無線互聯(lián)網(wǎng)的移動ＩＰ技術(shù)

摘要：

文章首先闡述了移動IP的概念，分析了采用移動IP技術(shù)的寬帶移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合所承擔(dān)的“863”項(xiàng)目，討論了無線互聯(lián)網(wǎng)中的移動性管理問題。

關(guān)鍵詞：

移動IP；無線互聯(lián)網(wǎng)；高速無線接入；移動性管理

ABSTRACT:

TheconceptofmobileIPisgivenfirst，andthenthenetworkarchitectureofbro

adbandmobilecommunicationsystemadoptingmobileIPtechnologiesisanalyz

ed.Attheendofthepaper，themobilitymanagementforthewirelessInternetis

alsodiscussedwithconsiderationtotheNational\"863\"Project.

KEYWORDS:

MobileIP;WirelessInternet;High-speedwirelessaccess;Mobilitymanageme

nt

在過去的10年中，無線通信和Internet技術(shù)的迅猛發(fā)展給人們的生活方式和生活質(zhì)量帶來了巨大的變化。越來越多的用戶希望在移動的過程中高速接入Internet，獲取信息和享受娛樂生活，這兩種技術(shù)結(jié)合在一起已經(jīng)成為必然的趨勢[1，2]。

目前，國際上研究移動IP和無線Internet的公司很多，在Telecom‘99會議上，愛立信展示了Bluetooth無線技術(shù)與3G系統(tǒng)相結(jié)合的圖像會議業(yè)務(wù)，其分組交換的數(shù)據(jù)速率在廣域網(wǎng)中達(dá)到472kbit/s。愛立信計(jì)劃研發(fā)的寬帶無線IP接入系統(tǒng)Beewip，能給每個終端用戶提供3Mbit/s的容量(3.5GHz頻段)。思科和摩托羅拉也共同構(gòu)建基于Internet的無線網(wǎng)絡(luò)，這一合作關(guān)系將為無線業(yè)務(wù)提供第一個全I(xiàn)P平臺，該平臺將把世界范圍內(nèi)不同的無線服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一起來，為通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)、語音和視頻一體化服務(wù)提供基于Internet的開放平臺。如何在無線移動環(huán)境下，保證Internet移動用戶的可靠接入，為移動用戶提供類似固定用戶的業(yè)務(wù)質(zhì)量是移動IP和無線通信面臨的首要任務(wù)。

1移動IP

在IETF給出的移動IP協(xié)議(RFC2002)[3]中，定義了3個功能實(shí)體：移動節(jié)點(diǎn)(MN)、本地代理(HA)和外地代理(FA)。其工作原理可大致描述如下：

(1)移動代理(包括本地代理和外地代理)通過代理廣播消息廣播它們的存在。MN接收到這些代理廣播消息后，就知道它是在本地網(wǎng)還是在外部網(wǎng)。

(2)當(dāng)MN檢測到它是在本地網(wǎng)，如果以前未發(fā)生移動，那么和正常節(jié)點(diǎn)一樣工作；如果它是從外部網(wǎng)回到本地網(wǎng)，MN就首先跟其HA通過交換注冊請求和注冊應(yīng)答消息進(jìn)行注冊。

(3)當(dāng)MN檢測到它已經(jīng)移動到外部網(wǎng)后，它就在外部網(wǎng)中得到一個關(guān)照地址(Care-of-Address)，這個關(guān)照地址可以從外地代理的廣播消息中得到(外地代理關(guān)照地址)，也可由某個外部分配機(jī)制如DHCP(動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議)得到。

(4)在外部網(wǎng)的MN就用它得到的關(guān)照地址通過注冊請求和注冊應(yīng)答消息的交換向其HA注冊，在消息交換的過程中，可能要經(jīng)過FA。

(5)送給MN的數(shù)據(jù)分組首先被其HA截獲，然后通過隧道送給MN的關(guān)照地址，在隧道的終點(diǎn)得到數(shù)據(jù)分組(該終點(diǎn)可能在FA，也可能是在MN自身)，最終送給MN。

(6)對于MN發(fā)出的數(shù)據(jù)分組，就根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IP路由機(jī)制送往目的地，不必經(jīng)過HA。

從上面描述業(yè)務(wù)的路由來看，實(shí)際上送往移動主機(jī)的IP分組是效率很低的。因此IETF提出了業(yè)務(wù)路由的優(yōu)化方法，即通過一些必要的信令交換，使移動主機(jī)與目標(biāo)主機(jī)之間存在直接路由。圖1給出這種移動IP的業(yè)務(wù)路由的優(yōu)化方式。

在這個系統(tǒng)中，增加了一條信令消息——綁定更新消息(UpdateBindingMessage)。這條消息是在本地代理收到一些發(fā)給移動主機(jī)的分組后，除了通過IP隧道將分組發(fā)到關(guān)照地址或FA，同時發(fā)送一條綁定更新消息給發(fā)送這些分組的主機(jī)，消息中包括了移動主機(jī)的關(guān)照地址。當(dāng)主機(jī)收到這條消息后，建立一條通往關(guān)照地址的IP隧道，將原本發(fā)給移動主機(jī)的IP分組通過這個隧道發(fā)到FA，由FA發(fā)送到移動主機(jī)。這種方法中，除了開始的一些分組外，大部分業(yè)務(wù)直接送到外地子網(wǎng)中，不需要HA的隧道轉(zhuǎn)發(fā)。但是這種方法要求目標(biāo)主機(jī)支持IP隧道和移動IP的協(xié)議信令。

2支持移動IP的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)

這里以空中接口為WCDMA和cdma2000[4，5]的兩種寬帶無線通信系統(tǒng)為例，來說明其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它們都完全支持移動IP，可實(shí)現(xiàn)“無縫”接入Internet。

2.1WCDMA系統(tǒng)

圖2是WCDMA的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中接入網(wǎng)和核心網(wǎng)已經(jīng)明確分離，其優(yōu)點(diǎn)是可以用同一個核心網(wǎng)支持各種不同的接入網(wǎng)，比如UTRAN、GSM和Ad-hoc等，其中UTRAN中的RNS是無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，包括RNC(無線網(wǎng)絡(luò)控制器)和NodeB(節(jié)點(diǎn)B），后者相當(dāng)于GSM中的BTS。核心網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是由GPRS＋GSM的核心網(wǎng)發(fā)展而來的。在WCDMA的核心網(wǎng)中，將SGSN和GGSN合并為一個節(jié)點(diǎn)

IGSN(InternetGPRSSupportNode)，整個核心網(wǎng)都是在IP基礎(chǔ)之上。同時，在IGSN的網(wǎng)絡(luò)接口處提供外地代理的功能，在核心網(wǎng)內(nèi)包括一個本地代理，這樣，IGSN、HLR、HA、FA和其他的一些本地網(wǎng)絡(luò)路由器就構(gòu)成了整個核心網(wǎng)。

在移動主機(jī)建立分組業(yè)務(wù)的連接時，由IGSN分配給移動終端一個關(guān)照地址，在切換時，移動終端可能移動到另外一個IGSN區(qū)域內(nèi)，這時，移動終端將接收新的IGSN的代理廣播，并開始建立一個新的連接和獲得一個新的關(guān)照地址。在WCDMA中，分組的路由與移動IP的分組路由相同，通過外地代理和本地代理來共同實(shí)現(xiàn)。在圖2中，核心網(wǎng)與Internet之間的IP過濾實(shí)體是用來實(shí)現(xiàn)移動IP中路由優(yōu)化的功能，IGSN支持移動IP的路由優(yōu)化。實(shí)際上，因?yàn)橐苿油ㄐ畔到y(tǒng)內(nèi)在的移動管理性，對于其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部終端的移動，可以通過HLR、VLR和注冊等過程來實(shí)現(xiàn)管理，關(guān)鍵在于從Internet上發(fā)過來的數(shù)據(jù)，要能夠正確地找到對應(yīng)的移動終端。在WCDMA中，這個功能的實(shí)現(xiàn)并不依賴于無線網(wǎng)絡(luò)本身，而是通過HA和FA進(jìn)行，其實(shí)質(zhì)是通過IP網(wǎng)絡(luò)或者說Internet來進(jìn)行移動性管理。當(dāng)分組發(fā)往移動終端時，HA能將分組正確地發(fā)到移動終端的關(guān)照地址上去，往往就是移動終端所在區(qū)域的IGSN，而IGSN將發(fā)起呼叫和建立連接等過程，將分組發(fā)到移動終端。可見，對于實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的漫游和移動性管理，WCDMA系統(tǒng)提供了很好的解決方案。

2.2cdma2000系統(tǒng)

圖3是cdma2000的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中核心網(wǎng)也與無線相關(guān)的部分分離，

PDSN(PacketDataServingNode)通過R-P接口與無線網(wǎng)絡(luò)相連，在PDSN之上實(shí)現(xiàn)FA的功能。與WCDMA系統(tǒng)不同的是，cdma2000對無線資源的管理和呼叫流程的控制是在無線接入網(wǎng)絡(luò)中完成，而不是通過核心網(wǎng)。當(dāng)移動終端接入cdma2000的無線網(wǎng)時，在PDSN和移動終端之間建立一條PPP連接，之后PDSN通過這個PPP連接進(jìn)行代理廣播，移動終端通過這個PPP連接進(jìn)行注冊等的信令交換，來實(shí)現(xiàn)移動IP的建立。而PDSN與HA之間的通信采用IP基礎(chǔ)上的AAA(Authentication，AuthorizationandAccounting)協(xié)議。當(dāng)移動IP的路由建立起來之后，cdma2000系統(tǒng)中業(yè)務(wù)的路由將按照移動IP的規(guī)范進(jìn)行。

此外，HomeAAA是在本地IP子網(wǎng)中的用戶注冊信息和計(jì)費(fèi)的服務(wù)器，VisitedAAA是記錄外地網(wǎng)用戶注冊信息和計(jì)費(fèi)的服務(wù)器，BrokerAAA是在HomeAAA和VisitedAAA之間通過安全的方式傳遞AAA消息的中繼服務(wù)器。這些AAA服務(wù)器的功能相當(dāng)于在電路交換網(wǎng)中的HLR、VLR和AUC的作用。

一個PDSN可以通過多個R-P接口，與多個無線接入網(wǎng)進(jìn)行通信，當(dāng)移動終端在同一個PDSN范圍內(nèi)切換或是漫游的時候，PDSN將相應(yīng)切換其R-P接口；當(dāng)移動終端進(jìn)行PDSN之間的切換時，首先切換的是物理信道，移動終端通過新的物理信道建立新的PDSN連接，同時PDSN支持移動IP的路由優(yōu)化。

3移動性管理

當(dāng)移動IP和無線通信融合在一起，人們希望在任何時間和地點(diǎn)接入Internet，這樣對于無線終端移動性的管理就顯得非常重要。這是由于終端快速、頻繁切換造成的切換時延較大，將導(dǎo)致通信性能下降。圖4反映了無線終端的移動性管理層次，它可分為子網(wǎng)級移動和蜂窩級移動兩個層次。前者是在子網(wǎng)之間移動，可以用移動IP進(jìn)行有效的管理；后者是指終端在同一子網(wǎng)內(nèi)部的小區(qū)之間移動，移動IP對于這種方式就顯得比較困難，在這里采用了蜂窩IP(CellularIP)的策略。這兩者的結(jié)合可以解決整個區(qū)域內(nèi)的移動性管理問題。在此以中國科技大學(xué)個人通信與擴(kuò)頻通信實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)的“863”重大項(xiàng)目——寬帶無線IP技術(shù)為例[6]，來討論無線終端的移動性管理問題。

3.1子網(wǎng)級移動性管理

在這種管理方式中，我們提出了一種新的位置管理的算法，基本思想是采用本地代理和外地代理的協(xié)作。每一個子網(wǎng)中的代理既是本子網(wǎng)的本地代理，又是其它子網(wǎng)的外地代理，而接口服務(wù)器負(fù)責(zé)管理同一個子網(wǎng)內(nèi)的若干個蜂窩小區(qū)。當(dāng)無線終端的本地代理發(fā)現(xiàn)屬于本子網(wǎng)的無線終端已移動到其它子網(wǎng)時，它就多點(diǎn)播送位置查詢消息給與它相鄰子網(wǎng)的外地代理，由每一個外地代理在它所屬子網(wǎng)內(nèi)也廣播位置查詢消息；移動的無線終端收到該消息后，發(fā)送位置應(yīng)答消息并通過外地代理轉(zhuǎn)發(fā)給它的本地代理，以此來確定該無線終端當(dāng)前所在的位置。同樣，當(dāng)某個子網(wǎng)的外地代理發(fā)現(xiàn)移動到本子網(wǎng)內(nèi)的一個無線終端發(fā)生移動時，它就多點(diǎn)播送位置查詢消息給與它相鄰子網(wǎng)的代理服務(wù)器；每一個收到位置查詢消息的外地代理(包括收到位置查詢消息的本地代理)在它所屬子網(wǎng)內(nèi)廣播位置查詢消息；該無線終端收到位置查詢消息后，將位置應(yīng)答消息通過它當(dāng)前所在子網(wǎng)的外地代理或者其本地代理(表明它已返回自己所屬子網(wǎng))發(fā)送給多點(diǎn)播送位置查詢消息的外地代理，并由該外地代理轉(zhuǎn)發(fā)一個位置變更分組給該無線終端的本地代理(若該無線終端已返回到自己所屬子網(wǎng)，則無須轉(zhuǎn)發(fā))，以此來重新確定該無線終端當(dāng)前所在的位置。當(dāng)無線終端開機(jī)后或者發(fā)生移動后，將廣播一個注冊申請廣告消息，若在自己所屬子網(wǎng)內(nèi)，則其本地代理進(jìn)行注冊并回送一個注冊應(yīng)答分組給該終端；若在其它子網(wǎng)內(nèi)，則外地代理將注冊申請消息轉(zhuǎn)發(fā)給該無線終端的本地代理，其本地代理注冊后發(fā)送注冊應(yīng)答給該外地代理，再由此外地代理將注冊應(yīng)答發(fā)送給該終端。該算法大大減少了無線子網(wǎng)的廣播消息，降低了移動切換的開銷，該位置管理算法流程參見圖5。

3.2蜂窩級移動性管理

這里引入了蜂窩IP[7，8]的概念，此時移動終端在同一子網(wǎng)內(nèi)的不同蜂窩之間移動，不需要向本地代理注冊，而只需要通知接口服務(wù)器和外地代理，這樣就減少了信令開銷。當(dāng)主機(jī)在接口服務(wù)器的管理范圍內(nèi)移動時，無需進(jìn)行位置更新；一旦穿越子網(wǎng)，則必須進(jìn)行位置更新，以便能夠被網(wǎng)絡(luò)尋呼到。如果主機(jī)移動到新的蜂窩，移動主機(jī)可以從NodeB的廣播消息中得到網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識及接口服務(wù)器的地址，那么主機(jī)就可以向接口服務(wù)器發(fā)起登記請求，同時也可以向本地代理發(fā)送登記消息，以告知關(guān)照地址(也可以由外地代理完成)。在移動終端中都設(shè)有路由表，分組的傳送會在所經(jīng)過終端的表中產(chǎn)生和更新入口，每個入口與該分組的上游終端之間建立映射關(guān)系，這些映射關(guān)系鏈表形成了分組傳輸?shù)穆窂健Ｈ绻鳈C(jī)到達(dá)新的NodeB，那么發(fā)送路由更新消息并將分組重定向到此基站，路由更新消息將對路由表重新配置。從NodeB到接口服務(wù)器的分組路由按照最短路徑原則進(jìn)行，與分組的目的地址無關(guān)，分組到網(wǎng)關(guān)后，才根據(jù)目的地址進(jìn)行下一跳選擇。除了路由表外還有尋呼表，目的是在移動主機(jī)處于被訪狀態(tài)時可以節(jié)約資源，此時發(fā)往移動終端的分組可通過尋呼表進(jìn)行。當(dāng)終端處于等待狀態(tài)時，SGSN先向它發(fā)尋呼請求，移動主機(jī)接受尋呼后就可轉(zhuǎn)為準(zhǔn)備狀態(tài)，隨后SGSN可發(fā)送下行數(shù)據(jù)。

此外，蜂窩IP采用終端控制切換，同時規(guī)定了小區(qū)重選(CellReselection)，由終端主動決定選用哪個小區(qū)。由于分組數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)語音存在比較大的差異，所以切換的策略也不相同。語音模式下資源必須是由網(wǎng)絡(luò)分配的，而分組模式下資源是共享的，切換無需一定由網(wǎng)絡(luò)決定，這種控制方式有利于縮短切換時間。

4結(jié)束語

未來移動通信的發(fā)展趨勢是Internet和無線通信的結(jié)合，這將會為人們提供更多種類的信息、娛樂和商業(yè)服務(wù)。由于移動IP可以使移動終端隨時隨地接入Internet，因此在將來的寬帶無線通信系統(tǒng)中，都無一例外地支持移動IP技術(shù)。盡管二者之間的結(jié)合還有很多問題需要作進(jìn)一步的研究，但這是未來移動通信發(fā)展的方向，必將有廣闊的發(fā)展空間和美好的市場前景。

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(收稿日期：2001-11-27)

作者簡介

陸曉文，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子工程與信息科學(xué)系通信與信息系統(tǒng)專業(yè)博士生。研究方向?yàn)橐苿油ㄐ?、MAC層接入?yún)f(xié)議。

朱近康，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子工程與信息科學(xué)系教授，博士生導(dǎo)師，校學(xué)術(shù)委員會副主任，個人通信與擴(kuò)頻實(shí)驗(yàn)室主任。研究方向?yàn)閭€人通信與移動通信，CDMA與擴(kuò)頻通信，無線通信網(wǎng)及通信信號處理。