文/韓穎錚 陸以勤

基于Femtocell的校園無線接入及融合

文/韓穎錚 陸以勤

隨著無線技術(shù)的發(fā)展和普及，校園內(nèi)筆記本電腦、智能手機等移動終端比例越來越高，校園內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)需求旺盛。我國部分高校已完成了校園無線網(wǎng)絡(luò)的全面布網(wǎng)或局部布網(wǎng)。當(dāng)前高校內(nèi)部署的WLAN主要是采用Wi-Fi技術(shù)，但Wi-Fi的安全性一直是學(xué)校網(wǎng)絡(luò)管理人員所擔(dān)心的問題。雖然Wi-Fi的最新標(biāo)準(zhǔn)802.11n，已經(jīng)能夠提供300～600Mbps的速率，但是依然沒有解決覆蓋面積小、網(wǎng)管不強大、系統(tǒng)不安全等問題。另外，移動運營商的3G網(wǎng)絡(luò)基本完成架構(gòu)，提供以HTTP應(yīng)用為主的小流量上網(wǎng)業(yè)務(wù)，學(xué)生在校園內(nèi)利用3G網(wǎng)絡(luò)的上網(wǎng)行為已完全可以避開學(xué)校的監(jiān)管。運營商為了彌補3G室內(nèi)信號覆蓋和容量的不足，且出于搶占高校用戶的戰(zhàn)略目的，也不斷向?qū)W校提出校園無線網(wǎng)絡(luò)合作意向。如何應(yīng)對旺盛的無線網(wǎng)絡(luò)需求，維護校園無線網(wǎng)絡(luò)安全，維護學(xué)校和校內(nèi)用戶的合理利益，加強校內(nèi)學(xué)生上網(wǎng)行為的引導(dǎo)，和運營商采取何種合作模式，都是當(dāng)前學(xué)校信息網(wǎng)絡(luò)部門需要思考和探索的問題。

WCDMA的Femto產(chǎn)品在部分國家已經(jīng)開始使用，而聯(lián)通也在國內(nèi)開始了友好用戶的試用，并在天津大學(xué)部署了試驗網(wǎng)。

圖1 Femtocell網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意

當(dāng)前無線校園網(wǎng)特征

當(dāng)前校園內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)布網(wǎng)，主要是采用Wi-Fi技術(shù)組建WLAN，其建設(shè)方式有學(xué)校獨立自主地完成布網(wǎng)，或是與運營商合作布網(wǎng)，提供學(xué)校和運營商用戶在校園內(nèi)的接入。與3G相比，Wi-Fi有帶寬優(yōu)勢。針對校園無線網(wǎng)絡(luò)，目前運營商正在積極推進3G+Wi-Fi的模式進行布網(wǎng)。但Wi-Fi屬于局域網(wǎng)技術(shù)，與傳統(tǒng)運營商的移動通信網(wǎng)的無線接入不能兼容，并且對于多個運營商和學(xué)校用戶，本身不能提供統(tǒng)一認證平臺。目前，在校園網(wǎng)內(nèi)的Wi-Fi系統(tǒng)，對于不同類型的用戶都是采取雙認證和多認證的。從安全角度， Wi-Fi和3G這兩個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，其安全處理技術(shù)是不同的。鑒于此，國內(nèi)外正在研究基于移動通信框架、可以完全取代Wi-Fi的寬帶無線接入技術(shù)。例如，國內(nèi)三大運營商已經(jīng)開始了Femtocell的標(biāo)準(zhǔn)制定和試驗。Femtocell是移動通信網(wǎng)和有線網(wǎng)的結(jié)合，提供寬帶無線網(wǎng)絡(luò)連接，作為3G、4G通信網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)補充。據(jù)了解，WCDMA的Femto產(chǎn)品在部分國家已經(jīng)開始使用，而聯(lián)通也在國內(nèi)開始了友好用戶的試用，并在天津大學(xué)部署了試驗網(wǎng)。3 G網(wǎng)絡(luò)具有較大的未來發(fā)展優(yōu)勢，校園豐富的網(wǎng)絡(luò)資源及其安全性也不容忽視，如何充分地利用目前主流的3G、4G技術(shù)高效安全地部署校園無線網(wǎng)絡(luò)，是一個值得研究和探討的問題。

因此，在當(dāng)前的形勢下校園內(nèi)進行大規(guī)模地僅采用Wi-Fi模式完成WLAN的建設(shè)，并不是一種最佳的方案。

圖2 兩種旁路方案示意圖

基于Femtocell的無線接入技術(shù)

Femtocell被稱為微微小區(qū)，源于3G技術(shù)，是一種小型、低功率蜂窩基站，通過有線寬帶連接到Internet，為室內(nèi)用戶提供高質(zhì)量的語音服務(wù)和寬帶無線網(wǎng)絡(luò)連接，主要運用于家庭及辦公室等室內(nèi)場所，作為蜂窩網(wǎng)在室內(nèi)覆蓋的補充。Femtocell融合了移動通信、有線寬帶，在產(chǎn)品化時還可以融合家庭網(wǎng)關(guān)、數(shù)字電視等，是三網(wǎng)融合的體現(xiàn)。Femtocell在空中接口使用標(biāo)準(zhǔn)的無線協(xié)議，主要包括GSM、CDMA、WCDMA、EVDO、LTE、WiMax。因此，空口側(cè)的安全度將比Wi-Fi更高。

在家庭或企業(yè)內(nèi)部場景中，F(xiàn)emtocell與Modem連接，通過IP網(wǎng)傳輸?shù)竭\營商的核心網(wǎng)。那么，在校園中部署Femtocell，所有Femto設(shè)備都連接到一個接入設(shè)備中，該設(shè)備作為校園Femtocell系統(tǒng)的總出口。Femtocell的簡單網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

Femtocell的一個特點是采用運營商的授權(quán)頻段，這使它比Wi-Fi更適合校園應(yīng)用。影響無線網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量最重要的因素之一就是干擾，如果同一個覆蓋區(qū)域存在多個工作于同頻段的A P，將產(chǎn)生相互干擾，而導(dǎo)致傳輸速率迅速下降。WLAN中的Wi-Fi采用免授權(quán)頻段，而當(dāng)前還沒有較好的方案使運營商共享WLAN資源，如果由某運營商投入建設(shè)和認證，其他運營商無法再投入建設(shè)或通過同一套系統(tǒng)進行接入，這損害了校園用戶的選擇權(quán)。Femtocell采用運營商的授權(quán)頻段，同一區(qū)域多個運營商同時進行Femtocell布網(wǎng)，采用各自的授權(quán)頻段，通過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化可以避免干擾的問題，甚至利用合路技術(shù)通過同一套天饋系統(tǒng)提供多個運營商的Femtocell服務(wù)和校園WLAN服務(wù)，還可以節(jié)省硬件資源，降低維護工作量。Femtocell服務(wù)由運營商提供、WLAN服務(wù)由學(xué)校提供，校園用戶將有更多的選擇。

《FEMTO網(wǎng)絡(luò)IP流量旁路方案研究》提出了一種Femtocell網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流旁路技術(shù)，解決了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增大3G核心網(wǎng)負擔(dān)的問題。本文結(jié)合校園網(wǎng)實際情況，在此基礎(chǔ)上提出基于Femtocell的校園無線接入技術(shù)方案。

由于Femtocell同時提供話音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。因此不管采用何種方案，手機的話音業(yè)務(wù)和信令流都通過安全傳輸通道接入到3G核心網(wǎng)。而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則可以分流出來，采用不同的接入方案。筆者提出了兩種數(shù)據(jù)流接入方案，以實現(xiàn)Femtocell與校園網(wǎng)的融合。

方案1：所有數(shù)據(jù)流都透明接入到運營商網(wǎng)絡(luò)

方案1中，數(shù)據(jù)流全部透明接入到運營商網(wǎng)絡(luò)。這與在其它地方部署Femtocell沒有任何區(qū)別，學(xué)校只是提供了場所。如果校園內(nèi)無線接入用戶想訪問校園網(wǎng)絡(luò)資源，必須通過VPN或者校內(nèi)代理，從3G網(wǎng)絡(luò)訪問校園網(wǎng)。這種方案是最簡單的，但會導(dǎo)致多重驗證和網(wǎng)絡(luò)資源的浪費，降低用戶體驗效果。

方案2：在Femtocell校園接入節(jié)點上進行數(shù)據(jù)分流

方案2中，通過校園網(wǎng)接入認證的數(shù)據(jù)流直接接入校園網(wǎng)，非校園網(wǎng)用戶的數(shù)據(jù)流則透明接入運營商網(wǎng)絡(luò)。

這種方案的技術(shù)特點包括以下幾點：

（1）區(qū)分校園用戶接入和非校園用戶接入

只有通過校園網(wǎng)接入認證的用戶數(shù)據(jù)流，才能直接進入校園網(wǎng)絡(luò)，由校園網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)的路由，這種用戶與其他校園網(wǎng)內(nèi)有線用戶一樣，分享校園網(wǎng)的數(shù)據(jù)資源。對于非校園用戶，接入設(shè)備將數(shù)據(jù)流直接接入運營商網(wǎng)絡(luò)，因此非校園網(wǎng)用戶的接入與校外的普通3 G接入沒有差異。

（2）校內(nèi)用戶區(qū)分等級

可以進行區(qū)分用戶等級的配置，例如，教師相對于學(xué)生具有更高的優(yōu)先級，獲得更好的服務(wù)質(zhì)量。

（3）健全的安全接入認證機制

安全性一直是校園網(wǎng)絡(luò)的重點和關(guān)鍵問題，部署Femtocell架構(gòu)的無線校園網(wǎng)時，學(xué)校掌握接入控制權(quán)和安全認證權(quán)。

（4）QoS功能

Femtocell具有較為完善的QoS機制，可以根據(jù)校園實際情況對不同區(qū)域、不同業(yè)務(wù)和不同用戶采用不同的服務(wù)策略，以實現(xiàn)最優(yōu)的校園無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)效率。

（5）實現(xiàn)多網(wǎng)共存

在同一區(qū)域可以同時實現(xiàn)多個運營商的Femtocell服務(wù)和校園WLAN服務(wù)，校園用戶不管采用哪種無線接入方式都可以通過校園統(tǒng)一認證接入到校園網(wǎng)。

筆者針對移動通信3G技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r和當(dāng)前無線校園網(wǎng)的特征，根據(jù)校園內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求和管理需求，提出了一種基于Femtocell的校園無線接入及融合方案，該方案可以充分地綜合利用3G技術(shù)和校園網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢。值得注意的是，目前Femtocell標(biāo)準(zhǔn)制定和產(chǎn)品生產(chǎn)都受到運營商的主導(dǎo)，校園網(wǎng)絡(luò)信息部門如果要在未來充分利用和合理掌控Femtocell部署方案，需要進一步熟悉這項技術(shù)，掌握主動權(quán)。

(作者單位為華南理工大學(xué)信息網(wǎng)絡(luò)工程研究中心)