Att avlasta mobilnäten med WLAN hjälper mobiloperatörerna att ta hand om den snabbt ökande datatrafiken fån mobila enheter. Adrian Schumacher, avd för internationell R&D för radiotest hos Rohde & Schwarz, München, visar här hur tekniken är möjlig.

Smarta mobiltelefoner, surfplattor och andra mobila enheter förenklar tillgången av Internet på varje plats eftersom mobilnäten kan ge bredbandslänkar via HSPA+ och LTE med hastigheter liknande dem i hemmet eller på kontoret.
Men när många mobilanvändare strömmar musik eller video, eller skickar mail med stora filer bifogade kan den sammanlagda datatrafiken lätt närma sig kapaciteten för mobilnätets infrastruktur. Hemsidor laddas då långsamt och video ges oanvändbar kvalitet.
Marknadsstudier förutsäger att smarta mobiltelefoner och surfplattor kommer att säljas och användas över hela världen. Procentandelen sökning på ”webben”, mail, musik och video via mobillänkar ökar också. Videoanvändningen väntas inom några år bli större än för all annan datatrafik.
Även om det finns några verkliga datintensiva applikationer för folk i rörelse är de flesta mobiltelefonanvändare stationära när det tittar på en video, lyssnar på musik eller surfar på hemsidor. Dessutom är platserna för den högsta trafikintensiteten ofta inomhus, i stadsmiljöer och är inte nödvändigtvis beroende av mobilnäten eftersom andra bredbandstekniker finns att tillgå.

Smart avlastning av näten
För att möta de snabbt ökande datatrafiken i koncentrerade områden kan mobiloperatörerna lägga till fler samtal eller installera mer avancerade basstationer. Utplaceringen av basstationer kräver såväl stora investeringar som ökade driftkostnader.
Dessa kostnader kan dock minimeras eftersom smarta mobiltelefoner och surfplattor som komplement till kretsarna för mobiltelefoni har inbyggd Wi-Fi. Tack vare relativt höga datahastigheter och tillgängligheten i hem, kafféer, resturanger, flygplatser och andra offentliga platser tenderar folk att ofta använda Wi-Fi.

Fig 1. I detta scenario avlastar WLAN mobilradionäten.

Ungefär 70 procent av världens trafik med smarttelefoner har redan går över Wi-Fi, enligt en studie av Mobidia, jan 2012 [1]. Eftersom de användare som redan konsumerar höga datavolymer vanligen betalar för ”flat rate” kan mobiloperatörer tjäna mycket på passiv avlastning.
WLAN har fördelen av att verka inom små celler som hem eller ”hotspots”. Den interfererar inte med makrocellernas frekvensband. 5 GHz-bandet kan 500 – 800 MHz användas för WLAN. Mobiloperatörerna ser WLAN som ett finansiellt attraktivt komplement till sina nät, snarare än konkurrerande teknologi. Som resultat byggs LTE-nät ut för att ge täckning tillsammans med WLAN i områden med hög trafikkapacitet.
Smart avlastning av datatrafik är att styra datatrafiken från mobilnätet till Wi-Fi (och även i andra riktningen, om det är möjligt). Det borde ske sömlöst så att användarna inte behöver söka efter lämpliga nät och behöva slå in lösenord. I idealfallet kan mobiloperatören styra avlastningen dynamiskt och selektivt med hänsyn till läge, tid på dagen, belastning på nätet, användarens abonnemang och andra faktorer. Tekniken för verkligen avlastning finns och kommer att diskuteras i det följande.
Fig 1 visar ett exempel på hur avlastning kan gå till. När smarttelefonen avlägsnas från hemmet eller kontoret i staden kommer den automatiskt att kopplas över till Wi-Fi-hotspots, där de finns.

3GPP-arkitektur
Under studierna, då system architecture evolution, SAE, togs fram, lade man till systemstöd för icke 3GPP-accessystem som WiMAX och WLAN och man definierade gränssnitt för samverkan mellan dessa system.
Betrodda och icke-betrodda uppkopplingar hanteras olika för icke-3GPP-åtkomst. Fig 2 visar huvudnätets enheter för betrodd access som exempelvis WLAN-användare använder säkra överföringar. Icke-betrodd access routas från Packet Data Network Gateway (PDN GW) över S2b-gränssnittet för en vidareutvecklad gateway för paketdata (evolved packet data gateway, ePDG) som fungerar som ett filter och brandvägg, sedan över SWn-gränssnittet mot WLAN. För det fall en apparat är kopplad via WLAN krävs att den sätter upp en IPsec-tunnel till ePDG.

802.11u och WI-FI hotspot 2.0
För att koppla upp sig mot en WLAN-accesspunkt (AP) krävs att användaren och apparaten väljer önskad AP och ger rätta uppgifter för användarautentisering för evolved packet data gateway (ePDG). Standardiseringsgruppen för IEEE 802.11 har under 2011 publicerat ett tillägg (IEEE 802.11u) där det ingår utvidgningar av MAC (media access control) som automatiserar och snabbar upp processen att ansluta sig till ett nät. I grunden bygger man vidare på den radiofyrsignal (”beacon”) som AP sänder ut och lägger till protokoll som ANQP-protokollet (access network query protocol), vilket kommer att diskuteras senare.

Funktioner
Flera protokoll och funktioner behövs för sömlös avlastning av datatrafiken. Protokollen sträcker sig från möjligheten att styra den aktuella avlastningen till en autentiserad säker länk, till IP-flödets rörlighet för att ge en kontinuerlig session.

Fig 2. Betrodd icke-3GPP-access enligt EPC [2].

Dagens mobiltelefoner har typiskt kretsar för multi-mod, som stödjer radiotekniker som GSM och WCDMA. Det dröjer inte länge förrän många telefoner har LTE, WLAN och kanske även TD-SCDMA. Funktionen för att upptäcka och välja nät (access network discovery and selection function, ANDSF) ger den användarutrustning (user equipment, UE) som följer routing och mobilitet mellan system och som hjälper till att upptäcka nät.  Det ger en väg för mobiloperatörer att dynamiskt styra och definiera preferenser – det betyder att hur, var, när och för vilket ändamål en enhet kan använda en viss teknik för radioåtkomst. Det kan använda teknik för att välja access för såväl inter- som intranätåtkomst, men men det bör inte inverka på valet av nät och återvalsprocedurer som redan är specificerade av 3GPP.
ANDSF introducerades först av 3GPP Release 8 (TS 24.312). ANDSF-servern är en enhet i Evolved Packet Core (EPC) som kommunicerar med klienten över S14-gränssnittet (TS 23.402) vilket realiseras över IP-nivå. Genom att sända ett DM-meddelande (device message) enligt open mobile alliance (OMA), får användarenheten sina regler. Dessa beskrivs med hanterade objekt (managed objects, MO) och definieras i XML.

Generisk annonsering
Om en wifi-användare har funnit ett AP och tillåts (eller tillfrågas om) att ansluta till detta är det ändå inte säkert att denna särskilda AP är autentiserad. För att upptäcka ytterligare detaljer har man infört en mekanism som kallas generic advertisement service, GAS. Denna tillåter apparaten att begära information från AP.
I fig 3 börjar en AP som följer Wi-Fi Hotspot 2.0 att interagera med sändande radiofyrar som har försetts med mer information. Genom att använda accessnätprotokollet (ANQP) sänder en enhet en ”GAS initial request” som exempelvis efterfrågar vilket roaming-konsortium den tillhör, vilken nätverksautentisering man skall använda, NAI-lista, eller till och med WAN-statistik. Enheten kommer att ta emot ”GAS initial response” med dessa informationselement och kan sedan besluta huruvida anslutning skall ske. Om AP redan är väldigt upptagen, har en långsam anslutning till Internet eller tillhör en operatör som kräver extrabetalning kan enheten fortsätta med att leta efter en annan AP. Om den beslutar sig för att ansluta vet den redan hur den skall autentisera sig.

Autentisering
Wi-Fi-nät anses vara säkra om de tillämpar en passande metod för autentisering. IEEE 802.1x-standarden beskriver en sådan metod där autentiseraren (t ex en AP) kontrollerar den ansökandes uppgifter med en autentiseringsserver (RADIOUS). Den använder ett extensible authentication protocol, EAP. Ett annat krav är IEEE 802.11i som ger säker uppkoppling enligt ”Wi-Fi protected Access II (WPA2), definierad av Wi-Fi Alliance.
Om en enhet automatiskt upptäcker en WLAN-hotspot som tillhör abonnentens mobilnätsoperatör behöver den autentiseras automatiskt. För användaren sker detta bara sömlöst om han/hon inte behöver mata in något användarnamn eller lösenord, eller till och med installera ett referenscertifikat.

Fig 3. IEEE802.11u/Hotspot 2.0 Access Network Query Protocol (ANQP).

För det ändamålet finns det EAP-Metoder som utnyttjar enhetens tillgänglighet i SIM/USIM. Mobiloperatörens hotspot kan verifiera abonnentens identitet med sin Home Subscriber Server, HSS, och i det fallet kan EAP-SIM, EAP-AKA eller EAP-AKA´ användas. Enheter utan SIM/USIM kommer att behöva antingen EAP-TLS med certifikat enligt EAP-TTLS med MSCHAPv2 om användarnamn och lösenord kan levereras. Dessa EAP-metoder behövs alla för de AP som följer WiFi Hotspot 2.0.

Flödesmobilitet
För att stödja en sömlös överlämning när en enhet ändrar sin anslutning måste någon form av IP-flödesrörlighet genomföras. Klientbaserad rörlighet är ett alternativ. Detta kräver att enheten driver en särskild stapel som kan hantera förändringar i anslutningen. Dubbel stack för Mobile IPv6 (DSMIPv6, IETF RFC 5555) är ett exempel som gör en kontinuerlig session för IPv4 och IPv6-paket. Å andra sidan, finns det en nätverksbaserad mobilitet som inte kräver förändringar i enheten. Proxy Mobile IPv6 (PMIPv6, IETF RFC 5213) är ett exempel på detta. För fullt flödesrörlighet i alla gränssnitt krävs dock ytterligare förlängningar. På 3GPP-sidan tillåter protokoll som lokala IP-access (LIPA) direkt dirigering av trafik mellan enheter i samma cell och ”selected IP traffic offload”, SIPTO, för dirigering av Internet-trafik direkt till t ex ett ”backbone”, utan routing det genom hela mobilnätets infrastruktur. Dessa protokoll är standardiserade i 3GPP TS 23.829. En nyare protokoll som utvecklats för Rel.10 och kommande är IP-flödesrörlighet (IFOM, 3GPP TS 23.261). Den bygger på en DSMIPv6-stack och tillåter bindning av individuellt valda flöden till vissa tunnlar och att samtidigt vara ansluten till flera accessnät.

Förbättringar med WLAN
Den snabba ökningen av mobil datatrafik kräver en infrastruktur som kan leverera stora mängder data billigare än dagens mobilteknik. WLAN är ett allmänt använt och accepterad teknik. Med hjälp av förbättringar som IEEE 802.11u och Wi-Fi Hotspot 2,0 samt icke-3GPP-access, standardiserad av 3GPP, kan mobilnätsoperatörer använda dessa tekniker för att komplettera varandra.
Faktum är att många mekanismer och protokoll finns redan och operatörer såsom Swisscom, KDDI och MetroPCS har använt Wi-Fi avlastning under ganska lång tid. Men olika alternativ måste reduceras till ett eller ett fåtal alternativ för att framgångsrikt ge utbredd och interoperatibilitet. Framtida uppgraderingar av nät och smartphone-generationer kommer att kontinuerligt förbättra upplevelsen.
Samtidigt måste nya omfattande och komplexa tester utföras för att säkerställa dynamiska avsättningar och korrekt tolkning av regelverk. Testutrustning från Rohde & Schwarz stöder alla mobilstandarder samt WLAN, vilket gör denna väl lämpad för att testa scenarier för för dataavlastning.
Adrian Schumacher, avd för internationell R&D för radiotest, Rohde & Schwarz

Om författaren
Adrian Schumacher blev civilingenjör vid KTH 2006 och har sedan dess varit anställd hos Rohde& Schwarz, München. Efter fem års arbete med fysiska lagret i LTE arbetar han nu med fysiska lagret för 802.11-standarder i en internationell utvecklingsavdelning för radiotestare. Han innehar flera patent inom trådlös kommunikation.

Referenser:
[1] “Understanding today’s smartphone user: Demystifying data usage trends on cellular & Wi-Fi networks,” white paper, Mobidia, Feb. 27, 2012.
[2] 3GPP Technical Specification 23.402, "Architecture enhancements for non-3GPP accesses; Technical Specification Group Services and System Aspects", www.3gpp.org.

Filed under: Mikrovag