CtoG數據漫游技術與實現

鐘青峰 ，王霞德 ，王 軍

（1.中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122；2.中國電信股份有限公司海外事業部 北京 100007）

CtoG數據漫游技術與實現

鐘青峰1，王霞德1，王 軍2

（1.中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122；2.中國電信股份有限公司海外事業部 北京 100007）

本文針對如何使CDMA網絡用戶漫游到GSM網絡時，使用GSM網絡資源進行無線上網的實現方法進行探討，從而解決CDMA國際漫游的網絡覆蓋問題，實現不同制式無線網絡之間無線數據漫游。

CDMA to GSM；VPN隧道；IMSI；MIN和APN信息

1 引言

全球移動網絡制式主要分為GSM和CDMA兩大陣營。據相關部門預測，截止到2010年底全球GSM用戶（包括WCDMA、GPRS、EDGE）數量占全部手機用戶的85%，全球CDMA用戶數量占全部手機用戶的15%。與GSM網絡規模和覆蓋面相比，CDMA網絡有很大差距。網絡覆蓋范圍方面，GSM及其演進網絡WCDMA基本覆蓋了全球所有國家和地區，CDMA網絡覆蓋僅局限于北美、亞洲部分、南美部分等。網絡覆蓋和用戶規模的差異決定了GSM陣營相對于CDMA陣營具有絕對強勢的國際漫游能力。中國電信承接CDMA網絡以后開通了CDMA to GSM（CtoG）語音和短信國際漫游業務，如何讓CDMA手機用戶實現到歐洲這樣以GSM網絡覆蓋為主的地區進行無縫國際數據漫游業務是CDMA運營商開展手機數據業務所要解決的問題。

2 CDMA國際漫游技術現狀

GSM終端之所以能夠自動地在不同國家的GSM網絡下進行國際漫游，最根本的原因是GSM漫游相關規范定義完善、嚴謹，如使用 IMSI（international mobile subscriber identity，國際移動用戶識別碼）作為用戶標識。CDMA規范由美國標準組織ANSI制定，在IS95A、IS95B階段，采用MIN(mobile identification number)來標識用戶，MIN沿襲了AMPS系統的編碼方式，由于MIN中沒有國家代碼，所以CDMA用戶在其他國家的運營商網絡間無法實現自動漫游。加之CDMA的協議定義得不夠嚴謹，各CDMA運營商所采用的尋址方式、IS41版本不一致、不同廠商設備間兼容性等問題，漫游成為CDMA產業發展中一個重要和亟待解決的問題。

針對CDMA網絡漫游的復雜情況，CDG專門成立了負責推進CDMA國際漫游解決方案的小組 IRT（CDG’s International Roaming Team），IRT 旨 在 促 進 GSM/GPRS/CDMA2000 1x/1xEV-DO等多頻/多模手機增強功能芯片的利用，促使CDMA2000用戶可在800/900/1800/1900/2100 MHz 頻 段 共 同 享 用 1X、1xEV-DO、GPRS、EDGE、WCDMA及HSDPA等系統的新型數據業務。IRT推動的漫游方式是一個實現各個運營商共贏合作的新運營模式。在實際運營中，借助不同制式的無線網絡覆蓋迅速實現移動用戶的無縫漫游，是目前最經濟有效的方法。CtoG漫游技術就是當前最為廣泛應用的一種解決方案。

3 CtoG數據漫游技術

3.1 GSM網絡實現數據業務方式

在GSM網絡中通過通用分組無線業務GPRS（general packet radio service）為移動用戶與互聯網或企業局域網的通信提供了解決方案，GPRS提供了分組交換和分組傳輸來實現數據業務的能力，以高達115 kbit/s甚至170 kbit/s的傳輸速率實現端到端的分組交換數據業務。無線應用協議（WAP）等高層協議也可以基于GPRS來實現移動互聯。圖1為GPRS的網絡結構。

從網絡側來看，GPRS是在GSM網絡的基礎上增加服務 GPRS支持節點 SGSN（serving GPRS support node）和網關 GPRS支持節點 GGSN （gateway GPRS support node）這兩種網絡實體以及多種接口來實現的。SGSN和GGSN是實現GPRS業務的核心實體，通稱為GPRS支持節點（GSN）。其中,SGSN是為移動臺（MS）提供移動性管理、路由選擇、加密及身份認證等服務的節點；GGSN是用于接入外部數據網絡和業務的節點。有的網絡也可將SGSN和GGSN合設在一起組成CGSN節點。邊界網關（BG）用于PLMN間GPRS骨干網之間的互聯，此外它還可以根據運營商之間的漫游協議增加相關的功能。

3.2 CDMA網絡實現數據業務方式

CDMA網絡中通過分組核心網實現數據業務，分組核心網中分組控制模塊PCF來完成與分組數據有關的無線資源的控制功能；分組數據服務節點PDSN（packet data serving node）完成用戶接入分組網絡的管理和控制功能，鑒權認證AAA完成與分組數據有關的用戶管理工作，系統結構如圖2所示。

CDMA 2000系統本著 “盡可能地利用通信領域已經取的成果”的原則，大量地利用IP技術，構造自己的分組數據網絡。按照采用的協議不同，分組網的結構可以分為簡單IP和移動IP兩種。在CDMA分組核心網中PDSN是CDMA分組網里的關鍵設備，它完成和無線網絡 (PCF)及IP網絡的接口，起著橋梁的作用，PDSN和移動終端建立PPP連接，把終端發送的PPP的數據轉換成標準的IP數據，路由到IP網絡。同時，將網絡來的IP數據封裝在PPP里傳送給終端。PDSN在AAA系統中還實現Radius Client的功能，將PCF傳送的計費參數和自身統計的計費參數結合形成UDR，傳遞給Radius Server。在移動IP協議中，PDSN還實現Foreign Agent的作用，與Home Agent建立移動IP隧道。

AAA負責用戶的認證、授權、計費消息采集、計費詳單文件的生成。AAA接收PDSN發送的用戶認證請求信息，根據預先設定的策略給用戶授權，如分配IP地址等。AAA根據APN(access point name，接入點名稱）判斷用戶申請的業務類型，每個APN代表一種業務，如APN為WAP代表用戶申請WAP業務的連接，NET代表用戶申請普通互聯網業務的連接。AAA根據APN判斷是否需要向業務網關發送計費消息，同時根據IMSI判斷是否向歸屬地AAA發送計費消息。

AAA Server通過功能區分能夠分為以下幾種。

· 拜訪地AAA（FAAA）,用戶登錄地的AAA；

· 歸屬地AAA（HAAA），用戶登記地的AAA；

· 代理AAA（BAAA），負責AAA之間信息的交換。

CDMA 1X分組網用戶認證、計費過程首先是用戶向PDSN發送Username/Password和用戶申請的業務類型（APN），PDSN 向 FAAA 發 送 Access-Request （ 包 含Username/Password，PDSN地址，APN,移動終端號碼等）。FAAA會檢查PDSN地址和檢查Username是否合法，確定是本地用戶還是漫游用戶。如果是漫游用戶，FAAA向HAAA轉發Access-Request，然后HAAA在數據庫中查找用戶的Profile，檢查Username和Password是否相符，是否要返回特定的屬性等。HAAA同時向FAAA發送認證的結果Access-Accept（包含要返回的特定屬性）或Access-Reject。通過FAAA向PDSN轉發結果信息Access-Accept或Access-Reject。PDSN通知用戶認證的結果，是否允許訪問網絡，如果認證通過，PDSN向FAAA發送Accounting-Start，FAAA 再 向 HAAA 轉 發 Accounting-Start；HAAA 向FAAA發送Accounting-Response，確認計費包已經收到。FAAA向PDSN轉發計費確認包，認證、計費過程結束。

4 CtoG技術實現原理

CtoG技術可以將CDMA用戶能夠無縫接入國際成熟的GSM網絡，實現低成本、快速的移動數據國際漫游業務。CtoG技術是CDMA用戶可以在開通國際漫游業務之后，使用雙模卡和支持GSM網GPRS功能的終端，在開通海外GSM網絡漫游的國家和地區使用GPRS上網業務。用戶在漫游狀態下可通過不同的APN接入網絡，實現漫游狀態下的上互聯網類、WAP類、黑莓類等基于分組承載的業務。

考慮對用戶分組業務流量監控及計費方面的原因，CtoG業務對所有國際漫游用戶的分組業務流量的業務認證由CDMA網內完成，用戶上互聯網及WAP等業務流量全部回到CDMA域疏通。CtoG業務實現可采用第三方合作伙伴（sponsor）流量代理的方式實現，要求從GSM域的GGSN（gateway GPRS support node，網關 GPRS支持節點）設備通過隧道方式連接到CDMA域漫游網關BG（border gateway，漫游邊界網關）設備。在GGSN的設置上可有多種方式。采用基于VPN的隧道實現數據漫游，VPN的隧道方式可有L2TP、GRE、IPSec等方式。CtoG技術實現數據漫游的系統架構如圖3所示。

5 CtoG數據業務實現方案

5.1 CtoG數據漫游要求

CtoG數據漫游業務實現方案需要注意以下要求。

（1）用戶標識的識別要求

CDMA網中對用戶標識基于MIN（移動識別號碼），GSM網絡中對用戶的標識基于IMSI（國際移動用戶標識號）。漫游至GSM網的用戶基于IMSI方式識別，要實現其在網內的認證過程，網絡需要支持IMSI與MIN號的對應轉換。

（2）相關協議的轉換要求

CDMA網絡中用戶漫游計費信息基于Raidus協議，有其相應的計費格式及協議細項要求。GSM網絡中Sponsor運營商的GGSN設備所支持的計費協議及具體要求與CDMA網絡有一定差異。為完成CtoG漫游用戶的計費實現，需要網絡支持相應的協議識別和轉換功能。

5.2 網絡組織方案

根據目前CDMA網絡情況以及GSM網絡的情況，實現CtoG數據漫游網絡組織方案有以下兩種實現方案：

·GGSN設備通過公網方式連接CDMA網絡漫游網關BG設備；

·GGSN設備基于隧道方式連接CDMA漫游網關BG設備。

兩個方案中的差別基于GGSN網絡連接方式不同，優缺點比較見表1。

表1 CtoG數據漫游實現方式方案比較

5.3 業務網絡組織

因網絡安全、業務控制等需求，CtoG數據業務方案通過采用GGSN設備基于VPN的隧道方式連接CDMA域漫游網關BG設備來實現。

VPN的隧道方式有L2TP、GRE、IPSec等方式，它能實現漫游用戶業務流全部路由至CDMA網絡內。GRE方式的隧道配置是雙方提前通過靜態配置實現的,需提前在GGSN設備上配置IP地址，用戶的IP地址分配由GGSN設備控制。同時，GRE隧道不像L2TP一樣有隧道建立和認證的過程，GRE方式下需要GGSN設備通過Radius消息發起認證請求，業務連接建立之后發送計費請求消息；與L2TP隧道方案相比，GRE方式還有以下不足之處：IP地址的分配由GGSN控制實現，需要在GGSN上預先配置IP地址池。IP地址的分配不在CDMA域設備控制，所以在IP地址的控制和管理靈活性方便都不及L2TP方式。

GRE隧道方式本身存在一些安全隱患需要考慮，即GRE方式規定了如何用一種網絡協議去封裝另一種網絡協議的方法，GRE的隧道由兩端的源IP地址和目的IP地址來定義，允許用戶使用IP包封裝IP、IPX、AppleTalk包；GER只提供了數據包的封裝，并沒有加密功能來防止網絡偵聽和攻擊，因此會有安全隱患，如：攻擊者在掌握隧道兩端主機IP地址及網絡內部主機的內網IP地址后，可在VPN網絡中進行內網滲透。

L2TP隧道方式下IP地址的分配有CDMA域網絡設備控制，同時，有隧道建立和認證的過程。基于以上的分析，在基于VPN隧道方式實現CtoG分組漫游的方案下，采用L2TP是優選考慮的方案。基于GRE隧道方式的組網方式下的業務流程如圖2所示 （基于L2TP方式業務流程也類似相同），具體實現流程如圖4所示。

基于GRE方式下，主要業務流程為：

·在隧道建立前的SGSN與GC網關間Gr接口的認證、SGSN與GGSN間的GTP建立過程 （基于L2TP方式的也相同）；

·GGSN通過Raidus協議向網間AAA發送認證請求消息，此消息中需要攜帶用戶的IMSI信息與APN信息；

·網間AAA與省AAA間交互，帶回用戶的MDN號碼。在給GGSN返回的認證返回信息中，將MDN號碼寫入CLASS屬性字段；

·GGSN根據用戶的APN信息，將業務流疏通至相應的GRE隧道上，本方案中，根據不同的APN提前配置GGSN與漫游網關BG間不同的GRE隧道，便于漫游網關BG識別業務流進行不同方向的轉發（例如區分上網業務流、黑莓和WAP業務流）；

·業務流建立之后，GGSN發送計費請求到網間AAA，通過CLASS屬性攜帶用戶MDN號碼；

·網間AAA區分業務類型，對于WAP類業務需要發送MDN號與IP地址的對應關系至WAP網關。

6 對相關網元設備的要求

6.1 G網域網元要求

（1）G 網域的 GGSN

G網域的GGSN設備必須能夠支持LAC（L2TP access concentrator）功能。發起L2TP隧道建立和PPP連接過程，并支持LNS（L2TP network server）動態選擇功能。通過與AAA的第一次認證交互獲得LNS地址。采用靜態配置所連接的LNS設備地址、隧道信息。還必須支持在L2TP建立及認證過程中的IMSI與APN信息傳送，GGSN設備在L2TP接入認證消息中攜帶用戶的APN信息。在“Called-Station-Id”字段中攜帶APN信息。GGSN在PPP的認證流程中，在PAP或CHAP認證的用戶名中攜帶IMSI信息。

（2）G網域的計費網關及清結算系統

由于用戶在G網域的漫游話單可有兩種生成方式：第一種由G網域的GGSN及計費網關配合生成；第二種由G網域提供。一般采用歸屬域用戶去漫游域漫游的話單由漫游地網絡生成，以漫游地的賬單為準。

6.2 C網域網元設備

（1）GC 網關

GC網關是GSM用戶漫游至CDMA網絡和CDMA用戶漫游至GSM網絡所提供服務的設備；是作為GSM HLR和短消息中心為支持GPRS所完成的功能，主要是支持與SGSN之間的Gr接口與GGSN之間的Gc接口，使CDMA用戶漫游到GSM網絡后，能夠使用GPRS提供的服務及GPRS信息處理和移動性管理。

Gr接口是SGSN與HLR之間的接口，Gr接口采用7號信令上承載MAP協議的方式。SGSN通過Gr接口從HLR取得關于MS的數據，HLR保存GPRS用戶數據和路由信息。當發生SGSN間的路由區更新時，SGSN將更新HLR中相應的位置信息；當HLR中數據有變動時，也將通知SGSN，SGSN會進行相關的處理。

在CtoG數據業務實現方案中GC網關在邏輯上兼做MSC/VLR/HLR/SMC，CG雙模用戶漫游到GSM域中，對漫游網絡而言，用戶的歸屬HLR為GC網關。

（2）BG 漫游網關

支持LNS功能，根據APN的個數不同可對GGSN及網間AAA側而分別提供多個LNS虛擬地址；發給網間AAA的認證和計費信息中可攜帶GGSN側獲得的用戶IMSI信息；在收到GGSN在PPP認證消息中傳遞的SGSN地址信息后，在發送給網間AAA的計費信息中傳遞SGSN地址信息。漫游網關BG在于GGSN之間的PPP交互過程中，為漫游用戶分配IP地址。漫游網關BG將提前配置IP地址池。業務路由功能，在WAP類應用下，根據手機中設置的WAP網關地址，路由業務流至BG設備所在地應該歸屬的WAP網關設備。

（3）網間 AAA 設備

從BG處獲得用戶的IMSI和APN信息。其中IMSI信息包含在從BG發來的認證消息中 （NAI字段）中；APN信息基于來自不同LNS虛擬地址來識別 （漫游網關BG對網間AAA側提前配置好多個地址固定對應不同的 APN）。

根據漫游用戶的G網IMSI號段區分出漫游用戶的歸屬省份，轉發相應的認證信息、計費信息至歸屬省AAA設備。在收到省AAA的認證反饋消息中，提取MDN號填寫到給漫游網關BG返回消息的CLASS屬性中；在后續BG發送的計費請求中，能夠把CLASS屬性轉換成Served-MDN屬性。

（4）歸屬地 AAA設備

能夠存儲用戶G網IMSI及配置信息，支持一個用戶MDN號可以對應一個C網IMSI、多個G網IMSI的信息存放。認證過程中接受網間AAA的認證請求消息、根據IMSI翻譯返回MDN號碼；可以接受來自網間AAA轉發的計費消息、支持計費信息生成。

6.3 對C網側IT系統要求

用戶業務數據管理要求支持一個用戶賬號 （一個MDN號）與兩個 IMSI的關聯（一個 G網 IMSI、一個 C網IMSI）。業務開通系統在用戶開通CtoG數據漫游業務時，向用戶歸屬省AAA設備中寫入用戶的G網IMSI信息及相關業務的屬性綁定；向歸屬GC網關設備中寫入關于GPRS業務的信息；業務變更時完成相應的數據更改。

7 業務實現流程

C2G數據漫游業務建立流程，如圖5所示。

（1）用戶發起分組業務請求，攜帶APN信息；

（2）漫游地的SGSN通過信令網發起回歸屬地HLR（GC網關）的接入鑒權流程；

（3）漫游地的 SGSN通過 DSN的查詢得到 APN的GGSN地址，該地址為Sponsor的某個或某兩個GGSN地址；

（4）漫游地的SGSN建立至GGSN的GTP隧道連接；

（5）Sponsor的 GGSN 傳遞和攜帶 APN 信息，BG（LNS）提供一個IP地址給Sponsor，即BG上提供3個數據業務的地址池；

（6）網間AAA根據Called-Station-Id區分業務，返給BG對應的IP pool-id；

（7）Sponsor的CG設備收集計費話單，生成TAP結算話單；

（8）用戶在手機上使用GSM域的數據業務。

8 結束語

隨著中國與國際經濟貿易往來的密切和旅游業的發展，越來越多的用戶提出了國際漫游的業務需求。對于CDMA運營商而言，開通CtoG國際漫游業務已經關系到全球CDMA陣營能否進一步發展壯大。本文探討通過CtoG漫游技術實現CDMA網絡用戶共享GSM網絡能力的實現方法，在CDMA用戶體驗到了全球無縫覆蓋的漫游體驗的同時，也可以使GSM用戶體驗到CDMA1X帶來的高速數據業務，并可以進一步拓展WCDMA和CDMA2000之間的3G數據漫游，對于CDMA和GSM運營商都是一個雙贏的選擇。

加速CDMA國際漫游，快速實現全球一體化戰略，是推動完善CDMA產業鏈的重要一環，需要標準組織、設備商、第三方服務提供商、運營商等各方共同努力。目前已有運營商通過不同的方式已經實現了跨國之間的互聯互通，如中國電信已經與日本、韓國、美國、澳大利亞等已經實現了CtoC互通，也與多個海外運營商合作開通了CtoG國際語音和短信漫游業務。但是，相對于通信的遠景目標，即在任何時候、任何地點、任何終端實現互聯互通的目標而言還相差甚遠。如何解決技術和運營的問題，值得產業鏈各方深入思考。

2010-07-05）