專利名稱：用于透明、安全地將wlan無線電接入網(wǎng)與gprs/gsm核心網(wǎng)絡互連的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線局域網(wǎng)(WLAN)與蜂窩網(wǎng)絡的互通，以便為蜂窩網(wǎng)絡提供分組數(shù)據(jù)業(yè)務的連接性，本發(fā)明特別地涉及基于GSM的蜂窩網(wǎng)絡。本發(fā)明還涉及為沒有提供安全性和保密性的網(wǎng)絡單元添加安全性和保密性的技術。
背景技術：
需要一種為GSM業(yè)務客戶提供高速無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的解決方案。希望在不修改任一GSM業(yè)務的核心網(wǎng)絡單元，尤其是已經(jīng)部署用于支持GSM分組無線電業(yè)務(GPRS)的核心網(wǎng)絡單元的情況下實現(xiàn)上述目的。由于不改動核心網(wǎng)絡，所以相信能夠降低向GSM網(wǎng)絡添加高速無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的成本。
必須盡可能高效和低成本地添加高速無線業(yè)務從而與綜合業(yè)務競爭。實現(xiàn)這一目的的第一步驟將是使用基于標準的網(wǎng)絡單元，例如但并不限制于使用IEEE 802.11b網(wǎng)絡協(xié)議的WLAN設備。然而，這些網(wǎng)絡協(xié)議是較為初級的，僅僅為定義了七層協(xié)議棧的典型的開放系統(tǒng)互連(OSI)的前兩層提供了規(guī)范物理層以及媒體接入和控制(MAC)層。
圖1圖示用于無線WLAN的IEEE 802.11和互聯(lián)網(wǎng)工程任務組(IETF)協(xié)議棧所應用的常規(guī)OSI模型。過去，為了在頂部或應用層上使此協(xié)議棧與GSM協(xié)議?；ミB，必須提供應用網(wǎng)關。這種為GSM/GPRS業(yè)務提供與WLAN系統(tǒng)的配合操作的接口方法是很困難的，因為GSM/GPRS業(yè)務是基于完全不同的標準，并提供了在IETF和IEEE802.11b協(xié)議棧內沒有的許多特征。例如，IETF系統(tǒng)并未提供支持GSM業(yè)務所需要的功能。IETF協(xié)議并未提供用于與GSM鑒權系統(tǒng)配合操作的安全鑒權系統(tǒng)，記帳功能的格式不同，客戶IP地址的分配在網(wǎng)絡協(xié)議棧的不同層上進行處理，漫游特征不兼容，而且IETF并未規(guī)定在GSM中詳細規(guī)定的微移動性越區(qū)切換協(xié)議。實際上，當配合操作IETF和GSM系統(tǒng)時，典型的GSM業(yè)務將僅僅部署兩個獨立的系統(tǒng)，并事后合并帳目。這種解決方案是不理想的，因為GSM運營商很難管理兩個完全不同的客戶數(shù)據(jù)庫，提供用于它們希望部署的每種其它業(yè)務的兩個不同的服務器和客戶機，并使用不同的網(wǎng)絡管理系統(tǒng)來管理兩種完全不同的網(wǎng)絡系統(tǒng)。
因此，需要提供一組互通網(wǎng)絡單元，用于在WLAN無線電接入網(wǎng)絡上轉換業(yè)務或者提供其它業(yè)務。此外，希望以幾乎不需要或者不必修改GSM系統(tǒng)的方式提供一種用于互通單元的結構。
已經(jīng)進行了多種努力來解決和改善使用了WLAN的高速數(shù)據(jù)業(yè)務的部署。若干銷售商提供這樣一種方法，該方法使用WLAN和傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務供應商(ISP)核心網(wǎng)絡之間的互通單元。在這種方法中，將提供物理層和MAC層功能的WLAN接入點(AP)連接到經(jīng)過修改的網(wǎng)際協(xié)議(IP)路由器。這些路由器通常支持路由選擇層IETF標準，例如但不限制于路由選擇網(wǎng)際協(xié)議(RIP)，它們通常使用基于IETF標準的鑒權和記帳系統(tǒng)，這些系統(tǒng)使用諸如但不限制于遠程接入撥入用戶業(yè)務(RADIUS)的協(xié)議。
在認識到這些問題之后，多個銷售商(加利福尼亞州圣克來克市的思科公司、瑞典斯德哥爾摩的Service Factory公司和朗訊技術公司)已經(jīng)試圖提供互通單元以便處理上述的每種故障和許多其它問題。例如，多個銷售商已經(jīng)在接入點上添加了功能部件，從而添加更高的網(wǎng)絡層功能，例如鑒權和安全性。這種方法并不理想，原因是現(xiàn)在并沒有涉及這一領域的IETF標準。因此，使用專用化的接入點要求GSM/GPRS業(yè)務僅部署那些能夠支持這些專用協(xié)議的AP。此外，一些已經(jīng)在他們的WLAN客戶硬件中內置了其它功能部件和功能的銷售商已經(jīng)限制了客戶可用于連接到網(wǎng)絡的網(wǎng)絡接口卡的類型，因而導致了其它的不兼容性，如果用戶無法選擇使用個人定制的接口，則不是人們所希望的。
在認識到這些問題之后，一些銷售商(芬蘭的諾基亞、思科系統(tǒng)公司、瑞典的IP Unplugged和加利福尼亞州圣克來克市的PC Tel公司)已經(jīng)把精力集中到通過添加所謂的計費網(wǎng)關來向記帳和供應系統(tǒng)提供后端解決方案。這些網(wǎng)關將來自標準IETF系統(tǒng)的記帳記錄轉換成GSM/GPRS業(yè)務所使用的專用系統(tǒng)。因為沒有計費系統(tǒng)的標準，所以難以確保新的和未來的對現(xiàn)有業(yè)務的修改的透明性。
在認識到這些問題之后，其它的銷售商(得克薩斯州休斯頓市的Transat和加利福尼亞州的Interwave of Menlo Park)已經(jīng)建立了使用WLAN設備與客戶進行通信的獨立GSM/GPRS系統(tǒng)，從而替換了存在于GSM/GPRS核心網(wǎng)絡內的所有核心網(wǎng)絡功能和性能。這種系統(tǒng)也是人們不希望的，因為GSM/GPRS業(yè)務必須依舊使用不同的管理和配置命令以及其它的硬件與軟件來操作兩種完全不同的網(wǎng)絡，即使它向GSM運營商提供了更為人熟知的替代網(wǎng)絡。
因此，需要一種WLAN無線電接入網(wǎng)絡和GSM/GPRS核心網(wǎng)絡之間的互通系統(tǒng)，它使GSM業(yè)務能夠透明地在這個新的無線電接入網(wǎng)絡上連到用戶，同時向GSM客戶提供客戶期待的所有業(yè)務。此外，如果幾乎不用修改或不進行修改就能夠擴展這種互通網(wǎng)絡，并從而支持其它的無線電接入網(wǎng)絡(例如3G，802.11a)或高性能無線電局域網(wǎng)(HIPERLAN)，那么這將是非常有用的。這樣一種系統(tǒng)將使得不需要修改WLAN單元，并將在盡可能最低的網(wǎng)絡層上互連兩個網(wǎng)絡，并在盡可能低的網(wǎng)絡層上提供其它的功能部件，從而能夠最佳地使用已經(jīng)部署的GSM標準。應當通過獨立的網(wǎng)絡單元來提供這些功能部件。這樣，僅通過很少的工作就能夠將功能添加給其它的無線電接入網(wǎng)絡。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于將WLAN無線電接入網(wǎng)絡集成到GSM/GPRS核心網(wǎng)絡內的方法和系統(tǒng)，其中添加用于在諸如WLAN和GSM的兩種不同網(wǎng)絡之間透明地傳輸業(yè)務的網(wǎng)關。本發(fā)明的另一方面是安全鑒權。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)具有兩個網(wǎng)絡單元，即無線電鏈路管理器(RLM)和無線電接入控制器(RAC)，以及軟件應用程序，即多鏈路客戶程序(MLC)，以便控制集成的功能。MLC駐留在用戶設備上，所述用戶設備例如但并不限制于筆記本電腦、PDA或蜂窩電話機。WLAN無線電接入網(wǎng)絡(RAN)包括客戶無線電設備，其通常內置于客戶計算設備內或者通過PCMCIA卡安裝；以及接入點(AP)，該接入點將來自客戶無線電設備的無線信號轉換到有線網(wǎng)絡協(xié)議上。根據(jù)本發(fā)明的方法，為了將這個RAN連接到GSM/GPRS核心網(wǎng)絡，無線電鏈路管理器位于AP和核心網(wǎng)絡(CN)之間，并提供用于來自客戶計算設備上MLC軟件的安全連接的端點。RLM將來自MLC的鑒權消息轉發(fā)給RAC。RAC提供協(xié)議棧和互通功能從而允許MLC與歸屬位置寄存器(HLR)通話，所述歸屬位置寄存器(HLR)是在GSM核心網(wǎng)絡內處理鑒權的標準網(wǎng)絡單元。在鑒權客戶之后，RLM和MLC使用以太網(wǎng)上的點對點協(xié)議(PPP)(PPPOE)建立一條“隧道(tunnel)”，RLM將在這條隧道上接收到的所有數(shù)據(jù)分組轉發(fā)給網(wǎng)關GPRS支持節(jié)點(GGSN)，該節(jié)點是在GSM/GPRS網(wǎng)絡內提供與互聯(lián)網(wǎng)或其它分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的互連的標準網(wǎng)絡單元。為了執(zhí)行這種轉發(fā)，RLM使用GPRS隧道化協(xié)議(GTP)建立一條從RLM到GGSN的隧道。可選擇地，數(shù)據(jù)鏈路隧道可以從RLM到作為全球分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡一部分的具有隧道化能力和地址分配能力的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關。例如一般路由封裝(GRE)協(xié)議、IP隧道化中的IP、第二層傳輸協(xié)議(L2TP)、移動IP和與全異網(wǎng)狀網(wǎng)絡有關的Metricom的Ricochet隧道化協(xié)議。也可以存在等效但當前無法預測的其它例子。
這兩個網(wǎng)絡可以無縫地協(xié)同工作，允許客戶繼續(xù)接收GSM中當前可用的所有網(wǎng)絡業(yè)務，而與在特定時間上使用的無線電接入網(wǎng)絡無關。
通過參考下面結合附圖的詳細描述，將更好地理解本發(fā)明。


圖1圖示用于IEEE WLAN規(guī)范的網(wǎng)絡棧和用于網(wǎng)際協(xié)議的由IETF規(guī)定的網(wǎng)絡棧，并將其與OSI網(wǎng)絡模型相互比較(現(xiàn)有技術)。
圖2圖示根據(jù)本發(fā)明的用于WLAN結構的ipLAN。
圖3圖示根據(jù)本發(fā)明的升級以支持GPRS和WLAN的GSM網(wǎng)絡。
圖4圖示在本發(fā)明特定實施例中所必需的用戶裝置。
圖5圖示在用于WLAN的ipRAN各個單元和用于客戶鑒權的GSM/GPRS核心網(wǎng)絡之間傳送的消息。
圖6圖示在無線電鏈路管理器和無線電接入控制器之間在RR協(xié)議中分組格式的優(yōu)選實施例。
具體實施例方式
本發(fā)明是一種用于將無線局域網(wǎng)無線電接入網(wǎng)絡(WLAN RAN)連接到升級后具有GPRS能力的GSM蜂窩電話系統(tǒng)的方法和設備。為了提供GPRS能力，GSM網(wǎng)絡必須添加服務GPRS支持節(jié)點(SGSN)304和網(wǎng)關GPRS支持節(jié)點(GGSN)326，如圖3所示。
為了理解本發(fā)明所代表的改進，先認識那些在現(xiàn)有技術中已知的單元是很有用的。在圖3的左側圖示了GSM/GPRS內的標準網(wǎng)絡單元。在GPRS升級之前，蜂窩系統(tǒng)支持從基站控制器(BSC)303路由選擇到移動交換中心(MSC)327再到公用交換電話網(wǎng)(PSTN)329的話音呼叫。對于支持數(shù)據(jù)的GPRS來說，數(shù)據(jù)連接從BSC 303路由選擇到SGSN 304，然后到GGSN 326，再到分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(PDN) 306。用于GPRS的空中信號路徑在物理上與用于語音呼叫的路徑相同。然而，GPRS在所有的連接上使用不同的協(xié)議。在常規(guī)操作中，用戶設備301支持GPRS無線電空中鏈路313，并向基站發(fā)射機服務器(BTS)302發(fā)送分組。BTS 302使用幀中繼或其它協(xié)議在直接連接14上將這些分組轉發(fā)給BSC之一303。BTS 302和BSC 303還處理話音呼叫和這種業(yè)務所需要的所有其它的復雜性。然而，數(shù)據(jù)分組始終通過直接連接315選擇路由發(fā)送給SGSN 304。SGSN 304然后通過網(wǎng)絡連接317將數(shù)據(jù)分組選擇路由發(fā)送給GGSN 326，通常是使用基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的GTP。SGSN304還按照GPRS協(xié)議中的定義來調整和記錄數(shù)據(jù)分組連接的服務質量(QoS)、分組數(shù)量和連接的持續(xù)時間。SGSN 304在直接連接316上將這個信息發(fā)送給計費網(wǎng)關功能305，從而允許根據(jù)服務質量(QoS)為用戶計費。SGSN 304還在七號信令系統(tǒng)(SS7)類型的網(wǎng)絡324上使用移動應用部分(MAP)協(xié)議將來自用戶裝置(UE)301內的用戶識別模塊(SIM)417(圖4)的鑒權協(xié)議中繼到歸屬位置寄存器(HLR)311。GGSN 326通常使用網(wǎng)際協(xié)議將網(wǎng)絡319上的數(shù)據(jù)分組選擇路由發(fā)送給公用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(PDN)306，通常是互聯(lián)網(wǎng)。
根據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)在參考圖3右側，最終將從支持WLAN的UE 309發(fā)送的數(shù)據(jù)分組發(fā)送給PDN 306。在WLAN空中鏈路322上將數(shù)據(jù)分組從UE 309發(fā)送給WLAN接入點(AP)308。AP 308在橋接網(wǎng)絡321上將所述分組轉發(fā)給無線電鏈路管理器(RLM)307，所述橋接網(wǎng)絡321通常是以太網(wǎng)，但也可以在DSL、光纖或其它合適的物理介質上。RLM307在通常使用基于網(wǎng)際協(xié)議的GTP(GTP/IP)的網(wǎng)絡320上將數(shù)據(jù)分組轉發(fā)給GGSN 326。GGSN 326然后在通常使用網(wǎng)際協(xié)議的網(wǎng)絡連接319上將這些數(shù)據(jù)分組轉發(fā)給分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡306。在這里所描述的發(fā)明中，用于向WLAN提供互通功能的網(wǎng)絡單元在RLM 307上僅根據(jù)需要將來自UE 301的協(xié)議的數(shù)據(jù)分組和控制分組劃分到不同的網(wǎng)絡單元。在通常使用基于網(wǎng)際協(xié)議的RLM到RAC(RR)協(xié)議的網(wǎng)絡連接325上將鑒權分組選擇路由到無線電接入控制器(RAC)310。RAC 310在使用MAP的SS7網(wǎng)絡323上將鑒權分組轉發(fā)給HLR 311。在通過多鏈路客戶軟件使用其SIM卡來支持WLAN 309的UE上運行鑒權協(xié)議。在GPRS或WLAN內，GGSN 326在直接連接318上將計費數(shù)據(jù)發(fā)送給計費網(wǎng)關功能305。計費網(wǎng)關功能記錄由UE 309或301發(fā)送給PDN 306的數(shù)據(jù)分組的總連接時間和質量。
與BTS 302可以提供空中鏈路313上的QoS的GPRS情況不同，在WLAN的情況下，在空中鏈路322上沒有QoS。在GPRS中，通過直接鏈路316從SGSN 304將這個信息記錄和發(fā)送給計費網(wǎng)關功能305。在WLAN的情況下，不需要這種信息，因此可以忽略此信息。
對于具有GGSN 326和計費網(wǎng)關功能305的GSM的核心網(wǎng)絡單元，WLAN連接現(xiàn)在模擬GPRS連接。RLM 307模擬SGSN 304到GGSN 326的連接。RAC 310模擬SGSN 304到HLR 311的連接，而WLAN不再需要SGSN 304到計費網(wǎng)關功能的連接，因為在WLAN空中鏈路上沒有QoS能力。這樣，可以以用戶GPRS業(yè)務的相同進入方式，使為特定用戶提供的WLAN業(yè)務進入HLR 311。也可以以完全模擬的方式在計費網(wǎng)關功能305內執(zhí)行計費。因而，使用RLM 307和RAC 310所提供的互通功能，能夠在不對核心網(wǎng)絡進行修改或者不對用于在所述核心網(wǎng)絡上管理和提供業(yè)務的任何程序進行修改的情況下，將WLAN RAN連接到GSM/GPRS核心網(wǎng)絡。
參見圖2，圖示了實現(xiàn)本發(fā)明的硬件單元的具體實施例。對于網(wǎng)絡領域的技術人員來說，其它的實施例可能是顯而易見的，并不排除在本說明書之外。WLAN和核心GSM/GPRS網(wǎng)絡之間的互通單元包括MLC(多鏈路客戶程序)，它是客戶機硬件201上的軟件；RLM(無線電鏈路管理器)206，它是用于鑒權和數(shù)據(jù)流的路由選擇和控制點；以及RAC(無線電接入控制器)207，它是用于鑒權和提供業(yè)務的互通單元。
用戶裝置UE是帶有WLAN無線電設備的計算設備，例如但不限制于個人數(shù)據(jù)助理(PDA)202、蜂窩電話機203或筆記本電腦204。嵌入計算設備202、203或204中的WLAN無線電設備所使用的空中鏈路218可以基于IEEE 802.11b規(guī)范，或者可以基于能夠通過接入點(AP)204轉換到橋接網(wǎng)絡上的任意其它的空中鏈路?？墒褂玫目罩墟溌穮f(xié)議和無線電設備的其它例子是IEEE 802.11a或802.11g規(guī)范、HIPERLAN規(guī)范或將要確定的其它某種空中鏈路。在優(yōu)選實施例中，唯一的要求是AP 204支持IEEE 802.1D橋接協(xié)議規(guī)范?？赏ㄟ^橋接器或集線器205在網(wǎng)絡214上使用以太網(wǎng)物理層來運行所述協(xié)議，所述橋接器或集線器205在網(wǎng)絡215上將分組轉發(fā)給RLM 206。網(wǎng)絡215還可以使用以太網(wǎng)，但可以使用通過雙絞銅線對220連接的DSL(數(shù)字用戶線)調制解調器219和遠程DSLAM(數(shù)字用戶線接入管理器)221來替換橋接器或集線器205，只要分組在網(wǎng)絡215上的出現(xiàn)像在網(wǎng)絡214上的出現(xiàn)一樣，并且只要兩個物理網(wǎng)絡連接214和215之間符合IEEE 802.1D橋接協(xié)議規(guī)范，以便對于兩者來說都是作為去往RLM的橋接網(wǎng)絡出現(xiàn)。對于網(wǎng)絡領域的技術人員來說，將AP 204連接到RLM 206的其它方法應當是顯而易見的。而且，對于網(wǎng)絡領域的技術人員來說，網(wǎng)絡214上的AP 204的數(shù)量顯然不是固定的，最多可以達到冗余和容量所需要使用的任意數(shù)目。
在圖4中詳細圖示了UE 201、202或203。UE 201具有一個設備外殼414，其中包含CPU(中央處理單元)402，它在一條連接或總線410上與非易失性存儲器403通信，在非易失性存儲器403中，各種程序以軟件指令形式控制多個設備405、406、404和417，并通過由CPU逐條指令地解譯來在UE內執(zhí)行它們的功能。將多鏈路客戶軟件也存儲在UE非易失性存儲器403內。當給UE加電時，CPU 402可以通過連接或總線409將程序復制到隨機存取存儲器401，或者可以從非易失性存儲器403直接運行程序。用戶裝置通常具有但并不必須具有輸出設備404，例如在連接412上與CPU 402通信的屏幕或揚聲器。這個輸出設備404可以由駐留在非易失性存儲器403或隨機存取存儲器401內的程序來控制。設備通常具有但并不必須具有輸入設備405，例如在連接413上與CPU 402通信的鍵盤、鼠標或麥克風。這個輸入設備405可以由駐留在非易失性存儲器403或隨機存取存儲器401內的程序來控制。UE設備通常具有WLAN無線電設備406或等效設備，它在連接或總線411上連接到CPU 402和在連接408上連接到天線407，所述設備通常但并不必須在設備外殼414內。在優(yōu)選實施例中，所述設備具有通過連接415連接到CPU 402的SIM讀取器416，它能夠接受SIM卡417，并向其發(fā)送和從其接收信息。
在特定實施例中，在連接或總線415上將這個SIM卡信息發(fā)送給CPU 402。SIM卡讀取器416可嵌入在設備外殼414內，或者可以設置在設備外殼414外部。
可以使用一種合適的方法來在用戶裝置201、202或203上調用和運行稱作MLC(多鏈路客戶程序)的軟件程序，例如但并不僅限于設備用戶使用鼠標(輸入設備405)點擊屏幕(輸出設備404)上的圖標，或者在可選的實施例中，在用戶裝置上預先安裝的程序可以識別出在連接411上從WLAN無線電設備406發(fā)送給CPU 402的信號，它通知MLC軟件這一事實WLAN無線電設備406可以將其自身連接到AP 204。
在一種可選的實施例中，如計算機設計和編程領域的技術人員所公知的，也可以按下一個按鈕(輸入設備405)或者使用其它某種方法。當被通知應當啟動數(shù)據(jù)連接時，MLC嘗試向作為核心GSM網(wǎng)絡一部分的HLR 217鑒權其自身。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，當多鏈路客戶軟件使用基于以太網(wǎng)的點對點協(xié)議(PPPOE)來建立一條從UE 201、202或203到RLM 206的隧道時，網(wǎng)絡214和215應當是通過橋接器或集線器205橋接的以太網(wǎng)。如果在網(wǎng)絡214和215中將要使用另一種媒介，則可以使用不同的協(xié)議來封裝在空中鏈路218上發(fā)送的數(shù)據(jù)分組，所述協(xié)議包括所需要的相同功能定位RLM 206的能力，所述RLM提供可端接一條在MLC內開始的隧道的隧道服務器；以及在所述隧道上通過AP 204發(fā)送分組的能力。將用于從UE 201、202或203向RLM 206經(jīng)隧道傳送分組的另一協(xié)議方法的例子是第二層傳輸協(xié)議(L2TP)。其它的一些例子是一般路由封裝(GRE)協(xié)議、用IP隧道化的IP(IPin IP tunneling)、移動IP和與全異網(wǎng)狀網(wǎng)絡有關的Metricom的Ricochet隧道化協(xié)議。還可能存在等效的但目前無法預測的其它例子。
在這個實施例中，UE 201、202或203上的MLC用作L2TP接入多鏈路客戶程序，網(wǎng)絡214和215是使用網(wǎng)際協(xié)議的可路由網(wǎng)絡。在這個實施例中，一組路由器替換了橋接器或集線器205，并用于在AP 204和RLM 206之間傳送分組。RLM用作L2TP網(wǎng)絡服務器。使用RLM 206的IP地址來配置MLC。在一種可選擇的實施例中，MLC使用標準的域名業(yè)務(DNS)查詢來尋找RLM 206。這個查詢提供所需要的功能；它發(fā)現(xiàn)RLM 206，并允許將分組從UE 201、202或203隧道化傳送給RLM206。用于從UE 201、202、203向RLM 206隧道化傳輸分組的其它方法對于網(wǎng)絡領域的技術人員來說將是顯而易見的。該結構并不將用戶僅限于每網(wǎng)絡有一個或兩個RLM 206，而是根據(jù)冗余和容量的需要，允許任意數(shù)量的RLM 206。
在使用IEEE 802.11協(xié)議的具體實施例中，APC 204用作橋接器，將空中鏈路218上的所有數(shù)據(jù)分組轉發(fā)到橋接網(wǎng)絡214上，并將來自橋接網(wǎng)絡214的所有數(shù)據(jù)分組轉發(fā)給正確的UE 201、202或203。用戶裝置201、202或203內的WLAN無線電設備406在連接408上向天線407發(fā)送分組，所述分組經(jīng)空中鏈路218被AP 204接收。WLAN無線電設備406使用IEEE 802.11協(xié)議以便連接到AP 204之一。一旦WLAN無線電設備406連接到AP 204，它就在連接413上通知CPU 402，并通知駐留在非易失性存儲器403或隨機存取存儲器(RAM)401內的設備驅動軟件。設備驅動軟件通過CPU 402和總線409或410使用標準信令將接入事件通知給MLC軟件。然后，MLC向設備驅動器發(fā)送出PPPOE有效發(fā)現(xiàn)初始化(PADI)分組，使WLAN無線電設備406將其發(fā)送給AP 204。AP 204將會把此PADI分組轉發(fā)給網(wǎng)絡214。因為這個分組尋址到橋接網(wǎng)絡上的廣播以太網(wǎng)地址，因此該分組將被復制到網(wǎng)絡215、214和空中鏈路218上。
所有希望接受連接的RLM 206將使用尋址到UE 201、202或203的單播PPPOE有效發(fā)現(xiàn)提供(PADO)響應分組來響應所述PADI分組。該PADO分組將被UE 202、202或203接收并轉發(fā)給MLC。MLC已經(jīng)向WLAN無線電設備406的設備驅動器登記，以便接收所有這些類型的分組的復本。PADO分組包含RLM 206的IEEE MAC地址。以這種方式，MLC能夠發(fā)現(xiàn)RLM 206的地址?，F(xiàn)在，MLC在橋接網(wǎng)絡214和215以及空中鏈路218上使用這個地址以在其自身和它所選擇的RLM 206之間建立一條PPPOE隧道。MLC使用通過PPPOE協(xié)議封裝的PPP，從而使用PADO分組的源地址來協(xié)商一條與RLM 206的PPP連接。
根據(jù)本發(fā)明，MLC和RLM 206使用可擴展的鑒權協(xié)議，例如PPP或802.1X，以將鑒權SIM卡417所需要的信息傳送給HLR 208，并向MLC鑒權RLM 206。一旦完成鑒權，則由HLR 208向RLM 208并且由SIM卡417向MLC提供唯一密鑰形式的信息，以使它們在兩個設備之間建立一條安全連接。使用僅為RLM 206和MLC所知的唯一密鑰來加密每個分組。然后，MLC用作UE 201、202或203的防火墻，并丟棄除了使用唯一密鑰正確加密的分組之外的所有分組。RLM 206也用作防火墻，丟棄除了來自UE 202、202或203使用唯一密鑰正確加密的那些分組之外的所有分組。這使UE 201、202或203除了通過RLM 206之外無法尋址AP 204、另一個用戶裝置201、202或203、橋接器205或GSM系統(tǒng)的任何其它核心網(wǎng)絡單元，所述RLM 206封裝分組并將分組通過核心網(wǎng)絡轉發(fā)給GGSN 212，所述GGSN 212僅將分組轉發(fā)給PDN210互聯(lián)網(wǎng)，由此還保護了所有的核心網(wǎng)絡單元免受UE 201、202或203的任何攻擊。此外，因為MLC丟棄了來自RLM 206的PPPOE隧道以外的所有分組，任何其它的UE 201、202或203或諸如集線器或橋接器205的任何設備都無法輸入將被UE接收的分組，因而確保它不會受到連接到核心網(wǎng)絡連接212、橋接網(wǎng)絡214和215或空中鏈路218的任何設備的任何攻擊，為UE 201、202或203提供安全的公共分組轉發(fā)，并使客戶不用憂慮UE 201、202或203的攻擊或濫用。
參見圖5的分組流動圖，在WLAN RAN和核心GSM/GPRS網(wǎng)絡內的各種網(wǎng)絡單元之間傳送消息，以便向HLR 523鑒權UE 520上的客戶SIM卡。這些消息授權客戶可以使用WLAN并開始計費，并包括用于建立從UE 520到RLM 521和從RLM 521到GGSN 524的端到端隧道的建立消息，在所述隧道中接收和發(fā)送數(shù)據(jù)業(yè)務。如上所述，UE 520使用PPPOE發(fā)現(xiàn)分組來發(fā)現(xiàn)RLM 521，并用這種協(xié)議封裝PPP分組以便在UE 520和RLM 521之間進行傳輸。圖5圖示在分離的網(wǎng)絡單元UE 520、RLM 521、RAC 522、HLR 523和GGSN 524之間的分組通信。時間從上向下遞增。使用一個獨立的編號來標記每個分組或消息，其中一條帶箭頭的直線從始發(fā)分組的網(wǎng)絡單元開始并在接收分組的網(wǎng)絡單元上結束。
圖5還圖示分組的排序。在時間上越早發(fā)送的分組越靠近該圖的頂部。僅為了說明性的目的，圖5還圖示了在UE 520和RLM 521之間所使用的選定協(xié)議的名稱。在一個具體實施例中，這些設備使用PPP向前和向后發(fā)送分組，并協(xié)商鑒權和所需要的其它網(wǎng)絡配置以使UE520成為連接到GGSN 524的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡內的充分參與的網(wǎng)絡單元。
在UE 520和RLM 521之間，可以使用多個PPP的子協(xié)議。這些協(xié)議包括鏈路控制協(xié)議(LCP)、爭用鑒權協(xié)議(CHAP)和IP控制協(xié)議(IPCP)。也可以使用諸如802.1X的其它協(xié)議。為了說明，使用該圖中左下側的標記將每種協(xié)議的分組或消息組合在一起。
在一種具體實施例中，UE 520上的MLC使用PPP通過向RLM 521發(fā)送PPP LCP配置選項分組501來協(xié)商LCP配置選項類型0x20和LCP配置選項類型0x21，所述LCP配置選項類型0x20長度為18并包含國際移動用戶標識符(IMSI)，所述LCP配置選項類型0x21具有18字節(jié)的目前長度，一個16字節(jié)的隨機數(shù)，該隨機數(shù)在每種情況下盡可能無法預測地改變。
另一種提供這種信息的方法是使用銷售商專用LCP配置方法和字段。RLM 521接收LCP選項，并記錄目前的值(用于爭用的隨機數(shù))以便隨后使用。然后，如表2所示它在RAC至RLM(RR)協(xié)議的連接請求分組502中將IMSI轉發(fā)給RAC 522。如具體實施例內的圖6和表1所示，RR協(xié)議具有8比特的版本號，之后是8比特的消息編號，之后是用16比特長度表示的隨后消息有效負荷的字節(jié)長度，之后是RLM521分配的UE 520的32比特標識符，它包含20比特的RLM 521唯一標識和12比特的RLM 521分配的用于UE 520的唯一標識，接著是消息有效負荷本身。

表1在表1中列出了用于RAC和RLM之間的每個消息的RR協(xié)議內的消息編號。在表2中描述了用于RAC和RLM之間RR協(xié)議的連接請求分組502的有效負荷。


表2在根據(jù)本發(fā)明的典型方法中，RAC 522將連接請求轉發(fā)給HLR523，全部使用SS7網(wǎng)絡上的MAP協(xié)議進行通信。例如如果客戶未支付他的帳單或者客戶的蜂窩運營商與該網(wǎng)絡的運營商之間沒有漫游協(xié)議，則HLR 523可以使用連接拒絕516a來拒絕此請求；HLR 523也可以通過發(fā)送鑒權請求分組516和簽字響應(SRES)來要求SIM卡鑒權其自身，所述鑒權請求分組516包括使用A8類型的GSM鑒權協(xié)議和一個或多個RAND(即一個64比特的隨機數(shù))通過僅為HLR和SIM卡所知的秘密參數(shù)生成的一個密鑰，所述簽字響應(SRES)可以使用A5類型的鑒權協(xié)議來鑒權，它證明HLR知道與SIM卡共享的秘密，并用于向運營商網(wǎng)絡提供SIM卡的鑒權。RAC 521使用RR協(xié)議的鑒權請求分組503在RAC和RLM之間轉發(fā)鑒權請求分組516內的信息，其有效負荷如表3所示，通常使用網(wǎng)際協(xié)議。


表3可選地，RAC 521也可以使用RR協(xié)議的鑒權拒絕分組503a將連接拒絕分組516a內的信息轉發(fā)給RLM 521，如表4和表5所示，通常使用網(wǎng)際協(xié)議。

表4

表5表5圖示拒絕連接請求的原因和放置在連接拒絕分組的Reject_Code字段內的字段值。如果RLM接收到鑒權請求503，它將PPP LCP接受消息504轉發(fā)給UE 520，該消息允許PPP客戶機繼續(xù)其狀態(tài)機和響應鑒權請求。如果RLM 521接收到鑒權拒絕消息503a，則它將PPP LCP拒絕消息504a轉發(fā)給UE 520，隨后結束該PPP協(xié)商。
在向UE 520發(fā)送PPP LCP消息504之后，在本優(yōu)選實施例中，RLM521上的PPP狀態(tài)機通過使用LCP配置選項類型3和用于CHAP的鑒權協(xié)議值0xc223發(fā)送一個爭用分組505從而初始化一個CHAP對話。對于算法字段，我們使用基于SIM鑒權的值0x88來指定我們的算法，如下所述。在CHAP交換過程中，從RLM 521發(fā)送給UE 520的分組505內的爭用字段數(shù)據(jù)包含兩個16字節(jié)的隨機數(shù)、這兩個隨機數(shù)與當前值組合的簽名形式的MAC_RAND、兩個Kc、IMSI和使用shah-1算法——一種散列算法的兩個SRES。也可以使用其它的散列算法，例如MD-5。可根據(jù)發(fā)送給RLM 521的消息503內的每個RAND由UE 520上的MLC生成Kc，通過將每個RAND發(fā)送給SIM卡417和作為GSM算法A8生成的響應來獲取Kc，在CHAP爭用消息505內將其轉發(fā)給UE 520。然后，使用所生成的這些密鑰Kc，UE 520可以驗證消息505內的信息是否被正確地簽名；如果驗證成功，則向UE 520證明RLM 521能夠與HLR 523對話，并知道Kc，從而驗證RLM 521是一個用于客戶運營商的合法互通單元。UE 520內的MLC使用CHAP響應消息506進行響應，所述消息包括MAC_SRES，它是使用shah-1算法的在消息503內發(fā)送給RLM521的兩個SRES、兩個Kc、當前值和IMSI的簽名形式。UE 520根據(jù)在消息505內發(fā)送給它的RAND生成每個SRES，在從SIM卡417生成Kc的同時，將其從鑒權請求分組503的RAND字段內的值中轉發(fā)。當RLM 521接收到MAC_SRES時，它驗證MAC_SRES得到了UE 520正確地簽名，并由此證明UE 520具有正確的SIM卡417，然后向RLM 521鑒權用戶的UE 520，或者通過通知MAC_SRES未被正確地簽名來證明自己無法鑒權UE 520。然后，RLM 521使用鑒權響應分組507將這個鑒權事實轉發(fā)給RAC 522，其有效負荷如表6所示。

表6然后，RAC 522使用表示它理解鑒權事實的連接接受消息508來響應RLM 521。假設鑒權成功，則RLM 521在GTP控制協(xié)議上向GGSN524發(fā)送一個PDP環(huán)境激活消息509，以便向GGSN通知應當為UE 520建立一條GTP隧道，以允許UE 520連接到該分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。然后，RLM521向UE 520發(fā)送CHAP成功消息510以證明鑒權正確完成，如果鑒權失敗則發(fā)送CHAP失敗消息510a。然后，RLM 521向RAC 522發(fā)送連接完成消息511以便它可以完成它的狀態(tài)機并存儲為了將來用于越區(qū)切換的UE 520連接的參數(shù)。當GGSN 524完成激活GTP隧道時，它向RLM 521發(fā)送PDP環(huán)境響應消息512，RLM 521隨后在消息513中向UE 520發(fā)送IP分配信息，其中包括UE 520向PDN 306發(fā)送IP分組所必需的信息。RLM 521將GTP隧道成功創(chuàng)建的通知轉發(fā)給RAC 522，從而允許RAC 522更新它的狀態(tài)機，并存儲將來將用于越區(qū)切換的UE520的隧道的參數(shù)。
表7描述連接接受分組的有效負荷。

表7表8是連接完成分組511的有效負荷描述。

表8現(xiàn)在，UE 520已經(jīng)通過此程序被GSM/GPRS核心網(wǎng)絡成功地鑒權，并具有為其建立的一對隧道，前者在UE 520上的MLC和RLM 512之間并使用PPPOE，后者在RLM 521和GGSN 524之間并使用GTP。PPPOE隧道使用了缺省加密，該缺省加密是基于AES并利用了基于Kc、當前值以及IMSI的唯一共享密鑰，這保證了UE 520發(fā)送的分組不能被任何網(wǎng)絡上任何人騙取，這些分組是私有的，并且不能被從UE 520到RLM521的路徑上的任何其它人騙取。RLM 521獲取在成功解碼的PPPOE隧道上從UE 520接收到的IP分組，并將它們放入到GGSN 524的GTP隧道。GGSN 524獲取這些分組并將它們發(fā)送給PDN 306。由GGSN 524接收尋址到UE 520的數(shù)據(jù)分組，GGSN用于連接到互聯(lián)網(wǎng)的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，所述數(shù)據(jù)分組通知到分配給UE 520的IP地址的公共路徑。GGSN524將這些分組放入GTP隧道，并將它們發(fā)送給RLM 521。RLM 521提取這些分組，予以加密并在PPPOE隧道上將其轉發(fā)給UE 520。UE 520上的MLC提取在PPPOE隧道上接收到的分組，在成功解密之后，將它們傳送給UE 520上的其它處理，從而提供到UE 520的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡連接，通常是互聯(lián)網(wǎng)連接。以這種方式，通過未對僅具有WLAN無線電設備416和SIM卡讀取器416和SIM卡417的UE 520進行修改的運營商的核心GSM/GPRS網(wǎng)絡，本發(fā)明的優(yōu)選實施例提供了到分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的安全鑒權的接入。
已經(jīng)參考具體實施例描述了本發(fā)明。對于本領域的技術人員來說，其它的實施例將是顯而易見的。因此，本發(fā)明并非限制性，其范圍由所附的權利要求書來限定。
權利要求
1.一種使用支持GSM協(xié)議的核心網(wǎng)絡來在無線局域網(wǎng)無線電接入網(wǎng)絡(WLAN RAN)中鑒權WLAN無線電用戶設備的方法，該方法包括以下步驟將無線電接入控制器(RAC)、無線電鏈路管理器(RLM)和WLAN接入點(WLAN AP)連接到所述核心網(wǎng)絡的歸屬位置寄存器(HLR)；建立WLAN無線電用戶設備與WLAN AP和RLM的通信；向HLR鑒權具有多鏈路客戶程序(MLC)能力的用戶設備；之后通過連接從MLC到RLM的第一數(shù)據(jù)鏈路隧道將所述用戶設備連接到核心網(wǎng)絡系統(tǒng)。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述鑒權步驟還包括之后連接從RLM到用于全局分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的GGSN分組網(wǎng)關的第二數(shù)據(jù)鏈路隧道。
3.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述鑒權步驟還包括之后連接從RLM到具有隧道化能力和地址分配能力的作為全局分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡一部分的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的第二數(shù)據(jù)鏈路隧道。
4.根據(jù)權利要求3的方法，其中互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關使用第二層傳輸協(xié)議。
5.一種用于將無線局域網(wǎng)無線電接入網(wǎng)絡(WLAN RAN)互連到支持GPRS分組協(xié)議的GSM核心網(wǎng)絡的方法，該方法包括以下步驟將無線電接入控制器(RAC)、無線電鏈路管理器(RLM)和WLAN接入點(WLAN AP)連接到GPRS網(wǎng)關服務節(jié)點(GGSN)和所述核心網(wǎng)絡的歸屬位置寄存器(HLR)；建立WLAN無線電用戶設備與WLAN AP的通信；向HLR鑒權具有多鏈路客戶程序(MLC)能力的用戶設備；之后通過連接從MLC到RLM的第一數(shù)據(jù)鏈路隧道將所述用戶設備連接到核心網(wǎng)絡系統(tǒng)。
6.根據(jù)權利要求5的方法，其中所述鑒權步驟還包括之后連接從RLM到用于全局分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的GGSN分組網(wǎng)關的第二數(shù)據(jù)鏈路隧道。
7.根據(jù)權利要求5的方法，其中所述鑒權步驟還包括之后連接從RLM到具有隧道化能力和地址分配能力的作為全局分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡一部分的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的第二數(shù)據(jù)鏈路隧道。
8.根據(jù)權利要求7的方法，其中互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關使用第二層傳輸協(xié)議。
9.一種通過無線局域網(wǎng)無線電接入網(wǎng)絡(WLAN RAN)使用戶設備和GSM核心網(wǎng)絡相互鑒權的方法，所述GSM核心網(wǎng)絡支持GPRS分組協(xié)議，所述方法包括以下步驟初始化來自用戶設備的無線連接請求；從用戶設備通過無線鏈路向無線電鏈路管理器發(fā)送標識號(IMSI)和與用戶有關的最新隨機數(shù)(當前值)；之后使用IMSI和當前值構成一個常規(guī)連接請求；之后將該常規(guī)連接請求傳送給歸屬位置寄存器；在歸屬位置寄存器上使用1)用戶設備的共享密鑰、2)IMSI和3)當前值來生成常規(guī)鑒權請求，所述常規(guī)鑒權請求包括作為一個單元的常規(guī)數(shù)字簽名；之后將常規(guī)鑒權請求傳送給無線電鏈路管理器；之后在無線電鏈路管理器上使用當前值和常規(guī)鑒權請求的所有單元構成所述常規(guī)鑒權請求的第一安全數(shù)字簽名；之后將第一安全數(shù)字簽名和已經(jīng)刪除了所述常規(guī)數(shù)字簽名的修改后的常規(guī)鑒權請求傳送給用戶設備；根據(jù)修改后的常規(guī)鑒權請求，使用共享密鑰、IMSI和當前值，在用戶設備上構造常規(guī)數(shù)字簽名的候選復本；在用戶設備上使用1)第一安全數(shù)字簽名、2)候選復本、和3)修改后的常規(guī)鑒權請求來驗證候選復本和修改后的常規(guī)鑒權請求，從而向用戶設備鑒權無線電鏈路管理器；之后根據(jù)驗證后的常規(guī)數(shù)字簽名復本，使用共享密鑰、IMSI、當前值和驗證后的已修改常規(guī)鑒權請求，在用戶設備上構造第二安全數(shù)字簽名；之后向無線電鏈路管理器報告第二安全數(shù)字簽名，以便向無線電鏈路管理器驗證用戶設備的鑒權。
10.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述鑒權步驟包括初始化來自用戶設備的無線連接請求；從用戶設備通過無線鏈路向無線電鏈路管理器發(fā)送標識號(IMSI)和與用戶有關的最新隨機數(shù)(當前值)；之后構成一個常規(guī)連接請求；之后使用IMSI和當前值將該常規(guī)連接請求傳送給歸屬位置寄存器；在歸屬位置寄存器上使用1)用戶設備的共享密鑰、2)IMSI和3)當前值生成常規(guī)鑒權請求，所述常規(guī)鑒權請求包括作為一個單元的常規(guī)數(shù)字簽名；之后將常規(guī)鑒權請求傳送給無線電鏈路管理器；之后在無線電鏈路管理器上使用當前值和常規(guī)鑒權請求的所有單元構成所述常規(guī)鑒權請求的第一安全數(shù)字簽名；之后將第一安全數(shù)字簽名和已經(jīng)刪除了所述常規(guī)數(shù)字簽名的修改后的常規(guī)鑒權請求傳送給用戶設備；根據(jù)修改后的常規(guī)鑒權請求，使用共享密鑰、IMSI和當前值，在用戶設備上構造常規(guī)數(shù)字簽名的候選復本；在用戶設備上使用1)第一安全數(shù)字簽名、2)候選復本、和3)修改后的常規(guī)鑒權請求來驗證候選復本和修改后的常規(guī)鑒權請求，從而向用戶設備鑒權無線電鏈路管理器；之后在用戶設備上根據(jù)驗證后的常規(guī)數(shù)字簽名復本，使用共享密鑰和驗證后的已修改常規(guī)鑒權請求來構造第二安全數(shù)字簽名；之后向無線電鏈路管理器報告第二安全數(shù)字簽名，以便向無線電鏈路管理器驗證用戶設備的鑒權。
11.根據(jù)權利要求1的方法，還包括步驟使用在用戶設備和HLR之間共享的共享密鑰來建立所述第一數(shù)據(jù)鏈路隧道作為安全數(shù)據(jù)鏈路隧道。
12.一種用于使無線局域網(wǎng)無線電接入網(wǎng)絡(WLAN RAN)與支持GPRS分組協(xié)議的GSM核心網(wǎng)絡互連的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括無線電接入控制器(RAC)；無線電鏈路管理器(RLM)；WLAN接入點(WLAN AP)；GPRS網(wǎng)關服務節(jié)點(GGSN)；所述核心網(wǎng)絡的歸屬位置寄存器(HLR)；至少一個用于與WLAN AP通信的WLAN無線電用戶設備；用于向HLR鑒權用戶設備的裝置，所述用戶設備具有多鏈路客戶程序(MLC)能力；和用于使用從MLC到RLM的第一數(shù)據(jù)鏈路隧道和從RLM到用于全局分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的GGSN分組網(wǎng)關的第二數(shù)據(jù)鏈路隧道將用戶設備連接到核心網(wǎng)絡系統(tǒng)的裝置。
13.一種用于使無線局域網(wǎng)無線電接入網(wǎng)絡(WLAN RAN)與GSM核心網(wǎng)絡互連的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括無線電接入控制器(RAC)；無線電鏈路管理器(RLM)；WLAN接入點(WLAN AP)；互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關節(jié)點；所述核心網(wǎng)絡的歸屬位置寄存器(HLR)；至少一個用于與WLAN AP通信的WLAN無線電用戶設備；用于向HLR鑒權用戶設備的裝置，所述用戶設備具有多鏈路客戶程序(MLC)能力；和用于使用從MLC到RLM的第一數(shù)據(jù)鏈路隧道和從RLM到用于全局分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關節(jié)點的第二數(shù)據(jù)鏈路隧道將用戶設備連接到核心網(wǎng)絡系統(tǒng)的裝置。
全文摘要
提供了將WLAN無線電接入網(wǎng)絡集成到GSM/GPRS核心網(wǎng)絡的方法和系統(tǒng)，其中加入在兩個網(wǎng)絡間透明傳輸業(yè)務的網(wǎng)關。本發(fā)明另一方面是安全鑒權。該系統(tǒng)有兩個網(wǎng)絡單元無線電鏈路管理器(RLM)和無線電接入控制器(RAC)，以及軟件應用程序，即用于控制集成和鑒權功能的多鏈路客戶程序(MLC)。MLC駐留在用戶設備上。RAC提供協(xié)議棧和互通功能以允許MLC與歸屬位置寄存器(HLR)對話。RLM和MLC建立一條“隧道”，例如使用基于以太網(wǎng)的PPP(PPPOE)，并由RLM使用GPRS隧道化協(xié)議(GTP)在另一條隧道上將在上述隧道上接收到的所有數(shù)據(jù)分組轉發(fā)給網(wǎng)關GPRS支持節(jié)點(GGSN)。
文檔編號H04L12/46GK1671119SQ20041003045
公開日2005年9月21日 申請日期2004年3月15日 優(yōu)先權日2004年3月15日
發(fā)明者M·S·喬哈里, A·Z·阿梅德, N·坎特, C－H·A·常, M·W·里特 申請人:阿扎爾網(wǎng)絡公司