（通信与信息系统专业论文）基于移动ipv6的异构无线网络切换研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 下一代无线网络是融合了多种异构无线接入技术的新型移动通信网络。为了实 现移动节点在异构无线网络之间的切换，可以采用m t f 工作组提出的网络层移动 i p v 6 ( m 脚6 ) 切换协议，但由于m p v 6 协议本身的缺陷，导致切换时延和分组丢 失较高，难以满足用户业务需求，特别是对时延敏感的实时业务，如v o 口。 为了优化基于m i p v 6 协议的无线网络切换，i e t f 工作组提出了层次移动i p v 6 ( 卸p v 6 ) 协议和快速移动i p v 6 ( f m d v 6 ) 协议。h m i p v 6 通过在访问网络中定 义了新功能实体作为局部的家乡代理( h a ) ，移动节点在子网域内移动时，不需向 家乡代理和通信对端发送绑定更新消息，减少了绑定更新次数。但i - i m i p v 6 并未考 虑将此协议应用于实际网络拓扑中的诸多问题。f m i p v 6 定义了链路层触发机制， 在链路层切换完成之前，提前进行网络层切换准备工作，减少了切换时延和分组丢 失。但f m i p v 6 未就不同链路层切换时间对切换性能的影响进行分析，也未明确具 体触发时间。 本文在介绍了本课题相关背景知识，详细分析了m 口v 6 的切换性能的基础上， 针对h m i p v 6 及f m i p v 6 的上述问题，分别进行了详细的性能分析、切换流程及算 法的优化，并进行仿真分析。本文主要工作和研究内容如下： 在异构无线网络松耦合模式下，以u m t s w l a n 互连为例，提出了两层化的 增强型h m i p v 6 协议，通过改动绑定更新和路由器广播消息，进一步减少了局部移 动性的绑定更新次数，并对比分析了两者的绑定更新时延。 在i e e e8 0 2 2 1 原语辅助下，制定了优化u m t s w l a n 切换的流程，尤其针 对移动节点从，a n 越肌t s 切换时延较大这一问题，提出了具有智能化的链路预 测触发切换算法。在异构无线网络仿真平台下，仿真了整个切换过程，并对基于传 统切换方式及i e e e8 0 2 2 1 辅助的切换方式下的切换时延进行了统计分析。针对于 链路层不同时刻的触发，仿真评估了切换时延、分组丢失率和网络利用率，验证了 智能算法能够有效地降低切换时延和分组丢失率，同时保持较高的网络利用率。 关键词：异构网络，垂直切换，移动i p v 6 ，智能触发，i e e e8 0 2 2 1 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t n 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 sa r et h en o v e lm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ， w h i c hi n t e g r a t ev a r i o u sh e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g i e s i no r d e rt oa c h i e v e m o b i l en o d e sh a n d o v e ri nh e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k , m o b i l el p v 6 似w v 6 ) h a n d o v e rp r o t o c o lo fn e t w o r kl a y e rp r o p o s e di e t fw o r k i n gg r o u pc a nb eu s e d , b u tt h e i n h e r e n td e f e c t so fm i p v 6 p r o t o c o l ，r e s u l t i n gh i g h e rh a n d o v e rl a t e n c ya n dp a c k e tl o s s i t i sd i f f e r e n tt om e e tt h en e e do fu s e r , e s p e c i a l l yf o rt i m e - s e n s i t i v ea n dr e a l - t i m e a p p l i c a t i o n s ，s u c ha sv 0 m i no r d e rt oo p t i m i z eh a n d o v e ri nw i r e l e s sn e t w o r kb a s e do nm i p v 6 ，i e t fw o r k i n g g r o u pp r o p o s e sh i e r a r c h i c a lm o b i l ed v 6 ( h m i p v 6 ) p r o t o c o la n df a s th a n d o v e r sf o r m o b i l i t y 口v 6 ( f m n v 6 ) p r o t o c 0 1 h m i p v 6d e f i n e st h en e wf u n c t i o n a le n t i t yt oa c t 嬲a l o c a lh o m ea g e n t 饵t h em o b i l en o d em o v e sw i t h i nt h es u b n e td o e sn o tn e e dt os e n d b i n d i n gu p d a t em e s s a g e st oh o m ea g e n ta n dc o r r e s p o n d e n tn o d e s ，r e d u c i n gt h ea m o u n to f b i n d i n gu p d a t em e s s a g e s h o w e v e r , h m i p v 6d o e sn o tc o n s i d e rt h ep r o b l e mt h a tt h i s p r o t o c o la p p l i e st ot h ea c t u a ln e t w o r kt o p o l o g y f m i p v 6p r o t o c o ld e f i n e sal i n kl a y e r t r i g g e rm e c h a n i s m , p r e p a r i n gt h en e t w o r kl a y e rh a n d o v e rb e f o r et h ec o m p l e t i o no ft h e l i l l kl a y e r , r e d u c i n gh a n d o v e rl a t e n c ya n dp a c k e tl o s s h o w e v e r , f m i p v 6d o e sn o th a v e t h ea n a l y s i si nt e r mo ft h el i n kl a y e rh a n d o v e rt i m eo nt h eh a n d o v e rp e r f o r m a n c e ，a n dn o r c l e a ra n ds p e c i f i ct r i g g e rt i m e t h i sp a p e rd e s c r i b e st h eb a c k g r o u n dk n o w l e d g eo ft h i ss u b j e c t i no r d e rt os o l v e a b o v ep r o b l e m so fh m i p v 6a n df m i p v 6 ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h eh a n d o v e rp e r f o r m a n c e o fm i p v 6f i r s t l y , t h e nt h ed e t a i l e dp e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，t h eo p t i m i z a t i o no fh a n d o v e r p r o c e s sa n dh a n d o v e ra l g o r i t h m ，a n ds i m u l a t i o na n a l y s i sa r ei n v e s t i g a t e d t h i sp r i m a r y w o r ka n dr e s e a r c ha sf o l l o w s ： i nt h el o o s e l yc o u p l e dm o d e lo fh e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k s ，s u c ha s 咖s a n dw l a ni n t e r c o n n e c t i o n ，t h et w oh i e r a r c h i c a lo ft h ee n h a n c e dh m i p v 6i sp r o p o s e d b yt h em o d i f i c a t i o no fb i n d i n gu p d a t ea n dr o u t e ra d v e r t i s e m e n tm e s s a g e s ，t h en u m b e ro f l o c a l m o b i l i t yb i n d i n gu p d a t em e s s a g e si sr e d u c e df u r t h e r , a n dt h eb i n d i n gu p d a t ed e l a yi s c o m p a r a t i v e l yr e a c h e d t h i sp a p e rd e v o l v e st h eo p t i m i z a t i o np r o c e s su m t sa n dw l a nh a n d o f fb yu s i n g t h ei e e e8 0 21p r i m i t i v e e s p e c i a l l yf o rt h eh i g h e rh a n d o v e rd e l a yw h e nt h em o b i l en o d e i i 重塞坚皇奎兰堡主笙奎 垒! ! 竺! - _ - - - - _ _ _ - _ _ _ _ - - 。- - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - - i _ _ _ i _ _ l _ _ _ - - _ _ - - _ - _ _ _ - l i - _ _ _ _ - _ - _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ l _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ - _ 。- 。1 。一一一 h a n d o v e r s6 0 mw l a nt ou m t s ，t h el i n kl a y e ro fp r e d i c t i o nt r i g g e rh a n d o v e ra l g o r i t h m w i t ht h ei n t e l l i g e n ti sp r o p o s e d i nt h es i m u l a t i o np l a t f o r mo fh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k ，t h e w h o l eh a n d o v e rp r o c e s si ss i m u l a t e d m o r e o v e r , t h et r a d i t i o n a lh a n d o f fa n dt h e 8 0 2 2 1 a s s i t e dh a n d o f fa r ei n v e s t i g a t e da n dc o m p a r e di nt e r m so fh a n d o f fl a t e n c y d i f f e r e n tt i m ef o rt h el i n k 1 a y e rt r i g g e r , t h eh a n d o v e rl a t e n c y , a n dt h ep a c k e tl o s sa n d n e t w o r ku t i l i z a t i o na r ee v a l u a t e di nt h es i m u l a t i o np l a t f o r m a tt h es a m et i m e ，w ev e r i f y t h ei n t e l l i g e n c ea l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h eh a n d o v e rl a t e n c ya n dp a c k e tl o s sr a t e , w h i l em a i n t a i n i n gh i g h e rn e t w o r ku t i l i z a t i o n 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 c r , m o b i l ei p v 6 ，s m a r tt r i g g e r , 正e e8 0 2 2 l i i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着移动通信的迅速发展，下一代无线网络将是一个基于口协议的多种无线接 入网络共存的异构无线网络。各类异构接入网络，如u m t s 、w l a n 等的相互融合 能够为移动用户提供更好的服务，满足移动用户根据需求选择最佳网络通信。例如， 移动用户在u m t s w l a n 重叠无线网络环境下，低速移动时为了追求高传输速率 和低费用可以选择w l a n 无线网络作为接入网络，而高速移动时为了保证会话的 连续性应选择u m t s 无线网络。新一代无线网络应支持用户在异构无线网络间的无 缝切换，即移动用户改变其接入点( p o a ) 时能够继续保持会话连接。由于各种异 构接入网络在传输速率、覆盖范围、服务质量( q o s ) 等级、接入成本、安全性等 方面均具有显著的不同，如何保证异构无线网络切换的无缝性成为异构网络移动性 管理的关键，也是国内外研究者关注的热点。本课题将针对此问题进行研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 相关研究组织 互联网工程任务组( t h ei n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，i e t f ) 于1 9 9 6 年开始 制定支持移动互联网的协议，即移动p 协议。移动协议是一种在网络层的移动 性管理协议，具有较强的可扩展性，能够使移动节点在网络层切换时仍可保持会话 的连续性。2 0 0 4 年提出的移动i p v 6 协议【l 】，描述了网络层的切换流程，制定了切换 的基本操作过程，包括移动检测、转交地址形成、注册与绑定更新，并对p 分组格 式做了详细的规定。移动疋v 6 协议的制定是假设低层对高层是透明的，切换的信令 交换及地址配置将导致较大的切换时延，一般有几秒甚至更大，无法满足时延敏感 的实时业务，如v o 口。为解决这个问题，i e t f 相继提出层次移动i p v 6 协议和快速 移动i p v 6 协议，在一定程度上改进了切换性能。但移动i p v 6 仅仅考虑网络层信息， 应用于异构网络之间的切换中，由于接入网的底层特性差异，将导致协议性能下降， 应结合接入网不同物理层及链路层特性，进行性能优化。此外，i e t f 分别在传输层 和应用层制定了移动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 m i s s i o np r o t o c o l ，m s c 皿) 圆和s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 3 1 移动性管理协议。 i e e e8 0 2 2 1 工作组于2 0 0 9 年制定了介质独立切换( m e d i ai n d e p e n d e n t h a n d o v c r ，m i h ) 标准 4 1 1 5 1 ，为高层提供链路层智能以及相关网络信息，以优化异 构无线网络切换。i e e e8 0 2 2 1 技术标准是在o s i 网络堆栈的第2 、3 层之间定义了 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 m m 子层，屏蔽不同无线接入网所带来的差异，从而支持异构无线网络间的终端移 动，并定义了链路即将下降原语l i n k _ g o i n g _ d o w n 、链路断开原语l i n k d o w n 、邻 居网络信息获取原语m i h g e ti n f o r m a t i o n 等，有效地改进了切换的性能。 3 g p p 国际化标准组织在p 多媒体子系统的基础上定义了语音呼叫连续性 ( v o i c ec a l lc o n t i n u i t y ，v c c ) ，能够适用于垂直切换，可将u m t s 无线网络和w l a n 无线网络融合为无缝网络，但对于提高连通性概率和垂直切换性能并没制定统一的 链路层触发方案。此外，v c c 使用呼叫控制连续性模块c c c f 控制切换，增加了系 统的复杂性。为了实现异构无线网络之间的无缝切换，v c c 机制需要连续地在每个 接口执行网络发现过程，增加了移动终端的能量消耗。3 g p p 在r 8 版本中提出了系 统框架演进长期演进( s a e i t e ) 为异构网络之间的垂直切换提供一种方式。s a e 是基于全p 网络思想的解决方案，主要针对于网络核心部分，提供不同无线接入技 术融合的解决方案，而无线接入网络( p h y 和m a c 层) 由l t e 处理。为了实现异 构无线网络之间的垂直切换，珥t f 、3 g p p 和e e 工作组分别提出了不同解决方法， 如表1 1 所示【6 】。 表1 1 异构网络切换解决方案对比 解决方案特征缺点 端到端协议，仅需要在主机上改 s i p ( 应用层)重请求信息产生较高时延。 动。 提供同时连接多种无线接入技术 i e t fm s t c p ( 传输层) 需要改动完善的t c p 协议。 的功能。 需要改变网络基础设施，例如。增加家 m i p ( 网络层)不需要改变高层协议。 乡代理，不适合实时业务。 v c c i m s 通过较低成本的互联网减轻g s m局限于c s p s 语音切换，并需要新实体 3 g p p 或u m t s 的拥塞。控制切换。 提供3 g p p 和b o l l 3 g p p 切换，但 m ，s a e 并未定义提供无缝切换的方法。 移动性管理依赖i e t f 协议。 提供异构网络切换框架，制定辅 助切换的服务原语，有利于网络需要核心网络和移动终端智能化，增 i e e ei e e e8 0 2 2 l 发现、网络选择和最佳切换，此加信息服务器。 结构可与以上各方案相结合。 1 2 2 研究方向 异构无线网络垂直切换的研究主要集中于异构无线网络互连框架设计、切换判 决准则、链路层触发机制、切换相关协议改进等。 异构无线网络在传输速率、覆盖范围、q o s 等级、接入成本等方面存在较大差 异，融合无线网络实现优势互补是下一代网络移动性管理关键技术之一。文献 7 基于3 g p p 3 g p p 2 的下一代网络移动性管理的需求，提出一种松耦合的综合系统间 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 框架( e s a ) ，在e s a 框架中引入交互判决器( d e ) 实现认证、计费、资源管理 的功能。同时，提议一种快速切换、网络发现的局部移动性管理协议( h p i n ) ，减 少了基于移动口v 6 异构网络切换过程中的服务中断，并针对异构无线网络切换的信 号开销、切换时延、切换阻塞率等性能指标进行了仿真分析。 在异构无线网络环境下，切换判决准则需要考虑多个因素，仅仅依据单一性能 指标的传统切换算法将无法直接应用到异构无线网络中。文献 8 】提出了基于马尔科 夫过程的最佳网络选择方法，将每个目标网络的带宽作为一个马尔科夫过程，综合 考虑业务类型、业务到达率、网络回报率等指标选择最佳网络，解决了传统的以接 收信号强度指示( r s s i ) 最强为最佳网络准则所导致的目标网络带宽不足或网络负 荷不平衡等问题。文献 9 】采用多属性加权方法，综合考虑网络服务费用、信息安全、 移动终端功耗、网络带宽、网络稳定性等因素，进行最佳切换网络选择。 当移动用户在同一子网不同接入点之间进行切换时，需执行无线接口的变换， 称之为链路层切换或二层切换，移动用户根据接收信号强度等因素触发切换，并通 过特定技术获取切换目标b s a p 信息和同步及认证，建立新的无线链路。当移动用户 跨越不同子网时，除了链路层切换，还会涉及网络层切换，也称之为三层切换。通 常，切换过程是完成二层切换之后，启动网络层切换，这将导致较大的切换时延和 分组丢失。因此，相关组织提出了综合考虑二层切换和三层切换，即在链路断开之 前提前触发三层切换准备工作，如i p 地址配置等，从而减少切换延时，典型技术如 快速移动p v 6 。文献 1 0 1 分析了链路层的预测触发，提出基于自回归模型的接收信 号强度预测算法，在链路层断开之前触发网络层切换，有效地降低了服务中断概率。 文献【8 】提出多项式回归的接收信号预测机制，通过求解z + 1 未知系数的多项式系数 预测下一跳的接收信号强度，动态触发切换。 1 3 主要研究工作和创新点 本论文的主要工作内容：层次移动p v 6 协议改进、基于m e e8 0 2 2 1 切换方案、 链路层触发的预测切换算法和协议性能的仿真及分析。具体包括以下几部分： ( 1 )层次移动i p v 6 协议改进 异构无线网络互通框架划分为松耦合和紧耦合两种模式，紧耦合复杂性较高， 对蜂窝系统核心网性能要求较高，本文主要针对松耦合方式进行研究。现有松耦合 方案切换的时延及分组丢失等切换指标无法满足时间敏感业务。因此，本文针对 u m t s w l a n 异构无线网络耦合结构，提出两层结构的增强型层次移动v 6 方案， 通过将切换进一步局部化，减少域内移动时绑定更新次数，从而降低切换时延及切 换中断概率。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 ( 2 )基于i e e e8 0 2 2 1 切换方案 i e e e8 0 2 2 1 标准制定了异构无线网络切换框架结构、切换相关的服务原语，但 对于如何应用于特定无线接入网络并未详细说明。本文以u m t s w l a n 融合为例， 制定了i - 胱t s w l a n 向下切换和w l a n _ l 7 m t s 向上切换的切换流程，切换流程 中包括相关的i e e e8 0 2 2 l 服务原语、链路层切换和网络层切换。 ( 3 )链路层触发的预测切换算法 移动用户移动时无线信道动态特性影响接收信号强度，大尺度衰落和小尺度衰 落使接收信号强度曲线出现过多波峰和波谷，导致不准确的切换触发决策。本文针 对这一问题，提出采用指数滤波器对接收信号强度进行平滑，以减少切换预测算法 的错误预测概率。其次，根据切换预测算法设计切换预测机制，通过i e e e8 0 2 2 1 标准定义的信息服务器获取接入网络状态信息及用户终端状态，准确动态地设置切 换触发门限值，从而有效的减少切换时延和分组丢失率，降低切换中断概率，改进 异构无线网络的切换性能。 ( 4 )仿真性能分析 根据本文设计的基于i e e e8 0 2 2 1 的切换方案，在n s 2 网络仿真软件中搭建异 构网络仿真环境，针对是否采用i e e e8 0 2 2 1 辅助切换，分别进行了仿真性能分析， 并对提出的预测切换算法进行了仿真研究，评估分析了切换时延、分组丢失、网络 利用率等主要性能指标。 1 4 论文结构安排 本论文的章节安排如下：第二章对异构无线网络进行了描述，并概述说明了异 构无线网络的切换分类以及主要目标和挑战；第三章讲述了移动i p v 6 协议切换流 程，并定性分析了切换时延：第四章在异构无线网络松耦合结构基础上，改进了层 次移动p v 6 协议，提出了两层结构的增强型层次移动口v 6 方案；第五章在 i e e e 8 0 2 2 1 原语基础上，制定了u m t s w l a n 切换流程，分析了切换时延，提出 了链路层智能触发算法，并通过n s 2 软件仿真了切换性能。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章异构无线网络垂直切换 第二章异构无线网络垂直切换 2 1 异构无线网络 随着信息技术和计算机技术的飞速发展与结合，人类对信息通信需求的扩张， 用户对移动性的要求越来越高，更高速率传输、更大系统容量、更广业务覆盖，已 经成为未来移动通信发展的主流趋势和演变目标。为了适应不同的需求，下一代无 线网络n g w n ( n 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 ，n g w n ) 将是由多种无线接入 网络技术( 例如，u m t s 、w l a n ) 融合而构成的异构无线网络( h e t e r o g e n e o u s w i r e l e s sn e t w o r k ) 。 2 1 1u m t s 无线网络 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 0 1 1 8s y s t e m ，u m t s ) 是 采用w c d m a 空中接口技术的第三代移动通信系统，通常也称为w c d m a 通信系 统。u m t s 网络可分为三部分：用户终端( u s e re q u i p m e n t ，u e ) 、无线接入网 ( 删v e r s a lt 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 ) 和核心网( c o r nn e t w o r k , c n ) ，如图2 1 所示【1 1 】。 u m t s 网络设计时遵循以下原则：无线接入网络和核心网功能尽量分离。即对 无线资源的管理功能集中在无线接入网完成，而与业务和应用相关功能在核心网执 行。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 t s w i t c h e d ，p s ) ，c n 电路域基于t d m 承载技术，c n 分组域基于g p r s 技术，c s 语音业务按照u e - n o d eb - r n c m s c g m s c p s t n 传输，p s 数据业务按照u e - n o d e b - r n c s g s n - g g s n i n t c m e t 传输【他1 1 1 3 1 。 u m t s 主要网元的功能如下： ( 1 ) 移动终端 移动终端即u m t s 手机，由u s i m f o s e rs e r v i c ei d e n t i t ym o d u l e ) 卡和用户设备 组成，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。 移动终端通过u u 接口与无线接入网络进行通信，为用户提供电路域和分组域的各 种业务功能，包括语音、数据、流媒体和交互式应用等。 ( 2 ) 无线接入网络 u t r a n 负责无线接入和无线资源管理，主要包括n o d eb 和r n c 两个网络单 元。 a ) n o d eb 即u m t s 系统的基站，主要由控制子系统、传输子系统、射频子系 重庆邮电大学硕士论文 第二章异构无线网络垂直切换 统、中频基带子系统、天馈子系统等部分组成，完成u u 接口物理层协议 和i u b 接口协议的处理，完成扩频解扩、调制解调、信道编码1 言道解码以 及相关无线资源管理。n o d eb 通过i u b 接口和r n c 互连，传输n o d eb 和 r n c 之间的信令，以及来自无线接口的数据。 b 1r n c ( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ，无线网络控制器) ，拥有和控制管理无线资 源，负责移动性管理、呼叫处理、链接管理和切换机制。r n c 通过i u 接口 与c n 相连，其中与电路交换域m s c n l r 接口为i u - c s ，分组交换域s g s n 接口为i u - p s ，通过i u r 接口与其他r n c 相连。 控制一个n o d eb 的r n c 称为该r n c 的控制r n c ( c o n t r o l l i n gr n c ，c r n c ) ， c r n c 负责对其控制的小区的无线资源进行管理。u e 在r n c 之间软切换时，r n c 具有服务r n c ( s e r v i n gr n c ，s r n c ) 和漂移r n c ( d r i f tr n c ，d r n c ) 两个独 立的逻辑功能。s r n c 与c n 连接，为l i e 提供资源，管理u e 和u t r a n 之间的无 线连接，一个e r e 某一时刻有且只能有一个s r n c 。d r n c 与c n 没有连接，且为 u e 提供资源，控制着u e 使用的小区，一个u e 某一时刻可以没有、一个或多个 d r n c 。一个r n c 实体通常包含c r n c 、s r n c 和d r n c 的功能。 ( 3 ) 核心网 c n 负责对语音及数据业务进行交换和路由查找，便于将业务连接至外部网络。 c n 主要包括以下网络单元。 a ) m s c v l r ( m o b i l es w i t c h i n gc e n t r e v i s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r ，移动交换中心 访问位置寄存器) 通常是在同一物理网络实体上实现的，为1 5 1 3 提供电路 交换业务的交换中心( m s c ) 和数据库( v l r ) 。m s c 功能是处理电路交 换业务，v l r 用于保存漫游用户的业务基本特征和u e 在服务体系内精确 的位置信息。 b ) g m s c ( g a t e w a y m o b i l es w i t c h i n gc e n t r e ，网关移动交换中心) 是u m t s 网 络与外部p s t n i s d n 网络的连接处的交换设备，主要功能是充当移动网和 固定网之间的移动网关，完成p s t n 用户呼叫移动用户时呼入呼出的路由 功能。 c ) s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ，服务g p r s 支持节点) 功能与 m s c v l r 类似，在分组域执行移动性管理、安全管理、接入控制和路由选 择等。 d ) g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e ，网关g p r s 支持节点) 功能类似 于g m s c ，是移动分组网络与i n t e m e t 间的网关设备，主要功能包括g ，冲 隧道的管理与激活和g t p 隧道的封装与解封装。 c ) h l r ( h o m e l o c a t i o nr e g i s t e r ，归属位置寄存器) 是管理部门用于移动用户 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章异构无线网络垂直切换 管理的数据库。每个移动用户都应在其归属网络的h l r 中注册登记。h l r 的主要功能是存放用户的签约信息、支持新业务以及鉴权等功能。 2 1 2w l a n 无线网络 图2 1u m t s 网络结构 无线局域网( w h l e s sl o c a la c c e s sn e t w o r k ，w l a n ) 技术是基于i e e e8 0 2 1 1 标准，利用无线接入技术实现快速地接入因特网。1 9 9 8 年推出的i e e e8 0 2 1 l b 工作 在2 4 g h z 频率，物理层支持1 1 m b p s 的数据速率；1 9 9 9 年推出的i e e e8 0 2 1 l a 工 作在5 g h z 频率，物理层支持5 4 m b p s 的数据速率。此后，i e e e8 0 2 。1 1 工作组又推 出了8 0 2 1 l g 、8 0 2 1 l n 、8 0 2 1 1 e 等不同的改进协议。 w l a n 无线网络主要由站点( s t a t i o n ，s t a ) 、接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 和 分布式系统( d i s t r i b u t e ds y s t e m ，d s ) 组成。由w l a n 无线网络的基本单元组成了 两种无线网络拓扑结构：自组织网络( 即，a d h o e 网络) 和基础设施网络【1 4 1 1 5 】。 a dh o e 网络为一个对等网络，各个s t a 处于平等地位，是一个无中心的、自 组织的无线网络。每个s t a 具有报文转发功能，能够分别与其他s t a 或多个s t a 进行通信，主要用于应急场合或军事领域。 在基础设施网络中，多个s t a 通过a p 互相连接，a p 覆盖区域内所有s t a 共 同组成区域为基本服务域( b a s i cs e f i v e ra r e a ，b s a ) ，对应的服务称之基本服务集 ( b a s i cs e r i v e rs e t ，b s s ) ，两个或者以上的b s s 通过d s 互相连接形成了扩展服务 域( e x t e n d e ds e r i v e r a r e a ，e s a ) ，对应的所有服务称之扩展服务集( e x t e n d e ds e r i v e r s e t ，e s s ) 。w l a n 网络结构如图2 2 所示。 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章异构无线网络垂直切换 图2 , 2w i + a n 网络结构 2 2 垂直切换 2 2 1 垂直切换v s 水平切换 异构无线网络依据切换时所涉及的网络类型划分为两大类：水平切换和垂直切 换【引，如图2 3 所示。 水平切换是指使用同一类型无线技术的基站接入点之间的切换，例如，传统的 蜂窝移动通信系统切换。在现有蜂窝系统水平切换中，移动用户使用相同的无线接 口从一个小区移动到另一个小区，切换过程的发生对用户来说是透明的，切换相对 平滑，无通信服务中断。对于u m t $ 通信系统，水平切换可以包括硬切换、软切换 和更软切换。硬切换通常又可划分为同频硬切换和异频硬切换，分别指服务小区和 目标小区使用相同或不同的频率，但切换过程中，移动用户并不同时保持与两个小 区的连接。软切换是指切换过程中移动用户同时与两个或多个基站相连的情形。更 软切换是指切换过程中移动用户同时与一个基站的两个或多个小区相连的情形。 垂直切换则是指不同类型的无线接入技术的基站接入点之间的切换，例如，从 蜂窝移动通信系统切换到无线局域网。垂直切换又可划分为向上切换和向下切换 【1 6 1 ：向上切换为移动用户从较小覆盖面积、较高传输速率的网络切换到较大覆盖面 积、较低传输速率的网络，例如，a n 叫瓜仃s ：向下切换为移动用户从较大覆 盖面积、较低传输速率的网络切换到较小覆盖面积、较高传输速率的网络，例如， im 仃s _ 研a n 。向上切换对时间比较敏感，这是因为移动用户移出网络覆盖区域， 需要快速地连接到目标网络，否则将中断通信服务。与向上切换相比，向下切换对 时间不敏感，这是因为移动用户仍然处于网络覆盖区域，为了提供更好的服务质量， 主动发起的切换过程。 与水平切换不同，在考虑异构无线网络的垂直切换时需要注意以下方面问题： 重庆邮电大学硕士论文 第二章异构无线网络垂直切换 不同无线接入技术具有不同的频率，例如，i e e e8 0 2 1 l b 无线局域网使用 频率为2 4 g h z ，3 gf d d 模式的使用频率为1 9 2 0 1 9 8 0 m h z 和2 1 1 0 2 1 7 0 舭( 中国) 。 不同设备具有不同扩频技术，例如，一设备使用直接序列扩频d s s s ，另一 设备可能使用跳频扩频f h s s 。 最佳接入点判定标准不同，例如，传统系统中的接收信号强度、信噪比等， 而异构无线网络将考虑更多因素，如接入成本、网络带宽等。 2 2 2 垂直切换过程 图2 3 垂直切换v s 水平切换 通常来说，垂直切换过程划分为三步：系统发现、切换策略、切换执行【1 7 】。 ( 1 ) 系统发现 移动用户利用无线接口接收广播信息，发现当前可用无线接入网络，系统发现 灵敏度和用户终端的能量消耗成反比。如果移动节点所有无线接口始终保持激活状 态，能够及时有效地发现无线接入网络，但移动节点能量消耗较大，因此，需要综 合考虑这两个因素达到良好的平衡【i 引。 ( 2 ) 切换策略 移动用户依据判决策略在最佳时机选择最佳无线接入网络，判决策略指标可以 为接收信号强度、信噪比、接入成本、系统负荷、用户喜好及安全性等。 ( 3 ) 切换执行 移动用户从一个无线接入网络切换到另一个无线接入网络，包括无线链路切换、 网络层切换以及高层切换。网络层切换技术主要为移动口协议，传输层切换技术主 要为m s c t p ，应用层切换技术主要为s i p 。 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章异构无线网络垂直切换 2 3 主要目标和挑战 现有传统切换决策算法仅仅考虑了接收信号强度和信道可用性，无法满足异构 无线网络切换。这是因为异构无线网络为了实现高速率、高质量、多样化服务等新 特征提出了新要求，切换时需要综合考虑以下各方面： 不同类型的业务对接入网络性能如数据速率、切换延迟、可靠性等的要求 不同。 用户喜好作为异构无线网络切换判决策略的一项指标。 网络相关性能指标，例如带宽、延迟、拥塞、分组丢失率、信噪比、误码 率等。 接入成本，不同类型的网络需要不同接入成本，例如，蜂窝网络与无线局 域网接入成本和通信费用都是不同的。 移动节点状态，例如，移动节点高速移动时应接入覆盖面积较大的网络， 减少切换次数；低速移动时可接入数据传输速率较高的网络，以提高服务 质量。 异构无线网络新特征增加了切换的复杂性，如何实现快速、平滑、无缝切换是 异构无线网络切换面临的挑战。为了实现无缝切换，在设计垂直切换时需要尽可能 保证以下性能指标： 低切换延迟。尽可能降低异构无线网络切换时延，减少服务中断以及分组 丢失。 低信令开销。异构无线网络切换所必须的信令交互占用信道带宽，最小化 信令开销能够提供更好切换性能。 低功率消耗。在异构无线网络中，移动终端具有多个无线接口，如果同时 启动多个无线接口消耗能量，将降低电池的使用寿命。 最佳切换时刻。当移动节点移出网络覆盖区域时，当前服务网络不可用时 触发切换，依据何种性能指标( 例如，信道、质量、误码率) ，何时触发切 换是切换面临的问题之一。 2 4 本章小结 异构无线网络移动性管理的关键问题是如何实现无缝的垂直切换，本章从垂直 切换的基本概念入手，介绍了垂直切换与水平切换区别、垂直切换过程以及未来的 主要研究目标和挑战。 重庆邮电大学硕士论文 第三章移动i p v 6 协议 3 1 概述 第三章移动i p v 6 协议 随着i n t c r n e t 和移动通信技术的迅速发展，以及手机、笔记本电脑等移动设备 的广泛使用，通信节点的移动越来越频繁，如何在移动过程中保持通信的连续性成 为需要迫切解决的问题。因此，m t f 于2 0 0 4 年发布了移动i p v 6 ( m o b i l i t yi p v 6 ， m i p v 6 ) 协议作为口层的解决方案。 m d v 6 协议是为了支持节点在i p v 6 网络中移动时的连续性而提出的协议，允许 移动节点从一个网络切换到另一个网络，并保证通信服务的连续性。在m i p v 6 协议 中，移动节点( m o b i l en o d e ，) 具有两种地址：家乡地址和转交地址。其中， 家乡地址是移动节点在网络中的标识，移入新网络时需配置转交地址标识新的位置。 移动节点与通信对端通信( c o r r e s p o n d e n tn o d e ，c n ) 划分为两种模式：一是 双向隧道模式，二是路由优化模式。 在双向隧道模式中，c n 并不需要知道移动节点转交地址，家乡代理( h o m e a g e n t ，h a ) 在家乡链路上使用代理路由发现截获所有发往移动节点的i p v 6 分组， 通过h a m n 隧道转发到移动节点。相反，移动节点发往c n 的分组通过m n - h a 反向