（信号与信息处理专业论文）无线ip网络中移动性管理技术的研究和实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 下一代移动通信系统将是全球移动通信系统。而移动性管理技术是无线i p 网络 中最重要和最具挑战性的问题之一。 i e t f ( i n t e m e t e n g i n e e r i n g t a s k f o r c e ) 提出的移动p 协议具有广泛的应用前景， 有望取代现有移动通信系统中的各种移动性管理协议，解决未来移动通信系统中的 移动性管理问题。但移动m 技术也存在一些固有的缺陷，如切换中不能保证通信业 务的服务质量、位置注册时延过长等。目前的研究倾向于采用一种层次型的移动性 管理方法来解决这些问题，即用移动口来支持宏移动( m a c r o m o b i l i t y ) ，而采用更 优化的微移动( m i c r o m o b i l i t y ) 协议来进行本地移动性管理。 基于已有的研究成果，本文在全口蜂窝移动通信系统平台上，提出了一种移动 胜管理方案。该方案由两个重要的支撑协议组成：特有的移动p p p ( m p p p ，m o b i l e p o i n t t o p o i n tp r o t o c 0 1 ) 协议和与之适配的移动i p ( m o b i l ei p ) 协议。这两个协议在 遵循己有标准的基础上，均加入了特有的适合于无线妒网络的部分。移动p p p 协议 在传统p p p 协议的基础上引入了移动性管翌功能支持移动用户的p p p 切换，刹用 隧道等机制实现了数据链路层切换的平滑生。可以很好的支持本地移动性管理：移 动i p 协议采用后注册切换概念在移动p p p 协议的支持下，可以实现移动i p 的央 速平滑切换，在切换过程中不存在数据包的丢失，并可以获得很小的切换时延。本 文对提出的方案的实现和性能仿真进行了详细的讨论，充分的仿真数据表明该j 案 是切实可行的尤其在解决决速平滑的切换方面具有很好的性能，具有一定的创新 l 生。该方案已经在实际系统中实现井得到了应用。 关键词：移动性管理：切换：移动强：隧道：后注册 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ti st h ea l l 一口m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h a tw i l lb et h en e x t g e n e r a t i o no f m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ；m e a n w h i l e ，m o b i l i t ym a n a g e m e n ti s r e c o g n i z e da so n eo f t h ei s s u e st h a ta r em o s ti m p o r t a n ta n dc h a l l e n g i n gi nw i r e l e s si pn e t w o r k s m o b i l et p , w h i c hw a sp r o p o s e db yi e t f ( i n t e m e t e n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) w i t hi t s f a ra n dw i d ep r o s p e c ti na p p l i c a t i o ni se x p e c t e dt ob ea p r o m i s i n gs o l u t i o ni nt h ef u t u r e m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dc o n s e q u e n t l yar e p l a c e m e n to ft h ev a r i o u sm o b i l i t y m a n a g e m e n tp r o t o c o l si n t h e e x i s t i n g m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sn o w a d a y s b u t , m o b i l ei ph a ss o m eb u i l t - i nw e a k n e s s e s f o ri n s t a n c e ，i tf a i l st o g u a r a n t e et h eq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) o fo n g o i n gs e s s i o n si nh a n d o f f s ；i tm a y c a u s eu n a c c e p t a b l el a t e n c yi n l o c a t i o nr e g i s t r a t i o na n d p r e s e n tr e s e a r c h e sa l ei n c l i n e dt oa d o p tah i e r a r c h i c a lm o b i l i t y m a n a g e m e n ta p p r o a c h t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，iem a k i n gu s eo f t h em o b i l ei pt os u p p o n m a c r o m o b i l i t y , a n d t h e o p t i m i z e dm i c r o m o b i l i t yp r o t o c o l s t o m a n a g e l o c a la r e a m o b i l i t y b a s e do nt h er e s e a r c ho u t c o m es of a r , t h i sp a p e rp r o p o s e sa na p p r o a c ho f m o b i l i t y m a n a g e m e n ti n a na l l i pc e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mp l a t f o r m t w oc r i t i c a l s u p p o r t i n gp r o t o c o l s a r ei n c l u d e di nt h i s a p p r o a c h ：o n e i st h es p e c i a l 口p p ( m o b i l e p o i n t t o - p o i n tp r o t o c 0 1 ) p r o t o c o l ，t h eo t h e rt h em o b i l ei pp r o t o c 0 1 a n do nt h ec o n d i t i o n o f c o n f o r m i n g t ot h es t a n d a r d sa l r e a d ye x i s t e d ，b o t ho ft h ep r o t o c o l sh a v eb e e na d d e dw i t h s o m ef e a t u r e s p a r t i c u l a r f o rt h ew i r e l e s si pn e t w o r k st h e f u n c t i o no fm o b i l i t y m a n a g e m e n ti s i n t r o d u c e di n t ot h em p p p p r o t o c o l 、w h i c hc a ns u p p o r tp p ph a n d o f f so f m o b i l es u b s c r i b e r s b yu s i n gt h es c h e m eo ft u n n e l t h e p pp r o t o c o lp r o v i d e ss o f t h a n d o f fi nd a t al i n kl a y e ra n ds i g n i f i c a n t l ys u p p o r t sl o c a la r e am o b i l i t yb a c k e du pb y t h em p p pp r o t o c o l ，t h em o b i l ei p p r o t o c o l c a no f f e rf a s ta n ds m o o t hh a n d o f f = w h i c h a p p l i e st h ec o n c e p to fp o s t r e g i s t r a t i o nh a n d o f fa n dl e a d st on op a c k e tl o s sa n dl o w l a t e n c yi nt h eh a n d o f f sm o r ed e t a i l so nt h ei m p l e m e n t a t i o na n dp e r f o r m a n c es i m u l a t i o n a r ee l a b o r a t e di nm yt h e s i s i th a sb e e np r o v e db yt h es u f f i c i e n ts i m u l a t i o nr e s u l t st h a tt h i s a p p r o a c h i s p r a c t i c a b l e ，e s p e c i a l l y f o ri t sc o n t r i b u t i o ni nf a s t n e s sa n ds m o o t h n e s so f h a n d o 臣w h i c hi sc o n s i d e r e dt ob ea ni n n o v a t i o n t h i sa p p r o a c hh a sa l r e a d yb e e np u ti m o p r a c t i c e k e y w o r d s ：m o b i l i t ym a n a g e m e n t ；h a n d o f f , m o b i l ei p ；t u n n e l ；p o s t r e g i s t r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：铀轴h 年 日期： 一年r 月i 一日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本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 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：柏轴- 军 日期：胪f 年j ，月，日 指导教师签名：等生矗 日婀：p 叶年r 月t o 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 绪论 1 1 1 无线i p 网络的发展 近年来，对移动服务的需求激发着将已有的高速固定无线通信网络升级为无线通 信网络技术的研究。目前，国际化的标准开发组织如3 g p p 、3 g p p 2 、i e t f 、m w i f 等正在全力研究、定义和开发基于全i p 业务传送的蜂窝网结构”i 【6 i ，即在i p 载荷上 不仅能传送数据，而且能传送话音业务。电信标准的权威机构i t u 目前开始开展下 一代网络n g n 的研究。n g n 将是现有固定电话网、移动电话网和因特网在口基础 上的融合。 实现无线全i p 网的有以下优点： 通过口协议无缝隙地提供各种业务，而不管采用何种接入方式( 即无论是通 过地面电话网接入还是通过无线方式接入的用户都呈现出相同的特征) ： 可以随着p 技术的发展而发展，减少服务费用： 可以有效解决多种媒体业务( 如话音、数据和实时业务) 共存的问题； 业务控制可在更高的层：欠： 通过协议可以得到统一的、低费用的营运和维护； 口客户终端可以充分利用因特网业务： 能降低分组传输费用： 宙此可见，核心网和接入网的全化是下一代移动通信系统的研究旨标，育理 国相信基于新一代理网络的移动口协议将取代现有移动通信系统中的各和移动性管 理协议叭而完成移动通信网络的全婵化l 了l 【“。 1 1 2 移动性管理的研究现状 传统的伊【9 l 技术只适用于固定节点间的相互通信，不适用于移动节点：而传统移 动网络中的移动性管理技术也无法满足无线i p 网络的需求。在这个时候，新一代的 移动性管理技术一一移动婵应运而生。1 9 9 6 年末，i e t f 网络工作组提出了， r f c 2 0 0 2 标准，详细阐述了移动口的原理、实现等问题。随后，又出现了阐述i p 内的i p 封装的r f c 2 0 0 3 1 ”标准、i p 内的最小封装的r f c 2 0 0 4 1 ：1 标准、用于p p p i p c p 的移动i p v 4 配置选项的r f c 2 2 9 0 1 ”1 标准。r f c 2 0 0 5 “1 叙述了移动i p 的虚用， r f c 2 0 0 6 ”】定义了移动口的管理信息库。此外，r f c2 3 4 4 ，r f c2 3 5 6 ，r f c2 7 9 4 ，r f c 2 7 9 7 ，r f c3 0 1 2 和r f c3 0 2 5 也相继公布，以满足移动i p 协议在安全和认证方面的 华中科技大学硕士学位论文 一系列需求。 移动是与底层链路无关的，它可以自由的在不同媒介的网络间移动而维持正 在进行的通信业务，具有很强的灵活性，有望获得最广泛的应用。因此，无线口网 络中采用移动m 技术成为一种必然。但移动口技术也存在一些固有的缺陷，如切换 中不能保证通信业务的服务质量、位置注珊时延过长等问题。i e t f 等组织正在就这 些问题展开迸一步的研究。 1 1 3 课题来源 本课题来源于华中科技大学电子与信息工程系与武汉汉网高技术公司联合承担 的国家8 6 3 计划重大课题“宽带无线口通信系统”项目【“h ”1 。 该课题提出的全i p 蜂窝移动通信技术融合了新一代移动通信和无线互联网技 术，是移动通信技术发展和无线互联网技术发展的必然趋势。它借鉴了国内外现有 的第三代移动通信技术和计算机网络技术的最新研究成果，以具有自主知识产权的 先进专利技术为基础，对现有的蜂窝移动通信系统进行了革命性的重大改进，使其 更适于高速无线数据业务的传输需求。 1 2 本文主要研究内容 论文作者在读研期间参与了“宽带无线碑通信系统”课题中网络接入子系统网 络层的研发工作，移动性管理是重要研究方向之一。 本文首先概述了移动性管理的基本概念和发展趋势，并归纳总结出目前研究的主 要问题和解决思路。在此基础上，作者芷全口蜂窝移动通信系统平台上，提出了自 己的移动性管理解决方案。接着着重阐述了该方案中使用的两个移动性管理协议： 处于2 十层的移动p p p 协议和处于网络层的移动口协议。这两个协议在遵循已有标 准的基础上，均加入了特有的适合于无线口网络的部分，它们有机的结合在一起， 很好的解决了无线i p 网络中采用传统的移动性管理技术遇到的问题。文中对提出的 移动性管理方案的实现和仿真进行了详细讨论，试验结果表明该方案是切实可行的， 尤其在解决快速平滑切换方面具有很好的性能，有一定的实用价值。 该论文的组织结构如下： 第一章主要介绍了无线i p 网络和移动性管理技术的发展概况，指出无线m 网络 是移动通信网络的发展趋势，无线p 网络中的移动性管理技术是个值得研究的重 要课题。 第二章阐述了移动性管理的基本概念，并对现有的移动性管理协议进行了详细的 研究，对当前移动性管理遇到的| 可题和发展趋势进行了总结。在此基础上，确定了 华中科技大学硕士学位论文 本文的研究重点和基本解决思路。 第三章首先简要介绍了全蜂窝移动系统平台，接着按照确定的研究重点和解 决思路提出了自己的移动性管理解决方案，该方案包括两个不同层次的移动性管理 协议：移动p p p 协议和移动i p 协议。本章剩余部分对这两个协议分别进行了简要介 绍。 第四章主要介绍移动p p p 协议的实现和仿真。首先对移动p p p 协议的核心内容 进行了说明：移动用户的工作状态、位置区组织与网络接入点界定以及位置管理和 切换管理所需要的所有过程。接着给出了两个最重要的切换管理过程的协议流程。 最后对移动p p p 协议进行了仿真，给出了仿真平台，着重分析了切换管理的性能， 在试验数据的基础上得出相应的结论。 第五章重点阐述了作者提出的移动心快速平滑切换方案。首先介绍了目前标准 移动i p 方案遇到的问题，介绍了一种后注册切换模型。接着对提出的移动婵快速平 滑切换方案进行了详细介绍，指出了该方案的要点和优越性。最后对该方案进行了 仿真，给出了仿真平台和仿真结果，并作了小结。 第六章是全文的总结和展望。首先对全文进行了总结，然后针对无线【p 网络中 移动生管理技术的发展目标和研究趋势提出了新的研究方向。 最后是致谢与参考文献等。 华中科技大学硕士学位论文 2 移动性管理 2 1 移动性管理基本概念 移动性管理是移动通信和移动计算中最重要和最具挑战性的问题之一。移动性 管理的目的是为终端和业务提供移动性支持。移动性管理包括两个方面的内容：位 置管理和切换管理【1 9 1 【2 0 i 。下面分别对它们进行表述。 2 1 1 位置管理 位置管理使得网络在有寻呼业务到来时能够确定漫游用户的位置并传递呼叫。如 图2 1 所示，位最管理由两个阶段组成。第一个阶段是位置注册( 或者位置更新) ， 在这个阶段里，移动用户周期性的通知网络其新的接入点，网络来对移动用户进行 认证并记录该用户新的位置信息。第二个阶段是呼叫传递，即当网络收到移动用户 的呼叫业务时需要通过记录的位置信息进行终端呼叫，从而发现移动用户当前的 位置。 位置管理 位置注册( 更新) 苎 苎l 一 更新数据库 、 呼叫传递 j ! 一) k 一 蠹询数据库咚端寻呼 图2t 位置管理 当前的位置管理策略涉及到数据库结构设计和网络上不同节点之间信令消息的 交互。随着移动用户持续快速的增长，设计新的和改进的位置管理策略成为一种必 要。当前需要研究的问题如表2 1 所示。 位置管理的阶段需要研究的问题 认迁安全 数据库更新数据库结构( 集中式、分布式) 、动态数据库更新、更 新时延 数据库查询数据库结构( 集中式、分布式) 、查询时延 终端寻呼终端寻呼策略、寻呼时延( 基于距离、基于时间) 表21 位置管理需要研究的问题 4 一 华中科技大学硕士学位论文 因为位置管理主要进行数据库操作和处理信令数据，许多需要研究的问题是协议 无关的。因此位置管理策略可以应用到不同网络中，如目前存在的信息网络：基于 p l m n 的网络，p s t n ，i s d n ，i p 帧中继，x2 5 和a t m 网络等。 2 l 2 切换管理 切换管理的实现使得网络能够维持不断移动和改变网络接入点的终端的链接。 根据切换的发起方来划分，有三种切换策略：网络控制的切换( n c h o ， n e t w o r k c o n t r o l l e dh a n d o i f ) ，移动台控制的切换( m c h o ，m o b i l e c o n t r o l l e dh a n d o i f ) ， 移动台辅助的切换( m a h o ，m o b i l e - a s s i s t e dh a n d o f f ) 。 如图22 所示，切换管理有三个阶段。第一阶段用户和网络代理进行用于切换的 初始化工作：第二阶段是新的链接的生成，在这个阶段里，网络必须为用户分配新 链接的资源，并进行必要的路由搡作。在网络控制的切换( n c h o ) 和移动台辅助切 换( m a h o ) 策略中，网络生成一个新的链接，分配必要的切换资源并进行路由操 作。在移动台控制的切换( m c h o ) 策略中，由移动终端寻找新的资源，而由网络 批准。切换管理的最后阶段是数据流量控制，将老的链接上的流量中转到新的的链 接，以保证服务质量。 目前移动切换研究的重点问题有： 提高数据包处理的效率； 降低网络上信令消息的负载： 优化每一个链接的路由： 高效辜的带宽再分配： 评价已有的方法，进行际准化工作： 无线链接的服务保证( q o s ) 。 和位置管理协议不同，有关路由、资源管理和数据包传输的切换协议在不同的 网络协议中是有很大不同的。 在无线i p 网络体系结构中，一般来说( 如3 g p p 2 ) ，整个网络的切换分为三种： 空中接口级的切换，链路级的切换和网络级的切换。其中空中接口级的切换取决于 无线传输技术：链路级的切换一般采用隧道技术，维持无线接入网中的p p p ( p o i n t t o p o i n tp r o t o c 0 1 ) 连接；网络级的切换一般采用移动i p ( m o b i l ei p ) 技术， 维持上层通信业务的不中断【2 l l 。 华中科技大学硕士学位论文 切换管理 圈2 2 切换管理 从协议分层的角度来看，解决移动计算的方案主要分为两种，即数据链路层方案 和网络层的方案。这两种方案的主要区别是：前者提供节点的同质移动功能，即提 供同种媒介的网络间的移动功能；后者提供节点的异质移动功能，即提供在不同种 媒介间移动又保持现有通信的功能。而在无线i p 网络中，往往需要同时支持数据链 路层和网络层的切换，用数据链路层的切换来解决微移动问题，用网络层的切换方 案来解决宏移动问题。 2 2 现有移动性管理协议 在移动i p 出现之前移动通信界也有自己的解决移动用户数据传输的方案，比 如c d p d l 2 2 】f 2 3 1 ( c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a ) 方案，它就能在模拟蜂窝系统的空闲信道 中传送i p 数据包，然而c d p d 方案只是一个数据链路层的解决方案，无法解决用户 在不同网络媒质下的不间断通信问题。而移动i p 是和底层的链路无关的，它可以自 由的在不同媒介的网络问移动而维持正在进行的通信业务，因而具有很强的灵活性 和广泛的应用前景【2 。因此，移动i p 有望取代现有移动通信系统中的各种移动性管 理协议，解决未来移动通信系统中的移动性管理问题。 但将移动i p 方法应用在频繁切换的环境下，会导致很高的信令负载，引入不可 接受的切换时延和数据包丢失，很难伢= 证通信业务的q o s ，为此，人们提出了一种 层次型的移动性管理方法，即用移动i p 来支持宏移动，而采用更优化的微移动协议 来进行本地移动性管理。 i e t f 讨论了不同的微移动协议。这些协议应该综合有关位置管理、路由和切换 华中科技大学硕士学位论文 机制方面的一些重要设计特色，而且应该满足实现的简单性、效率和性能等方面的 要求】。目前，层次型的移动性管理方法2 6 1 2 7 1 主要可以分为两类： 层次型的隧道机制如层次型移动口( h m i p ，h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p ) 【2 。该 方案使用树型结构的f a ，发往m n 的数据包在h a 处封装，然后发送到根 f a 。每个在到m n 路径上的f a 先解隧道封装，然后再封装发送到下一个层 次的f a 。当m n 在不同的基站间移动时，位置更新在适当层次的f a 上进行。 基于主机路由方式的切换敏感无线接入因特网结构( h a w m i ，h a n d o f f a w a r e w i r e l e s sa c c e s si n t e m e ti n f r a s t r u c t u r e ) 2 9 t 和蜂窝i p ( c i p ，c e l l u l a ri p ) 3 0 1 3 1 1 ， 使用特殊主机路由( m o b i l e s p e c i f i cr o u t i n g ) 而不是隧道来路由同一个接入 网内的数据包。 下面对相关的现有移动性管理协议作一个简单的介绍。这里我们的研究基于目前 主流的i p v 4 ，暂不考虑基于碑的下一个版本( i p v 6 ) 的移动i p v 6 ”j 。 2 2 1 _ 移动i p 分析 i e t f 在r f c 2 0 0 2 中定义了移动i p 的三个功能实体；移动节点( m o b i l e n o d e ) ，家乡代理( h a ，h o m e a g e n t ) ，9 0 区代理( f a ，f o r e i g n a g e n t ) 。 移动节点：是指接入互联网的节点从一条链路切换到另一条链路时仍然保持所 有正在进行的通信，并且只使用它的家乡遗址( h o m ea d d r e s s ) 的节点，移动节点有 两个地址，家乡地址和转交地址，家乡地址是指“永久”分配给该节点的地址，就 缘分配给固定的路由器或主机的地址一样，转交地址是它在外地代理上所分配的地 址。 家乡代理：有一个端口与移动节点家乡链路相连的路由器，它保留有移动节点 的家乡地址。一般来说有如下特点：在移动节点切换到外区网络时，截取送往移动 节点的家乡地址的包，并将这些包通过隧道技术传送到移动节点的转交地址上。 外地代理：在移动节点的外地链路上的路由器，它有以下特点：帮助移动节点 通知自己家乡代理它的转交地址：作为连接在外地链路上的移动节点的默认路由器： 有时提供移动节点的转交地址，并为已被家乡代理设置了隧道的移动节点发送拆封 后的包。 其网络构架如图23 所示。 7 华中科技大学硕士学位论文 k o b i l en o d e 墨2 3 i e t f 咎动口同络掏桨 移动i p 的工作机制一般可分为以下几个步骤： 1 ) h a 或f a 组播个代理广播消息： 2 1 瓶投到代理广播消息后，检查自己是位于家乡链路还是9 、地链路上，当位 于家乡链路时，m n 像固定节点一咩工怍：如果是外地节点，则转到第3 步： 3 ) 通过外地代理的代理广播消息，m n 得到转交地址； 4 ) 沁向h a 注册它的转交地址： 5 1h a 向家乡链路上的路由器广播移动节点家乡地址的网络前缀，使发向m n 的数据包被h a 获得，然后通过隧道向转交地址传送； 6 ) 在f a 处数据包从隧道中提取出来给m n ； 7 ) 当m n 向外发送数据包时，照常处理。 这种基本的移动p 要求m n 每次切换时都要向h a 注册，导致切换时延较长、 分组丢失和h a 负担加重，三角路由更使h a 成为通信瓶颈。 2 ，2 2 层次型移动t p 层次型移动i p 方案使用树型结构的f a 。发往m n 的数据包在h a 处封装，然 后发送到根f a 。每个在到m n 路径上的f a 先解隧道封装，然后再封装发送到下一 个层次的f a 。当m n 在不同的基站间移动时，位置更新在适当层次的f a 上进行。 移动节点m n 使用移动口的注册扩展实现注册的本地化，但不对不同域问的切换做 8 吝 华中科技大学硕士学位论文 任何处理。层次移动管理方案优化了网络路由，并可以实现平滑切换。 其网络构架如图2 4 所示。 凰 图24 层次型移动i p 方藁网络构架 2 2 3 蜂窝i p 和i q a w a i i 方案 蜂窝i p 和h a w a i i 方案与层次型移动i p 方案相似均采用合适的方式区分出 m n 的本地移动性和全局移动性。对于全局移动性，均采用i e t f 的移动i p 协议完成。 对于本地移动性，h a w a i i 定义了域( d o m a i n ) 的概念，c e l l u l a r i p 则定义了一个蜂 窝i p 接入网。在域或接入网内部，多个路由器构成树状层次型结构路由协议并非 是基于网络前缀的i p 路由协议。 i ) 蜂窝i p 方案 蜂窝i p 是美国哥伦比亚大学研究人员的研究成果它可以适用于昕有网络提 供全球移动支持。蜂窝i p 使用一个特殊的移动性代理，同时作为通 主因特网的网关 和移动i p 的外地代理，用蜂窝i p 协议代替无线接入网内部的i p 协议，路由方式使 用移动节点在接入网络时建立和更新经历的路由器。这些路由器保证了移动终端接 入到网络和网关。蜂窝i p 方案中每个站点具有一个路由缓存( r o u t i n gc a c h e ) ，用于 将数据包从网关发往移动节点，或者从移动节点发往网关。潞由通过逐跳传送特殊 的控制数据包建立和维持，这些控制数据包将促使路径上的站点更新其路由缓存。 网关周期性地发送信标到整个网络。通过这种机制每个站点都能从信标知道自己 的哪些接口必须用于传送数据包到网关。另一方面，在每次切换改变接入点接入网 络时移动节点将发送路由更新数据包，这些数据包被逐跳传送至网关并促使路径上 的站点更新与移动节点相关的路由缓存。切换使用两种机制：硬切换和半软切换， 硬切换没有任何保证机制，而半软切换能够显著减少丢包现象。蜂窝i p 还使用传统 的寻呼模式支持被动连接性：一些站点具有寻呼缓存，用于寻呼请求的情况。 华中科技大学硕士学位论文 2 1h a w a i i 方案 h a w a i i 是美国l u c e n t 公司和c o r n e l l 大学的研究成果。其基本原理是把口移动 管理作基于域的分割。这种移动性管理方法类似于已有的路由协议的分类，即域内路 由( 如r i p ) 和域间路由( 如b g p ) 。 h a w a i i 方案工作于口层之上，而不是代替疋，在h a w a i i 方案中，每个站点 都按照传统i p 路由器的方式工作，只是具有h a w a i i 的特性。 h a w a i i 的工作原理类似于蜂窝i p ，每个站点都具有路由缓存用于支持移动性管 理，特殊数据包的逐跳传输促使站点更新路由缓存。h a w a i i 为不同的无线接入技术 提供了两种不同的切换机制，这两种机制具有不同的记录作网络优化。和蜂窝【p 相 似，h a w a i i 也使用寻呼机制支持被动性连接，地理寻呼区由隶属于同一多点传 送组的站点组成，寻呼消息使用了内部整合的资源预订协议r s v p 适应用户的移动 性，这样，h a w a i i 就自然减少了由于路径改变带来的资源预定。假设移动节点是一 台接收机，切换的时候，网络只为路径上变化了的部分作资源预定。h a w a i i 方案不 同于c e l l u l a ri p 方案在于它尽量采用常规的移动碑协议，实际上是移动口协议的扩 震。在h a w m i 方案中，宏移动( m a c r o m o b i l i t y ) 用标准的移动口支并、而h a w a i i 怍为域内协议支持微移动( m i c r o m o b i l i t y ) 和寻呼( p a g i n g ) 。 h a w a i i 方案的网络构架如图25 所示， 2 3 问题的提出 囤25 h a v e , d 方案厨络掏巢 采用移动i p 来解决无线口网络中的移动性管理成为一种必然，但必须有更为优 化的微移动性管理协议来处理本地移动性这种层次型的移动性管理结构为大家所 鳕 华中科技大学硕士学位论文 认同。以上讨论的层次型移动i p 、蜂窝p 及h a w m i 等方案都遵从了这样的思路， 它们都有自己的特点，但同时依然存在一些问题。层次型移动碑方案有效地区分出 本地移动性和全局移动性，使注册信令开销大为降低。但是，由于f a 层次的增多， 发向m n 的数据包需经过多次隧道封装，使网络负荷和处理时延增加，同时该方案 依然未能解决m n 在两个管理域的边界频繁切换时遇到的问题；蜂窝四和h a w m i 方案同样能有效地区分出本地移动性和全局移动性，且在接入网内部突破了口路由 协议的限制，使实旖更加灵活，但这种灵活以牺牲不同接入网的兼容性为代价。在 对目前解决方案进行充分研究的基础上，本文提出了自己的移动性管理方案。该方 案遵从层次型移动性管理方法的解决思路：采用处于2 + 层的移动p p p 协议处理本 地移动性同时移动p p p 为移动婵屏蔽了链路屡的切换，使移动硬很容易实现快 速平滑的切换。移动p p p 协议支持分布式的全口接入网结构，这种分布式的接入网 结构突破了以上各种方案中“域”的概念，不会像层次型移动口方案那样增加网络 负荷和处理时延，同时在接入网内使用标准球路由协议，具备很好的灵活性和兼容 性。下面将对提出的方案作进一步的介绍。 华中科技大学硕士学位论文 3 全l p 移动通信系统移动性管理解决方案 3 1 全i p 移动通信系统平台 我们的研究基于图31 所示的分布式全口移动通信系统1 3 4 3 ”。该系统直接在基 站控制器中集成口网络接入能力，同时利用移动母解决异构系统的漫游和切换问题， 可直接挂接在i p 城域网中运行，充分利用口城域网的丰富接入与传输资源。 瑁31 分市式全妒碜鼋通信系统结构 该系统的简要说明如下： i p 基站子系统包括i b s c ( i p 基站控制器i pb a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ) 和基站， 可支持单扇区、3 扇区和6 寮区基站布置： i p 基站子系统直接提供【p 网络接入能力，同时支持简单p 接入和移动i p 接入方式； 利用移动i p 协议，支持用户在基站间的切换和异构系统间的切换： i p 基站子系统集成f a ( 外区代理，f o r e i g n a g e n t ) 功能同时也可完成对外 部f a 路由器的镜像应用； 华中科技大学硕士学位论文 3 2 移动性管理解决方案 我们采用的移动性管理策略由两个重要的支撑协议组成：特有的移动p p p ( m p p p ，m o b i l e p o i n t t o p o i n t p r o t o c o l l 3 6 1 ) 协议和著名的移动i p ( m o b i l e i p ) 协议。 这两个协议在遵循已有标准的基础上，均加入了特有的适合于无线i p 网络的部分。 移动p p p 协议利用隧道等机制实现了数据链路层的软切换可以很好的支持本地 移动性管理；移动i p 协议采用后注册切换概念，在移动p p p 协议的支持下，可以实现 移动i p 的快速平滑切换，在切换过程中不存在数据包的丢失，并可以获得很小的切 换时延。下面分别介绍移动p p p 协议和移动i p 协议。 3 2 1 移动p p p 协议概述 为了更好的理解移动p p p 协议，我们先给出简单i p ( 即没有移动i p 协议支持) 版 本的系统网络协议栈。图3 2 ( a ) 描述了移动节点m n 在归属摹站控制器时的协议栈模 型：图3 2 f b ) 描述了m n 漫游到其它基站控制器时的协议栈模型，此时归属基站控制 器和拜访基站控制器间建立了i p 隧道，m n 的上行流量由拜访基站控制器通过隧道转 发至归属基站控制器，m n 的下行流量由归属基站控制器通过隧道转发至拜访基站控 制器。 移动节点基站基站控制器 主机 圈3 ：f a ) 简单l p 移动苗点m n 在归届蕞站控制器时的协泌枝 移动节点基站 拜访基站控制器 归属基站控制器 主机 圈3 2 f b l 简单i p 移动节点m n 漫游到其他基站控制器时的协议栈 如上图，系统的协议结构类似标准的o s i 参考模型，其各协议层次之间具有开 放性接口，即各层采用的技术并不相互依赖可独立更新演进。在该项目研究中， 数据链路层根据功能可划分为三个子层：移动p p p 子层( m o b i l ep p p ) 、无线链路控 制子层( r l c ) 和媒体介入控制子屡( m a c ) 。r l c 层向上层移动p p p 层提供服务 嗣主圉 髫 华中科技大学硕士学位论文 下面对其进行简要的介绍，由于篇幅问题，其它协议层次的介绍省略。 无线链路控制( r l c ) 子层主要实现对r l c 子层服务数据单元的分割和重组、 加密和解密、传输差错控制和各种数据逻辑链路的建立、释放、配置等功能。r l c 子层由多个r l c 实体和控制实体组成。r l c 实体可根据传输业务类型的不同，配置 成非确认模式、可靠传输模式、尽力可靠传输模式。r l c 控制实体的主要功能是实 现数据逻辑链路的建立、释放、参数配置，以及数据链路层的软切换控制过程。r l c 控制实体通过无编号的链路控制p d u 实现多个不同类型数据逻辑链路的动态建立、 释放和参数配置。此外r l c 控制实体还配合m a c 子层和移动p p p 子层共同完成数 据链路层的软切换控制过程。 移动p p p 子层位于数据链路层与口层交接处，主要负责建立移动终端与基站之 间的点对点连接，为移动终端提供网络接入注册、认证、数据链路的建立、维护和 终端的移动性管理功能。移动p p p 协议与传统p p p 协议的主要区别在于引入了用户 小区移动性管理功能，可支持移动用户的p p p 切换，即在移动p p p 协议的支持下， 当用户发生小区切换时，数据链路层无须经过中断后重新建立的过程，而直接实现 链路切换，并且不会让网络层及其以上层协议感知底层的变化，我们称之为数据链 路层的软切换。 移动p p p 的具体功能可以分为移动陛管理和网络接入管理，根据用户的不同漫 游状况，这两大功能可分布在不同的i b s c 间实现：即某用户可在l b s ca 获得网络 接入，而当前正处于i b s cb 的无线覆盖区内。移动p p p 从概念上主要包括以百几个 要点； l 、存在三种形式的i b s c ：h i b s c ( h o m em s c ) 即归属i b s c ，侈动用户获得网 络层接入的i b s c ：v i b s c ( v i s i t i n gm s c ) o o 拜访 b s c ，移动用户获得当前无 线传输接入的i b s c ：f i b s c ( f o r w a r d i n gm s c ) 即前转i b s c ，移动用户在切 换到新v i b s c 过程中的原v i b s c 。三种i b s c 的划分没有固定的模式，完全 取决于移动用户个体的漫游状态，如可以存在这种情况：某i b s c 是用户a 的h i b s c ，同时是用户b 的v i b s c 。 2 ) 动态确定归属和拜访关系，用户可在任何i b s c 获得网络层接入，同时在任 何i b s c 获得无线链路接入i b s c 间采用i p 隧道承载可能的移动p p p 协议 数据单元与信令。 3 ) 移动p p p 采用两类操作管理用户的移动。位置更新操作支持用户处于空闲状 态下，在不同蜂窝覆盖区间的移动；切换操作提供对用户处于活跃状态下移 动的支持。 4 ) i pq o s 的分布式实现：h i b s c 解析数据包的业务特性，给出f p 数据包的 华中科技大学硕士学位论文 业务类型区分和优先级划分，v i b s c 根据不同的优先级和用户当前的无线传 输状态完成相应的调度。 3 2 2 移动i p 协议概述 系统实现移动p p p 的移动性管理之后，我们可以进一步集成移动i p 协议。集成 移动i p ( m i p , m o b i l ei p ) 协议后的系统协议栈如图3 3 所示，分别对控制平面和数 据平面进行了介绍。 如图3 3 ( a ) ，当m n 进入外区网段时，通过控制平面完成向h a 的注册和鉴权过 程。当m n 在归属网段时，注册在同一b s 完成。在切换过程中，移动p p p 协议和 移动i p 协议配合实现移动i p 的快速平滑切换。如前面所讨论，此时，移动p p p 协 议相当于微移动性协议，为移动i p 协议屏蔽底层的切换；而移动i p 协议提供宏移动 性管理。这种策略很好的解决了无线i p 网络中采用标准移动i p 遇到的问题。在以下 的章节还将详细讨论。 侈动节点罐站差站控劫器，f a甚站茬秘器，h a 图33 1 a ) 眵动i p m n 在；1 - t 育同段时控制甲面协i z 栈 如图3 3 ( b ) ，m n 在归属网段时，相当于简单i p 情况，数据无需h a 转茛。基站 集成了p p p 服务器( p p ps e r v e r ) 、h a 和f a 功能，当m n 在基站a 获得i p 地址， 则基站a 即为m n 的h a ，其他基站为m n 的f a ，直到i p 地址无效为【e 。 道。 移动节点摹站基站控制器 主机 圈33 1 b ) 移动i pm n 任f j 属i 毫4 段的数据平面协议拽 如图3 3 ( c ) ，m n 在外区网段时，如协议中所描述，f a 和h a 之间建立了i p 隧 华中科技大学硕士学位论文 图33 ( c ) 移动i pm n 在外区网段时的数据平面协议栈 第二章对标准的移动i p 协议进行过介绍，这里实现的移动i p 协议在标准移动i p 协议的基础上有所改进。其实现细节将在