泛在網(wǎng)中的移動(dòng)性管理技術(shù)

金珊　趙濱

摘 要：泛在網(wǎng)絡(luò)將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的概念擴(kuò)展到更為寬廣的領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)任何時(shí)間（Anytime）、任何地點(diǎn)（Any-where）、任何人（Anyone）、任何物（Anything）的通信網(wǎng)絡(luò)。因此泛在網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)性管理非常重要，是確保各類終端設(shè)備在不同網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)連續(xù)性的重要技術(shù)。

關(guān)鍵詞：泛在網(wǎng)；移動(dòng)性管理；業(yè)務(wù)連續(xù)性

1 引言

隨著無線技術(shù)的進(jìn)步，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、智能終端以及應(yīng)用環(huán)境都呈現(xiàn)出了多樣性。人們一直期待的廣泛存在、無所不在的泛在網(wǎng)絡(luò)也日益成為現(xiàn)實(shí)。ITU將泛在網(wǎng)絡(luò)描述為物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)的遠(yuǎn)景，泛在網(wǎng)涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)、傳感網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人與人之間、人與物之間、物與物之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

由于泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括各類無線技術(shù)（3G、LTE、GSM、WLAN等等）以及各類有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的互聯(lián)互通，因此研究各類通信協(xié)議和技術(shù)中移動(dòng)性管理以及業(yè)務(wù)連續(xù)性管理是提高用戶體驗(yàn)，確保業(yè)務(wù)質(zhì)量，簡(jiǎn)化終端實(shí)現(xiàn)的重要內(nèi)容。

本文針對(duì)泛在網(wǎng)絡(luò)中技術(shù)的多樣性，分析無線網(wǎng)絡(luò)中、移動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)景下，不同無線網(wǎng)絡(luò)間的互操作技術(shù)，多媒體業(yè)務(wù)的連續(xù)性管理，介紹泛在網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)性管理技術(shù)。

2 泛在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)性管理的挑戰(zhàn)

隨著通訊的發(fā)展，用戶要求多個(gè)終端設(shè)備協(xié)同為其提供信息服務(wù)，然而這些終端設(shè)備可能跨越異構(gòu)的通信業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，包括蜂窩移動(dòng)網(wǎng)、Internet網(wǎng)、家庭網(wǎng)、固定電信網(wǎng)、廣播電信網(wǎng)，甚至是物聯(lián)網(wǎng)，我們將這些網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)稱為泛在網(wǎng)絡(luò)。為了實(shí)現(xiàn)這些異構(gòu)終端設(shè)備的協(xié)同工作，需要考慮終端或用戶在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)、移動(dòng)場(chǎng)景下的業(yè)務(wù)連續(xù)性問題，網(wǎng)絡(luò)需要具備持續(xù)提供通信服務(wù)的能力，通信業(yè)務(wù)才能夠得到一定的質(zhì)量保障，而不受網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)變化的影響。

由于通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的持續(xù)性，目前的網(wǎng)絡(luò)類型多樣化，業(yè)務(wù)特別是多媒體業(yè)務(wù)對(duì)質(zhì)量體驗(yàn)的要求也日益增高，所以泛在網(wǎng)中的移動(dòng)性管理面臨著來自技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)升級(jí)復(fù)雜性、終端實(shí)現(xiàn)、以及應(yīng)用業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)等多方面的挑戰(zhàn)。

2.1 移動(dòng)性管理所面臨的挑戰(zhàn)

在不同的接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，有多種不同的途徑來完成對(duì)一個(gè)用戶或終端設(shè)備的接入。用戶可以分別登陸到每一個(gè)接入網(wǎng)，也可以接入不同網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證和授權(quán)機(jī)制，以允許用戶或終端設(shè)備無需多次登錄而能在不同的接入網(wǎng)絡(luò)之間移動(dòng)。

比較好的移動(dòng)性管理技術(shù)將不同接入網(wǎng)的登錄、注冊(cè)程序緊密地聯(lián)系在一起，用戶在不同的接入網(wǎng)之間移動(dòng)時(shí)不必關(guān)閉或重新啟動(dòng)應(yīng)用，既可以享受連續(xù)、流暢的業(yè)務(wù)服務(wù)。

過去幾年，我們見證了移動(dòng)數(shù)據(jù)流量指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)。為了充分利用有限而昂貴的頻譜資源，無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)也經(jīng)歷了從GSM， 到WCDMA/TD-SDMA/CDMA2000，以及LTE的快速發(fā)展。與無線接入技術(shù)發(fā)展相應(yīng)部署的移動(dòng)核心網(wǎng)絡(luò)具有集中和層次化的特點(diǎn)，在支持不同的無線接入網(wǎng)的移動(dòng)性方面，面臨著網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展、可靠性等多方面的挑戰(zhàn)。隨著WiFi的廣泛部署，選擇性的實(shí)現(xiàn)無線蜂窩網(wǎng)的流量卸載，也是移動(dòng)性管理需要支持的重要技術(shù)。

2.2 業(yè)務(wù)連續(xù)性技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)

泛在網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)橐苿?dòng)的終端提供可靠的服務(wù)，從而提供業(yè)務(wù)連續(xù)性極為重要。然而在移動(dòng)場(chǎng)景下，業(yè)務(wù)在不同的網(wǎng)絡(luò)間切換時(shí)，會(huì)遇到信令復(fù)雜、切換時(shí)延長(zhǎng)、切換的目標(biāo)小區(qū)業(yè)務(wù)過荷等種種問題。而隨著數(shù)字多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展，業(yè)務(wù)連續(xù)性從方方面面影響著客戶體驗(yàn)。所以，針對(duì)泛在網(wǎng)的這些特性，我們必須提供一個(gè)開放的，有高度適應(yīng)性的移動(dòng)業(yè)務(wù)連續(xù)性技術(shù)，以保證客戶的傳輸業(yè)務(wù)的持續(xù)性和可靠性。

3 各類無線網(wǎng)絡(luò)間的移動(dòng)性管理和互操作技術(shù)

由于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，以及近年來網(wǎng)絡(luò)的快速演進(jìn)，在支持泛在網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理時(shí)，需要首先考慮各類無線網(wǎng)絡(luò)間如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的互操作、控制業(yè)務(wù)的切換，提高用戶體驗(yàn)，并在一定的時(shí)延要求下完成業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)的切換，降低網(wǎng)絡(luò)和終端實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。

3.1 無線網(wǎng)絡(luò)間的移動(dòng)性管理技術(shù)

3.1.1 WCDMA/TD-SCDMA和GSM互操作技術(shù)

WCDMA/TD-SCDMA和GSM 互操作的基本工作模式有兩種：移動(dòng)終端控制模式和網(wǎng)絡(luò)控制模式。在移動(dòng)終端控制模式下，由移動(dòng)終端來選擇它將與哪個(gè)小區(qū)進(jìn)行聯(lián)系，當(dāng)然網(wǎng)絡(luò)可以通過廣播各種參數(shù)來影響該過程。在網(wǎng)絡(luò)控制模式下，由網(wǎng)絡(luò)來通知移動(dòng)終端與相應(yīng)小區(qū)進(jìn)行聯(lián)系。

WCDMA/TD-SCDMA和GSM間切換性能的優(yōu)化策略：判斷WCDM/TD- SCDMA和GSM系統(tǒng)間互操作質(zhì)量的好壞主要標(biāo)準(zhǔn)是：終端在網(wǎng)絡(luò)間移動(dòng)時(shí)，能否平滑地從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切換到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，避免斷網(wǎng)或斷話現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的平滑切換。為此，可以進(jìn)行如下可能的優(yōu)化：

⑴在進(jìn)行小區(qū)選擇時(shí)，除了無線鏈路質(zhì)量外，網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)該考慮其他方面的情況，如當(dāng)前已建立業(yè)務(wù)的負(fù)荷等。避免將業(yè)務(wù)切換到一個(gè)負(fù)荷過載的小區(qū)。

⑵對(duì)于快速移動(dòng)的移動(dòng)終端，當(dāng)存在一個(gè)可用的具有較大覆蓋范圍的小區(qū)時(shí)，要通過對(duì)小區(qū)參數(shù)的合適配置，禁止它選擇覆蓋范圍較小的小區(qū)。

⑶對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，特別是3G/4G網(wǎng)絡(luò)，避免網(wǎng)絡(luò)覆蓋的邊界區(qū)域信號(hào)突然衰落，盡量實(shí)現(xiàn)覆蓋區(qū)內(nèi)部信號(hào)的連續(xù)覆蓋，減少信號(hào)盲區(qū)和弱區(qū)，尤其要避免人流較多處的信號(hào)盲區(qū)和弱區(qū)。通過提高覆蓋率，減少系統(tǒng)間的切換次數(shù)，提高系統(tǒng)切換成功概率。

⑷正確的設(shè)置好WCDMA/TD-SCDMA與GSM小區(qū)的邊界，對(duì)于移動(dòng)性管理能力的提高，降低系統(tǒng)間切換失敗的可能性也非常有效。

3.1.2 LTE與2G/3G網(wǎng)絡(luò)的互操作技術(shù)

隨著LTE網(wǎng)絡(luò)的逐步部署，LTE將與2G/3G網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期共存，需要實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的融合，以及不同網(wǎng)絡(luò)間的互操作和移動(dòng)性管理。

為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的移動(dòng)性管理，網(wǎng)絡(luò)間的切換必不可少?？紤]到智能手機(jī)的廣泛應(yīng)用。HTML5等新技術(shù)的進(jìn)步，以及移動(dòng)用戶對(duì)業(yè)務(wù)體驗(yàn)的要求，提出了如下實(shí)現(xiàn)切換的目標(biāo)：

⑴在切換前后、以及切換過程中，實(shí)現(xiàn)QoS的保證

⑵網(wǎng)絡(luò)切換不可過度消耗終端電池

⑶業(yè)務(wù)連續(xù)性的保證（切換需符合時(shí)延要求）

⑷4G/3G/2G/CDMA各類網(wǎng)絡(luò)間的無縫切換

LTE有以下三種類型的切換：

⑴LTE內(nèi)部切換：發(fā)生在當(dāng)前LTE節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的切換，即在MME或SGW內(nèi)的切換。

⑵LTE外部切換：發(fā)生在當(dāng)前LTE節(jié)點(diǎn)外部的切換，即在不同MME或SGW間的切換。

⑶不同無線接入網(wǎng)間的切換：與不同無線接入技術(shù)間的切換，如與GSM/UMTS等網(wǎng)絡(luò)間的切換

下圖是最為復(fù)雜的不同接入網(wǎng)間切換的信令流程（以EUTRA為例）

3.2 WLAN與無線網(wǎng)絡(luò)融合中的移動(dòng)性管理技術(shù)

WLAN技術(shù)在成本、帶寬和應(yīng)用普及等方面具有諸多優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)被運(yùn)營(yíng)商作為移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的重要補(bǔ)充。而在WLAN建設(shè)運(yùn)營(yíng)中，如何利用已有移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)成熟的架構(gòu)協(xié)議機(jī)制，將WLAN與移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，在降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本的同時(shí)，提升用戶體驗(yàn)，也是泛在網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理中必須要面對(duì)的問題。

業(yè)務(wù)連續(xù)性需解決的關(guān)鍵問題為實(shí)現(xiàn)用戶在不同網(wǎng)絡(luò)間的無感知切換，網(wǎng)絡(luò)側(cè)主要需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問題：

⑴同時(shí)附著的異網(wǎng)切換過程中，終端設(shè)備同時(shí)保持和兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接，即終端設(shè)備同時(shí)在WLAN和移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)上附著。

⑵業(yè)務(wù)錨點(diǎn)選擇和保持：網(wǎng)絡(luò)初始接入時(shí)，需要選擇業(yè)務(wù)錨點(diǎn)。業(yè)務(wù)錨點(diǎn)負(fù)責(zé)管理WLAN和移動(dòng)蜂窩間的數(shù)據(jù)路由，管理WLAN和移動(dòng)蜂窩接入間的移動(dòng)。該錨點(diǎn)支持多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的接入，異網(wǎng)切換時(shí)，需要保持已選擇的業(yè)務(wù)錨點(diǎn)不變。

為了實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)連續(xù)性解決方案，可以通過升級(jí)移動(dòng)核心網(wǎng)的HLR（歸屬位置寄存器），新增HA（HomeAgent，家鄉(xiāng)代理）作為業(yè)務(wù)錨點(diǎn)；或者實(shí)現(xiàn)基于移動(dòng)IP的業(yè)務(wù)連續(xù)性解決方案，通過移動(dòng)IP協(xié)議中每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的“歸屬代理”，每當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)得到新的轉(zhuǎn)交地址時(shí)，生成移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的歸屬地址與當(dāng)前轉(zhuǎn)交地址的“移動(dòng)綁定”，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

這兩種解決方案還不能完全解決異網(wǎng)同時(shí)附著的問題，因此在切換過程中用戶可能有業(yè)務(wù)中斷的感知，隨著終端設(shè)備的進(jìn)步，相關(guān)方案還可以進(jìn)一步改進(jìn)。

3.3 泛在網(wǎng)絡(luò)中的群移動(dòng)性管理技術(shù)

泛在網(wǎng)是一個(gè)包含多終端，且是移動(dòng)的，異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。隨著交通工具的發(fā)展，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中會(huì)有大量終端設(shè)備隨火車、汽車一起移動(dòng)的情況，即泛在網(wǎng)絡(luò)中的群移動(dòng)性管理。

為了更好地實(shí)現(xiàn)批量終端設(shè)備的切換，同時(shí)在目標(biāo)小區(qū)進(jìn)行有效的資源預(yù)留，泛在網(wǎng)絡(luò)中群移動(dòng)性管理是非常重要的研究?jī)?nèi)容。其關(guān)鍵技術(shù)包括：

群組終端的發(fā)現(xiàn)和識(shí)別：移動(dòng)性管理需要規(guī)定用戶和終端如何能夠在網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)中被識(shí)別出來，如何區(qū)分同一個(gè)群組內(nèi)部的不同個(gè)體。這種身份功能是移動(dòng)性管理過程中的第一步，將被用于用戶和終端的認(rèn)證、鑒權(quán)和計(jì)費(fèi)，未被認(rèn)證的用戶或終端無法接受特定移動(dòng)群組提供的服務(wù)和信息。

群組的生成與維護(hù)技術(shù)：這是群移動(dòng)性管理的基礎(chǔ)，群的移動(dòng)相對(duì)于個(gè)體的移動(dòng)更加復(fù)雜，群與群之間所需要的服務(wù)和信息以及所要求的鏈路環(huán)境都是各不相同的，因此，如何確定創(chuàng)建群的條件、如何由終端或用戶根據(jù)上下文環(huán)境或需求來創(chuàng)建生成一個(gè)終端群、如何來管理加入群中的終端、如何來維護(hù)一個(gè)移動(dòng)群等將直接關(guān)系到后續(xù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的有效性與復(fù)雜度。

群移動(dòng)支持的路由管理技術(shù)：網(wǎng)絡(luò)既要生成一條合理的路徑使得網(wǎng)絡(luò)的代價(jià)最小，使得群之間的通信最合理，也要保留一些備用路徑，使得群之間通信時(shí)大量的數(shù)據(jù)不至于阻塞，同時(shí)還要考慮網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，使得數(shù)據(jù)流能夠在不同特性的子網(wǎng)中進(jìn)行傳輸。

4 總結(jié)

根據(jù)本文的研究工作可見，通過異種網(wǎng)絡(luò)的互操作技術(shù)，在不同的網(wǎng)絡(luò)間可根據(jù)合理的條件進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備在移動(dòng)場(chǎng)景中的業(yè)務(wù)連續(xù)性，確保和提高業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

通過研究，筆者認(rèn)為在泛在網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性場(chǎng)景下切換是不可避免的，目前研究的主流方向是對(duì)于切換的各環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，或者是利用各類新技術(shù)來提高切換效率。今后可以通過進(jìn)一步研究基于終端側(cè)的業(yè)務(wù)連續(xù)性方案，利用終端設(shè)備的位置信息、使用業(yè)務(wù)等條件來進(jìn)行業(yè)務(wù)連續(xù)性管理，減少對(duì)網(wǎng)絡(luò)的改動(dòng)，使泛在網(wǎng)中的移動(dòng)性管理更有效，業(yè)務(wù)質(zhì)量得到更好的保證，提升用戶在泛在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)場(chǎng)景下的用戶體驗(yàn)。

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