网络计费策略的研究

基金项目：国家“863”计划项目(2006AA01Z208)

      蜂窝网、无线局域网(WLAN)和移动自组织网络(MANET)的相互融合是未来通信系统的重要组成形式之一[1-2]。许多研究者已经分别设计了蜂窝网、WLAN和MANET的无线平台，但是不同技术、不同容量和不同功能的融合是个相当复杂的任务，未来混合网络的计费策略的选择和计费标准的设定更是关键问题。网络运营商需要解决两个主要问题：利益最大化和服务质量(QoS)保证，因此网络计费策略在网络融合的实现过程中，是必须要重点考虑的问题。

      移动通信的计费策略的选择及计费标准的设定随着通信技术的进步在不断地改进。2G时代的计费策略只是单一地基于通话时间，因为当时语音呼叫是主要通信手段；然而，随着非语音业务大量出现，原有的计费策略就不再适用了。改进的计费策略已经开始被研究，但是在几种异构网络融合尤其是MANET与蜂窝网融合的情况下，还没有具体的计费系统的实现。

      MANET和蜂窝网的融合网络具有多跳的特点，其网络用户利用单一终端既可以动态地组成一定范围内的局域子网享受周边的服务资源，又可以通过多跳转发接入基站获得广域网的服务。然而，混合网络的特点同时也加大了设计计费模型的难度。例如节点的移动性会造成通信链路的重新配置，使统计计费信息变得困难；为激励中间节点进行数据存储和转发而引入的补偿机制也需要被考虑进计费策略中。

      下文分别详细描述了蜂窝网、WLAN与蜂窝网的融合网络及MANET与蜂窝网的融合网络中的计费策略的演进，提出了基于多跳蜂窝网的计费策略。

1 蜂窝网系统中的计费策略及计费模型
      在通信网络的研究中提出了多种不同的计费策略，包括固定价格的策略、基于使用的策略(根据用户的连接时间或流量计费)和基于服务质量的策略(给用户的服务不同，费用也不同)。

1.1 基于服务等级的计费策略
      随着用户对服务的要求越来越复杂，对网络中不同的服务分级显得尤为重要。可以按照时段来定价,同时对服务质量进行分类，根据每个服务的带宽需要和它们对时延的敏感性来区分它们的优先级次序。以图1为例，定义了3个不同的服务级别，每个服务等级都设置了峰值时间和非峰值时间，这种计费策略有利于用户选择适合自己的服务和时段。

      如果用Xijk表示在k时属于用户i的第j 级服务的流量，θk为时段系数(这里就两个时段系数)，那么第i个用户的费用就等于每个服务所有流量的单位价格的总和，即pricei =∑θkXi 1kP1
+∑θkXi 2kP2+∑θkXi 3kP3，这里P1，P2，P3分别表示3个服务等级的分类价格。

1.2 其他计费策略
      在有线网络中大量使用的固定价格的策略并不适用于带宽资源有限的无线环境。被大多数无线网络采用的基于时间或流量的策略使用户能在需要的时候才使用网络资源，但是由于没有提供区分服务的功能，用户不会在网络严重拥塞的情况下放弃连接。随着无线用户快速增加，无线应用不断多样化，这些策略的不足就显现无疑。

      还有一种基于拥塞的策略可以使价格随着网络拥塞状态的变化而动态调整。但其最大的不足在于大量的计算和信号处理，尤其是在无线网络环境下。

      另一些计费策略考虑了网络资源使用与不同应用之间的影响，如有效带宽策略[3]考虑了WCDMA网络的传输层和物理层来决定费用。然而这些策略相对复杂，而且不易改变。

      为通信网络设计计费策略并不是技术或是经济问题，因为策略的有效性需要考虑用户、网络服务运营商和社会各方面的情况，表1给出了对计费策略性能的评估结果[4]。

      如表1所示，基于时间和基于流量的策略容易实现，但是在经济效益上低，也不提供区分用户或区分应用的功能。而有效带宽策略可以区分不同应用的QoS需求，但是实现复杂，同时也不支持区分用户的功能。因此，一个好的计费策略需要综合考虑多个方面的问题使各方面达到最优。

1.3 计费模型
      基于上文描述的各种计费策略，已经有许多传统的计费模型出现。

      固定价格计费模型[5]基于固定价格的策略，计费系统和中间系统设备的费用低，但对于网络拥塞问题没有解决办法。

      计量计费模型和包计费模型都是基于使用的计费模型。计量计费模型采用基于时间的策略，在GSM网络中存在商业性的问题(用户也许会在手机没有开机的情况下，让GPRS会话功能一直开着)。因此就出现了基于流量策略的包计费模型，但是需要更多的网络设备来组建数据包统计系统以处理基于用户的包数据。

      预期容量计费模型是基于拥塞策略的计费模型[6]，用户的计费是基于它们所期望的容量而不是网络的峰值容量。这个模型使互联网服务提供商(ISP)能识别网络流量，在用户网络接口处使用一个指示器来标记超出流量，在网络出现拥塞的时候超出流量将优先被舍弃，并且不计入收费，这样所有的用户都能在没有拥塞的情况下使用网络，但ISP不得不限制用户使用的网络实际容量。

      边界计费模型[7]、巴黎地铁式计费模型[8]和基于市场预留计费模型[9]都是基于服务质量的计费模型。边界计费模型将互联网划分为多个不同的局部网络，用户在拥有不同计费系统的网络中传输或共享信息时，根据网络间边界处的双边协定进行服务定价。但是如同包计费模型一样，收集边界使用信息的费用也许会超出所使用信息本身的费用。巴黎地铁式计费模型将传输系统的传输级别引入到网络流量中，转变为用户的服务级别由用户动态地选择，随网络性能的变化相应改变。网络用户的灵活性提高了，但是网络处理的复杂性增加了。基于市场预留的计费模型引入审计的概念，由网络用户设置货币支付，同时维护一个优先级列表，通过改变服务的优先级来调整服务质量。当然，这样使得网络服务质量的不确定性提高了。

      表2是各计费模型之间的比较：实现代价覆盖了新设备和软件的资本投资，网络负载包括额外的用于实现模型的网络流量和用于数据收集和处理的系统，用户负载包括额外复杂的税务和用户账户的维护费，这可以避免ISP产生过多的费用。       

2 PLMN/WLAN融合网络的计费
      WLAN的数据速率高但覆盖范围有限，而公众陆地移动电话网(PLMN)的带宽受限但覆盖范围很广，因此WLAN可以弥补PLMN的不足。融合WLAN和PLMN系统的网络需要解决的一个关键问题就是共享系统的计费。没有合适的计费系统，接入不同网络的用户就会收到许多不同的账单，网络之间会出现用户竞争。因此需要有选择性地使用网络，同时设定不同的费率。另外将使用WLAN的价格定得比在PLMN上使用同样的服务低，使用户可以在WLAN存在的地方使用WLAN，而在WLAN不存在的地方使用PLMN。文献[10]中已经叙述了WLAN与PLMN协同合作的问题，但是并没有正式提出融合系统。在文献[11]中描述了共享系统的计费方式，使得PLMN/WLAN的融合系统切实可行。

2.1 PLMN/WLAN体系的计费策略
      PLMN/WLAN体系结构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)。为提高融合网络的安全性，需要采用AAA服务器。AAA服务器是一个集授权、认证、计费于一身的系统[13-16]，在PLMN/WLAN体系结构中用于接入控制的主机(即网关)有两块网卡，一块利用WLAN接入控制器(见图2)接入WLAN网络，另一块则接入互联网。

      WLAN接入控制器包括下面的主要模块：远程认证拨号用户服务(RADIUS)客户端，负责与RADIUS服务器通信[17-19]；WLAN接入控制模块，负责控制WLAN客户的接入；重定向模块，将没有认证的用户重定向到登录服务器。另外，Web页面上还有个WLAN登录界面是用户的认证界面。

      WLAN接入控制主模块为WLAN用户创建连接，同时为每个已认证的用户创建一个数据结构，包括用户名、密码等信息。对于未认证的用户，它请求重定向模块将用户重定向到设置在Web服务器上的WLAN登录界面。使用这个界面，WLAN接入控制主模块获得用户授权接入的证书，这个证书以后要在WLAN数据库中通过RADIUS的客户端/服务器(C/S)通信来检验。如果证书检验成功，用户就可以通过WLAN接入互联网，同时在WLAN接入控制器中的会话就建立起来。

      对于每一个会话，WLAN接入控制器周期性地发送RADIUS计费消息给RADIUS客户端，同时储存在WLAN数据库中。应用在WLAN数据库上的AAA服务器管理所有的与用户费用有关的计费信息，同时通过一个称为计费接口的中间节点与PLMN预付费系统通信。当一个用户账号中没有费用时，AAA服务器就给WLAN接入控制器发送中断请求。

2.2 PLMN/WLAN网络的计费模型
      在PLMN/WLAN网络中，有下面3种类型的用户：PLMN/WLAN后付费用户、PLMN预付费用户(PLMN的预付费用户使用WLAN服务)和WLAN 预付费用户(已有WLAN账号的用户)。

      为了进行收费，移动运营商在其计费系统中增加了一个可以提供给用户WLAN服务的选项。图3是这3种付费方式网络节点之间的完整的AAA信息流程图。

      (1) 后付费用户计费流程
      当一个带有移动用户综合服务数字网 (MSISDN)号码的PLMN用户登录WLAN网络，浏览器就会重定向到移动运营商的WLAN的登录界面。在这里，后付费用户将被要求发送手机短信(SMS)到指定的号码来获得接入WLAN需要的一次性密码(OTP)。

      移动运营商的SMS中心收到用户短信后，通过点对点的短消息协议(SMPP)将其发送到连接在移动运营商IP骨干网的主机上。主机收到申请OTP的请求后触发用户的MSISDN号码的检验。因为会存在来自其他运营商的漫游用户，所以MSISDN的检验是有必要的，需要分析发送SMS的手机号码。
在对用户的MSISDN检验成功以后，主机为那个用户产生OTP，然后将MSIMDN和OTP储存在结构化查询语言(SQL)数据库中，并通过SMPP协议发送OTP(S-OTP)到用户处。用户收到OTP的同时将他的MSISDN和收到的OTP(R-OTP)作为用户名和密码输入。该用户名和密码通过无线访问节点(AP)被发送到WLAN的RADIUS AAA服务器，若R-OTP与WLAN数据库中的S-OTP相匹配，用户就能接入网络同时开始计费。RADIUS服务器也是一个计费服务器，它会收到所有的计费消息(计费开始、中间计费、计费结束等)。会话结束后，RADIUS服务器将计费数据记录到SQL数据库中。

      (2) 预付费用户计费流程
      预付费用户与后付费用户的情况类似，不同之处在于引入了公开计费接口(OCI)。PLMN预付费用户需要提前支付费用来使用WLAN，或者是以时间周期来计费(比如1分钟记一次)，或是用给定的数据量来计费(比如多少比特)。在WLAN数据库与OCI之间，不同的价格因素已达成协议。

      WLAN预付费用户的计费信息的流程图如图4所示。

      WLAN预付费用户和后付费用户或是PLMN预付费用户的首要不同是用户名的类型。在前面两种情况下，用户名是PLMN用户的MSISDN号，而WLAN预付费用户会在卡上给出用户名和密码。

      一般来说，所有预付费卡上的用户名和密码都会在出售之前录入WLAN数据库中。当用户首次登录时，要在登录页面上输入卡上的用户名和密码，然后由系统将用户的输入与WLAN数据库中的相应记录进行比较，如果匹配，WLAN预付费账号就创建成功并存有相应费用。在会话期间根据资源的使用来更新费用余额。

3 MANET融合网络的计费策略
      融合了蜂窝网和Ad hoc网络的多跳蜂窝网(MANET)可以通过融合来提升各自优势，受到了广泛的关注。

      机会驱动多址接入(ODMA)[20-21]是一种Ad hoc 多跳协议，将移动主机到基站的传输划分成多个无线跳数，降低了传输功耗。支持自组织方式的GSM网络 (A-GSM)[22]在GSM网络中作为网络层平台调节中继容量，同时扩展了标准GSM无线接口来支持中继功能。支持中继的蜂窝和自组织集成系统(iCAR)[23]融合了蜂窝网的基础构造和Ad hoc的中继技术，利用Ad hoc中继站(ARS)传递从一个蜂窝到另一个蜂窝的数据，不仅增加了系统容量，还降低了移动终端的传输功耗。融合蜂窝网和自组织网的无线网络架构(UCAN)[24]可以有效地提高蜂窝的吞吐量。在UCAN模型中的每个移动设备都有3G的蜂窝接口和基于IEEE 802.11的对等连接，3G基站将数据包从信道质量不佳的目标客户转寄给信道质量较好的代理客户。

      蜂窝网和Ad hoc的融合网络的模型已经研究出多种，其自身的特性对计费机制产生了新的要求。首先，许多通信业务只是由节点间的中继转发来完成，而不需要经过基站。因此，基站对于覆盖范围内的业务并不拥有完备的信息。其次，电信运营商已不再是服务的唯一提供者，负责中继转发的中间节点也为通信用户提供了相应的服务。这些中间节点在进行数据存储和转发的过程中耗费了自己的能量，甚至会影响自身的通信业务，所以必须给予一定的补偿。第三，用户的移动性会造成通信链路的重新配置，从而增大了统计计费信息的难度。这些特性就要求必须针对混合网络设计新的计费机制，以保证准确记录为用户提供服务的其他用户的身份，服务时间和传输流量等信息。基于上面提到的混合网络的特点，计费策略的研究一般要和节点的协作激励问题结合考虑，这就加大了设计计费模型的难度。虽然现在已经提出了许多基于费用奖励机制的激励策略，比如小额付款机制(Micro-Payment)[25]，但混合网络具体的计费模型还没有出现。

      基于上面的要求，我们就MANET融合网络所要考虑的因素提出一种计费策略，包括初始化认证阶段、数据包计费阶段和奖励阶段，如图5所示。它基于虚拟货币[26]和节点的奖励策略[27]，对发送者和接收者都有付费要求，对转发者有奖励措施；另外对只在Ad hoc网络中的数据传输没有计费和奖励处理。考虑到安全因素，还需要认证过程，并引入密钥技术和数字签名技术[28]。

       
3.1 初始化认证阶段
      在某节点N 加入基站S 的混合网络之前, 要从S 处得到N 的唯一标识符IDN， N 的公钥/私钥对KN /KSN，证书Certs(IDN ,KN )和S 的一次性公钥KS。若此节点在基站处没有虚拟货币[26]，它需要先往基站存入货币才能发送数据包，或者通过协作其他节点转发数据而获得货币[27]。

      一源节点O 要发送数据包，需要先向所有参与通信的节点(中间节点和目的节点)进行认证。源节点向目的节点发送AUTH请求消息，包括IDO、公钥KO和证书Certs(IDO ,KO)。每条路由上的节点会核实证书，如果是有效的就将IDO和公钥KO保存在自己的AUTH列表中。在AUTH请求消息成功核实后，目的节点就回发AUTH应答消息给源节点O。当源节点O 接收到AUTH应答消息后，它就知道路由上的节点存在，此时就可以开始发送自己的数据包。

      为了减少由路由上的未认证节点造成的延迟，混合网络中的每个节点都会向其一跳邻居节点认证。认证成功的邻居节点的标识符和公钥都会被存储在AUTH列表里。如果路由改变，一个新的节点加入路由，它不仅要向其一跳邻居节点认证，还要向源节点认证。

3.2 数据包计费阶段
      源节点O 要传送数据包给目的节点D。若数据包为Ad hoc内部流量，则节点O 就不需付费，直接将签名数据包PKTO 传送到下一跳节点，PKTO = IDO |Pay|TimestO |SigO (Pay, TimestO ) (其中Pay为费用，TimestO 为节点O产生数据包的时间戳，SigO 为数据包的数字签名)；若数据包要通过基站离开节点O所在的Ad hoc网络，就要先根据节点跳数确定数据包的传送费用。若节点O有足够的货币，付费后就产生签名的数据包PKTO传送到下一跳节点；若节点O没有货币，此时它就不能发送数据。此过程如图6所示。

      某节点N 收到其上一跳节点发送的数据包PKTN -1，若此数据包的数字签名SigN -1，同原数字签名SigO 验证不正确，就要丢弃此包，否则节点N 要检查数据包的来源和目的地。若数据包是来自节点N 的外部Ad hoc网络且节点N 就是目的地，就要先根据节点跳数确定数据包的接收费用，付费后就产生签名的确认消息ACKN 传送到上一跳节点N -1；若数据包是来自节点N的内部Ad hoc网络并要经过基站离开网络，节点N 就产生签名的确认消息ACKN 传送到上一跳节点N -1，ACKN =IDN |TimestN |SigN (SigN -1，TimestN)，然后节点N 开始转发数据包。此过程如图7所示。

      节点N丢弃上一个节点N -1的信息，得到原始数据包PKTO，再产生签名的数据包PKTN 。然后节点N 在路由表中查找到达目的地的下一跳节点，将下一跳节点的标识符IDN +1和要转发数据包的签名SigN 保存在列表中，发送数据包PKTN到下一跳节点，PKTN = IDN |PKTO |TimestN |SigN(PKTO , TimestN )。

3.3 奖励阶段
      节点N 收到来自后续节点N +1的ACK消息，若此ACK消息的数字签名SigN +1检验不正确，就丢弃此消息，否则就再检查ACK消息中包含的数据签名SigN +1和后续节点的标识符IDN +1是否在列表中有匹配，如果存在的话，就对节点用货币奖励，同时要从列表中移走匹配对。转发数据包及奖励过程如图8所示。

      这种多跳蜂窝网的安全计费策略为基于奖励的协作计费策略提供了基础，对发送者和接收者都有付费要求，而对转发者没有计费要求只有奖励措施，这就激励了节点的协作。另外对只在Ad hoc网络中的数据传输没有计费和奖励处理，使得基站与移动节点之间的控制关系更加紧密。

4 结束语
      网络融合的发展为下一代移动通信系统奠定了基础。而其中混合网络的计费不仅对传统的业务提供了有力的支持，同时也为引入新的服务创造了条件。我们提出的基于多跳蜂窝网的协作计费策略，通过补偿自私节点来激励节点协作。同时策略结合了基于公钥加密的安全体系,并使用了数字签名和证书，使得安全性得到保证。由于混合网络计费模型的设计需要综合考虑多方面的因素，因此有广泛的研究前景。

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收稿日期：2007-01-04

[摘要] 融合了蜂窝网、WLAN和MANET特点的混合网络日益受到关注，对关键技术的研究更是其发展的重要基础，而涉及到的计费策略更是研究的热点。运营商一直最关心计费问题，希望达到利益的最大化和最高的使用效率；而对于用户来说，最重要的是价格的可接受程度与所提供的服务质量(QoS)之间是否成正比。基于蜂窝网的计费策略、蜂窝网与WLAN的融合计费策略，提出了一种融合MANET的多跳蜂窝网的计费策略，它利用虚拟货币的概念和节点激励机制，同时考虑到安全因素，结合了密钥技术和数字签名技术。

[关键词] 混合网络；蜂窝网；无线局域网；移动自组织网络；计费

[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.

[Keywords] hybrid network; cellular network; WLAN; MANET; charging