移動網絡與WLAN協同關鍵問題及方案研究

曹 磊，王 波，董 斌，邵 震，沈 驍

（1.中國電信集團公司 北京100032;2.中國電信股份有限公司上海研究院 上海200122）

1 引言

移動互聯網高速發展，數據業務需求呈爆發式增長。激增的移動互聯網用戶及不斷提升的智能手機占比，使移動網絡承載壓力加大，某些運營商已出現熱點地區經常性擁塞甚至網絡癱瘓的情況。移動互聯網業務高帶寬、流量低值化趨勢，迫使運營商通過低成本的WLAN實現熱點地區業務的智能化分流，降低投資成本，縮小不斷加大的投入與產出不均衡的剪刀差。

WLAN具有低成本、高速率、布設靈活的特點，支持的業務速率相當于3G網絡的10倍，可節省約70%的建網成本，適合于熱點地區的組網。WLAN幾乎已成為智能手機的標準配置，千元以上智能機基本都有WLAN功能，特別是已經廣泛部署的WLAN熱點，使得移動網絡+WLAN成為承載未來海量數據增長的主要手段。

基于不同層次的協同需求，對移動網絡和WLAN的協同能力要求不同，表1歸納了實際應用中幾種協同場景[1]。

移動網絡與WLAN協同受到運營商的極大關注，是移動網絡管道智能化的重要手段。但也由于現網的復雜性，還有一些關鍵問題需要分析解決，包括移動網絡以流量計費為主，而WLAN繼承了固網的時長計費方式；接入認證、業務分流和切換對現網改造涉及范圍廣、難度大；終端產業鏈涉及廠商眾多，難以控制。LTE網絡設計之初在標準上考慮了非3GPP系統接入方案，是實現標準化移動網絡與WLAN協同的契機，從而得到產業鏈廣泛支持。本文通過對多種協同方案的分析，選擇現網改造小、終端要求低的SaMoG方案[5]，對現網實現中關鍵問題進行了深入研究，并提出了解決方案。

表1 移動網絡與WLAN協同需求場景

2 移動網絡與WLAN互通架構

支持場景一“客戶關系和賬單統一”是移動網絡與WLAN互通的最簡單的一種架構。在這個需求場景下，兩個網絡系統基本是獨立的，認證、安全機制也完全分開，移動用戶通過移動網絡接入運營商業務網（私網）和Internet（公網），WLAN用戶通過WLAN直接接入Internet。在IT層面，BOSS實現客戶關系的關聯和賬單統一，也就是用戶的賬單里同時包括移動網和WLAN的費用。這種場景下運營商基于統一的計費模式，除了IT層面的客戶關聯，網絡互通架構進一步可能考慮的關鍵問題是WLAN對流量計費方式的支持，而不僅是傳統的固網時長計費。

網絡層面的協同要考慮統一認證、計費以及業務的連續性。3GPP在引入演進的分組核心網（EPC）之初就將非3GPP網絡接入作為目標架構的一部分，WLAN接入3GPP EPC架構可以分為S2a、S2b和S2c 3種場景[2,3]。

WLAN與EPC互通架構[2]如圖1所示。

S2a方案基于可信WLAN和EPC互通，采用GTP/PMIP協議的S2a接口（可信非3GPP與PDN網關之間）。這種方案WLAN通過運營商城域網與移動網絡的PDNGW相連，因此需要對城域網網關設備BRAS進行改造，以滿足移動性的要求。

圖1 WLAN與EPC互通架構[2]

S2b方案應用于非可信WLAN，WLAN基于ePDG設備接入EPC網絡。S2b方式要求終端和ePDG之間建立IPSec協議，ePDG與PDN GW之間的S2b接口采用GTP/PIMP。這種方案可以支持其他運營商或公共WLAN等非可信WLAN接入移動網，但需要終端支持IPSec協議。

S2c方案是一種基于終端的WLAN與EPC互通解決方案，UE和PDN GW之間通過DSMIP隧道連接，這樣UE和EPC交互的數據可以在固網城域網實現透傳。這種方案要求終端支持DSMIPv6。

3 種方案的比較見表2。

運營商建設的WLAN可以認為是可信的，S2a方案對終端沒有特殊要求，被認為是當前條件下可行的一種方案，受到運營商關注。但由于S2a方案對現網過高的改造要求，難以規模應用。通過將支持移動性的要求由固網城域網網關以外的設備實現，從而降低對現網的改造要求，成為移動網絡與WLAN互通架構的研究重點，3GPP標準提出了SaMOG（S2a mobility with GTP for WLAN）方案[4]的研究，如圖2所示。TWAP（trusted WLAN AAA proxy）作為WLAN接入移動網的EAP-SIM/AKA認證代理，建立UE IMSI與UE MAC地址綁定關系，Ta承載UE到3GPP網絡的認證計費消息；TWAG（trusted WLAN access gateway）負責將WLAN接入的業務流通過基于GTP的S2a接口傳送到EPC，Tn是WLAN到TWAG的數據分組傳送接口；Tg是TWAP與TWAG間的信息通知接口。

表2 移動網絡與WLAN互通方案比較

目前標準只提出了SaMOG框架性結構，具體解決方案中，TWAP、TWAG網元合為同一個實體，這樣可以基于AAA服務器信息對業務流進行更好的控制。從城域網獨立出來的TWAP、TWAG承擔了S2a方案中由城域網負責的移動性管理工作，包括認證代理、業務流控制、移動性管理等功能，城域網只需承擔數據流的傳遞。該方案對現網改造要求大大降低，提高了協同的靈活性。

3 基于SaMOG互通架構的關鍵問題及解決方案研究

3.1 WLAN與移動網計費模式統一

移動網絡一般基于流量計費，而WLAN秉承了傳統固網寬帶的包月或時長的計費方式，兩網融合下，要求用戶接入、使用是無感知的，因此需要計費模式統一。另外，隨著寬帶提速，支持的業務形式更加多樣化，用戶資源消耗差異加大，如視頻P2P業務、網頁瀏覽對網絡資源的占用巨大，因此流量計費是一種更公平的計費衡量方式，本方案同樣考慮了基于portal認證的WLAN業務接入流量計費需求。

圖2 SaMOG互通架構

在移動網絡與WLAN協同方案中，為了與移動網流量計費匹配，并且不影響現有基于portal認證的WLAN計費方式，有必要對這兩部分的業務流進行區分。這里可以通過配置不同的SSID實現，例如SSID=CHINANET-Mob表示通過移動網認證接入的業務流，SSID=CHINANET表示通過傳統portal認證接入的業務流。在協同方案中通過WLAN的業務流有如圖3所示的幾種場景。

·基于移動網PDN GW接入的業務流：計費點在移動核心網元PDN GW，已支持基于在線、離線的流量計費方式，話單中需要指示通過移動網或WLAN接入的標識以及對應的起止時間、流量和時長等元素。

·基于TWAG本地分流的業務流：由移動網認證，通過TWAG分流，這部分業務流計費點在TWAG，由TWAG與3GPP AAA服務器配合完成，認證/計費協議接口支持標準的Diameter協議。

·基于portal認證的業務流：傳統的固網寬帶接入方式，計費點在城域網網關BRAS上，應與固網寬帶計費模式保持一致。在需要支持流量計費的情況下，具體實現方式可以在用戶下線后，由BRAS向AAA服務器發送accounting stop分組，包含流量、時長信息，固網AAA服務器產生相應含流量的話單。

3.2 基于移動網統一認證

網絡協同要求用戶從WLAN接入也要通過移動網絡實現統一認證，UE支持3GPP定義的EAP-SIM/AKA移動網認證方式，其中，EAP-SIM是基于SIM卡的認證方式，EAP-AKA是基于USIM卡的認證方式。EAP是基于IEEE 802.1x的一種認證協議[5]，這里UE為認證客戶端，3GPP AAA/HSS為認證服務器，需要確定認證點由哪個網元承擔，有如圖4所示的2種方式。

方式1：IEEE 802.1x認證點由AC承擔，即IEEE 802.1x二層認證消息在AC終結，TWAP/TWAG則作為RADIUS認證代理。UE觸發的EAP-SIM/AKA認證消息由AC解析后，轉換為3層的RADIUS消息送到TWAP/TWAG，TWAP/TWAG作為RADIUS認證代理，通過RADIUS或Diameter消息送到移動網3GPP AAA-HSS進行認證。認證消息通過TWAP/TWAG代理是為了保證TWAP/TWAG能夠獲得業務控制信息對業務流進行控制。由于IEEE 802.1x在認證客戶端和認證點之間采用二層消息，認證點在3層以下便于組網，但需要AC支持IEEE 802.1x認證協議及3層的RADIUS認證協議。

方式2：IEEE 802.1x認證點在TWAP/TWAG，即IEEE 802.1x二層認證消息在TWAP/TWAG終結。由于IEEE 802.1x二層認證消息需要穿越城域網透傳到TWAP/TWAG，二層消息透傳方案具體方案參見第3.3節城域網連接方案的分析，將二層認證消息作為數據流通過GRE隧道透傳到TWAP/TWAG，TWAP/TWAG對IEEE 802.1x認證消息進行處理，并通過RADIUS或Diameter協議送到移動網3GPP AAA-HSS完成認證。這種方式要求二層認證消息要穿越城域網，對城域網網絡配置較復雜。

認證點的選擇在部署中根據現網實際情況進行選擇。

3.3 城域網連接方案

從WLAN接入的數據業務流需要通過城域網接入移動核心網，SaMOG方案解決的關鍵問題之一就是降低對現網固網寬帶的改造要求。在城域網連接方案中，通過SSID的劃分，實現了對基于移動網EAP-SIM/AKA統一認證的WLAN接入的認證消息和業務流的標識和區分，這部分數據分組需要通過城域網透傳到TWAP/TWAG，TWAP/TWAG通過GTP/PMIP隧道將業務流傳送到PDN GW。

圖3 WLAN接入業務流向示意

圖4 WLAN接入的統一認證方式

TWAP/TWAG與城域網連接方案中，AC與BRAS間配置VLAN，將對應SSID的數據流通過VLAN送到BRAS，如上 文 的CHINANET-Mob=SSID1，CHINANET=SSID2；BRAS與TWAP/TWAG間配置GRE或其他BRAS普遍支持的隧道協議，將對應的VLAN數據流通過GRE隧道送到TWAP/TWAG。通過VLAN與GRE實現二層數據的轉發。主流BRAS廠商都能夠支持，對現網沒有特殊的改造要求，并通過測試進行了驗證。圖5是城域網連接方案。

圖5 城域網連接方案

3.4 業務連續性方案

通過WLAN接入業務流接入移動網絡PDN GW后，PDN GW作為錨點，可以實現3GPP LTE網絡和WLAN間的非優化切換，提供業務連續性。移動網絡與WLAN間的業務連續性實現可以遵從3GPP定義的3GPP接入與非3GPP接入的非優化切換流程[2,4]，定義了從基于GTP/PMIP的S2a接口接入的可信WLAN業務流到通過GTP/PMIP S5/S8接口接入的E-UTRAN業務流之間的遷移過程。

在網絡支持多PDN連接的場景下，需要通過WLAN接入UE上報切換指示，網絡才能判決是新連接的建立請求還是切換指示。這種情況下需要UE的支持，UE終端預置客戶端情況下，可以通過檢測的移動無線信號、WLAN信號強度判決是需要進行業務流切換還是建立新連接，或者基于第3.5節引入的協同服務器ANDSF（access network discovery and selection function）下發到客戶端的策略進行判決，并決定是否將切換的指示加到UE通過WLAN接入PDN GW的連接建立消息中。

3.5 靈活協同機制

具有多種接口（如3G、LTE、WLAN）的終端設備越來越多，業務形態和帶寬需求多種多樣，網絡狀態在不同地點、時間也存在差異，終端/網絡需要在不同系統間做出最合理、最優化的接入網絡的選擇與業務流遷移，使得移動網絡和WLAN真正實現有機一體。

引入新的網元ANDSF將在不同系統間的網絡協同中發揮重要作用。ANDSF是3GPP標準中定義的接入網發現與選擇架構[2]中引入的新網元，具有數據管理和控制功能，終端可以通過DM協議接口（S14）與ANDSF進行通信，獲得網絡選擇、路由策略。ANDSF定義了可以提供3類信息輔助終端進行網絡發現和選擇。

·系統間移動性策略：為UE接入EPC系統選擇最合適的接入網絡（E-UTRAN接入還是WLAN等非3GPP系統接入）提供策略。ANDSF可以基于運營商策略或UE上報的網絡發現和選擇信息對系統間的移動性策略進行修改。

圖6 基于ANDSF的網絡協同機制

·接入網發現信息：根據UE的請求，ANDSF可以為UE提供附近可用的接入網絡列表。接入網絡信息包括接入技術類型（如WLAN、CDMA或E-UTRAN）、無線接入網絡標識符（WLAN的SSID）。

·系統間路由信息：系統間路由策略指運營商制定的業務分流和遷移的策略，ANDSF可以為UE提供系統間路由策略的列表，輔助UE選擇最合理的接入網絡及遷移策略。

運營商網絡協同策略有多方面因素，而且存在差異化，如不同系統的優選順序、業務的簽約屬性、網絡負荷狀況及信息收集能力等，因此ANDSF的引入可采用標準化的S14接口協議，但策略判決和算法需要根據自身策略定制。應用初期ANDSF可以采用非漫游架構，即由拜訪地的ANDSF提供策略服務，并支持基于終端位置的以及基于網絡負荷的接入網絡選擇和路由策略，通過S14接口終端可以上報位置信息及檢測到的網絡信息，ANDSF可以向網絡網管系統獲取網絡負荷信息，ANDSF通過S14接口將網絡選擇和路由策略下發到終端，實現對網絡資源的合理利用。后續是否支持標準定義的ANDSF漫游架構由網絡協同需求決定。基于ANDSF的網絡協同機制如圖6所示。

4 結束語

移動網絡覆蓋廣、連續性好，并具有QoS保障機制，是移動接入管道的主體，WLAN速率高、成本低，適合熱點地區部署，是移動網有效的補充。兩類網絡有機協同發展才能滿足移動互聯網高速發展的需求。

本文圍繞移動網絡和WLAN協同關鍵問題，結合了現網實際情況和標準的演進，選擇基于SaMOG的非3GPP網絡接入架構體系，提出了完整的移動網絡和WLAN協同體系架構，并協同架構體系方案中的關鍵問題提出了針對性解決方案，具有良好的規模應用和實施可行性。

隨著智能手機、移動互聯網業務的不斷發展，移動網絡和WLAN協同已成為業界越來越關注的焦點，3GPP的SaMOG、ANDSF等標準還都在不斷演進之中，本文提出的解決方案遵從了3GPP標準的架構，因此具有良好的擴展性，可以基于標準的演進和產業鏈的發展，在相應設備實體中引入新功能，以提供更靈活的協同機制。

1 3GPP TR 22.934.3GPP System to Wireless Local Area Network(WLAN)Interworking,2009

2 3GPP TS 23.402.Architecture Enhancements for Non-3GPP Access,2007

3 許慕鴻.WLAN和移動網互通技術分析.電信網技術,2012(5)

4 3GPP TR 23.852.Study on S2a Mobility Based on GTP &WLAN Access to EPC(SaMOG),2011

5 IEEE Std 802.1xTM-2004.IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks:Port-Based Network Access Control,2004

6 IETF RFC 5448.Improved Extensible Authentication Protocol Method for 3rd Generation Authentication and Key Agreement(EAP-AKA'),2009

7 3GPP TS 23.234.3GPP System to Wireless Local Area Network(WLAN)Interworking;System description,2002