1 引言
以其獨特的優(yōu)勢，比如，熱點覆蓋、低移動性和高數(shù)據(jù)傳輸速率，與移動網(wǎng)形成了很好的互補，因而在移動網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛。從國外運營商到國內(nèi)運營商，都在不斷擴展、完善移動網(wǎng)和WLAN的互通技術(shù)，目的是快速、經(jīng)濟地部署WLAN網(wǎng)絡(luò)，做到在對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)改動最小的情況，以簡單實用的技術(shù)吸引用戶，分流目前快速增長的移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，緩解移動網(wǎng)絡(luò)的資源在忙時忙區(qū)嚴重不足的壓力，提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，提高網(wǎng)絡(luò)的用戶黏度。
WLAN和移動網(wǎng)互通時，根據(jù)互通技術(shù)實施的難易程度，可以有多種互通場景。
最基礎(chǔ)、最簡單的一種模式，是在互通的初期，兩個系統(tǒng)基本是獨立運營的，兩個系統(tǒng)的安全機制也完全分開，WLAN用戶通過WLAN接入網(wǎng)之后就直接接入Internet業(yè)務(wù)，不會接入移動核心網(wǎng)。WLAN和移動網(wǎng)絡(luò)間只有簡單的賬單信息關(guān)聯(lián)，也就是說，這個階段WLAN和移動的互通僅體現(xiàn)在通過BOSS系統(tǒng)，實現(xiàn)用戶的賬單里同時包括移動網(wǎng)和WLAN的費用。
這種互通模式雖然簡單，但是移動網(wǎng)絡(luò)和WLAN無法共享統(tǒng)一的認證方式和鑒權(quán)信息。用戶使用不同的接入方式時，需要分別鑒權(quán)。對用戶來說，這樣的操作復(fù)雜，與網(wǎng)絡(luò)間的消息交互時延長，因而影響了用戶業(yè)務(wù)體驗。所以，在基礎(chǔ)模式的基礎(chǔ)上，移動網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能逐步實現(xiàn)給通過WLAN接入的用戶提供統(tǒng)一的鑒權(quán)方式，簡化鑒權(quán)流程，縮短用戶接入時延。
隨著移動網(wǎng)絡(luò)自營的分組域業(yè)務(wù)（如IMS業(yè)務(wù)、即時消息業(yè)務(wù)、MBMS業(yè)務(wù)等）發(fā)展更加成熟，對用戶更具吸引力時，互通技術(shù)還能滿足用戶通過移動核心網(wǎng)，接入那些移動網(wǎng)獨有的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
上面討論的只是用戶如何通過WLAN使用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，不涉及到用戶的業(yè)務(wù)在WLAN和移動網(wǎng)間的移動和切換。但是，隨著業(yè)務(wù)模式和技術(shù)的發(fā)展，用戶希望能夠自如地在不同的接入系統(tǒng)間實現(xiàn)業(yè)務(wù)切換。因此，更進一步的互通技術(shù)需要解決的問題是，用戶在移動網(wǎng)和WLAN之間切換時，如何實現(xiàn)無縫的業(yè)務(wù)連續(xù)性，也就是說，在切換過程中幾乎沒有數(shù)據(jù)的丟失和中斷情況發(fā)生，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)類似VoIP業(yè)務(wù)的切換。
本文將介紹WLAN和移動網(wǎng)互通的基本架構(gòu)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)連續(xù)性所采用的新技術(shù)，以及互通技術(shù)的發(fā)展趨勢。
2 WLAN與GPRS互通架構(gòu)
通過上面的場景分析，我們可以看出，WLAN與移動網(wǎng)互通時的業(yè)務(wù)形式有兩種：一種是WLAN直接接入IP業(yè)務(wù)，另一種是WLAN通過3GPP網(wǎng)絡(luò)接入IP業(yè)務(wù)。圖1表示了WLAN用戶的兩種業(yè)務(wù)模式。
圖1 WLAN與GPRS網(wǎng)絡(luò)互通的架構(gòu)圖
當用戶通過WLAN直接接入IP業(yè)務(wù)時，用戶可以使用Internet業(yè)務(wù)。圖中的3GPP AAA Server是為WLAN業(yè)務(wù)新增的網(wǎng)元，它將配合移動網(wǎng)中的HLR完成用戶的鑒權(quán)和接入認證功能。3GPP AAA Server還將配合BOSS系統(tǒng)或者計費網(wǎng)關(guān)（CG）完成用戶的計費。這種接入方式能夠保持移動網(wǎng)絡(luò)和WLAN的獨立性。對于運營商來說，這種架構(gòu)非常簡單，易于部署。
當用戶通過3GPP網(wǎng)絡(luò)接入IP業(yè)務(wù)時，移動網(wǎng)絡(luò)除了提供鑒權(quán)和接入認證外，還需要提供接入3GPP網(wǎng)絡(luò)的隧道管理、基于隧道的計費功能、接入策略控制等功能。這種接入方式下的技術(shù)要點是實現(xiàn)用戶的統(tǒng)一認證和用戶使用移動網(wǎng)絡(luò)的IP業(yè)務(wù)。
用戶如要通過WLAN訪問運營商的分組域業(yè)務(wù)，需要對核心網(wǎng)設(shè)備進行升級或改造，通常有TTG和PDG兩種建設(shè)模式可以實現(xiàn)這一目標。
TTG模式是在不改變現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的前提下，通過引入TTG，使得終端能夠通過WLAN接入網(wǎng)、TTG和GGSN訪問數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。TTG的功能，包括TTG到GGSN之間的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模式則是把TTG功能加上GGSN原有功能和增強功能，共同完成PDG的功能。相比TTG模式，PDG能夠直接分流WLAN業(yè)務(wù)，減少了對現(xiàn)有移動分組域的影響。但是PDG功能實現(xiàn)復(fù)雜，需要和現(xiàn)網(wǎng)的計費設(shè)備進行集成，實現(xiàn)起來比較困難些。
3 WLAN與EPC互通架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)
支持多種無線接入技術(shù)，是演進的移動分組網(wǎng)（EPC）在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計之初就定義的基本目標之一。WLAN接入EPC的互通架構(gòu)按照WLAN與EPC核心網(wǎng)之間的信任關(guān)系以及采用的移動性管理協(xié)議（GTP，PMIP和DSMIP），可以分為S2a，S2b和S2c三種場景。圖2為WLAN與EPC互通架構(gòu)圖。
圖2 WLAN與EPC互通架構(gòu)圖
如果EPC網(wǎng)絡(luò)將WLAN接入視為可信任接入，比如，WLAN網(wǎng)絡(luò)是移動運營商自建的網(wǎng)絡(luò)，那么UE不需要建立終端與網(wǎng)絡(luò)間的IPSec，直接通過PDN GW就能接入到移動核心網(wǎng)；如果EPC網(wǎng)絡(luò)將WLAN接入視為不可信任接入，則必須通過ePDG接入EPC，UE和ePDG之間采用IPSec隧道承載數(shù)據(jù)，使得不可信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)元無法感知數(shù)據(jù)傳輸，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。WLAN接入網(wǎng)是否可信是與其本身的特性無關(guān)，是HPLMN綜合各種安全因素來決定的。
在此，我們可以比較一下三種WLAN接入方式的特點：
（1）S2a接口應(yīng)用于可信固定網(wǎng)絡(luò)和EPC互通，采用GTP/PMIP協(xié)議。為了支持互通，需要對現(xiàn)有固網(wǎng)進行較大的改動，例如，需要對固網(wǎng)設(shè)備（BRAS/BNG）進行增強改造，使之支持移動性要求。但這種接入方式符合國內(nèi)運營商的運營環(huán)境，對終端影響小，能避開高通大量的專利，因此運營商研究意愿還是很強烈的，特別是采用GTP協(xié)議的S2a接口。
（2）S2b接口應(yīng)用于非信任固定網(wǎng)絡(luò)和EPC互通，采用GTP/PMIP協(xié)議。固網(wǎng)通過ePDG接入PDN GW，通過增強ePDG以實現(xiàn)非信任固網(wǎng)和EPC的互通，對固網(wǎng)改造較小。但S2b方式要求終端和ePDG之間建立IPSec，額外開銷比較大。
（3）S2c接口采用DSMIPv6協(xié)議，提供UE和PDN GW之間的DSMIP隧道連接，這樣UE和EPC網(wǎng)絡(luò)交互的數(shù)據(jù)在固網(wǎng)可以實現(xiàn)透傳，因此采用S2c方式對固網(wǎng)的影響也較小。應(yīng)該說有關(guān)S2c的技術(shù)方案得力于高通的推動，技術(shù)完善、成熟，但該技術(shù)要求終端支持DSMIPv6，這樣運營商會受制于高通專利。
相對3G網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備完備的用戶鑒權(quán)、數(shù)據(jù)加密機制，WLAN在安全性方面很薄弱，因此移動運營商在實現(xiàn)與WLAN互通時，增加了IKEv2用于終端的認證和授權(quán)，并增加了IPSec用于終端和ePDG間的數(shù)據(jù)安全，以提高互通時的業(yè)務(wù)安全性。
如果單是考慮用戶通過WLAN接入核心網(wǎng)，不涉及用戶在WLAN和移動網(wǎng)間的業(yè)務(wù)切換，其處理流程并不復(fù)雜，與移動網(wǎng)接入下的流程區(qū)別不大。以支持GTP協(xié)議的S2a接口方式下的附著過程為例來看（見圖3），同樣是包括用戶的鑒權(quán)、授權(quán)過程和承載的創(chuàng)建過程。與移動網(wǎng)接入有所不同的是，在WLAN接入情況下，除了建立核心網(wǎng)的承載之外，還需要建立WLAN接入網(wǎng)和PDN GW之間的GTP隧道。
圖3 支持GTP的S2a方式時的附著過程
現(xiàn)在具有多種接口（如3GPP，WLAN，WiMAX等）的終端設(shè)備越來越多，終端上的業(yè)務(wù)形式也越來越多樣化，有些業(yè)務(wù)適合在3GPP接入系統(tǒng)上使用，而另一些業(yè)務(wù)則適合在其他接入系統(tǒng)上使用。例如，用戶在家的時候，可以通過WLAN使用FTP業(yè)務(wù)，同時通過LTE使用VoIP業(yè)務(wù)。但一旦用戶離開家，很可能與WLAN的連接就中斷了，這個時候，F(xiàn)TP業(yè)務(wù)就需要切換到3GPP系統(tǒng)中。這樣對不同的業(yè)務(wù)進行路由區(qū)分，既提升了用戶的業(yè)務(wù)體驗，也緩解了運營商移動網(wǎng)絡(luò)的壓力。
在這種情況下，就要解決UE如何能夠同時通過3GPP和非3GPP接入系統(tǒng)，接入同一個PDN？運營商又如何能配置UE在不同接入系統(tǒng)間的IP流路由規(guī)則？這些不同的IP流如何實現(xiàn)在不同的接入系統(tǒng)間動態(tài)遷移？UE通過不同的接入系統(tǒng)連接到了不同的PDN時，又如何能完成3GPP和非3GPP間的切換等問題。
基于以上問題的提出，業(yè)界提出了兩種解決方案：基于PDN的粒度進行切換的MAPCON （Mutiple Access PDN Connetion）技術(shù)和基于流粒度進行的IFOM（IP Flow Mobility）技術(shù)。
MAPCON是指用戶在不同的接入系統(tǒng)中建立的是不同的PDN連接，即不同的接入系統(tǒng)中的PDN連接必須使用不同的APN。
MAPCON技術(shù)的實現(xiàn)比較簡單，用戶的附著流程基本沒有改動，只需分別在兩個系統(tǒng)進行附著。在切換流程中，如果用戶已經(jīng)在兩個系統(tǒng)都附著了，只需要把一個系統(tǒng)上要切換的業(yè)務(wù)切換到另一個系統(tǒng)上，在目標消息中為其建立相應(yīng)的PDN連接，并釋放源系統(tǒng)中相應(yīng)的承載即可；如果用戶只在源系統(tǒng)進行了附著，那么在切換前，用戶需要先在目標系統(tǒng)執(zhí)行附著流程，并能夠提供要切換的PDN連接的APN。此外，MAPCON對HSS和AAA有所增強，主要是要實現(xiàn)PDN GW信息的動態(tài)推送，PDN GW信息原來是在切換流程中通過接入認證過程獲得的。
需要注意的是，實現(xiàn)MAPCON技術(shù)的關(guān)鍵是用戶通過Dual Radio的方式建立了兩個PDN連接。此時兩個PDN連接的PDN GW必須是一樣的。用戶如果因切換而建立PDN連接時，其附著類型應(yīng)該為“Handover”，用戶還會把自己的IP地址或者PDN GW信息傳遞給MME，這樣MME就知道要建立到哪個PDN GW的連接，保證兩種接入方式下選擇的是同一個PDN GW。
采用了MAPCON技術(shù)，不同業(yè)務(wù)可經(jīng)由不同接入系統(tǒng)進行傳輸，不同業(yè)務(wù)優(yōu)先在哪個接入系統(tǒng)進行接入的選擇策略可通過ANDSF發(fā)送給UE。MAPCON可以實現(xiàn)WLAN和3GPP間的負荷分擔，比如，運營商自有業(yè)務(wù)（IMS）通過HSPA（或LTE）接入，而視頻（優(yōu)酷）/FTP下載經(jīng)過WLAN接入。此外，MAPCON還可以支持WLAN和3GPP接入間的切換，當WLAN覆蓋不好時可將經(jīng)由WLAN傳輸?shù)膽?yīng)用切換到3GPP接入。
相比MAPCON技術(shù)，IFOM技術(shù)更為復(fù)雜一些。IFOM研究的是UE同一個PDN連接下的不同的IP流如何路由到不同的接入系統(tǒng)，并且用戶在3GPP系統(tǒng)和WLAN之間切換時，如何保證這些IP流切換的連續(xù)性和無縫的IP流移動性。目前比較成熟的IFOM方案是基于DSMIPv6的S2c接入方式，系統(tǒng)能夠保留用戶的IP地址，用戶在接入系統(tǒng)間移動時，也能夠保證IP流的移動性。
為了實現(xiàn)系統(tǒng)間的IP流移動性，要對S2c和H1接口的DSMIPv6移動性信令進行擴展，以攜帶路由過濾器信息。如果UE在不同的接入系統(tǒng)上配置的是不同的IP地址，則可以通過多個綁定消息在HA上分別將這些地址注冊為CoA。此外，為了將IP流路由到特定的接入，UE需要在Binding Update消息中包含流標識（FID）參數(shù)。FID定義了路由規(guī)則，包含路由過濾器和路由地址。根據(jù)這些路由信息，系統(tǒng)就知道哪些業(yè)務(wù)是從3GPP系統(tǒng)接入的，哪些業(yè)務(wù)是從WLAN系統(tǒng)接入的。一旦發(fā)生了流的移動性，UE也會通過Binding Update消息更新路由信息，EPC系統(tǒng)收到更新的路由信息后，就會進行相應(yīng)的承載釋放或者創(chuàng)建，實現(xiàn)IP流的無縫切換。
在實現(xiàn)WLAN和3GPP系統(tǒng)間業(yè)務(wù)連續(xù)性和無縫分流方面，一個新的網(wǎng)元功能模塊ANDSF（Access Network Discovery and Selection Function）起了舉足輕重的作用。ANDSF具有數(shù)據(jù)管理和控制功能，能夠響應(yīng)UE進行接入網(wǎng)絡(luò)選擇的請求，提供發(fā)現(xiàn)用戶接入網(wǎng)絡(luò)和進行接入網(wǎng)絡(luò)選擇所需的輔助數(shù)據(jù)。用戶根據(jù)ANDSF提供的這些信息，就能結(jié)合當前業(yè)務(wù)的特征，選擇最合適的接入網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的有效分流。
ANDSF能夠提供以下3類信息用于用戶選擇合適的網(wǎng)絡(luò)進行接入：
●系統(tǒng)間移動性策略。該策略規(guī)定了是否允許進行系統(tǒng)間的移動，并為用戶接入到EPC系統(tǒng)選擇最合適的接入系統(tǒng)。該策略可以提供給UE，ANDSF也可以基于運營商策略或者基于UE發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)和選擇信息對系統(tǒng)間的移動性策略進行修改。
●接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)信息。根據(jù)UE的請求，ANDSF可以提供UE鄰近區(qū)域的所有接入系統(tǒng)的接入網(wǎng)絡(luò)列表。接入網(wǎng)絡(luò)信息可以包括接入技術(shù)類型（如WLAN或WiMAX），無線接入網(wǎng)絡(luò)標識符（WLAN的SSID）。
●系統(tǒng)間路由策略。ANDSF可以給用戶提供一個系統(tǒng)間路由策略的列表，包括一些過濾規(guī)則，規(guī)定某個特定的業(yè)務(wù)流或者特定的APN，是否允許接入到某個接入系統(tǒng)中；并且在用戶進行數(shù)據(jù)路由時，根據(jù)路由策略定義的接入系統(tǒng)的優(yōu)先級，為業(yè)務(wù)選擇最合適的接入技術(shù)或者APN。
以上我們提到的MAPCON和IFOM都屬于無縫分流，也就是說，用戶在WLAN接入和移動網(wǎng)絡(luò)接入間進行業(yè)務(wù)切換時，能夠保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性，用戶感覺不到業(yè)務(wù)的中斷，這類似移動網(wǎng)絡(luò)中的軟切換的概念。
WLAN和演進的移動分組網(wǎng)互通時，還能提供非無縫（Non-Seamless）的分流形式。這個指的是用戶在WLAN接入和移動網(wǎng)絡(luò)接入間進行業(yè)務(wù)切換時，無須保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性，業(yè)務(wù)允許中斷，這類似移動網(wǎng)絡(luò)中的硬切換的概念。在非無縫分流方式下，用戶在接入到WLAN網(wǎng)絡(luò)后，能將特定的IP流通過WLAN接入直接進行分流，而無須穿越EPC網(wǎng)絡(luò)。非無縫分流方式適合在LTE/EPC網(wǎng)絡(luò)部署的初期使用。
4 結(jié)束語
現(xiàn)在，WLAN網(wǎng)絡(luò)已在全球迅速得以推廣，AT&T，Verizon，DoCoMo，T-mobile，Orange等全球主要蜂窩運營商都積極行動起來，為無線局域網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)在全球范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)融合創(chuàng)造了良好基礎(chǔ)。在我國，三大運營商也都將WLAN作為輔助移動網(wǎng)絡(luò)的重要手段，紛紛擴建自己的WLAN網(wǎng)絡(luò)，為家庭和企業(yè)用戶提供補充的寬帶無線接入手段。
在標準技術(shù)研究方面，WLAN分流技術(shù)在3GPP是討論的重點，涉及WLAN與移動網(wǎng)互通的標準比較多，為方便讀者深入了解相關(guān)知識，下面對這些標準的主要內(nèi)容進行簡單介紹：
（1）TS 23.234，最初的WLAN與移動網(wǎng)互通的標準，描述的是WLAN和GPRS互通技術(shù)，包括WLAN用戶如何使用2G/3G的安全認證，直接通過Wi接口訪問3GPP的PDN網(wǎng)絡(luò)。該標準不涉及WLAN用戶在移動時業(yè)務(wù)的連續(xù)性研究。
（2）TS 23.327，描述的是如何實現(xiàn)WLAN與GPRS之間的業(yè)務(wù)連續(xù)性。這個標準可以看成是對TS 23.234的增強。由于解決方案所采用的是DSMIPv6技術(shù)，因此被運營商采用的可能性并不大。
（3）TS 23.402，WLAN接入EPC網(wǎng)絡(luò)的基本標準。描述了互通的基本架構(gòu)以及MAPCON技術(shù)。
（4）TR 23.861，是關(guān)于MAPCON和IFOM研究的最初的研究課題。在這個課題中MAPCON和IFOM被合稱為MAPIM。進入正式標準階段之后，才分別使用MAPCON和IFOM的稱謂。其中的研究內(nèi)容分別納入TS23.40（MAPCON）和TS23.261（IFOM）。
（5）TS 23.261，基于S2c DSMIPv6的IFOM正式的標準。
（6）TR 23.852，SaMOG（GTP-S2a and WLAN Access to EPC）課題的研究報告。該課題研究的是基于S2a GTP協(xié)議的接入方式，國內(nèi)運營商對該課題有很高的研究熱情。因為在國內(nèi)，WLAN是運營商自己部署的，完全可以作為信任域接入，一方面不要求終端支持DSMIPv6，產(chǎn)品容易實現(xiàn)，另一方面，核心設(shè)備因為支持GTP協(xié)議，沒有革命性的變化，利于運營商網(wǎng)絡(luò)的平滑演進。目前該課題已完成了對終端沒有影響的方案研究，對終端有影響的方案將在3GPP R12進行研究。
（7）TR 23.855，DIDA（Data identification in ANDSF）研究課題。研究的是如何對ANDSF功能進行增強，使得運營商對網(wǎng)絡(luò)中的每個應(yīng)用或IP流的使用都能進行資源控制。
（8）TR 23.853，OPPIIS（Operator Policies for IP Interface Selection）課題?；贏PN的粒度，對ANDSF功能進行增強。
（9）LOBSTER（LOcation-Based Selection of gaTEways for WLAN）課題，目前尚未分配報告號。研究的是在S2b和S2c的WLAN接入的情況下，如何基于UE的位置，選擇合適的ePDG和PDN GW，以保證數(shù)據(jù)路由的最優(yōu)化。
國際標準方面對WLAN和演進的移動分組網(wǎng)互通的研究情況如表1所示。
表1 WLAN與EPC互通場景列表及研究進展
從目前的實際網(wǎng)絡(luò)部署來看，WLAN和移動GPRS網(wǎng)互通的應(yīng)用方式還是比較簡單，WLAN用戶只是通過直接接入方式接入Internet業(yè)務(wù)，實現(xiàn)兩種接入方式下的賬單關(guān)聯(lián)，但不能使用移動網(wǎng)自營業(yè)務(wù)，也不能實現(xiàn)業(yè)務(wù)切換。運營商當前的主要工作是改造、擴容網(wǎng)絡(luò)，進行鑒權(quán)方式的改進，通過統(tǒng)一的、簡化的WLAN用戶的鑒權(quán)流程，吸引更多用戶使用WLAN接入，充分利用WLAN網(wǎng)絡(luò)的資源進行移動網(wǎng)分流。
隨著LTE/EPC網(wǎng)絡(luò)的逐漸商用，相信新型的終端和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品對WLAN互通技術(shù)的支持力度會更大，因此，WLAN和移動網(wǎng)預(yù)計將有更深入的互通和融合可能性，WLAN用戶分享移動分組域業(yè)務(wù)以及不同接入系統(tǒng)間的業(yè)務(wù)切換都將有可能實施，靈活的業(yè)務(wù)形式將會吸引更多移動用戶使用WLAN業(yè)務(wù)。