淺議IP技術(shù)在cdma2000 1x系統(tǒng)中的實現(xiàn)

摘要　首先分析了cdma2000 1x系統(tǒng)的引入背景，接著簡要論述了移動IP的工作機制，重點闡述了基于移動IP的cdma2000 1x系統(tǒng)核心網(wǎng)分組域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議結(jié)構(gòu)，從硬件體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議層面分析了cdma2000 1x系統(tǒng)如何利用移動IP技術(shù)為用戶提供高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

關(guān)鍵詞　移動IP　簡單IP　cdma2000 1x　協(xié)議結(jié)構(gòu)

從20世紀90年代中期開始，中國的GSM和CDMA話音用戶數(shù)和業(yè)務(wù)量得到迅猛的增長。伴隨著因特網(wǎng)的快速發(fā)展和人們之間信息交流的加強，人們對移動通信的需求已不再局限于移動話音業(yè)務(wù)，以“彩信”、“彩e”為代表的眾多移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和移動多媒體業(yè)務(wù)已將逐步走進人們的生活，并表現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。

1、cdma2000 1x系統(tǒng)的引入

從當前移動通信的發(fā)展來看，隨著話音業(yè)務(wù)逐漸趨于飽和，人們開始考慮如何將豐富多彩的IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)引入蜂窩移動通信網(wǎng)中。cdma2000是第三代移動通信系統(tǒng)的主流標準之一，在空中接口上，cdma2000系統(tǒng)能夠在1.25MHz帶寬上提供高達304kbps的高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。cdma2000 1x是cdma2000的第一段，介于第二代(IS-95)和第三代之間的一種技術(shù)。在原來IS-95A系統(tǒng)基礎(chǔ)上通過軟件升級和添加一些必要的硬件可以實現(xiàn)cdma2000 1x RTT新標準和新業(yè)務(wù)，平滑地向第三代過渡。相對于IS-95A型CDMA網(wǎng)絡(luò)，cdma2000 lx除了在無線部分空中接口方面改進以外，在核心網(wǎng)部分還引入了分組域的概念，增加了分組控制單元(PCF)、分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)節(jié)點(PDSN)、AAA(認證、授權(quán)、計費)服務(wù)器和HA(歸屬代理，用于移動IP業(yè)務(wù))等功能單元，采用了基于移動IP技術(shù)的分組網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為用戶提供諸如WWW瀏覽、E-mail、高速數(shù)據(jù)下載、視頻點播(VOD)、網(wǎng)上游戲等豐富多彩的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。

目前，由于3G系統(tǒng)還處于市場技術(shù)探索的前景時期，各方面的發(fā)展不夠成熟，移動通信運營商則期望能在2.5G(cdma2000 1x和GPRS)移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)領(lǐng)域內(nèi)尋求未來數(shù)年間最有潛力的利潤增長點。中國聯(lián)通作為國內(nèi)第二大移動通信運營商，在CDMA無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展中，擁有較強的技術(shù)優(yōu)勢和資源優(yōu)勢，在國內(nèi)率先開通cdma2000 1x網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，一方面加大無線接入網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，努力構(gòu)建無縫精品網(wǎng)絡(luò)，為將來向3G平滑過渡提供可靠的無線承載平臺；另一方面將CDMA增值業(yè)務(wù)的發(fā)展重心向cdma2000 1x數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傾斜，希望將技術(shù)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為業(yè)務(wù)優(yōu)勢，在移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)市場中形成差異化的競爭。

2、移動IP的工作機制

移動IP是IETF(Internet Engineering Task Force)移動IP工作組提出的一套新的IP路由機制和協(xié)議，是為解決Internet中節(jié)點的移動性而引入的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，是IP協(xié)議族中的一個組成部分。移動IP目的是為Internet提供移動計算功能，滿足網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在位置移動的同時，保持正在進行通信過程而不需要重新啟動和IP參數(shù)的重新配置，并能夠隨時隨地從網(wǎng)上獲取數(shù)據(jù)、共享網(wǎng)絡(luò)資源和服務(wù)。

在移動IP中定義了3種功能實體：

*移動主機(Mobile Host)：移動IP協(xié)議中每個移動主機在家鄉(xiāng)鏈路(Home Link)上有一個唯一的家鄉(xiāng)地址，當它漫游到外地網(wǎng)絡(luò)時，將獲得一個臨時的轉(zhuǎn)交地址(Care Of Address)。移動主機可以將接入Internet的位置從一條鏈路切換到另一條鏈路上，仍保持正在進行的通信。

*家鄉(xiāng)代理(Home Agent)：是一臺與移動主機家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)相連的路由器，也稱歸屬代理。當移動主機位置切換時，HA負責維護移動主機當前位置信息，處理和響應(yīng)移動主機注冊請求消息。

*外地代理(Foreign Agent)：是移動主機所在外地鏈路上的一臺路由器。一方面為移動主機提供轉(zhuǎn)交地址，幫助移動主機將轉(zhuǎn)交地址通知家鄉(xiāng)代理，另一方面可以幫助轉(zhuǎn)發(fā)來自家鄉(xiāng)代理的數(shù)據(jù)包。FA還可以作為連在外地鏈路上移動主機的缺省路由器(Default Router)。

移動IP協(xié)議的基本思想：

(1)家鄉(xiāng)代理和外地代理周期性地廣播或組播代理廣播消息，宣告它們的存在以及與鏈路連接的關(guān)系。

(2)移動主機收到代理廣播消息后，檢查其中字段的內(nèi)容確定自己位置是否移動。

(3)若移動主機確定仍連在家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)上，則與固定節(jié)點一樣工作，即不利用移動IP的功能；若得知已經(jīng)移動到外地網(wǎng)絡(luò)，連接在一條外地鏈路上時，移動主機則需要一個轉(zhuǎn)交地址。轉(zhuǎn)交地址的獲得可通過代理發(fā)現(xiàn)(Agent Discovery)或自動主機配置協(xié)議(DHCP)完成。

(4)移動主機通過移動IP定義的消息向家鄉(xiāng)代理注冊轉(zhuǎn)交地址。為防止拒絕服務(wù)攻擊，注冊消息要求安全認證。

(5)家鄉(xiāng)代理或家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)上其他一些路由器定期廣播移動主機家鄉(xiāng)地址網(wǎng)絡(luò)前綴的可達性，目的是吸引那些發(fā)往移動主機的數(shù)據(jù)包。如果數(shù)據(jù)包來自家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)的某個通信節(jié)點，則家鄉(xiāng)代理將采用采用代理ARP(地址解析協(xié)議)技術(shù)獲得數(shù)據(jù)包。當家鄉(xiāng)代理截獲數(shù)據(jù)包后，通過隧道技術(shù)將數(shù)據(jù)包傳送到移動主機的當前轉(zhuǎn)交地址。在轉(zhuǎn)交地址處，由外地代理或移動主機的一個端口將原始數(shù)據(jù)包從隧道中提取出來送給移動主機。

(6)若從移動主機發(fā)送數(shù)據(jù)包至目的節(jié)點，可按照通常IP路由規(guī)則，直接選路。此時，外地代理完成移動主機缺省路由器的功能。

3、cdma2000 1x系統(tǒng)分組域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

若在移動通信網(wǎng)中傳送高比特率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，就必須對移動通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)加以改進，使整個系統(tǒng)既適合傳送語音業(yè)務(wù)，又適合傳送高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。cdma2000 1x正是利用移動IP技術(shù)完成Internet的高速接入，在組建核心網(wǎng)分組域時，并沒有試圖建立一套自己獨有的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而是遵循“盡可能地利用通信領(lǐng)域已經(jīng)取得的成果”的原則，大量地利用成熟的IP技術(shù)和協(xié)議，構(gòu)造自己的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，以支持高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

3.1　網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在cdma2000 1x系統(tǒng)中通常提供兩種用戶接入Internet方式：簡單IP和移動IP。

MS--移動臺

VLR--訪問位置寄存器

RN--無線網(wǎng)絡(luò)

HLR--歸屬位置寄存器

PDSN--分組數(shù)據(jù)服務(wù)節(jié)點

RADIUS--遠程撥號接入用戶服務(wù)

FA--外地代理

HA--歸屬代理

RADIUS Broker--中間服務(wù)器

PCF--分組控制單元

如圖2所示，采用移動IP技術(shù)的cdma2000 1x系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖中，VLR和HLR是傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)的組成部分，經(jīng)過適當?shù)能浻布�升級，成為�?代移動通信系統(tǒng)中核心網(wǎng)的電路交換部分。PDSN，PCF，RADIUS，HA是為了支持分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而增加的功能實體，構(gòu)成了核心網(wǎng)分組域部分。其中：

*PCF

主要負責與BSC、MSC配合將分組數(shù)據(jù)用戶接入到PDSN上。根據(jù)cdma2000標準的相關(guān)規(guī)定，無線系統(tǒng)(BSS)通過A8和A9接口與PCF連接，PDSN與PCF的接口為A10/A11，移動用戶通過以上接口建立與PDSN數(shù)據(jù)應(yīng)用的連接，PCF具有建立維護終止與PDSN的兩層鏈路連接(PPP)，管理無線資源、路由選擇、緩沖分組數(shù)據(jù)等功能。

*PSDN

連接無線網(wǎng)絡(luò)RN和分組數(shù)據(jù)網(wǎng)的接入網(wǎng)關(guān)。主要功能提供移動IP服務(wù)，使用戶可以訪問分組數(shù)據(jù)網(wǎng)。PDSN作為移動IP技術(shù)中的外地代理(FA)，負責登記、計費和轉(zhuǎn)發(fā)用戶數(shù)據(jù)等工作。

*FA

在實現(xiàn)移動IP時，PDSN另一個角色是作為移動臺的外地代理，為移動臺提供臨時轉(zhuǎn)交地址和進行IP選路。對于發(fā)往移動臺的數(shù)據(jù)，F(xiàn)A從HA中提取IP數(shù)據(jù)包，轉(zhuǎn)發(fā)到移動臺。對于移動臺發(fā)送的數(shù)據(jù)，F(xiàn)A可作為一個缺省的路由器，利用反向隧道發(fā)往HA。

*HA

HA(家鄉(xiāng)代理)是MS在家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)中的路由器，負責維護MS的當前位置信息，建立MS的家鄉(xiāng)地址和轉(zhuǎn)交地址的綁定關(guān)系，也是隧道的起點。為了支持移動IP技術(shù)，cdma2000 1x系統(tǒng)必須增加家鄉(xiāng)代理(HA)功能單元，通過隧道負責轉(zhuǎn)發(fā)給用戶的分組數(shù)據(jù)，同時也負責對這些分組數(shù)據(jù)進行加密操作。

*RADIUS服務(wù)器

主要負責完成鑒權(quán)、計費、授權(quán)服務(wù)(AAA服務(wù))。

3.2　簡單IP和移動IP技術(shù)比較

簡單IP和移動IP技術(shù)各有自己的特點及適用范圍。

簡單IP技術(shù)類似于撥號上網(wǎng)，每次給移動臺分配的IP地址是動態(tài)可變的，可實現(xiàn)移動臺作為主叫的分組數(shù)據(jù)呼叫，協(xié)議簡單，容易實現(xiàn)，能提供目前撥號上網(wǎng)所能提供的全部分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。但移動主機的IP地址僅具有鏈路層的移動性，僅在PDSN服務(wù)區(qū)內(nèi)有效，跨PDSN切換時需要中斷正在進行的數(shù)據(jù)通信。

移動IP技術(shù)使移動臺可以以一個永久家鄉(xiāng)IP地址連接到任何外部網(wǎng)中，可實現(xiàn)移動臺作為主叫或被叫時的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通信，并保證移動臺在PDSN間切換時仍保持正在進行的通信。

相對于簡單IP，移動IP主要具有兩方面的優(yōu)勢：

(1)移動用戶可作為被叫，使用固定的家鄉(xiāng)地址實現(xiàn)真正的永遠在線和自由移動，這便于因特網(wǎng)服務(wù)提供商(ISP)和移動通信運營商之間開展豐富的PUSH業(yè)務(wù)(廣告、新聞、話費通知等)以及提供非實時性多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

(2)移動IP提供了安全的虛擬專網(wǎng)(VPN)機制，無論何時、何地移動用戶都可以通過隧道與企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信，而不需要修改任何有關(guān)IP參數(shù)。

4、基于移動IP的cdma2000 1x系統(tǒng)協(xié)議結(jié)構(gòu)

在cdma2000 1x系統(tǒng)中實現(xiàn)移動IP技術(shù)，為用戶提供高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，不僅需要組建硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，還需要相應(yīng)協(xié)議軟件的支持。
 
　　PCF和PDSN間的無線包數(shù)據(jù)R-P接口，屬于A接口的一部分，又稱A10和All，承載PPP(點到點)協(xié)議，完成無線信道和有線信道的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

RN包括基站控制器(BSC)、基站(BTS)和分組控制功能模塊(PCF)，構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)。

移動主機和無線網(wǎng)絡(luò)(RN)的接口，即空中接口。由無線鏈路、MAC、LAC、PPP和IP層組成，其中MAC為媒體接入控制，主要完成各邏輯信道上多種業(yè)務(wù)的復用和QOS控制等功能；LAC為鏈路接入控制，主要功能是保證系統(tǒng)控制信令消息的正確傳輸；無線鏈路完成各種物理信道的處理，包括無線信道的數(shù)據(jù)編解碼和調(diào)制解調(diào)等過程。MAC、LAC和空中接口組成無線信道。

從數(shù)據(jù)通信的角度來看，PDSN和HA具備路由器的功能。HA和PDSN間的通信協(xié)議是標準的TCP/IP協(xié)議，采用隧道技術(shù)保證數(shù)據(jù)的安全傳輸。根據(jù)移動IP的規(guī)定，隧道的終點可設(shè)置在移動主機，也可設(shè)置在外部代理(PDSN)，但在cdma20001X系統(tǒng)將隧道的終點設(shè)置存PDSN(即外部代理)。這是因為隧道技術(shù)本身需要數(shù)據(jù)報的重新封裝，從而增加傳送的額外負荷，這對無線資源有限的無線信道來說是不利的，考慮到在無線信道編碼過程中已采用可靠的加密算法，因而不需要使用隧道技術(shù)提供的安全手段。

5、移動IP在cdma2000 1x系統(tǒng)中實現(xiàn)步驟

在cdma2000 1x系統(tǒng)中通過分組域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的組建和協(xié)議的設(shè)置，為移動IP技術(shù)實現(xiàn)提供軟硬件的支持。在cdma2000 lx系統(tǒng)中移動IP技術(shù)的實現(xiàn)步驟如下：

(1)在MS與PDSN之間通過A8/A9和A10/A11接口，建立一條點對點，PPP)鏈路。

(2)PDSN/FA通過PPP鏈路和BSS進行代理廣播。

(3)MS收到代理廣播消息之后確定目前所處位置。

(4)當MS確定已經(jīng)漫游到外地網(wǎng)絡(luò)中，則從外地網(wǎng)絡(luò)獲得一個臨時的轉(zhuǎn)交地址。

(5)在外地網(wǎng)絡(luò)的MS用轉(zhuǎn)交地址向HA進行注冊。

(6)所有發(fā)送至MS的分組數(shù)據(jù)均被HA截獲，然后通過隧道送至MS轉(zhuǎn)交地址(PDSN)，在隧道終點解封，將分組數(shù)據(jù)送至MS。

(7)對于MS發(fā)出的分組數(shù)據(jù)可根據(jù)標準IP路由尋址，無需經(jīng)過HA轉(zhuǎn)發(fā)。

(8)一個PDSN可以通過多個PCF與多個無線接入網(wǎng)相連，當MS在同一個PDSN/FA內(nèi)切換或漫游時，PDSN將相應(yīng)切換至相應(yīng)PCF，當MS存PDSN間切換時，首先切換物理信道，MS通過新物理信道建立新的PDSN。

6、結(jié)束語

通過蜂窩移動通信網(wǎng)接入Internet已成為第3代移動通信系統(tǒng)研究的關(guān)鍵課題之一，在IMT-2000標準中已明確規(guī)定，第3代移動通信系統(tǒng)必須支持移動IP分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。作為3G標準之一，cdma2000 分組網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建立在傳統(tǒng)IP技術(shù)基礎(chǔ)上，充分利用了TCP/IP領(lǐng)域已取得的成果，是一種頗具特色的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在cdma2000 1x系統(tǒng)中采用移動IP技術(shù)為移動用戶提供高速分組數(shù)據(jù)，充分體現(xiàn)了移動通信網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)相互融合，為全IP網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供新的思路和途徑，日益受到業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注。