（信号与信息处理专业论文）umtswlan网络间基于msctp的垂直切换技术的研究.pdf

重庆邮电大学硕十论文摘要 摘要 随着无线接入技术的发展以及用户对网络要求的提高，同一地区可能存在多种 无线网络重叠覆盖的情况，并形成了接入网络的泛在性和异构性。为了提高网络的 利用率以及保证用户可以在异构网络间平滑的移动，实现异构网络间的互联互通将 非常有必要。垂直切换技术是实现异构网络间互联互通的关键技术也是未来网络研 究的热点之一。 异构网络间的垂直切换可以在网络的不同层次上实现，如可以在网络层使用移 动m ( m i p ，m 0 b i l em ) 技术，在传输层使用移动s c t p ( m s c t p ，m o b i l es t r e a mc o n t r o l t r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 以及在应用层使用会话初始化协议( s i p ，s e s s i o ni n i t i a lp r o t o c 0 1 ) 。 垂直切换一般由网络发现、切换判决和切换执行三个阶段组成，其中切换判决是垂 直切换过程中最核心的部分，切换判决的准确性将直接影响切换的性能。 本论文将通过修改标准的m s c t p 协议，以提高切换判决的准确性。在m s c t p 中存在下面几类切换判决的方法：第一，当发现新的网络时，立即切换到新的网络； 第二，根据底层的信号强度为判决因数执行切换判决；第三，根据上层应用类别为 切换因数执行切换。本文将以m s c t p 路径的往返时延( r t r ，r o u n dt r i pt u n e ) 为 切换判决因素在传输层实现切换判决。首先，通过同时考虑m s c t p 主路径与备用 路径的性能差以及路径时延在单位时间内的变化量对切换判决的影响，提高切换判 决的准确性。其次，修改m s c t p 切换过程中的拥塞控制机制，将切换后的主路径 拥塞控制窗口值设置为路径的可用带宽时延积，提高切换过程的主路径吞吐量，并 在m s c t p 中增加一对消息，采用包对技术实现路径的可用带宽测量。最后，通过 增加路径管理模块实现切换判决与m s c t p 基本通信过程的分离，同时减小切换过 程中的乒乓效应。 本文以u m t s w l a n 异构网络为实验环境。u m t s w l a n 网络之间采用松 耦合的互联方式。通过修改n s 2 中的s c t p 模块，实现改进的切换判决算法的仿 真，并从切换过程中的主路径吞吐量和乒乓效应等方面进行分析和比较，体现改进 的切换判决算法比现有的判决算法更具优势。 关键字：m s c t p ，垂直切换，r 广r ，带宽测量，u m t s w l a n 异构网络 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g i e sa n dt h ei n c r e a s i n gd e m a n df o r n e t w o r kl a s e r s ，t h e r em a yb em u l t i p l eo v e r l a p p i n gw i r e l e s sn e t w o r ka tt h es a l l l er e g i o n , a n df o r m e dau b i q u i t o u sa n dh e t e r o g e n e o u sa c c e s sn e t w o r k i no r d e rt oi n c r e a s et h e n e t w o r ku t i l i z a t i o na n dt oe n s u r et h a tu s e r sc o a lm o v es m o o t h l yb e t w e e nh e t e r o g e n e o u s n e t w o r k s ，s ot oa c h i e v ei n t e r o p e r a b i l i t yb e t w e e nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k sw i l lb ev e r y n e c e s s a r y v e r t i c a lh a n d o f fi sak e yt e c h n o l o g yt oa c h i e v ei n t e r w o r k i n gb e t w e e n h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k sa n da l s ow i l lb eo n eo ft h ek e yr e s e a r c hi s s u e so ft h e f u t u r e n e t w o r k s v e r t i c a lh a n d o f fc a l lb ea c h i e v e da td i f f e r e n tl e v e l so fn e t w o r k , s u c ha su s i n g m i p ( m o b i l ei p ) a tn e t w o r kl a y e r , m s c t p ( m o b i l es t r e a mc o n t r o lt r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) a t t r a n s p o r tl a y e ra n ds i p ( s e s s i o ni n i t i a lp r o t o c 0 1 ) a ta p p l i c a t i o nl a y e r v e r t i c a lh a n d o f fc a n b ec o m p o s e do ft h r e es t a g e s ：n e t w o r kd i s c o v e r y , h a n d o f fi m p l e m e n t a t i o na n dh a n d o f f d e c i s i o n h a n d o f fd e c i s i o ni st h ec o r ep a r to fv e r t i c a lh a n d o f f , t h ea c c u r a c yo ft h eh a n d o f f d e c i s i o nw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo f h a n d o f f t h i sp a p e rw i l lm o d i f yt h es t a n d a r dm s c t p p r o t o c o lt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo f h a n d o f fd e c i s i o n i nm s c t p , t h e r ea r es e v e r a lt y p e so fh a n d o f fd e c i s i o nm e t h o d f i r s t , i m m e d i a t e l yh a n d o f f t ot h en e t w o r kw h e nf i n dan e w n e t w o r k s e c o n d ，a c c o r d i n gt ot h e s t r e n g t ho fs i g n a lf o rt h ed e c i s i o nf a c t o rt oi m p l e m e n t a t i o nt h eh a n d o f fd e c i s i o n t h i r d ， a c c o r d i n gt ot h ec a t e g o r yo fa p p l i c a t i o nf o rt h ed e c i s i o nf a c t o rt oi m p l e m e n t a t i o nt h e h a n d o f fd e c i s i o n i nt h i sp a p e r , a c h i e v eh a n d o f fd e c i s i o ni nt h et r a n s p o r tl a y e r , a n d c o n s i d e rt h ep a t hr 1 广r ( r o u n d t r i pt i m e ) f o rt h eh a n d o f fd e c i s i o nf a c t o r s f i r s to fa l l ，b y c o n s i d e r i n gt h ep e r f o r m a n c ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ep r i m a r yp a t ha n da l t e r n a t ep a t h , a n d t h ec h a n g eo fp a t hd e l a yi nt h eu n i tt i m ei m p r o v et h ea c c u r a c yo fh a n d o f fd e c i s i o n s e c o n d l y , m o d i f yt h ec o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s m so fm s c t p , a n ds e tt h ec o n g e s t i o n w i n d o wf o rt h eb a n d w i d t h d e l a yp r o d u c ti m p r o v e st h et h r o u g h p u to ft h ep r i m a r yp a t h w h e nv e r t i c a lh a n d o f fo c c u r s b ya d d i n ga p a i ro fm e s s a g ei nm s c t p ，m e a s u r e t h ep a t h a v a i l a b l eb a n d w i d t hu s i n gt h ep a c k e tp a i r f i n a l l y , a c h i e v i n gt h es e p a r a t i o no fp a t h h a n d o f fa n dm s c t pc o m m u n i c a t i o n sb ya d d i n gp a t hm a n a g e m e n tm o d u l er e d u c et h e p i n g - p o n ge f f e c t i nt h i sp a p e r , t h ee x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n ti sau m t s w l a nh e t e r o g e n e o u s n e t w o r k u m t sa n dw l a n i n t e r w o r k i n gi sl o o s e l yc o u p l e d b ym o d i f y i n gt h es c t p i i 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t m o d u l ei nt h en s - 2 ，a c h i e v et h es i m u l a t i o no ft h ei m p r o v e dh a n d o f fd e c i s i o na l g o r i t h m , a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nt h ep r i m a r yp a t ht h r o u g h p u t a n dp i n g - p o n ge f f e c t k e y w o r d s ：m s c t p , v e r t i c a lh a n d o f f , i t ，b a n d w i d t hm e a s u r e ，u m t s w l a n h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k i i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着移动通信技术与计算机技术的发展，以及人们对获取信息的实时性的要求 越来越高，未来移动通信的目标是实现用户可以通过各类移动终端随时随地的接入 网络完成通信或从i n t e m e t 中获取有用信息。为完成以上的目标，在一些特殊的区 域，如机场、大型娱乐场所等热点地区，可能存在多种无线接入网络重叠覆盖的情 况。这些不同的无线接入网络拥有各自独特的特点，如g s m ( 全球移动通信系统) 、 g p r s ( 通用无线分组业务) 、u m t s ( 通用移动通信系统) 的覆盖范围广，能够提供比 较高的终端移动性，但传输带宽相对较小；而w l a n ( 无线局域网) 、蓝牙网络技术 的网络覆盖范围较小，且一般作为现有网络的补充而存在，但提供的传输带宽相对 较大。现存的两种比较典型的重叠覆盖网络叫m t s 网络和w l a n 网络，u m t s 实现的是无处不在高移动低速率的网络覆盖，w l a n 实现的是热点地区高速率的补 充覆盖。在这种情况下，为了提高网络的利用率或用户的对服务的满意度，可以根 据业务的需要选择不同的接入网络。因此有必要实现不同接入网络间的互联互通， 而实现异构网络间的互联互通关键是完成网络间的无缝切换l l j 。在现实情况中， im t s 和w l a n 是这些无线网络中最普遍的无线接入网络，因此u m t s 和w l a n 网络间的无缝切换的研究成了目前的研究热点。 切换，可以分为水平切换( h h o ，h o r i z o n t a lh a n d o f f ) 和垂直切换( v h o ，v e r t i c a l h a n d o f f ) ，其中水平切换是同构网络间不同小区之间的切换，而垂直切换是异构网 络之间的切换。随着蜂窝移动通信技术的发展，业务在不同蜂窝小区之间的切换， 即水平切换技术得到了比较深入的研究，而垂直切换由于其特殊性和复杂性并没有 得到深入详尽的研究，而完成u n i t s 和w l a n 网络间的切换就属于垂直切换的范 畴。 目前，垂直切换可以在o s i 模型的不同层次上实现，并具有各自的特点。首先， 可以在网络层完成垂直切换，代表性技术为移动w ( m i p ) 技术，另外根据i p 版本号 的不同可分为移动p v 4 ( m p v 4 ) 1 2 j 和移动i p v 6 0 v i i p v 6 ) t 3 1 。随着移动口技术的发展以 及现实情况的需要，移动i p v 6 将逐步替代移动i p v 4 。其次，可以在传输层完成垂 直切换，代表性技术为移动流控制传输协议( m s c t p ) 【4 】1 5 1 。s c t p 由i e t f 标准组制 定，最初是为了实现在i p 网络中传输电话信令消息而提出的，之后逐步完善为传输 层协议。由于s c t p 协议本身支持多家乡性，即一个s c t p 关联可以同时具有多个 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 可用的p 地址，选择一个最合适的p 为主用d ，大部分的数据通过主用i p 传输， 其他的作为备用i p 。标准的s c t p 只能适应在固定网络中使用，后来为了支持移 动性，对s c t p 协议进行了扩展动态地址重配置扩展a r ) ( 6 j ，并称为m s c t p 。 m s c t p 可以通过d a r 动态的向关联中添加、删除和修改口地址，因此m s c t p 可 以很好的支持垂直切换。另外，可以在应用层实现垂直切换，代表性技术为会话初 始化协议( s i p ) r 7 1 。由于s i p 可以在会话过程中通过设置代理服务器改变通信的方式， 使s p 协议可以支持垂直切换。 1 2 研究重点 本文以有代表性的u m t s 网络和w l a n 网络为异构网络互联互通研究模型。 首先分析u m t s 网络和w l a n 网络的各自特点，以及3 g p p 现有的w l a n 网络与 u m t s 网络融合的技术方案，并作为后面章节实现垂直切换的网络模型。之后，通 过分析基于m i p 、m s c t p 和s i p 协议的垂直切换过程以及各自的特点，选择m s c t p 协议作为本文主要的研究对象。基于m s c t p 的垂直切换中最主要的过程是主路径 的选择过程，即根据各路径的性能选择一条最合适的路径作为主路径。 本文的主要工作是以下四个方面： 第一，在现有的基础上设计一个更合适的路径选择算法，同时考虑以主备用路 径的性能差以及路径往返时延i m 在单位时间内的变化量等因素，作为主路径选择 的判决因数，提高切换的准确性。 第二，修改m s c t p 切换过程中新主路径的慢启动过程，通过设置新主路径的 拥塞控制窗口为路径的可用带宽时延乘积，提高切换过程的吞吐量，并实现在 m s c t p 的路径中利用包对技术测量路径的可用带宽。 第三，在m s c t p 协议中增加路径管理模块，将主路径选择的判决过程移植到 路径管理模块中，使m s c t p 的基本通信过程与切换判决过程分离，并通过调整新 路径添加到路径管理模块的时间来减少切换过程中的乒乓效应。 第四，熟悉n s 2 网络仿真环境，根据本文算法的需要修改n s 2 中的s c t p 组 件，最后分析仿真结果。 1 3 论文安排 本文共分为六章，分别安排如下： 第一章绪论部分，主要介绍了论文的研究背景、意义以及研究的主要内容和论 文的组织结构。 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第二章首先分别介绍了u m t s 和w l a n 的网络结构和特点，以及各自的优势， 而后分析了u m t s 与w l a n 网络融合的技术方案和各方案的特点，以及简短的介 绍了水平切换和垂直切换的异同，最后介绍和比较了几种不同的支持垂直切换的协 议，作为后文相关的理论基础。 第三章介绍s c t p 协议的基本特性和动态地址重配置扩展( d a r ) ，以及 m s c t p 强制和非强制切换的基本过程和关键技术。最后分析了基于m s c t p 垂直切 换的性能指标。 第四章通过前面章节的分析，提出了基于p r t t 和可用带宽时延乘积的主路径 切换算法。详细阐述算法的实现原理和实现步骤，实现了在m s c t p 路径中利用包 对技术测试可用带宽的过程，并通过在m s c t p 中增加路径管理模块实现切换的管 理，以及如何通过设计减少切换过程中的乒乓效应。 第五章首先简单的介绍n s - 2 仿真软件，修改n s 2 中s c t p 组件使其适应改 进算法的仿真。根据仿真需要建立仿真场景和节点运动模型，并建立仿真的网络路 由结构。最后分析仿真结果，通过比较切换时的吞吐量和切换乒乓效应得出改进算 法的优势。 第六章总结和展望，总结了本文的工作和探讨下一步的工作方向。 3 重庆邮电大学硕士论文第二章u m t s w l a n 异构网络结构与切换概述 第二章u m t s w l a n 异构网络结构与切换概述 2 1u m t s 与w l a n 网络介绍 “5 w ”是未来通信网络需要完成的目标，即任何人( w h o ) n - - i 在任何时候( w h e n ) 、 任何地方( w h e r e ) 、与任何人以及相关的物进行任何形式的通信。为了达到这一目标， 接入网络的覆盖形式将变得非常复杂，同一地区可能同时存在多种不同的无线接入 网络，因此未来的无线网络必然是异构形式的。在这种情形下，完成异构网络间的 互联互通将是实现“5 w ”目标的技术基础。w l a n 和u m t s 是目前普遍存在的异构 网络，因此研究这两种类型网络间的互联互通将非常有代表性。 2 1 1w l a n 网络介绍 无线局域网( w l a n ，w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) ，是通过无线的方式组建局 域网，借用无线信道传输数据，提供局域网的移动性，可以根据需要灵活的组网。 目前很多地区都实现网络覆盖，w l a n 网络采用的是公用的频率资源( 2 4 g h z ) ， 任何人都可以使用因此容易受到干扰并且传输安全性也是一个比较棘手的问题。随 着i e e e 8 0 2 1 1 a b g e 等无线网络标准的制定与使用，通过充分的解决使用中出现的 问题并逐渐完善，已经在多个行业成功的实现商用化，特别是一些热点地区和一些 不容易组建网络的地区，如大型的娱乐场所、飞机场、矿场、学校和一些需要临时 组网的宣传活动等。 目前w l a n 网络有两种比较成熟的组网方式，即基础结构网络( i n f r a s t r u c t u r e n e t w o r k ) 和自组织网络，自组织网络可以采用对等的方式进行组网，目前使用比较 多的是a d h o e 网络。除了上面两种主要的组网方式外，分布式组网也可以实现 w l a n 网络的组网要求，但目前还处在理论研究阶段。 自组织型w l a n 网络是一种临时性的组网方式，采用的是对等连接的网络模 型。自组织网络的网络实体一般是可以移动的并且配置了无线网卡，如笔记本电脑。 采用这种方式组网时，移动设备必须采用相同的工作组名、密码以及相同的扩展服 务集i d ，通过点对多点，或点对点的方式在w l a n 网络的覆盖范围内完成通信。 基础结构型w l a n 网络共用有线骨干的核心网络，w l a n 网络相当于一个独 立的无线接入网。采用这种组网方式时，移动终端通过基站仍s ) 完成无线连接，并 且通过b s 完成与有线骨干网络的连接，最终建立起一条通信链路。在基础结构网 4 重庆邮电大学硕士论文第二章u m t s w l a n 异构网络结构与切换概述 路中，通过基站节点和移动终端组成一个基本的覆盖小区，并实现该区域的无线覆 盖，这些服务区通过一个分发系统控制，并组成一个扩展服务区( e s s ) ，e s s 通过 网桥与i n t e m e t 网络相连，基站在小区内可以实现全网覆盖。在目前的实际应用中， 大部分w l a n 网络都是基于基础结构网络，基础结构型网络结构如图2 1 所示。 一一 m n 、， 图2 1w l a n 网络结构 欧洲电信标准协会( e t s i ) 早在9 0 年代初期就开始征求3 g 标准的技术方案，并 雄心勃勃的把3 g 技术统称为u m t s ( o n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) ， 意即通用移动通信系统。宽带c d m a ( 带宽5 m n z ) 标准是其多种方案之一，其后， 日本的积极参与极大地推动了3 g 标准的全球化步伐。在1 9 9 8 年，日本和欧洲在宽 带c d m a 标准的关键参数上取得一致，使之正式成为u m t s 体系中f d d ( 频分双工) 频段的空中接口的入选技术方案，并由此通称为w c d m a ，w 即宽带，以有别于源 于北美的窄带c d m a ( 带宽1 2 5 m h z ) 标准。后来u m t s 为了统一标准，中国提出的 t d s c d m a 也加入其中。 通用移动通信系统( u m t s ) 网络支持两类接入网络，即基站系统( b s s ) 和 无线网络子系统( r n s ) ，并统称为u t r a n ( u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 无线接入网。b s s 是g s m 的接入网络，r n s 是建立在u m t s 上，尤其是w c d m a 的接入网络，并且u m t sr 5 版本的核心网络( c n ) 可以分为电路域( c s ) 和分组域 ( p s ) 。电路域兼容了g s m 的网络结构，网络中的实时业务如电话、视频会议是通过 电路域传输的。分组域主要是承载非实时的p 分组业务，如i n t e m e t ，f t p 等数据 业务。 更详细的网络结构如图2 2 所示，根据结构图可知u m t s 网络由三部分组成，分 重庆邮电大学硕士论文第二章u m t s w l a n 异构网络结构与切换概述 别为用户设备e ) 、u t r a n 和c n 。其中u e 包括移动设备( m e ，m o b i l ee q u i p m e n t ) 和u m t s 用户识别模块( u s i m ，u m t s s u b s c r i b e ri d e n t i t ym o d u l e ) 组成，其中移动设 备提供应用和服务，u m t s 用户识别模块提供用户身份识别。u t r a n 由n o d eb 和无 线网络控制器( r n c ，r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ) 两部分组成。n o d e b 与r n c 之间 的接口为i u b ，与移动台之间的协议为空中接口u u ，r n c 主要完成连接建立和断开， 切换，宏分集合并，无线资源管理控制等功能，r n c 之间的通信主要通过i u r 接口完 成。c n 需要完成对u e 通信过程的控制，并分为c s 域和p s 域。c s 域主要包括移动业 务交换中心访问位置寄存器( m s c v l r ) 和网关移动业务交换中- t 二, ( g m s c ) ，最后与 p s t n 相连。p s 域主要包括网关g p r s 支撑节点( g g s 卜0 和服务g p r s 支撑节点( s g s n ) 组成，最后与i n t e m e t 相连。 r l i l i i 一 i i i i i - 一 l i j p s 一一一一1i 一一一一一一一一一一1 u 删：! 铡 ： 叹。! ：q仑i 忒氐! - i ；v 血 i p s t n 鬯兰拦一一兰一 2 1 3w l a n 与u m t s 网络比较 w l a n 网络和u m t s 网络是现在覆盖比较普遍且非常成熟的网络，两种网络各 有特点，并形成良好的补充。下面从两个方面进行比较： 传输速率的比较：u m t s 网络的传输速率可以从1 4 4 k b p s 到2 m b p s ，用户在高 速移动( 1 2 0 k m h 5 0 0 k m h ) 的情况下传输速率可以达到1 4 4 k b p s 左右，当用户的 移动速度小于1 2 0 k m h 时，且处在户外的情况下传输速率最高可以达到3 8 4 k b p s 左 右，当用户的移动速度小于1 0 k m h 时传输速率最高可达到2 m b p s 左右：不同的是 w l a n 网络的传输速率范围可以从1 m b p s 到1 1 m b p s ，这一特性也是由w l a n 网络 的覆盖范围小而决定的，并支持的是比较低速率的移动用户。 覆盖范围的比较：u m t s 网络的覆盖范围比较大，u m t s 将覆盖的区域分成若 干个不同小区，通过n o d eb 来对小区进行管理，而w l a n 网络的覆盖范围比较小， 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章u m t s w l a n 异构网络结构与切换概述 只可以对小区域进行覆盖，比如一些娱乐场所、机场等，w l a n 经常覆盖的是热点 地区，作为u m t s 网络的补充。另外，由于w l a n 的传输方式，耗能比较大 表2 1 是w l a n 网络与u m t s 网络各参数的详细比较 表2 1u m t s 与w l a n 参数比较 参数 u m r sw l a n 2 2u m t s w l a n 网络互联互通结构 3 g p p 对u m t s 网络和w l a n 网络互联互通的研究主要集中在两种方案上，即紧 耦合和松耦合1 8 9 1 。 紧耦合是以w l a n 网络单独作为一个无线接入网的存在形式接入到u m t s 网 络的核心网上，这样w l a n 网络覆盖的热点地区相当于与u m t s 网络的一个子网。 w l a n 网关需要实现分组控制功能( p c f ) ，通过与u m t s 核心网的s g s n 功能模块相 连实现网络的融合。对s g s n 来说并不知道连接上的是w l a n 网络，这就需要w l a n 网关实现r n c 的功能，如移动性管理和接入鉴权等。这种方式的优点是可以共用 u m t s 核心网络的功能，通过在w l a n 加密的基础上，在上层实现u m t s 网络的鉴 权和加密机制，提高了w l a n 网络的安全性；缺点是w l a n 网关要实现u m t s 无 线接入网的协议功能，由于w l a n 网络的传输带宽比较高，而u m t s 核心网中 重庆邮电大学硕士论文第二章u m t s w l a n 异构网络结构与切换概述 s g s n 和p g s n 模块并不支持高带宽传输，因此需要修改相关的配置。 松耦合模型是将w l a n 网络和u m t s 网络单独接入i n t e r n e t 网络，每个网络独 立操作，允许w l a n 和u m t s 单独进行业务管理。在这种方式中w l a n 网络和 u m t s 网络采用不同的机制和协议来处理移动性管理、认证和计费。由于在这种方 式下w l a n 网络的高带宽数据不用经过u m t s 的核心网，所以不用对现有的u m t s 网络进行升级。两种网络的互相独立，因此彼此之间不会形成影响，当一种网络需 要升级时不会影响到另一种网络，两者是一个有利的补充。在网络建设前期，为了 减少成本和减小网络的复杂度，大部分采用的是松耦合的融合方式：所以本论文的 研究是基于松耦合方式下的。松耦合和紧耦合的网络结构如图2 3 所示。 2 3 切换概述 图2 3w l a n u m t s 网络融合结构 在无线通信网中，随着蜂窝技术的合理运用，充分的解决了通信系统频率资源 不可再生与用户数量剧增的矛盾，同时也正是蜂窝技术的采用，用户需要在蜂窝小 区之间频繁的移动，从而引入了一些新的研究问题，如移动管理和漫游认证等。移 动通信系统中移动性管理技术的关键问题是位置管理和切换管理i l3 1 。切换管理技术 是移动性管理技术的关键技术之一，也成为移动性管理技术研究的重要内容。随着 网络技术的发展和异构网络间无缝移动的需求的提出，切换技术的研究也从同一种 网络间的水平切换转移到异构网络间的垂直切换。 2 3 1 水平切换与垂直切换 8 重庆邮电大学硕士论文第二二章u m t s w l a n 异构网络结构与切换概述 根据完成切换操作后，接入点改变前后所采用的接入网络技术的异同，切换可 以分为水平切换和垂直切换【1 1 1 。水平切换是相同无线接入网络不同蜂窝小区之间的 切换，如u m t s 或g s m 系统中不同基站覆盖小区间的切换，w l a n 网络中不同接 入点之间的切换。垂直切换则是不同无线接入网络技术之间的切换，如w l a n 网络 与u m t s 网络之间发生的切换属于垂直切换。在垂直切换中，根据切换的方向不同 又可以分为向上垂直切换和向下垂直切换【1 2 】。从覆盖范围广的网络切换到覆盖范围 小的切换称为向下垂直切换，反之则为向上垂直切换。由于在发生垂直切换的过程 中，两种网络的差异比较大，切换时通常存在网络性能的跳跃，因此垂直切换又存 在不对称性，即存在强制切换和非强制切换。水平切换和垂直切换的模型如图2 4 所示。 图2 4 水平切换与垂直切换示意图 水平切换与垂直切换在具体的实施过程中，除了切换前后的接入网络技术不同 外，同时还存在很多方面的差异【l 列： ( 1 ) 切换的发起方式不同。水平切换一般都是由网络决定切换过程的，用户只 是被动的接受；而垂直切换除了可以由网络发起也可以由用户根据自己的喜好主动 发起。 ( 2 ) 触发切换的原因不同。发生水平切换一般是因为用户终端移动发生物理位 置变化引起的，因此水平切换是移动过程中发生的；垂直切换是接入网络改变引起 的，不一定是用户的位置发生了改变，因而垂直切换可以在终端静止的时候发生。 ( 3 ) 切换的技术不同。由于水平切换是同种无线接入网络间的切换，切换前后 的无线链路层技术都是相同的，因此水平切换大多数是在链路层实现切换的；而垂 直切换中，两种网络是异构的，链路层采用的技术是完全不同的，所以为了屏蔽链 路层技术的差异，垂直切换一般都在比较高的层次完成的，如网络层的m i p 、传输 层的m s c 即和应用层的s 职。 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章u m t s w l a n 异构网络结构与切换概述 ( 4 ) 切换执行的判决因素不同。相对于垂直切换的判决，水平切换的判决条件 比较简单。目前大多数水平切换都是根据终端接收到的信号强度r s s ( r e c e i v e d s i n g l es t r e n g t h ) 作为判决因素的。在垂直切换的过程中切换前后两种网络的差异性比 较大并且切换的复杂度也相对较大，因此简单以r s s 作为执行判决切换的条件是不 能反映网络的变化情况的，所以垂直切换的判决通常是多因素综合考虑的，如目标网 络的可用带宽、服务资费和用户偏好等因素。 表2 2 对水平切换和垂直切换进行了全面的比较。 表2 2 水平切换与垂直切换比较 比较项水平切换垂直切换 涉及的接入技术同类接入技术异构接入技术 用户移动及物理位置变化导致强调的是网络接入技术的改 切花的触发原因 网络接入点改变变，不一定是用户的位置变化 切换的决策因素r s s 及其变化指标多因素综合决定 切换的控制方式网络决定，终端接受网络和终端都可决定 链路转换实现链路层实现网络层，传输层，应用层实现 不对称性无存在强制切换和非强制切换 2 3 2 垂直切换的基本步骤 垂直切换可分为三个阶段完成，分别为网络发现、切换判决和切换执行【1 4 】。网 络发现阶段是移动终端检测到有可用网络并进行一系列辅助操作的过程；切换判决 阶段是根据切换判决算法计算目标网络当前接入性能以及估计切换最佳时间的过 程，是切换执行阶段的依据；切换执行阶段是利用m i p ，m s c t p 以及s i p 等垂直 切换协议完成网络切换的具体操作过程。 在网络发现阶段，移动终端不断的搜索和发现可用的无线接入网络，其中终端 网络发现过程中的能耗和网络发现的准确性是两个相互制约的参数。目前，有两种 比较成熟的网络发现算法：第一，基于接入网络广播信号的网络发现。各种无线接 入网络会周期的向其覆盖范围内发送广播信号，如u m t s 的小区广播信号和w l a n 网络的信标帧等。当移动终端进入新的网络时，对应的接口会接收到这些广播信号， 完成终端的网络发现；但是移动终端必须将多种无线网络接入接口同时开通，这样 终端的能耗将相应的增加。现有一种方法是周期的开通终端网络接口，但如何确定 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章u m t s w l a n 异构网络结构与切换概述 周期时间使系统发现的及时性与终端能耗达到最佳，将是新研究的问题。第二，基 于网络位置服务器( l s s ，l o c a t i o ns e r v i c es e r v e r ) 的网络发现。这种方法是利用l s s 中存储的不同区域接入网络信息，向移动到网络覆盖范围内的移动终端发送该网络 参数信息的系统发现过程。这种方法节约了终端的能耗，但对l s s 的要求比较高， 必须及时的向移动终端发送周围网络的带宽，延时等参数信息技术实现上比较困难。 在垂直切换中，切换的决策可以由网络、移动终端或者由二者协调发起。但是 由于垂直切换的复杂性，切换的判决因素必须考虑多个方面。然而只有移动终端可 以方便的获取网络的各种参数信息，所以基于移动终端控制的判决算法比较合适。 目前很多研究都是将切换的决策放在移动终端实现，使终端可以根据用户的主动因 素发起切换，如用户可以根据自己的喜好和正在使用业务的q o s 要求选择合适接入 网络。由于垂直切换的决策是多因素的决策问题，决策中涉及到的问题多样化，度 量值又各不相同，为了综合的考虑这些因素，研究者们提出了很多不同的方法。文 献 1 5 通过以网络的带宽和信号强度组成代价函数，以代价函数作为切换判决的依 据。文献 1 6 1 通过以模糊控制的理论设计切换判决过程。文献 1 7 】综合考虑网络的信 号强度和模糊控制逻辑作为网络切换判决的因数。文献【1 8 通过m s c t p 路径的往返 时延r t f 作为路径切换的依据。 垂直切换执行阶段是使用支持垂直切换的协议( m i p ，m s c t p ，s i p ) 完成链 路切换的具体实施过程，是将正在进行的通信会话从现有无线网络中的接入节点转 移至目标无线网络中的新接入节点的过程。通常由于垂直切换要保证与底层接入技 术的无关性，屏蔽底层具体接入技术，因此垂直切换通常是在网络层及以上层实现。 现有的垂直切换协议分别可以在网络层、传输层和应用层实现。网络层典型的垂直 切换协议为m p 技术。m i p 从路由角度解决移动性的问题，是目前在网络层支持终 端移动性的比较成熟的协议，也因此可以作为网络层实现垂直切换的代表性技术。 文献 2 】 3 】中分别研究了基于m i p v 4 和m i p v 6 的垂直切换技术。传输层典型的垂直 切换技术为m s c t p 协议，由于m s c t p 支持多家乡性和动态地址重配置，可以很好 的实现端到端的移动性。文献【1 9 】对m s c t p 切换原理和切换的信令过程进行了分 析。应用层典型的垂直切换协议为s i p 协议，利用s i p 对呼叫过程的控制可以完成 端到端的垂直切换。 2 3 3 不同垂直切换协议简介 垂直切换为了支持底层接入技术的无关性，一般都在网络层及以上层实现，如 网络层的移动m 、传输层的m s c t p 和应用层的s i p 等。下面分别简要的介绍这几 种支持垂直切换协议的切换过程。 ， 霞庆邮电大学硕士论文第二章u m t s - w l a n 异构网络结构与切换概述 ( 1 ) 移动m 技术 为保证移动节点改变接入点时，不必改变其通信的口地址，仍然能正常通信， i e t f 工作组制定了移动婵标准( m i p ) 。移动p 技术包括两个版本，分别是m i p v 4 和m i p v 6 。在m i p v 4 协议中，包括移动节点( m n ) 、通信对端( c n ) 、家乡代理( h a ) 和异地代理( f a ) 等功能实体【2 】。m n 和c n 是两个正在通信的节点。h a 为移动节 点的本地路由器，它保存了移动节点的位置信息，当节点移动到外地网络时h a 通 过隧道技术把数据报发送给m n 。f a 为移动节点移动到外地时的网络路由器，它将 m n 的家乡代理发过来的数据包解包发送给m n 。当移动节点移动到外地网络时， 移动节点将通过外地代理或d h c p 获得一个临时转交地址( c o a ) ，并将这个c o a 发送到h a 进行临时地址注册。在m i p v 6 协议中，除没有f a 外，其他的都和m i p v 4 相同。由于m i p v 6 可以通过自己的邻居发现机制和地址自动重配置等方式获得 c o a ，所以不需要外地代理的支持( 3 1 。m i p v 4 和m i p v 6 的切换过程分别如图2 5 和 图2 6 所示。 m no a rh an a rf ac n - 一一 一广播代理公告消息一 一一- i 煮求获得转交地址一一 一一家乡代理注册 家乡代理注册应答一 圣r 皇二p m注册应答 一 一一；j 口、7i 、t l i h 隧 道 一 1r 1r1r 图2 5 m i p v 4 切换过程 图2 6 m i p v 6 切换过程 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章u m t s w l a n 异构网络结构与切换概述 ( 2 ) m s c t p 切换技术 m s c t p 协议是在基本s c t p 协议上增加动态地址重配置( d a r ) 的扩展协议。 将这个d a r 扩展与基本s c t p 协议的多家乡性相结合，可以完成端到端的移动性 支持。d a r 扩展提供了对正在通信的s c t p 关联进行i p 地址重配置的方法。这些 方法包括向关联中添加可用的m 地址、删除不可用的i p 地址和重新设置主通信i p 地址。在d a r 扩展中，以新加的两种控制类消息实现以上几种方法【5 】，分别为 a s c o n f ( a d d r e s sc o n f i g u r a t i o nc h a n g ec h u n k ) 和a s c o n f a c k ( a d d r e s s c o n f i g u r a t i o na c k n o w l e d g m e n t ) 。发送a s c o n f 控制消息的时候，可以指定发送参 数用来说明是发送的哪种消息；有三个与d a r 相关的参数，分别为s e tp r i m a r y a d d r e s s 、a d di pa d d r e s s 和d e l e t ei pa d