（通信与信息系统专业论文）升空平台通信系统移动性管理研究.pdf

摘要 摘要 升空平台通信系统是我国空基信息系统的重要组成部分，并且有可能成为继 地面移动通信系统和卫星通信系统之后的第三个无线通信系统，是地面信息高速 公路向空间、固定终端向移动终端的延伸。它综合了地面无线系统和卫星系统的 技术优点，具有广覆盖、低延时和低路径损耗、系统造价和运行成本低的优势， 非常适合于应急通信。 移动性管理能够实现升空平台通信系统对用户定位、用户位置查询以及当用 户移动到新升空平台时保持通信连接。移动性管理包括位置管理和切换管理。其 中，位置管理主要实现用户位置登记、更新以便于用户在呼叫另一用户时可以快 速查询到被叫用户的位置信息；切换是升空平台通信系统最复杂和最重要的过程。 切换管理就是要确保用户从一个平台移动到另一平台时通信的接续性。它使用户 在任何时候、任何地方都能得到在线连接和服务，是实现无缝漫游的重要机制。 在进行移动性管理研究时，考虑到升空平台通信系统的自身特点和诸多限制， 目前地面网络和卫星网采用的移动性管理方法无法直接被它采用，因而需要研究 与设计适用于升空平台通信系统的移动性管理策略。在本论文中，我们引入一种 基于s i p 协议的应用层移动性管理方案。本论文首先研究了基于s i p 协议的升空平 台通信系统的位置管理，期望通过位置管理能实现用户的定位和查询；同时本论 文还研究了基于s i p 协议的升空平台通信系统的切换管理，针对当用户远离归属 平台，进行跨平台切换时长时延、大开销的问题，提出了一种在新旧接入升空平 台之间共享用户状态信息的优化切换方案，降低了用户移动切换时重新会话邀请 与重新注册的时延，减少了网络切换时的开销，优化网络的综合性能。 本论文采用o p n e t 仿真工具建立系统仿真模型，搭建了升空平台通信系统仿 真平台，然后将上述的移动性管理机制进行了仿真实现。通过得出的一系列的仿 真输出数据和曲线，证明了本论文所设计的移动性管理机制达到了设计目标，是 一种对升空平台通信系统进行移动性管理的有效方案，为实际系统的设计和规划 提供了参考模型和参考数据。 关键词：升空平台，移动性管理，s i p 协议，o p n e t 仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eh i 曲a t t i t u d ep l a t f o r ms t a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sa ni m p o r t a n t c o m p o n e n to ft h es p a c e - b a s e di n f o r m a t i o ns y s t e m ，a n di tm a yb e c o m et h e 曲r d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma f t e rt h eg r o u n dc o m m u n i c a t i o n ss y s t e ma n ds a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ，i ti st h ei n f o r m a t i o ns u p e r h i g h w a yg r o u n dt o s p a c e ，f i x e d t e r m i n a l st ot h ee x t e n s i o no fm o b i l et e r m i n a l s i ts y n t h e s i z e dt h et e c h n i c a ls u p e r i o r i t yo f t h eg r o u n dw i r e l e s ss y s t e ma n ds a t e l l i t es y s t e m ，s u c ha sb r o a dc o v e r , t h el o wt i m ed e l a y , t h el o wp a t hl o s sa n dt h el o ws y s t e mc o n s t r u c t i o nc o s ta n dt h er u nc o s t s oi ti sv e r y s u i t a b l ei ne m e r g e n c yc o m m u n i c a t i o n m o b i l i t ym a n a g e m e n tc a nm a k et h en e t w o r kt ol o c a t em o b i l eu s e r sa n dr e s e r v et h e c o n n e c t i o nb e t w e e nt h en e t w o r ka n dt h em o b i l eu s e r sw h e nt h eu s e r sm o v e dt oan e w a r e a s i ti n c l u d e s l o c a t i o nm a n a g e m e n ta n dh a n d o v e rm a n a g e m e n t a n dt h el o c a t i o n m a n a g e m e n tm a i n l yr e a l i z e st h eu s e rl o c a t i o nr e g i s t r a t i o na n dt h el o c a t i o nr e n e w a l ，s o t h a tw h e nt h eu e s rc a l l sa n o t h e ru s e r , i tc a nb ep o s s i b l ef a s tq u e r yt h ec a l l e du s e r s p o s i t i o n a li n f o r m a t i o np r o m p t l yt h eh a n d o v e ri sm o s tc o m p l e xa n dt h em o s ti m p o r t a n t p r o c e s sf o rt h eh i g ha t t i t u d ep l a t f o r ms t a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h eg o a lo f h a n d o v e rm a n a g e m e n ti st op r o v i d eas e a m l e s sc o n n e c t i o nw h e nt h em o b i l et e r m i n a l s m o v ef r o mo n ea r e at oa n o t h e rw h i l et h e ya r ec o m m u n i c a t i n g t h r o u g hh a n d o v e r m a n a g e m e n t ，t h em o b i l et e r m i n a l sc a ng e tt h eo n - l i n ec o n n e c t i o na n ds e r v i c e ss oa st o r e a l i z et h es e a m l e s sr o a m i n g w h e nc o n s i d e r e dt h eh i 曲a t t i t u d ep l a t f o r ms t a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m so w n c h a r a c t e r i s t i ca n dm a n yl i m i t s t h em o b i l i t ym a n a g e m e n tm e t h o da tp r e s e n tu s e di nt h e g r o u n dn e t w o r ka n dt h es a t e l l i t en e t w o r ki su n a b l et ou s ed i r e c t l yb yi t t h u sn e e d st o s t u d ya n dt od e s i g nas u i t a b l em o b i l i t ym a n a g e m e n tm e t h o df o rt h eh i 曲a t t i t u d e p l a t f o r ms t a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt h e p r e s e n tp a p e r , w ei n t r o d u c eo n e m o b i l i t ym a n a g e m e n ts t r a t e g yb a s e do nt h es i pp r o t o c o li nt h ea p p l i c a t i o nl a y e r t h e p r e s e n tp a p e rm a i n l yr e s e a r c ht h el o c a t i o nm a n a g e m e n tb a s e do nt h es i pp r o t o c o l ，a n d e x p e c t e dt h a tc a nr e a l i z eu s e r t sl o c a l i z a t i o na n dq u e r yt h eu s e rq u i c k l y s i m u l t a n e o u s l y w eh a v ea l s os t u d i e dt h eh a n d o v e rm a n a g e m e n t w h e nt h eu s e ri sf a ra w a yf r o mt h e p l a t f o r m ，i tm a yl o n gl a t e n c ya n dg r e a te x p e n s e sw h e nt h eu s e rh a n d o v e rf r o mo n e i i a b s t r a c t p l a t f o r mt oa n o t h e r f o rt h i sc a s e ，i nt h i sp a p e ras o l u t i o ni si n t r o d u c e dt h a tr e d u c e st h e h a n d o v e rd e l a yb ys h a r i n gt h er e g i s t r a t i o ni n f o r m a t i o na n dc a l ls t a t e sb e t w e e nt h en e w p l a t f o r ma n do l do n e i tc a nr e d u c et h ed e l a ya n dt h en e t w o r ke x p e n s e s ，a n dc a l l o p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r k i nt h i sa r t i c l e ，t h es i m u l a t i o nm o d e l sa r eb u i l ti nt h eo p n e ts i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t a n dt h em o b i l i t ym a n a g e m e n tm e c h a n i s mi sr e a l i z e db a s e do nt h eb a s i cf l o o rib u i t a c c o r d i n gt oas e r i e so fs i m u l a t i o nd a t aa n dc u r v e sp r o d u c e di nt h es c e n a r i o ，i ti s p r o v e dt h a tt h i sm o b i l i t ym a n a g e m e n tm e c h a n i s mh a sa c h i e v e dt h ed e s i g ng o a la n di s e f f e c t i v et or e a l i z et h es e a m l e s sh a n d o v e r ，n l i sm o b i l i t ym a n a g e m e n tm e c h a n i s ma l s o p r o v i d e sar e f e r e n c em o d e la n dar e f e r e n c ed a t af o rt h ed e s i g na n dl a y o u to ft h e p r a c t i c a ls y s t e m k e y w o r d s ：h i 曲a t t i t u d ep l a t f o r ms t a t i o n ，m o b i l i t ym a n a g e m e n t ，s i pp r o t o c o l ， o p n e ts i m u l m i o n i i i 图目录 图目录 图2 1g s m 的切换过程图9 图2 2 移动d 的工作过程图。1 l 图2 3s p 体系结构图。1 4 图2 4 会话前移动15 图2 5 会话中移动。1 6 图3 1 升空平台通信系统结构图2 0 图3 2 升空平台通信系统体系结构图2 l 图3 3 升空平台通信系统移动性管理模型2 2 图3 - 4s i p 服务器功能模型2 3 图3 5 用户终端注册流程图3 1 图3 - 6 用户终端重注册流程图3 3 图3 - 7 用户会话建立过程图3 4 图3 8 会话建立信令流程图3 5 图3 - 9 用户终端跨平台移动模型图3 7 图3 1 0 用户终端跨平台切换流程图一3 9 图3 1 1 改进的r ei n v 玎e 流程图4 1 图3 1 2 优化切换方案流程图一4 2 图3 1 3 用户终端处理平台广播消息流程图。4 3 图3 1 4h a p s 处理注册请求消息流程图4 4 图3 1 5 归属h a p s 处理用户重注册消息的流程图。4 5 图3 1 6 旧h a p s 收到新h a p s 的用户信息查询请求的处理流程图一4 6 图3 一1 7 新h a p s 接收到用户重注册信息的处理流程图4 7 图4 1 仿真场景图4 8 图4 - 2 用户功能模块介绍5 1 v i 图目录 图4 3s r c 模块状态转移图5 2 图4 4r e c e i v e rs i n k 模块功能介绍5 2 图4 5m a n a g e m e n t 模块功能介绍5 3 图4 - 6s i p模块状态转移图。5 4 图4 - 7 用户_ u a 对i n v n l e 响应的处理流程图5 6 图4 8p k t _ p r o c e s s 模块状态转移图5 7 图4 - 9m o b i l e 模块状态转移图5 8 图4 1 0 平台功能模块图5 9 图4 ，11p r o c e s s 模块状态转移图一5 9 图4 1 2p r o x y 模块状态转变图6 1 图4 1 3p r o x y 处理i n v i t e 请求的流程图。6 4 图4 1 4h s s 功能模块6 6 图4 15h s sp r o c e s s 模块状态转移图6 6 图4 1 6h s s 模块状态转移图6 7 图4 1 7h s s 处理用户注册位置更新分组的流程图。6 8 图4 1 8h s s 处理查询用户分组流程图6 9 图5 1 系统位置管理仿真网络拓扑结构图7 6 图5 2 用户不同速度运动下位置更新次数对比图7 9 图5 3 用户不同速度运动下会话建立的延时对比图8 0 图5 _ 4 用户不同速度运动下呼叫成功率对比图8 l 图5 5 系统切换管理仿真网络拓扑结构图8 2 图5 - 6 采用优化方案前后切换延时对比图8 5 图5 7 采用优化方案前后传输信令总量对比图8 6 图5 8 采用优化方案前后会话重建成功率对比图8 7 v 表目录 表目录 表2 1 各层移动性管理机制综合比较18 表3 1 升空平台中归属用户注册信息维护表2 9 表3 2 升空平台中拜访用户连接状态表3 0 表3 3h s s 数据库结构3 0 表4 1p r o x y 模块状态转移表6 l 表4 1b r o a d c a s t 分组格式7 0 表4 2r e g i s t e r 消息分组格式7 0 表4 3r er e g i s t e r 分组格式71 表4 4 用户位置更新请求l o c a t i o n 分组格式71updata 表4 52 0 0o k 分组格式7 l 表4 6l o c a t i o n u p d a t a r e s p 分组格式7 2 表4 7i n v i t e 请求分组格式7 2 表4 8i n v i t er e s p 的分组格式7 2 表4 9 被叫用户返回的会话邀请响应的分组格式7 2 表4 1 0d a i a 分组格式7 3 表4 1 1 位置查询h s sq u e r y 消息分组格式7 3 表4 1 2 位置查询h s s _ q u c r y _ r c s p 响应消息分组格式7 3 表4 1 3 用户状态查询l i ei n f or c q 请求分组格式7 4 表4 1 4 用户状态查询u ei n f oy e s p 响应分组格式一7 4 v i i l 缩略词表 缩略词表 在论文中用到的主要英文缩写及其全称列表如下： h a p s i m s s i p p c s c f i c s c f s c s c f h s s u e c n c a n c o a u a h i g ha t t i t u d ep l a t f o r ms t a t i o n i pm u t i m e d i as y s t e m s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c o l p r o x y - c a l l s e s s i o nc o n t r o l f u n c t i o n i n t e r r o g a t i n g - c a u s e s s i o n c o n t r o lf u n c t i o n s e r v i n g - c a l l s e s s i o n c o n t r o l f u n c t i o n h o m es u b s c r i b e rs e v e r u s e re q u i p m e n t c o r r e s p o n d i n gn o d e a i r b o r n ec o m m u n i c a t i o nn o d e c a l eo f a d d r e s s u s e ra g e n t 升空平台 i p 多媒体子系统 会话初始化协议 代理呼叫会话控制功能 查询呼叫会话控制功能 服务呼叫会话控制功能 归属签约用户服务器 用户终端 通信对端节点 机载通信节点 转交地址 用户代理 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：蒸主垒日期：功蟋年f 月孑日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：藉栝 导师签名 日期：柳8 年 第一章引言 第一章引言 升空平台( h a l s ：h i g ha t t i t u d ep l a t f o r ms t a t i o n ) 【l 】【2 1 通信系统是一种位于平 流层的无线基站，通过位于2 0 k m - - - 5 0 k m 高空的电台向地面用户提供固定和移动 业务，是一种良好的具有潜在应用价值的无线接入手段。升空平台通信系统的出 现被认为是通信领域的一种革命性交革，它既可作为空基信息系统的重要组成部 分，也是继地面移动通信系统和卫星通信系统之后的第三个无线通信系统，为地 面信息高速公路向空间、固定终端向移动终端的延伸提供了手段。 移动性是当代通信领域内发展最迅速、潜力最大、市场前景最广、最引人瞩 目的热点技术，也是最活跃的领域之一【3 】。移动性是升空平台通信系统的一个重要 特性，因此升空平台系统中的移动性管理技术已经成为一个重要而且必需的研究 领域。 本章主要介绍了升空平台通信系统的特点、研究背景以及国内外研究情况， 以及目前移动性管理的研究现状，最后介绍了本文的章节内容。 1 1 升空平台通信系统特点 网络特点 升空平台通信系统最大的特点是用户移动性。与固定网络相比，移动性的特 点带来了很多限制： 1 与固定网络设备相比，移动设备是资源受限的一种设备。移动设备有 运算能力、内存容量等限制，无线链路也有许多噪音、接口层和带宽限制。 2 移动性存在着固有的不安全因素。无线链路一般都是一对多的通信， 所以通信第三方也可能很容易收到同样的消息。网络存在更大的不安全性。 3 移动连通性在性能和可靠性上是高度可变的。 4 移动设备依靠的是有限的能源。移动设备使用的是电池电源，有限的 电源资源给网络的优化设计带来更多的挑战。 堕兰型垫盔堂堡堂垡笙壅 业务特点 未来移动通信网将是全i p 网络，它的业务将是传统移动业务与传统因特网业 务的结合与延伸，其中主要部分是实时多媒体业务【4 1 。为了适应下一代移动需要， 升空平台通信系统将在以下方面取得进展。首先，升空平台通信系统将具有提供 巨大的多媒体业务处理能力，使移动用户可以进行各种内容的通信；其二、将支 持先进的移动性管理和无缝服务，使人们可以随时随地的相互通信；其三、将支 持多种无线接入，使人们可以采用任何方式彼此通信；因此，为了适合下一代移 动通信网的全i p 开放架构，升空平台通信系统将广泛支持多种通信业务，如数据、 语音、视频等，能为人们提供更加丰富的个性化服务。 基于以上几点要求，升空平台通信系统借鉴i m s 的思想，实现网络融合、业 务融合和接入无关性；升空平台通信系统采用基于全口承载的i m s 框架体系结构， 用户终端采用无线接入方法，用户终端在系统中可以随意移动，平台之间可以进 行组网应用。i m s 提供了很好的网络架构，有很强的适应性和扩展能力，实现了 业务与控制的分离，控制与承载的分离，采用分层的全开放网络，具有独立的模 块化结构，采用i m s 的架构体系保证了升空平台通信系统在未来的通信领域中的 业务扩展能力和业务提供能力，为通信的发展提供了丰富的业务和广阔的发展空 间。在i m s 体系结构中，采用了s i p 协议。 1 2 研究需求及研究现状 1 2 1 研究需求 升空平台通信系统最突出的特点是：平流层广覆盖、低延时和低路径损耗、 系统造价和运行成本低的优势，为通信提供大容量“动中通 话音、数据和多媒 体业务，为高动态用户业务提供可靠、低延时通信保证，为地面网络用户提供路 由中继手段。随着通信技术和高空平台技术的不断进步与发展，升空平台通信系 统将会在未来的通信中发挥重要作用。积极开展高空平台与有关信息系统的研究， 有助于我国在通信事业上与国际先进技术保持同步，为通信事业开拓一个新的领 域，因此现在启动本项目进行研究是及时的、必要的。 移动性管理是升空平台通信系统中使移动用户终端享受各种服务的核心技 术，也是升空平台通信系统研究中最重要的难题之一，是自动支持移动用户终端 2 第一章引言 漫游而不中断通信的基础技术，对升空平台通信系统的性能、最终付诸运营有重 要意义。移动性管理包含两个明显不同但相互关联的部分：位置管理和切换管理。 随着通信、计算机技术的发展，移动性管理模型将得到进一步完善，新型的移动 性管理功能将逐步添加到升空平台通信系统中去。系统移动性管理功能随着系统 的实现，也将逐步完善和优化。升空平台通信系统具有它不同于其他通信网络的 特点，而当前的移动性管理机制并不能适应这种要求。为了在升空平台通信系统 中实现更好的移动性支持，专门为它设计一种移动性管理方案是必需的，也是非 常重要的。 1 2 2 研究现状 近年来，随着动力、材料和无线技术的发展，使升空平台通信系统的信息技 术实现成为可能，越来越多地引起了世界诸国的高度重视。美国、日本、欧盟、 以色列等已经开始了较深入的研究开发工作。其中美国和日本的研发工作走在最 前列。美国、欧洲和日本等国家的民用系统已经开始对h a p s 系统进行深入研究， 并开展了一些试验。目前h a p s 的种类主要包括气球、飞艇和高空飞机等【5 1 。 国内在升空平台通信系统方面已经做了一些前期研究和跟踪，也进行了平流 层通信的概念性演示，实现了地面实时观测、图像实时下载、移动多媒体电视会 议及移动因特网接入等。但我国尚未提出平流层升空平台通信技术规范，在通信 体制选择、频带选择、在平流层组网、接入、中继传输和利用升空平台作为传输 系统将各种通信网络互联等许多方面需要深入研究。总的说来，我国的平流层通 信的研究与国外先进水平有明显差距。我国在升空平台通信系统研究方面还相当 薄弱，需要对升空平台通信系统的网络结构、通信实现、用户的移动性管理等方 面做大量研究。 移动性管理有多种分类方式【6 】，从研究的目的和需要可以从多种角度加以区 分：链路层移动性、网络层移动、应用层移动。 传统的移动通信网对移动性支持主要体现在物理层和链路层上，包括位置管 理、切换管理、漫游支持等【刀。一般情况下，我们用网络层移动性管理协议以及传 统的链路层的机制来处理终端移动性。如目前仍在使用的2 g ( 以g s m 为代表) 中， 移动性管理是通过h l r v l r ( 本地位置寄存器访问位置寄存器) 结构实现的。 近年来，有大量文献和标准组织研究基于全i p 网络的移动性管理解决方案， 皇量型垫奎堂堕主堂垡堡塞 在这些研究中，网络层移动性管理是研究的重点。在众多支持网络层移动性管理 的协议中，受到普遍关注的是由i e t f 定义的移动i p ( m o b i l ei p ) 【8 】。m i p 是近年来 提出的在网络层支持终端移动性的协议，它正开始被用于第三代移动通信系统中， 提供数据通信的终端移动性。m i p 现有m i p v 4 9 】和m i p v 6 1 0 】分别对应i p v 4 和i p v 6 环境。但是移动i p 存在以下缺点【】：( 1 ) m n 向h a 注册新的c o a 消息时间延迟很 大，造成m i p 不能实现快速切换；( 2 ) 由于切换过程中位置登记过程长，分组丢失 大，不能实现无缝切换；( 3 ) 信令负荷太高，尤其是频繁移动的m y ；( 4 ) 每次切换， 获得个新的c o a 都会触发h a 与f a 之间新的q o s 预留。 为了满足未来网络的业务需求，3 g p pr 5 r 6 版本中定义yi m s t l 2 】【1 3 】系统结构。 i m s 中采用应用层会话协议s p 协议【1 4 】【1 5 】，可以很好地提供对移动性的支持， 支持用户终端漫游和业务可携带性( 又称业务移动性) 。基于s i p 协议的移动性管理 是应用层移动性管理。由于应用层在协议栈的最高层，避免了网络层和传输层移 动管理协议所涉及到的缺点( 如协议栈修改等) 。在下一代混合无线网络中将非常有 用。从原则上来说，s i p 是一种应用层的多媒体信令协议。对于个人来说，会话和 服务的移动性很大程度上是应用层的服务。s i p 协议是作为实时多媒体呼叫的信令 协议而被发展起来的，可以完成个人移动性、会话移动性和服务移动性。它的主 要思想是在用户终端移动到新的位置时，重新产生新的会话连接来支持移动性。 近年来，有大量文献研究基于s i p 协议及其扩展的移动性管理方案。在应用层采用 s i p 提供i p 移动性，成为网络层移动性的一种可选替代方案。 1 3 研究目的和任务 在一个升空平台通信系统中，由于动态的拓扑结构、变化的信道特征，以及 采用无线i p 作为其基本的传输技术，使其与有线环境下的通信网络相比，可靠性和 安全性能降低，在实现i t u 定义的移动性管理功能时有其自身的特点，从而在系 统移动性管理方面存在一些新的挑战。因为升空平台通信系统并不同于传统的地 面网络或者卫星网络，所以，传统的适应于地面网络或卫星网的移动性管理技术 并不能直接应用于升空平台网络中。 本文在对目前各种移动性管理方案进行分析对比的基础上，结合升空平台通 信系统的特点，提出了采用基于s i p 协议的应用层参与的移动性管理方案。并在对 s i p 协议及s i p 协议支持移动性的原理进行分析和研究的基础上，设计了一个基于 4 第一章引言 s i p 协议的升空平台通信系统，采用模块化的思想阐述了系统中基于s i p 协议的移动 性管理设计方法。 本文详细叙述了在升空平台通信系统中，采用s i p 协议进行移动性管理的整 个设计思想与流程，最后搭建了升空平台通信系统简化以后的整个网络场景；实 现系统中各个构成部分之间的通信链路建立，包括用户与升空平台，升空平台之 间以及升空平台与h s s 数据库之间的通信链路，为整个系统的正常运行提供前提 和保证；实现了升空平台通信系统基于s i p 协议的用户移动性管理的方案，包括 用户数据库的设计，用户终端位置登记，用户终端位置删除，用户终端位置更新， 用户终端查找寻呼，用户终端之间数据传输等方面，以保证系统中各用户终端之 间能够正常的实现通信。同时，针对用户终端在跨平台切换长时延、大开销的不 足，本文提出了一种共享用户终端状态信息的优化切换方案，并搭建仿真场景进 行仿真实现。 1 4 论文总体安排 论文内容安排本文各章节的内容安排如下： 第一章引入升空平台通信系统以及移动性管理技术的研究背景、国内外的发 展现状以及研究需求，最后提出了本文研究任务和目标； 第二章对比现存的各种移动性管理方案，分析了各移动性管理方案应用于升 空平台通信系统中的局限性，最后基于升空平台通信系统特点，提出在升空平台 通信系统中采用基于s i p 协议的移动性管理策略，并介绍了s i p 协议； 第三章在介绍了升空平台通信系统的网络结构以及系统特征的基础上，提出 了一套基于该网络环境的移动用户移动性管理策略，并详细介绍了升空平台通信 系统中位置管理、切换管理策略的设计思想，其中包括用户位置登记、位置更新、 用户寻呼查询的过程以及用户移动、发生切换时的切换管理过程；同时针对用户 跨平台切换长时延、大开销的问题，提出了一种在新旧接入平台之间共享用户状 态信息的优化切换方案。最后，给出了一些主要的实现流程图； 第四章首先介绍了在o p n e t 网络仿真系统中，如何搭建本文所需的仿真平 台，给出在该仿真平台下各个模块的功能以及建模实现，并给出了主要数据分组 的格式设计： 5 电子科技大学硕士学位论文 第五章介绍了在搭建好的o p n e t 仿真平台基础上对前面介绍的基于s i p 协议 的升空平台通信系统的移动性管理方案进行仿真，得出仿真数据，并分析仿真数 据。从功能和性能两方面验证方案的可行性。 第六章对全文的工作进行总结，指出存在的不足以及下一步的工作目标。 最后列出了本论文所引用的参考文献。 6 第二章升空平台通信系统的移动性管理概述 第二章升空平台通信系统的移动性管理概述 2 1 移动性管理概述 所谓移动性管理【1 6 】是在移动节点的标识( 节点名) 及其地址( 节点相对网络结构 的位置) 间提供时变映射，是一种支持漫游用户到达一个新的服务区去接受服务的 基本技术。这些网络可以是i n t e r n e t 、i n t r a n e t 、a dh o c 网络、p c s ( 个人通信系统) 或者其混合的任何形式。其主要功能是在整个服务网络内有效支持用户、设备和 服务的移动漫游【l7 】。 移动性管理是移动通信领域的一个具有挑战性的问题，它主要包括：位置管 理和切换管理【1 8 】。 位置管理的目的是使网络能发现移动终端的接入点，以便传递呼叫。位置管 理包括位置登记和呼叫查询两个过程【1 9 1 。位置登记，又称为位置更新，是指移动 用户终端周期性向网络报告其所在的接入点，以便网络对其进行鉴权并更新数据 库中用户的位置记录。呼叫查询，即当有呼叫时，网络查询数据库中用户的位置 记录，寻呼移动终端。位置管理是一个两步过程，目的是为了使得网络发现移动 用户当前的接入点以便进行呼叫传送。第一步是位置登记，移动终端周期性报告 自己的接入点，让网络对用户进行鉴别并修改用户位置文件。第二步是位置寻呼， 网络对用户位置文件进行查询，并找到移动终端的当前位置。 切换管型2 0 】就是在移动中通过控制接入点的改变来保持连通性。目前切换主 要研究方向是保证通信的q o s 要求，做到快速切换、无缝切换，保证路由的有效 性，提高切换的性能和速度。 移动性管理协议【2 l 】可以在不同的层进行实现，根据实现的层次不同，可以分 为如下几类： 1 链路层移动性在同一网络接入点、不同链路层技术之间移动； 2 网络层移动性在不同网络接入点之间的移动： 3 应用层移动性包括终端移动、会话移动、个人移动、业务移动。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 2 目前存在的几种移动性管理方案 目前解决全网中的移动问题是个非常热门的研究课题，全世界众多的技术研 究人员提出了多种解决方案，这些方案按照解决问题的层次不同，可以分为以下 几个方面，下面将分析各种移动性管理方案，最后得出适合升空平台通信系统的 移动性管理策略。 2 2 1 链路层移动性管理的解决方案 2 g 2 5 g 移动通信网对移动性支持主要体现在物理层和链路层上，包括位置管 理、切换管理、漫游支持等。其中，最具代表性的是g s m 2 2 1 移动网的移动性管理。 下面以g s m 网络为代表介绍。 2 2 1 1g s m 中的移动性管理机制 g s m 系统中的移动性管理是应用于蜂窝移动通讯网络的一项关键技术，其主 要目的是保证移动终端在进行了区域规划的通讯网络中有效可靠的通讯。移动性 管理主要包括位置管理和切换管理两方面。移动终端和用户的鉴权和识别是通过 m a p ( m o b i l ea p p l i c a t i o np a r t ) 信息把他们的位置信息登记到位置管理寄存器( h o m e l o c a t i o nr e 西s t e r s ) 中。访问位置寄存器( v l r ) 存储了本地的用户信息。当一个移动 终端移动到新的位置区域( 一般来说是另一个蜂窝小区) 的时候，它将更新它的位置 信息。 g s m 中，位置信息存放在m s ( s i m 卡) ，v l r 和h l r 中。h l r 记录v l r ， 不记录定位区，其数据库记录了v l r 号和其下m s 的i m s i ( 移动台进行注册时，h l r 需要用此进行鉴权) ；v l r 记录定位区，其数据库记录了l a i 和其下m s 的i m s i 、 t m s i ；m s 的数据库记录了i m s i 、t m s i 和l a i 。g s m 中主要采用周期性位置更 新和穿过位置区时位置更新相接合的方法，有三种位置更新程序：用i m s i ( 雪际移 动用户识别号) 的v l r 间的位置更新，用t m s i ( i 临时移动用户识别号) 的v l r 间的 位置更新，v l r 内位置更新。在位置更新过程中，移动台处于不能被呼叫的状态。 g s m 中的切换过程主要包括以下几步： 越区切换的判断和启动：移动台将当前信道和相邻小区的测量数据送往 b t s ；由b s c 根据滞后边际和门限相结合的相对信号强度来启动切换： 通过一个越区切换的发布消息，移动用户终端在新的v l r 中登记； 第二章升空平台通信系统的移动性管理概述 新的v l r 为了获得用户概况或为了身份验证与h l r 进行通信； h l r 用移动台的鉴权来响应新的v l r ； h l r 发送一个消息给旧的v l r ； 旧的v l r 刷新自己，将移动终端从它的列表中删除。 上述切换过程如下图2 1 所示： 的 图2 1g s m 的切换过程图 2 2 1 2g s m 中的移动性管理在升空平台通信系统中的局限性 单纯的链路层移动性管理方案存在着很大的局限性。首先，根据数据链路层 的定义，数据链路层的解决方案只能在一种媒介内提供节点的移动性。所以当主 机发生不同网络的切换时，数据链路层的解决方案就无能为力了。其次，数据链 路层方案只能在一定的地理范围内提供移动性，一旦主机离开了此范围，移动性 将不被支持。这种方案的缺陷在于： 1 ) 只能够在一种物理媒介内提供节点的移动性支持； 2 1 只提供漫游能力； 3 ) 只能够在一定的物理范围内提供移动性支持。 由于升空平台系统中移动用户与升空平台接入点之间的结构与g s m 网络结构 相似，所以可以借鉴g s m 中的位置管理思想。但同时，由于g s m 中的基站( b s ) 是静止在地面的，而升空平台系统中的无线接入点是在高空，而且在升空平台系 统中，没有蜂窝小区的概念，用户采用身份标识、接入平台和归属平台标识来确 电子科技大学硕士学位论文 定位置信息。所以升空平台通信系统中的位置数据库的设置较g s m 而言又有自己 的特点。 因为纯链路层所支持的移动性管理只适用于用户的微移动性，因此，宏移动 性的支持只有使用i p 层以及m 层以上的方案。所以，在此我们并不详细讨论链路 层移动性管理。 2 2 2 网络层移动性管理的解决方案 随着无线技术与i n t e m e t 的发展，用户在异构网络之间的移动与对数据业务的 需求，这些都需要网络层参与支持移动性，而全i