基于GTP與PMIP協(xié)議的WLAN切換技術(shù)

張睿，曲勁光

（中國移動通信集團寧夏有限公司，銀川 750002）

基于GTP與PMIP協(xié)議的WLAN切換技術(shù)

張睿，曲勁光

（中國移動通信集團寧夏有限公司，銀川 750002）

運營商正面臨著移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量高速增長的壓力，將WLAN網(wǎng)絡(luò)融合到LTE與3G網(wǎng)絡(luò)，可以提高網(wǎng)絡(luò)協(xié)同性和利用率，從而解決運營商覆蓋不足和帶寬有限的窘境。運營商面對的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是在WLAN集成到移動核心網(wǎng)后，當它和其它接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)生切換時，如何保持會話連續(xù)性。本文就此問題提出了相關(guān)解決方案，并深入分析了技術(shù)原理與切換流程。

WLAN；EPC；GTP；PMIP

運營商正面臨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量的高速增長，將WLAN網(wǎng)絡(luò)融合到LTE與3G網(wǎng)絡(luò)，無疑將可以提高網(wǎng)絡(luò)協(xié)同性和利用率，從而解決運營商覆蓋不足和帶寬有限的窘境。WLAN相對來說成本較低，結(jié)構(gòu)簡單，能夠快速滿足用戶的相關(guān)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需要。

但是對于運營商而言一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是：WLAN集成到移動核心網(wǎng)后，當WLAN和其它接入網(wǎng)絡(luò)（例如WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA、WiMAX和LTE）發(fā)生切換時，如何保持會話的連續(xù)性。

3GPP和IETF介紹了兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議——GTP和PMIP。在支持多種無線接入技術(shù)和全IP的移動核心網(wǎng)中，這兩種協(xié)議都可以幫助運營商進行IP會話的移動性管理。

1 GTP協(xié)議和PMIP協(xié)議

運營商正在積極尋找將WLAN集成到移動核心網(wǎng)絡(luò)的解決方案，并且希望WLAN和無線接入網(wǎng)能夠無縫切換。在過去的幾年，3GPP已經(jīng)提出了WLAN和3GPP網(wǎng)絡(luò)集成的標準文檔，大部分基于TS23.234中“I-WLAN”標準。

I-WLAN規(guī)范僅僅提到了WLAN和3GPP網(wǎng)絡(luò)互操作和移動性管理，而沒有非3GPP接入網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容。為了填補這個空白，3GPP提出了用EPC架構(gòu)來支持其它接入網(wǎng)絡(luò)的互操作與移動性管理。

GTP和PMIP是基于IP層移動性管理協(xié)議，當從一個網(wǎng)絡(luò)移動到另一個網(wǎng)絡(luò)這兩個協(xié)議支持UE使用同一個IP地址來保持會話無中斷的切換。GTP最初是由ETSI在1990年末針對GPRS分組域核心網(wǎng)提出，到目前其已經(jīng)成為3GPP分組域基礎(chǔ)協(xié)議并且被廣泛使用。

在3GPP網(wǎng)絡(luò)變化過程中，由于GTP對于非3GPP接入技術(shù)不是一個合適的移動性管理協(xié)議，其常常被大多數(shù)非3GPP組織批評。PMIP是基于MIP的網(wǎng)絡(luò)移動性管理協(xié)議，由IETF在2000年末提出，與GTP一樣，PMIP依賴無線網(wǎng)絡(luò)來追蹤用戶的移動，并與移動核心網(wǎng)進行信令交互。PMIP兼容非3GPP網(wǎng)絡(luò)(WLAN、CDMA和WiMAX)并為其提供移動性管理協(xié)議。

基于GTP的移動性管理機制需要網(wǎng)絡(luò)實體通過GTP接口來和網(wǎng)絡(luò)通信。為了支持終端的移動切換連續(xù)性，當新隧道建立時，UE將使用同一個IP地址。所有發(fā)往歸屬地網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分組，通過歸屬地GGSN和拜訪地TTG/PDG（Tunnel Termination Gateway/ Packet Data Gateway）轉(zhuǎn)發(fā)到UE上。

通過普通郵局的例子來說明IP移動性管理，歸屬地GGSN就像歸屬地郵局，TTG/PDG就像本地郵局。一封發(fā)往一個漫游出訪人的信，先被發(fā)送到歸屬地郵局并被前轉(zhuǎn)到本地郵局，只有本地郵局才知道新加入的客戶地址。盡管這個人在移動后需要一個新的郵箱號，歸屬地郵局可以發(fā)送相同的號碼，由本地郵局負責將這個號碼傳遞給這個人。

當在拜訪地網(wǎng)絡(luò)分配一個IP給UE也是相同的過程。也就是歸屬地GGSN負責給移動后的UE分配相同的IP地址，圖1表示基于GTP的切換示意圖。

圖1 GTP切換示意圖

基于PMIP移動性管理機制需要網(wǎng)絡(luò)實體通過PMIP接口來和網(wǎng)絡(luò)通信。當一個終端從一個網(wǎng)絡(luò)移動到另一個網(wǎng)絡(luò)，由于IP地址不變終端并不關(guān)注自身的移動和在拜訪地網(wǎng)絡(luò)的附著點。

這就相當于一個人沿著他所在的社區(qū)從一個地方移動到另一個地方。位置實際上發(fā)生了變化，但是這個人周圍環(huán)境并沒有發(fā)生變化，此人將不會看到任何差異，依舊可以收到從相同地址發(fā)來的信件。

然而，變化發(fā)生在此人移動到社區(qū)外，那么就會建立一個新的本地郵局，這個新郵局就和歸屬地郵局一樣，代表此人與歸屬地郵局進行溝通，并進行郵件的轉(zhuǎn)移和收發(fā)。只要這個人被檢測到進行了移動，本地郵局就會通知歸屬地郵局，并在兩者之間建立起一條安全通道（這里歸屬地只接入GGSN，PDG被認為是拜訪地設(shè)備）。當任何一封新郵件要送達這個人，歸屬地郵局就會將其前轉(zhuǎn)到新本地郵局，本地郵局負責將信投遞到這個人。

在這個場景下的移動性管理有兩個關(guān)鍵角色——接入網(wǎng)絡(luò)的移動訪問網(wǎng)關(guān)（MAG， Mobile Access Gateway)和移動核心網(wǎng)的本地移動錨點（LMA， Local Mobility Anchor)，在郵局的例子中，就各自代表本地和歸屬地郵局。圖2表示基于PMIP的切換的示意圖。

圖2 PMIP切換示意圖

2 GTP協(xié)議的移動性管理方案

正如上面所介紹，GTP是3GPP網(wǎng)絡(luò)中基于IP的協(xié)議，其允許用戶從一個接入網(wǎng)絡(luò)切換到另一個接入網(wǎng)絡(luò)并保持IP會話的連續(xù)性。它是基于UDP的隧道協(xié)議，在3G網(wǎng)絡(luò)中隧道的建立是從SGSN到GGSN，在EPC網(wǎng)絡(luò)中隧道的建立從SGW到PWG。

為了實現(xiàn)移動性管理，用戶注冊信息通過GTP接口從拜訪地的SGSN傳送到歸屬地的GGSN。歸屬地GGSN為用戶分配相同的IP地址，確保數(shù)據(jù)分組投遞到拜訪地的用戶。

圖3 基于GTP的WLAN與3GPP網(wǎng)絡(luò)的漫游切換

從WLAN切換到3GPP網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

當一個移動終端在有WLAN覆蓋的區(qū)域移動，UE可以決定是否要切換到速度更快的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，整體的描述如下。

（1）終端發(fā)起切換程序，在TTG/PDG和運營商網(wǎng)絡(luò)之間執(zhí)行相互認證。

（2）UE通過移動核心網(wǎng)的3GPP AAA服務(wù)器進行鑒權(quán)。

（3）IPSec隧道在UE和TTG/PDG之間建立，用來傳送用戶平面數(shù)據(jù)。

（4）UE通過發(fā)送DHCP發(fā)現(xiàn)消息給TTG/PDG來請求IP地址，TTG/PDG與歸屬GGSN創(chuàng)建PDP。

（5）歸屬地GGSN給TTG/PDG來發(fā)送PDP消息，包括UE的IP地址，TEID和DNS。

（6）一個GTP隧道在TTG/PDG和歸屬GGSN之間建立。

（7）一個IP地址——與歸屬地相同的IP地址通過DHCP發(fā)送給UE。

在成功切換到WLAN網(wǎng)絡(luò)后，發(fā)送給UE的流量通過GTP隧道進行傳送，先由歸屬GGSN發(fā)送到TTG/ PDG，然后TTG/ PDG將接收到的數(shù)據(jù)分組通過IPSec隧道轉(zhuǎn)發(fā)給UE。

由于在切換期間UE使用同一個IP地址，因此UE可以在不中斷會話的情況下連續(xù)接收數(shù)據(jù)分組。在3GPP歸屬網(wǎng)絡(luò)中最初的連接，應(yīng)該在UE切換后刪除。

3 PMIP協(xié)議移動性管理方案

基于PMIP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)切換主要依靠網(wǎng)絡(luò)的移動代理節(jié)點來檢測UE的移動并進行IP移動性管理。PMIP協(xié)議主要由CDMA和WiMAX網(wǎng)絡(luò)支持，在這兩個網(wǎng)絡(luò)里其作為一種移動性管理機制，實現(xiàn)3GPP和非3GPP接入網(wǎng)絡(luò)連接到EPC核心網(wǎng)。圖4展示了WLAN和支持PMIP協(xié)議的移動網(wǎng)絡(luò)切換示意圖。

PMIP協(xié)議包含了一組接口，例如S2a和S2b是由SmartCell Gateway（SCG）和PDSN/PGW來實現(xiàn)，在各種無線接入技術(shù)環(huán)境下使用這兩個設(shè)備完成網(wǎng)絡(luò)的無縫切換和集成。

圖4 基于PMIP的WLAN與3GPP網(wǎng)絡(luò)的漫游切換

在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，LMA（由PGW實現(xiàn)）用來綁定UE的 Home Address (HoA)及其附著點，MAG（由SCG來實現(xiàn)）用來保證UE的IP地址和其它參數(shù)在移動后保持不變。無線網(wǎng)絡(luò)與WLAN切換的典型流程如下。

（1） UE移動到WLAN網(wǎng)絡(luò)下執(zhí)行訪問認證和鑒權(quán)。（2）UE使用DHCP消息請求IP地址。

（3）WLAN的MAG發(fā)送帶有Proxy CoA的PBU消息來通知UE的當前附著點的LMA。

（4）MAG接收從LMA發(fā)來的PBA消息和給UE所分配的IP地址（IP和UE 歸屬IP的一樣）。（5）一個PMIP隧道在MAG與LMA之間建立起來。（6）用戶平面的數(shù)據(jù)由歸屬LMA通過新建立的隧道前轉(zhuǎn)給UE。

在無線網(wǎng)絡(luò)和WLAN之間移動的例子中，EPDG (MAG)通過DNS解析APN來找到PGW(LMA)，并發(fā)送帶有EPDG IP地址的代理綁定更新消息PBU給PGW，然后PGW返回帶有代理綁定的確認消息。

通過這個過程，歸屬地PGW收到了附著點EPDG發(fā)來的相關(guān)消息，并且給EPDG發(fā)送UE的歸屬地IP，EPDG發(fā)送相同的IP地址給新附著的UE。

當IPSec隧道在UE和EPDG建立成功，隨之PMIP隧道在EPDG和PGW之間創(chuàng)建。由于相同的IP地址，UE能夠通過這兩條隧道接收數(shù)據(jù)分組，而不用關(guān)注網(wǎng)絡(luò)的變化。

4 移動性管理方案的選擇

基于現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)的情況和未來LTE的計劃，運營商可以逐步地先對自己的2G/3G和WLAN網(wǎng)絡(luò)進行內(nèi)部互聯(lián)，來緩解數(shù)據(jù)流量高速增長的壓力，然后再與其他運營商進行網(wǎng)間互聯(lián)，最終形成在EPC中具有多種接入技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)。

考慮3GPP的長期演進路線，GTP移動性管理方案是3GPP網(wǎng)絡(luò)的自然選擇。事實上，3GPP分組域核心網(wǎng)是基于GTP建設(shè)的。在3GPP結(jié)構(gòu)中所有實體間的接口都是基于GTP協(xié)議，這就使得GTP成為唯一的WLAN與3GPP整合的解決方案。

另一方面，3GPP2(CDMA)和WiMAX完全處于不同的情況。CDMA由3GPP2發(fā)展而來，其走了一條完全不同于3GPP的標準路徑。它使用了IETF的MIP協(xié)議，并在分組域核心網(wǎng)引入了HA實體。

WiMAX分組核心網(wǎng)和3GPP2核心網(wǎng)有相似的特點，例如IETF的MIP協(xié)議。為了利用基于MIP協(xié)議的架構(gòu)，對于CDMA和WiMAX的運營商將會使用PMIP來實現(xiàn)WLAN與當前網(wǎng)絡(luò)的切換。圖5、6展示了WLAN與3GPP和3GPP2(cdma2000 1x EV-DO)相互切換的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖5 基于GTP的3GPP與WLAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖6 基于PMIP的3GPP2與WLAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖7 EPC中基于GTP、PMIP的WLAN與3GPP和非3GPP網(wǎng)絡(luò)融合

可以預(yù)見的是無論是3GPP還是非3GPP運營商最終都會演進到LTE網(wǎng)絡(luò)， 由于LTE的發(fā)展，新的分組域核心網(wǎng)（EPC）被用來連接3GPP和非3GPP網(wǎng)絡(luò)。EPC的架構(gòu)可以使目前部署的無線接入網(wǎng)絡(luò)的切換更加優(yōu)化。GTP和PMIP在EPC中都獲得支持，作為理想的網(wǎng)絡(luò)移動性管理機制。圖7表示不同技術(shù)與EPC的融合。

SGW和PGW之間的連接即支持基于GTP的接口，也支持基于PMIP的接口。 一個3GPP接入網(wǎng)絡(luò)可以通過支持GTP協(xié)議的S12和S8接口接入到EPC，然而一個非3GPP網(wǎng)絡(luò)可以通過支持PMIP協(xié)議的S2a、S2b和S8接口來接入EPC。WLAN這種非授信的數(shù)據(jù)密集無線接入網(wǎng)絡(luò)同樣在EPC結(jié)構(gòu)中扮演主要角色。

[1] 3GPP TS 23．402 V12．1．0． 3rd Generation Partnership Project: Technical Specification Group Services and System Aspects， Architecture Enhancements for Non-3GPP Accesses ( Release 12) [S]． 2013．

[2] 3GPP TS 23．234．V．1．10．0． Group Services and System Aspects: 3GPP System to Wireless Local Area Networks (WLAN) Interworking，System Description ( Release 6) [S]． 2003．

Research on WLAN handover technology which based on GTP and PMIP protocol

ZHANG Rui, QU Jin-guang
(China Mobile Group Ningxia Co., Ltd., Yinchuan 750002, China)

Operators faces to meet ever-rising mobile internet data demand. Integrating WLAN into LTE and 3G access networks could enhance network coordination and availability, which will alleviate operators’insufficient coverage and bandwidth predicament. One of the key challenges that operators consider when integrating WLAN into the mobile core is how to maintain session continuity when handing off between WLAN and other access technologies. The article presents relative solutions about this problem and analyzes relative technology principle and handoff procedure.

WLAN; EPC; GTP; PMIP

TN929.5

A

1008-5599（2013）10-0036-05

2013-09-01