異構無線網絡中移動終端接入智能切換的研究*

劉文斌，李 燁，王亞剛，劉曉峰

(上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海200082)

0 引言

在移動通信技術飛速發展的今天，多種通信技術3GPP、WLAN、WiMAX并存，3G理論技術越發成熟，3G基站等設備得到了大范圍部署，近年來國內三大運營商已逐步將運營重心從2G平滑提升到3G通信，甚至還能在國內少數一線城市看到4G－TDLTE技術試運營的身影。但是，3GPP技術成熟應用仍舊滿足不了人們對終端設備訪問業務速度、高業務流量的要求。據思科預測，全球移動數據流量將在2010－2015年間增長26倍，保持92%的年復合增長率［1］。

作為非3GPP技術的典型代表，WLAN技術作為一種能夠將個人電腦、手持設備(如PDA、手機)等終端以無線方式互連的短距離無線技術，由于其自身高速連接、抗干擾能力強、簡單易部署等優點受到無線設備廠商的青睞，因而應用極為廣泛。現在全球每天估計有超過30億臺電子設備使用WLAN技術，而到2013年底CSIRO專利保護過期之后，這個數字預計會增加到50億。

因此，為了應對終端高業務訪問速度、高業務流量等數據業務需求，WLAN技術逐漸成為了蜂窩網絡分流的重要手段，國內三大運營商正致力于無線熱點的大規模部署，無線接入網展現了向異構化發展的方向［2］。

為了更好的利用無線側網絡資源，保證用戶的業務體驗，選擇一個合適的接入網顯得尤其重要?，F有的用戶大部分情況下自主選擇網絡接入，如在擁有豐富WLAN資源的環境中仍舊通過3GPP訪問數據業務，由于人為疏忽沒有及時切換到WLAN，這樣不僅降低了業務訪問速度、浪費空閑WLAN網絡資源，還增加了移動數據流量、增加3GPP網絡負載，而且這種切換方式還需要人為參與，增加了繁瑣性大大降低了用戶體驗、缺乏靈活性。

配合接入網發現和選擇功能(ANDSF，Access Network Discovery and Selection Function)與終端的通信，通過策略控制終端的網絡接入方式，這種智能切換使用戶在合適的時間、合適的地點自動選擇最合適的接入網，提高了業務訪問速度，降低了移動數據流量，均衡了網絡負載狀態，保證業務的質量，使用戶獲得了最優的網絡應用體驗。

1 ANDSF

1．1 ANDSF 選網機制

現有的網絡選擇機制包括用戶手動選擇機制，即用戶根據終端提供的可用接入網信息，手動選擇一個合適的接入網;終端的靜態配置機制，如iPhone在同時接入WLAN和蜂窩網時，靜態地選擇使用WLAN進行數據業務的傳送;基于ANDSF的選網機制;基于IEEE 802．11u的接入網查詢協議(ANQP，Access Network Query Protocol)提供的選網信息等［2］。

ANDSF是由3GPP提出的一個選網策略單元，它提供了一種根據運營商策略和通過網絡和終端的交互協同，終端通過決策實現智能選擇接入網的模式。它可以根據終端上報的位置及用戶選網偏好等信息，為終端制定最優的網絡選擇策略，使終端擺脫了自主選擇接入網的繁瑣，幫助終端發現周圍可用的接入網(如蜂窩網、WLAN等)，并協助終端選擇一個最合適的接入網［3］。

ANDSF雖然是4G網絡中的網元，但是在3G網絡向4G網絡發展和過渡的過程中可以扮演重要的角色，增加少量ANDSF網元、而非過早地將全網升級為4G網絡，對于電信運營商而言是可以接受、也具有投資動力的，可以節約運營商總投資、增強其業務運營能力、改善用戶體驗［4］。這種解決方案在當今的移動通信領域是一種必然的趨勢，也是一種創新與實用的結合，其優勢在當前的幾種選網機制中脫穎而出。

1．2 ANDSF技術與S14接口

終端UE(User Equipment)可以通過多種接入方式，如3GPP接入方式(蜂窩網)、非3GPP接入方式(如 WLAN)，與 Internet進行數據業務通信。3GPP接入網按照運營商對網絡的信任程度，又分為可信3GPP接入網和不可信3GPP接入網。

圖1 S14接口Fig．1 Interface S14

ANDSF網元部署在蜂窩網的核心網中，終端接入核心網后通過S14接口與ANDSF網元直接通信，如圖1所示［3］。該接口基于 IP層之上，OMA－DM是推薦的實現方式，但是這需要網絡側和終端側均支持OMA－DM協議。終端從ANDSF獲取策略有兩種模式，PULL模式需要終端向網絡提出獲取策略請求，觸發ANDSF實體下發策略信息;PUSH模式則為ANDSF主動更新策略信息給終端，該模式是可選的［1］。

通過以上兩種模式，S14接口上傳輸以下幾種網絡發現和選擇策略:當終端只能選擇一種無線接入技術時，可以使用“跨系統移動策略”決定是否允許跨系統移動并選擇最合適的接入技術或接入網來接入分組核心演進(EPC，Evolved Packet Core)，它常來指示哪種接入技術或具體何種接入網絡對EPC接入是最優的，如WiMAX優于WLAN，WLAN SSID－A優于 WLAN SSID－B。收到終端請求時，ANDSF通過“接入網絡發現信息”向終端提供其附近可用的所有接入技術的接入網絡列表，信息包括:接入技術類型(如WLAN、WCDMA)、無線接入網標識(如WLAN的SSID)。這些信息一直保存并使用到新信息到來之前。當終端可同時通過多種無線接入技術接入網絡時，“跨系統路由策略”將指示終端如何通過多種無線接入網絡來路由IP數據包，包括IFOM、MAPCON等多種策略信息，以滿足運營商要求的路由、分流策略［5］。

2 演示系統搭建

2．1 系統模型

在異構無線網絡中，由于用戶的移動，終端會從一個網絡移動到另一個網絡，為了保持會話的連續性，需要采用切換技術。如果這兩個網絡的類型相同，那么移動終端將進行水平切換，反之，則進行垂直切換［6］。文中重點討論的是垂直切換。由于在實際場景中，UMTS和WLAN所構成的異構無線網絡具有代表性［7］，假定實驗所用異構無線網絡系統包括一個UMTS和一個WLAN接入網絡，UMTS覆蓋整個區域范圍，而WLAN則處于UMTS的覆蓋范圍內，其模型如圖所示，該模型可以很容易擴展到具有多種無線接入網絡的場景［8］，如圖2所示。

圖2 異構無線網絡模型Fig．2 Heterogeneous wireless network model

終端接入UMTS網絡后，當在UMTS覆蓋范圍內WLAN覆蓋范圍外移動時，ANDSF會發送“接入網絡發現信息”通知終端當前可用網絡只有UMTS，此時終端解析信息后會通過UMTS接入網絡訪問數據業務;當終端移動到 WLAN覆蓋范圍內即與UMTS的重疊區域中心時，有兩種網絡接入方式可供終端選擇，這時ANDSF會發送“跨系統移動策略”輔助終端斷開與UMTS的連接，優先選擇WLAN接入網絡訪問數據業務;當終端移動至重疊區域的邊緣或離開重疊區域時，此時WLAN信號強度過低，WLAN不足以提供比UMTS更穩定、更快的網絡服務時，此時ANDSF會發送更新的“跨系統移動策略”告知終端斷開WLAN連接，重新連接至UMTS網絡。

2．2 系統架構設計

為驗證基于ANDSF的選網機制在實際應用中的可行性，搭建演示系統架構如圖3所示。具有WiFi功能、3G功能的終端可通過WLAN接入以及WCDMA(即為聯通3G)接入對Internet中的服務器進行業務訪問，并與具有公有IP地址的ANDSF網元進行策略通信。為著重體現策略控制終端自動切換接入網絡的效果，保證策略信息完整、正確的送達終端很重要，并且考慮到OMA－DM協議在實際應用中軟件搭建的復雜性，在應用中以同屬于IP層之上的使用TCP協議的Socket連接來保證策略通信的正確完整性［9］，即ANDSF將其維護、管理的策略信息通過TCP Socket連接發送給終端。

圖3 系統架構Fig．3 System architecture

(1)ANDSF端

ANDSF在Linux Ubuntu下使用C語言開發，通過調用GTK庫產生界面，該界面可以新建、修改、刪除策略，還包括選擇策略下發的按鈕，每次創建新的線程通過TCP Socket發送更新的策略給終端。其主要如下幾個模塊構成，如圖4所示。

圖4 ANDSF模塊組成Fig．4 Structure of ANDSF module

1)監聽請求模塊。該模塊用來接收“接入網發現信息”，保存并解析可用的網絡列表，終端發起數據業務請求時根據所接收策略信息連接可用網絡，直到新的策略下發。該模塊使用非阻塞方式的select函數輪詢監聽套接字，當客戶端有連接請求時，監聽套接字FD_ISSET(sockfd，＆fdsr)置為可讀，通過accept函數返回連接套接字，在該套接字上進行策略傳輸。

2)無線側信息收集模塊。當終端在重疊區域內移動時，隨著離AP距離的遠近，終端檢測到的WLAN信號強度會發生變化，并在每次變化時將強度信息發送給該模塊，模塊將收到強度數值與閾值進行比對(共分為0、1、2、3、4五個等級，大于等于2時使用WLAN連接，否則切換為3G)，并比較目標切換網絡與終端當前網絡連接狀態，若不同，則發送新的策略給終端使其改變網絡接入方式。

3)策略發送模塊。當WLAN信號強度過低，終端需要從 WLAN連接狀態更改為 UMTS，或當WLAN信號強度適合，終端需要從UMTS連接狀態更改為WLAN時，無線側信息收集模塊就會觸發該模塊下發更新的策略信息(即“跨系統移動策略”)，終端首次接入網絡，監聽請求模塊也會觸發該模塊發送“接入網發現信息”。為保證策略的及時下發，以及每次更新策略動作的獨立性，利用線程占用資源小、速度快等特點［9］，調用 POSIX線程庫函數pthread_create(＆thread，NULL，file_transfer，＇tag＇)觸發file_transfer函數下發策略，并在tag位置傳遞給file_transfer函數不同標記參數來傳遞不同策略文件，策略下發結束后調用函數pthread_exit銷毀線程，以備下次調用。如針對WLAN信號強度過低的情況，tag置為字符‘1’，file_transfer發送 to_3g．xml策略，手機收到解析后切換至3G接入;WLAN信號強度適合時，tag置為字符‘2’，file_transfer發送to_wifi．xml策略，手機收到解析后切換至WiFi接入。對于不同情況，該模塊選擇不同的策略發送，體現了ANDSF策略的選擇發送具有靈活性、針對性。

(2)終端

終端采用Android操作平臺，在application(應用程序)層使用面向對象的Java語言開發。其主要由如下幾個模塊構成，如圖5所示。

圖5 終端模塊組成Fig．5 Structure of UE module

發送請求模塊通過新建的 Socket實例向ANDSF發送連接請求，建立連接后調用策略接收解析模塊接收“接入網發現信息”。

無線側信息采集發送模塊調用系統消息廣播機制，通過在wifiIntentFilter中添加WifiManager．RSSI_CHANGED_ACTION控制動作，使得僅在WiFi信號發生變化時，系統才調用自定義BroadcastReceiver對當前WiFi信號進行采集，同時將采集到的信號強度劃分成5個等級并將“0－4”整數值發送給ANDSF進行比較，調用策略接收解析模塊接收“跨系統移動策略”。

策略接收解析模塊接收到策略后，使用SAX方式［10］解析由可擴展標記語言XML定義的策略信息，該方式逐行解析，速度快、效率高，占用資源少，比起DOM解析更適合手機的嵌入式環境。

根據解析得到的xml節點元素值，終端關閉或打開對應網絡接口開關，在點擊按鈕啟動發送請求模塊建立與ANDSF的連接后，隨著網絡環境的不斷變化，終端將會根據收到的不斷更新的策略內容選擇最合適的網絡接入，體現了切換過程的智能性。

3 演示結果

實驗終端使用搭載android2．3操作系統的華為U8220手機。

1)手機插入聯通3GSIM卡開機后成功連接即進入UMTS網絡(即聯通WCDMA)覆蓋范圍，點擊“發送連接請求”按鈕后，即可從ANDSF成功獲取“接入網發現信息”，點擊“策略解析與切換”按鈕，解析出當前可用連接為3G并切換至該連接上。從圖6的“當前網絡狀態顯示”中可看出切換后3G已打開，WiFi關閉，圖7可看到處于監聽請求狀態中的ANDSF成功發送“接入網發現信息”。

2)手機繼續移動到WCDMA網絡與WLAN網絡覆蓋范圍中心時，此時手機檢測到WiFi信號強度變化為‘3’時，無線側信息采集發送模塊將該無線側信息發送給ANDSF，ANDSF將強度數值與閾值比較，發現WLAN信號強度合適，發送“跨系統移動策略”反饋給手機，手機解析后切換至WiFi。圖7和圖8中可看到成功發送并獲取策略的提示，以及切換后的網絡狀態指示。

3)當手機移動至兩網絡覆蓋范圍的邊緣時，手機檢測到的WLAN信號強度下降至‘1’，在ANDSF的輔助下又將網絡連接切換為3G。如圖9所示。

4)ANDSF除了自動下發更新策略，還可以通過“open”打開策略菜單，選中某策略點擊“edit”進行編輯，或點擊“import”導入新的策略，不需要某策略時點擊“delete”就可刪除，最后點擊“push”即可下發選中的策略。這些功能按鈕設定可將定制的策略消息發送給終端，在終端與ANDSF保持通信的情況下，強制指定終端使用指定的網絡接入方式進行業務訪問，增加了ANDSF對終端策略控制的主動性，為今后運營商通過策略輔助終端切換網絡接入方式的功能預留了接口。

圖6 初始接入網絡Fig．6 Initial access network

圖8 獲得WiFi策略Fig．8 Obtaining WiFi strategy

圖9 獲得3G策略Fig．9 Obtaining 3G strategy

手機上易得當前網絡連接類型以及下載速度，記錄下每分鐘整時刻的下載速度，繪制曲線如圖10所示。根據WCDMA連接有效(非斷開)時，計算其速均值為85．32 KB/S并以點虛線表示。該曲線記錄了手機在不同網絡環境內移動位置發生變化時，網絡接入速度的變化過程。

圖10 網絡接入速度比較Fig．10 Comparison of network bandwith

第1～5 min時，手機在WCDMA網絡覆蓋范圍內并向兩網絡重疊區域移動，使用3G接入下載Server中某資源，下載速度在85 KB/s浮動;第5～16 min時，手機移動至WLAN網絡覆蓋范圍且至WiFi信號強度合適時，手機智能切換為WiFi連接，下載速度峰值達到225 KB/s;16 min后，手機繼續移動離開WLAN覆蓋范圍，又重新切換為3G。根據圖10中曲線比較可知，手機進入多網絡環境中時，第一時間自主切換為更適宜的連接，顯著提高了業務訪問速度，使用戶獲得了更好的網絡體驗，極大提升了服務質量。

4 結語

異構網絡飛速發展的今天，衍生出了多種選網機制，文中介紹了使用ANDSF技術輔助終端切換網絡的幾個好處，并簡單介紹了該技術的工作機制。通過自主搭建的基于ANDSF智能切換網絡系統，可

看到終端在單網絡區域以及多網絡區域之間移動時，終端根據接收到的策略信息智能切換到當前最合適的網絡進行數據業務訪問，提高了業務訪問速度，擺脫了自主選網的繁瑣，改善了用戶體驗。在下一步的工作中，我們將擴展異構無線網絡模型，增加多WLAN重疊區域，搭建能同時輔助終端進行垂直、水平切換的系統;在網絡切換過程中，訪問數據業務的連續性也是我們要完善的。

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