Internet。

3G/WLAN緊交互網(wǎng)絡(luò )中，3G網(wǎng)絡(luò )和WLAN網(wǎng)絡(luò )的運營(yíng)商不是同一實(shí)體。3G/WLAN緊交互網(wǎng)絡(luò )有6個(gè)交互單元，分別為：

公共計費；

基于3GPP系統的接入控制，3GPP用戶(hù)以WLAN網(wǎng)絡(luò )的IP接入；

基于分組交換(PS)業(yè)務(wù)的接入，如來(lái)自交互WLAN網(wǎng)絡(luò )的短消息業(yè)務(wù)(SMS)、無(wú)線(xiàn)接入協(xié)議(WAP)、多媒體消息業(yè)務(wù)(MMS)；

連續業(yè)務(wù)，保持跨越WLAN和3G網(wǎng)絡(luò )不透明業(yè)務(wù)；

無(wú)隙縫業(yè)務(wù)，跨越WLAN和3G網(wǎng)絡(luò )透明業(yè)務(wù)；

提供基于電路交換(CS)業(yè)務(wù)的接入3GPP系統。

圖2為3G/WLAN松交互網(wǎng)絡(luò )，利用用戶(hù)數據庫，把WLAN網(wǎng)絡(luò )作為3G接入網(wǎng)絡(luò )的補充，不用用戶(hù)平面Iu接口，避免GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò )的 SGSN和GGSN。同一用戶(hù)數據庫用于3G/WLAN網(wǎng)絡(luò )，IP業(yè)務(wù)仍需要跨越接入網(wǎng)絡(luò )的支持，其中AAA功能直接由接

3GPP標準考慮了3G/WLAN交互網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現可行性，其中3GPP R6標準采納3G/WLAN松交互網(wǎng)絡(luò )，提供了系統靈活性和升級性，WLAN網(wǎng)絡(luò )無(wú)需支持復雜的Iu接口。

漫游參考結構和無(wú)漫游參考結構分別提供經(jīng)過(guò)本地或來(lái)訪(fǎng)3G網(wǎng)絡(luò )的3GPP分組交換業(yè)務(wù)。其中，Wn接口鏈接WLAN接入網(wǎng)絡(luò )和WLAN接入網(wǎng)關(guān) (WAG)，Wa為WLAN接入網(wǎng)絡(luò )和3GPP AAA服務(wù)器/代理之間的接口。Wi為分組數據網(wǎng)關(guān)和外部IP網(wǎng)絡(luò )之間的接口，Wp為WAG和分組數據網(wǎng)關(guān)(PDG)之間的接口，Wu為WLAN網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)設備(UE)和PDG之間的接口，Wd為3GPP AAA代理和3GPP AAA服務(wù)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(hù)服務(wù)器(HSS)、歸屬位置寄存器(HLR)、計費網(wǎng)關(guān)/計費功能(CGw/CCF)、在線(xiàn)計費系統、PDG、用戶(hù)位置功能(SLF)、WAG到AAA服務(wù)器及跨越接口的相關(guān)協(xié)議。

3 3G/WLAN接入鑒權和認證

在本地運行網(wǎng)絡(luò )之外，3G網(wǎng)絡(luò )的用戶(hù)具有選擇被訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )的漫游功能。在人工選擇模式，用戶(hù)以基于本地網(wǎng)廣播的公眾陸地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )標識(PLMN ID)從現有網(wǎng)絡(luò )表中選擇網(wǎng)絡(luò )，而在自動(dòng)網(wǎng)絡(luò )模式，用戶(hù)利用存儲在SIM/USIM中的PLMN ID來(lái)選擇網(wǎng)絡(luò )。

在3G/WLAN交互結構中，選擇網(wǎng)絡(luò )和從WLAN接入網(wǎng)漫游到本地網(wǎng)的路由是關(guān)鍵。在與WLAN交互中，3G網(wǎng)絡(luò )具有選擇被訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )的功能，在現存漫游路由中構成移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )。解決路由的方案是基于網(wǎng)絡(luò )接入識別器(NAI)的WLAN用戶(hù)表格。WLAN接入網(wǎng)不給本地網(wǎng)申請安排路由，在WLAN接入網(wǎng)中給用戶(hù)提供訪(fǎng)問(wèn)區公眾陸地移動(dòng)網(wǎng)(VPLMN)表。用戶(hù)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(wǎng)。

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(xié)議框架。其中，認證和關(guān)鍵協(xié)議功能采用RADIUS和含有擴展認證協(xié)議(EAP)的集中認證服務(wù)器，利用擴展認證協(xié)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(xié)議本身并不具備認證和關(guān)鍵協(xié)議互認，但它提供用于多路由傳輸的認證協(xié)議框架。作為終端到終端的擴展認證協(xié)議，接入點(diǎn)或其他中介元素并不需要知道每個(gè)認證和關(guān)鍵協(xié)議互認細節，AAA服務(wù)器和用戶(hù)足以運行擴展認證協(xié)議。

3G移動(dòng)網(wǎng)的智能卡承擔用戶(hù)接入網(wǎng)絡(luò )控制的認證、無(wú)線(xiàn)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(zhù)3G/WLAN互連層在WLAN接入網(wǎng)上新需求的增加，采用IEEE 802.11i標準可實(shí)現認證、接入控制和密鑰互認功能?；赨SIM/SIM認證算法的3G/WLAN交互結構有兩類(lèi)擴展認證協(xié)議：SIM的擴展認證協(xié)議和認證與密鑰協(xié)商(AKA)的擴展認證協(xié)議。SIM的擴展認證協(xié)議基于GSM SIM的認證和密鑰互認協(xié)議，源于GSM認證協(xié)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(xié)議在擴展認證協(xié)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(xié)議把UMTS機理融合到EAP中。

3GPP AAA服務(wù)器恢復來(lái)自HSS交換所需的鑒權信息，3GPP AAA服務(wù)器包括擴展認證協(xié)議服務(wù)器，用于網(wǎng)絡(luò )側SIM的擴展認證協(xié)議和AKA的擴展認證協(xié)議的功能，驗證用戶(hù)是否有權使用WLAN。

4 用戶(hù)數據路由和接入

用戶(hù)經(jīng)過(guò)認證和鑒權成功地接入網(wǎng)絡(luò )，WLAN網(wǎng)絡(luò )會(huì )確保用戶(hù)終端接入IP網(wǎng)絡(luò )。在Internet作為IP網(wǎng)時(shí)，用戶(hù)數據可直接從WLAN接入網(wǎng)至Internet。建立在WLAN接入網(wǎng)和3G之間的地址到地址的匯聚隧道，提供IP網(wǎng)中的多媒體消息業(yè)務(wù)(MMS)、無(wú)線(xiàn)應用協(xié)議(WAP)、IP 多媒體子系統(IMS)業(yè)務(wù)等。

遠程連接IP網(wǎng)和經(jīng)過(guò)確定接口進(jìn)行流量路由需求分析需要采用分組數據隧道技術(shù)，即在隧道一側端點(diǎn)組裝指向隧道另一側新的分組數據，在隧道另一側端點(diǎn)拆包并把數據傳送到指定地址。

IP網(wǎng)絡(luò )選擇采用類(lèi)似GPRS中接入名稱(chēng)(APN)參數的WLAN接入點(diǎn)名稱(chēng)(WAPN)參數，用戶(hù)終端指向WAPN所需的IP網(wǎng)。WAPN進(jìn)行鑒權申請，驗證用戶(hù)是否有權使用WAPN，也可以按用戶(hù)指定方式選擇IP網(wǎng)。在WAPN選擇IP網(wǎng)后，依靠建立的隧道把用戶(hù)數據送至所選擇的IP網(wǎng)中。

本地網(wǎng)運行的終止由隧道的分組數據網(wǎng)關(guān)(PDG)的網(wǎng)絡(luò )元素承擔。對被選擇

5 3G/WLAN終端與業(yè)務(wù)

3G/WLAN交互網(wǎng)絡(luò )的終端類(lèi)型有具有多種無(wú)線(xiàn)接口和備用PC卡模塊的多模式終端，如具有3G/WLAN模塊的個(gè)人數字助理(PDA)把3G 和WLAN模塊綜合在一起。位于單個(gè)終端主動(dòng)模式之間的驅動(dòng)器具有不同無(wú)線(xiàn)接口的選擇分離功能，如WLAN網(wǎng)絡(luò )的3G電話(huà)或接入WLAN網(wǎng)絡(luò )的PDA，可在第三方接口上具有3G/WLAN網(wǎng)絡(luò )交互通信能力。

3G/WLAN交互網(wǎng)絡(luò )的業(yè)務(wù)受到終端能力、用戶(hù)移動(dòng)性和系統交互能力的限制。終端能力直接影響業(yè)務(wù)類(lèi)型，有些3G網(wǎng)絡(luò )終端不能支持所有3G業(yè)務(wù)模式，如高數據速率、下行高數據/上行分組接入(HSDPA/HSUPA)等。用戶(hù)移動(dòng)性會(huì )影響系統容量、吞吐量、覆蓋和負載平衡，在熱點(diǎn)地區的高數據速率業(yè)務(wù)的WLAN用戶(hù)如接入3G網(wǎng)絡(luò )會(huì )降低其高數據速率業(yè)務(wù)質(zhì)量。

3G/WLAN交互網(wǎng)絡(luò )支持的業(yè)務(wù)主要有：

(1)個(gè)人通信

與其他個(gè)人通信相比有一對一通信或一對多個(gè)人通信，通信業(yè)務(wù)是指話(huà)音、視頻通話(huà)、MMS、SMS、移動(dòng)Email和信使。從QoS看，話(huà)音和視頻通話(huà)屬于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)會(huì )話(huà)類(lèi)，而其他屬于基本類(lèi)。

(2)移動(dòng)娛樂(lè )

移動(dòng)娛樂(lè )可分成下述類(lèi)型：按需視頻/語(yǔ)音流(流類(lèi))，此類(lèi)業(yè)務(wù)包括視頻/語(yǔ)音文本下載，并存儲在終端；游戲(基本分類(lèi)/在線(xiàn)游戲交互)，以 Java為基礎的Web瀏覽器用于在線(xiàn)游戲；聊天(交互/基本分類(lèi))，Internet中繼聊天(IRC)和移動(dòng)聊天；E-Book(基本分類(lèi))，在顯示屏閱讀電子書(shū)籍，下載或購買(mǎi)。

(3)移動(dòng)信息

由交互分類(lèi)的Internet Web瀏覽器提供新聞、財經(jīng)、體育、指南、氣候和交通信息等移動(dòng)信息，用戶(hù)僅承擔網(wǎng)絡(luò )接入費用。個(gè)性化信息送至指定用戶(hù)終端，并不通過(guò)群通信分布傳播。如旅行者在不熟悉地區駕駛時(shí)，指南下載業(yè)務(wù)隨著(zhù)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(yè)務(wù)

基于位置業(yè)務(wù)屬于交互分類(lèi)，包括與位置有關(guān)信息和公共業(yè)務(wù)，提供與用戶(hù)有關(guān)的信息。

(5)移動(dòng)交易

移動(dòng)交易包括移動(dòng)財政，如銀行存款、股票經(jīng)紀、支付現金等。還包括移動(dòng)消費(如零售、訂票、拍賣(mài)、預定、移動(dòng)廣告)和移動(dòng)娛樂(lè )(游戲、音樂(lè )、視頻、賭注)。另外，移動(dòng)商業(yè)為在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )上進(jìn)行貨幣交易，使移動(dòng)終端成為電子錢(qián)包。移動(dòng)交易的安全性由HTTP Web安全瀏覽功能承擔。

(6)商業(yè)業(yè)務(wù)

業(yè)務(wù)的交互分類(lèi)或基本分類(lèi)取決于業(yè)務(wù)的應用，協(xié)調型業(yè)務(wù)給商業(yè)用戶(hù)提供瞬變信息的數據變換，信息經(jīng)過(guò)虛擬專(zhuān)用網(wǎng)(VPN)安全地鏈接到Internet。

3G/WLAN交互系統采用諸如：3GPP預約、網(wǎng)絡(luò )選擇，基于3GPP系統的AAA利用SIM/USIM數據實(shí)現路由，業(yè)務(wù)接入和終端用戶(hù)付費等復用技術(shù)，可以給3GPP的用戶(hù)提供公共WLAN接入業(yè)務(wù)功能。業(yè)務(wù)功能的獲取并沒(méi)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(wǎng)的現有性能。

3GPP系統演進(jìn)趨勢的一方面是通過(guò)3G/WLAN交互系統通過(guò)WLAN接入控制功能增加新功能，如先進(jìn)業(yè)務(wù)支持，實(shí)時(shí)對等IP通信等；另一方面是3G/WLAN交互系統引進(jìn)WLAN和蜂窩IP連接之間不同類(lèi)型動(dòng)態(tài)交換，提供不中斷業(yè)務(wù)?？傊?，3G/WLAN系統演進(jìn)趨勢是利用多種接入技術(shù)和用戶(hù)內部先進(jìn)技術(shù)來(lái)提供可靠安全接入和基于IP的業(yè)務(wù)，3G/WLAN是邁向新一代無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵的一步，在系統性能上具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢，同時(shí)也具有巨大的市場(chǎng)潛力。

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