第三代移动通信系统与无线局域网互联互通研究

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0、概述
　　在IST项目BRAIN(Broadband Radio Access for IP based Networks)及MIND(Mobile IP-based Network Developments)中为基于全IP的宽带接入提供了不同的解决方法，其中一项重要的挑战就是3G与无线局域网(WLAN)的互联互通。以IEEE802.11标准为主的WLAN以其低廉的建网价格及高传输带宽(IEEE 802.11系列标准提供1-54Mbit/s的数据传输速率)迅速拓展市场空间。但其缺点也很明显，每个接入点的覆盖范围不大，只能适用于公司、旅馆、机场等地区，而且不同WLAN业务提供商之间的网络没有漫游协议。3G则能弥补WLAN的缺点：可以为用户提供无所不在的连接性，在不同的PLMN之间有成熟的漫游协议。但3G的投资规模庞大，数据峰值传输速率也只有2Mbit/s左右[1]。
　　由于WLAN和3G的互补特性，3G-WLAN的互联互通成为设备制造商、系统集成商、运营商以及科研机构的热点问题之一。其基本原则是必须尽量减少对WLAN以及3G现有标准和系统的影响，即保持WLAN标准不变，对3G现存规范的修改最小化。目的是使3G系统运营商为蜂窝用户在所有业务上提供一套完整的公共无线局域网的接入体系。
1、3GPP-WLAN互联互通体系结构
　　3GPP-WLAN互联互通体系结构的设计主要基于两系统功能互补和增强。
　　1.1　WLAN体系结构
　　当前WLAN接入网络体系结构没有正式的标准，但所有WLAN系统都是建立在ISP的实际标准范例之上，如图1所示[2]。

图1　WLAN体系结构

　　通过WLAN系统提供IP连接性以及其他业务需要认证、鉴权及计费(AAA)服务器和用户数据库。目前典型的AAA服务器就是在WLAN系统中为用户提供认证、鉴权及计费功能的RADIUS服务器。
　　1.2　WLAN-3GPP体系结构
　　目前，WLAN与3GPP互联互通有两种模式：紧耦合和松耦合。WLAN可以直接借鉴3G系统的用户管理和AAA机制，便于用户无缝快捷接入不同模式的无线网络。见图2所示。

图2　WLAN-3GPP体系结构

2、3GPP-WLAN互联互通关键机制
　　2.1　网络选择机制
　　3GPP-WLAN互联互通体系中网络选择是一个非常复杂的问题。尽管传统的移动运营商提供WLAN接入网，但对于一个特定的WLAN接入网来讲可能会存在多个可行的漫游路径。目前3GPP支持与WLAN互联互通中的网络选择，当存在多个可行的漫游路径时用户可选择访问PLMN(VPLMN)。在技术上以基于网络接入标识符(NAI)来实现，NAI由用户名和域名中间以@字符作为分隔组成。与WLAN接入点建立连接后，UE向所属本地网络报告NAI，若WLAN接入网不能将这一请求转发至本地网，则此WLAN会为UE提供一个可支持的VPLMN的列表，UE从中选择首选VPLMN，重新制定NAI并将VPLMN ID包含在内，通过“新的”ID再次进行认证，WLAN获得对请求进行转发的相关信息。
　　2.2　3GPP-WLAN互联互通体系中的认证与鉴权
　　3GPP-WLAN互联互通体系的基本原则要求尽量少的对WLAN接入网提出新的要求，因此在规划中提出使用IEEE 802.11i来实现认证、解入控制和密钥确认功能。IEEE 802.11i对IEEE 802.11协议在安全性能方面进行了扩展。认证与密钥确认功能可由集中式认证服务器通过RADIUS(Remote Authentication Dial-In User Service)和可扩展的认证协议EAP(Extensible Authentication Protocol)来实现。为了重新使用基于USIM/SIM的认证算法，对EAP SIM和EAP AKA(Authentication and Key Agreement)进行了规定。
　　EAP SIM规定了基于GSM SIM算法的认证和密钥确认协议，包含了对GSM机制的重要扩展，如共同的认证与获取更长的密钥及通过临时标识或假名隐藏身份，以及快速重新健全功能。EAP AKA在EAP内部对UMTS认证和密钥确认进行封装，与EAP SIM同样拥有隐含标识及快速重新认证功能。3GPP AAA服务器包含EAP服务器功能，对订户是否被受权使用WLAN进行核实。在认证协议中所需的鉴权信息及认证矢量存储(或产生)于HSS中。
　　2.3　3GPP-WLAN互联互通数据路由机制
　　一旦用户认证成功且被授权接入网络，WLAN接入网准许UE接入IP网络，在WLAN接入网与3GPP网络的站点之间通过建立隧道机制对用户的全部数据进行转发。当前关于用户数据路由的技术体系结构还没有达成统一意见。但业界就隧道终端应建立于本地运营网络达成一致，分组数据网关PDG(Packet Data Gateway)负责建立隧道。在访问网络中需要WLAN接入网关WAG(WLAN Access Gateway)以实现隧道功能。

图3　协议接口

　　2.4　3GPP-WLAN互联互通体系中的计费机制
　　3GPP-WLAN互联互通系统支撑的业务可通过WLAN接入网直接接入因特网或经过PDG接入本地3G网络。当直接通过WLAN接入因特网时，可采用IP有线网络的计费模式或通过3GPP网络来计费；当经过PDG接入本地3G网络时，WLAN通过接口Wn先与3GPP访问网络通信，再通过Wp接口和3GPP的PDG进入本地3G网络的计费系统。

图4　计费系统结构及接口

3、3GPP-WLAN互联互通应用场景
　　考虑到用户漫游需要及传输时延尽量小等要求，重点介绍紧耦合中的两种应用[3]：基于3GPP系统接入控制和计费的互联互通和接入3GPP分组交换域的互联互通。
　　基于3GPP系统的接入控制和计费，即3GPP系统用来提供AAA(鉴权、授权和计费)功能。具体的体系架构如图5所示，该图描述了漫游场景下WLAN/3G互联互通体系结构。如果WLAN终端不需要进行漫游，则3G AAA服务器通过Wr/Wb接口直接与WLAN相连。需要特别注意的是3G移动台和WLAN移动台的用户数据业务流的转发过程是完全不同的。WLAN移动台的用户数据业务流是由WLAN通过自身转发至因特网或其他内部互联网，3G移动台的用户数据业务流是通过3G分组交换核心网进行转发的。3G移动台可直接访问因特网、企业内部互联网、以及3G运营商的分组交换业务系统(如WAP，MMS等)。

图5　基于3GPP系统接入控制和计费的互联互通网络体系结构

　　为了支持WLAN终端对3G基于分组交换业务的访问，需要将WLAN用户数据业务流转发至3G本地或访问PLMN，如图6所示，称为接入3GPP分组交换域的互联互通场景。在这种应用场景下，要求运营商将3GPP系统的分组域业务扩展到WLAN，业务包括APN、IMS、LBS、InstantMessage、MBMS等。

图6　接入3GPP分组交换域的互联互通网络体系结构

　　图6主要的改进在于增加了分组数据网关PDG。虽然AAA业务流通过相同的路由，但用户数据业务流被转发至移动台的HPLMN中的PDG。在漫游情况下，用户数据流由位于首选3G VPLMN中的无线接入网关WAG转发。PDG模块在功能上类似于3G分组交换网络中的GGSN，负责在移动台和基于3G分组与业务需求所选择的外部分组数据网络(PDN)之间转发用户数据业务流。移动台通过WLAN接入点W-APN(WLAN-Access Point Name)标识3G分组域业务，W-APN包含AAA信令消息。PDG也可完成地址翻译、实现保证、生成计费记录等功能。WAG模块主要作为路由保证元素。
　　参考文献
　　1　M Lott，et al. Interworking of WLAN and 3G systems.IEE Proc.　Commun,October，2004，151(5)：507～513
　　2　Kalle Ahmavaara，et al Interworking Architecture Between 3GPP and WLAN Systems. IEEE Communications Magazine? November， 2003：74～81
　　3　Apostolis K Salkintzis. Interworking Techniques and Architectures for WLAN/3G Integration toward 4G Mobile Data Networks. IEEE Wireless Communications，June,2004：51～61