3G网络与WLAN的综合结构设计方案

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    摘要　本文回顾了多种3G和WLAN相结合的网络结构，在讨论了它们的性能后提出两种新的结构设计方案，即把UMTS网络分别通过节点SGSN和GGSN接入WLAN网络。 介绍了利用OPNET对这两种网络结构进行仿真的方法，并进行性能分析和比较。

关键词　3G　WLAN　SGSN　GGSN　OPNET　附着过程

　　移动通信和无线网络正在快速发展，各种新技术不断涌现。3G无线系统能提供广阔的移动服务范围，但是数据速率相对较低(约为144kbit/s)。而WLAN网络能提供很高的数据速率(超过11Mbit/s)，但是服务范围相对较小。因此，将3G和WLAN结合起来形成综合移动数据网，就能在提供无缝连接的同时，给用户提供高速的无线数据服务。

1、背景
 

　　802.11b无线局域网因其成本较低，带宽合理并且使用方便，目前已被广泛运用于办公室，家庭，以及一些公众场所，如机场，宾馆等。但是它的不足之处是覆盖范围较小。

　　一个3G网络由核心网(CN)，无线接入网(RAN)和用户设备(UE)组成。3G业务可以使用两套标准：UMTS和cdma2000。3G核心网的主要功能是为用户通信进行转交和寻址，核心网被分为电路交换域(CS)和分组交换域(PS)。电路交换域的成员包括移动服务中心(MSC)，归属位置寄存器(HLR)，以及网关MSC，它们在UMTS和cdma2000标准中是相同的。而分组交换域的成员在这两种标准中有所不同。如图1所示。

图1　3G网络结构

　　GGSN是到达外部数据网的网关，并且执行对用户的鉴权和IP地址分配功能；SGSN提供会话管理功能；PDSN节点结合了很多功能，如把分组传送到IP网络，动态分配IP地址，以及获得点对点协议(PPP)的会话；无线接入网(RAN)为UE提供接入网络的空中接口；PCF主要功能是建立，保持和中止与PDSN间的连接。

2、现有3G与WLAN相结合的网络结构

　　现有的各种3G WLAN综合网络的组网策略和特性如表1所示。移动IP网络结构[1]配置简单，但是切换时延较长，不能支持实时服务；网关方式[2]支持两个网络各自独立工作，并且提供两网间的无缝漫游；竞争方式[1]开展困难，因为这需要两个网络所有者间的合作，但是这种方式的切换时延很短；紧耦合[3]提供较快的切换和较高的安全性，但需要网络所有者的合作；松耦合[3]所需的开发成本较低，并且两个网络独立开发，但是切换时延较长。

表1　各种3G WLAN综合网络的组网策略比较

组网方式       实施     网络所有者    切换时延

移动IP          简单           单独              长

网关             适中           单独              短

竞争         非常困难        合作              短

紧耦合         适中           合作               短

松耦合         困难           单独               长

3、两种新的3G WLAN综合网络结构
 

　　当前所有对3G WLAN综合网络的研究，关注的都是当一个与公众网连接的用户在3G网络和WLAN网络之间移动时所需要的切换时延。与这些不同，本文主要是研究当两个用户分别分布在IEEE 802.11b和UMTS网络中时，他们进行通信的端到端时延。这里描述了两种基本结构，即将3G和WALN网络分别通过SGSN和GGSN连接起来。通过仿真可以得到不同应用类型下的端到端时延。

　　3G和WLAN的结合如图2所示。

图2　3G和WLAN的结合

　　3.1　UMTS和WLAN在SGSN上结合

　　当UMTS和WLAN通过SGSN连接时，WLAN网络对于UMTS核心网来说是另一个无线接入网，而不再是一个外部分组数据网。WLAN的接入点(AP)此时需要能够处理UMTS送来的消息。因此，当WLAN的移动节点(MN)想要和UMTS中的用户设备(UE)交换数据时，首先需要经历附着过程，把通信节点的位置通知给SGSN，并且建立一个包交换信令连接。WLAN的接入点(AP)负责向SGSN发送这样的请求消息。附着过程在MN、SGSN和RNC三者之间进行，附着之后MN就通过了UMTS网络的鉴权。

　　3.2　UMTS和WLAN在GGSN上结合

　　在这种情况下，WLAN中的MN无论何时要与UMTS网络中的UE通信，都要经过GGSN。UMTS中的UE首先要激活分组数据协议(PDP)文本，以通知GGSN和外部数据网，这里的外部数据网就是WLAN。用户数据在UE和WLAN之间传送是通过封装和管道传输的方法，负责处理这种方法的协议是GPRS管道传输协议(GTP)。在这种情况下，WLAN的AP只是作为普通的802.11b接入节点，并不需要处理UMTS送来的消息。

　　3.3　仿真方案

　　以上介绍的两种网络仿真模型可用OPNET10.0A[3]建立。OPNET是一个离散事件仿真器，它拥有强大的软件包，能够支持对通信网络的仿真和评估。

　　仿真中将UMTS和WLAN连接起来，UMTS网包括RAN和一个带有SGSN和GGSN的核心网，WLAN内包含802.11b无线移动节点(MN)。在通过GGSN连接的方式中，WLAN采用普通的接入节点。在通过SGSN连接的方式中，WLAN要采用能够处理UMTS消息的特殊接入节点。仿真的目的是统计在这两种网络结构中，用户数据在两个网络之间传递所用的时延，从而比较两种组网方式的性能。在仿真中可用4种不同类型的应用来表示不同的传输方式，这4种类型包括了VoIP、FTP和HTTP，它们的各项参数如表2所示。

表2　仿真测试的各种应用类型

应用                            统计量(s)                    尺寸                    协议

FTP                       文件下载时间            100—1000kbyte        TCP

FTP                       文件上传时间            100—1000kbyte        TCP

GSM编码语音           端到端时延                  33byte                  UDP

GSM编码语音                  抖动                     33byte                   UDP

HTTP网页浏览             响应时间                  3000byte               TCP

4、结论

　　根据文献[5]的仿真结果可以看出，当通过GGSN连接的时候，文件下载，数据传输，网页浏览的时延都小于通过SGSN连接的情况。

　　当UMTS网络和WLAN通过SGSN连接的时候，WLAN的接入节点(AP)将执行与RNC相同的功能，要对WLAN的移动节点进入UMTS网络进行鉴权。而当两个网络通过GGSN连接的时候，WLAN的AP只是作为一个普通的接入节点，不需要具备处理UMTS消息的能力，数据分组被封装之后，利用GPRS管道传输协议在UE和WLAN网络之间传输。这种没有额外的UMTS初始化的方式减少了包传送的时延，因此将两个网络通过GGSN连接比通过SGSN连接的响应时间要少，即时延小。

　　但是通过节点SGSN把两个网络连接起来也有一些优点，比如可以使用UMTS的鉴权、认证、统计(AAA)机制，并且拥有更强大的安全性，另外当用户在两个网络之间移动时，将拥有连续的数据流，这是因为在这种结构中，WLAN的AP对于SGSN来说相当于另一个RNC，用户在UMTS和WLAN之间的切换类似于UMTS网内的切换。而当通过GGSN连接时，WLAN作为一个外部网络，需要不同的计费和安全机制，在两个网络之间切换时可能会引起服务中断。

　　参考文献

　　[2]　Tsao S．Lin C．VSGN：A Gateway approach to interconnect UMTS/WLAN networks．The 13th IEEE International Symposium on Personal．Indoor and Mobi1e Radio

　　[3]　Salkintzis A，et al．WLAN-GPRS integration for next-generation mobile data networks．IEEE Wireless Comm,2002,9

　　[4]　陈敏．OPNET网络仿真

　　[5]　Siddiqui F，Zeadally S，Yapak E．Design Architectures for 3G and IEEE 802.11 WLAN Integration

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