蜂窩CDMA網(wǎng)絡中移動IP接入Internet
2019-11-03 09:35:28
供稿：網(wǎng)友
北方交通大學 談振輝 陳 霞 通過蜂窩無線接入網(wǎng)絡接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ已經(jīng)成為第三代移動通信系統(tǒng)的關鍵課題。蜂窩移動通信網(wǎng)絡的核心特性是終端移動性、個人移動性和業(yè)務移動性。這就給電信運營商提出這樣一個難題：構造一個什么樣的網(wǎng)絡來滿足上述要求。ＩＥＴＦ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔａｓｋ Ｆｏｒｃｅ）的移動ＩＰ（Ｍｏｂｉｌｅ ＩＰ）協(xié)議規(guī)定，在ＩＰ層實現(xiàn)大范圍移動的標準解決方案，但這并沒有解決全部問題，其中包括蜂窩移動用戶接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的問題。
一、蜂窩ＣＤＭＡ網(wǎng)絡 移動ＩＰ分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡結(jié)構
以ＩＳ－９５為基礎的第二代ＣＤＭＡ移動通信網(wǎng)絡被廣泛地用于話音業(yè)務。移動節(jié)點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。ＳＤＵ組合來自多個ＢＴＳ的信號并轉(zhuǎn)換成ＰＳＴＮ低速６４ｋｂｉｔ／ｓ壓縮數(shù)據(jù)，負責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)上擴展分組數(shù)據(jù)業(yè)務必須與通信網(wǎng)原有的話音業(yè)務并存，這樣原通信網(wǎng)提供分組數(shù)據(jù)業(yè)務就不用增加過多的成本。也就是說，應盡可能不改變原有蜂窩ＣＤＭＡ通信網(wǎng)絡基礎設施。諸如，對于分組數(shù)據(jù)業(yè)務，當無線資源沒有被占用時，就實時釋放給其它站使用。空中接口、ＢＴＳ與ＳＤＵ鏈路必須支持高速率分組數(shù)據(jù)業(yè)務。但是，基本信息流和流量路徑仍應與話音業(yè)務一樣。改變的關鍵單元僅是ＳＤＵ，因為ＳＤＵ是把數(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)務在無線通信環(huán)境下有一定的誤碼率要求，ＳＤＵ執(zhí)行無線鏈路協(xié)議（ＲＬＰ）和重傳協(xié)議。即當接收方要求重傳丟失數(shù)據(jù)幀時，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)會帶來１－２秒等待時間，若ＲＬＰ采用幀長２０ｍｓ作為重發(fā)基本單元，收發(fā)雙方之間有一個簡單的八位字節(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廣泛使用的點對點協(xié)議（ＰＰＰ--Ｐｏｉｎｔ ｔｏ Ｐｏｉｎｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ），是把無線鏈路協(xié)議所用八位字節(jié)流分成ＩＰ組。事實上，ＰＰＰ是一個非常復雜的協(xié)議，有些功能還與移動協(xié)議互相重疊。
分組數(shù)據(jù)業(yè)務節(jié)點（ＰＤＳＮ--Ｐａｃｋｅｔ Ｄａｔａ Ｓｅｒｖｉｎｇ Ｎｏｄｅ）可作為ＦＡ，分組控制功能（ＰＣＦ--Ｐａｃｋｅｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）可作為無線尋址網(wǎng)絡單元。ＰＣＦ與ＰＤＳＮ連接，負責來自和送至ＰＤＳＮ的中繼數(shù)據(jù)，把ＰＤＳＮ從體系結(jié)構中的空中接口分離出來。ＰＤＳＮ實現(xiàn)網(wǎng)絡接入服務器（ＮＡＳ）和移動ＩＰ ＦＡ的功能。圖１顯示了提供移動ＩＰ分組數(shù)據(jù)業(yè)務的ＰＤＳＮ、ＰＣＦ、ＡＡＡ及相應結(jié)構。
在移動ＩＰ協(xié)議中，發(fā)往ＭＮ的數(shù)據(jù)分組匯集在本地網(wǎng)絡靜態(tài)的本地代理（ＨＡ）。當ＭＮ附著到ＦＡ，并發(fā)出注冊申請消息時，通知ＨＡ有關ＭＮ信息，ＦＡ接收并中繼給ＨＡ，然后ＨＡ把數(shù)據(jù)分組送至ＭＮ的當前位置，反饋確認隧道建立的注冊消息并到達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。在無線資源貧乏環(huán)境下，應采用第二種方式，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ＭＮ指定唯一轉(zhuǎn)移地址。
除現(xiàn)有用于無線話音業(yè)務基于本地／來訪位置寄存器鑒權外，在漫游環(huán)境中，為給無線載體提供Ｉｎｔｅｒｎｅｔ業(yè)務，ＰＤＳＮ需連接在ＡＡＡ設施上。具有漫游用戶訪問的網(wǎng)絡可查詢本地網(wǎng)以絡獲取鑒權信息和提供業(yè)務的資費。采用移動ＩＰ協(xié)議，依據(jù)注冊要求可對用戶信任信息直接編碼，動態(tài)地把本地地址分配給ＭＮ，執(zhí)行授權、網(wǎng)絡尋址控制、地址映射到ＩＰ層等功能，避免對網(wǎng)絡層協(xié)議依賴性，使整個系統(tǒng)在技術變更中具有魯棒性（ｒｏｂｕｓｔ）。
二、移動ＩＰ外地代理 與蜂窩ＣＤＭＡ網(wǎng)絡接口
ＰＣＦ對網(wǎng)絡的無線尋址接入部分包含ＢＴＳ、ＳＤＵ和其它承擔中繼數(shù)據(jù)給ＰＤＳＮ的單元。ＰＣＦ經(jīng)過ＩＰ網(wǎng)絡與ＰＤＳＮ連接起來，ＰＤＳＮ含有移動ＩＰ ＦＡ和ＰＰＰ。從網(wǎng)絡結(jié)構分析，ＰＤＳＮ類似于現(xiàn)有的撥號接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的網(wǎng)絡接入服務器（ＮＡＳ）。
ＰＤＳＮ選擇ＰＰＰ的原因部分來自有效性和移動ＩＰ采納時間進度表的不確定性。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ＰＣＦ狀態(tài)發(fā)生變化時擾亂ＰＰＰ狀態(tài)。若ＰＰＰ狀態(tài)從一個ＰＣＦ變換到下一個ＰＣＦ，除了需要附加空中接口的復雜性外，還要把指定給舊地址的分組分配給新ＰＣＦ。
在ＰＤＳＮ中，終端ＰＰＰ的選擇會增加復雜性。這是因為：
★ＰＰＰ所需的大量狀態(tài)影響ＰＤＳＮ的規(guī)模和在ＰＣＦ中終端ＰＰＰ分布式處理的運算量。
★ＱｏＳ的實現(xiàn)經(jīng)過集中型ＰＰＰ處理。
★ＱｏＳ另一解決方案是同時運行多個ＲＬＰ。
在ＰＣＦ和ＰＤＳＮ協(xié)議鏈接中有三個接口標準化選擇，該接口稱之Ｒ－Ｐ接口，即連接無線接入網(wǎng)絡與ＰＤＳＮ的接口。下面分別討論三個接口方案：
１．現(xiàn)有特定無線接口
現(xiàn)有若干無線接口可用于蜂窩ＣＤＭＡ 網(wǎng)絡與移動ＩＰ ＦＡ的接口，這些接口來源于其它標準化或供應商采納的未完全標準化。
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。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，把無線尋址信息送至ＩＷＦ，這項工作由ＡＮＳＩ ＩＳ （Ｉｎｔｅｒｉｍ Ｓｔａｎｄａｒｄ）－ ６５８負責。
另一種是３ＧＰＰ２研究的ＳＤＵ和ＰＣＦ之間的先進接口，控制ＳＤＵ與ＰＤＦ間ＩＰ隧道隧道本身是以開放ＩＥＴＦ標準為基礎的信令消息用于ＣＤＭＡ環(huán)境。在ＰＣＦ和ＰＤＳＮ之間基于ＩＰ的接口應選擇ＩＰ作為ＰＣＦ與ＰＤＳＮ間傳送網(wǎng)。以ＩＥＴＦ作為這種接口的標準化可使接口更開放、完整、簡單。
２．層２隧道協(xié)議（Ｌ２ＴＰ--Ｌａｙｅｒ ２ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）
ＩＥＴＦ的ＰＰＰ工作小組正在研究層２隧道協(xié)議，并附加了ＲＦＣ狀態(tài)信息。該協(xié)議主要從ＰＰＰ終端點中分離出接入點。Ｌ２ＴＰ定義了Ｌ２ＴＰ接入集中器（ＬＡＣ--Ｌ２ＴＰ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）和Ｌ２ＴＰ網(wǎng)絡服務器（ＬＮＳ--Ｌ２ＴＰ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｓｅｒｖｅｒ）。終端連接到ＬＡＣ，ＬＡＣ采用申請響應信令簡單協(xié)議。
在運行中，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ＰＰＰ選擇的信息，負責接收和發(fā)射ＰＰＰ幀。
對于從ＰＰＰ終端點分離的接入點，Ｌ２ＴＰ提供標準化ＰＣＦ與ＰＤＳＮ接口方案。Ｌ２ＴＰ不支持從一個ＬＡＣ到另一個ＬＡＣ的越區(qū)鏈路移動性，這就要求系統(tǒng)結(jié)構把鏈接層終端點移近ＢＴＳ，Ｌ２ＴＰ需要修改某些協(xié)議內(nèi)容。
３．基于移動ＩＰ的新型Ｌ２ＴＰ
３ＧＰＰ２正在研究基于移動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ＩＰ注冊申請，接收來自ＰＤＳＮ注冊響應，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。與標準移動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)。
在注冊申請上以附加國際移動站標識符（ＩＭＳＩ--Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｏｂｉｌｅ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ）來解決移動性。當ＰＤＳＮ接收來自新ＰＣＦ具有相同ＩＭＳＩ的注冊申請時，ＰＤＳＮ就與來自舊ＰＤＦ的注冊申請建立聯(lián)系。這樣，在Ｒ－Ｐ隧道運行的ＰＰＰ狀態(tài)就不受越區(qū)的影響。 ＭＮ可以從一個ＰＣＦ移至另一個ＰＣＦ，而維持與ＰＤＳＮ的鏈接，這就需要提供透明移動層。這個透明移動層僅用于ＰＣＦ和ＰＤＳＮ，位于一個專用網(wǎng)內(nèi)，并有直接安全關系。假若ＭＮ遠離原歸屬區(qū)，ＰＤＳＮ就發(fā)生變化，這種變化在ＭＮ是可見的，需要ＨＡ進行移動ＩＰ注冊。
與Ｌ２ＴＰ方案相比，為了使接口簡單，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)射無線特殊用途信息給ＰＤＳＮ，ＰＤＳＮ把有關信息數(shù)據(jù)送至計費系統(tǒng)。
三、移動ＩＰ的移動性管理
宏移動性是指ＭＮ頻繁地改變其在網(wǎng)絡中的位置，隨著基本移動ＩＰ隧道的建立而增加了網(wǎng)絡信令額外開銷，注冊申請在ＨＡ和ＦＡ新隧道間反饋而增加等待時間。宏移動性可分成兩類：
１．分級隧道
分級隧道特性類似于ＦＡ的樹狀結(jié)構。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)今附屬點再次封裝后送至ＦＡ的下一級。隨著ＭＮ從樹狀結(jié)構的樹葉之間移動，位置更新到所含最少公用級為止。在本地接入網(wǎng)中進行大部分位置更新，可以減少跨越Ｉｎｔｅｒｎｅｔ信令和信息流量的等待時間。
２．路由更新方案
路由更新方案是針對每個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。
ＣＤＭＡ網(wǎng)絡中移動性分層管理，在ＦＡ中有多層負責移動性管理。在某一層ＢＴＳ與ＢＴＳ的越區(qū)切換保持相同的ＳＤＵ／ＰＣＦ。這個機理類似于無線網(wǎng)絡層協(xié)議。Ｌ２ＴＰ方案準許ＰＣＦ與ＰＣＦ間透明越區(qū)切換，而對ＰＰＰ和ＰＤＳＮ中ＦＡ協(xié)議來說是不可見的。這種越區(qū)切換機理也減輕跨域移動ＩＰ注冊、鑒權和安全的需求。隨著ＭＮ容許鏈路層拆卸和重組，基于移動ＩＰ的Ｌ２ＴＰ可演變成Ｌ３ＴＰ。
四、支持移動 ＩＰ有關ＡＡＡ要求
ＲＦＣ ２００２的移動ＩＰ不具備用于尋址控制和計費度量機理，而基本移動ＩＰ也不提供用于ＭＮ與ＦＡ或ＦＡ與ＨＡ的鑒權。在蜂窩ＣＤＭＡ網(wǎng)絡中，公眾無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)中有許多網(wǎng)絡或運營商，如無線運營商、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ業(yè)務提供商（ＩＳＰ）、專用網(wǎng)、支持ＦＡ的網(wǎng)絡或不采用移動ＩＰ提供簡單Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入業(yè)務的提供商等，希望用戶付費使用他們的無線數(shù)據(jù)業(yè)務。為了獲取付費信譽，蜂窩ＣＤＭＡ網(wǎng)絡必須支持可度量的ＡＡＡ業(yè)務。ＡＡＡ業(yè)務在網(wǎng)絡中的匯聚可以稱為ＡＡＡ設施。ＡＡＡ設施檢驗用戶信譽程度，確定用戶的業(yè)務策略，還提供業(yè)務與本地范圍之間的費用協(xié)議。
在蜂窩ＣＤＭＡ網(wǎng)絡中，一個用戶具有一個本地無線載體接口獲取無線業(yè)務，本地網(wǎng)絡保持用戶業(yè)務需求和鑒權信息。當用戶漫游至不同業(yè)務網(wǎng)絡區(qū)時，業(yè)務網(wǎng)絡接入本地無線載體進行用戶有關信息的鑒權和業(yè)務要求的確認。其中業(yè)務需求信息包括用戶授權使用哪些無線資源、最大帶寬、接入等級等。無線載體與系統(tǒng)間信令協(xié)議采用在七號信令網(wǎng)上運行的ＡＮＳＩ－４１。ＡＮＳＩ－４１支持鑒權及用戶參數(shù)變動。用戶業(yè)務需求存儲在本地網(wǎng)絡的ＨＬＲ中。
除了本地無線載體外，用戶還有本地ＩＰ網(wǎng)。本地ＩＰ網(wǎng)擁有用戶業(yè)務需求和鑒權信息。本地網(wǎng)也可以是另外一種無線載體，如ＩＳＰ、專用網(wǎng)等，用于鑒權和授權的安全信息唯一地為專用網(wǎng)、ＩＳＰ所有。 蜂窩ＣＤＭＡ網(wǎng)絡采用ＩＥＴＦ協(xié)議用于ＡＡＡ，它有兩層鑒權：一層位于無線網(wǎng)絡，另一層位于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。在無線網(wǎng)絡中，移動站通過ＩＭＳＩ識別ＡＮＳＩ－４１和位置寄存器來提供ＡＡＡ功能，在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中，移動站通過網(wǎng)絡接入識別器（ＮＡＩ--Ｎｅｔｗｏｒｋ Ａｃｃｅｓｓ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ）識別。基于來自ＰＤＳＮ的要求，用戶鑒權是識別用戶而不是終端。
數(shù)據(jù)網(wǎng)絡ＡＡＡ識別用戶的機理取決于用戶所申請的業(yè)務類型。對于簡單不需要移動ＩＰ的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入業(yè)務，鑒權協(xié)議是查詢握手鑒權協(xié)議（ＣＨＡＰ--Ｃｈａｌｌｅｎｇｅ Ｈａｎｄｓｈａｋｅ Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）。在ＣＨＡＰ中，ＰＤＳＮ以一個隨機值查詢用戶，ＭＮ必須在本地網(wǎng)絡以ＭＤ５-Ｍｅｓｓａｇｅ Ｄｉｇｅｓｔ ５確認簽名和用戶ＮＡＩ來響應隨機數(shù)。而對于移動ＩＰ 的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入業(yè)務ＦＡ以一個隨機數(shù)向ＭＮ發(fā)出類似查詢，ＭＮ必須在本地網(wǎng)確認簽名和用ＮＡＩ響應其查詢。兩者的區(qū)別是移動ＩＰ響應時隨移動ＩＰ注冊響應而不是隨ＰＰＰ建立響應，相同處是依據(jù)與ＮＡＩ有關共享密碼和受ＡＡＡ設施支撐。
蜂窩ＣＤＭＡ網(wǎng)絡可含有上千個企業(yè)占用的無線數(shù)據(jù)業(yè)務專用網(wǎng)，本地和業(yè)務網(wǎng)絡的ＡＡＡ業(yè)務有一種直接的雙邊關系。假若有的專用網(wǎng)較小，那么本地和業(yè)務網(wǎng)絡可以有預先存在的約定關系。
只要有來自移動用戶本地網(wǎng)的授權信息或來自ｂｒｏｋｅｒ的財務響應，服務網(wǎng)絡就提供業(yè)務，保證ＡＡＡ設施的可靠性。這就是說，當檢測服務器失誤時，服務器必須重傳申請并切換到備份服務器上，避免不必要的運行中斷。
可以預料：蜂窩移動通信系統(tǒng)中話音業(yè)務所占的份額會越來越少，而基于ＩＰ的業(yè)務所占的份額會越來越多，包括話音業(yè)務在內(nèi)的綜合通信網(wǎng)絡設施將被ＩＰ技術方案所替代，提供話音業(yè)務及與ＰＳＴＮ互連的業(yè)務的接入技術與現(xiàn)存第二代移動通信系統(tǒng)還將并存。在蜂窩ＣＤＭＡ網(wǎng)絡中采用移動ＩＰ實現(xiàn)Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入就是解決上述問題的方案之一。
摘自《通信世界》
