WLAN和移动网互通技术分析方案

    1 引言

    以其独特的优势，比如，热点覆盖、低移动性和高数据传输速率，与移动网形成了很好的互补，因而在移动网中的应用越来越广泛。从国外运营商到国内运营商，都在不断扩展、完善移动网和WLAN的互通技术，目的是快速、经济地部署WLAN网络，做到在对现有网络改动最小的情况，以简单实用的技术吸引用户，分流目前快速增长的移动数据业务，缓解移动网络的资源在忙时忙区严重不足的压力，提升网络服务质量，提高网络的用户黏度。

    WLAN和移动网互通时，根据互通技术实施的难易程度，可以有多种互通场景。

    最基础、最简单的一种模式，是在互通的初期，两个系统基本是独立运营的，两个系统的安全机制也完全分开，WLAN用户通过WLAN接入网之后就直接接入Internet业务，不会接入移动核心网。WLAN和移动网络间只有简单的账单信息关联，也就是说，这个阶段WLAN和移动的互通仅体现在通过BOSS系统，实现用户的账单里同时包括移动网和WLAN的费用。

    这种互通模式虽然简单，但是移动网络和WLAN无法共享统一的认证方式和鉴权信息。用户使用不同的接入方式时，需要分别鉴权。对用户来说，这样的操作复杂，与网络间的消息交互时延长，因而影响了用户业务体验。所以，在基础模式的基础上，移动网络应能逐步实现给通过WLAN接入的用户提供统一的鉴权方式，简化鉴权流程，缩短用户接入时延。

    随着移动网络自营的分组域业务（如IMS业务、即时消息业务、MBMS业务等）发展更加成熟，对用户更具吸引力时，互通技术还能满足用户通过移动核心网，接入那些移动网独有的数据业务。

    上面讨论的只是用户如何通过WLAN使用数据业务，不涉及到用户的业务在WLAN和移动网间的移动和切换。但是，随着业务模式和技术的发展，用户希望能够自如地在不同的接入系统间实现业务切换。因此，更进一步的互通技术需要解决的问题是，用户在移动网和WLAN之间切换时，如何实现无缝的业务连续性，也就是说，在切换过程中几乎没有数据的丢失和中断情况发生，甚至能够实现类似VoIP业务的切换。

    本文将介绍WLAN和移动网互通的基本架构，实现业务连续性所采用的新技术，以及互通技术的发展趋势。

    2　WLAN与GPRS互通架构

    通过上面的场景分析，我们可以看出，WLAN与移动网互通时的业务形式有两种：一种是WLAN直接接入IP业务，另一种是WLAN通过3GPP网络接入IP业务。图1表示了WLAN用户的两种业务模式。

图1　WLAN与GPRS网络互通的架构图

    当用户通过WLAN直接接入IP业务时，用户可以使用Internet业务。图中的3GPP AAA Server是为WLAN业务新增的网元，它将配合移动网中的HLR完成用户的鉴权和接入认证功能。3GPP AAA Server还将配合BOSS系统或者计费网关（CG）完成用户的计费。这种接入方式能够保持移动网络和WLAN的独立性。对于运营商来说，这种架构非常简单，易于部署。

    当用户通过3GPP网络接入IP业务时，移动网络除了提供鉴权和接入认证外，还需要提供接入3GPP网络的隧道管理、基于隧道的计费功能、接入策略控制等功能。这种接入方式下的技术要点是实现用户的统一认证和用户使用移动网络的IP业务。

    用户如要通过WLAN访问运营商的分组域业务，需要对核心网设备进行升级或改造，通常有TTG和PDG两种建设模式可以实现这一目标。

    TTG模式是在不改变现有移动网络和WLAN网络架构的前提下，通过引入TTG，使得终端能够通过WLAN接入网、TTG和GGSN访问数据业务。TTG的功能，包括TTG到GGSN之间的GTP隧道管理功能、W-APN解析、提供位置信息、支持漫游限制、NSAPI分配等。

    PDG模式则是把TTG功能加上GGSN原有功能和增强功能，共同完成PDG的功能。相比TTG模式，PDG能够直接分流WLAN业务，减少了对现有移动分组域的影响。但是PDG功能实现复杂，需要和现网的计费设备进行集成，实现起来比较困难些。

    3　WLAN与EPC互通架构和关键技术

    支持多种无线接入技术，是演进的移动分组网（EPC）在网络设计之初就定义的基本目标之一。WLAN接入EPC的互通架构按照WLAN与EPC核心网之间的信任关系以及采用的移动性管理协议（GTP，PMIP和DSMIP），可以分为S2a，S2b和S2c三种场景。图2为WLAN与EPC互通架构图。

图2　WLAN与EPC互通架构图

    如果EPC网络将WLAN接入视为可信任接入，比如，WLAN网络是移动运营商自建的网络，那么UE不需要建立终端与网络间的IPSec，直接通过PDN GW就能接入到移动核心网；如果EPC网络将WLAN接入视为不可信任接入，则必须通过ePDG接入EPC，UE和ePDG之间采用IPSec隧道承载数据，使得不可信网络的网元无法感知数据传输，从而保证数据传输的安全性。WLAN接入网是否可信是与其本身的特性无关，是HPLMN综合各种安全因素来决定的。

    在此，我们可以比较一下三种WLAN接入方式的特点：

    （1）S2a接口应用于可信固定网络和EPC互通，采用GTP/PMIP协议。为了支持互通，需要对现有固网进行较大的改动，例如，需要对固网设备（BRAS/BNG）进行增强改造，使之支持移动性要求。但这种接入方式符合国内运营商的运营环境，对终端影响小，能避开高通大量的专利，因此运营商研究意愿还是很强烈的，特别是采用GTP协议的S2a接口。

    （2）S2b接口应用于非信任固定网络和EPC互通，采用GTP/PMIP协议。固网通过ePDG接入PDN GW，通过增强ePDG以实现非信任固网和EPC的互通，对固网改造较小。但S2b方式要求终端和ePDG之间建立IPSec，额外开销比较大。

    （3）S2c接口采用DSMIPv6协议，提供UE和PDN GW之间的DSMIP隧道连接，这样UE和EPC网络交互的数据在固网可以实现透传，因此采用S2c方式对固网的影响也较小。应该说有关S2c的技术方案得力于高通的推动，技术完善、成熟，但该技术要求终端支持DSMIPv6，这样运营商会受制于高通专利。

    相对3G网络和设备完备的用户鉴权、数据加密机制，WLAN在安全性方面很薄弱，因此移动运营商在实现与WLAN互通时，增加了IKEv2用于终端的认证和授权，并增加了IPSec用于终端和ePDG间的数据安全，以提高互通时的业务安全性。

    如果单是考虑用户通过WLAN接入核心网，不涉及用户在WLAN和移动网间的业务切换，其处理流程并不复杂，与移动网接入下的流程区别不大。以支持GTP协议的S2a接口方式下的附着过程为例来看（见图3），同样是包括用户的鉴权、授权过程和承载的创建过程。与移动网接入有所不同的是，在WLAN接入情况下，除了建立核心网的承载之外，还需要建立WLAN接入网和PDN GW之间的GTP隧道。

图3　支持GTP的S2a方式时的附着过程

    现在具有多种接口（如3GPP，WLAN，WiMAX等）的终端设备越来越多，终端上的业务形式也越来越多样化，有些业务适合在3GPP接入系统上使用，而另一些业务则适合在其他接入系统上使用。例如，用户在家的时候，可以通过WLAN使用FTP业务，同时通过LTE使用VoIP业务。但一旦用户离开家，很可能与WLAN的连接就中断了，这个时候，FTP业务就需要切换到3GPP系统中。这样对不同的业务进行路由区分，既提升了用户的业务体验，也缓解了运营商移动网络的压力。

    在这种情况下，就要解决UE如何能够同时通过3GPP和非3GPP接入系统，接入同一个PDN？运营商又如何能配置UE在不同接入系统间的IP流路由规则？这些不同的IP流如何实现在不同的接入系统间动态迁移？UE通过不同的接入系统连接到了不同的PDN时，又如何能完成3GPP和非3GPP间的切换等问题。

    基于以上问题的提出，业界提出了两种解决方案：基于PDN的粒度进行切换的MAPCON （Mutiple Access PDN Connetion）技术和基于流粒度进行的IFOM（IP Flow Mobility）技术。

    MAPCON是指用户在不同的接入系统中建立的是不同的PDN连接，即不同的接入系统中的PDN连接必须使用不同的APN。

    MAPCON技术的实现比较简单，用户的附着流程基本没有改动，只需分别在两个系统进行附着。在切换流程中，如果用户已经在两个系统都附着了，只需要把一个系统上要切换的业务切换到另一个系统上，在目标消息中为其建立相应的PDN连接，并释放源系统中相应的承载即可；如果用户只在源系统进行了附着，那么在切换前，用户需要先在目标系统执行附着流程，并能够提供要切换的PDN连接的APN。此外，MAPCON对HSS和AAA有所增强，主要是要实现PDN GW信息的动态推送，PDN GW信息原来是在切换流程中通过接入认证过程获得的。

    需要注意的是，实现MAPCON技术的关键是用户通过Dual Radio的方式建立了两个PDN连接。此时两个PDN连接的PDN GW必须是一样的。用户如果因切换而建立PDN连接时，其附着类型应该为“Handover”，用户还会把自己的IP地址或者PDN GW信息传递给MME，这样MME就知道要建立到哪个PDN GW的连接，保证两种接入方式下选择的是同一个PDN GW。

    采用了MAPCON技术，不同业务可经由不同接入系统进行传输，不同业务优先在哪个接入系统进行接入的选择策略可通过ANDSF发送给UE。MAPCON可以实现WLAN和3GPP间的负荷分担，比如，运营商自有业务（IMS）通过HSPA（或LTE）接入，而视频（优酷）/FTP下载经过WLAN接入。此外，MAPCON还可以支持WLAN和3GPP接入间的切换，当WLAN覆盖不好时可将经由WLAN传输的应用切换到3GPP接入。

    相比MAPCON技术，IFOM技术更为复杂一些。IFOM研究的是UE同一个PDN连接下的不同的IP流如何路由到不同的接入系统，并且用户在3GPP系统和WLAN之间切换时，如何保证这些IP流切换的连续性和无缝的IP流移动性。目前比较成熟的IFOM方案是基于DSMIPv6的S2c接入方式，系统能够保留用户的IP地址，用户在接入系统间移动时，也能够保证IP流的移动性。

    为了实现系统间的IP流移动性，要对S2c和H1接口的DSMIPv6移动性信令进行扩展，以携带路由过滤器信息。如果UE在不同的接入系统上配置的是不同的IP地址，则可以通过多个绑定消息在HA上分别将这些地址注册为CoA。此外，为了将IP流路由到特定的接入，UE需要在Binding Update消息中包含流标识（FID）参数。FID定义了路由规则，包含路由过滤器和路由地址。根据这些路由信息，系统就知道哪些业务是从3GPP系统接入的，哪些业务是从WLAN系统接入的。一旦发生了流的移动性，UE也会通过Binding Update消息更新路由信息，EPC系统收到更新的路由信息后，就会进行相应的承载释放或者创建，实现IP流的无缝切换。

    在实现WLAN和3GPP系统间业务连续性和无缝分流方面，一个新的网元功能模块ANDSF（Access Network Discovery and Selection Function）起了举足轻重的作用。ANDSF具有数据管理和控制功能，能够响应UE进行接入网络选择的请求，提供发现用户接入网络和进行接入网络选择所需的辅助数据。用户根据ANDSF提供的这些信息，就能结合当前业务的特征，选择最合适的接入网络，从而实现数据业务的有效分流。

    ANDSF能够提供以下3类信息用于用户选择合适的网络进行接入：

    ●系统间移动性策略。该策略规定了是否允许进行系统间的移动，并为用户接入到EPC系统选择最合适的接入系统。该策略可以提供给UE，ANDSF也可以基于运营商策略或者基于UE发送的网络发现和选择信息对系统间的移动性策略进行修改。

    ●接入网络发现信息。根据UE的请求，ANDSF可以提供UE邻近区域的所有接入系统的接入网络列表。接入网络信息可以包括接入技术类型（如WLAN或WiMAX），无线接入网络标识符（WLAN的SSID）。

    ●系统间路由策略。ANDSF可以给用户提供一个系统间路由策略的列表，包括一些过滤规则，规定某个特定的业务流或者特定的APN，是否允许接入到某个接入系统中；并且在用户进行数据路由时，根据路由策略定义的接入系统的优先级，为业务选择最合适的接入技术或者APN。

    以上我们提到的MAPCON和IFOM都属于无缝分流，也就是说，用户在WLAN接入和移动网络接入间进行业务切换时，能够保证业务的连续性，用户感觉不到业务的中断，这类似移动网络中的软切换的概念。

    WLAN和演进的移动分组网互通时，还能提供非无缝（Non-Seamless）的分流形式。这个指的是用户在WLAN接入和移动网络接入间进行业务切换时，无须保证业务的连续性，业务允许中断，这类似移动网络中的硬切换的概念。在非无缝分流方式下，用户在接入到WLAN网络后，能将特定的IP流通过WLAN接入直接进行分流，而无须穿越EPC网络。非无缝分流方式适合在LTE/EPC网络部署的初期使用。

    4　结束语

    现在，WLAN网络已在全球迅速得以推广，AT&T，Verizon，DoCoMo，T-mobile，Orange等全球主要蜂窝运营商都积极行动起来，为无线局域网与蜂窝网在全球范围内的网络融合创造了良好基础。在我国，三大运营商也都将WLAN作为辅助移动网络的重要手段，纷纷扩建自己的WLAN网络，为家庭和企业用户提供补充的宽带无线接入手段。

    在标准技术研究方面，WLAN分流技术在3GPP是讨论的重点，涉及WLAN与移动网互通的标准比较多，为方便读者深入了解相关知识，下面对这些标准的主要内容进行简单介绍：

    （1）TS 23.234，最初的WLAN与移动网互通的标准，描述的是WLAN和GPRS互通技术，包括WLAN用户如何使用2G/3G的安全认证，直接通过Wi接口访问3GPP的PDN网络。该标准不涉及WLAN用户在移动时业务的连续性研究。

    （2）TS 23.327，描述的是如何实现WLAN与GPRS之间的业务连续性。这个标准可以看成是对TS 23.234的增强。由于解决方案所采用的是DSMIPv6技术，因此被运营商采用的可能性并不大。

    （3）TS 23.402，WLAN接入EPC网络的基本标准。描述了互通的基本架构以及MAPCON技术。

    （4）TR 23.861，是关于MAPCON和IFOM研究的最初的研究课题。在这个课题中MAPCON和IFOM被合称为MAPIM。进入正式标准阶段之后，才分别使用MAPCON和IFOM的称谓。其中的研究内容分别纳入TS23.40（MAPCON）和TS23.261（IFOM）。

    （5）TS 23.261，基于S2c DSMIPv6的IFOM正式的标准。

    （6）TR 23.852，SaMOG（GTP-S2a and WLAN Access to EPC）课题的研究报告。该课题研究的是基于S2a GTP协议的接入方式，国内运营商对该课题有很高的研究热情。因为在国内，WLAN是运营商自己部署的，完全可以作为信任域接入，一方面不要求终端支持DSMIPv6，产品容易实现，另一方面，核心设备因为支持GTP协议，没有革命性的变化，利于运营商网络的平滑演进。目前该课题已完成了对终端没有影响的方案研究，对终端有影响的方案将在3GPP R12进行研究。

    （7）TR 23.855，DIDA（Data identification in ANDSF）研究课题。研究的是如何对ANDSF功能进行增强，使得运营商对网络中的每个应用或IP流的使用都能进行资源控制。

    （8）TR 23.853，OPPIIS（Operator Policies for IP Interface Selection）课题。基于APN的粒度，对ANDSF功能进行增强。

    （9）LOBSTER（LOcation-Based Selection of gaTEways for WLAN）课题，目前尚未分配报告号。研究的是在S2b和S2c的WLAN接入的情况下，如何基于UE的位置，选择合适的ePDG和PDN GW，以保证数据路由的最优化。

    国际标准方面对WLAN和演进的移动分组网互通的研究情况如表1所示。

    表1　WLAN与EPC互通场景列表及研究进展

    从目前的实际网络部署来看，WLAN和移动GPRS网互通的应用方式还是比较简单，WLAN用户只是通过直接接入方式接入Internet业务，实现两种接入方式下的账单关联，但不能使用移动网自营业务，也不能实现业务切换。运营商当前的主要工作是改造、扩容网络，进行鉴权方式的改进，通过统一的、简化的WLAN用户的鉴权流程，吸引更多用户使用WLAN接入，充分利用WLAN网络的资源进行移动网分流。

    随着LTE/EPC网络的逐渐商用，相信新型的终端和网络产品对WLAN互通技术的支持力度会更大，因此，WLAN和移动网预计将有更深入的互通和融合可能性，WLAN用户分享移动分组域业务以及不同接入系统间的业务切换都将有可能实施，灵活的业务形式将会吸引更多移动用户使用WLAN业务。