蜂窩CDMA網(wǎng)絡(luò)中移動IP接入Internet

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北方交通大學 談?wù)褫x 陳 霞

  通過蜂窩無線接入網(wǎng)絡(luò)接入Internet已經(jīng)成為第三代移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵課題。蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)的核心特性是終端移動性、個人移動性和業(yè)務(wù)移動性。這就給電信運營商提出這樣一個難題:構(gòu)造一個什么樣的網(wǎng)絡(luò)來滿足上述要求。IETF(Internet Engineering Task Force)的移動IP(Mobile IP)協(xié)議規(guī)定,在IP層實現(xiàn)大范圍移動的標準解決方案,但這并沒有解決全部問題,其中包括蜂窩移動用戶接入Internet的問題。




一、蜂窩CDMA網(wǎng)絡(luò) 移動IP分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)




  以IS-95為基礎(chǔ)的第二代CDMA移動通信網(wǎng)絡(luò)被廣泛地用于話音業(yè)務(wù)。移動節(jié)點MN通過基站收發(fā)站BTS與選擇分布單元SDU連接提供低速13kbit/s或8kbit/s電路交換的話音業(yè)務(wù)。SDU組合來自多個BTS的信號并轉(zhuǎn)換成PSTN低速64kbit/s壓縮數(shù)據(jù),負責在前向鏈路上選擇發(fā)射數(shù)據(jù)的BTS和管理MN的發(fā)射功率。


  在蜂窩CDMA通信網(wǎng)上擴展分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)必須與通信網(wǎng)原有的話音業(yè)務(wù)并存,這樣原通信網(wǎng)提供分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)就不用增加過多的成本。也就是說,應(yīng)盡可能不改變原有蜂窩CDMA通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。諸如,對于分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),當無線資源沒有被占用時,就實時釋放給其它站使用?罩薪涌、BTS與SDU鏈路必須支持高速率分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。但是,基本信息流和流量路徑仍應(yīng)與話音業(yè)務(wù)一樣。改變的關(guān)鍵單元僅是SDU,因為SDU是把數(shù)據(jù)流送至分組網(wǎng)而不是送至PSTN。


  由于數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)在無線通信環(huán)境下有一定的誤碼率要求,SDU執(zhí)行無線鏈路協(xié)議(RLP)和重傳協(xié)議。即當接收方要求重傳丟失數(shù)據(jù)幀時,發(fā)射方才重傳存在緩沖器中的該數(shù)據(jù)幀。RLP執(zhí)行緩沖與重發(fā)會帶來1-2秒等待時間,若RLP采用幀長20ms作為重發(fā)基本單元,收發(fā)雙方之間有一個簡單的八位字節(jié)流接口。


  欲與IP網(wǎng)接口,某些數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議,諸如IETF定義的具有豐富功能和在許多平臺廣泛使用的點對點協(xié)議(PPP--Point to Point Protocol),是把無線鏈路協(xié)議所用八位字節(jié)流分成IP組。事實上,PPP是一個非常復雜的協(xié)議,有些功能還與移動協(xié)議互相重疊。


分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)節(jié)點(PDSN--Packet Data Serving Node)可作為FA,分組控制功能(PCF--Packet Control Function)可作為無線尋址網(wǎng)絡(luò)單元。PCF與PDSN連接,負責來自和送至PDSN的中繼數(shù)據(jù),把PDSN從體系結(jié)構(gòu)中的空中接口分離出來。PDSN實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)器(NAS)和移動IP FA的功能。圖1顯示了提供移動IP分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的PDSN、PCF、AAA及相應(yīng)結(jié)構(gòu)。


  在移動IP協(xié)議中,發(fā)往MN的數(shù)據(jù)分組匯集在本地網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)的本地代理(HA)。當MN附著到FA,并發(fā)出注冊申請消息時,通知HA有關(guān)MN信息,FA接收并中繼給HA,然后HA把數(shù)據(jù)分組送至MN的當前位置,反饋確認隧道建立的注冊消息并到達HA。由MN定義的數(shù)據(jù)分組被組裝在IP分組頭的外部,其分組頭含有反映MN現(xiàn)今位置的MN現(xiàn)今轉(zhuǎn)交地址。


  有兩種數(shù)據(jù)分組組裝方式,第一種稱為搭配轉(zhuǎn)移地址,即被組裝數(shù)據(jù)分組直接發(fā)至MN,然后剝?nèi)ネ獠糠纸M頭,處理內(nèi)部數(shù)據(jù)分組。第二種稱為定位FA轉(zhuǎn)移地址,即被組裝數(shù)據(jù)分組發(fā)至FA,然后剝?nèi)ネ獠糠纸M頭,把內(nèi)部數(shù)據(jù)分組送至MN。在無線資源貧乏環(huán)境下,應(yīng)采用第二種方式,不發(fā)射額外組裝數(shù)據(jù)分組頭,還節(jié)省地址空間,FA的轉(zhuǎn)移地址可以被所有連接的MN共享而不是每一個MN指定唯一轉(zhuǎn)移地址。


  除現(xiàn)有用于無線話音業(yè)務(wù)基于本地/來訪位置寄存器鑒權(quán)外,在漫游環(huán)境中,為給無線載體提供Internet業(yè)務(wù),PDSN需連接在AAA設(shè)施上。具有漫游用戶訪問的網(wǎng)絡(luò)可查詢本地網(wǎng)以絡(luò)獲取鑒權(quán)信息和提供業(yè)務(wù)的資費。采用移動IP協(xié)議,依據(jù)注冊要求可對用戶信任信息直接編碼,動態(tài)地把本地地址分配給MN,執(zhí)行授權(quán)、網(wǎng)絡(luò)尋址控制、地址映射到IP層等功能,避免對網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議依賴性,使整個系統(tǒng)在技術(shù)變更中具有魯棒性(robust)。




二、移動IP外地代理 與蜂窩CDMA網(wǎng)絡(luò)接口




 。校茫茖W(wǎng)絡(luò)的無線尋址接入部分包含BTS、SDU和其它承擔中繼數(shù)據(jù)給PDSN的單元。PCF經(jīng)過IP網(wǎng)絡(luò)與PDSN連接起來,PDSN含有移動IP FA和PPP。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析,PDSN類似于現(xiàn)有的撥號接入Internet的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)器(NAS)。


  PDSN選擇PPP的原因部分來自有效性和移動IP采納時間進度表的不確定性。PPP位于PCF中,PCF的變化將刷新PPP,需要把額外消息送至空中接口。若把PPP集中在一起,可避免當PCF狀態(tài)發(fā)生變化時擾亂PPP狀態(tài)。若PPP狀態(tài)從一個PCF變換到下一個PCF,除了需要附加空中接口的復雜性外,還要把指定給舊地址的分組分配給新PCF。


  在PDSN中,終端PPP的選擇會增加復雜性。這是因為:


★PPP所需的大量狀態(tài)影響PDSN的規(guī)模和在PCF中終端PPP分布式處理的運算量。


★QoS的實現(xiàn)經(jīng)過集中型PPP處理。


★QoS另一解決方案是同時運行多個RLP。


  在PCF和PDSN協(xié)議鏈接中有三個接口標準化選擇,該接口稱之R-P接口,即連接無線接入網(wǎng)絡(luò)與PDSN的接口。下面分別討論三個接口方案:




1.現(xiàn)有特定無線接口




  現(xiàn)有若干無線接口可用于蜂窩CDMA 網(wǎng)絡(luò)與移動IP FA的接口,這些接口來源于其它標準化或供應(yīng)商采納的未完全標準化。


  在給定連接層特定的接口中,L接口可用于第五類交換和交互工作功能(IWF--Interworking Function)之間,IWF主要用于數(shù)據(jù)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。L接口把來自RLP 的八字節(jié)數(shù)據(jù)流送至在虛電路幀中繼交換上,把無線尋址信息送至IWF,這項工作由ANSI IS (Interim Standard)- 658負責。


  另一種是3GPP2研究的SDU和PCF之間的先進接口,控制SDU與PDF間IP隧道隧道本身是以開放IETF標準為基礎(chǔ)的信令消息用于CDMA環(huán)境。在PCF和PDSN之間基于IP的接口應(yīng)選擇IP作為PCF與PDSN間傳送網(wǎng)。以IETF作為這種接口的標準化可使接口更開放、完整、簡單。




2.層2隧道協(xié)議(L2TP--Layer 2 Tunneling Protocol)




 。桑牛裕频模校校泄ぷ餍〗M正在研究層2隧道協(xié)議,并附加了RFC狀態(tài)信息。該協(xié)議主要從PPP終端點中分離出接入點。L2TP定義了L2TP接入集中器(LAC--L2TP Access Concentrator)和L2TP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器(LNS--L2TP Network Server)。終端連接到LAC,LAC采用申請響應(yīng)信令簡單協(xié)議。


  在運行中,LAC直接從終端接收數(shù)據(jù),并配以特殊的L2TP幀頭組裝成PPP鏈接層幀,發(fā)送至LNS。在相反傳輸方向,LNS接收終端指定的分組數(shù)據(jù),產(chǎn)生含有這些分組數(shù)據(jù)的PPP幀并配以特殊的L2TP幀頭,發(fā)送至LAC。所有PPP消息和狀態(tài)在LNS中處理,LAC需要來自LNS有關(guān)PPP選擇的信息,負責接收和發(fā)射PPP幀。


  對于從PPP終端點分離的接入點,L2TP提供標準化PCF與PDSN接口方案。L2TP不支持從一個LAC到另一個LAC的越區(qū)鏈路移動性,這就要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)把鏈接層終端點移近BTS,L2TP需要修改某些協(xié)議內(nèi)容。




3.基于移動IP的新型L2TP




 。常牵校校舱谘芯炕谝苿樱桑、支持更通用Layer-2隧道協(xié)議。PCF可建立通向PDSN的隧道,用于給PDSN發(fā)送移動IP注冊申請,接收來自PDSN注冊響應(yīng),PDF與PDSN之間流量可以組裝成含有通用路由封裝頭(GRE--Generic Routing Encapsulation)分組。與標準移動IP不同的是,GRE隧道不攜帶IP分組數(shù)據(jù),而是攜帶用于PPP鏈路層的數(shù)據(jù)。


  在注冊申請上以附加國際移動站標識符(IMSI--International Mobile Station Identifier)來解決移動性。當PDSN接收來自新PCF具有相同IMSI的注冊申請時,PDSN就與來自舊PDF的注冊申請建立聯(lián)系。這樣,在R-P隧道運行的PPP狀態(tài)就不受越區(qū)的影響。 MN可以從一個PCF移至另一個PCF,而維持與PDSN的鏈接,這就需要提供透明移動層。這個透明移動層僅用于PCF和PDSN,位于一個專用網(wǎng)內(nèi),并有直接安全關(guān)系。假若MN遠離原歸屬區(qū),PDSN就發(fā)生變化,這種變化在MN是可見的,需要HA進行移動IP注冊。


  與L2TP方案相比,為了使接口簡單,不必把現(xiàn)今PPP選擇從PDSN送至PCF。發(fā)射至PDSN GRE分組數(shù)據(jù)及由PCF接收來自MN的GRE分組數(shù)據(jù)可按未加工格式組裝。發(fā)射至PCF GRE分組數(shù)據(jù)在分離出GRE報頭后可立即送至MN。除了攜帶用戶數(shù)據(jù)外,PCF必須發(fā)射無線特殊用途信息給PDSN,PDSN把有關(guān)信息數(shù)據(jù)送至計費系統(tǒng)。




三、移動IP的移動性管理



  宏移動性是指MN頻繁地改變其在網(wǎng)絡(luò)中的位置,隨著基本移動IP隧道的建立而增加了網(wǎng)絡(luò)信令額外開銷,注冊申請在HA和FA新隧道間反饋而增加等待時間。宏移動性可分成兩類:




1.分級隧道




  分級隧道特性類似于FA的樹狀結(jié)構(gòu)。來自HA的封裝信息流量送至FA的根底部,在那兒拆封裝并依據(jù)MN的現(xiàn)今附屬點再次封裝后送至FA的下一級。隨著MN從樹狀結(jié)構(gòu)的樹葉之間移動,位置更新到所含最少公用級為止。在本地接入網(wǎng)中進行大部分位置更新,可以減少跨越Internet信令和信息流量的等待時間。




2.路由更新方案




  路由更新方案是針對每個FA信息流量封裝和解封裝所帶來的額外開銷,依據(jù)IP路由直接把信息流量送至MN,引入的新信令消息在接入網(wǎng)內(nèi)更新與主控制有關(guān)路由。該方案要求使用排列地址表,MN發(fā)射新路由更新消息。路由更新方案有蜂窩IP和HAWAII方案。


 。茫模停辆W(wǎng)絡(luò)中移動性分層管理,在FA中有多層負責移動性管理。在某一層BTS與BTS的越區(qū)切換保持相同的SDU/PCF。這個機理類似于無線網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。L2TP方案準許PCF與PCF間透明越區(qū)切換,而對PPP和PDSN中FA協(xié)議來說是不可見的。這種越區(qū)切換機理也減輕跨域移動IP注冊、鑒權(quán)和安全的需求。隨著MN容許鏈路層拆卸和重組,基于移動IP的L2TP可演變成L3TP。




四、支持移動 IP有關(guān)AAA要求




  RFC 2002的移動IP不具備用于尋址控制和計費度量機理,而基本移動IP也不提供用于MN與FA或FA與HA的鑒權(quán)。在蜂窩CDMA網(wǎng)絡(luò)中,公眾無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)中有許多網(wǎng)絡(luò)或運營商,如無線運營商、Internet業(yè)務(wù)提供商(ISP)、專用網(wǎng)、支持FA的網(wǎng)絡(luò)或不采用移動IP提供簡單Internet接入業(yè)務(wù)的提供商等,希望用戶付費使用他們的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。為了獲取付費信譽,蜂窩CDMA網(wǎng)絡(luò)必須支持可度量的AAA業(yè)務(wù)。AAA業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中的匯聚可以稱為AAA設(shè)施。AAA設(shè)施檢驗用戶信譽程度,確定用戶的業(yè)務(wù)策略,還提供業(yè)務(wù)與本地范圍之間的費用協(xié)議。


  在蜂窩CDMA網(wǎng)絡(luò)中,一個用戶具有一個本地無線載體接口獲取無線業(yè)務(wù),本地網(wǎng)絡(luò)保持用戶業(yè)務(wù)需求和鑒權(quán)信息。當用戶漫游至不同業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)區(qū)時,業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)接入本地無線載體進行用戶有關(guān)信息的鑒權(quán)和業(yè)務(wù)要求的確認。其中業(yè)務(wù)需求信息包括用戶授權(quán)使用哪些無線資源、最大帶寬、接入等級等。無線載體與系統(tǒng)間信令協(xié)議采用在七號信令網(wǎng)上運行的ANSI-41。ANSI-41支持鑒權(quán)及用戶參數(shù)變動。用戶業(yè)務(wù)需求存儲在本地網(wǎng)絡(luò)的HLR中。


  除了本地無線載體外,用戶還有本地IP網(wǎng)。本地IP網(wǎng)擁有用戶業(yè)務(wù)需求和鑒權(quán)信息。本地網(wǎng)也可以是另外一種無線載體,如ISP、專用網(wǎng)等,用于鑒權(quán)和授權(quán)的安全信息唯一地為專用網(wǎng)、ISP所有。
  蜂窩CDMA網(wǎng)絡(luò)采用IETF協(xié)議用于AAA,它有兩層鑒權(quán):一層位于無線網(wǎng)絡(luò),另一層位于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。在無線網(wǎng)絡(luò)中,移動站通過IMSI識別ANSI-41和位置寄存器來提供AAA功能,在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中,移動站通過網(wǎng)絡(luò)接入識別器(NAI--Network Access Identifier)識別;趤碜裕校模樱蔚囊螅脩翳b權(quán)是識別用戶而不是終端。


  數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)AAA識別用戶的機理取決于用戶所申請的業(yè)務(wù)類型。對于簡單不需要移動IP的Internet接入業(yè)務(wù),鑒權(quán)協(xié)議是查詢握手鑒權(quán)協(xié)議(CHAP--Challenge Handshake Authentication Protocol)。在CHAP中,PDSN以一個隨機值查詢用戶,MN必須在本地網(wǎng)絡(luò)以MD5-Message Digest 5確認簽名和用戶NAI來響應(yīng)隨機數(shù)。而對于移動IP 的Internet接入業(yè)務(wù)FA以一個隨機數(shù)向MN發(fā)出類似查詢,MN必須在本地網(wǎng)確認簽名和用NAI響應(yīng)其查詢。兩者的區(qū)別是移動IP響應(yīng)時隨移動IP注冊響應(yīng)而不是隨PPP建立響應(yīng),相同處是依據(jù)與NAI有關(guān)共享密碼和受AAA設(shè)施支撐。


蜂窩CDMA網(wǎng)絡(luò)可含有上千個企業(yè)占用的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)專用網(wǎng),本地和業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的AAA業(yè)務(wù)有一種直接的雙邊關(guān)系。假若有的專用網(wǎng)較小,那么本地和業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)可以有預先存在的約定關(guān)系。


  只要有來自移動用戶本地網(wǎng)的授權(quán)信息或來自broker的財務(wù)響應(yīng),服務(wù)網(wǎng)絡(luò)就提供業(yè)務(wù),保證AAA設(shè)施的可靠性。這就是說,當檢測服務(wù)器失誤時,服務(wù)器必須重傳申請并切換到備份服務(wù)器上,避免不必要的運行中斷。


  可以預料:蜂窩移動通信系統(tǒng)中話音業(yè)務(wù)所占的份額會越來越少,而基于IP的業(yè)務(wù)所占的份額會越來越多,包括話音業(yè)務(wù)在內(nèi)的綜合通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施將被IP技術(shù)方案所替代,提供話音業(yè)務(wù)及與PSTN互連的業(yè)務(wù)的接入技術(shù)與現(xiàn)存第二代移動通信系統(tǒng)還將并存。在蜂窩CDMA網(wǎng)絡(luò)中采用移動IP實現(xiàn)Internet接入就是解決上述問題的方案之一。



摘自《通信世界》


   
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