關于切換技術解決３Ｇ網絡融合問題的綜述

摘要：通過對無線通信網絡的體系結構，運營方式，切換技術實現細節等方面的分析和研究，研究和探討異構網絡之間的切換技術，最終提出一個面向下一代無線通信網絡的新型的基于IP的綜合切換(Integrated Handover，IH)框架。

IH技術的最終目標就是要解決移動通信網絡中因網絡異構、資源開銷瓶頸等影響，成功地實現全球無線網絡覆蓋范圍的低時延、高帶寬、寬切換域、開銷低和QoS保證的不同網絡間順暢的無縫切換。

關鍵詞：下一代無線通信網絡；異構網絡；切換；代理；綜合切換

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)23-920-03

Research on the Strategy of IH for the Third Generation Wireless Network

XIA Qing

(China Unicom Shenzhen Branch Data Fixed Dep.， Shenzhen 518048， China)

Abstract: The conception of cellular is a very important in the field of wireless communication network. Communication services are provided by wireless overlay network with all different levels of cellular areas in the geographical region in current wireless networks， furture wireless and mobile communication also maybe utilizes this cellular technology. So， the handover procedure must be needed if only adopting cellular structure's wireless and mobile networks.

With development of wireless communication technology， some new services and requirements will be brought forward in the furture. High-bandwidth， personalized， intelligent and mobility will be a trend of the furture communication. How to handover between heterogeneous RANs because of the user's roaming and the choice of new service is one of the key technologies to be solved.

In this paper， a solution named IH(Integrated Handover) is proposed， which is a new handover mechanism based on IP for the next generation wireless network including fixed and mobile communications'， and emphasis is on the discussion of conception， principium and implement mechanism of the IH based on IP layer， including IH prototype， components of IAH system， trigger parameters and so on.

Key words: the third generation wireless network(3G); heterogeneous wireless networks; handover; agent; integrated handover

1 引言

切換概念始于蜂窩移動電話系統中，如何保證正在通話的移動臺從一個小區漫游到另一個小區而不中斷通話業務。隨著無線通信技術的發展，覆蓋不同業務區域的異構無線接入網引入通信網絡中，切換概念也隨之延伸和拓展。

為了解決未來無線通信網絡中移動終端實現不同地理覆蓋區域、不同接入網絡間各種業務無縫切換和接入，需要研究新型的切換策略。由于3GPP組織并未對異構網絡間的切換形成統一的規范和標準，所以目前有關無線異構網絡間的切換處于研究和討論階段。在不同的協議層上，人們提出了各種各樣的切換概念和機制。綜合切換（Integrated Handover，IH）框架就是其中一種較新的切換機制。

IH框架把不同地理區域和不同業務的切換要求運用分層的移動管理協議來管理，滿足切換要求，提高了切換效能。

2 切換的原因分析

在研究和設計IH系統前，首先要對IH工作場景和達到什么樣的業務要求要明確。

1)MN（Mobile Node，移動節點）移動引起的切換。

2)NSO通信鏈路和容量能力問題引起的切換。

3)無線接入模式間的切換。

4)用戶主動發起的切換。

5)群呼切換。

6)設備更換引起的切換。

從以上情況來看，切換模式的變化以及切換技術的發展首先基于切換原因的多元特性，不同原因引起的切換會有不同的特性表現，其中MN移動引起的切換會反映到信號質量的強弱變化，網絡容量有限和通信鏈路的惡化也會反映到一些通信指標和參數，所以我們發現如果不是用戶干涉主動發起的切換，最后都會在通信QoS上表現出來。

3 切換工作相應的一些要求

在完成所有以上這些情況下的切換，必須滿足相應前提條件，這些條件包括業務連續性、MN移動速度（目前可以看到的資料MN的移動速度上限為250千米/小時）、QoS保證、IH切換可靠性、切換效率、切換性能及切換開銷等評估要求。IH QoS保證涉及網絡帶寬Data rate、丟包率Packet loss rate、時延Delay 、抖動Delay variation、誤比特率bit error ratios等指標，以及處理吞吐量和干擾與大量終端爭用可用帶寬等問題。

4 IH商業和運營方式的考慮

早期的不同無線接入技術和不同運營商的無線網絡接入存在不能漫游等問題，但采用了相同標準的無線接入技術使同構網絡內部技術上互連互通和漫游成為可能，唯一需考慮的是采用相同技術標準的不同無線移動運營商是否能在商業運營中允許外來MN相互漫游和接入（比如802.11標準沒有定義兩個AP之間的漫游和切換，因為此時切換涉及到網絡層和傳輸層）。但是關于異構網絡間的漫游和切換技術上仍未形成國際統一標準，而且涉及到的無線網絡和移動網絡不同標準和制式繁多復雜，制定統一的漫游和切換標準任重道遠。但是基于IPv6基礎上的技術發展使解決上述問題成為可能，未來的無線接入網絡都可以統一到IPv6技術的核心網絡中。所以，IH切換還需要商業運營中各個通信網絡擁有者相互協調和合作，允許對方用戶準入自己網絡，在運營管理層面支持IH切換的應用 。

如果允許漫游，這意味著的應用可以推動運營商轉變傳統網絡觀念，改變以往靜態認識互網絡的態度，以開放性的思維和角度認識“網絡是個公共平臺”，支持和鼓勵漫游業務發展。可見運營商以技術為驅動來改變解決網絡“交通擁堵”及運營商利益分割難題是比較合理、合適、有效的解決途徑。隨著商業模式的日益成熟，未來3G寬帶計費模式的發展方向必將是按時長計費、按流量計費、包月計費、按內容計費及其相互組合衍生計費模式的結合。運營商在“網絡公共平臺”的聯合合作才是解決帶寬危機的最好辦法，這也是本文所討論IH技術的現實意義所在。

5 切換結構問題

切換結構問題是指MN在切換過程中，涉及到的通信網絡中有關元素以及網元中通信協議和控制策略的構造和設計，以及相應軟硬件部件的設計和部署。對于IH來說需要重新審視和考慮所面臨的通信協議棧問題。

我們通過不同體系結構的無線移動網絡研究發現，越是通信環境復雜和業務要求豐富的移動網絡，其移動終端面臨的切換要求越復雜，那么其切換機制要考慮的通信協議設計就越復雜，就越需要更高層次的通信協議來支持。我們研究的IH切換是要滿足不同網絡間、不同業務間、不同地理區域間，或自動或主動的切換，那么IH涉及到的通信協議層面就多，上至應用層下至物理層都要重新考慮設計。在設計IH通信協議時需要考慮以下幾個問題：

物理層需要適應快速改變的鏈路特點；

MAC層需要最小化碰撞概率、允許公平接入，能在鏈路快速改變和存在隱藏終端和暴露終端的情況下提供數據的可靠傳輸；

網絡層需要在網路拓撲不斷變化的情況下，高效地進行路由；

傳輸層需要處理與有線網絡差異很大的分組延遲和丟失；

應用層需要處理對等應用可能出現的通信頻繁中斷和重建以及變化范圍很大的分組延遲與丟失。

6 IH切換過程研究

通過對已有各種無線網絡中MN在小區間切換過程的分析和研究，我們總結得出，切換過程有一般的規律，可以把整個IH切換過程大概分為三個狀態和兩個階段，即切換監聽、切換就緒和切換完成三個狀態，以及切換起始和切換執行兩個階段。

在以上所有進程完成后，則MN與切換目標NSO建立連接，連接成功后釋放原網絡資源，開始正常通信。

7 IH切換管理方案

在下一代無線通信中，MN漫游的范圍將大大擴展，不僅要解決在同一體系結構的無線子網中漫游，比如GSM、UMTS和WLAN中，還要解決異構網絡間的無縫漫游，比如UMTS和WLAN間的漫游。由于MN漫游出子網或同一個域外，所以需要重新尋址和申請資源，這樣一來就需要網絡層面上的移動管理協議，而且由于引起切換的原因多種多樣，所以應部署相應的管理方案來適應不同網絡范圍層次上、不同場景、不同QoS、不同切換時延和頻率的MN漫游管理，移動管理協議是IH切換中重要的研究內容和組成部分。本文對可能的MN移動管理協議進行分析和研究，滿足未來無線通信網絡環境中對移動性的復雜要求，最終得出適合于不同網絡環境中特定的IH漫游管理策略。

7.1 Mobile IPv6[1]協議

移動IPv6管理協議是一個宏觀上的移動管理協議，能提供全球地理范圍內的移動性支持，移動IPv6避免了移動IPv4帶來的三角路由，取消了外地代理，巨大的IPv6地址空間使移動IPv6直接轉發數據包，IPv6地址的自動配置功能簡化了MN的CoA分配。詳細技術見 IETF draft-ietf-mobileip-ipv6-22.txt。需要指出的是Mobile IP原本是為了在計算機網絡內實現移動性而提出的，但同時它也能支持MN在不同網絡域間的移動，較好地解決了宏移動性(Macro Mobility)問題。基于IP的移動管理協議還有一些，比如分層移動IP管理協議(Hierarchical Mobile IPv6)[2]，快速切換協議等。

提出Mobile IP的時候人們并沒有考慮移動主機的微移動性(Micro Mobility)，即主機在屬于同一個域的不同子網或小區間移動的問題（比如在同一個網絡運營商在一個城市內的無線網絡之間的移動），同時也沒有考慮到與現在電信網絡結合的問題。在將來，運營商為了增加網絡容量，提高通信帶寬，通常會減少無線小區的半徑，從而導致小區間切換越來越頻繁。若此時仍采用Mobile IP來解決微移動性問題，那么移動主機就會頻繁地向本地代理注冊和登記，就會導致切換時延上升，數據包丟失嚴重，嚴重的會導致切換失敗，網絡開銷增大。為了解決這個問題，人們推出了蜂窩IP(Cellular IP)移動管理協議，它是一種同時解決了移動主機微移動性問題的通信技術。

7.2 Cellular IP[3]或Localized Mobility Management協議

Cellular IP協議定義了對MN在本地網絡范圍內的移動和切換的支持，它不適合擔負MN全球移動性管理，但是支持MN在本地同一個域的不同子網或同一小區內的平滑切換。蜂窩IP為頻繁移動的主機提供了本地可移動性和越區切換支持，這意味著移動主機可移動到對活動的數據包有很小影響的蜂窩IP 網絡。對在不同蜂窩IP網絡之間的移動性，它和移動IP一起工作。連接到同一蜂窩IP網絡的移動主機可以保留自己的IP地址，蜂窩IP 可令它的選路IP分組到這個IP地址，此IP地址可處于在蜂窩IP網絡中任何位置，并且不被設備的外地IP地址干擾。

蜂窩IP規定基站周期性地發送信標信號，移動主機使用這些信標信號來定位最近的基站，并在收到一個不同信標信號時檢測越區切換。從移動主機發出的分組信息通常用跳接方式以最短路徑從基站選路到網關。因此，即使目的主機在蜂窩IP網絡內時，分組在選路到目的主機前也先選路到網關。從接入基站的移動節點發出的數據在到達網關的過程中可能經過幾個路由器。來自路由器的每個分組通過映射發送節點的IP地址到接收分組的接口來更新路由緩存。如果移動節點沒有任何數據發送，它就周期性地發送控制分組到服務器來更新路由緩存。當離開舊微網小區的范圍時，連接到下一個新基站，并通過此新基站不斷發送它的信息。通過此新基站到服務器的這些分組更新路由緩存到指向移動節點的新路由，如果在越區切換時，移動節點沒有任何數據要發送，路由緩存就由該移動節點發送的下一控制分組更新。在舊路由經過一段時間沒有使用而超時的時間段內，將有兩條路由可用。這時在網關或代理上的所有節點都不會注意到此越區切換。

需要指出的是，現有基于IP的MN管理協議在作為IH切換管理協議時，在下面兩方面存在不足：1)它們沒有定義切換的第一階段機制，即切換觸發和判決；2)也沒有解決切換后一階段的工作，即刷新建立新鏈路和重定向數據。所以對于IH切換，還需考慮和完成以上兩個階段的算法和機制。

利用IH技術實現異構網絡的平滑融合，不僅僅帶來了成本的節省和網絡管理的簡化，其最大的益處在于IP技術滿足了移動和便捷性的需求。全球性企業和經濟全球化的趨勢，需要企業融入一個全球化的通訊架構，而融合網絡的架構就是全球化的，在有互聯網的地方，就可以和合作伙伴進行語音和數據通訊。IH技術應用是對尋求技術驅動業大勢所趨，要新的方法來對現有的網絡進行革新性的優化與升級，不僅在應用層面進一步推動3G網絡向互動化、媒體化、融合化以及非管道化的趨勢發展，這就要求而且促進網絡進一步朝著全IP化、寬帶化、移動化以及融合化方向的更高層次發展演進，以此來支撐滿足社會和經濟迅猛發展對電信業務日新月異的需求。

參考文獻：

[1] IETF Draft draft-ietf-mobileip-ipv6-22.txt-2005，Mobility support in ipv6[S].

[2] IETFDraftdraft-ietf-mobileip-hmipv6-07.txt-2006，Hierarchical Mobile IPv6 mobility management(HMIPv6)[S].

[3] IETFDraftdraft-ietf-mobileip-cellularip-00.txt-2006，Cellular IP[S].