3G与无线局域网联合组网及漫游技术分析

甘 翼， 王国庆， 刘 筱， 贾 坤

0 引言

进入二十一世纪以来，中国移动通信业务迅速发展，截止2011年底，全国移动通信用户总数已超过10亿。在世界其他地区，移动通信业务同样保持着比较快的发展速度，截止2011年6月，全球移动通信用户已突破56亿大关。其中约90%以上的用户主要使用第二代移动通信系统（简称：2G，主要包括 GSM/CDMA95）[1]。

尽管 2G系统在过去二十年间取得了巨大的成功，但由于其系统带宽受限、编码和调制方式相对落后，主要针对传统语音业务，即使经过改进后的通用分组无线业务（GPRS）和增强型数据业务（EDGE）在数据传输率上还是受到了较大的限制，无法实现高数据率移动多媒体业务。另一方面，随着移动用户的持续增加，2G系统已不堪重负。以中国为例，截止2011年底的2G系统平均呼损率已由2000年初的5%上升到15%左右。因此，中国从2008年开始实验性推广第三代移动通信网（简称：3G），截止2011年底，中国3G用户已达到3 800余万，全球3G用户已突破5亿。

同时，随着互联网技术的不断发展以及人们对移动宽带无线数据交互（如：实时的网上购物、信息查询、低成本视频聊天和大容量邮件传输等）的需求日益增加，拥有巨大可用数据带宽优势和接入方便优点的无线局域网业务在全球也得到了广泛的发展。据不完全统计，截止2011年底，中国运营商级WLAN用户已超过6500万，全球运营商级WLAN用户已超过7亿[2]。

综上所述，在未来 5～10年内，3G网络和WLAN将成为人们信息化生活中最重要的无线移动通信和信息交互手段之一。

1 3G和WLAN特点及组网漫游方式简介

3G技术和系统由国际电信联盟（ITU）于上世纪末提出，最先提出时的主要目的是建立全球统一标准、支持宽带数据交互、具备更大的用户容量和利用各种资源管理和分配算法提高单位频谱资源利用率。由于各国政府和运营商的压力，最终未能形成全球统一标准，而按上下行信道频分复用（FDD）和上下行信道时分复用（TDD）分为了两大类系统和技术，现投入商用的3G网络系统和技术主要有3种：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。

上述3种技术都具备了国际电联最初提出的3G技术应拥有的较大数据传输率、更大用户容量和更高频谱利用率的要求。在核心网、越区切换和数据交互等方面虽采用了不同的技术且有较大差别，但从使用者层面来看差别不大，且使用的频段均在1.8～2.2 GHz频段范围内。

3G系统继承了2G系统的优点，具有接通率较高、移动中和越区时无缝切换、已接通用户的通信质量基本不受实时用户通信数量增加影响的优点。除此之外，3G系统用户实际最高数据交换率可达1 Mb/s以上，远高于2G系统，可以进行一定分辨率的视频通话。但由于 3G系统带宽依然受限，在中国其可用带宽一般在30 MHz左右，且一个小区覆盖范围较大，小区内的用户容纳数量多。同时，为保证基本的窄带语音及视频通话质量，数据业务所占用带宽则更小，从运营商统计的数据来看，一般用于分组数据业务的带宽不大于10 MHz，可承载的有效数据传输率受限。另一方面，即使分组数据业务也必须进入移动业务交换中心（MSC）才能接入国际互联网，多个小区基站则必须通过微波中继或电缆中继的方式与MSC进行数据交互，这也限制了通过3G系统完成大数据量业务传输。

3G系统在组网和漫游方式上基本沿用了2G系统的方式，如图1和图2所示（图1中，MSS：移动终端；MSC：移动业务交换中心；BS：小区基站；AMC：移动控制及主交换中心。图2中，VLR：来访区位置寄存器；HLR：归属区位置寄存器；CCITT No.7：7号信令网）。

图1 3G系统组网示意

图2 3G系统漫游示意

综上所述，3G系统依然保持着移动通信系统在移动实时不间断语音通话方面的传统优势，并在此基础上开发了视频通话业务。分组数据业务虽然较2G系统有所发展，但较电信级互联网络有效数据传输率还有较大差距[3]。

WLAN从本世纪初开始快速发展，有效数据传输率从2 Mb/s（IEEE802.11b）发展到现在的600 Mb/s（IEEE802.11n），设计之初主要在难于布线的地方作为有线以太网的补充。随着人们对宽带移动上网需求的日益增加，以及无线宽带数据传输技术的发展，WLAN已经发展成为最重要的无线宽带数据传输手段，在IEEE和ITU的计划中，预计2012年底将发布的IEEE802.11x（正式发布后，x将被其他未用字母替代）将正式纳入3G及后续4G可行技术，并考虑和长期演进技术（LTE）的兼容问题。

WLAN具有架设简单、控制方便（设置出口IP后，可直接通过有线以太网接入或通过网桥的方式中继接入，无需MSC介入）、工作频段较宽（2402～2485 MHz）、频率复用性好（微小区和微微小区架设方式）、有效传输速率高以及资费极低（与普通宽带网收费一致）的优点。但是，由于WLAN协议架构并不是为实时移动通信而建立的，因此在小区切换时会出现先断再联的情况，对于移动中的持续语音和视频通信影响较大；高速移动中受多径快速变化引起的码间串扰影响，稳定通信能力较差。而且，由于 WLAN在 MAC子层采用冲突避免载波侦听(CSMA/CA)技术实现无线信道资源的共享，在用户量较大的情况下，增加使用者会加大碰撞开销，严重影响有效数据传输率。另一方面，WLAN采用宽带调制技术，解调信噪比需求较高，且发射功率较小，因此覆盖范围较小，移动中小区切换频繁。

WLAN组网和漫游方式如图3和图4所示。

图3 WLAN组网示意

图4 WLAN越区切换示意

综上所述，WLAN在实际数据传输率和使用资费上相比 3G系统有着极大的优势，但是在高速移动状态下的稳定通信能力以及小区切换管理方面较3G也有着较大劣势。因此，针对不同业务类型和区域，结合3G系统和WLAN的优点和互补性，研究两者联合组网和切换漫游的优点和可行性，在未来利用有限的频谱资源最大效率的完成各类通信业务，对于降低运营成本、增加用户量和扩展业务种类都有着较大的益处。

2 3G和WLAN联合组网漫游的优势

现代智能手机大多数已经集成了 3G信号及WLAN信号收发功能，但没有联合使用，在用户使用WLAN时，需打开WLAN功能并查找周围的无线接入点（AP），选择其中一个按关联认证流程接入，若离开该网络范围，手机没有能力自动连接到下一个合法的WLAN网络中，除非该网络的网络名（BSSID）与上一个AP一致，且加密密钥和算法一致。由于缺乏智能切换功能，大多数不太了解WLAN使用方法的用户，即使在覆盖WLAN信号的地方，依然使用3G或2G信号完成数据传输业务，造成用户网络使用资费增加，在现行资费条件下，使用3G系统进行海量数据传输的费用大约是利用 WLAN系统的5～10倍；另外，利用3G业务信道在常规业务量较大的中心商业区或行政区完成数据传输，占据了宝贵的 3G频谱信道资源，使其不能用于传统语音或视频通话业务，同时空置了WLAN频谱资源，也造成了运营商运营成本的提高[4-5]。

综上所述，3G系统若和WLAN联合组网，将使未来无线移动通信网相比现在具备以下5大优势：

1）根据业务类型进行通信链路分配，均衡频谱资源、提高频谱利用率。

在3G和WLAN双信号覆盖区，当用户进行传统语音或视频实时通信时，使用 3G信道；当用户进行大数据量信息传输或在慢速移动（含不移动）情况下进行视频聊天和其他网络业务时可使用WLAN信道。

2）有效降低WLAN覆盖区域的MSC/AMC数据业务负载。

通过 WLAN系统接入的用户将直接通过本地路由器或无线中继直接进入国际互联网，无需通过MSC/AMC进行移动通信网与主干网之间数据的转换。

3）有效提高接通率和低可靠性数据业务传输效率。

占据传输信道较多带宽较大的数据业务从WLAN传输后，3G信道将主要用于传统语音和视频通话，呼损率将下降。数据业务通过大带宽WLAN传输，传输效率也将显著提高。

4）显著降低用户无线数据业务使用资费。

5）利用3G和WLAN覆盖范围的差别实现高层、大纵深楼房补盲覆盖。

WLAN的AP在具备光纤或同轴电缆的楼房内可广泛布置，并就近接入有线网，不需要额外的中继器或放大器对室外传入 3G信号进行中继完成室内覆盖。

3 联合组网及各类业务漫游可行性分析

由图 1所示，3G系统所有业务交换均需通过MSC，而和电信主干网交互还需经过更高一级的AMC；WLAN的AP一般连接在主干网分支有线链路上，如图2所示。因此，在MSC/AMC管辖区域范围内的 WLAN无线接入点（AP）可直接通过主干网与MSC/AMC通信，接受MSC/AMC控制和管理，并和3G基站实时交换相关业务信息。MSC/AMC通过简单修改管理软件，增加VLR和HLR寄存器对WLAN接入方式的管理，增加延迟检测算法，修改越区切换算法即可实现联合组网。若未来用于移动终端的3G和WLAN双模芯片能够实现控制命令实时交互，包括 3G芯片能够将保存的手机号码、PIN码（作为WLAN认证密码）通过内部总线传给WLAN模块。基于该芯片的固件和微指令能够在网络切换时支持物理链路层的变化而不影响网络层和应用层协议和数据，那么只用通过网络切换软件根据双模移动终端收到的信号和执行的业务，实时切换网络[6]。当用户使用到访移动区WLAN时，可根据其登录手机号与 WLAN本地服务器或该区域MSC的VLR内的号码对比，确认该手机是否漫游。

综上所述，3G系统和WLAN联合组网是具备实现可行性的。但是对于各种不同业务，由于可靠性和实时性要求不同，因此并不是所有业务都支持3G和WLAN的网间切换及漫游，下面将详细介绍几种主要业务的可行性。

（1）移动语音与视频通话业务

移动语音与视频通话业务为移动通信系统的主要业务，其最主要的特点是实时性、可靠性和移动中特别是越区切换时的通话联系性。因此，该业务一般采用传统的移动通信系统专用通话业务信道完成，且上下行信道分离；当越区切换时，采用接力切换、软切换和频间切换等方式保证通话连续性[7]。

切换到WLAN网络时，由于WLAN只有数据信道，所有语音及视频通话也必须通过数据信道经过互联网与目标网络联接，相对 3G系统专用的业务信道延迟较大且可靠性较差，同时在网间切换时通信软件也必须更换，需从 3G系统的移动通信专用音视频调制解调软件更换成Skype或类似的网络电话软件，做到连续通话保证的可能性较小。

另一方面，WLAN采用宽带调制，城市移动环境多径造成的码间串扰影响较大，很难保证4级（较好的通话质量）或以上通信质量。

由此可知，从业务能力上讲，移动语音和视频通话业务在WLAN和3G网间切换难度较大且服务质量等级不能保证，可行性较小。

（2）数据业务

数据业务包括网络电话业务（含网络视频交互）、基本互联网业务和互联网增值业务。移动通信数据业务除了物理层信号从无线口接入外，就业务服务类型而言和传统互联网业务类似，主要针对大数量、准实时和可靠性相对较低的用户数据交互需求。

3G系统主要通过信道分配机制在业务信道上将未使用的信道组合起来形成一个带宽5～10 MHz专用分组数据信道，完成数据业务的执行。在话务量极大的中心商业区或行政区，使用 3G系统业务信道完成数据业务执行将比较严重的影响传统通话业务的接通率，若保证接通率则数据传输效率又较低。因此，为保证传统业务正常运行，一般情况下运营商在 3G系统执行数据业务时按流量计费，以控制使用3G数据业务的用户和总流量。

现在，随着“无线城市”计划的推广，中心商业区和行政区开始逐步覆盖 WLAN，但WLAN和3G还处于分别组网的运行模式。从数据业务的应用来看，主要是基于网络层以上的网页浏览、文件数据下载以及长时间属于某一小范围移动或固定的视频聊天及网络电视收看等附加需求，上述业务需求对可靠性、实时性和持续性要求相对较低，且快速移动可能性较小，使用区域在一段时间内相对固定。另一方面，底层硬件相对上述基于应用层的网络软件透明，即使网络发生切换，在用户操作层面无需做任何处理，除在切换时间窗内的一小段时间中断外，其余时刻均可正常运行，且该小段时间中断可通过软件的延迟缓冲机制使用户使用层面无法或基本感受不到网络的切换。

在切换过程中，双模芯片并不用切断和3G系统的联系，当发现执行数据业务，区域内存在该运营商的 WLAN信号且信号质量超过一定门限值时，该业务使用物理信道直接切换到WLAN信道，并释放3G数据信道。

因此，在执行数据业务时，实现3G和WLAN网间切换和漫游具备较大可行性。

4 实现方案

3G和WLAN联合组网如图5所示。

联合组网时，3G系统AMC/MSC在原有VLR和HLR记录本地用户和来访用户的基础上，增加互联网接口和数据业务寄存器，管理通过WLAN开展数据业务的服务器和移动终端。互联网服务器管理其控制范围内的多个AP以及接入终端认证和通信。服务器根据所在区域和各级电缆铺设的规划，可与MSC架设与同一级链路、直接架构在主干网光纤链路或有线支线链路上，接受区域AMC/MSC统一管理，实时向AMC/MSC回报业务负载、接入管理、用户信息和运行状态等相关信息。

数据业务的网间切换与漫游如图6所示。整个切换和漫游过程由3G与WLAN系统网络设备和移动终端协作完成（图6中，①切换过程中移动终端与 3G基站之间由业务信道占用切换为待机状态，终端WLAN由搜索切换为认证和业务开展状态；②3G间越区切换遵循移动通信相应标准；③WLAN间切换同样遵循WLAN越区切换相应标准）。

图5 3G与WLAN联合组网示意

图6 数据业务切换示意

（1）3G与WLAN系统网络设备

当移动终端向AP发起认证时，AP从互联网本地服务器数据库或通过该服务器从 MSC/AMC中获取手机号码和对应 PIN码与用户认证手机号码及作为认证密码的PIN码进行比对，确认用户的合法性，并提供相关服务。服务器还需对AP收到的用户发射信号进行持续检测，当一段时间内用户信号连续低于有效联接门限值时，通知用户切断连接并告知MSC/AMC用户WLAN连接中断，将恢复3G数据业务，并报告用户所在大致区域。AMC通知管理该区域的MSC，由MSC确定该用户范围内的基站，由该基站通过查询该时间范围内的寻呼信号和终端应答信号数据库，确认终端所在区域，然后准备响应移动用户的3G业务请求，随时恢复其3G数据业务。

若该移动终端为漫游来访终端，在其通过WLAN进行数据业务时，可同样通过手机号码和PIN码对比确认其所在地，并将其业务使用明细及资费通过AMC及WLAN所在地计费中心经主干网传回终端所在地相关电话局。3G业务漫游与2G一致，具体过程查询移动通信相关资料[1]。

（2）移动终端

移动终端当发现 WLAN信号强度在一段时间内持续超过门限值时，先向 AP发起认证请求，当认证通过后，停止3G数据业务信道请求，3G系统处于待机状态。数据业务通过WLAN无线IP网络继续进行或直接发起。

终端在与WLAN进行数据交互的同时，持续检测AP发射信号强度，当AP信号强度在一段时间内持续低于门限或收到 AP发来的切断连接指令时，向AP发出去认证请求，并等待AP去认证确认。若一段时间内无法收到去认证信号，默认为去认证状态。同时，向附近基站发起 3G数据业务请求，经基站分配信道后恢复3G数据业务。

数据业务应用层软件由于被链路层和网络层隔离，在此切换过程中无需人工干预。由于网络的准实时性和具备一定缓冲能力的特点，因此还可在应用软件编写时通过缓冲区和时间控制，使用户基本无法感觉网络切换带来的停顿或减少停顿时间。

5 结语

综上所述，3G与WLAN在覆盖范围、业务类型和通信特点等方面均有着较大的互补性[8-10]，两者联合组网在减少 3G移动通信系统负载、提高传输效率及降低用费资费方面具有较大的优势，在数据业务开展时进行网间切换和漫游也具备技术可行性和可实现性，且在网络架设时只需对现有移动通信系统做出一定改动即可满足联合组网和网间切换及漫游的需求。结合国际电联对移动通信系统的发展规划，3G和WLAN联合组网在未来具有广泛的应用前景，极具发展价值。

[1] 赵耀,尹浩,林闯. 3G与WLAN互连的安全协议和分析[J].计算机工程与应用, 2008(02)：103-107.

[2] 胡晓明. 移动运营商网间漫游方案探析[J]. 电信科学,2004(09)：18-20.

[3] 刘云,范科峰,张素兵,等. 一种改进的 WLAN-3G融合网络认证协议[J]. 电子学报, 2010, 38(02)：399-404.

[4] 姜奇,马建峰,李光松,等. 基于WAPI的WLAN与3G网络安全融合[J]. 计算机学报, 2010, 33(09)：1675-1775.

[5] 高立志,章毓晋.3G及后3G时代的无线数据通信研究[J].计算机工程与应用, 2003(35)：124-127.

[6] 刘琪,袁坚,山秀明,等. 3G/WLAN网络中基于终端移动与业务认知的动态负载均衡机制[J]. 计算机学报, 2010,33(09)：1569-1579.

[7] 张学辉,赵雯,刘学观.用于WLAN的双频天线的设计与实现[J]. 通信技术, 2010,43(07)：41-42,45.

[8] 蒋磊,董淑福,陈岩.无线局域网性能参数仿真分析[J].通信技术, 2010,43(07)：41-42,45.

[9] 何秋萍,宁建创.局域网和无线局域网的差异及安全研究[J].信息安全与通信保密,2011(04)：89-92.

[10] 白珅,王轶骏,薛质.WPA/WPA2协议安全性研究[J].信息安全与通信保密,2012(01)：106-108.