TD-SCDMA與WLAN網(wǎng)絡(luò)互操作研究

隨著各種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷演進(jìn)，各種移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)之間相互融合逐漸成為了無線通信發(fā)展的趨勢(shì)。而寬帶網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)化和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的寬帶化則是邁向未來通信世界的必然趨勢(shì)。因此，3G通信網(wǎng)與無線局域網(wǎng)的融合技術(shù)，已經(jīng)成為通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。這兩者之間的融合可以揚(yáng)長避短，將劣勢(shì)轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢(shì)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

??? TD及WLAN互操作可行性分析

??? TD-SCDMA（以下簡稱TD）標(biāo)準(zhǔn)是由我國制定的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的3G標(biāo)準(zhǔn)，1998年6月30日由中國原郵電部電信科學(xué)技術(shù)研究院（大唐電信）向ITU提出。TD擁有豐富的頻率資源，單載波帶寬為1.6MHz，核心頻段55MHz，有33個(gè)核心頻點(diǎn)，補(bǔ)充頻段100MHz，有62個(gè)補(bǔ)充頻點(diǎn)。它具有靈活的組網(wǎng)方式，不僅能夠用于宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，尤其適合于城市及近郊區(qū)高密度用戶區(qū)組建微蜂窩或者微微蜂窩網(wǎng)絡(luò)，并可與其它移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享。

WLAN通常是指以無線電波、激光、紅外線等無線媒介來代替有線局域網(wǎng)中部分或全部傳輸媒介而構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于802.11家族。IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)定義了兩類的無線局域網(wǎng)，分為固定設(shè)施模式（infrastructure）和非固定設(shè)施模式(Ad-hoc)。針對(duì)與TD體系結(jié)構(gòu)相融合的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在WLAN網(wǎng)絡(luò)中采用infrastructure模式。

??? TD技術(shù)存在頻譜利用率高和穿透性能差二大特點(diǎn)。通過結(jié)合高速低成本的WLAN技術(shù)，使用B頻段的TD建網(wǎng)，為WLAN分配TD的A或C頻段中的少許頻點(diǎn)，利用這種結(jié)合方式來異構(gòu)組網(wǎng)可將TD穿透性差、WLAN頻點(diǎn)有限等缺點(diǎn)轉(zhuǎn)化為優(yōu)點(diǎn)，更好地適應(yīng)無線技術(shù)融合的要求，滿足未來移動(dòng)通信發(fā)展的需求。

??? TD與WLAN兩大互操作模式

??? TD與WLAN網(wǎng)絡(luò)互操作大致可分為緊耦合模式和松耦合模式兩種模式。

??? 緊耦合模式的組網(wǎng)方案如圖1所示。

??? 在緊耦合模式下，考慮到目前3GPP標(biāo)準(zhǔn)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，TD與WLAN融合點(diǎn)選擇在SGSN上。因?yàn)槿绻x擇融合點(diǎn)在RNC，由于兩個(gè)無線接口完全不同，則需要對(duì)RNC復(fù)雜的無線程序進(jìn)行大量的修改；另外，若融合點(diǎn)選擇在GGSN的話，在切換到TD時(shí)需要重新創(chuàng)建移動(dòng)狀態(tài)，并重建立PDP會(huì)話或RAB上下文，而GGSN中沒有這些信息，切換速率將變得很慢。因此，我們將融合點(diǎn)選擇在SGSN，WLAN的接入網(wǎng)與TD的接入網(wǎng)采用相同的方式接入到TD核心網(wǎng)上。

??? 這樣，對(duì)于SGSN而言，WLAN和UTRAN是兩種完全不同的無線接入網(wǎng)絡(luò)。MN與TD網(wǎng)絡(luò)的連接需要建立明確的信令管理承載路徑，在WLAN網(wǎng)絡(luò)小區(qū)中的MN保持與WLAN網(wǎng)絡(luò)的連接同時(shí)通過不同的接口與TD網(wǎng)絡(luò)連接。這種模式對(duì)TD核心網(wǎng)造成較大的沖擊，TD核心網(wǎng)中的SGSN和GGSN網(wǎng)絡(luò)組件必須重新設(shè)計(jì)，以支撐增長的業(yè)務(wù)負(fù)載和不同的服務(wù)。另一方面，由于TD與WLAN網(wǎng)絡(luò)可能分屬于不同的運(yùn)營商，對(duì)于鑒權(quán)和計(jì)費(fèi)等問題都較難協(xié)調(diào)；而混合網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)終端需要在兩種協(xié)議的物理層之間任意轉(zhuǎn)換，難度較高。因此，雖然此模式統(tǒng)一了網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)接入和用戶管理，但對(duì)核心網(wǎng)和終端等方面的設(shè)計(jì)都要求較高。

??? 于是，松耦合模式應(yīng)運(yùn)而生，其組網(wǎng)方案如圖2所示。

??? 與緊耦合模式相比較，此時(shí)WLAN數(shù)據(jù)不直接接入TD核心網(wǎng)，而是通過分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)(PDG)網(wǎng)絡(luò)組件來接入公共IP網(wǎng)絡(luò)，這樣對(duì)TD核心網(wǎng)的沖擊就比較小了。另外，為了降低終端實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，我們假設(shè)MN在網(wǎng)絡(luò)中只能同時(shí)與其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。由于軟切換實(shí)現(xiàn)的難度比較大，因此在TD與WLAN切換過程中采用的是硬切換的方式。這種混合組網(wǎng)的模式可以支持終端在TD與WLAN接入網(wǎng)間的移動(dòng)。

??? 松耦合模式

??? 1．切換問題

??? 為了實(shí)現(xiàn)TD與WLAN的網(wǎng)絡(luò)互操作，切換問題是一個(gè)重要的技術(shù)考慮點(diǎn)。對(duì)于混合網(wǎng)絡(luò)而言，各種通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有所不同，使用的技術(shù)也存在很大的差異，因此現(xiàn)在還沒有一套統(tǒng)一的關(guān)于異構(gòu)網(wǎng)切換的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)異構(gòu)網(wǎng)的特征采用不同的切換技術(shù)。
??? 與緊耦合模式相比，松耦合模式要求現(xiàn)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變動(dòng)相對(duì)小得多，并有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)前期較為適用。在松耦合模式下，MN在TD與WLAN網(wǎng)絡(luò)之間切換時(shí)，主要是根據(jù)MN接收到的WLANAP的服務(wù)集標(biāo)識(shí)符（SSID）來決定是否進(jìn)行切換的。切換過程可以分為四個(gè)不同的階段：切換發(fā)起、鑒權(quán)認(rèn)證、L2切換和切換完成階段。

??? (1)切換發(fā)起

??? 起初，UE與TD網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，這樣就在HA與MN之間通過TD網(wǎng)絡(luò)實(shí)體形成一條分組包發(fā)送路由，并且需要HA管理MN所分配的當(dāng)前轉(zhuǎn)交地址。
??? 當(dāng)處于TD系統(tǒng)中的MN進(jìn)人切換區(qū)域中，RNS判斷節(jié)點(diǎn)位置并把位置信息通告給它的鄰居WLANAP的SSID。在MN接收到SSID之后，開始執(zhí)行切換判決。若存在層二觸發(fā)，它可決定接受或者拒絕到WLAN網(wǎng)絡(luò)的切換。

??? (2)鑒權(quán)認(rèn)證

??? 作出切換決定之后，MN發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求信息給GGSN，并且GGSN把該信息轉(zhuǎn)發(fā)給WLAN的PDG來請(qǐng)求WLAN認(rèn)證。PDG接收到一個(gè)認(rèn)證請(qǐng)求信息，就開始在MN、PDG和AAA服務(wù)器之間為WLAN進(jìn)行認(rèn)證過程，其中由PDG來轉(zhuǎn)發(fā)MN與AAA服務(wù)器之間的WLAN認(rèn)證信息。如果認(rèn)證成功，PDG就分配一個(gè)新關(guān)聯(lián)地址(CoA)給MN在WLAN網(wǎng)絡(luò)中使用（所分配的CoA可以是一個(gè)外部代理CoA或者是配置CoA）。然后，PDG把相關(guān)的應(yīng)答信息合并在一起發(fā)送給HA。
??? 如果HA接收到“注冊(cè)更新請(qǐng)求”消息，則需要來更新MN的IP地址。此時(shí)，HA開始緩存發(fā)往MN分組包并發(fā)送“注冊(cè)更新響應(yīng)”消息給PDG。如果PDG接收到該信息，就通過GGSN將注冊(cè)響應(yīng)信息轉(zhuǎn)發(fā)給MN，來表示MN的鑒權(quán)認(rèn)證已經(jīng)完成。

??? (3)層二切換

??? 在MN的鑒權(quán)認(rèn)證完成后，MN就通過基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)的L2分離過程從TD網(wǎng)絡(luò)斷開連接，然后再通過使用標(biāo)準(zhǔn)的WLAN關(guān)聯(lián)過程來執(zhí)行WLAN鏈接，也就是執(zhí)行從TD到WLAN的層二切換。在連接的過程中，WLANAR可以從先前接收的認(rèn)證成功信息中確認(rèn)認(rèn)證用戶中的MN。所以，MN能通過WLANAR來通信，而不需要進(jìn)一步的WLAN認(rèn)證過程。

??? (4)切換完成

??? 在MN與WLANAR連接建立之后，它給HA發(fā)送“切換完成”消息，此時(shí)HA更新地址表。然后，HA終止對(duì)數(shù)據(jù)包的緩存并轉(zhuǎn)發(fā)所緩存的數(shù)據(jù)包。

??? 2．鑒權(quán)問題

??? TD運(yùn)營商可通過SIM／USIM智能卡使用來為網(wǎng)絡(luò)提供安全保證機(jī)制，并將用戶的安全等級(jí)和業(yè)務(wù)描述等存入到本地服務(wù)器HLR當(dāng)中。而WLAN網(wǎng)絡(luò)中可以重用TD的安全服務(wù)功能，一方面可以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源開銷，另一方面由于TD使用HLR來實(shí)現(xiàn)各運(yùn)營商之間的漫游協(xié)商，可以較容易地組建一個(gè)世界范圍的安全系統(tǒng)。
??? WLAN網(wǎng)絡(luò)通過接口與外地TD網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的AAA服務(wù)器相聯(lián)，借口用于鑒權(quán)和密鑰管理的信令傳輸。鑒權(quán)過程中需要的信息存儲(chǔ)在HLR中，通過接口AAA服務(wù)器可以從HSS中獲得這些信息。

??? 3.收費(fèi)問題

??? 經(jīng)過鑒權(quán)后，合法的MN將獲得接入網(wǎng)絡(luò)的授權(quán)。當(dāng)用戶接入公共IP網(wǎng)絡(luò)時(shí)，用戶可直接通過WLAN接入網(wǎng)路由至Internet，而不經(jīng)過TD核心網(wǎng)。而當(dāng)用戶需要使用TD網(wǎng)絡(luò)提供的IP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)時(shí)，就需要在WLAN接入網(wǎng)和TD核心網(wǎng)之間建立隧道，以便把WLAN網(wǎng)絡(luò)中所有用戶的數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)移到TD核心網(wǎng)進(jìn)行傳輸，因此需要在TD核心網(wǎng)中新增加網(wǎng)絡(luò)實(shí)體PDG。PDG的作用與GPRS網(wǎng)絡(luò)中的GGSN的作用類似，同樣是作為通往遠(yuǎn)端IP網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。

??? WLAN與TD網(wǎng)絡(luò)中仍采用預(yù)付費(fèi)和后付費(fèi)兩種收費(fèi)模式。使用預(yù)付費(fèi)方式時(shí)，對(duì)用戶的收費(fèi)應(yīng)交由在線收費(fèi)系統(tǒng)OCS控制；而使用后付費(fèi)方式時(shí)，用戶付費(fèi)信息則由收費(fèi)網(wǎng)關(guān)CG負(fù)責(zé)收集并提交給收費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)一步來處理。

??? 在MN使用WLAN直接接入Internet的情況下，WLAN接入的收費(fèi)信息由WLAN接入網(wǎng)中的LocalAAA(圖2)負(fù)責(zé)收集后再交由TD核心網(wǎng)進(jìn)行處理。而當(dāng)MN使用TD核心網(wǎng)提供的服務(wù)，所有的相關(guān)IP數(shù)據(jù)流都會(huì)通過PDG，因此PDG可以準(zhǔn)確地針對(duì)這類服務(wù)收集計(jì)費(fèi)信息。PDG將計(jì)費(fèi)信息整理后通過接口交由TD核心網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)行處理。