TD-SCDMA与WLAN网络互操作研究

TD-SCDMA与WLAN网络互操作研究

随着各种技术标准的不断演进，各种移动通信网络之间相互融合逐渐成为了无线通信发展的趋势。而宽带网络的移动化和移动网络的宽带化则是迈向未来通信世界的必然趋势。因此，3G通信网与无线局域网的融合技术，已经成为通信领域的研究热点之一。这两者之间的融合可以扬长避短，将劣势转化为优势，充分发挥各自的优点，具有非常广泛的应用前景。

    TD及WLAN互操作可行性分析

    TD-SCDMA（以下简称TD）标准是由我国制定的具有自主知识产权的3G标准，1998年6月30日由中国原邮电部电信科学技术研究院（大唐电信）向ITU提出。TD拥有丰富的频率资源，单载波带宽为1.6MHz，核心频段55MHz，有33个核心频点，补充频段100MHz，有62个补充频点。它具有灵活的组网方式，不仅能够用于宏蜂窝网络的建设，尤其适合于城市及近郊区高密度用户区组建微蜂窝或者微微蜂窝网络，并可与其它移动蜂窝网络之间实现网络资源共享。

WLAN通常是指以无线电波、激光、红外线等无线媒介来代替有线局域网中部分或全部传输媒介而构成的网络，广泛应用于802.11家族。IEEE802.11标准定义了两类的无线局域网，分为固定设施模式（infrastructure）和非固定设施模式(Ad-hoc)。针对与TD体系结构相融合的设计特点，在WLAN网络中采用infrastructure模式。

    TD技术存在频谱利用率高和穿透性能差二大特点。通过结合高速低成本的WLAN技术，使用B频段的TD建网，为WLAN分配TD的A或C频段中的少许频点，利用这种结合方式来异构组网可将TD穿透性差、WLAN频点有限等缺点转化为优点，更好地适应无线技术融合的要求，满足未来移动通信发展的需求。

    TD与WLAN两大互操作模式

    TD与WLAN网络互操作大致可分为紧耦合模式和松耦合模式两种模式。

    紧耦合模式的组网方案如图1所示。

    在紧耦合模式下，考虑到目前3GPP标准中的网络结构，TD与WLAN融合点选择在SGSN上。因为如果选择融合点在RNC，由于两个无线接口完全不同，则需要对RNC复杂的无线程序进行大量的修改；另外，若融合点选择在GGSN的话，在切换到TD时需要重新创建移动状态，并重建立PDP会话或RAB上下文，而GGSN中没有这些信息，切换速率将变得很慢。因此，我们将融合点选择在SGSN，WLAN的接入网与TD的接入网采用相同的方式接入到TD核心网上。

    这样，对于SGSN而言，WLAN和UTRAN是两种完全不同的无线接入网络。MN与TD网络的连接需要建立明确的信令管理承载路径，在WLAN网络小区中的MN保持与WLAN网络的连接同时通过不同的接口与TD网络连接。这种模式对TD核心网造成较大的冲击，TD核心网中的SGSN和GGSN网络组件必须重新设计，以支撑增长的业务负载和不同的服务。另一方面，由于TD与WLAN网络可能分属于不同的运营商，对于鉴权和计费等问题都较难协调；而混合网络中的移动终端需要在两种协议的物理层之间任意转换，难度较高。因此，虽然此模式统一了网络中的数据接入和用户管理，但对核心网和终端等方面的设计都要求较高。

    于是，松耦合模式应运而生，其组网方案如图2所示。

    与紧耦合模式相比较，此时WLAN数据不直接接入TD核心网，而是通过分组数据网关(PDG)网络组件来接入公共IP网络，这样对TD核心网的冲击就比较小了。另外，为了降低终端实现的复杂度，我们假设MN在网络中只能同时与其中一个网络进行通信。由于软切换实现的难度比较大，因此在TD与WLAN切换过程中采用的是硬切换的方式。这种混合组网的模式可以支持终端在TD与WLAN接入网间的移动。

    松耦合模式

    1．切换问题

    为了实现TD与WLAN的网络互操作，切换问题是一个重要的技术考虑点。对于混合网络而言，各种通信网络架构有所不同，使用的技术也存在很大的差异，因此现在还没有一套统一的关于异构网切换的技术标准，需要根据异构网的特征采用不同的切换技术。
    与紧耦合模式相比，松耦合模式要求现网结构的变动相对小得多，并有其独特的优势，在网络建设前期较为适用。在松耦合模式下，MN在TD与WLAN网络之间切换时，主要是根据MN接收到的WLANAP的服务集标识符（SSID）来决定是否进行切换的。切换过程可以分为四个不同的阶段：切换发起、鉴权认证、L2切换和切换完成阶段。

    (1)切换发起

    起初，UE与TD网络进行通信，这样就在HA与MN之间通过TD网络实体形成一条分组包发送路由，并且需要HA管理MN所分配的当前转交地址。
    当处于TD系统中的MN进人切换区域中，RNS判断节点位置并把位置信息通告给它的邻居WLANAP的SSID。在MN接收到SSID之后，开始执行切换判决。若存在层二触发，它可决定接受或者拒绝到WLAN网络的切换。

    (2)鉴权认证

    作出切换决定之后，MN发送认证请求信息给GGSN，并且GGSN把该信息转发给WLAN的PDG来请求WLAN认证。PDG接收到一个认证请求信息，就开始在MN、PDG和AAA服务器之间为WLAN进行认证过程，其中由PDG来转发MN与AAA服务器之间的WLAN认证信息。如果认证成功，PDG就分配一个新关联地址(CoA)给MN在WLAN网络中使用（所分配的CoA可以是一个外部代理CoA或者是配置CoA）。然后，PDG把相关的应答信息合并在一起发送给HA。
    如果HA接收到“注册更新请求”消息，则需要来更新MN的IP地址。此时，HA开始缓存发往MN分组包并发送“注册更新响应”消息给PDG。如果PDG接收到该信息，就通过GGSN将注册响应信息转发给MN，来表示MN的鉴权认证已经完成。

    (3)层二切换

    在MN的鉴权认证完成后，MN就通过基于3GPP标准的L2分离过程从TD网络断开连接，然后再通过使用标准的WLAN关联过程来执行WLAN链接，也就是执行从TD到WLAN的层二切换。在连接的过程中，WLANAR可以从先前接收的认证成功信息中确认认证用户中的MN。所以，MN能通过WLANAR来通信，而不需要进一步的WLAN认证过程。

    (4)切换完成

    在MN与WLANAR连接建立之后，它给HA发送“切换完成”消息，此时HA更新地址表。然后，HA终止对数据包的缓存并转发所缓存的数据包。

    2．鉴权问题

    TD运营商可通过SIM／USIM智能卡使用来为网络提供安全保证机制，并将用户的安全等级和业务描述等存入到本地服务器HLR当中。而WLAN网络中可以重用TD的安全服务功能，一方面可以节省网络资源开销，另一方面由于TD使用HLR来实现各运营商之间的漫游协商，可以较容易地组建一个世界范围的安全系统。
    WLAN网络通过接口与外地TD网络系统的AAA服务器相联，借口用于鉴权和密钥管理的信令传输。鉴权过程中需要的信息存储在HLR中，通过接口AAA服务器可以从HSS中获得这些信息。

    3.收费问题

    经过鉴权后，合法的MN将获得接入网络的授权。当用户接入公共IP网络时，用户可直接通过WLAN接入网路由至Internet，而不经过TD核心网。而当用户需要使用TD网络提供的IP网络服务时，就需要在WLAN接入网和TD核心网之间建立隧道，以便把WLAN网络中所有用户的数据全部转移到TD核心网进行传输，因此需要在TD核心网中新增加网络实体PDG。PDG的作用与GPRS网络中的GGSN的作用类似，同样是作为通往远端IP网的网关。

    WLAN与TD网络中仍采用预付费和后付费两种收费模式。使用预付费方式时，对用户的收费应交由在线收费系统OCS控制；而使用后付费方式时，用户付费信息则由收费网关CG负责收集并提交给收费系统进一步来处理。

    在MN使用WLAN直接接入Internet的情况下，WLAN接入的收费信息由WLAN接入网中的LocalAAA(图2)负责收集后再交由TD核心网进行处理。而当MN使用TD核心网提供的服务，所有的相关IP数据流都会通过PDG，因此PDG可以准确地针对这类服务收集计费信息。PDG将计费信息整理后通过接口交由TD核心网收费系统进行处理。