網絡計費策略的研究

摘要：融合了蜂窩網、WLAN和MANET特點的混合網絡日益受到關注，對關鍵技術的研究更是其發展的重要基礎，而涉及到的計費策略更是研究的熱點。運營商一直最關心計費問題，希望達到利益的最大化和最高的使用效率；而對于用戶來說，最重要的是價格的可接受程度與所提供的服務質量(QoS)之間是否成正比。基于蜂窩網的計費策略、蜂窩網與WLAN的融合計費策略，提出了一種融合MANET的多跳蜂窩網的計費策略，它利用虛擬貨幣的概念和節點激勵機制，同時考慮到安全因素，結合了密鑰技術和數字簽名技術。

關鍵詞：混合網絡；蜂窩網；無線局域網；移動自組織網絡；計費

Abstract: Hybrid networks that integrate the characteristics of cellular network， Wireless Local Area Network (WLAN) and Mobile Ad hoc Network (MANET) have received increasing attention， and the research on its key techniques， especially the charging schemes involved， is the crucial foundation for the development of hybrid networks. From the operators’ point of view， charging the proper prices for the future services in mobile networks will play a key role in achieving the maximum revenue and utilization rate. While the most important issue to users is whether the acceptance of the pricing is directly related to the Quality of Service (QoS) offered to them. Based on the charging schemes of cellular networks and the integrating networks between WLAN and cellular networks， a new accounting scheme， which incorporates MANET characteristics in the cellular system， has been proposed. This scheme adopts the concepts of virtual monetary and node cooperation mechanism. In addition， the scheme also utilizes cryptographic key and digital signature to solve the security problem.

Key words: hybrid network; cellular network; WLAN; MANET; charging

蜂窩網、無線局域網(WLAN)和移動自組織網絡(MANET)的相互融合是未來通信系統的重要組成形式之一[1-2]。許多研究者已經分別設計了蜂窩網、WLAN和MANET的無線平臺，但是不同技術、不同容量和不同功能的融合是個相當復雜的任務，未來混合網絡的計費策略的選擇和計費標準的設定更是關鍵問題。網絡運營商需要解決兩個主要問題：利益最大化和服務質量(QoS)保證，因此網絡計費策略在網絡融合的實現過程中，是必須要重點考慮的問題。

移動通信的計費策略的選擇及計費標準的設定隨著通信技術的進步在不斷地改進。2G時代的計費策略只是單一地基于通話時間，因為當時語音呼叫是主要通信手段；然而，隨著非語音業務大量出現，原有的計費策略就不再適用了。改進的計費策略已經開始被研究，但是在幾種異構網絡融合尤其是MANET與蜂窩網融合的情況下，還沒有具體的計費系統的實現。

MANET和蜂窩網的融合網絡具有多跳的特點，其網絡用戶利用單一終端既可以動態地組成一定范圍內的局域子網享受周邊的服務資源，又可以通過多跳轉發接入基站獲得廣域網的服務。然而，混合網絡的特點同時也加大了設計計費模型的難度。例如節點的移動性會造成通信鏈路的重新配置，使統計計費信息變得困難；為激勵中間節點進行數據存儲和轉發而引入的補償機制也需要被考慮進計費策略中。

下文分別詳細描述了蜂窩網、WLAN與蜂窩網的融合網絡及MANET與蜂窩網的融合網絡中的計費策略的演進，提出了基于多跳蜂窩網的計費策略。

1 蜂窩網系統中的計費策略及計費模型

在通信網絡的研究中提出了多種不同的計費策略，包括固定價格的策略、基于使用的策略(根據用戶的連接時間或流量計費)和基于服務質量的策略(給用戶的服務不同，費用也不同)。

1.1 基于服務等級的計費策略

隨著用戶對服務的要求越來越復雜，對網絡中不同的服務分級顯得尤為重要。可以按照時段來定價，同時對服務質量進行分類，根據每個服務的帶寬需要和它們對時延的敏感性來區分它們的優先級次序。以圖1為例，定義了3個不同的服務級別，每個服務等級都設置了峰值時間和非峰值時間，這種計費策略有利于用戶選擇適合自己的服務和時段。

如果用Xijk表示在k時屬于用戶i的第j 級服務的流量，θk為時段系數(這里就兩個時段系數)，那么第i個用戶的費用就等于每個服務所有流量的單位價格的總和，即pricei =∑θkXi 1kP1+∑θkXi 2kP2+∑θkXi 3kP3，這里P1，P2，P3分別表示3個服務等級的分類價格。

1.2 其他計費策略

在有線網絡中大量使用的固定價格的策略并不適用于帶寬資源有限的無線環境。被大多數無線網絡采用的基于時間或流量的策略使用戶能在需要的時候才使用網絡資源，但是由于沒有提供區分服務的功能，用戶不會在網絡嚴重擁塞的情況下放棄連接。隨著無線用戶快速增加，無線應用不斷多樣化，這些策略的不足就顯現無疑。

還有一種基于擁塞的策略可以使價格隨著網絡擁塞狀態的變化而動態調整。但其最大的不足在于大量的計算和信號處理，尤其是在無線網絡環境下。

另一些計費策略考慮了網絡資源使用與不同應用之間的影響，如有效帶寬策略[3]考慮了WCDMA網絡的傳輸層和物理層來決定費用。然而這些策略相對復雜，而且不易改變。

為通信網絡設計計費策略并不是技術或是經濟問題，因為策略的有效性需要考慮用戶、網絡服務運營商和社會各方面的情況，表1給出了對計費策略性能的評估結果[4]。

如表1所示，基于時間和基于流量的策略容易實現，但是在經濟效益上低，也不提供區分用戶或區分應用的功能。而有效帶寬策略可以區分不同應用的QoS需求，但是實現復雜，同時也不支持區分用戶的功能。因此，一個好的計費策略需要綜合考慮多個方面的問題使各方面達到最優。

1.3 計費模型

基于上文描述的各種計費策略，已經有許多傳統的計費模型出現。

固定價格計費模型[5]基于固定價格的策略，計費系統和中間系統設備的費用低，但對于網絡擁塞問題沒有解決辦法。

計量計費模型和包計費模型都是基于使用的計費模型。計量計費模型采用基于時間的策略，在GSM網絡中存在商業性的問題(用戶也許會在手機沒有開機的情況下，讓GPRS會話功能一直開著)。因此就出現了基于流量策略的包計費模型，但是需要更多的網絡設備來組建數據包統計系統以處理基于用戶的包數據。

預期容量計費模型是基于擁塞策略的計費模型[6]，用戶的計費是基于它們所期望的容量而不是網絡的峰值容量。這個模型使互聯網服務提供商(ISP)能識別網絡流量，在用戶網絡接口處使用一個指示器來標記超出流量，在網絡出現擁塞的時候超出流量將優先被舍棄，并且不計入收費，這樣所有的用戶都能在沒有擁塞的情況下使用網絡，但ISP不得不限制用戶使用的網絡實際容量。

邊界計費模型[7]、巴黎地鐵式計費模型[8]和基于市場預留計費模型[9]都是基于服務質量的計費模型。邊界計費模型將互聯網劃分為多個不同的局部網絡，用戶在擁有不同計費系統的網絡中傳輸或共享信息時，根據網絡間邊界處的雙邊協定進行服務定價。但是如同包計費模型一樣，收集邊界使用信息的費用也許會超出所使用信息本身的費用。巴黎地鐵式計費模型將傳輸系統的傳輸級別引入到網絡流量中，轉變為用戶的服務級別由用戶動態地選擇，隨網絡性能的變化相應改變。網絡用戶的靈活性提高了，但是網絡處理的復雜性增加了。基于市場預留的計費模型引入審計的概念，由網絡用戶設置貨幣支付，同時維護一個優先級列表，通過改變服務的優先級來調整服務質量。當然，這樣使得網絡服務質量的不確定性提高了。

表2是各計費模型之間的比較：實現代價覆蓋了新設備和軟件的資本投資，網絡負載包括額外的用于實現模型的網絡流量和用于數據收集和處理的系統，用戶負載包括額外復雜的稅務和用戶賬戶的維護費，這可以避免ISP產生過多的費用。

2 PLMN/WLAN融合網絡的計費

WLAN的數據速率高但覆蓋范圍有限，而公眾陸地移動電話網(PLMN)的帶寬受限但覆蓋范圍很廣，因此WLAN可以彌補PLMN的不足。融合WLAN和PLMN系統的網絡需要解決的一個關鍵問題就是共享系統的計費。沒有合適的計費系統，接入不同網絡的用戶就會收到許多不同的賬單，網絡之間會出現用戶競爭。因此需要有選擇性地使用網絡，同時設定不同的費率。另外將使用WLAN的價格定得比在PLMN上使用同樣的服務低，使用戶可以在WLAN存在的地方使用WLAN，而在WLAN不存在的地方使用PLMN。文獻[10]中已經敘述了WLAN與PLMN協同合作的問題，但是并沒有正式提出融合系統。在文獻[11]中描述了共享系統的計費方式，使得PLMN/WLAN的融合系統切實可行。

2.1 PLMN/WLAN體系的計費策略

PLMN/WLAN體系結構采用松耦合融合方式[12]和混合接入方式(通用接入和安全接入)。為提高融合網絡的安全性，需要采用AAA服務器。AAA服務器是一個集授權、認證、計費于一身的系統[13-16]，在PLMN/WLAN體系結構中用于接入控制的主機(即網關)有兩塊網卡，一塊利用WLAN接入控制器(見圖2)接入WLAN網絡，另一塊則接入互聯網。

WLAN接入控制器包括下面的主要模塊：遠程認證撥號用戶服務(RADIUS)客戶端，負責與RADIUS服務器通信[17-19]；WLAN接入控制模塊，負責控制WLAN客戶的接入；重定向模塊，將沒有認證的用戶重定向到登錄服務器。另外，Web頁面上還有個WLAN登錄界面是用戶的認證界面。

WLAN接入控制主模塊為WLAN用戶創建連接，同時為每個已認證的用戶創建一個數據結構，包括用戶名、密碼等信息。對于未認證的用戶，它請求重定向模塊將用戶重定向到設置在Web服務器上的WLAN登錄界面。使用這個界面，WLAN接入控制主模塊獲得用戶授權接入的證書，這個證書以后要在WLAN數據庫中通過RADIUS的客戶端/服務器(C/S)通信來檢驗。如果證書檢驗成功，用戶就可以通過WLAN接入互聯網，同時在WLAN接入控制器中的會話就建立起來。

對于每一個會話，WLAN接入控制器周期性地發送RADIUS計費消息給RADIUS客戶端，同時儲存在WLAN數據庫中。應用在WLAN數據庫上的AAA服務器管理所有的與用戶費用有關的計費信息，同時通過一個稱為計費接口的中間節點與PLMN預付費系統通信。當一個用戶賬號中沒有費用時，AAA服務器就給WLAN接入控制器發送中斷請求。

2.2 PLMN/WLAN網絡的計費模型

在PLMN/WLAN網絡中，有下面3種類型的用戶：PLMN/WLAN后付費用戶、PLMN預付費用戶(PLMN的預付費用戶使用WLAN服務)和WLAN 預付費用戶(已有WLAN賬號的用戶)。

為了進行收費，移動運營商在其計費系統中增加了一個可以提供給用戶WLAN服務的選項。圖3是這3種付費方式網絡節點之間的完整的AAA信息流程圖。

(1) 后付費用戶計費流程

當一個帶有移動用戶綜合服務數字網 (MSISDN)號碼的PLMN用戶登錄WLAN網絡，瀏覽器就會重定向到移動運營商的WLAN的登錄界面。在這里，后付費用戶將被要求發送手機短信(SMS)到指定的號碼來獲得接入WLAN需要的一次性密碼(OTP)。

移動運營商的SMS中心收到用戶短信后，通過點對點的短消息協議(SMPP)將其發送到連接在移動運營商IP骨干網的主機上。主機收到申請OTP的請求后觸發用戶的MSISDN號碼的檢驗。因為會存在來自其他運營商的漫游用戶，所以MSISDN的檢驗是有必要的，需要分析發送SMS的手機號碼。

在對用戶的MSISDN檢驗成功以后，主機為那個用戶產生OTP，然后將MSIMDN和OTP儲存在結構化查詢語言(SQL)數據庫中，并通過SMPP協議發送OTP(S-OTP)到用戶處。用戶收到OTP的同時將他的MSISDN和收到的OTP(R-OTP)作為用戶名和密碼輸入。該用戶名和密碼通過無線訪問節點(AP)被發送到WLAN的RADIUS AAA服務器，若R-OTP與WLAN數據庫中的S-OTP相匹配，用戶就能接入網絡同時開始計費。RADIUS服務器也是一個計費服務器，它會收到所有的計費消息(計費開始、中間計費、計費結束等)。會話結束后，RADIUS服務器將計費數據記錄到SQL數據庫中。

(2) 預付費用戶計費流程

預付費用戶與后付費用戶的情況類似，不同之處在于引入了公開計費接口(OCI)。PLMN預付費用戶需要提前支付費用來使用WLAN，或者是以時間周期來計費(比如1分鐘記一次)，或是用給定的數據量來計費(比如多少比特)。在WLAN數據庫與OCI之間，不同的價格因素已達成協議。

WLAN預付費用戶的計費信息的流程圖如圖4所示。

WLAN預付費用戶和后付費用戶或是PLMN預付費用戶的首要不同是用戶名的類型。在前面兩種情況下，用戶名是PLMN用戶的MSISDN號，而WLAN預付費用戶會在卡上給出用戶名和密碼。

一般來說，所有預付費卡上的用戶名和密碼都會在出售之前錄入WLAN數據庫中。當用戶首次登錄時，要在登錄頁面上輸入卡上的用戶名和密碼，然后由系統將用戶的輸入與WLAN數據庫中的相應記錄進行比較，如果匹配，WLAN預付費賬號就創建成功并存有相應費用。在會話期間根據資源的使用來更新費用余額。

3 MANET融合網絡的計費策略

融合了蜂窩網和Ad hoc網絡的多跳蜂窩網(MANET)可以通過融合來提升各自優勢，受到了廣泛的關注。

機會驅動多址接入(ODMA)[20-21]是一種Ad hoc 多跳協議，將移動主機到基站的傳輸劃分成多個無線跳數，降低了傳輸功耗。支持自組織方式的GSM網絡 (A-GSM)[22]在GSM網絡中作為網絡層平臺調節中繼容量，同時擴展了標準GSM無線接口來支持中繼功能。支持中繼的蜂窩和自組織集成系統(iCAR)[23]融合了蜂窩網的基礎構造和Ad hoc的中繼技術，利用Ad hoc中繼站(ARS)傳遞從一個蜂窩到另一個蜂窩的數據，不僅增加了系統容量，還降低了移動終端的傳輸功耗。融合蜂窩網和自組織網的無線網絡架構(UCAN)[24]可以有效地提高蜂窩的吞吐量。在UCAN模型中的每個移動設備都有3G的蜂窩接口和基于IEEE 802.11的對等連接，3G基站將數據包從信道質量不佳的目標客戶轉寄給信道質量較好的代理客戶。

蜂窩網和Ad hoc的融合網絡的模型已經研究出多種，其自身的特性對計費機制產生了新的要求。首先，許多通信業務只是由節點間的中繼轉發來完成，而不需要經過基站。因此，基站對于覆蓋范圍內的業務并不擁有完備的信息。其次，電信運營商已不再是服務的唯一提供者，負責中繼轉發的中間節點也為通信用戶提供了相應的服務。這些中間節點在進行數據存儲和轉發的過程中耗費了自己的能量，甚至會影響自身的通信業務，所以必須給予一定的補償。第三，用戶的移動性會造成通信鏈路的重新配置，從而增大了統計計費信息的難度。這些特性就要求必須針對混合網絡設計新的計費機制，以保證準確記錄為用戶提供服務的其他用戶的身份，服務時間和傳輸流量等信息。基于上面提到的混合網絡的特點，計費策略的研究一般要和節點的協作激勵問題結合考慮，這就加大了設計計費模型的難度。雖然現在已經提出了許多基于費用獎勵機制的激勵策略，比如小額付款機制(Micro-Payment)[25]，但混合網絡具體的計費模型還沒有出現。

基于上面的要求，我們就MANET融合網絡所要考慮的因素提出一種計費策略，包括初始化認證階段、數據包計費階段和獎勵階段，如圖5所示。它基于虛擬貨幣[26]和節點的獎勵策略[27]，對發送者和接收者都有付費要求，對轉發者有獎勵措施；另外對只在Ad hoc網絡中的數據傳輸沒有計費和獎勵處理。考慮到安全因素，還需要認證過程，并引入密鑰技術和數字簽名技術[28]。

3.1 初始化認證階段

在某節點N 加入基站S 的混合網絡之前， 要從S 處得到N 的唯一標識符IDN， N 的公鑰/私鑰對KN /KSN，證書Certs(IDN ，KN )和S 的一次性公鑰KS。若此節點在基站處沒有虛擬貨幣[26]，它需要先往基站存入貨幣才能發送數據包，或者通過協作其他節點轉發數據而獲得貨幣[27]。

一源節點O 要發送數據包，需要先向所有參與通信的節點(中間節點和目的節點)進行認證。源節點向目的節點發送AUTH請求消息，包括IDO、公鑰KO和證書Certs(IDO ，KO)。每條路由上的節點會核實證書，如果是有效的就將IDO和公鑰KO保存在自己的AUTH列表中。在AUTH請求消息成功核實后，目的節點就回發AUTH應答消息給源節點O。當源節點O 接收到AUTH應答消息后，它就知道路由上的節點存在，此時就可以開始發送自己的數據包。

為了減少由路由上的未認證節點造成的延遲，混合網絡中的每個節點都會向其一跳鄰居節點認證。認證成功的鄰居節點的標識符和公鑰都會被存儲在AUTH列表里。如果路由改變，一個新的節點加入路由，它不僅要向其一跳鄰居節點認證，還要向源節點認證。

3.2 數據包計費階段

源節點O 要傳送數據包給目的節點D。若數據包為Ad hoc內部流量，則節點O 就不需付費，直接將簽名數據包PKTO 傳送到下一跳節點，PKTO = IDO |Pay|TimestO |SigO (Pay， TimestO ) (其中Pay為費用，TimestO 為節點O產生數據包的時間戳，SigO 為數據包的數字簽名)；若數據包要通過基站離開節點O所在的Ad hoc網絡，就要先根據節點跳數確定數據包的傳送費用。若節點O有足夠的貨幣，付費后就產生簽名的數據包PKTO傳送到下一跳節點；若節點O沒有貨幣，此時它就不能發送數據。此過程如圖6所示。

某節點N 收到其上一跳節點發送的數據包PKTN -1，若此數據包的數字簽名SigN -1，同原數字簽名SigO 驗證不正確，就要丟棄此包，否則節點N 要檢查數據包的來源和目的地。若數據包是來自節點N 的外部Ad hoc網絡且節點N 就是目的地，就要先根據節點跳數確定數據包的接收費用，付費后就產生簽名的確認消息ACKN 傳送到上一跳節點N -1；若數據包是來自節點N的內部Ad hoc網絡并要經過基站離開網絡，節點N 就產生簽名的確認消息ACKN 傳送到上一跳節點N -1，ACKN =IDN |TimestN |SigN (SigN -1，TimestN)，然后節點N 開始轉發數據包。此過程如圖7所示。

節點N丟棄上一個節點N -1的信息，得到原始數據包PKTO，再產生簽名的數據包PKTN 。然后節點N 在路由表中查找到達目的地的下一跳節點，將下一跳節點的標識符IDN +1和要轉發數據包的簽名SigN 保存在列表中，發送數據包PKTN到下一跳節點，PKTN = IDN |PKTO |TimestN |SigN(PKTO ， TimestN )。

3.3 獎勵階段

節點N 收到來自后續節點N +1的ACK消息，若此ACK消息的數字簽名SigN +1檢驗不正確，就丟棄此消息，否則就再檢查ACK消息中包含的數據簽名SigN +1和后續節點的標識符IDN +1是否在列表中有匹配，如果存在的話，就對節點用貨幣獎勵，同時要從列表中移走匹配對。轉發數據包及獎勵過程如圖8所示。

這種多跳蜂窩網的安全計費策略為基于獎勵的協作計費策略提供了基礎，對發送者和接收者都有付費要求，而對轉發者沒有計費要求只有獎勵措施，這就激勵了節點的協作。另外對只在Ad hoc網絡中的數據傳輸沒有計費和獎勵處理，使得基站與移動節點之間的控制關系更加緊密。

4 結束語

網絡融合的發展為下一代移動通信系統奠定了基礎。而其中混合網絡的計費不僅對傳統的業務提供了有力的支持，同時也為引入新的服務創造了條件。我們提出的基于多跳蜂窩網的協作計費策略，通過補償自私節點來激勵節點協作。同時策略結合了基于公鑰加密的安全體系，并使用了數字簽名和證書，使得安全性得到保證。由于混合網絡計費模型的設計需要綜合考慮多方面的因素，因此有廣泛的研究前景。

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收稿日期：2007-01-04

作者簡介

王堃，南京郵電大學在讀博士研究生，主要研究方向為無線通信與信息安全。

吳蒙，南京郵電大學教授、博士生導師，主要研究方向為無線通信、信息安全及DSP 技術在通信中的應用。