基于GTP与PMIP协议的WLAN切换技术

张睿，曲劲光

（中国移动通信集团宁夏有限公司，银川 750002）

基于GTP与PMIP协议的WLAN切换技术

张睿，曲劲光

（中国移动通信集团宁夏有限公司，银川 750002）

运营商正面临着移动数据业务流量高速增长的压力，将WLAN网络融合到LTE与3G网络，可以提高网络协同性和利用率，从而解决运营商覆盖不足和带宽有限的窘境。运营商面对的关键挑战是在WLAN集成到移动核心网后，当它和其它接入网络发生切换时，如何保持会话连续性。本文就此问题提出了相关解决方案，并深入分析了技术原理与切换流程。

WLAN；EPC；GTP；PMIP

运营商正面临着数据业务流量的高速增长，将WLAN网络融合到LTE与3G网络，无疑将可以提高网络协同性和利用率，从而解决运营商覆盖不足和带宽有限的窘境。WLAN相对来说成本较低，结构简单，能够快速满足用户的相关数据业务需要。

但是对于运营商而言一个关键的挑战是：WLAN集成到移动核心网后，当WLAN和其它接入网络（例如WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA、WiMAX和LTE）发生切换时，如何保持会话的连续性。

3GPP和IETF介绍了两种网络协议——GTP和PMIP。在支持多种无线接入技术和全IP的移动核心网中，这两种协议都可以帮助运营商进行IP会话的移动性管理。

1 GTP协议和PMIP协议

运营商正在积极寻找将WLAN集成到移动核心网络的解决方案，并且希望WLAN和无线接入网能够无缝切换。在过去的几年，3GPP已经提出了WLAN和3GPP网络集成的标准文档，大部分基于TS23.234中“I-WLAN”标准。

I-WLAN规范仅仅提到了WLAN和3GPP网络互操作和移动性管理，而没有非3GPP接入网络的内容。为了填补这个空白，3GPP提出了用EPC架构来支持其它接入网络的互操作与移动性管理。

GTP和PMIP是基于IP层移动性管理协议，当从一个网络移动到另一个网络这两个协议支持UE使用同一个IP地址来保持会话无中断的切换。GTP最初是由ETSI在1990年末针对GPRS分组域核心网提出，到目前其已经成为3GPP分组域基础协议并且被广泛使用。

在3GPP网络变化过程中，由于GTP对于非3GPP接入技术不是一个合适的移动性管理协议，其常常被大多数非3GPP组织批评。PMIP是基于MIP的网络移动性管理协议，由IETF在2000年末提出，与GTP一样，PMIP依赖无线网络来追踪用户的移动，并与移动核心网进行信令交互。PMIP兼容非3GPP网络(WLAN、CDMA和WiMAX)并为其提供移动性管理协议。

基于GTP的移动性管理机制需要网络实体通过GTP接口来和网络通信。为了支持终端的移动切换连续性，当新隧道建立时，UE将使用同一个IP地址。所有发往归属地网络的数据分组，通过归属地GGSN和拜访地TTG/PDG（Tunnel Termination Gateway/ Packet Data Gateway）转发到UE上。

通过普通邮局的例子来说明IP移动性管理，归属地GGSN就像归属地邮局，TTG/PDG就像本地邮局。一封发往一个漫游出访人的信，先被发送到归属地邮局并被前转到本地邮局，只有本地邮局才知道新加入的客户地址。尽管这个人在移动后需要一个新的邮箱号，归属地邮局可以发送相同的号码，由本地邮局负责将这个号码传递给这个人。

当在拜访地网络分配一个IP给UE也是相同的过程。也就是归属地GGSN负责给移动后的UE分配相同的IP地址，图1表示基于GTP的切换示意图。

图1 GTP切换示意图

基于PMIP移动性管理机制需要网络实体通过PMIP接口来和网络通信。当一个终端从一个网络移动到另一个网络，由于IP地址不变终端并不关注自身的移动和在拜访地网络的附着点。

这就相当于一个人沿着他所在的社区从一个地方移动到另一个地方。位置实际上发生了变化，但是这个人周围环境并没有发生变化，此人将不会看到任何差异，依旧可以收到从相同地址发来的信件。

然而，变化发生在此人移动到社区外，那么就会建立一个新的本地邮局，这个新邮局就和归属地邮局一样，代表此人与归属地邮局进行沟通，并进行邮件的转移和收发。只要这个人被检测到进行了移动，本地邮局就会通知归属地邮局，并在两者之间建立起一条安全通道（这里归属地只接入GGSN，PDG被认为是拜访地设备）。当任何一封新邮件要送达这个人，归属地邮局就会将其前转到新本地邮局，本地邮局负责将信投递到这个人。

在这个场景下的移动性管理有两个关键角色——接入网络的移动访问网关（MAG， Mobile Access Gateway)和移动核心网的本地移动锚点（LMA， Local Mobility Anchor)，在邮局的例子中，就各自代表本地和归属地邮局。图2表示基于PMIP的切换的示意图。

图2 PMIP切换示意图

2 GTP协议的移动性管理方案

正如上面所介绍，GTP是3GPP网络中基于IP的协议，其允许用户从一个接入网络切换到另一个接入网络并保持IP会话的连续性。它是基于UDP的隧道协议，在3G网络中隧道的建立是从SGSN到GGSN，在EPC网络中隧道的建立从SGW到PWG。

为了实现移动性管理，用户注册信息通过GTP接口从拜访地的SGSN传送到归属地的GGSN。归属地GGSN为用户分配相同的IP地址，确保数据分组投递到拜访地的用户。

图3 基于GTP的WLAN与3GPP网络的漫游切换

从WLAN切换到3GPP网络如图3所示。

当一个移动终端在有WLAN覆盖的区域移动，UE可以决定是否要切换到速度更快的数据网络，整体的描述如下。

（1）终端发起切换程序，在TTG/PDG和运营商网络之间执行相互认证。

（2）UE通过移动核心网的3GPP AAA服务器进行鉴权。

（3）IPSec隧道在UE和TTG/PDG之间建立，用来传送用户平面数据。

（4）UE通过发送DHCP发现消息给TTG/PDG来请求IP地址，TTG/PDG与归属GGSN创建PDP。

（5）归属地GGSN给TTG/PDG来发送PDP消息，包括UE的IP地址，TEID和DNS。

（6）一个GTP隧道在TTG/PDG和归属GGSN之间建立。

（7）一个IP地址——与归属地相同的IP地址通过DHCP发送给UE。

在成功切换到WLAN网络后，发送给UE的流量通过GTP隧道进行传送，先由归属GGSN发送到TTG/ PDG，然后TTG/ PDG将接收到的数据分组通过IPSec隧道转发给UE。

由于在切换期间UE使用同一个IP地址，因此UE可以在不中断会话的情况下连续接收数据分组。在3GPP归属网络中最初的连接，应该在UE切换后删除。

3 PMIP协议移动性管理方案

基于PMIP协议的网络切换主要依靠网络的移动代理节点来检测UE的移动并进行IP移动性管理。PMIP协议主要由CDMA和WiMAX网络支持，在这两个网络里其作为一种移动性管理机制，实现3GPP和非3GPP接入网络连接到EPC核心网。图4展示了WLAN和支持PMIP协议的移动网络切换示意图。

PMIP协议包含了一组接口，例如S2a和S2b是由SmartCell Gateway（SCG）和PDSN/PGW来实现，在各种无线接入技术环境下使用这两个设备完成网络的无缝切换和集成。

图4 基于PMIP的WLAN与3GPP网络的漫游切换

在这种网络结构下，LMA（由PGW实现）用来绑定UE的 Home Address (HoA)及其附着点，MAG（由SCG来实现）用来保证UE的IP地址和其它参数在移动后保持不变。无线网络与WLAN切换的典型流程如下。

（1） UE移动到WLAN网络下执行访问认证和鉴权。（2）UE使用DHCP消息请求IP地址。

（3）WLAN的MAG发送带有Proxy CoA的PBU消息来通知UE的当前附着点的LMA。

（4）MAG接收从LMA发来的PBA消息和给UE所分配的IP地址（IP和UE 归属IP的一样）。（5）一个PMIP隧道在MAG与LMA之间建立起来。（6）用户平面的数据由归属LMA通过新建立的隧道前转给UE。

在无线网络和WLAN之间移动的例子中，EPDG (MAG)通过DNS解析APN来找到PGW(LMA)，并发送带有EPDG IP地址的代理绑定更新消息PBU给PGW，然后PGW返回带有代理绑定的确认消息。

通过这个过程，归属地PGW收到了附着点EPDG发来的相关消息，并且给EPDG发送UE的归属地IP，EPDG发送相同的IP地址给新附着的UE。

当IPSec隧道在UE和EPDG建立成功，随之PMIP隧道在EPDG和PGW之间创建。由于相同的IP地址，UE能够通过这两条隧道接收数据分组，而不用关注网络的变化。

4 移动性管理方案的选择

基于现实网络的情况和未来LTE的计划，运营商可以逐步地先对自己的2G/3G和WLAN网络进行内部互联，来缓解数据流量高速增长的压力，然后再与其他运营商进行网间互联，最终形成在EPC中具有多种接入技术的网络。

考虑3GPP的长期演进路线，GTP移动性管理方案是3GPP网络的自然选择。事实上，3GPP分组域核心网是基于GTP建设的。在3GPP结构中所有实体间的接口都是基于GTP协议，这就使得GTP成为唯一的WLAN与3GPP整合的解决方案。

另一方面，3GPP2(CDMA)和WiMAX完全处于不同的情况。CDMA由3GPP2发展而来，其走了一条完全不同于3GPP的标准路径。它使用了IETF的MIP协议，并在分组域核心网引入了HA实体。

WiMAX分组核心网和3GPP2核心网有相似的特点，例如IETF的MIP协议。为了利用基于MIP协议的架构，对于CDMA和WiMAX的运营商将会使用PMIP来实现WLAN与当前网络的切换。图5、6展示了WLAN与3GPP和3GPP2(cdma2000 1x EV-DO)相互切换的网络结构。

图5 基于GTP的3GPP与WLAN网络架构

图6 基于PMIP的3GPP2与WLAN网络架构

图7 EPC中基于GTP、PMIP的WLAN与3GPP和非3GPP网络融合

可以预见的是无论是3GPP还是非3GPP运营商最终都会演进到LTE网络， 由于LTE的发展，新的分组域核心网（EPC）被用来连接3GPP和非3GPP网络。EPC的架构可以使目前部署的无线接入网络的切换更加优化。GTP和PMIP在EPC中都获得支持，作为理想的网络移动性管理机制。图7表示不同技术与EPC的融合。

SGW和PGW之间的连接即支持基于GTP的接口，也支持基于PMIP的接口。 一个3GPP接入网络可以通过支持GTP协议的S12和S8接口接入到EPC，然而一个非3GPP网络可以通过支持PMIP协议的S2a、S2b和S8接口来接入EPC。WLAN这种非授信的数据密集无线接入网络同样在EPC结构中扮演主要角色。

[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