通過蜂窩無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)接入Internet已經(jīng)成為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵課題。蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的核心特性是終端移動(dòng)性、個(gè)人移動(dòng)性和業(yè)務(wù)移動(dòng)性。這就給電信運(yùn)營(yíng)商提出這樣一個(gè)難題:構(gòu)造一個(gè)什么樣的網(wǎng)絡(luò)來滿足上述要求。IETF(Internet Engineering Task Force)的移動(dòng)IP(Mobile IP)協(xié)議規(guī)定,在IP層實(shí)現(xiàn)大范圍移動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)解決方案,但這并沒有解決全部問題,其中包括蜂窩移動(dòng)用戶接入Internet的問題。
一、蜂窩CDMA網(wǎng)絡(luò) 移動(dòng)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)被廣泛地用于話音業(yè)務(wù)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)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(gè)BTS的信號(hào)并轉(zhuǎn)換成PSTN低速64kbit/s壓縮數(shù)據(jù),負(fù)責(zé)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(kuò)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?cè)蟹涓CCDMA通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。諸如,對(duì)于分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),當(dāng)無(wú)線資源沒有被占用時(shí),就實(shí)時(shí)釋放給其它站使用?罩薪涌凇ⅲ拢裕优cSDU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?yàn)椋樱模帐前褦?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(wú)線通信環(huán)境下有一定的誤碼率要求,SDU?qǐng)?zhí)行無(wú)線鏈路協(xié)議(RLP)和重傳協(xié)議。即當(dāng)接收方要求重傳丟失數(shù)據(jù)幀時(shí),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(huì)帶來1-2秒等待時(shí)間,若RLP采用幀長(zhǎng)20ms作為重發(fā)基本單元,收發(fā)雙方之間有一個(gè)簡(jiǎn)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(tái)廣泛使用的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議(PPP--Point to Point Protocol),是把無(wú)線鏈路協(xié)議所用八位字節(jié)流分成IP組。事實(shí)上,PPP是一個(gè)非常復(fù)雜的協(xié)議,有些功能還與移動(dòng)協(xié)議互相重疊。
分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)(PDSN--Packet Data Serving Node)可作為FA,分組控制功能(PCF--Packet Control Function)可作為無(wú)線尋址網(wǎng)絡(luò)單元。PCF與PDSN連接,負(fù)責(zé)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)器(NAS)和移動(dòng)IP FA的功能。圖1顯示了提供移動(dòng)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(dòng)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(dāng)MN附著到FA,并發(fā)出注冊(cè)申請(qǐng)消息時(shí),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(dāng)前位置,反饋確認(rèn)隧道建立的注冊(cè)消息并到達(dá)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(wú)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(gè)MN指定唯一轉(zhuǎn)移地址。
除現(xiàn)有用于無(wú)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(wú)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(fèi)。采用移動(dòng)IP協(xié)議,依據(jù)注冊(cè)要求可對(duì)用戶信任信息直接編碼,動(dòng)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(duì)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議依賴性,使整個(gè)系統(tǒng)在技術(shù)變更中具有魯棒性(robust)。
二、移動(dòng)IP外地代理 與蜂窩CDMA網(wǎng)絡(luò)接口
。校茫茖(duì)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線尋址接入部分包含BTS、SDU和其它承擔(dān)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(dòng)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(hào)接入Internet的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)器(NAS)。
。校模樱芜x擇PPP的原因部分來自有效性和移動(dòng)IP采納時(shí)間進(jìn)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(dāng)PCF狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)擾亂PPP狀態(tài)。若PPP狀態(tài)從一個(gè)PCF變換到下一個(gè)PCF,除了需要附加空中接口的復(fù)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(huì)增加復(fù)雜性。這是因?yàn)椋?
★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(yùn)算量。
★QoS的實(shí)現(xiàn)經(jīng)過集中型PPP處理。
★QoS另一解決方案是同時(shí)運(yùn)行多個(gè)RLP。
在PCF和PDSN協(xié)議鏈接中有三個(gè)接口標(biāo)準(zhǔn)化選擇,該接口稱之R-P接口,即連接無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)與PDSN的接口。下面分別討論三個(gè)接口方案:
1.現(xiàn)有特定無(wú)線接口
現(xiàn)有若干無(wú)線接口可用于蜂窩CDMA 網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)IP FA的接口,這些接口來源于其它標(biāo)準(zhǔn)化或供應(yīng)商采納的未完全標(biāo)準(zhǔn)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(wú)線尋址信息送至IWF,這項(xiàng)工作由ANSI IS (Interim Standard)- 658負(fù)責(zé)。
另一種是3GPP2研究的SDU和PCF之間的先進(jìn)接口,控制SDU與PDF間IP隧道隧道本身是以開放IETF標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化可使接口更開放、完整、簡(jiǎn)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(diǎn)中分離出接入點(diǎn)。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(qǐng)響應(yīng)信令簡(jiǎn)單協(xié)議。
在運(yùn)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(fù)責(zé)接收和發(fā)射PPP幀。
對(duì)于從PPP終端點(diǎn)分離的接入點(diǎn),L2TP提供標(biāo)準(zhǔn)化PCF與PDSN接口方案。L2TP不支持從一個(gè)LAC到另一個(gè)LAC的越區(qū)鏈路移動(dòng)性,這就要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)把鏈接層終端點(diǎn)移近BTS,L2TP需要修改某些協(xié)議內(nèi)容。
3.基于移動(dòng)IP的新型L2TP
。常牵校校舱谘芯炕谝苿(dòng)IP、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(dòng)IP注冊(cè)申請(qǐng),接收來自PDSN注冊(cè)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(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)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(cè)申請(qǐng)上以附加國(guó)際移動(dòng)站標(biāo)識(shí)符(IMSI--International Mobile Station Identifier)來解決移動(dòng)性。當(dāng)PDSN接收來自新PCF具有相同IMSI的注冊(cè)申請(qǐng)時(shí),PDSN就與來自舊PDF的注冊(cè)申請(qǐng)建立聯(lián)系。這樣,在R-P隧道運(yùn)行的PPP狀態(tài)就不受越區(qū)的影響。 MN可以從一個(gè)PCF移至另一個(gè)PCF,而維持與PDSN的鏈接,這就需要提供透明移動(dòng)層。這個(gè)透明移動(dòng)層僅用于PCF和PDSN,位于一個(gè)專用網(wǎng)內(nèi),并有直接安全關(guān)系。假若MN遠(yuǎn)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(jìn)行移動(dòng)IP注冊(cè)。
與L2TP方案相比,為了使接口簡(jiǎn)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(bào)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(wú)線特殊用途信息給PDSN,PDSN把有關(guān)信息數(shù)據(jù)送至計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。
三、移動(dòng)IP的移動(dòng)性管理
宏移動(dòng)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(dòng)IP隧道的建立而增加了網(wǎng)絡(luò)信令額外開銷,注冊(cè)申請(qǐng)?jiān)冢龋梁停疲列滤淼篱g反饋而增加等待時(shí)間。宏移動(dòng)性可分成兩類:
1.分級(jí)隧道
分級(jí)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(diǎn)再次封裝后送至FA的下一級(jí)。隨著MN從樹狀結(jié)構(gòu)的樹葉之間移動(dòng),位置更新到所含最少公用級(jí)為止。在本地接入網(wǎng)中進(jìn)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(shí)間。
2.路由更新方案
路由更新方案是針對(duì)每個(gè)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(dòng)性分層管理,在FA中有多層負(fù)責(zé)移動(dòng)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(gè)機(jī)理類似于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。L2TP方案準(zhǔn)許PCF與PCF間透明越區(qū)切換,而對(duì)PPP和PDSN中FA協(xié)議來說是不可見的。這種越區(qū)切換機(jī)理也減輕跨域移動(dòng)IP注冊(cè)、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(dòng)IP的L2TP可演變成L3TP。
四、支持移動(dòng) IP有關(guān)AAA要求
RFC 2002的移動(dòng)IP不具備用于尋址控制和計(jì)費(fèi)度量機(jī)理,而基本移動(dòng)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(wú)線數(shù)據(jù)系統(tǒng)中有許多網(wǎng)絡(luò)或運(yùn)營(yíng)商,如無(wú)線運(yùn)營(yíng)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(dòng)IP提供簡(jiǎn)單Internet接入業(yè)務(wù)的提供商等,希望用戶付費(fèi)使用他們的無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。為了獲取付費(fèi)信譽(yù),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(yàn)用戶信譽(yù)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(fèi)用協(xié)議。
在蜂窩CDMA網(wǎng)絡(luò)中,一個(gè)用戶具有一個(gè)本地?zé)o線載體接口獲取無(wú)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(dāng)用戶漫游至不同業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)區(qū)時(shí),業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)接入本地?zé)o線載體進(jìn)行用戶有關(guān)信息的鑒權(quán)和業(yè)務(wù)要求的確認(rèn)。其中業(yè)務(wù)需求信息包括用戶授權(quán)使用哪些無(wú)線資源、最大帶寬、接入等級(jí)等。無(wú)線載體與系統(tǒng)間信令協(xié)議采用在七號(hào)信令網(wǎng)上運(yùn)行的ANSI-41。ANSI-41支持鑒權(quán)及用戶參數(shù)變動(dòng)。用戶業(yè)務(wù)需求存儲(chǔ)在本地網(wǎng)絡(luò)的HLR中。
除了本地?zé)o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(wú)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(wú)線網(wǎng)絡(luò),另一層位于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中,移動(dòng)站通過IMSI識(shí)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(dòng)站通過網(wǎng)絡(luò)接入識(shí)別器(NAI--Network Access Identifier)識(shí)別。基于來自PDSN的要求,用戶鑒權(quán)是識(shí)別用戶而不是終端。
數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)AAA識(shí)別用戶的機(jī)理取決于用戶所申請(qǐng)的業(yè)務(wù)類型。對(duì)于簡(jiǎn)單不需要移動(dòng)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(gè)隨機(jī)值查詢用戶,MN必須在本地網(wǎng)絡(luò)以MD5-Message Digest 5確認(rèn)簽名和用戶NAI來響應(yīng)隨機(jī)數(shù)。而對(duì)于移動(dòng)IP 的Internet接入業(yè)務(wù)FA以一個(gè)隨機(jī)數(shù)向MN發(fā)出類似查詢,MN必須在本地網(wǎng)確認(rèn)簽名和用NAI響應(yīng)其查詢。兩者的區(qū)別是移動(dòng)IP響應(yīng)時(shí)隨移動(dòng)IP注冊(cè)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(gè)企業(yè)占用的無(wú)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(yù)先存在的約定關(guān)系。
只要有來自移動(dòng)用戶本地網(wǎng)的授權(quán)信息或來自broker的財(cái)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(dāng)檢測(cè)服務(wù)器失誤時(shí),服務(wù)器必須重傳申請(qǐng)并切換到備份服務(wù)器上,避免不必要的運(yùn)行中斷。
可以預(yù)料:蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中話音業(yè)務(wù)所占的份額會(huì)越來越少,而基于IP的業(yè)務(wù)所占的份額會(huì)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(dòng)通信系統(tǒng)還將并存。在蜂窩CDMA網(wǎng)絡(luò)中采用移動(dòng)IP實(shí)現(xiàn)Internet接入就是解決上述問題的方案之一。
摘自《通信世界》