（通信与信息系统专业论文）移动互联网的跨层移动性管理研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 2 0 0 7 年1 月，中国移动用户数超过4 6 7 亿，i n t e m e t 宽带用户数超过5 1 0 0 万。在长途电话业务中，使用口业务的比例已经超过半数，广东、深圳等地区 甚至达到6 0 ，用户对数据业务的需求不断增加。随着移动用户数，i n t e m a 宽 带用户数和口多媒体业务的迅猛增长，在未来通信中移动互联网将扮演重要的 角色。 为了实现移动互联网与互联网交互信息，需要利用通信协议。然而，现有通 信协议基于o s i 标准，其协议栈按照严格的分层方式工作，很难适应快速变化的 移动通信环境，所以利用协议栈中某些层的特性参数与其它层协调、交互，是提 升整体移动互联网性能的一种强有力的手段。 本文简要分析分层协议栈的局限性，介绍物理层、链路层、网络层、传输层 和应用层跨层反馈的原理，对比分析已有的跨层移动性管理方案的优缺点。在此 基础上，采用分层移动i p v 6 和移动i n t e m e t 络架构( m i n a ) 组织提出的支持漫游 的网络架构参考模型，设计新的自适应跨层移动性管理架构。并分析其接口、位 置管理和切换场景。 切换管理是移动性管理中很重要的一部分。因此，本文重点研究了蜂窝间的 切换问题，提出了自适应跨层切换管理协议( a c h m p ) ，以实现系统内和系统间 切换管理。自适应跨层切换管理协议使用移动用户的速度和切换信令延迟信息提 高分层移动i p v 6 的切换性能。通过分析链路层和网络层参数对移动v 6 切换性能 的影响，发现某一时刻的切换门限值取决于移动节点的速度和切换信令延迟。接 着，提出了一种跨层切换管理架构，并进一步分析了a c h m p 的运行过程。 最后对跨层切换管理架构进行仿真，结果显示a c h m p 提高了系统内和系统 间的切换性能。在系统内和系统间切换时，基于自适应切换门限的a c h m p 方案 比基于固定门限的切换管理方案，切换初始化失败概率降低了5 一1 5 ，这也 减少了与切换初始化失败相关的代价。 关键词：移动互联网，跨层移动性管理，自适应跨层移动锚点，自适应跨层切换 管理 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t t h en u m b e ro fc h i n am o b i l es u b f i b e rs u r p a s s e s4 6 7m i l l i o n , a n db r o a d b a n d i n t e r n e tu s e rs u r p a s s e s5 1m i l l i o ni nj a n u a r y , 2 0 0 7 t h ep r o p o r t i o n0 f ms e r v i c ei nt h e l o n g d i s t a n c et e l e p h o n ec a l ls e r v i c ei sa l r e a d ym o r et h a nh a l f , a n de v e na sh i g ha s 6 0 。6i n g u a n g d o n ga n ds h e n z h e n t h ed e m a n df o rd a t a s e r v i c ei si n c r e a s e d t h e r e f o r e , a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fm o b i l es u b s c r i b e r , b r o a d b a n di n t e r n e tu s e ra n d i pm u l t i m e d i as e r v i c e , m o b i l ei n t e r n e tw i l la c ta l li m p o r t a n tr o l ei nf u t u r e t oa c h i e v em o b i l ei n t e m e ta n di n t e r n e ti n t e r a c t i v ei n f u r m a t i o n , c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l sa r en e e d e d h o w e v e r , t h ee x i s t i n gc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa y eb a s e do n t h eo p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o nr e f e r e n c em o d e lw h i c ho p e r a t e si na c c o r d i n gw i t h s t r i c th i e r a r c h i c a l m a n n e r s o ，i t sg r e a t d i f f i c u l tt o a d a p tc o m p l e xm o b i l e c o m m u n i c a t i o n se n v i r o n m e n t a c c o r d i n gt ot h ea b o v e , t h el i m i t a t i o no ft h el a y e r e dp r o t o c o ls t a c ki sa n a l y z e d t h ec r o s s - l a y e rf e e d b a c kt h e o r yo fp h y s i c a ll a y e r , d a t al i n kl a y e r , n e t w o r kl a y e r ， t r a n s p o r tl a y e r a n d a p p l i c a t i o nl a y e r i ss u m m a r i z e d ，t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e so f t h ee x i s t i n gc r o s s - l a y e rm o b i l i t ym a n a g e m e n tp o l i c i e sa r ec o n t r a s t e d t h e g o a la n df u n c t i o no f n e wn e t w o r ks t r u c t u r ea l ed e t e r m i n e d t h ei m p o r t a n td e g r e e o fs y s t e mp a r a m e t e r sa n dt h et y p ea n dm a n n e ri n t e r a c t i n gi n f o r m a t i o na m o n gt h e p r o t o c o ll a y e r s a r ed e t e r m i n e d t h es y s t e mr e s t r a i n tc o n d i t i o na n dn e t w o r k c h a r a c t e r i s t i ci sc o n s i d e r e d t h e i lt h eo v e r a l lt h o u g h ta n dn e t w o r kt o p o l o g ym a po f t h en e wp o l i c yi s p r o p o s e d t h ei n t e r f a c e ，l o c a t i o nm a n a g e m e n ta n db a n d o f f 溉n a r i o so ft h en e wn e t w o r ka r c h i t e c t u r ea r ea n a l y z e d t h ei n t e r - c e l l u l a rh a n d o f fi s t h ef o c u so ft h ew o r k a na d a p t i v ec r o s s - l a y e rh a n d o f fm a n a g e m e n tp r o t o c o l , a c h m p ，i sd e v e l o p e dt os u p p o r ti n t r aa n di n t e r s y s t e mh a n d o f fm a n a g e m e n ti n m o b i l ei n t e r n e t a d a p t i v ec r o s s - l a y e rh a n d o f fm a n a g e m e n tp r o t o c o lu s e sm o b i l e s s p e e da n dh a n d o f f s i g n a l i n gd e l a yi n f o r m a t i o nt oe i l h a n c et h eh a n d o f f p e r f o r m a n c eo f h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6t h a ti sp r o p o s e dt os u p p o r tm o b i l 时m a n a g e m e n ti nm o b i l e i n t e r n e t f i r s tt h eh a n d o f f p e r f o r m a n c eo f m o b i l ei p v 6i sa n a l y z e dw i t hr e s p e c tt oi t s s e n s i t i v i t yt ot h el i n kl a y e ra n dn e t w o r kl a y e rp a r a m e t e r s t h e n , a na d a p t i v e c r o s s l a y e rh a n d o f fm a n a g e m e n ta r c h i t e c t u r ei sd e v e l o p e du s i n gt h ei n s i g h t sl e a r n t f r o mt h ea n a l y s i s b a s e do nt h ea r c h i t e c t u r e , t h ed e t a i l e dd e s i g n0 f a c h m pi sc a r r i e d o u t f i n a l l y , e x t e n s i v es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tt oe v a l u a t et h e p e r f o r m a n c eo fa c h m p t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e m i t ss h o wt h a t 重庆邮电大学硕士论文摘要 a c h m ps i g n i f i c a n t l ye n h a n c e st h ep e r f o r m a n c eo fb o t hi n t r aa n di n t e r s y s t e m h a n d o f f s t h ef a l s eh a n d o f fi n i t i a t i o np r o b a b i l i t yo fa c h m pi s5p e r c e n tt o1 5 p e r c e n tl o w e rc o m p a r e dt ot h ef i x e dr s s - t h r e s h o l d - b a s e da l g o r i t h m s a c h m pa l s o s i g n i f i c a n t l yr e d u c e st h ec o s ta s s o c i a t e dw i t ht h ef a l s eh a n d o f fi n i t i a t i o nb e c a u s ei t a c h i e v e sl o w e rf a l s eh a n d o f f i n i t i a t i o np r o b a b i l i t y k e y w o r d s ：m o b i l ei n t e m e t ，c r o s s - l a y e rm o b i l i t ym a n a g e m e n t ，a d a p t i v ec r o s s - l a y e r m o b i l i t y a n c h o rp o i n t ，a d a p t i v ec r o s s l a y e rh a n d o f f m a n a g e m e n t 独创性声明 本人声明所里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，也不包含为获得重废 整垒盔堂或其他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己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位擞储獬：碴节解日期：1 钳月百日 l 。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废邮虫盔堂有关保留、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 重废整电太堂可以将学位论文的 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适用本授权书) 一躲套i 幸 签字醐。1 年j 月羽 导师签名： 签字e l 期：力弦7 年广, 9 2 oe l ， 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 i n t e r n e t 的一个基础就是协议栈结构，现有通信系统中的协议栈设计采用严格 的o s i 参考模型，单独对协议栈各层进行抽象、设计和优化，简化了整体网络设 计的复杂性，从而满足软件工程的信息隐藏准则和端到端准则，每一层协议通过 利用下层模块提供的服务来解决一种特定的问题，并向上层提供一个新的服务， 各层之间的通信有严格的规定，因而得到广泛应用。若遵循开放系统互联参考模 型( o s i r m ，o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o nr e f e r e n c em o d e l ) 就必然摒弃协议层之 间的跨层交互，这会导致不同协议层中的信息利用不充分或者信息冗余【1 】。例如， 物理层和m a c 层对定向信道估计，同步信息、误码率以及信号强度等信息的处 理结果，可以应用到发送端至接收端的距离估计中来；另一方面，节点位置和网 络拓扑信息也可以被其他协议层充分利用，如信道估计、功率控制、移动性管理 等。因此o s i 严格分层的参考模型不能对移动互联网资源进行整体管理，网络性 能不能得到整体优化。 未来的移动互联网通信系统将是全口的网络。在该系统中，协议栈将在网络 设备内得到广泛的应用，从而确保移动设备能够与现有的互连网互通。然而在基 于d 的移动互联网络中进行通信将面临以下困难 2 - 3 1 ；动态链路特性：移动网 络最重要的特性就是动态链路特性。因为在大气环境中接受和发送无线信号，无 线传输容易受到噪声的影响。多径效应、多普勒频移、阴影效应以及与其他设备 的接口都会导致信道状态的不可预知。另外，移动性将会给信道估计和预测带来 困难，从而增加误码率。高分组丢失率和比特差错率：因为噪声和多径衰落的 影响，在无线信道中存在比较高的比特差错率，这会对多媒体质量带来破坏性的 影响，所以为了保证多媒体的质量，就必须提供有效的差错恢复机制，比如前向 纠错( f e c ，f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 和自动请求重发( a r q ，a u t o m a t i cr e p e a t r e q u e s t ) 。带宽限制和起伏：在移动环境中带宽是有限的，而且因为多径衰落、 信道冲突和噪声干扰的影响，无线信道的能力随时发生变化的。所以必须利用信 道信息，根据不同的信道状态采用不同的措施，从而提高带宽的利用率。传统 传输协议的低性能：移动通信环境具有快速变化的特性，传统的协议结构是不灵 活的，各层之间只能通过一个严格的方式进行通信，无法灵活地适应移动环境的 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 变化，从而使得在设计协议栈时只能考虑其在通信条件最为恶劣的情况下进行工 作，而不是自适应的改变以适应信道的变化，进而导致了协议栈无法对有限的频 谱资源及功率资源进行有效的利用。不同服务的服务质量( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 需求不同：在未来的移动互联网中存在多种服务，这些服务的q o s 需求 都是不同的，比如视频会议，它是一个实时多媒体服务，对时延的要求很高，但 是可以容忍一定程度的差错；而文件传输，它对差错敏感，而对时延却没有很高 的要求，所以必须能够提供多种q o s 保证。网络安全：网络安全问题是互联网 可持续健康发展的基础和保证。早期的互联网应用环境是非商业、友好型的科研 环境，对恶意攻击几乎不设防，安全体系先天不足。随着移动互联网的发展，互 联网逐步成为未来信息基础设施的核心，网络安全问题也日益突出，网络上威胁 频次、影响、规模和代价明显增加，攻击的水平越来越高，攻击的种类越来越多， 人们普遍对网络安全失去信心，严重影响到互联网的应用范围。用户希望在网络 边界提供一个全面防护的安全系统，具有单一入口并整合多种分离的设备，跨越 多层协议栈实现多种复合功能，不仅具备防火墙、入侵检测系统( i d s ，i n t r u s i o n d e t e c t i o ns y s t e m ) 和入侵防御系统( i p s ，i n t r u s i o np r e v e n t i o ns y s t e m ) 等功能防 范网络层的攻击，而且需要防止基于内容的攻击，将分散、复杂、效率低下的基 于主机的反病毒、反垃圾邮件以及不良信息过滤等安全防护任务接管过来，在边 界集中处理。 尽管在下一代移动互联网络中，分层结构非常重要，但由上述分析可知：传 统的严格分层次的网络缺乏灵活性，层的设计不能适应网络条件的变化，会降低 频谱和功率的效率。不断发展的移动互联网要求支持多种业务类型以及服务质量 要求，并且要支持网络拓扑结构的复杂变化。不够灵活的o s i 结构在许多无线应 用中都无法有效的工作。这就需要在研究不同网络、协议栈不同层性能优化的同 时，更要关注协议栈各层之问的互相协调配合，并且将分散在网络各个子层的特 性参数协调融合，以提升整体网络的性能，所以提出了跨层设计思想，在跨层设 计中协议栈的每一层都能够与其它层进行信息交互。 1 2 跨层移动性管理的概念 移动性是指对于用户或终端位置的改变而持续接入服务，继续通信的能力。 移动性一般可划分为两种，一种是游牧移动性，另一种是无缝移动性。游牧移动 性是指用户或终端在移动时能改变其网络接入点，但正在进行的会话或通信会中 断，要会话须重新进行启动连接，甚至要手工重新配置系统参数，例如无线局域 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 ) ；无缝移动性是指用户或终端节点，可 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 以随时改变其网络接入点，而不中断正在进行的会话或通信( 例如g s m ) 。不论 是游牧移动还是无缝移动都要求核心网提供相应的功能来支持移动性。这些功能 的实现需要对用户进行鉴别、授权、位置更新、用户信息的下载等，对于这些问 题的处理我们称之为移动性管理，它是移动通信网的核心问题。 移动性管理主要有两个基本的功能“：位置管理( l o c a t i o nm a n a g e m e m ) 。 其功能是使无线网络能够跟踪、定位移动节点( m n ，m o b i l en o d e ) 切换管理 ( h a n d o f f m a n a g e m e n t ) 。它的功能是维持无线网络和m n 之间链路的连续性。 位置管理是系统能跟踪m n 在通信中的位置，含有二个主要任务( 如图1 1 ) 。 第一、位置注册和位置更改，m n 周期地通知系统并修改最新相关位置信息数据 库。第二、呼叫传递，在m n 启动通信时，系统基于数据库中现有信息确定m n 当今位置。其具体的步骤为；确定被呼m n 的业务数据库；以寻呼确定被呼m n 的来访小区子网位置，把轮询消息送至被呼m n 注册的小区或者子网。对于系统 间漫游，位置管理需要解决下述问题：降低信令开销和业务传输等待时间；确保 异质网络的q o s ；在异质无线网络业务重叠区域进行m n 位置注册，快速存储位 置更新信息和确定m n 位置等。在4 2 2 节中会进一步分析这个问题。 图1 1 位置管理 研究的问题 安全 动态更新埏迟限制 集中式，分布式数据库结构 基于距离馑于时间的延迟限制 研究的问题 分组处理 信令负载 路由最优化 资源管理 算法评估 服务保证 图1 2 切换管理 切换管理是当m n 从一个接入点移动至另一接入点的过程，保持m n 的链接 一理一一管一一换一 切一 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 ( 如图1 2 ) 。同样可分成系统内或系统间两类切换过程。系统内切换称为水平切 换，在同类型网络里，当服务基站的信令强度低于确定门限值时启动切换( 在第四 章和第五章会重点分析这个问题) 。而异质网络中系统间切换称为垂直切换，它发 生在下述的几种情况下：当用户从某一服务网快速移至另一重叠服务网；或者当用 户己连接至某特定网络，因业务需求要断开并连接基础网或重叠网；或者当网络全 部负荷分布在不同系统优化网络中。 根据上述分析，跨层移动性管理就是利用传统协议栈实现位置管理和切换管理 时，不必完全严格遵循o s i 参考模型，可以打破各层的独立性，不相邻的层间可 以进行信息交互，某一层性能上的变化可以有效的传递给其他层，从而相应地改变 其他层的性能，层与层之间可以有一定的依赖关系。 1 3 研究现状 移动互联网凭借“随时、随地、口袋中的互联网”的特征，将在未来数年大幅 改变人类的生活方式，它将大规模融入日常生活，改变娱乐休闲方式、消费模式、 商务模式等，为大众消费者的日常生活带来新体验。为了实现这个目标，为用户 提供更好的性能，就必须对网络协议进行优化，根据解决的问题不同，可以把目 前的跨层移动性管理分为五类，分别为提高t c p 性能、降低功率消耗、跨层保护 策略，提供q o s 保证和安全性。 提高t c p 性能。在设计i n t e m e t 时并没有过多的考虑移动性，所以基于口 的协议并不能很好的处理移动带来的问题。其中最突出的问题就是t c p 。比如， 在无线链路中进行t c p 传输时，t c p 协议并不需要知道物理层的信道状态，它假 定信道是可靠的，并认为分组的丢失都是由于拥塞造成的，然而在无线环境中分 组的丢失很可能是由于无线链路出错引起的，当无线链路因为信道原因出现分组 丢失时，t c p 仍然会认为出现了拥塞并减小分组传输速率，从而导致吞吐量的降 低，为了解决这个问题，我们可以利用物理层的信道信息，根据信道信息来决定 如何处理。 在文献 5 1 中，增加了一个并行的状态管理器( s t a t em a n a g e r ) ，它主要 是利用在网络协议栈的各个层之间交换信息，从而提高t c p 的性能。在文献6 1 中， 通过在无线主机的协议栈中引入一个a r q 侦听代理来实现跨层合作。在t c p 确 认机制中利用链路层的a r q 消息来达到增加吞吐量的目的，a r q 侦听代理主要 作用是建立一个链路层和传输层合作的可能性。在文献川中，提出了两种跨层反 馈机制来提高t c p 性能，一种方法是将用户反馈加到协议栈中，从而可以动态控 制m n 上应用的t c p 吞吐量；另一种方法是利用底层的链接和断开信息。在文献 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 嘲中，提出了一种a t c p 方法来提高t c p 性能，它主要是通过网络层反馈来调整 t c p 的拥塞控制策略。 减少功率消耗。对于移动终端来说，功率消耗也是一个需要考虑的重要因 素，在保证q o s 的前提下尽可能的减少功率的消耗。减少功率消耗的办法有增加 传输时延，如检测无线链路的状态，当无线链路的干扰级低于一个预先设定的阈 值才开始传输数据，这样就可以在一个比较好的状态下传输，从而降低功率的消 耗，当然阈值的设定要考虑实际应用的需求。另一种方法就是在保持比特率的条 件下增加误码率，或者在保持误码率的条件下，减少比特率，这也可以减少功率 的消耗。 在无线网络中，为了延长移动终端的工作时间，提高电池的容量并不是唯一 的方法，文献1 9 1 6 0 提出了能量受限的路径选择和能量高效的负载分配方法，它是 利用随机动态规划技术和m a c 层、网络层的跨层交互来实现，这是首次利用m a c 层信息来实现有效使用能量的路由。 跨层保护策略。在无线网络中进行视频传输，存在很多困难，目前协议栈 的每一次( 包括应用层、传输层、m a c 层和物理层) 都提供了各自的自适应和 保护机制，如m a c 的重传机制，链路层的f e c ，使用分级编码的带宽自适应压 缩和自适应分组策略等，然而这些分层保护策略并不一定能为视频传输提供最优 的总体性能，所以必须根据应用需要和复杂性考虑，选择一个最优的跨层保护策 略。 文献【1 0 】提出了一个新颖的自适应跨层保护策略，它是协议栈中不同保护策略 的联合优化。它根据信道状态和应用层需求信息来实现吞吐量、稳定性和时延的 折衷，从而提高分层视频传输的鲁棒性和有效性。文献【1 1 物理层的自适应调制、 编码与数据链路层的精简a r q 协议结合起来，在保证时延和性能的情况下，物 理层选择合适的自适应调制和编码( a m c ，a d a p t i v em o d u l a t i o n c o d i n g ) ，从而 在保持所需性能的基础上，使数据速率最大。 提供q o s 保证。在有限的网络资源条件下，q o s 对于移动网络是非常重要 的。现在提供q o s 保证主要有两种方法【1 2 】： 一是n e t w o r k - c e n t r i c ，它的主要问题是协议栈中不同层的q o s 标准如何映射， 通过跨层设计优化总体性能。网络中的路由器或基站提供具有优先权的q o s 支持 来保证不同应用对数据速率、时延限度和分组丢失概率的要求。在具有优先权的 传输中，q o s 在链路层表现为缓冲区溢出概率和延时超出概率，而在应用层表现 为均方误差( m s e ，m e a ns q u a r e de r r o r ) 和峰值信噪比( p s n r ，p e a ks i g n a lt on o i s e r a t i o ) ，所以一个主要的问题就是不同层次有效的q o s 映射。 在文献【1 3 】中，无线网络的q o s 映射和自适应主要分下面两步，首先在一个 5 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 c o p ( g r o u p o f p i c t u r e ) 中找到一种优化映射策略，比如使得这个g o p 的失真最小； 然后再找到一组q o s 参数，比如使得视频的失真最小。 二是e n d - s y s t e m - c e m r i c ，它的主要目标是网络自适应和媒体自适应。终端系 统采用了多种控制技术，包括拥塞控制、差错控制和功率控制来优化应用层视频 的质量，所以主要的问题就在于如何设计一个有效的功率拥塞差错控制机制。 安全性。现在多个层都包含安全性问题。例如s s h ，s s l ，p g p 这些协议 在传输层和应用层提供了端到端的加密，i ps e e 是i p v 6 中的一种强加密方法， w e p 是8 0 2 1 l 无线接入网卡提供的弱加密服务，蓝牙是另一种无线网络接入技 术，它同样提供加密技术，另外第三代蜂窝系统如u m t s 也提供了强加密技术， 所以经常会出现多个层同时进行加密处理的情况，当然多个层都包含加密处理， 这可以提高系统的安全性，但同时会带来一些不利的因素，如需要更多的功率消 耗和增加传输时延等，所以为了避免反复处理数据分组，从而节省功耗，降低时 延，跨层设计可以将多层的加密减少为一个。 目前，无线网络跨层优化的设计思想提出没多久，可以说还处于在完善阶段， 仍有很多问题亟待解决。 1 4 移动互联网的移动性管理技术的发展方向 i n t e r n e t 业务对通信产生了巨大的影响，也同样深刻影响着移动通信领域，由 于多种多样的数据业务要求有一个高数据速率和高带宽的平台，因此移动互联网、 移动多媒体等将成为移动业务发展的方向。 第一代模拟移动通信系统与第二代数字移动通信系统的核心业务是话音业 务，相应的核心网是基于电路交换的网络，由t d m 线路承载着绝大部分的话音 与低速率、以电路型为主的数据业务。随着网络容量需求的不断增加，t d m 技术 的高成本、设备的复杂性以及管理的不灵活性日益明显，而且t d m 网络无法满 足高速的基于分组的话音、数据和多媒体业务的需求。以g p r s 为代表的2 5 g 系 统能够提供无线数据应用，其实现方法是在现有的基于电路交换的网络旁增加一 个平行的分组网络。分立的电路交换话音网和分组交换数据网因技术不同、业务 分离，因此各自的运营和网管系统也是分立的，运营商不得不同时支持两个网络， 产生了运维成本高和网络效率低等一系列问题。同时2 5 g 系统只是在原有无线技 术和通信平台上的改进，其业务速率的提高以及提供业务的灵活性等方面都受到 很大限制，因此不能从根本上改变2 g 以语音业务和低速电路数据业务为主的局 面。 更高速率数据业务和更好的频谱利用率需求推动了第三代移动通信系统的发 6 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 展，即要求能够提供比2 g 系统更多、更新的包括分组数据和多媒体在内的话音 和数据业务；能够按需提供带宽，支持各种不同数据吞吐量、不同速率的业务； 能够从2 g 系统平滑演进；能够与不同网络之间实现互通；能够向用户提供大覆 盖、“无缝”漫游和业务一致性等等。目前几大公用网络，如基于s s 7 的p s t n 、 基于a t m 的i s d n 、结构复杂的p l m n ( p u b l i cl a n dm o b i l en e t w o r k ，陆上公用移 动通信网) 等，其发展趋势都是和i n t e r n c t 骨干网相融合，无线接入网也必然将融 入互联网构成的移动互联网。如目前蜂窝移动通信网正逐步沿着软交换和全口化 的方向逐步演进，随着互联网的普及，基于p 的设计方案成为无线网络设计的主 流。除了移动通信网络的m 化之外，一些移动网络的设计者也在考虑通信协议的 跨层设计与多无线电网络的融合趋势。 近3 0 年的信息技术发展主要得益于器件水平的发展，从处理速度、存储容量 到器件的体积和功耗都有质的飞跃。当初在设计网络协议时，链路的传送费用相 对于器件的处理费用要便宜的多，所以最大限度的降低路由器处理的费用是当时 必须的要求，这种要求导致了分层协议的产生，即通过增加“水平方向”对等层 之间的通信量，降低路由器“垂直方向”的层与层之间处理开销。这种严格分层 的好处是层与层之间的共享度低，层次明显，协议设计简单。但是对于“粗”终 端、“细”链路的无线网络来说，频谱资源是固定的，它能容纳的信息量也是基本 不变的，加之安全性要求以及链路的信息冗余度要求都很高，所以频谱资源变的 越来越宝贵，最大限度的降低无线通信开销是一个首要的问题。考虑无线节点的 设计时，为了更加适应无线链路特性，通信协议栈中上下层之间的通信量增加， 层与层之间相互依赖，失去独立性，单层不能独立运行，只有层与层之间相互关 联才能实现更好的传输性能，因此需要更多的考虑跨层( c r o s s - l a y e r ) 设计与优 化。 在当前对移动性的研究基础上，未来移动互联网中移动性管理的研究将集中 在两个方向【1 4 1 ： 对各种移动性如终端移动性、个人移动性、会话移动性等的支持将进一步 加强，并且各种移动性将集成在一起为用户提供真正的无缝服务。 移动性的含义进一步突破，下一代网络中将会出现由网络运营商和增值业 务提供商( v a s p ，v a l u ea d d e ds e r v i c ep r o v i d e r ) 提供的众多语音、数据、多媒 体等丰富多彩的业务。 1 5 本论文主要研究的内容 本文第一章简要分析分层协议栈局限性；第二章总结物理层、链路层、网络 7 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 层、传输层和应用层进行跨层反馈的基本原理；第三章对比分析已有的跨层移动 性管理方案的优缺点；第四章明确进行跨层设计前的四个问题及进行跨层设计的 三个步骤，提出设计自适应跨层移动性管理方案的总体思想及目标网络拓扑图， 分析新架构的接口、位置管理和支持的切换场景，重点研究蜂窝间的切换问题， 研究切换失败概率与m n 的速度、切换信令延迟之间的关系，通过公式推导及仿真 得出结论。由此提出自适应跨层管理协议，分析该协议的运行( 邻居发现、切换 信令延迟估计、切换预测、切换初始化和切换执行) 及切换初始化时间估计；第 五章对新方案进行仿真分析，分析切换失败概率和m n 的速度、切换信令延迟的关 系，最后得出结论。第六章总结论文所做的工作，提出迸一步研究的内容和方向。 8 重庆邮电大学硕士论文第二章跨层反馈机制的原理 第二章跨层反馈机制的原理 跨层反馈机制使得信息能够在协议栈的各层之间传递，而不再将信息 的传递限定在相邻的两个层之间。这就意味着协议栈内的每个层都能够与 其它层进行信息交互，某一个层能够与上层交互信息，也能够与下层交互 信息。进行信息交互的层包括；应用层、传输层、网络层、链路层及物理 层。就目前的研究情况而言，跨层反馈机制主要包括以下两类：( 1 ) 由上 层到下层的机制。这类机制将信息由上层传递到下层。例如：应用层将其 相关信息( 传输时延或分组丢失率) 传递到链路层，使得链路层能够调整 其纠错机制。应用层的优先级信息被传递到传输层，从而使其接收窗口能 够得到调整以获得相应的优先级。( 2 ) 由下层到上层的机制。这类机制将 信息由下层传递到上层。例如：t c p 层的分组丢失率被传递到应用层，使 得应用层能够调整其发送速率。物理层将信道衰落传递到链路层，从而使 链路层能够根据信道条件调整数据的发送方式。下面详细分析每一层上的 跨层反馈机制。 2 1 物理层上的跨层反馈机制 物理层的功能是利用一定的发射方式，使得数据能够在一定的传输范 围内以一定的错误概率得到接收。物理层的特性主要包括：发送概率、误 比特率及调制编码方式。 因为链路层主要负责对数据进行准确的接收，所以利用物理层信息对 链路层的控制机制进行调整，将使系统在吞吐量及功率节省方面获得较高 的增益。同样，由链路层发出的功率调整指令及传输控制命令也能够使物 理层的性能得到改善。物理层与其它层的信息交互机制包括以下几种： 应用层。在应用层，用户能够根据其业务需求对物理层的特性进行 调整。例如数字视频多媒体业务，可根据其从物理层获得的信道状态信息 对编码速率进行调整。 网络层。信道状态信息能够被网络层用来改变其传输路径。例如， 网络层根据信道状态信息利用路由功能在不同的信道上传输不同优先级 的数据。 链路层。链路层能够通过发送功率来降低物理层的误比特率。同样， 重庆邮电大学硕士论文 第二章跨层反馈机制的原理 链路层也能够通过采用更强的差错控制机制来降低误比特率。但是，增加 发送功率及采用较强的差错控制机制都会增加系统的功耗，因此，需要采 用联合控制的方式来改善系统性能。 除了与其它层进行交互外，物理层还能够根据电池的供电状况调整发 送方式，使得需要发送的数据能够在当前的信道条件下保持上层的q o s 需 求。例如，物理层通过自适应调制编码技术，能够根据信道的变化情况调 整发送方式。 2 2 链路层上的跨层反馈机制 链路层的功能主要包括：通过前向纠错机制、自动请求重发机制实现 数据的可靠传输，对m n 接入信道的过程进行控制以减少或避免冲突，对 数据帧进行封装以确保其在开销最小的情况下进行传输。前向纠错和自动 请求重发机制总是一起使用，以提高数据传输的可靠性。前向纠错机制通 过向接收端传输多余的比特使传输中出现的错误能够得到纠正。自动请求 重发机制则通过重传损坏的数据帧来实现数据的可靠传输。 能够被其他层采用的链路层信息主要包括：当前的前向纠错机制、重 传数据帧的数量和长度、无线信道的可用时间信息、切换发起及完成的时 间。 链路层与其它层进行信息交互的方式包括以下几种。 应用层。不同的应用程序有不同的q o s 需求，链路层能够根据相应 的业务需求对数据帧进行不同的处理。例如，具有低时延需求的数据帧将 得到优先处理，而可靠性需求高的数据帧在前向纠错自动请求重发方面将 得到更强的纠错编码及更多的重传次数。此外，应用层能够通过获知链路 层的吞吐量来调整其发送速度。 传输层。当信道条件较差时，链路层的重发机制将引入更长的传输 时延，这就会导致t c p 连接超时，从而启动重传机制而且降低发送速率。 为了避免出现这种情况，必须利用t c p 的往返时间( r t t ，r o u n dt r i pt i m e ) 及超时重传定时器( r t o ，r e t r a n s m i s s i o nt i m e o u t ) 来控制链路层的重发 机制。同样，链路层的重发机制也能够用来对t c p 重传定时器的取值进行 调整。 网络层。移动i p 主要用于m n 改变子网位置时进行切换。移动i p 的切换将会引入时延。因为它是在i p 层检测到网络的变化后才进行的切 换。在移动设备上进行的对信号强度的持续检测没有被移动i p 的切换过程 l o 重庆邮电大学硕士论文第二章跨层反馈机制的原理 所利用，如果利用信道信号强度这样的链路层信息将能够减少移动i p 切换 带来的时延。 物理层。根据当前的信道条件及物理层的功耗情况，调整链路层的 差错控制机制从而减少传输错误，并调整数据帧的长度来提高吞吐量。此 外，利用物理层的信号处理技术能够实现链路层对媒体接入的控制。 2 3 网络层上的跨层反馈机制 网络层的功能主要是完成路由及寻址，确定传输数据分组的物理网络 接口。在无线通信系统内，网络层协议主要是移动i p 协议，它能够对i p 切换进行处理，从而透明地保持m n 与外地网络的连接。进行跨层信息交 互时，网络层能够利用的信息是移动i p 的切换信息和当前网络层使用的物 理网络接口。 移动i p 的切换信息对应用层及传输层而言十分重要，因为利用它能够 节省功耗，提高吞吐量。t c p 能够使用切换信息冻结其重传定时器，应用 层则能够根据切换信息在进行切换时停止发送数据。总之，减少移动i p 的切换时延有助于上层协议改善其吞吐量。因此，为了加快移动i p 的切换 过程，向移动i p 传送链路层的切换信息是必要的。 网络层与其它层进行信息交互的方式包括以下几种： 应用层。无线设备能够提供不同的物理接口以支持不同的业务。例 如，无线局域网接口能够提供有严格时延要求及吞吐量的业务，g p r s 接 口则能够用来提供有严格时延要求的业务。因此，在应用层提出请求时， 网络层就需要根据应用层对q o s 的不同需求，将数据分组路由到不同的物 理网络接口上。 传输层。传输层可利用移动i p 的切换信息来控制其定时器，从而避 免不必要的数据分组重传。 链路层。利用链路层的切换信息将有助于移动i p 协议减少其切换时 延。 物理层。各个物理接口上的误比特率能够用来引导网络层在不同的 物理接口上进行切换及数据转发。 2 4 传输层上的跨层反馈机制 传输层主要负责在网络上进行端到端的连接控制。无线网络是大时 重庆邮电大学硕士论文第二章跨层反馈机制的原理 延、高分组丢失率及高误比特率的网络，因此t c p 传输协议会将因链路恶 化引起的数据丢失解释为拥塞丢失，从而导致传输效率下降。 在进行跨层信息交互时，t c p 层的信息主要包括：往返时间、重传超 时时间、最大传输单位、接收窗口、拥塞窗口、数据丢失数量及实际吞吐 量。 切换是移动通信的重要特征，它能够减小t c p 的吞吐量。因为t c p 会将切换带来的数据丢失及定时器超时解释为拥塞丢失，所以需要利用从 i p 层及链路层传递过来的切换信息来提高t c p 的吞吐量。 传输层与其它层进行信息交互的方式包括以下几种： 应用层。应用层能够将其q o s 需求传递给t c p 层，根据这种信息， t c p 层能够调整其接收窗口。另一方面，t c p 能够将数据分钟丢失率及吞 吐量信息提供给应用层，应用层能够利用其提供的信息调整发送速率。 网络层。由于t c p 具有重传机制及回退机制，移动i p 引起的切换 时延会引起t c p 连接的定时器超时，从而导致t c p 吞吐量下降。而t c p 通过获取移动i p 的切换信息就能够避免因定时器超时而产生不必要的拥 塞控制，从而改善t c p 连接的流量。 链路层。由