全IP移動通信網網絡層移動性管理

2019-11-03 09:32:39

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張毓華　李方偉　豐勇　　摘要：本文首先介紹了全ip移動通信網網絡層移動性管理的概念、框架和最經典的Mobile IP協議，然后討論了基于Mobile IP、HAWAII、TeleMIP和EMA四種主要擴展方案，最后結合第三代移動通信發展的實際狀況得出了結論。

　　1　引言

　　目前的移動通信核心網還是基于電路交換7號信令系統的結構，這種結構已經與移動通信技術和業務的發展趨勢不相適應。全IP移動通信網（All-IP Mobile Network）是因特網IP技術和移動通信技術迅速發展相結合的產物。第三代移動通信和第三代以后的移動通信網絡都將向全IP移動通信網絡的發展，這將是移動通信網絡和因特網網絡的一次重大變革。全IP移動通信網的基本概念是將各種無線接口標準和接入手段的數據信號通過IP網關連接到因特網網絡。全IP移動通信網的業務是傳統移動業務與傳統因特網業務的結合與延伸，可以統稱為無線因特網業務，其中主要部分是實時多媒體業務。

　　移動性管理是指移動通信網中用戶移動所涉及的問題，它是移動通信網的核心問題。隨著移動通信網轉變為全IP網絡，全IP移動通信網的移動性管理也將面臨新的變革。全IP移動通信網移動性管理可以分類三個層次：空中接口（物理層）移動性管理、鏈路層移動性管理和網絡層移動性。由于全IP移動通信網中從移動臺到網關完全依賴于IP技術接入因特網，網絡層移動性管理問題尤為關鍵。

　　2　全IP移動通信網的網絡層　移動性管理

　　網絡層以上IP的觀點討論移動性管理所涉及的實體和功能與傳統的移動通信移動性管理有較大的區別。

　　一個簡單的全IP移動通信網的網絡層移動性模型中，網絡層移動性管理可以分為兩個層次：域內移動性管理和域間移動性管理。域內移動性又稱微移動性（Mico-mobility），是指對于移動節點在同一個域中移動的管理；域間移動性又稱宏移動性（Macro-mobility），是指對于移動節點在域和域之間移動的管理。

　　全IP移動通信網網絡層移動性管理關心的問題有：

　?。?）切換（Handover）管理：切換管理指移動中節點在移動時接入點的改變所涉及的管理，從宏移動管理的角度看就是移動節點改變了接入的網絡或子網，從微移動管理的角度看是移動節點改變了接入的基站。切換管理是移動性管理涉及的最主要的問題，衡量切換管理的指標主要有三方面：時延、丟包和路由更新。

　　（2）被動連通性（Passive Connectivity）和尋呼（Paging）：被動連通性指移動節點在激活狀態下發射信標（Beacon），這是降低移動節點耗電量的最有效方法。然而為了激活時快速有效連接，移動節點必須不斷地向網絡發射信標報告自己目前的位置，這一工作在未激活狀態下也必須進行。GSM網絡按照地理區域劃分為尋呼區（Paging Area），在未激活狀態，移動終端僅在改變尋呼區時發送信標（尋呼區位置）；在激活時，網絡再使用尋呼找到移動終端的準確位置進行連接。全IP移動通信網移動性管理應當支持被動連通性，并最好能夠利用尋呼這種已有機制。

　?。?）其它問題：包括健壯性、可升級性、業務質量QoS（Quality of Service）支持、無線接入網的通信量管理、安全性和隱私保護等等。

　　基于Mobile IP的各種協議是目前所研究的實現全IP移動通信網網絡層移動性管理主要方法。在文章的下面部分，我們討論基于Mobile IP的四種主要協議實現全IP網絡層移動性管理的方案。

　　3　Mobile IP

　　Mobile IP是一個因特網建議標準，它是解決IP網絡中移動性管理的最早方案。因特網工程任務組IETF在IETF RFC2002中對Mobile IP有完整的描述。隨著當前IPv4發展為IPv6,Moblie IP也將發展為Mobile IPv6。

　　Mobile IP的基本原理是讓一個移動節點使用一對IP地址實現移動的功能。Mobile IP中的移動代理MA被稱為外地代理FA（Foreign Agent）。移動節點連接到外地網絡時，該移動節點將從該網絡的外地代理獲得一個在本次連接中有效地臨時IP地址，該IP地址稱為轉交地址COA（Care-of -Address）。通過位置登記，移動節點將轉交地址報告給歸屬代理HA(Home Agent)，歸屬代理由此獲知移動節點當前的外地代理，然后就可以將數據包從隧道傳送（re-tunnel）給移動節點。在數據包重定向和路由優化過程中，發往移動節點的數據包實際上首先路由到移動節點的歸屬網絡，歸屬代理通過重新截取、封裝后將其發往外地代理，然后發往移動節點。

　　利用Mobile IP可以實現全IP移動通信網域間（宏）移動性管理。然而Mobile IP在處理域內（微）移動性管理時存在一些缺陷，這些缺陷需要域內移動性管理協議作為Mobile IP的擴展來彌補。Mobile IP處理全IP移動通信網域內移動性管理的主要缺陷有：

　　（1）位置登記等待時間長，產生控制數據流量大

　　在Mobile IP中，移動性管理通過位置登記實現，這一處理過程在如今的Internet網絡中將耗費較長時間。當移動節點在一個域內快速移動時，會頻繁地進行位置登記，這種處理不但會因為時延大而完全不適用，而且登記算法產生的大量數據控制流量將可能造成網絡擁塞。

　?。?）IP地址資源緊缺

　　Mobile IP的域需要大量的IP地址作為相關地址，現在的IPv4地址空間已快耗盡，而迅速發展的有線因特網業務也需要大量的IP地址，這就造成了IP地址資源緊缺的問題。雖然IPv6使用128bit的IP地址，是解決地址資源緊缺問題的有效方法，但是IPv6發展速度相對還較慢，而IPv4還將在今后相當長一段時間內繼續存在。

　　（3）業務質量（QoS）支持性差

　　頻繁的位置登記和相關地址改變將使業務質量支持性變得極差。例如，對于支持業務質量的資源預訂協議RSVP（Resource Reserve PRotocol），每當移動節點改變相關地址的時候就要作一次整個路徑的資源預定，而實際上路徑的大部分是不變的。這一處理預示著將產生大量的控制數據流量和附加時延，這將不適應業務質量支持。

　　4　Mobile IP的四種主要擴展方案

　　由于Mobile IP的以上缺陷，全IP移動通信網網絡層移動性管理需要采用域內移動性管理擴展協議彌補。域內移動性管理擴展協議的基本思路是：當移動節點進入一個域時，將獲得一個相關地址；移動節點停留在這個域中的時候，這個相關地址一直保持有效。這樣，一方面移動節點僅僅在進入該域時使用Mobile IP協議進行一次位置登記處理，這樣就大大減少了位置登記次數，減少了控制數據流量；另一方面域內移動性管理對于歸屬代理和網絡其它部分透明，這樣就可以按照私有地址（僅對域內唯一）形式重復利用很大一部分IP地址，解決IP地址資源緊缺問題；另外，整個網絡將不關心移動節點在某個特定域內的移動，對RSVP僅在移動節點改變域的時候作資源預定，從而使業務質量得到支持。

　　4.1　蜂窩IP方案

　　蜂窩IP使用一個特殊的移動性代理，同時作為通往因特網的網關和Mobile IP的外地代理，用蜂窩IP協議代替無線接入網內部的IP協議，路由方式使用移動節點在接入網絡時建立和更新經歷的路由器。這些路由器保證了移動終端接入到網絡和網關。蜂窩IP方案中每個站點具有一個路由緩存（Routing Catch），用于將數據包從網關發往移動節點，或者從移動節點發往網關。路由通過逐跳傳送特殊的控制數據包建立和維持，這些控制數據包將促使路徑上的站點更新其路由緩存。

　　網關周期性地發送信標到整個網絡。通過這種機制每個站點都能從信標知道自己的那些接口必須用于傳送數據包到網關。另一方面，在每次切換改變接入點接入網絡時移動節點將發送路由更新數據包，這些數據包被逐跳傳送給網關并促使路徑上的站點更新與相連接的移動節點相關的路由緩存。切換使用兩種機制：硬切換和半軟切換，硬切換沒有任何保證機制，而半軟切換能夠顯著減少丟包現象。蜂窩IP還使用傳統的尋呼模式支持被動連接性：一些站點具有尋呼緩存，用于尋呼請求的情況。

　　4.2HAWAII方案

　　HAWAII方案使用HAWAII工作于IP層之上，而不是代替IP，在HAWAII方案中，每個站點都按照傳統IP路由器的方式工作，只是具有HAWAII的特有特性。

　　HAWAII的工作原理于蜂窩IP，每個站點都具有路由緩存用于支持移動性管理，特殊數據包的逐跳傳輸促使站點更新路由緩存。在蜂窩IP中，網絡按照樹狀結構組織，網關位于樹狀結構的根節點。HAWAII為不同的無線接入技術提供了兩種不同的切換機制，這兩種機制具有不同的記錄作網絡優化。和蜂窩IP相似，HAWAII也使用尋呼機制支持被動性連接，地理尋呼區由隸屬于同一IP多點傳送組的站點組成，尋呼消息使用傳HAWAII定義了內部整合的資源預訂協議RSVP適應用戶的移動性，這樣，HAWAII就自然減少了由于路徑改變帶來的資源預定。假設移動節點是一臺接收機，切換的時候，網絡只為路徑上變化了的部分作資源預定。

　　4.3TeleMIP方案

　　TeleMIP(Telecommunications-Enhanced Mobile IP)是一種非常簡單易行的協議，非常適用于無線接入網使用CDMA技術的網絡。TeleMIP的（TeleMIP Mobile Agent），TeleMIP的網絡結構由一系列TMA設備和子網組成，每個子網具有一個Mobile IP的外地代理和幾個直接連在外地代理上的基站，不同的外地代理連接到該無線域內的一個或多個TMA上。

　　移動節點通過子網連接到域，連接時從子網的外地代理獲得兩個臨時IP地址：局部相關地址（Local Care-of-address）和全局相關地址（Global Care-of-Address），局部相關地址在移動節點處于該子網內保持不變，全局相關地址在移動節點處于該域內保持不變。局部相關地址登記到TMA，TMA同時作為該移動節點的網關和Mobile IP的外地代理。移動節點改變子網時，僅從新的外地代理獲得一個新的局部相關地址并通知TMA。發往域內移動節點的數據包到來時，目的地址就是全局相關地址，TMA截取并將數據包傳送到子網的外地代理，在映射局部相關地址和全局相關地址的基礎上，子網的外地代理最終能將數據包往目的地址。

　　4.4　EMA方案

　　EMA（Edge Mobility Architecture）旨在建立一種真正的無線域內的移動性管理框架，EMA的設計者考慮了應用臨時排序路由算法TORA（Temporally-Ordered Routing Algorithm），這就使EMA框架能將TORA應用于使用具有ad-hoc網絡特性的標準無線接入網并具有良好的可升級性。EMA對無線接入技術沒有任何特殊要求，它所定義的切換機制完全在高層進行。EMA支持兩種路由：前綴路由（與傳統有線IP網絡相同）和主機特定路由。移動節點接入EMA框架的域時將從該域下一個子網獲得一個相關地址，這樣，當移動節點處于該域該子網時，發往該移動節點的數據流就能基于前綴路由到移動節點，當移動節點改變子網時，網絡將使用特定路由找到移動節點。TORA非常適合這種工作方式。

　　5　四種方案的比較

　　四種方案都很大地改善了Mobile IP在切換管理方面的問題，在時延上，HAWAII最具優勢，EMA和Cellular　IP的半軟切換理論上可使丟包率為0，在路由更新上，TeleMIP可能會因為TMA的增多而性能下降。Cellular IP和HAWAII方案被動連通性和尋呼支持性較好，而另外兩種方案尚有一定的欠缺。負荷平衡方面HAWAII做得較好，TeleMIP和EMA做了部分優化，而Cellular IP未作優化。TeleMIP針對CDMA系統作了優化，而且網絡結構方面較簡單。

　　6　結論和展望

　　第三代移動通信技術的發展和全IP核心網的逐步建立將對全IP網絡的移動性管理產生巨大影響：一方面，第三代移動通信的空中接口技術主要采用的是CDMA技術，并于CDMA技術的進一步研究仍然在深入進行。CDMA主能在第2層（鏈路層）做的工作已經遠遠超出了最初人們的想象，例如CDMA技術能夠為業務質量（QoS）提供有力的第2層支持。我們在考慮第3層的移動性管理時還需要考慮到這些因素。另一方面，Mobile IP擴展方案都是基于Mobile IP，這同3GPP2提出的核心網草案相適應，但結合具體網絡的優化仍然需要繼續研究；而3GPP提出了基于GPRS的全IP核心網并將在未來幾年內投入商用，以上的四種Mobile IP擴展方案都還需要考慮如何針對GPRS的具體特性對網絡域間移動管理實行優化。第三代移動通信全IP核心網的逐步建立，為上述方案的驗證、實施和優化創造了條件。

摘自《移動通信》2002.3

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