CtoG数据漫游技术与实现

钟青峰 ，王霞德 ，王 军

（1.中国电信股份有限公司上海研究院 上海 200122；2.中国电信股份有限公司海外事业部 北京 100007）

CtoG数据漫游技术与实现

钟青峰1，王霞德1，王 军2

（1.中国电信股份有限公司上海研究院 上海 200122；2.中国电信股份有限公司海外事业部 北京 100007）

本文针对如何使CDMA网络用户漫游到GSM网络时，使用GSM网络资源进行无线上网的实现方法进行探讨，从而解决CDMA国际漫游的网络覆盖问题，实现不同制式无线网络之间无线数据漫游。

CDMA to GSM；VPN隧道；IMSI；MIN和APN信息

1 引言

全球移动网络制式主要分为GSM和CDMA两大阵营。据相关部门预测，截止到2010年底全球GSM用户（包括WCDMA、GPRS、EDGE）数量占全部手机用户的85%，全球CDMA用户数量占全部手机用户的15%。与GSM网络规模和覆盖面相比，CDMA网络有很大差距。网络覆盖范围方面，GSM及其演进网络WCDMA基本覆盖了全球所有国家和地区，CDMA网络覆盖仅局限于北美、亚洲部分、南美部分等。网络覆盖和用户规模的差异决定了GSM阵营相对于CDMA阵营具有绝对强势的国际漫游能力。中国电信承接CDMA网络以后开通了CDMA to GSM（CtoG）语音和短信国际漫游业务，如何让CDMA手机用户实现到欧洲这样以GSM网络覆盖为主的地区进行无缝国际数据漫游业务是CDMA运营商开展手机数据业务所要解决的问题。

2 CDMA国际漫游技术现状

GSM终端之所以能够自动地在不同国家的GSM网络下进行国际漫游，最根本的原因是GSM漫游相关规范定义完善、严谨，如使用 IMSI（international mobile subscriber identity，国际移动用户识别码）作为用户标识。CDMA规范由美国标准组织ANSI制定，在IS95A、IS95B阶段，采用MIN(mobile identification number)来标识用户，MIN沿袭了AMPS系统的编码方式，由于MIN中没有国家代码，所以CDMA用户在其他国家的运营商网络间无法实现自动漫游。加之CDMA的协议定义得不够严谨，各CDMA运营商所采用的寻址方式、IS41版本不一致、不同厂商设备间兼容性等问题，漫游成为CDMA产业发展中一个重要和亟待解决的问题。

针对CDMA网络漫游的复杂情况，CDG专门成立了负责推进CDMA国际漫游解决方案的小组 IRT（CDG’s International Roaming Team），IRT 旨 在 促 进 GSM/GPRS/CDMA2000 1x/1xEV-DO等多频/多模手机增强功能芯片的利用，促使CDMA2000用户可在800/900/1800/1900/2100 MHz 频 段 共 同 享 用 1X、1xEV-DO、GPRS、EDGE、WCDMA及HSDPA等系统的新型数据业务。IRT推动的漫游方式是一个实现各个运营商共赢合作的新运营模式。在实际运营中，借助不同制式的无线网络覆盖迅速实现移动用户的无缝漫游，是目前最经济有效的方法。CtoG漫游技术就是当前最为广泛应用的一种解决方案。

3 CtoG数据漫游技术

3.1 GSM网络实现数据业务方式

在GSM网络中通过通用分组无线业务GPRS（general packet radio service）为移动用户与互联网或企业局域网的通信提供了解决方案，GPRS提供了分组交换和分组传输来实现数据业务的能力，以高达115 kbit/s甚至170 kbit/s的传输速率实现端到端的分组交换数据业务。无线应用协议（WAP）等高层协议也可以基于GPRS来实现移动互联。图1为GPRS的网络结构。

从网络侧来看，GPRS是在GSM网络的基础上增加服务 GPRS支持节点 SGSN（serving GPRS support node）和网关 GPRS支持节点 GGSN （gateway GPRS support node）这两种网络实体以及多种接口来实现的。SGSN和GGSN是实现GPRS业务的核心实体，通称为GPRS支持节点（GSN）。其中,SGSN是为移动台（MS）提供移动性管理、路由选择、加密及身份认证等服务的节点；GGSN是用于接入外部数据网络和业务的节点。有的网络也可将SGSN和GGSN合设在一起组成CGSN节点。边界网关（BG）用于PLMN间GPRS骨干网之间的互联，此外它还可以根据运营商之间的漫游协议增加相关的功能。

3.2 CDMA网络实现数据业务方式

CDMA网络中通过分组核心网实现数据业务，分组核心网中分组控制模块PCF来完成与分组数据有关的无线资源的控制功能；分组数据服务节点PDSN（packet data serving node）完成用户接入分组网络的管理和控制功能，鉴权认证AAA完成与分组数据有关的用户管理工作，系统结构如图2所示。

CDMA 2000系统本着 “尽可能地利用通信领域已经取的成果”的原则，大量地利用IP技术，构造自己的分组数据网络。按照采用的协议不同，分组网的结构可以分为简单IP和移动IP两种。在CDMA分组核心网中PDSN是CDMA分组网里的关键设备，它完成和无线网络 (PCF)及IP网络的接口，起着桥梁的作用，PDSN和移动终端建立PPP连接，把终端发送的PPP的数据转换成标准的IP数据，路由到IP网络。同时，将网络来的IP数据封装在PPP里传送给终端。PDSN在AAA系统中还实现Radius Client的功能，将PCF传送的计费参数和自身统计的计费参数结合形成UDR，传递给Radius Server。在移动IP协议中，PDSN还实现Foreign Agent的作用，与Home Agent建立移动IP隧道。

AAA负责用户的认证、授权、计费消息采集、计费详单文件的生成。AAA接收PDSN发送的用户认证请求信息，根据预先设定的策略给用户授权，如分配IP地址等。AAA根据APN(access point name，接入点名称）判断用户申请的业务类型，每个APN代表一种业务，如APN为WAP代表用户申请WAP业务的连接，NET代表用户申请普通互联网业务的连接。AAA根据APN判断是否需要向业务网关发送计费消息，同时根据IMSI判断是否向归属地AAA发送计费消息。

AAA Server通过功能区分能够分为以下几种。

· 拜访地AAA（FAAA）,用户登录地的AAA；

· 归属地AAA（HAAA），用户登记地的AAA；

· 代理AAA（BAAA），负责AAA之间信息的交换。

CDMA 1X分组网用户认证、计费过程首先是用户向PDSN发送Username/Password和用户申请的业务类型（APN），PDSN 向 FAAA 发 送 Access-Request （ 包 含Username/Password，PDSN地址，APN,移动终端号码等）。FAAA会检查PDSN地址和检查Username是否合法，确定是本地用户还是漫游用户。如果是漫游用户，FAAA向HAAA转发Access-Request，然后HAAA在数据库中查找用户的Profile，检查Username和Password是否相符，是否要返回特定的属性等。HAAA同时向FAAA发送认证的结果Access-Accept（包含要返回的特定属性）或Access-Reject。通过FAAA向PDSN转发结果信息Access-Accept或Access-Reject。PDSN通知用户认证的结果，是否允许访问网络，如果认证通过，PDSN向FAAA发送Accounting-Start，FAAA 再 向 HAAA 转 发 Accounting-Start；HAAA 向FAAA发送Accounting-Response，确认计费包已经收到。FAAA向PDSN转发计费确认包，认证、计费过程结束。

4 CtoG技术实现原理

CtoG技术可以将CDMA用户能够无缝接入国际成熟的GSM网络，实现低成本、快速的移动数据国际漫游业务。CtoG技术是CDMA用户可以在开通国际漫游业务之后，使用双模卡和支持GSM网GPRS功能的终端，在开通海外GSM网络漫游的国家和地区使用GPRS上网业务。用户在漫游状态下可通过不同的APN接入网络，实现漫游状态下的上互联网类、WAP类、黑莓类等基于分组承载的业务。

考虑对用户分组业务流量监控及计费方面的原因，CtoG业务对所有国际漫游用户的分组业务流量的业务认证由CDMA网内完成，用户上互联网及WAP等业务流量全部回到CDMA域疏通。CtoG业务实现可采用第三方合作伙伴（sponsor）流量代理的方式实现，要求从GSM域的GGSN（gateway GPRS support node，网关 GPRS支持节点）设备通过隧道方式连接到CDMA域漫游网关BG（border gateway，漫游边界网关）设备。在GGSN的设置上可有多种方式。采用基于VPN的隧道实现数据漫游，VPN的隧道方式可有L2TP、GRE、IPSec等方式。CtoG技术实现数据漫游的系统架构如图3所示。

5 CtoG数据业务实现方案

5.1 CtoG数据漫游要求

CtoG数据漫游业务实现方案需要注意以下要求。

（1）用户标识的识别要求

CDMA网中对用户标识基于MIN（移动识别号码），GSM网络中对用户的标识基于IMSI（国际移动用户标识号）。漫游至GSM网的用户基于IMSI方式识别，要实现其在网内的认证过程，网络需要支持IMSI与MIN号的对应转换。

（2）相关协议的转换要求

CDMA网络中用户漫游计费信息基于Raidus协议，有其相应的计费格式及协议细项要求。GSM网络中Sponsor运营商的GGSN设备所支持的计费协议及具体要求与CDMA网络有一定差异。为完成CtoG漫游用户的计费实现，需要网络支持相应的协议识别和转换功能。

5.2 网络组织方案

根据目前CDMA网络情况以及GSM网络的情况，实现CtoG数据漫游网络组织方案有以下两种实现方案：

·GGSN设备通过公网方式连接CDMA网络漫游网关BG设备；

·GGSN设备基于隧道方式连接CDMA漫游网关BG设备。

两个方案中的差别基于GGSN网络连接方式不同，优缺点比较见表1。

表1 CtoG数据漫游实现方式方案比较

5.3 业务网络组织

因网络安全、业务控制等需求，CtoG数据业务方案通过采用GGSN设备基于VPN的隧道方式连接CDMA域漫游网关BG设备来实现。

VPN的隧道方式有L2TP、GRE、IPSec等方式，它能实现漫游用户业务流全部路由至CDMA网络内。GRE方式的隧道配置是双方提前通过静态配置实现的,需提前在GGSN设备上配置IP地址，用户的IP地址分配由GGSN设备控制。同时，GRE隧道不像L2TP一样有隧道建立和认证的过程，GRE方式下需要GGSN设备通过Radius消息发起认证请求，业务连接建立之后发送计费请求消息；与L2TP隧道方案相比，GRE方式还有以下不足之处：IP地址的分配由GGSN控制实现，需要在GGSN上预先配置IP地址池。IP地址的分配不在CDMA域设备控制，所以在IP地址的控制和管理灵活性方便都不及L2TP方式。

GRE隧道方式本身存在一些安全隐患需要考虑，即GRE方式规定了如何用一种网络协议去封装另一种网络协议的方法，GRE的隧道由两端的源IP地址和目的IP地址来定义，允许用户使用IP包封装IP、IPX、AppleTalk包；GER只提供了数据包的封装，并没有加密功能来防止网络侦听和攻击，因此会有安全隐患，如：攻击者在掌握隧道两端主机IP地址及网络内部主机的内网IP地址后，可在VPN网络中进行内网渗透。

L2TP隧道方式下IP地址的分配有CDMA域网络设备控制，同时，有隧道建立和认证的过程。基于以上的分析，在基于VPN隧道方式实现CtoG分组漫游的方案下，采用L2TP是优选考虑的方案。基于GRE隧道方式的组网方式下的业务流程如图2所示 （基于L2TP方式业务流程也类似相同），具体实现流程如图4所示。

基于GRE方式下，主要业务流程为：

·在隧道建立前的SGSN与GC网关间Gr接口的认证、SGSN与GGSN间的GTP建立过程 （基于L2TP方式的也相同）；

·GGSN通过Raidus协议向网间AAA发送认证请求消息，此消息中需要携带用户的IMSI信息与APN信息；

·网间AAA与省AAA间交互，带回用户的MDN号码。在给GGSN返回的认证返回信息中，将MDN号码写入CLASS属性字段；

·GGSN根据用户的APN信息，将业务流疏通至相应的GRE隧道上，本方案中，根据不同的APN提前配置GGSN与漫游网关BG间不同的GRE隧道，便于漫游网关BG识别业务流进行不同方向的转发（例如区分上网业务流、黑莓和WAP业务流）；

·业务流建立之后，GGSN发送计费请求到网间AAA，通过CLASS属性携带用户MDN号码；

·网间AAA区分业务类型，对于WAP类业务需要发送MDN号与IP地址的对应关系至WAP网关。

6 对相关网元设备的要求

6.1 G网域网元要求

（1）G 网域的 GGSN

G网域的GGSN设备必须能够支持LAC（L2TP access concentrator）功能。发起L2TP隧道建立和PPP连接过程，并支持LNS（L2TP network server）动态选择功能。通过与AAA的第一次认证交互获得LNS地址。采用静态配置所连接的LNS设备地址、隧道信息。还必须支持在L2TP建立及认证过程中的IMSI与APN信息传送，GGSN设备在L2TP接入认证消息中携带用户的APN信息。在“Called-Station-Id”字段中携带APN信息。GGSN在PPP的认证流程中，在PAP或CHAP认证的用户名中携带IMSI信息。

（2）G网域的计费网关及清结算系统

由于用户在G网域的漫游话单可有两种生成方式：第一种由G网域的GGSN及计费网关配合生成；第二种由G网域提供。一般采用归属域用户去漫游域漫游的话单由漫游地网络生成，以漫游地的账单为准。

6.2 C网域网元设备

（1）GC 网关

GC网关是GSM用户漫游至CDMA网络和CDMA用户漫游至GSM网络所提供服务的设备；是作为GSM HLR和短消息中心为支持GPRS所完成的功能，主要是支持与SGSN之间的Gr接口与GGSN之间的Gc接口，使CDMA用户漫游到GSM网络后，能够使用GPRS提供的服务及GPRS信息处理和移动性管理。

Gr接口是SGSN与HLR之间的接口，Gr接口采用7号信令上承载MAP协议的方式。SGSN通过Gr接口从HLR取得关于MS的数据，HLR保存GPRS用户数据和路由信息。当发生SGSN间的路由区更新时，SGSN将更新HLR中相应的位置信息；当HLR中数据有变动时，也将通知SGSN，SGSN会进行相关的处理。

在CtoG数据业务实现方案中GC网关在逻辑上兼做MSC/VLR/HLR/SMC，CG双模用户漫游到GSM域中，对漫游网络而言，用户的归属HLR为GC网关。

（2）BG 漫游网关

支持LNS功能，根据APN的个数不同可对GGSN及网间AAA侧而分别提供多个LNS虚拟地址；发给网间AAA的认证和计费信息中可携带GGSN侧获得的用户IMSI信息；在收到GGSN在PPP认证消息中传递的SGSN地址信息后，在发送给网间AAA的计费信息中传递SGSN地址信息。漫游网关BG在于GGSN之间的PPP交互过程中，为漫游用户分配IP地址。漫游网关BG将提前配置IP地址池。业务路由功能，在WAP类应用下，根据手机中设置的WAP网关地址，路由业务流至BG设备所在地应该归属的WAP网关设备。

（3）网间 AAA 设备

从BG处获得用户的IMSI和APN信息。其中IMSI信息包含在从BG发来的认证消息中 （NAI字段）中；APN信息基于来自不同LNS虚拟地址来识别 （漫游网关BG对网间AAA侧提前配置好多个地址固定对应不同的 APN）。

根据漫游用户的G网IMSI号段区分出漫游用户的归属省份，转发相应的认证信息、计费信息至归属省AAA设备。在收到省AAA的认证反馈消息中，提取MDN号填写到给漫游网关BG返回消息的CLASS属性中；在后续BG发送的计费请求中，能够把CLASS属性转换成Served-MDN属性。

（4）归属地 AAA设备

能够存储用户G网IMSI及配置信息，支持一个用户MDN号可以对应一个C网IMSI、多个G网IMSI的信息存放。认证过程中接受网间AAA的认证请求消息、根据IMSI翻译返回MDN号码；可以接受来自网间AAA转发的计费消息、支持计费信息生成。

6.3 对C网侧IT系统要求

用户业务数据管理要求支持一个用户账号 （一个MDN号）与两个 IMSI的关联（一个 G网 IMSI、一个 C网IMSI）。业务开通系统在用户开通CtoG数据漫游业务时，向用户归属省AAA设备中写入用户的G网IMSI信息及相关业务的属性绑定；向归属GC网关设备中写入关于GPRS业务的信息；业务变更时完成相应的数据更改。

7 业务实现流程

C2G数据漫游业务建立流程，如图5所示。

（1）用户发起分组业务请求，携带APN信息；

（2）漫游地的SGSN通过信令网发起回归属地HLR（GC网关）的接入鉴权流程；

（3）漫游地的 SGSN通过 DSN的查询得到 APN的GGSN地址，该地址为Sponsor的某个或某两个GGSN地址；

（4）漫游地的SGSN建立至GGSN的GTP隧道连接；

（5）Sponsor的 GGSN 传递和携带 APN 信息，BG（LNS）提供一个IP地址给Sponsor，即BG上提供3个数据业务的地址池；

（6）网间AAA根据Called-Station-Id区分业务，返给BG对应的IP pool-id；

（7）Sponsor的CG设备收集计费话单，生成TAP结算话单；

（8）用户在手机上使用GSM域的数据业务。

8 结束语

随着中国与国际经济贸易往来的密切和旅游业的发展，越来越多的用户提出了国际漫游的业务需求。对于CDMA运营商而言，开通CtoG国际漫游业务已经关系到全球CDMA阵营能否进一步发展壮大。本文探讨通过CtoG漫游技术实现CDMA网络用户共享GSM网络能力的实现方法，在CDMA用户体验到了全球无缝覆盖的漫游体验的同时，也可以使GSM用户体验到CDMA1X带来的高速数据业务，并可以进一步拓展WCDMA和CDMA2000之间的3G数据漫游，对于CDMA和GSM运营商都是一个双赢的选择。

加速CDMA国际漫游，快速实现全球一体化战略，是推动完善CDMA产业链的重要一环，需要标准组织、设备商、第三方服务提供商、运营商等各方共同努力。目前已有运营商通过不同的方式已经实现了跨国之间的互联互通，如中国电信已经与日本、韩国、美国、澳大利亚等已经实现了CtoC互通，也与多个海外运营商合作开通了CtoG国际语音和短信漫游业务。但是，相对于通信的远景目标，即在任何时候、任何地点、任何终端实现互联互通的目标而言还相差甚远。如何解决技术和运营的问题，值得产业链各方深入思考。

2010-07-05）