北方交通大学 谈振辉 陈 霞
通过蜂窝无线接入网络接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ已经成为第三代移动通信系统的关键课题。蜂窝移动通信网络的核心特性是终端移动性、个人移动性和业务移动性。这就给电信运营商提出这样一个难题：构造一个什么样的网络来满足上述要求。ＩＥＴＦ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔａｓｋ Ｆｏｒｃｅ）的移动ＩＰ（Ｍｏｂｉｌｅ ＩＰ）协议规定，在ＩＰ层实现大范围移动的标准解决方案，但这并没有解决全部问题，其中包括蜂窝移动用户接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的问题。
一、蜂窝ＣＤＭＡ网络 移动ＩＰ分组数据网络结构
以ＩＳ－９５为基础的第二代ＣＤＭＡ移动通信网络被广泛地用于话音业务。移动节点ＭＮ通过基站收发站ＢＴＳ与选择分布单元ＳＤＵ连接提供低速１３ｋｂｉｔ／ｓ或８ｋｂｉｔ／ｓ电路交换的话音业务。ＳＤＵ组合来自多个ＢＴＳ的信号并转换成ＰＳＴＮ低速６４ｋｂｉｔ／ｓ压缩数据，负责在前向链路上选择发射数据的ＢＴＳ和管理ＭＮ的发射功率。
在蜂窝ＣＤＭＡ通信网上扩展分组数据业务必须与通信网原有的话音业务并存，这样原通信网提供分组数据业务就不用增加过多的成本。也就是说，应尽可能不改变原有蜂窝ＣＤＭＡ通信网络基础设施。诸如，对于分组数据业务，当无线资源没有被占用时，就实时释放给其它站使用。空中接口、ＢＴＳ与ＳＤＵ链路必须支持高速率分组数据业务。但是，基本信息流和流量路径仍应与话音业务一样。改变的关键单元仅是ＳＤＵ，因为ＳＤＵ是把数据流送至分组网而不是送至ＰＳＴＮ。
由于数据流业务在无线通信环境下有一定的误码率要求，ＳＤＵ执行无线链路协议（ＲＬＰ）和重传协议。即当接收方要求重传丢失数据帧时，发射方才重传存在缓冲器中的该数据帧。ＲＬＰ执行缓冲与重发会带来１－２秒等待时间，若ＲＬＰ采用帧长２０ｍｓ作为重发基本单元，收发双方之间有一个简单的八位字节流接口。
欲与ＩＰ网接口，某些数据链路层协议，诸如ＩＥＴＦ定义的具有丰富功能和在许多平台广泛使用的点对点协议（ＰＰＰ--Ｐｏｉｎｔ ｔｏ Ｐｏｉｎｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ），是把无线链路协议所用八位字节流分成ＩＰ组。事实上，ＰＰＰ是一个非常复杂的协议，有些功能还与移动协议互相重叠。
分组数据业务节点（ＰＤＳＮ--Ｐａｃｋｅｔ Ｄａｔａ Ｓｅｒｖｉｎｇ Ｎｏｄｅ）可作为ＦＡ，分组控制功能（ＰＣＦ--Ｐａｃｋｅｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）可作为无线寻址网络单元。ＰＣＦ与ＰＤＳＮ连接，负责来自和送至ＰＤＳＮ的中继数据，把ＰＤＳＮ从体系结构中的空中接口分离出来。ＰＤＳＮ实现网络接入服务器（ＮＡＳ）和移动ＩＰ ＦＡ的功能。图１显示了提供移动ＩＰ分组数据业务的ＰＤＳＮ、ＰＣＦ、ＡＡＡ及相应结构。
在移动ＩＰ协议中，发往ＭＮ的数据分组汇集在本地网络静态的本地代理（ＨＡ）。当ＭＮ附着到ＦＡ，并发出注册申请消息时，通知ＨＡ有关ＭＮ信息，ＦＡ接收并中继给ＨＡ，然后ＨＡ把数据分组送至ＭＮ的当前位置，反馈确认隧道建立的注册消息并到达ＨＡ。由ＭＮ定义的数据分组被组装在ＩＰ分组头的外部，其分组头含有反映ＭＮ现今位置的ＭＮ现今转交地址。
有两种数据分组组装方式，第一种称为搭配转移地址，即被组装数据分组直接发至ＭＮ，然后剥去外部分组头，处理内部数据分组。第二种称为定位ＦＡ转移地址，即被组装数据分组发至ＦＡ，然后剥去外部分组头，把内部数据分组送至ＭＮ。在无线资源贫乏环境下，应采用第二种方式，不发射额外组装数据分组头，还节省地址空间，ＦＡ的转移地址可以被所有连接的ＭＮ共享而不是每一个ＭＮ指定唯一转移地址。
除现有用于无线话音业务基于本地／来访位置寄存器鉴权外，在漫游环境中，为给无线载体提供Ｉｎｔｅｒｎｅｔ业务，ＰＤＳＮ需连接在ＡＡＡ设施上。具有漫游用户访问的网络可查询本地网以络获取鉴权信息和提供业务的资费。采用移动ＩＰ协议，依据注册要求可对用户信任信息直接编码，动态地把本地地址分配给ＭＮ，执行授权、网络寻址控制、地址映射到ＩＰ层等功能，避免对网络层协议依赖性，使整个系统在技术变更中具有鲁棒性（ｒｏｂｕｓｔ）。
二、移动ＩＰ外地代理 与蜂窝ＣＤＭＡ网络接口
ＰＣＦ对网络的无线寻址接入部分包含ＢＴＳ、ＳＤＵ和其它承担中继数据给ＰＤＳＮ的单元。ＰＣＦ经过ＩＰ网络与ＰＤＳＮ连接起来，ＰＤＳＮ含有移动ＩＰ ＦＡ和ＰＰＰ。从网络结构分析，ＰＤＳＮ类似于现有的拨号接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的网络接入服务器（ＮＡＳ）。
ＰＤＳＮ选择ＰＰＰ的原因部分来自有效性和移动ＩＰ采纳时间进度表的不确定性。ＰＰＰ位于ＰＣＦ中，ＰＣＦ的变化将刷新ＰＰＰ，需要把额外消息送至空中接口。若把ＰＰＰ集中在一起，可避免当ＰＣＦ状态发生变化时扰乱ＰＰＰ状态。若ＰＰＰ状态从一个ＰＣＦ变换到下一个ＰＣＦ，除了需要附加空中接口的复杂性外，还要把指定给旧地址的分组分配给新ＰＣＦ。
在ＰＤＳＮ中，终端ＰＰＰ的选择会增加复杂性。这是因为：
★ＰＰＰ所需的大量状态影响ＰＤＳＮ的规模和在ＰＣＦ中终端ＰＰＰ分布式处理的运算量。
★ＱｏＳ的实现经过集中型ＰＰＰ处理。
★ＱｏＳ另一解决方案是同时运行多个ＲＬＰ。
在ＰＣＦ和ＰＤＳＮ协议链接中有三个接口标准化选择，该接口称之Ｒ－Ｐ接口，即连接无线接入网络与ＰＤＳＮ的接口。下面分别讨论三个接口方案：
１．现有特定无线接口
现有若干无线接口可用于蜂窝ＣＤＭＡ 网络与移动ＩＰ ＦＡ的接口，这些接口来源于其它标准化或供应商采纳的未完全标准化。
在给定连接层特定的接口中，Ｌ接口可用于第五类交换和交互工作功能（ＩＷＦ--Ｉｎｔｅｒｗｏｒｋｉｎｇ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）之间，ＩＷＦ主要用于数据网的网关。Ｌ接口把来自ＲＬＰ 的八字节数据流送至在虚电路帧中继交换上，把无线寻址信息送至ＩＷＦ，这项工作由ＡＮＳＩ ＩＳ （Ｉｎｔｅｒｉｍ Ｓｔａｎｄａｒｄ）－ ６５８负责。
另一种是３ＧＰＰ２研究的ＳＤＵ和ＰＣＦ之间的先进接口，控制ＳＤＵ与ＰＤＦ间ＩＰ隧道隧道本身是以开放ＩＥＴＦ标准为基础的信令消息用于ＣＤＭＡ环境。在ＰＣＦ和ＰＤＳＮ之间基于ＩＰ的接口应选择ＩＰ作为ＰＣＦ与ＰＤＳＮ间传送网。以ＩＥＴＦ作为这种接口的标准化可使接口更开放、完整、简单。
２．层２隧道协议（Ｌ２ＴＰ--Ｌａｙｅｒ ２ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）
ＩＥＴＦ的ＰＰＰ工作小组正在研究层２隧道协议，并附加了ＲＦＣ状态信息。该协议主要从ＰＰＰ终端点中分离出接入点。Ｌ２ＴＰ定义了Ｌ２ＴＰ接入集中器（ＬＡＣ--Ｌ２ＴＰ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）和Ｌ２ＴＰ网络服务器（ＬＮＳ--Ｌ２ＴＰ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｓｅｒｖｅｒ）。终端连接到ＬＡＣ，ＬＡＣ采用申请响应信令简单协议。
在运行中，ＬＡＣ直接从终端接收数据，并配以特殊的Ｌ２ＴＰ帧头组装成ＰＰＰ链接层帧，发送至ＬＮＳ。在相反传输方向，ＬＮＳ接收终端指定的分组数据，产生含有这些分组数据的ＰＰＰ帧并配以特殊的Ｌ２ＴＰ帧头，发送至ＬＡＣ。所有ＰＰＰ消息和状态在ＬＮＳ中处理，ＬＡＣ需要来自ＬＮＳ有关ＰＰＰ选择的信息，负责接收和发射ＰＰＰ帧。
对于从ＰＰＰ终端点分离的接入点，Ｌ２ＴＰ提供标准化ＰＣＦ与ＰＤＳＮ接口方案。Ｌ２ＴＰ不支持从一个ＬＡＣ到另一个ＬＡＣ的越区链路移动性，这就要求系统结构把链接层终端点移近ＢＴＳ，Ｌ２ＴＰ需要修改某些协议内容。
３．基于移动ＩＰ的新型Ｌ２ＴＰ
３ＧＰＰ２正在研究基于移动ＩＰ、支持更通用Ｌａｙｅｒ－２隧道协议。ＰＣＦ可建立通向ＰＤＳＮ的隧道，用于给ＰＤＳＮ发送移动ＩＰ注册申请，接收来自ＰＤＳＮ注册响应，ＰＤＦ与ＰＤＳＮ之间流量可以组装成含有通用路由封装头（ＧＲＥ--Ｇｅｎｅｒｉｃ Ｒｏｕｔｉｎｇ Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ）分组。与标准移动ＩＰ不同的是，ＧＲＥ隧道不携带ＩＰ分组数据，而是携带用于ＰＰＰ链路层的数据。
在注册申请上以附加国际移动站标识符（ＩＭＳＩ--Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｏｂｉｌｅ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ）来解决移动性。当ＰＤＳＮ接收来自新ＰＣＦ具有相同ＩＭＳＩ的注册申请时，ＰＤＳＮ就与来自旧ＰＤＦ的注册申请建立联系。这样，在Ｒ－Ｐ隧道运行的ＰＰＰ状态就不受越区的影响。 ＭＮ可以从一个ＰＣＦ移至另一个ＰＣＦ，而维持与ＰＤＳＮ的链接，这就需要提供透明移动层。这个透明移动层仅用于ＰＣＦ和ＰＤＳＮ，位于一个专用网内，并有直接安全关系。假若ＭＮ远离原归属区，ＰＤＳＮ就发生变化，这种变化在ＭＮ是可见的，需要ＨＡ进行移动ＩＰ注册。
与Ｌ２ＴＰ方案相比，为了使接口简单，不必把现今ＰＰＰ选择从ＰＤＳＮ送至ＰＣＦ。发射至ＰＤＳＮ ＧＲＥ分组数据及由ＰＣＦ接收来自ＭＮ的ＧＲＥ分组数据可按未加工格式组装。发射至ＰＣＦ ＧＲＥ分组数据在分离出ＧＲＥ报头后可立即送至ＭＮ。除了携带用户数据外，ＰＣＦ必须发射无线特殊用途信息给ＰＤＳＮ，ＰＤＳＮ把有关信息数据送至计费系统。
三、移动ＩＰ的移动性管理
宏移动性是指ＭＮ频繁地改变其在网络中的位置，随着基本移动ＩＰ隧道的建立而增加了网络信令额外开销，注册申请在ＨＡ和ＦＡ新隧道间反馈而增加等待时间。宏移动性可分成两类：
１．分级隧道
分级隧道特性类似于ＦＡ的树状结构。来自ＨＡ的封装信息流量送至ＦＡ的根底部，在那儿拆封装并依据ＭＮ的现今附属点再次封装后送至ＦＡ的下一级。随着ＭＮ从树状结构的树叶之间移动，位置更新到所含最少公用级为止。在本地接入网中进行大部分位置更新，可以减少跨越Ｉｎｔｅｒｎｅｔ信令和信息流量的等待时间。
２．路由更新方案
路由更新方案是针对每个ＦＡ信息流量封装和解封装所带来的额外开销，依据ＩＰ路由直接把信息流量送至ＭＮ，引入的新信令消息在接入网内更新与主控制有关路由。该方案要求使用排列地址表，ＭＮ发射新路由更新消息。路由更新方案有蜂窝ＩＰ和ＨＡＷＡＩＩ方案。
ＣＤＭＡ网络中移动性分层管理，在ＦＡ中有多层负责移动性管理。在某一层ＢＴＳ与ＢＴＳ的越区切换保持相同的ＳＤＵ／ＰＣＦ。这个机理类似于无线网络层协议。Ｌ２ＴＰ方案准许ＰＣＦ与ＰＣＦ间透明越区切换，而对ＰＰＰ和ＰＤＳＮ中ＦＡ协议来说是不可见的。这种越区切换机理也减轻跨域移动ＩＰ注册、鉴权和安全的需求。随着ＭＮ容许链路层拆卸和重组，基于移动ＩＰ的Ｌ２ＴＰ可演变成Ｌ３ＴＰ。
四、支持移动 ＩＰ有关ＡＡＡ要求
ＲＦＣ ２００２的移动ＩＰ不具备用于寻址控制和计费度量机理，而基本移动ＩＰ也不提供用于ＭＮ与ＦＡ或ＦＡ与ＨＡ的鉴权。在蜂窝ＣＤＭＡ网络中，公众无线数据系统中有许多网络或运营商，如无线运营商、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ业务提供商（ＩＳＰ）、专用网、支持ＦＡ的网络或不采用移动ＩＰ提供简单Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入业务的提供商等，希望用户付费使用他们的无线数据业务。为了获取付费信誉，蜂窝ＣＤＭＡ网络必须支持可度量的ＡＡＡ业务。ＡＡＡ业务在网络中的汇聚可以称为ＡＡＡ设施。ＡＡＡ设施检验用户信誉程度，确定用户的业务策略，还提供业务与本地范围之间的费用协议。
在蜂窝ＣＤＭＡ网络中，一个用户具有一个本地无线载体接口获取无线业务，本地网络保持用户业务需求和鉴权信息。当用户漫游至不同业务网络区时，业务网络接入本地无线载体进行用户有关信息的鉴权和业务要求的确认。其中业务需求信息包括用户授权使用哪些无线资源、最大带宽、接入等级等。无线载体与系统间信令协议采用在七号信令网上运行的ＡＮＳＩ－４１。ＡＮＳＩ－４１支持鉴权及用户参数变动。用户业务需求存储在本地网络的ＨＬＲ中。
除了本地无线载体外，用户还有本地ＩＰ网。本地ＩＰ网拥有用户业务需求和鉴权信息。本地网也可以是另外一种无线载体，如ＩＳＰ、专用网等，用于鉴权和授权的安全信息唯一地为专用网、ＩＳＰ所有。
蜂窝ＣＤＭＡ网络采用ＩＥＴＦ协议用于ＡＡＡ，它有两层鉴权：一层位于无线网络，另一层位于数据网络。在无线网络中，移动站通过ＩＭＳＩ识别ＡＮＳＩ－４１和位置寄存器来提供ＡＡＡ功能，在数据网络中，移动站通过网络接入识别器（ＮＡＩ--Ｎｅｔｗｏｒｋ Ａｃｃｅｓｓ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ）识别。基于来自ＰＤＳＮ的要求，用户鉴权是识别用户而不是终端。
数据网络ＡＡＡ识别用户的机理取决于用户所申请的业务类型。对于简单不需要移动ＩＰ的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入业务，鉴权协议是查询握手鉴权协议（ＣＨＡＰ--Ｃｈａｌｌｅｎｇｅ Ｈａｎｄｓｈａｋｅ Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）。在ＣＨＡＰ中，ＰＤＳＮ以一个随机值查询用户，ＭＮ必须在本地网络以ＭＤ５-Ｍｅｓｓａｇｅ Ｄｉｇｅｓｔ ５确认签名和用户ＮＡＩ来响应随机数。而对于移动ＩＰ 的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入业务ＦＡ以一个随机数向ＭＮ发出类似查询，ＭＮ必须在本地网确认签名和用ＮＡＩ响应其查询。两者的区别是移动ＩＰ响应时随移动ＩＰ注册响应而不是随ＰＰＰ建立响应，相同处是依据与ＮＡＩ有关共享密码和受ＡＡＡ设施支撑。
蜂窝ＣＤＭＡ网络可含有上千个企业占用的无线数据业务专用网，本地和业务网络的ＡＡＡ业务有一种直接的双边关系。假若有的专用网较小，那么本地和业务网络可以有预先存在的约定关系。
只要有来自移动用户本地网的授权信息或来自ｂｒｏｋｅｒ的财务响应，服务网络就提供业务，保证ＡＡＡ设施的可靠性。这就是说，当检测服务器失误时，服务器必须重传申请并切换到备份服务器上，避免不必要的运行中断。
可以预料：蜂窝移动通信系统中话音业务所占的份额会越来越少，而基于ＩＰ的业务所占的份额会越来越多，包括话音业务在内的综合通信网络设施将被ＩＰ技术方案所替代，提供话音业务及与ＰＳＴＮ互连的业务的接入技术与现存第二代移动通信系统还将并存。在蜂窝ＣＤＭＡ网络中采用移动ＩＰ实现Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入就是解决上述问题的方案之一。
摘自《通信世界》
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