专用无线IP城域网的网络层设计与实现

   随着无线技术和集成电路技术的发展,无线通信得到了广泛的应用。以电话业务为主的移动运营商都对无线数据业务提供了支持,但是作为为大众服务的公共电信,数据传输能力是在多用户之间共享的,对一些特殊部门:如公安、消防等在需要时很难保证得到有效的带宽支持,何况其中往往有一些不适合在公共电信网络里传输的敏感信息。这些决定了公共无线数据业务在这些专业部门难以得到有效应用。

   另一方面,随着三金工程的实施,这些部门逐步建立了较完善的遍布全市的有线网络,例如,公安系统的光纤敷设到了基层派出所。因此,选取恰当的基层单位,利用有线网络,架设覆盖一定范围的无线通信基站可以实现网络的全市覆盖,从而实现无线IP城域网。

   方案设计

   系统的构成如图1所示。图中BS是无线基站,它与有线网络相连,MS是移动终端。SCC是系统控制中心,它包含BS、用户和终端数据库,操作人员通过CMT 管理平台实现数据的录入与修改。在SCC中,每个用户包含了账号与密码、业务权限等静态参数,在用户登录时,SCC给终端分配IP地址,并记录用户接入的 BS地址等动态参数。SCC还要对每个BS和终端设备进行鉴权和管理,避免丢失的设备接入系统而损害系统安全性。

 

 

   SPC 为业务处理中心,是系统中的业务处理单元,它支持任意类型的IP业务,为分散业务处理负荷,系统中允许若干个SPC存在,每个SPC独立运作,完成一个或若干个目的IP段的业务处理功能。每个SPC至少有两个网络接口,一个分配用于与SCC和BS的通信的IP地址,另外的接口作为无线网络的网关接口,按照有线网络的路由协议,该SPC处理的IP业务段将按照目的IP地址被路由到对应的接口上,从而可被SPC截获,并完成业务的转发功能。例如,在图2中,某 SPC有三个网络接口,10.3.23.50作为SPC自身的IP地址,用于与SCC和BS的基于TCP的通信,而10.72.0.0/20和 10.72.224.0/19为网关接口,以10.72.0.0/20和10.72.224.0/19为目的地址段的报文将被路由到对应的SPC接口上。

 

 

   系统启动后,BS和SPC分别与SCC建立连接,完成各BS和SPC的初始化过程,随后SCC向每个BS下发SPC列表,通知各BS每个SPC的地址和处理的IP业务范围,各BS随后建立与每个SPC的IP隧道。

   每个终端开机后,首先扫描无线信道,寻找信号最佳的BS作为接入节点,向该BS发起入网请求,在该请求中包含设备串号、用户标识、用户密钥等信息,BS将对应的信息转发给SCC,SCC鉴权通过后,登记该用户的接入基站,修改用户状态,根据用户属性,为用户分配IP地址,并通知对应的BS和终端,完成用户的入网过程。随后SCC根据刚分配的IP地址,确定处理该终端业务的SPC,通知该SPC终端接入位置(即BS的地址)。以后每次终端状态改变时,SCC都将及时将状态推送到对应的SPC,使得SPC中保存的用户状态最新。

   进入无线网络中的IP包可以由无线终端产生,或者由无线网之外的节点产生。无线终端产生的IP包首先被对应的基站接收到,基站选择处理该用户业务的SPC,将完整IP报文通过基站与SPC之间的隧道转发到SPC,SPC将从TCP消息中提取到终端的原始报文,如果目的地址在自己的处理范围内,则查找对应目的地址所在的基站,将原始报文再次以隧道方式转发给目的基站,由目的基站通过无线接口下发给目的终端处理;否则SPC对原始报文加入二层帧头,转发给对应的路由器,使得该报文进入内部网络,经过正常的路由过程送到目的终端或者路由到其他SPC的网关接口进行处理。

   按照设计过程,无线网外进入网内的报文将按照目的地址进行路由,必然会路由到某个SPC的网关接口上。综合以上,当SPC接收到IP报文时,将按照图3对报文进行处理。

 

 

   终端在移动过程中,需要进行位置更新。为此,终端不停检测网络信号,发现有信号更好的小区时,终端向新小区的BS发起切换请求,BS响应并转发切换请求至 SCC,SCC更新用户状态,并通知SPC用户新位置,SCC向原接入小区发出切换通知,并向新小区发送确认消息,流程如图4所示。

 

 

   路由方案分析与比较

   通过以上分析可以看出,该方案中充分利用了原有的网络,对原有有线网络进行了无线扩展。这个方案中,需要对移动终端预留部分地址,并对这些地址段进行必要的路由设置,除此之外,不需要对原有的网络做更多的调整,就可以满足需要。整个方案中,支持全IP业务,业务可以由终端产生,也支持移动终端作为移动服务器 (通过固定用户的IP地址即可)。系统中可以根据需要增加SPC,设置BS,不影响其他任何网络用户,使得扩展无线子网后,对原有网络的影响减为最小。

   没有采用移动IP方案进行终端的路由方案,主要有三点原因:一是移动IP方案中,在每个涉及到的网段都要添加家乡代理和外地代理,系统维护工作量大;二是移动IP方案需要移动终端的支持,并会在无线接口上产生众多的无线广播消息;三是移动IP是一个一般性的解决方案,适用于在互联网上支持移动性,分布式的业务转发方式不利于进行业务记录等。

   目前研究热点的802.16的网络层,它的技术有待进一步标准化,设备的产品化有待成熟,也不适合专业网的特定背景。这里提出了一种新的支持终端移动的IP接入方案,并软件实现了其中SCC,SPC,BS的功能。我们利用一台路由器将他们连接起来,通过PC机模拟终端的入网和移动操作,证明了这种方案的可行性。后续工作将主要集中在利用WiMax建立无线试验系统,并研究在城域范围内无线布网的问题。