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移動(dòng)通信和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)正在快速發(fā)展，各種新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。3G無(wú)線系統(tǒng)能提供廣闊的移動(dòng)服務(wù)范圍，但是數(shù)據(jù)速率相對(duì)較低(約為144kbit/s)。而WLAN網(wǎng)絡(luò)能提供很高的數(shù)據(jù)速率(超過(guò)11Mbit/s)，但是服務(wù)范圍相對(duì)較小。因此，將3G和WLAN結(jié)合起來(lái)形成綜合移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)，就能在提供無(wú)縫連接的同時(shí)，給用戶提供高速的無(wú)線數(shù)據(jù)服務(wù)。
1、背景
802.11b無(wú)線局域網(wǎng)因其成本較低，帶寬合理并且使用方便，目前已被廣泛運(yùn)用于辦公室，家庭，以及一些公眾場(chǎng)所，如機(jī)場(chǎng)，賓館等。但是它的不足之處是覆蓋范圍較小。
一個(gè)3G網(wǎng)絡(luò)由核心網(wǎng)(CN)，無(wú)線接入網(wǎng)(RAN)和用戶設(shè)備(UE)組成。3G業(yè)務(wù)可以使用兩套標(biāo)準(zhǔn)：UMTS和cdma2000。3G核心網(wǎng)的主要功能是為用戶通信進(jìn)行轉(zhuǎn)交和尋址，核心網(wǎng)被分為電路交換域(CS)和分組交換域(PS)。電路交換域的成員包括移動(dòng)服務(wù)中心(MSC)，歸屬位置寄存器(HLR)，以及網(wǎng)關(guān)MSC，它們?cè)赨MTS和cdma2000標(biāo)準(zhǔn)中是相同的。而分組交換域的成員在這兩種標(biāo)準(zhǔn)中有所不同。如圖1所示。
圖1 3G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
GGSN是到達(dá)外部數(shù)據(jù)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，并且執(zhí)行對(duì)用戶的鑒權(quán)和IP地址分配功能；SGSN提供會(huì)話管理功能；PDSN節(jié)點(diǎn)結(jié)合了很多功能，如把分組傳送到IP網(wǎng)絡(luò)，動(dòng)態(tài)分配IP地址，以及獲得點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議(PPP)的會(huì)話；無(wú)線接入網(wǎng)(RAN)為UE提供接入網(wǎng)絡(luò)的空中接口；PCF主要功能是建立，保持和中止與PDSN間的連接。
2、現(xiàn)有3G與WLAN相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
現(xiàn)有的各種3G WLAN綜合網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)策略和特性如表1所示。移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[1]配置簡(jiǎn)單，但是切換時(shí)延較長(zhǎng)，不能支持實(shí)時(shí)服務(wù)；網(wǎng)關(guān)方式[2]支持兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)各自獨(dú)立工作，并且提供兩網(wǎng)間的無(wú)縫漫游；競(jìng)爭(zhēng)方式[1]開(kāi)展困難，因?yàn)檫@需要兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)所有者間的合作，但是這種方式的切換時(shí)延很短；緊耦合[3]提供較快的切換和較高的安全性，但需要網(wǎng)絡(luò)所有者的合作；松耦合[3]所需的開(kāi)發(fā)成本較低，并且兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立開(kāi)發(fā)，但是切換時(shí)延較長(zhǎng)。
表1 各種3G WLAN綜合網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)策略比較
3、兩種新的3G WLAN綜合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
當(dāng)前所有對(duì)3G WLAN綜合網(wǎng)絡(luò)的研究，關(guān)注的都是當(dāng)一個(gè)與公眾網(wǎng)連接的用戶在3G網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)之間移動(dòng)時(shí)所需要的切換時(shí)延。與這些不同，本文主要是研究當(dāng)兩個(gè)用戶分別分布在IEEE 802.11b和UMTS網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，他們進(jìn)行通信的端到端時(shí)延。這里描述了兩種基本結(jié)構(gòu)，即將3G和WALN網(wǎng)絡(luò)分別通過(guò)SGSN和GGSN連接起來(lái)。通過(guò)仿真可以得到不同應(yīng)用類型下的端到端時(shí)延。
3G和WLAN的結(jié)合如圖2所示。
圖2 3G和WLAN的結(jié)合
3.1 UMTS和WLAN在SGSN上結(jié)合
當(dāng)UMTS和WLAN通過(guò)SGSN連接時(shí)，WLAN網(wǎng)絡(luò)對(duì)于UMTS核心網(wǎng)來(lái)說(shuō)是另一個(gè)無(wú)線接入網(wǎng)，而不再是一個(gè)外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)。WLAN的接入點(diǎn)(AP)此時(shí)需要能夠處理UMTS送來(lái)的消息。因此，當(dāng)WLAN的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(MN)想要和UMTS中的用戶設(shè)備(UE)交換數(shù)據(jù)時(shí)，首先需要經(jīng)歷附著過(guò)程，把通信節(jié)點(diǎn)的位置通知給SGSN，并且建立一個(gè)包交換信令連接。WLAN的接入點(diǎn)(AP)負(fù)責(zé)向SGSN發(fā)送這樣的請(qǐng)求消息。附著過(guò)程在MN、SGSN和RNC三者之間進(jìn)行，附著之后MN就通過(guò)了UMTS網(wǎng)絡(luò)的鑒權(quán)。
3.2 UMTS和WLAN在GGSN上結(jié)合
在這種情況下，WLAN中的MN無(wú)論何時(shí)要與UMTS網(wǎng)絡(luò)中的UE通信，都要經(jīng)過(guò)GGSN。UMTS中的UE首先要激活分組數(shù)據(jù)協(xié)議(PDP)文本，以通知GGSN和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)，這里的外部數(shù)據(jù)網(wǎng)就是WLAN。用戶數(shù)據(jù)在UE和WLAN之間傳送是通過(guò)封裝和管道傳輸?shù)姆椒�，�?fù)責(zé)處理這種方法的協(xié)議是GPRS管道傳輸協(xié)議(GTP)。在這種情況下，WLAN的AP只是作為普通的802.11b接入節(jié)點(diǎn)，并不需要處理UMTS送來(lái)的消息。
3.3 仿真方案
以上介紹的兩種網(wǎng)絡(luò)仿真模型可用OPNET10.0A[3]建立。OPNET是一個(gè)離散事件仿真器，它擁有強(qiáng)大的軟件包，能夠支持對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的仿真和評(píng)估。
仿真中將UMTS和WLAN連接起來(lái)，UMTS網(wǎng)包括RAN和一個(gè)帶有SGSN和GGSN的核心網(wǎng)，WLAN內(nèi)包含802.11b無(wú)線移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(MN)。在通過(guò)GGSN連接的方式中，WLAN采用普通的接入節(jié)點(diǎn)。在通過(guò)SGSN連接的方式中，WLAN要采用能夠處理UMTS消息的特殊接入節(jié)點(diǎn)。仿真的目的是統(tǒng)計(jì)在這兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，用戶數(shù)據(jù)在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間傳遞所用的時(shí)延，從而比較兩種組網(wǎng)方式的性能。在仿真中可用4種不同類型的應(yīng)用來(lái)表示不同的傳輸方式，這4種類型包括了VoIP、FTP和HTTP，它們的各項(xiàng)參數(shù)如表2所示。
表2 仿真測(cè)試的各種應(yīng)用類型
4、結(jié)論
根據(jù)文獻(xiàn)[5]的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)通過(guò)GGSN連接的時(shí)候，文件下載，數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)頁(yè)瀏覽的時(shí)延都小于通過(guò)SGSN連接的情況。
當(dāng)UMTS網(wǎng)絡(luò)和WLAN通過(guò)SGSN連接的時(shí)候，WLAN的接入節(jié)點(diǎn)(AP)將執(zhí)行與RNC相同的功能，要對(duì)WLAN的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入U(xiǎn)MTS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行鑒權(quán)。而當(dāng)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)GGSN連接的時(shí)候，WLAN的AP只是作為一個(gè)普通的接入節(jié)點(diǎn)，不需要具備處理UMTS消息的能力，數(shù)據(jù)分組被封裝之后，利用GPRS管道傳輸協(xié)議在UE和WLAN網(wǎng)絡(luò)之間傳輸。這種沒(méi)有額外的UMTS初始化的方式減少了包傳送的時(shí)延，因此將兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)GGSN連接比通過(guò)SGSN連接的響應(yīng)時(shí)間要少，即時(shí)延小。
但是通過(guò)節(jié)點(diǎn)SGSN把兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)也有一些優(yōu)點(diǎn)，比如可以使用UMTS的鑒權(quán)、認(rèn)證、統(tǒng)計(jì)(AAA)機(jī)制，并且擁有更強(qiáng)大的安全性，另外當(dāng)用戶在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間移動(dòng)時(shí)，將擁有連續(xù)的數(shù)據(jù)流，這是因?yàn)樵谶@種結(jié)構(gòu)中，WLAN的AP對(duì)于SGSN來(lái)說(shuō)相當(dāng)于另一個(gè)RNC，用戶在UMTS和WLAN之間的切換類似于UMTS網(wǎng)內(nèi)的切換。而當(dāng)通過(guò)GGSN連接時(shí)，WLAN作為一個(gè)外部網(wǎng)絡(luò)，需要不同的計(jì)費(fèi)和安全機(jī)制，在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間切換時(shí)可能會(huì)引起服務(wù)中斷。
