蜂窝CDMA网络中移动IP接入Internet

  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