光电工程师社区

标题: 浅析无线局域网与GPRS互联的方案 [打印本页]

作者: 慈航 时间: 2003-8-3 00:57
标题: 浅析无线局域网与GPRS互联的方案

摘要

　　本文介绍了WLAN和GPRS相互结合的两种方法，给出了它们各自的技术原理，并比较了这两种方法的优缺点。

　　关键词 WLAN GPRS 移动IP

1 引言

　　自中国移动推出GPRS业务后，移动网中的数据业务开始升温，但是GPRS最大170kbit/s的速率对笔记本用户的上网还显得太慢。在3G技术的大规模部署还遥遥无期的情况下，将无线局域网（WLAN）和GPRS捆绑，为移动用户提供大得多的数据带宽，对推动移动数据业务的增长具有重要意义。由于WLAN的新一代标准802.11g能工作在2.4GHz频段，提供高达54Mbit/s的速率，而该频段属于工业、教育、医疗专用频段，无需许可证就能部署网络设备，所以WLAN与GPRS的结合是当前移动运营商开展移动数据业务的优选技术。

　　由于WLAN是GPRS业务的补充，用户的移动终端可以在WLAN和GPRS间自动切换，在WLAN的覆盖范围内使用WLAN，在WLAN的覆盖范围外则使用低速的GPRS。当WLAN属于移动运营商时，WLAN可以利用GPRS的网络资源，实现与GPRS的无缝结合，不但共用GPRS的用户鉴权、授权、计费功能，还能保证移动终端在WLAN和GPRS间平滑切换，使用户感知不到接入媒质已经发生变化。具体的做法是让WLAN作为GPRS的无线接入部分，通过Gb接口与SGSN连接，我们把这种方法称作紧耦合。如果WLAN属于其他的运营商，如无线互联网业务提供商（WISP），为了实现与GRPS的有效结合，需要提供移动终端通过SIM卡进行鉴权和计费的功能，这需要WISP与移动运营商间签订协议，允许WISP访问移动运营商存储在HLR中的客户信息；同时为了实现移动业务的无缝切换，WISP还需要使用移动IP技术。这种结合方式把WLAN与GPRS相互独立，我们把它称为松耦合。

　　欧洲电信标准学会（ETSI）曾经制定了HIPERLAN/2与GPRS互联的方案[1]，该方案是一种紧耦合的方式，但是它没有形成最后的标准。3GPP在2002年成立了从事WLAN与移动蜂窝网互联的工作组，希望在2003年推出相关的标准。同时几个WLAN的标准化组织，如IEEE 802.11、ETSI BRAN、IEEE 802.15等，也在近期同意成立联合研究组，专门制定WLAN与蜂窝移动网互联的标准。

　　本文将详细介绍WLAN与移动网互联的紧耦合和松耦合方案，其中WLAN以802.11为例，移动数据网以GPRS为例，分析互联时的技术原理。

2 紧耦合互联方案

　　紧耦合的互联方案中，WLAN是作为GPRS的无线接入网使用的，具体地说，就是WLAN对GPRS的核心网表现为一个基站控制器，通过标准的Gb接口与GPRS核心网的SGSN结点连接。采用该方案有非常明显的好处，首先GPRS的鉴权、授权、记帐等功能可以被WLAN重用，用户只需SIM卡就可以完成接入WLAN；其次通过重用GPRS核心网资源，移动终端可以在WLAN和GPRS间实现无缝切换；最后，移动网原有的业务，如WAP、SMS以及MMS等，都可以通过WLAN被访问到，使用户感知不到网络的变化。紧耦合互联方案的系统结构如图1所示。

　　紧耦合方案下的WLAN由多个访问点（Access Point，AP）组成，这些AP被802.3局域网连接。AP相当于基站，它们直接与移动终端连接，而整个WLAN被GPRS核心网作为无线接入网。这里，GPRS互联功能（GIF）起到核心作用，它负责提供标准的Gb接口与GPRS核心网连接，屏蔽掉WLAN的特殊性。由于重用了GPRS的核心资源，所以移动终端在通过WLAN使用数据业务时，也必须运行GPRS协议栈中原有的协议，如逻辑链路控制（LLC）、子网相关会聚协议（SNDCP）以及GPRS移动性管理和会话管理的协议。

　　当双模终端没有处于WLAN的覆盖范围内时，它会扫描AP发送的导频信号，一旦接收到正确的导频信号，就执行鉴权和关联过程[2]，如果成功就使无线网卡的物理层激活，并通知GPRS相关的协议层。由于要支持WLAN与GPRS间的无缝切换，所以当收到无线网卡的指示后，GPRS的移动性管理协议需要发起路由区更新过程，使GPRS核心网知道移动终端已经进入一个新的路由区，以便完成数据分组的重定向，当然核心网并不知道这个新的路由区是WLAN。当双模终端离开WLAN的覆盖范围时，无线网卡会重新开始扫描导频信号。

　　在WLAN中，虽然双模终端和GIF处于不同的网段中，但是都采用了IEEE 802的48bit地址，是同一个地址空间。双模终端的上行数据直接寻址到GIF，而下行数据直接由GIF寻址到双模终端。为了对GPRS核心网屏蔽这种差异性，WLAN需要运行特殊的适配协议，提供与GPRS接入网相同的功能。具体的协议栈如图2所示。
在WLAN中需要运行无线适配功能（WAF）。该层协议的功能主要有：

· 当移动终端进入WLAN后，向LLC协议指示802.11网卡的激活，并通知移动性管理（MM）功能新的路由区标识（RAI），以便对变化了的路由区发起路由区更新过程。

· 通过地址发现过程，得到GIF的IEEE 802地址。

· 支持SGSN从Gb接口发起的寻呼功能。

· 在移动终端和GIF间利用IEEE 802地址发送上行和下行数据分组。

　　要实现这些功能，移动终端需要知道GIF的IEEE 802地址，用于向GIF发送上行数据分组；而GIF需要知道移动终端的IEEE 802地址、国际移动台标识（IMSI）和临时逻辑链路标识（TLLI），其中IEEE 802地址用于发送下行数据分组，IMSI用于寻呼，TLLI用于无缝切换。为了得到这些地址和标识，移动终端在激活无线网卡后，需要发起地址发现过程。具体的过程是移动终端在WLAN中以广播发送地址发现请求帧，其中信息部分带有移动终端的IMSI、TLLI信息，帧的源地址是移动终端的IEEE 802地址；GIF收到广播帧后，记录移动终端的信息，并以单播方式发送地址发现响应帧，信息部分带路由区标识，帧的源地址是GIF的IEEE 802地址，而目的地址是移动终端的IEEE 802地址；移动终端接收到响应帧后，记录GIF地址，并把路由区标识发送给MM功能，由MM功能处理是否发起路由区更新过程。

3 松耦合互联方案

　　在松耦合的方案中，WLAN与GPRS核心网可以分别属于不同的运营商，各自独立运行。但是对移动用户来说，他们希望的是一种简单的网络接入技术，所以在松耦合方案中，如何让WLAN使用GPRS核心网的资源是需要首先解决的问题。从方便性考虑，移动用户要求采用SIM卡认证接入WLAN，并且使用GPRS中的计费资源，当然移动终端的漫游和切换也要实现。

　　松耦合的系统结构如图3所示。GPRS核心网与WLAN通过IP网实现物理上的连接，该IP网可以是移动运营商的IP网，也可以是因特网。IP网中增加了一个关键设备：移动接入网关（CAG），它将实现移动终端接入WLAN后，利用GPRS的资源进行认证和计费的功能。具体的步骤描述如下：双模终端发现进入WLAN后，启动802.1x认证协议功能，向AP请求进行认证；AP实现了RADIUS客户端功能，而移动接入网关实现了RADIUS服务端功能，在接收到AP的RADIUS认证请求后，移动接入网关将访问HLR中的客户数据，得到双模终端的加密随机数和认证响应值；移动接入网关通过RADIUS下发加密随机数，并由AP转发给双模终端；在双模终端返回正确的认证响应值后，将最终通过认证。在这个过程中，移动接入网关扮演了认证、授权、记帐（AAA）服务器的作用。

　　在通过鉴权后，双模终端使用WLAN的统计信息将由AP收集，同样通过RADIUS协议提交给移动接入网关，由移动接入网关把计费信息转交给GPRS核心网中的计费实体，使双模终端对WLAN的使用费用以SIM卡为中心统一计费。
对双模终端的移动和切换问题的解决则需要使用移动IP技术。目前的GPRS网络中在SGSN中实现外地代理，而在GGSN中实现本地代理，只需要在WLAN的接入路由器中实现外地代理功能，就可以依托GPRS核心网资源实现双模终端移动性。当双模终端移动进入GPRS网或WLAN后，只需在GGSN的本地代理中重新登记转交地址，在不改变双模终端IP地址的情况下，就能继续使用IP业务。这时，GGSN和WLAN的外地代理间需要运行隧道协议，支持双模终端使用的内部IP地址安全地接入到GPRS核心网中。当然在多运营商的环境下，如何合理地分配本地代理和外地代理的功能还需要认真考虑，因为这关系到网络的可管理性和用户数据传输的性能。

4 两种方案的比较

　　紧耦合的互联方案把WLAN看作移动网络的无线接入部分，通过已有的接口，如Gb接口和SGSN相连接。这种方式非常适合移动运营商扩充自己的网络能力，比如中国移动使用WLAN为它的GPRS用户提供更高的数据接入速率。紧耦合的方案充分利用了GPRS核心网的鉴权、记帐等功能，而且利用GPRS自身的移动管理功能，可以实现WLAN和GPRS间的平滑切换。当然缺点也是存在的，首先SGSN的容量需要重新考虑，因为通过WLAN接入带来的数据量将比GPRS接入的数据量增加许多；其次这种互联方案要求移动终端必须是双模终端，不支持纯的WLAN终端，这对扩大用户数不利。

　　松耦合的互联方案基于移动IP的原理。在支持移动终端使用SIM进行鉴权、计费时，需要移动接入网关的参与。实际上移动接入网关是一个AAA服务器，它代表WLAN访问HLR中存放的移动终端信息。由于采用移动IP技术实现WLAN与移动通信网的数据互联，所以WLAN和移动通信网可以独立地发展，适合多个运营商共同提供无线数据业务的局面。松耦合方案的主要缺点是移动IP的性能还不好，特别是在切换时，移动终端重新登记转交地址是个耗时的过程，这对分组的传输有较大的影响。

5 结束语

　　目前WLAN和GPRS的互联已经收到各标准化组织的重视，特别是3GPP已经推出了互联的参考方案。各运营商也在积极地设施WLAN的部署计划，这对WLAN的广泛应用是一种强力推进。

欢迎光临光电工程师社区 (http://bbs.oecr.com/)