（通信与信息系统专业论文）umtswlan网络的垂直切换管理研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 今天的无线用户越来越期待伟大的事情从明天的无线网络发生。这些期待已经 引发人们关于下一代无线网络的炒作。无线用户数量的快速增长促使任何时间，任 何地点以及任何媒质的服务质量成为必须。在众多无线接入网络中，u m t s 和w l a n 各自互补的固有网络性能决定了二者的融合将满足无线用户日益增长的服务质量要 求。 m i p v 6 作为下一代无线网络基础协议i p v 6 的一部分，已经被引入到各种无线接 入网络互联方案中。基于m i p v 6 的u m t s w l a n 网络松耦合互联方案组网灵活，实 现简单，不需要对现有网络升级改造，可直接融合。但是，由于i p v 6 协议自身的缺 陷会引起较大的切换时延，尤其不利于时延和丢包率要求严格的实时业务的切换。 为此，旨在实现无线用户在异构网络间无缝漫游的研究工作已成为当今移动性管理 课题的热点。 在异构网络中，切换涉及水平切换与垂直切换。本文重点分析了异构网络垂直 切换的三个步骤：切换触发、切换判决和切换执行，并详细描述了移动终端在 u m t s w l a n 网络间垂直切换的流程。衡量垂直切换对异构网络通信性能影响的主 要指标是切换时延和丢包率，而切换时延很大程度上决定了切换过程中的丢包数目， 为此，文章重点讨论了移动终端在u m t s w 州网络间垂直切换的时延构成，主要 是链路层时延和网络层时延。 基于n s 2 仿真平台模拟移动终端在u m t s 。w l a n 环境下的垂直切换过程证明， 在现行的m i p v 6 移动性管理协议下，较大的垂直切换时延在所难免。为此，本文提 出一种基于r a 缓存的c o a 快速获取优化方案，可以使移动终端在链路层连接完成时 立刻从无线网络接入点获取r a 消息，不需要再进行移动检测就能够直接形成新的 c o a ，避免了r s r a 信令交互时延。该方案在链路层切换完成时立刻进行网络层切 换，从而加快了移动终端的垂直切换进程，因而相应地减少了垂直切换过程中的丢 包。 关键词：异构网络，垂直切换，m i p v 6 ，时延，丢包率 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 t o d a y sw i r e l e s su s e r se x p e c tg r e a tt h i n g sf r o mt o m o r r o w sw i r e l e s sn e t w o r k s t h e s ee x p e c t a t i o n sh a v eb e e nf u e l e db yh y p ea b o u tt h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sn e t w o r k s t h er a p i di n c r e a s eo fw i r e l e s ss u b s c r i b e r si n c r e a s e st h eq u a l i t yo fs e r v i c e sa n y t i m e ， a n y w h e r e ，a n db ya n y m e d i ab e c o m i n gi n d i s p e n s a b l e a m o n gt h em a n yw i r e l e s sn e t w o r k s ，t h ei n t e g r a t i o no fu m t sa n dw l a n ，w h i c h c o m p l e m e n t se a c ho t h e rb yt h e i ri n h e r e n tn e t w o r kp e r f o r m a n c e s ， c a ns a t i s f yt h e i n c r e a s i n gq u a l i t yo fs e r v i c er e q u i r e m e n t so fw i r e l e s su s e r s m o b i l ei p v 6 ，a sp a r to ft h e b a s i c p r o t o c o l o ft h en e x t g e n e r a t i o nw i r e l e s sn e t w o r k s - 一i p v 6 ，h a sa l r e a d y b e e n i n t r o d u c e dt oi n t e r - c o n n e c t i o ns c h e m e so ft h ev a r i e t yo fw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k t h e m o b i l ei p v 6b a s e dl o o s ec o u p l e di n t e r - c o n n e c t i o ns c h e m eo fu m t s - w l a ni sf l e x i b l e ， s i m p l e ，a n dd o e sn o tr e q u i r eu p g r a d i n go ft h ee x i s t i n gn e t w o r k , t h a ti st os a y ，u m t sa n d w l a nc a nb ed i r e c t l yi n t e g r a t e d h o w e v e r ，b e c a u s eo fi t so w ns h o r t c o m i n g s ，i p v 6 p r o t o c o lw o u l db r i n gi nl a r g e rh a n d o v e rd e l a y ，w h i c hi se s p e c i a l l yh a r m f u lt od e l a ya n d p a c k e tl o s sr a t ed e m a n d i n gr e a l t i m eb u s i n e s sh a n d o v e r s f o rt h i sp u r p o s e ，r e s e a r c h e s a i m e da ta c h i e v i n gw i r e l e s su s e r si nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k sw i t hs e a m l e s sr o a m i n gh a v e b e c o m eah o tt o p i co f t o d a y sm o b i l i t ym a n a g e m e n tw o r k i nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s ，b o t hh o r i z o n t a lh a n d o v e ra n dv e r t i c a lh a n d o v e ra r e i n v o l v e d t h ep a p e ra n a l y s e st h et h r e es t e p sf o rv e r t i c a lh a n d o v e ra c r o s sh e t e r o g e n e o u s n e t w o r k s ：h a n d o v e rt r i g g e r i n g ，h a n d o v e rd e c i s i o na n dh a n d o v e ri m p l e m e n t a t i o n ，a n da d e t a i l e dd e s c r i p t i o no fv e r t i c a lh a n d o v e rf l o wi sm a d ef o rm o b i l et e r m i n a l sr o a m i n g a c r o s st h eu m t s w l a nn e t w o r k s t h em a i ni n d i c a t o r so fv e r t i c a lh a n d o v e rf o r m e a s u r i n gc o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c ei nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r ka r eh a n d o v e rd e l a ya n d p a c k e tl o s sr a t e ，a n dh a n d o v e rd e l a yl a r g e l yd e t e r m i n e st h en u m b e ro fp a c k e tl o s si nt h e p r o c e s so fv e r t i c a lh a n d o v e r t h u s ，t h ea r t i c l ef o c u s e so nd i s c u s s i n gt h ec o n s t i t u t i o no f v e r t i c a lh a n d o v e rd e l a yf o rm o b i l et e r m i n a l sr o a m i n ga c r o s su m t s - w l a nn e t w o r k s ， t h a ti st h el i n kl a y e rd e l a ya n dt h en e t w o r kl a y e rd e l a y b a s i n go nt h en e t w o r ks i m u l a t o r ( n s 一2 ) ，s i m u l a t i o no fv e r t i c a lh a n d o v e rp r o c e s so f m o b i l et e r m i n a l si nt h eu m t s w l a ne n v i r o n m e n th a v ep r o v e dt h a ti nt h ec u r r e n t m i p v 6m o b i l i t ym a n a g e m e n ta g r e e m e n t ，t h el a r g e rv e r t i c a lh a n d o v e rd e l a yi si n e v i t a b l e 重壅坚皇奎堂堡主笙奎 垒! ! ! ! 呈壁 _ 。- 。_ - _ _ - _ - _ - i - _ _ _ _ - - _ _ - _ - i - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ - - _ - - _ _ - _ _ - - i _ 。_ - _ _ _ _ _ _ 。一一一 一一 i nt h i sa r t i c l ear ac a c h e db a s e dc o ar a p i dc a p t u r eo p t i m a lm e c h a n i s mi sp r o p o s e d ，s o t h a tm a k e sm o b i l et e r m i n a l sc a p t u r er am e s s a g e sf r o mt h ew i r e l e s sn e t w o r ka c c e s s p o i n t sa ss o o na st h el i n kl a y e rc o n n e c t i o ni sc o m p l e t e d ，a n dt h e nd i r e c t l yf o r m st h e c a r e o f - a d d r e s s ，t h u ss a v i n gt h er s r as i g n a li n t e r a c t i v ed e l a y i nt h eo p t i m a ls c h e m e ， n e t w o r kl a y e rh a n d o v e rb e g i n si m m e d i a t e l ya f t e rt h el i n kl a y e rh a n d o v e ri so v e r ，s o i t q u i c k e n st h ep r o c e s so f v e r t i c a lh a n d o v e r ，a c c o r d i n g l y ，t h ep a c k e tl o s sr a t ei nt h ep r o c e s s o fv e r t i c a lh a n d o v e ri sr e d u c e d k e yw o r d s ：h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s ，v e r t i c a lh a n d o v e r , m i p v 6 ，d e l a y , p a c k e t l o s sr a t e 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论弟一早珀v 匕 随着信息技术和计算机技术的飞速发展和不断结合，人类进入了前所未有的网 络时代，其中以i n t e m e t 网络的应用和发展代表了人类对信息数量、质量和获取信 息方便程度的追求。数据业务已经成为各运营商的重要收入来源之一，且其增长速 率远远超过了传统的话音服务。同时，随着i n t e m e t 技术的飞跃发展，用户已经不 单单满足于传统的依靠以太网接入，人们更希望能够降低网络基础设备的成本，同 时还能够享受移动网络应用，得到高效率、高质量、低成本的服务。下一代网络【l j ( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ，n g n ) 是一个基于i p v 6 t 2 1 的全新异构无线网络曲1 ，它融 合b l u e t o o t h 、i e e e8 0 2 1 l 、3 g ( w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a ) 、i e e e 8 0 2 1 6 2 0 、s a t e l l i t e 等多种无线接入技术。移动终端( m o b i l et e r m i n a l ，m t ) 可以 随时随地快速接入i n t e m e t 并获取高速数据传输。然而，异构无线网络的架构与特 性显示了它在数据传输速率、接入成本、传输范围等方面与同构网络的差异，如何 在其上开发适应当今社会的技术和业务己经成为人们研究的必须和具有实际意义的 工作。 当前，关于多种无线网络融合的研究逐渐进入实质性阶段，相关研究机构与国 际组织及其研究项目包括： 一、相关组织与机构 w w r f 组织【4 j 2 0 0 1 年8 月，欧美5 大通信设备制造商( 阿尔卡特、爱立信、摩托罗拉、诺基 亚、西门子) 发起成立了w w r f ( w b r l dw i r e l e s sr e s e a r c hf o r u m ) 。到2 0 0 5 年底， 成员单位已经发展到1 5 0 多个。目前，w w r f 是世界上除i t u 以外研究b 3 g 最重 要的国际组织。w w r f 下设6 个工作组和4 个特别兴趣组( s i g ，s p e c i a li n t e r e s t i n g g r o u p ) 。6 个工作组分别是用户的观点和业务概念，业务架构，协作和a d - h o c 网络， 新无线接口、基于中继的系统和智能天线，短距离无线通信系统，重配置。s i g 研 究的内容可能涉及多个工作组，包括频谱、安全与互信、自组织和网络融合。 3 g p p 组织i 副 负责g s m 和u m t s 维护及标准发布的3 g p p ( t h e3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i p v r o j e e t ) 也于2 0 0 3 年开始互联标准化工作，从其协议版本r 6 开始逐步提出了网络融 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 合的解决方案。 i e e e 工作组 为了在异构网络中解决各种无线接入网络低层传输媒质的多样性问题，i e e e 组 织成立了一个专门的8 0 2 2 1 工作小组，致力于媒质独立切换服务( m e d i a i n d e p e n d e n t h a n d o v e rs e r v i c e s ) 6 1 标准的制定工作。m i h 标准引入了一个新的协议层：m i h 层， 它介于数据链路层与网络层之间，俗称2 5 层。2 5 层在各标准的m a c 之上，并将 各种不同的m a c 层向上统一为一个接口。2 5 层从二层获得触发事件或者信息来完 成不同的切换进程。2 5 层对物理层和m a c 层以及上层实体，如m o b i l ei p ，都分 别定义了业务接入点( s a p ，s e r v i c ea c c e s sp o i m ) ，通过该接入点，上层可以获 得由m i h 提供的媒体独立切换服务。2 5 层为上层业务监视和控制不同链路层的状 态。 在8 0 2 2 1 标准中，假设移动终端为多模终端，可以支持以下多个网络接口标准： 基于有线类型，如以太网的8 0 2 3 标准； i e e e8 0 2 x x 家族：8 0 2 1 l 、8 0 2 1 5 、8 0 2 1 6 、8 0 2 2 0 ； 其它的蜂窝通信的空中无线接口：3 g p p 、3 g p p 2 。 在8 0 2 标准家族中的切换有8 0 2 3 、8 0 2 1 1 、8 0 2 1 6 异构网络之间的切换以及 8 0 2 1 1 网络之间通过e s s ( e x t e n ds e r v i c es e t ) 的切换。标准也提供8 0 2 标准和非 8 0 2 蜂窝网络( 如3 g p p 和3 g p p 2 ) 之间的快速切换方法，主要有8 0 2 3 8 0 2 1 1 8 0 2 1 6 与蜂窝网络之间的切换。 i e e e8 0 2 2 1 标准在m i h 子层并没有做任何的传递处理，对现有的物理层 ( p h y s i c a ll a y e r ，p h y ) 和媒体访问控制( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 子层没有 做任何修改，也不需要上层新的移动协议的支持。可以这样认为，i e e e8 0 2 2 1 标 准建立了一套独立于介质之上的切换方案，在融合w l a n 、u m t s 等无线网络的过 程中将扮演重要角色。 二、 相关项目 欧盟的w i n n e r 项目 w i n n e r 项卧7 】旨在研发一种创新的无线接入技术，具有更高的灵活性和可扩 展性，能够在不同的无线环境下提供多种数据速率的服务。w i n n e r 希望以一个无 处不在的无线通信系统代替目前多种系统( 蜂窝、w l a n 和近距离无线接入等) 共 存的格局，这个系统能够实现近距离到广域全面覆盖，在各种无线环境下自适应地 提供各种业务和应用。 欧洲d r i v e ( d y n a m i cr a d i of o ri ps e r v i c e si nv e h i c u l a re n v i r o n m e n t ) 项目 s l g l 目标是在一个由各种各样的无线接入手段组成的异质环境下传输i n - v e h i c l e 的 多媒体服务，从而保证有效的频谱利用率和高质量的无线i p 通信；接入手段的选择 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 可以基于业务流的需求，用户的优先选择以及在不同的接入系统中的资源的可用情 况。 日本m i r a i ( m u l t i m e d i ai n t e g r a t e dn e t w o r kb yr a d i oa c c e s si n n o v a t i o n ) b o 目标是到2 0 0 5 年要无缝地将各种无线接入系统集成起来，可以供实际使用；基 本的概念就是每一种业务都是由最适合支持这种业务的网络进行传输：希望得出一 个通用的工具，通用的平台和通用的接入，主要由三部分组成：基于s d r 的支持多 业务的用户终端，基于i p v 6 的支持无线通信的c c n 和一个基本的接入网络模型； 移动终端能够同时通过一个或多个r a n 进行通信，这不同于传统的只是选择一个 或者另一个的意义。 美国b a r w a n ( t h eb a ya r e ar e s e a r c hw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k ) 项目 目的是通过多覆盖的网络来支持无线接入，并且为应用传递高层次的端到端的 性能；综合广域覆盖的长处的同时，还为移动终端提供最大可能的带宽和时延，使 得应用能够适应其网络连接质量的变化。 1 2 研究内容 各种无线接入技术使用无线信道来接入网络，为通信的移动化、个人化和多媒 体应用提供了潜在的手段，并成为宽带无线接入的有效途径之一。从网络结构来看， 异构网络开始成为网络的主体，有线和无线同时发展成为网络运营商发展的必然之 路。特别是第三代移动通信和各种无线技术的蓬勃发展为异构无线网络提供了良好 的技术基础。其中以u m t s w l a n 融合网络作为异构无线网络的代表网络。它们 覆盖范围大小不同，支持的数据比特率也不同。用户可以同时处于这两种网络的覆 盖之下。为了实现灵活通信，未来移动终端应具备多种无线网络接口。当处在多个 网络覆盖之下时，终端的控制软件可以根据预先设定的切换规则决定接入哪个网络。 但就目前来看，网络对用户仍然存在区分对待，不同用户使用不同的网络服务 体系并且不能互通。用户可以在结构相同的无线接入网中漫游，但在结构不同的无 线接入网中或固定网中则受到很大限制，无缝( s e a m l e s s ) 切换还只适用于同构网 络环境。为了实现n g n 中各种接入技术的协调共存，解决各种技术之问的互连和 互操作，以及在此基础上实现融合，就牵涉到具有挑战性的移动性管理问题。移动 性管理主要包括位置管理和切换管理两方面，其中最为关键的技术就是切换管理。 通常，切换分为水平切换( h o r i z o n t a lh a n d o f f , h h o ) 与垂直切换( v e r t i c a lh a n d o f f , v h o ) 。水平切换是指移动终端在同一网络的不同接入节点( a c c e s sp o i n t s ，a p s ) 间的切换，例如在w l a n 网络的不同a p 之间，在u m t s 网络中的不同n o d eb 节点 间。垂直切换则是指移动终端在不同类型的网络间的切换，例如本课题中涉及的 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 u m t s 网络和w l a n 网络之间。 随着网络带宽的提高和网络技术的进步，诸如v o i c eo v e ri p ( v o i p ) 这类型的 实时应用将会得到更广泛的应用，人们将不仅仅满足于在同构网络中使用这些应用。 无线网络和移动i p 技术使在移动环境中运行实时应用成为可能。实时应用对时延的 要求非常高，但是目前的无线网络带宽有限，而且移动i p v 6 ( m o b i l ei p v 6 ，m i p v 6 ) 主要是为支持终端的宏移动性而开发的，所以要在移动环境中实现v o i p 还有一定难 度。其中最主要的问题是，当终端在不同类型网络间切换时，如何保持通信的畅通， 如何减少切换时延和降低丢包率。从而保证通信的连续性和服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 因此，改善m i p v 6 的切换性能是相当令人关注的问题，它关系到能 否在移动环境中流畅地实现实时应用。 1 3 本文结构及创新 本课题是根据当今蓬勃发展的无线接入网络技术融合趋势和人们对q o s 巨大 需求的基础上提出来的，并得到了重庆市科委自然科学基金项目( 异构网络切换管 理模型和算法) 的资助。 本文按照如下顺序组织文章结构： 第一章绪论。叙述了目前各种无线网络接入技术的发展现状和异构网络融合趋 势。列举世界范围内异构网络融合研究的组织与机构及其研究项目。无缝切换研究 不再仅仅局限于同构网络，它也是异构网络移动性管理的重要研究课题之一。 第二章u m t s w l a n 网络导论。首先阐述了异构网络的发展及现状、特点、 关键技术和研究热点，然后介绍了最具代表性的两种无线接入网络u m t s 和 w a l n ，最后分析现存的u m t s w l a n 互联方案，通过对比各种互联方案的优缺 点，指出从下一代无线网络架构出发，基于m i p v 6 协议的u m t s w l a n 网络松耦 合方案无疑是最佳选择。 第三章移动i p v 6 切换机制。简要介绍了m i p v 6 切换的概念：链路层切换和网 络层切换，然后重点介绍了m i p v 6 切换的关键技术和网路层切换流程，最后总结了 m i p v 6 切换过程中的问题。 第四章u m t s w l a n 网络垂直切换分析。对比分析水平切换与垂直切换；描 述了垂直切换的三个步骤：切换触发、切换判决和切换执行，并给出了移动终端在 u m t s - w l a n 网络间垂直切换的详细流程；从切换时延和丢包两方面重点讨论了垂 直切换对异构网络通信性能的影响，并指出无缝垂直切换系统的设计难点。 第五章一种基于r a 缓存的c o a 快速获取优化方案。首先列举了目前异构网 络垂直切换的研究成果，然后提出一种创新的基于r a 缓存的c o a 快速获取优化方 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 案，将路由器通告消息存储在无线网络接入点中，当二层连接完成后，无线网络接 入点就会立刻将缓存的r a 消息发送给相应的移动终端，由此消除了因移动检测而 产生的时延，进而降低了切换过程中的丢包。 。 第六章仿真实现及分析。本文参考美国国家标准和技术研究所( n i s t ) 在仿 真软件n s 一2 下基于m i h 层开发的异构网络切换管理模块，搭建u m t s w l a n 垂 直切换仿真平台。仿真表明，仅仅在网络层采用m i p v 6 移动性管理协议，会产生很 大的切换时延：而采用文章所提出的基于r a 缓存的c o a 快速获取优化方案，一定 程度上减小了垂直切换时延，相应地，丢包率也随之减小。 第七章总结。对文章所做的工作和取得的成果进行总结，给出了课题研究的不 足，并指出了下一步的工作设想，相信一定能找到更好的方案来实现无缝切换，使 用户得到更满意的服务质量。 重庆邮电大学硕士论文 第二章u m t s w l a n 网络导论 第二章u m t s w l a n 网络导论 近年来，随着无线局域网标准的迅速发展，基于8 0 2 1 1 规范的w l a n 1 2 具有 2 m b p s 以上的带宽，其中目前又以8 0 2 1 l b 规范应用范围最广，其理论带宽为 11 m b p s ，但物理覆盖范围较小，而且对移动性支持有限。而u m t s 【l 驯【1 4 j 基础设施完 备，物理覆盖面广，支持高速移动性，但数据传输速率小，成本高，不能满足高速 数据传输业务的要求。另外由于3 g 网络在世界范围内尚未成为主流，尤其在国内， 仍处于建设阶段，还远远不能达到预期的大规模商用目标。所以目前无线应用市场 主要集中在u m t s 和w l a n 上，二者具有鲜明的互补性，u m t s 和w l a n 的网络 性能指标对比如表2 0 l 。 对于移动运营商来说，若能将u m t s 和w l a n 的优势有机的结合起来，一方 面充分利用u m t s 网络的广泛覆盖能力，保证用户网络连接的不间断：另一方面， 在有w l a n 覆盖的热点地区，利用相对较高的数据传输率和较低的接入成本来弥 补u m t s 网络带宽的不足和昂贵，就成了一个极具研究价值的方向。 黪拶_ 甲p 州_ ? ? _ 。俐鼍璎嬲譬髀嬲鬈孑铲一甲鬻印獭秽罗”帮锄彬御鞴妒_ 伊帅妒微黟炉鬻臀柳湖 羧。二，拉术指书我二，二曼毫乙。脚m t & 妇赢蠡一。一赫o 。w ，。l a n 。：。菇；，如囊 覆盖范围广域局域 k j 血移动性衷蟪。：。0 二。如。：玩二，旃逮，勰崩。二。0 荔燃。崩二。熊速或静蝗血“叠 连接方式点对点点对多点 琵二氨。焦用频段。二一二二话矗麓氛章可频艮。施二童芸臻厶二坌蓬肇m 甥段二氟i 叠 组网成本昂贵且复杂便宜且容易 荔最高、平均数据速率 2 m b i t s 、3 8 4 k b i 佻5 4 m b i t s ( i e e e 8 0 2 1 l a ) 、 驾 巳。幺函厶。o 赫础五烈妊激氛。之一矗氐趋。幽蕊奴3 - 5 m b i t s d - d t v l d l u s 。q 熙摹曼9 纠l 弛i d 蔓, 。_ 叠魏i 施一- ，乞。盔，藏? 。t 。施：i 。也五幺么妊二幺：嚣。之一。o 。赢：二：瑟。：赫蕊玉石磊垅o m 9 曼县! 曼，。_ 黝 接入技术w c d m at d m a 、c d m a 、o f d m 黔。”獬一例嗍摊孵巧一7 一 “ ”甲叩臻箩饕4 誓? ? ”? 。一“+ 川誓一r y 2 罗州灞 爹业务支持语音和窄带数据 。： i n t e m e t 业务 ： 如巍龇搋。“。碰么二也，赫泌_ 。擞稚。喽施反黝舔明照隧霉t e l n e t s m t p 五一 表2 0 1u m t s 与w l a n 的网络性能指标对比 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章u m t s w l a n 网络导论 2 1 异构网络概述 2 1 1 异构网络的发展及现状 近年来，移动通信凭借其便捷灵活的方式，与互联网在新型产业价值链上的融 合，已发展成为当前最具活力的创新领域，成为生活中越来越不可或缺的一部分。 更高速率传输、更大系统容量、更广业务覆盖、更合理资源分配，已经成为未来移 动通信发展的主流趋势和演变目标。另一方面，随着计算机网络和通信技术的迅猛 发展，产生了多种无线接入网络。由于它们各自协议互不兼容，相互之间难以通信， 而实际的网络系统因不同的应用需求而呈现异构网络的互联。相关技术的发展也导 致原有协议的修改和新协议的出现，又加剧了通信协议的异构性。异构网络融合是 移动通信系统发展的重要趋势，未来无线移动通信系统应当融合这些技术来为用户 提供最佳业务。 为了适应不同的通信环境以及满足用户业务的宽带化、个性化、智能化需求， 目前已经开发并形成了多种形式的无线接入网络。在第二代移动通信技术完全成熟 的情况下，第三代移动通信技术已经逐渐形成规模，以w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和 t d s c d m a 为代表的3 g 技术拥有更强大的网络管理和业务提供能力。另一方面， 以i e e e8 0 2 1 1 、h i p e r l a n 2 、w i m a x 为代表的无线局域网和无线城域网的技术研 发和商业应用的速度更加迅速，并且其鲜明的技术特征、清晰的市场定位成为这些 技术快速占领市场的关键。此外，包括超宽带( u w b ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 等在内 的短距离无线通信为用户提供了更高速、更快捷的无线接入。因此，异构性更强、 多样化更明显是目前和今后移动通信发展的主要特征。 不同无线技术所使用的空中接口技术以及相关协议在具体实现方式上存在很大 的差异性和不可兼容性，比如使用的频谱资源不同、物理层技术不同、通信协议栈 及管理控制机制不同等；另外，移动通信系统的异构特性同时也体现在诸如移动终 端、业务、运营商等方面。在未来网络覆盖情况复杂、多种接入技术并存的移动通 信环境中，实现异构技术的有效融合与协同工作，实现异构资源的优势互补和协调 管理，不仅是技术发展的必然趋势，也是网络运营商实现最佳用户体验和最优的资 源使用的根本途径。异构网络的研究是未来无线通信网络领域的关键课题，只有通 过对网络异构性的深层探讨，才能找到技术融合的最佳契合点。 7 重庆邮电大学硕士论文第二章u m t s w l a n 网络导论 2 1 2 异构网络的特点 从技术层面看，异构网络具有以下基本特点： 分组传输。主要采用基于i p v 6 的分组技术； 控制功能从承载、呼叫会话、应用业务中分离； 业务提供与网络分离。该特性使得网络和业务可以独立发展演进，互不影 响； 利用各基本的业务组成模块，提供广泛的业务和应用( 包括实时、流、非 实时和多媒体业务) ； 具有端到端q o s 和透明的传输能力； 通过开放接口与传统网络互通，兼容传统网络； 具有通用移动性； 允许用户自由地接入不同的服务提供商； 支持多种地址分配体系，并能将其解析为i p 地址以用于i p 网络； 同一业务具有统一的业务特性； 融合固定与业务移动： 适应所有管理要求，如应急通信、安全性和私密性要求 从业务层面看，异构网络又有如下特点： 开放性 异构网络可以根据所处网络的不同或所提供功能的不同划分为几个模块，每个 模块均能独立发展，互不干涉，又能有机地组合成一个整体；同时这种开放性也表 现在各运营商可根据自己的需求来选择市场上的优势产品，而不必担心不同设备间 的互连互通。 高效性 异构网络允许业务与呼叫控制的分离，为业务真正的从网络中独立出来、有效 地缩短新业务的开发周期提供了良好的条件；随着多网互通的实现，n g n 的许多新 兴业务也应运而生。 多用户 异构网络综合了固定电话网，移动电话网和i p 网络的优势，使得模拟用户、数 字用户、移动用户、a d s l 用户、i s d n 用户、i p 窄带网络用户、i p 宽带网络用户 甚至是通过卫星接入的用户都能成为异构网络中的一员，实现相互通信。 多媒体 语音、视频以及其它多媒体流在异构网络中的实时传输是异构网络的又一亮 重庆邮电大学硕士论文 第二章u m t s w l a n 网络导论 点。 资源共享 由于采用了i p 技术，异构网络的出现使得在呼叫过程中获取国际互联网的资源 变得不再是难事。 低成本 采用了相对廉价的口等网络作为中间传输的载体，异构网络的通信费用大大降 低了，这种优势尤其体现在国内长途和国际长途电话上。这种低成本在目前已投入 应用的v o l p ( i p 电话) 上已经体现出来了。 2 1 3 异构网络关键技术 通用框架模型 研究异构网络通用体系原则，以体现异构网络中控制功能与资源、业务和传送 等分离的特性，异构网络功能体系模型将提供如何应用功能性方法定义下一代网络 功能体系的准则。异构网络的接入网关支持多种用户、驻地网关的接入，用户驻地 网关支持多种终端，并提供安全的接入和管理。 q o s 问题 q o s 是一个端到端的问题，主要研究不同端系统如何实现端到端q o s 的协商， 定义上层协议控制低层的q o s 参数，以及传送平面和接入平面的q o s 保证措施。 其中，控制层面对低层的q o s 控制由以下两个层面实现：一是通过上下平面之间的 “垂直”协议，将上下层之间的q o s 机制联系起来：二是在“水平 层面实现不同 域或网络之间的q o s 控制和协商。 业务平面 异构网络是以业务驱动为特征的网络，它将业务从承载网中剥离出来，构建于 统一的开放平台上。业务支撑环境能充分利用下层网络提供的业务能力，快速向用 户提供丰富的高质量增值业务，业务还必须能支持位置移动性，即当用户漫游到其 他网络时，仍可享受服务。 i p 技术 i p v 6 网将是异构网络的核心，它不但是异构网络的主体网络，也是下一代电信 网的主要承载网络。目前，中国i p v 6 标准化工作己经启动，在商用i p v 6 网网络体 系结构和性能指标分配标准、网络设备规范和网络设备测试规范、移动通信类标准 等方面，都有大量创新工作要做。 网络管理 异构网络由固定网、移动网、i p 网和接入网等组成，从网络管理角度看，它必 9 重庆邮电大学硕士论文第二章u m t s w l a n 网络导论 须同时满足分组网和电路交换网管理技术的要求，其中包括简单网络管理协议、电 信管理网、公共对象请求结构和远程登录等。管理系统还必须能动态地支持业务， 必须具有灵活性并能管理不可预测的网络增长，业务管理系统必须能改善q o s 、适 应市场的发展速度，并能压缩运营成本管理各种网络元素。这导致网络管理的复杂 性和挑战性，因此，应研究如何完善和增强核心网络管理的体系。定义适用于异构 网络要求( 故障管理、性能管理、客户管理、计费账务管理、业务量和路由管理等) 的基本网络管理业务和接口。应用新的网络管理体系概念和新的网络管理技术。 广泛移动性 对于异构网络的接入层面，无线将是关键技术。无论固定接入还是移动接入， 无线宽带技术将逐渐替代传统的有线通信手段。广泛移动性是指当用户采用不同的 接入技术时，将作为单个客户来处理，允许用户跨越现有网络边界使用和管理他们 的业务。用户的移动性要求包括：用户有能力改变接入点或终端，并作为用户可以 应用各种接入技术从任何网络接入点接入网络；用户可以得到连续性的服务和网络 应用，这些业务和网络应用可以由网络运营商、业务提供商或第三方提供。对于移 动性，应考虑网络的业务能力，以支持个人的移动性、终端的移动性及其组合。为 了支持上述要求，网络应具有识别和认证机制、接入控制和授权功能、位置管理、 支持终端或会晤的m 地址分配和管理功能、支持用户虚拟归属环境管理功能、支持 用户管理功能等。 2 1 4 异构网络研究热点 异构网络具有广泛的内涵，其研究范围相当广泛，主要研究内容如下： 新一代无线互联网络的通用体系架构； 网络融合技术； 异构网络间的互通与互操作； 新协议的开发与测试： 多模终端的接口选择； 移动终端的能量管理： 无缝垂直切换； 新型的控制、管理和运维机制： 网络安全体系和保障技术 l o 重庆邮电大学硕士论文 第二章u m t s w l a n 网络导论 2 2 切t s 网络 由全球移动通信系统( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，g s m ) 演进 的通用移动通信系统( u 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 ，u m t s ) 是基 于第三代宽带码分多址( 3 gw c d m a ) 【1 5 1 技术的通信系统。 2 2 1u m t s 核心网络架构 u m t s 采用与第二代移动通信系统类似的结构，网络主要由用户终端( u e ) 、 无线接入网络( 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 ，u t r a n ) 、核心网络( c o r e n e t w o r k ，c n ) 和运营支撑子系统( o s s ) 组成，但一般只提到u e 、u t r a n 和c n 。 其中无线接入网络处理所有与无线有关的功能：而c n 处理u m t s 系统内所有 的话音呼叫和数据连接，并实现与外部网络的交换和路由功能，c n 从逻辑上分为 电路交换域( c i r c u i ts w i t c h e d ，c s ) 和分组交换域( p a c k e ts w i t c h e d ，p s ) 。图2 - 0 l 列出了u m t s 系统r 9 9 版本的主要网元和部分接口。 u u e ，1 面商、 n o d eb 、 i u c sm s c ， 二：_ r n c c p s t n ) l r n c fv fr n o d eb ， c d， j 2 垡：璺9 l u b 】h l r 【 i u r n o d ebi | g r j ) | r n c s g s ni g g s n l g i n o d eby i u p s k i n c n 图2 一0 1u m t s i 网络结构图( 基于r 9 9 版本) 2 2 2 切t s 系统网元功能 1 用户终端( u s e re q u i p m e n t ，u e ) u e 是用户终端设备，它主要包括射频处理单元、基带处理单元、协议栈模块以 及应用层软件模块等，u e 通过u u 接口于网络设备进行数据交互，为用户提供电路 域和分组域内的各种业务，包括语音通话、可视电话、数据通信、移动多媒体、互 联网应用等。 2 基站( n o d eb ) n o d eb 是w c d m a 系统的基站最基本的无线覆盖单元。基站包括无线收发信 重庆邮电大学硕士论文 第二章u m t s w l a n 网络导论 机、基带处理部分、传输接口单元、基站控制部分、供电部分等。基站通过3 g p p 规范定义的l u b 接口和r n c 互连，主