3G與WLAN交互網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

WLAN逐步成為一種公眾無線接入方式，WLAN網(wǎng)絡(luò)采用小區(qū)扇形極化和MIMO技術(shù)可在室內(nèi)30 m或室外100 m半徑覆蓋區(qū)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，無線接入成本僅占3G基站的很小一部分，將有力地促進(jìn)無線接入市場的發(fā)展。 3G/WLAN網(wǎng)絡(luò)雙模終端可提供無處不在的，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(guī)定的無線頻率頻段，而WLAN網(wǎng)絡(luò)工作在無線頻率非許可頻段，會(huì)產(chǎn)生不協(xié)調(diào)干擾，進(jìn)而減少無線接入的覆蓋范圍。WLAN網(wǎng)絡(luò)以高性能價(jià)格比用于用戶業(yè)務(wù)需求猛增的熱點(diǎn)區(qū)，WLAN網(wǎng)絡(luò)的小覆蓋區(qū)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)來覆蓋[1-4]。

3G網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)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)提供話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而WLAN網(wǎng)絡(luò)主要提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。可見，3G網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)具有互補(bǔ)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3GPP與WLAN互通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)，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(tǒng)把基本IP業(yè)務(wù)鏈接到應(yīng)用層IP骨干網(wǎng)。其中，動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議 (DHCP)的服務(wù)器承擔(dān)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(zhuǎn)換為IP地址。網(wǎng)關(guān)/端口地址轉(zhuǎn)換(GW/NAPT)為鏈接外部IP網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，承擔(dān)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(nèi)的專用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)器給接入用戶提供本地應(yīng)用層業(yè)務(wù)，終端以Web瀏覽器控制接入，把登錄的Web網(wǎng)頁送至WLAN終端。計(jì)費(fèi)系統(tǒng)負(fù)責(zé)計(jì)費(fèi)，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(nèi)容、網(wǎng)絡(luò)配置和監(jiān)控管理。

WLAN系統(tǒng)設(shè)置鑒權(quán)、認(rèn)證、計(jì)費(fèi)(AAA)服務(wù)器和用戶數(shù)據(jù)庫，承擔(dān)認(rèn)證和鑒權(quán)等，提供IP鏈接和其他業(yè)務(wù)。對于WLAN系統(tǒng)的用戶，AAA 服務(wù)器是典型遠(yuǎn)程撥號(hào)用戶認(rèn)證(RADIUS)服務(wù)器。AAA服務(wù)器通過IP骨干網(wǎng)采用輕量目錄訪問協(xié)議(LDAP)訪問用戶數(shù)據(jù)庫。當(dāng)用戶采用Web瀏覽器進(jìn)行認(rèn)證和鑒權(quán)時(shí)，首先向WLAN系統(tǒng)的HTTP服務(wù)器申請，顯示登錄的Web主頁，輸入登錄名、口令并支付鏈接費(fèi)用。在IEEE 802.1x標(biāo)準(zhǔn)和IEEE 802.11i標(biāo)準(zhǔn)中，鑒權(quán)部分實(shí)施3G/WLAN交互操作，也可建立WLAN系統(tǒng)的漫游，使WLAN系統(tǒng)用戶鏈接到另一個(gè)WLAN系統(tǒng)。

2 3G/WLAN交互結(jié)構(gòu)

3G和WLAN交互網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)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)通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS) 的支持節(jié)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(qū)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)，類似于3G網(wǎng)絡(luò)的Iu接口，通用無線接入(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(jié)構(gòu)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)通用分組無線業(yè)務(wù)支持節(jié)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(yùn)營商不是同一實(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(jì)費(fèi)；

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

基于分組交換(PS)業(yè)務(wù)的接入，如來自交互WLAN網(wǎng)絡(luò)的短消息業(yè)務(wù)(SMS)、無線接入?yún)f(xié)議(WAP)、多媒體消息業(yè)務(wù)(MMS)；

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

無隙縫業(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(tǒng)。

圖2為3G/WLAN松交互網(wǎng)絡(luò)，利用用戶數(shù)據(jù)庫，把WLAN網(wǎng)絡(luò)作為3G接入網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，不用用戶平面Iu接口，避免GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的 SGSN和GGSN。同一用戶數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)考慮了3G/WLAN交互網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)可行性，其中3GPP R6標(biāo)準(zhǔn)采納3G/WLAN松交互網(wǎng)絡(luò)，提供了系統(tǒng)靈活性和升級(jí)性，WLAN網(wǎng)絡(luò)無需支持復(fù)雜的Iu接口。

漫游參考結(jié)構(gòu)和無漫游參考結(jié)構(gòu)分別提供經(jīng)過本地或來訪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(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和外部IP網(wǎng)絡(luò)之間的接口，Wp為WAG和分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)(PDG)之間的接口，Wu為WLAN網(wǎng)絡(luò)用戶設(shè)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(fù)責(zé)歸屬用戶服務(wù)器(HSS)、歸屬位置寄存器(HLR)、計(jì)費(fèi)網(wǎng)關(guān)/計(jì)費(fèi)功能(CGw/CCF)、在線計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、PDG、用戶位置功能(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(quán)和認(rèn)證

在本地運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)之外，3G網(wǎng)絡(luò)的用戶具有選擇被訪問網(wǎng)絡(luò)的漫游功能。在人工選擇模式，用戶以基于本地網(wǎng)廣播的公眾陸地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)(PLMN ID)從現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)表中選擇網(wǎng)絡(luò)，而在自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模式，用戶利用存儲(chǔ)在SIM/USIM中的PLMN ID來選擇網(wǎng)絡(luò)。

在3G/WLAN交互結(jié)構(gòu)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)具有選擇被訪問網(wǎng)絡(luò)的功能，在現(xiàn)存漫游路由中構(gòu)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(shí)別器(NAI)的WLAN用戶表格。WLAN接入網(wǎng)不給本地網(wǎng)申請安排路由，在WLAN接入網(wǎng)中給用戶提供訪問區(qū)公眾陸地移動(dòng)網(wǎng)(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(biāo)識(shí)(ID)認(rèn)證WLAN接入網(wǎng)。

WLAN提高了WLAN空中接口的安全層次，IEEE 802.11i標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)安全，升級(jí)認(rèn)證，控制接入，定義IEEE 802.1x協(xié)議框架。其中，認(rèn)證和關(guān)鍵協(xié)議功能采用RADIUS和含有擴(kuò)展認(rèn)證協(xié)議(EAP)的集中認(rèn)證服務(wù)器，利用擴(kuò)展認(rèn)證協(xié)議和RADIUS安全分布密鑰構(gòu)成新的分組安全法算法。

擴(kuò)展認(rèn)證協(xié)議本身并不具備認(rèn)證和關(guān)鍵協(xié)議互認(rèn)，但它提供用于多路由傳輸?shù)恼J(rèn)證協(xié)議框架。作為終端到終端的擴(kuò)展認(rèn)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(rèn)證和關(guān)鍵協(xié)議互認(rèn)細(xì)節(jié)，AAA服務(wù)器和用戶足以運(yùn)行擴(kuò)展認(rèn)證協(xié)議。

3G移動(dòng)網(wǎng)的智能卡承擔(dān)用戶接入網(wǎng)絡(luò)控制的認(rèn)證、無線鏈路加密和綜合安全密鑰認(rèn)可。在GSM和GPRS系統(tǒng)中，認(rèn)證和密鑰互認(rèn)功能由SIM卡的挑戰(zhàn)/響應(yīng)算法承擔(dān)。在UMTS系統(tǒng)中，還含有USIM智能卡，承擔(dān)認(rèn)證和密鑰互認(rèn)功能。

隨著3G/WLAN互連層在WLAN接入網(wǎng)上新需求的增加，采用IEEE 802.11i標(biāo)準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)認(rèn)證、接入控制和密鑰互認(rèn)功能?；赨SIM/SIM認(rèn)證算法的3G/WLAN交互結(jié)構(gòu)有兩類擴(kuò)展認(rèn)證協(xié)議：SIM的擴(kuò)展認(rèn)證協(xié)議和認(rèn)證與密鑰協(xié)商(AKA)的擴(kuò)展認(rèn)證協(xié)議。SIM的擴(kuò)展認(rèn)證協(xié)議基于GSM SIM的認(rèn)證和密鑰互認(rèn)協(xié)議，源于GSM認(rèn)證協(xié)議，但包括若干重要加強(qiáng)措施，如交互認(rèn)證、身份隱藏、假名和快速重新認(rèn)證。AKA的擴(kuò)展認(rèn)證協(xié)議在擴(kuò)展認(rèn)證協(xié)議中包裝UMTS認(rèn)證和密鑰互認(rèn)合同，UMTS的AKA支持互認(rèn)證和較強(qiáng)密鑰算法，AKA的擴(kuò)展認(rèn)證協(xié)議把UMTS機(jī)理融合到EAP中。

3GPP AAA服務(wù)器恢復(fù)來自HSS交換所需的鑒權(quán)信息，3GPP AAA服務(wù)器包括擴(kuò)展認(rèn)證協(xié)議服務(wù)器，用于網(wǎng)絡(luò)側(cè)SIM的擴(kuò)展認(rèn)證協(xié)議和AKA的擴(kuò)展認(rèn)證協(xié)議的功能，驗(yàn)證用戶是否有權(quán)使用WLAN。

4 用戶數(shù)據(jù)路由和接入

用戶經(jīng)過認(rèn)證和鑒權(quán)成功地接入網(wǎng)絡(luò)，WLAN網(wǎng)絡(luò)會(huì)確保用戶終端接入IP網(wǎng)絡(luò)。在Internet作為IP網(wǎng)時(shí)，用戶數(shù)據(jù)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)、無線應(yīng)用協(xié)議(WAP)、IP 多媒體子系統(tǒng)(IMS)業(yè)務(wù)等。

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

IP網(wǎng)絡(luò)選擇采用類似GPRS中接入名稱(APN)參數(shù)的WLAN接入點(diǎn)名稱(WAPN)參數(shù)，用戶終端指向WAPN所需的IP網(wǎng)。WAPN進(jìn)行鑒權(quán)申請，驗(yàn)證用戶是否有權(quán)使用WAPN，也可以按用戶指定方式選擇IP網(wǎng)。在WAPN選擇IP網(wǎng)后，依靠建立的隧道把用戶數(shù)據(jù)送至所選擇的IP網(wǎng)中。

本地網(wǎng)運(yùn)行的終止由隧道的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)(PDG)的網(wǎng)絡(luò)元素承擔(dān)。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(gè)人數(shù)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(qū)動(dòng)器具有不同無線接口的選擇分離功能，如WLAN網(wǎng)絡(luò)的3G電話或接入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、用戶移動(dòng)性和系統(tǒng)交互能力的限制。終端能力直接影響業(yè)務(wù)類型，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(shù)據(jù)速率、下行高數(shù)據(jù)/上行分組接入(HSDPA/HSUPA)等。用戶移動(dòng)性會(huì)影響系統(tǒng)容量、吞吐量、覆蓋和負(fù)載平衡，在熱點(diǎn)地區(qū)的高數(shù)據(jù)速率業(yè)務(wù)的WLAN用戶如接入3G網(wǎng)絡(luò)會(huì)降低其高數(shù)據(jù)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)是指話音、視頻通話、MMS、SMS、移動(dòng)Email和信使。從QoS看，話音和視頻通話屬于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)會(huì)話類，而其他屬于基本類。

(2)移動(dòng)娛樂

移動(dòng)娛樂可分成下述類型：按需視頻/語音流(流類)，此類業(yè)務(wù)包括視頻/語音文本下載，并存儲(chǔ)在終端；游戲(基本分類/在線游戲交互)，以 Java為基礎(chǔ)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(dòng)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(dòng)信息

由交互分類的Internet Web瀏覽器提供新聞、財(cái)經(jīng)、體育、指南、氣候和交通信息等移動(dòng)信息，用戶僅承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)接入費(fèi)用。個(gè)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(qū)駕駛時(shí)，指南下載業(yè)務(wù)隨著位置信息加入而強(qiáng)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，包括與位置有關(guān)信息和公共業(yè)務(wù)，提供與用戶有關(guān)的信息。

(5)移動(dòng)交易

移動(dòng)交易包括移動(dòng)財(cái)政，如銀行存款、股票經(jīng)紀(jì)、支付現(xiàn)金等。還包括移動(dòng)消費(fèi)(如零售、訂票、拍賣、預(yù)定、移動(dòng)廣告)和移動(dòng)娛樂(游戲、音樂、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)終端成為電子錢包。移動(dòng)交易的安全性由HTTP Web安全瀏覽功能承擔(dān)。

(6)商業(yè)業(yè)務(wù)

業(yè)務(wù)的交互分類或基本分類取決于業(yè)務(wù)的應(yīng)用，協(xié)調(diào)型業(yè)務(wù)給商業(yè)用戶提供瞬變信息的數(shù)據(jù)變換，信息經(jīng)過虛擬專用網(wǎng)(VPN)安全地鏈接到Internet。

3G/WLAN交互系統(tǒng)采用諸如：3GPP預(yù)約、網(wǎng)絡(luò)選擇，基于3GPP系統(tǒng)的AAA利用SIM/USIM數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)路由，業(yè)務(wù)接入和終端用戶付費(fèi)等復(fù)用技術(shù)，可以給3GPP的用戶提供公共WLAN接入業(yè)務(wù)功能。業(yè)務(wù)功能的獲取并沒有在WLAN接入系統(tǒng)上增設(shè)3GPP特定要求，而是依靠基于 IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的典型WLAN接入網(wǎng)的現(xiàn)有性能。

3GPP系統(tǒng)演進(jìn)趨勢的一方面是通過3G/WLAN交互系統(tǒng)通過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(tǒng)引進(jìn)WLAN和蜂窩IP連接之間不同類型動(dòng)態(tài)交換，提供不中斷業(yè)務(wù)?？傊?G/WLAN系統(tǒng)演進(jìn)趨勢是利用多種接入技術(shù)和用戶內(nèi)部先進(jìn)技術(shù)來提供可靠安全接入和基于IP的業(yè)務(wù)，3G/WLAN是邁向新一代無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵的一步，在系統(tǒng)性能上具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢，同時(shí)也具有巨大的市場潛力。

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