移动互联网中的资源管理和服务质量控制

　众所周知，传统的互联网不能很好地支持用户的移动性，而传统的移动通信网又不是针对数据和多媒体业务来设计的，因此两者的融合必然带来许多新的挑战。

　　1 移动互联网面临的挑战

　　尽管半导体技术与光纤通信技术的飞速发展缓解了许多带宽需求上的矛盾，但实践已经清楚地表明，业务量需求的增长迟早是要超过可以利用的网络资源的，尤其是在无线通信领域“无线的资源永远是有限的”。因此网络资源的合理分配与调度，以及服务质量控制技术的研究至关重要。

　　无线互联网主要分为两大部分：一是无线接入技术，二是移动IP技术。从通信协议上看，无线接入部分完成通信协议的物理层和数据链路层的功能，而移动IP部分则是网络层以上的协议。但实际上，两者之间具有相对的独立性，可以灵活地选择各种不同的无线接入技术与移动IP技术进行组合。为此，我们大致可以将无线互联网所面临的技术挑战分为以下几个部分：

　　(1)高效大容量无线分组传输技术，包括无线信道衰落模型、抗干扰编码技术、高效功率控制技术、GPRS分组传输技术等。

　　(2)基于无线IP/ATM的多址接入技术，包括适合于无线IP/ATM接入的空中接口协议、无线IP/ATM的帧格式及传输协议、信元及IP帧的帧保护措施、IP包的调度和重传机制、无线多媒体业务的多址接入技术、无线IP与骨干网的互连技术等。

　　(3)基于移动IP技术的用户位置管理技术。Mobile IP所要实现的是一台计算机漫游到新的网络时(在登记IP的网关以外)，用户在不中断现有IP连接的情形下，仍可以继续通信。但是在现有的TCP/IP协议下，移动用户若不修改IP地址，就找不到网关发送数据，若修改IP就会失去连接；另一方面，对路由器来说不可能存储每一台移动设备的IP当前位置，因此，必须有一种新机制来实现移动IP。

　　(4)移动互联网的网络管理，包括适合于移动互联网的网络管理技术，如用户移动性的管理技术、移动用户的快速越区切换技术、无线用户的网络定位技术(尤其是在存在多径干扰的情况下)、网络可靠性和生存性管理技术、无线Ad Hoc网络的QoS路由技术、无线局域网组网技术及其信道抗干扰技术。

　　(5)移动互联网服务质量控制技术，包括无线接入部分的流量控制、无线信道中的快速重传机制、宽带无线接入业务的界定、无线业务呼叫接纳控制、越区切换业务的服务质量保证、TCP层窗口控制与无线ATM层流量控制技术的匹配、衰落信道对IP数据业务吞吐量的影响及其对策等。

　　(6)向Mobile IPv6的平滑过渡。因为互联网的巨大成功也产生了很多新的问题，如IP地址极度匮乏，迫切需要服务质量和安全保证，移动性能需要提高等。IPv6弥补了这些不足，它能够提供强大的地址空间，实现层次化地址及自动路由，支持自动配置和即插即用，提供完善的安全保证，支持移动，提供服务质量保证等。未来的基于IPv6的无线网络会有自身的特点，首先一定是一个规模巨大的网络，这就会带来路由表膨胀的问题，同时更加需要快速灵活的路由算法。而由尽力而为的网络提供服务质量保证也不是容易的事。未来用户以移动用户为主，也会带来很多问题，如频繁的越区切换、移动终端的功率受限。

　　2 无线传输过程中的服务质量控制

　　移动互联网的无线传输部分主要可以分为蜂窝网和无线局域网两大阵营，目前两者都已经发展到了相当成熟的地步。但随着网络规模和用户数量的急剧增多，如何合理有效地分配有限的无线资源，以及如何简单公平地保证服务质量成为人们越来越关注的问题。

　　与有线信道相比，无线信道的环境更加复杂，有很多独特的特性。首先，无线传输的开放性导致信号的衰落与干扰，如多径衰落、多普勒频移、阴影效应、远近效应等，从而导致无线信道的有效带宽不是一成不变的，而是随时间而动态变化的；另外，由于信道的时变特性以及发射/接收功率的不同，处于小区不同位置的用户具有不同的信道特性，无线信道还具有位变的特性。也正是由于无线信道的低带宽及高误码特性，使得某些上层的协议如TCP等在无线链路的环境下效率低下，并导致吞吐量恶化。

　　无线网络中有很多提供QoS保证的方法。对于物理层，主要是通过降低误码率来提高信道容量，如信道编码、调制、交织技术等；链路层则侧重于无线资源的管理与利用，包括无线媒体接入控制协议(MAC)、无线连接的呼叫接纳控制(CAC)及功率控制、无线连接的调度等；网络层则主要是通过本地重传、路由优化等提供QoS保证，具体有无线TCP、快速无缝的越区切换、动态路由和带宽分配等。

　　无线链路的误码类型和有线的不同，主要有随机丢失、突发性丢失和与位置相关的错。随机丢失可用贝努利分布描述单比特的丢失，用二项分布描述一个分组内丢失(错误)的比特数分布。突发性丢失将信道状态分为Good(G)和Bad(B)两种状态，在各状态的停留时间为负指数分布，可以描述错误发生的相关性。还可以将信道状态进一步细分，形成多状态的Markov信道模型。理论证明，任一随机过程，均可以用多态的Markov模型来逼近。另外，由于干扰、衰落以及多径，一个小区在某一时刻内发生错误的链路数是一个随机值，形成的错误与位置相关，这是无线网络中特有的性质。

　　由于无线信道的时变及位变等特性，适当的接入控制和资源调度至关重要。一般来说，信道状态好的时候可以多传一些信息，差的时候少传一些。对于CDMA系统及无线分组网络，由于用户之间存在相互干扰，适当地限制用户接入是完全必要的。同时静态或动态的资源分配也是必不可少的。需要注意的是，无线链路的容量是时变的，由于信道的误码率高，为了保证信道一定的可靠度，需要用到自动重传请求/前向纠错编码(ARQ/FEC)，即需要对标称的源速率进行一定的带宽补偿；另外还有位变的无线信道导致各个链路上的错误并不是同时发生的。一般来说，对越区切换的优先权应大于本小区内新发起的呼叫，并且不同类型业务对带宽、时延以及丢失率的要求也都各不相同。

　　目前，对CDMA的资源调度已经有了很多研究，可以看出静态资源分配中的很多问题可以表现为优化问题，而动态分配的方式可以更有效地利用网络资源；同时，通过时间的划分，在较小的时间单位内结合用户的要求与流量特性进行资源的分配的slotted-CDMA和CDMA/TDMA混合系统，可以比传统的单一并发型CDMA系统有更好的资源利用率；另外，有线网络和TDMA无线网络中解决调度问题的一些思路可以移植到时间划分后的CDMA系统中，有利于解决资源分配的公平性问题。对于多媒体CDMA系统的功率控制，目前主要的研究方向有：在满足必要的条件时，得到最优化的功率控制或近似最优的功率控制；在不完善的条件下，实现功率控制及最大化系统容量[1?7]；利用效用函数进行功率和速率的联合控制[8]。

　　目前无线TCP/IP面临的挑战包括流量控制、重传机制和定时估计3个方面。流量控制方面的主要问题有：在有大带宽延时积的网络中TCP的窗口控制过于粗糙，端对端反馈机制的响应时间过长；无线非拥塞丢失导致产生错误的拥塞避免动作；多连接共享缓存时对长延时连接的不公平带宽分配。重传方面的主要问题有：端对端的分组丢失重传效率低、速度慢和累计确认对丢失分组的检测能力有限。在定时估计方面主要是无法适应链路重传导致的端到端延时的突发变化[9,10]。

　　对无线局域网(WLAN)而言，物理层采用的技术并不象无线蜂窝网那么复杂，否则就无法实现终端接入的简便灵活。因此，WLAN保障QoS的关键还是在其特殊的MAC层。802.11a和802.11b的MAC层协议沿用最早的802.11版本，定义了两类接入方式：分布式协调功能(DCF)和点协调功能(PCF)。其中DCF是基于竞争的接入方式，包括基本接入机制和要求发送/清除发送(RTS/CTS)接入机制，核心技术均为载波监听多址接入/冲突避免(CSMA/CA)。可选的PCF则建立在DCF基础上，由网络的点协调者采用轮询方式对各无线终端待传送的业务进行统一调度。值得一提的是，DCF中的RTS/CTS接入机制是为了解决“隐藏站点”问题而制订，尽管带来网络开销的增加，却能在分组较大和网络中站点较多的情形下比基本接入机制获得更高的吞吐量。

　　由于DCF方式不能完全避免分组的碰撞冲突，无法控制分组经历的时延，因而不适于传递实时业务；PCF方式虽然无需竞争接入，更适合传递对时延敏感的业务，却没有真正实用。DCF和PCF都没有优先级的区分，无法保证不同用户和业务的不同QoS要求。随着多媒体业务在WLAN中的逐步应用，为了实现业务区分和分级QoS，需要对传统的MAC层协议进行改进。首先可以在DCF中引入优先级，通过不同的协议参数实现类的区分。这些参数包括初始竞争窗口大小、重传窗口增加因子、计时器开始退避之前的等待时间、一次传输允许的最大帧长、最大重传次数等。竞争窗口越小、等待时间越短。文献[11]利用二维马尔可夫链理论模型，分析了在IEEE 802.11中不同优先级类别(通过不同初始窗口大小、窗口增加因子和最大重传次数区分)所达到的饱和吞吐量和饱和延时。数值结果表明不同类别的吞吐量和延时都得到了很好的区分。其次可以采用分级的调度策略和适当的信令方式改进传统的PCF协议，在同样无线信道状况、终端数目、系统参数情况下支持更大数目的多媒体终端，保证差分的QoS要求和公平性。其中分级的调度策略指的是接入点(AP)调度无线终端，而每个终端调度语音、视频和数据业务源，给予语音和视频业务高于数据业务更高的优先级。同时存在于AP和用户终端的分布式调度机制也将根据分组的延时要求调度传输，从而实现差分的QoS保证。

　　现有的WLAN协议标准中，802.11a与802.11b占据了主要的地位，但这两种规范由于工作在不同的频段而不能够相互兼容。2001年末，考虑到市场对于融合性和实用性的需要，诞生了802.11g协议。它综合了已有802.11a与802.11b两种协议规范的优势，规定了在2.4 GHz上必须提供正交频分复用(OFDM)，并且通过采用RTS/CTS机制可以解决同一个基本服务集合(BSS)中802.11b和802.11g设备的兼容，保证了向后兼容性。802.11e协议在MAC层提供了一套支持QoS的改进功能，包括增强的分布式协调功能(EDCF)，它定义了不同接入类别和用户优先级，通过不同竞争窗口参数和帧间间隔(IFS)给CSMA/CA引入优先级的区分；此外，AP中存在一个称为混合协调功能(HCF)的接入模式，它基于与传统PCF类似的轮询机制，为了满足业务的QoS参数要求，可以在竞争期的任意时刻开始无竞争的控制接入期。

　　3 移动过程中的服务质量保证

　　对于移动通信来说，越区切换时的服务质量保证非常重要。基于TDMA的蜂窝网中使用的是硬切换，一般采取资源预留和优先级控制等方法保证切换质量。而基于CDMA的无线通信系统使用的是软切换技术，一般需要从功率控制和速率分配两个方面进行QoS保证。基于WLAN的分组交换网，因为最初设计只是为了游牧式接入，所以目前很少考虑切换的问题。

　　在移动互联网中，核心网将会采用全IP技术。由于IP技术与各种无线协议是相互独立的，因此核心网可以支持各种无线接入网，这就使得核心网具有极高的灵活性和可扩展性。为了能让IP网络支持各种移动设备的接入，移动IP(包括移动IPv6)技术在最近几年有了很大的发展。移动IP是现有IP技术的移动性扩展，它在支持终端的移动性的同时，保持了原有IP网络中的路由机制。利用移动IP提供的机制，移动终端在移动到新的网络子网之后，仍然能使用原有的IP地址进行通信。但是移动IP只是提供了移动终端漫游的能力，而缺乏QoS的保证。对于有QoS要求的业务(如实时业务)而言，目前的移动IP技术很难满足要求。由于移动IPv6与移动IPv4相比，有更好的QoS保证，因此下面的讨论主要以移动IPv6为主体。

　　对于移动IPv6而言，QoS的问题主要是由终端的移动引起的，原因有两方面，一个是越区切换的过程，另一个则是网络的动态特性。

　　首先讨论越区切换的问题。移动终端是通过接收到的路由广播的前缀来判断自己所处于的网络子网，当发现接收到的路由广播的前缀发生了变化之后，移动终端就会知道自己已经移动到了新的网络中，从而开始利用移动IPv6的机制来进行越区切换。从到达新的网络，到终端发现自己移动到了新的网络并开始越区切换，再到越区切换完成的这一段时间里面，移动终端是无法接收到数据包的。在实际中，这样的时间可能会有几秒的长度。因此，如果此时该终端正在进行实时业务的传输的话，则会发生非常明显的中断。而且这段时间内发送给移动终端的数据包很可能都会被丢弃，很大程度地降低了上层协议(如TCP)的效率。针对这个问题，很多研究提出了各种各样的改进方法。这些改进的方法绝大多数可以分为以下几种不同的越区切换方案：快速越区切换，这种机制可以减少越区切换的时间，从而降低由于越区所带来的延时；平滑越区切换，这种方法用来减少越区切换中包的丢失率；无缝越区切换，这种越区切换包括快速和平滑的越区切换。到目前为止，互联网工程任务组(IETF)的Internet草案中，发展得比较成熟的有快速越区切换，分级移动IPv6的移动管理两种。其中分级移动IPv6中的越区切换是属于无缝越区切换。

　　其次讨论网络动态特性对QoS的影响。由于终端的移动，使得整个网络的拓扑结构动态变化，因此当移动终端到达新的网络子网之后，其数据包就会经过与原来不同的路径进行传输，这就给在IP网络使用的QoS机制带来了新的难题。近年来有相当多的研究针对在移动IP的环境下综合业务、区分服务这两种IP网络的QoS保证机制进行改进。最近也开始有关于利用多协议标签交换(MPLS)来给移动IP提供QoS保证的研究。

　　由于网络层本身的特点，要完全解决用户移动所带来的QoS的问题还是比较困难的，因此有很多人提出多个协议层协同工作取得高效的解决方案。这方面的研究成果目前还比较有限，有待进一步的挖掘。

　　参考文献：

　　[1] Shu Tao, Niu Zhisheng. Call Admission Control Using Differentiated Outage Probabilities in Multimedia DS-CDMA Networks with Imperfect Power Control [J]. IEICE Transactions on Communications, 2003, E86-B(1):16?24.
　　[2] Shu Tao, Niu Zhisheng. Capacity Optimization by Using Cancellation-Error-Ascending Decoding Order in Multimedia CDMA Networks with Imperfect Successive Interference Cancellation [J]. IEICE Transactions on Communications, 2003, E86-B(1):375?379.
　　[3] Shu Tao, Niu Zhisheng. Uplink Capacity Optimization by Power Allocation for Multimedia CDMA Networks Under Imperfect Power Control [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2003.
　　[4] Shu Tao, Niu Zhisheng. A Through-put-Efficient and Channel-Adaptive Scheduling Scheme in Voice/Data DS-CDMA Networks with Transmission Power Constrains, to Appear at Wireless Communications and Mobile Computing [J]. WILEY, Special issue on Radio Resource Management for Wireless Internet, 2003.
　　[5] Shu Tao, Niu Zhisheng. A Capacity-Optimal QoS Provisioning Scheme for Multimedia Traffic in CDMA Networks [C]. IEEE ICC2002, 2002,5:3086?3090.
　　[6] Shu Tao, Niu Zhisheng. A Dynamic Rate Assignment Scheme for Data Traffic in Cellular Multi-Code CDMA Networks [C]. IEEE VTC 2002 Spring, 2002,5:811?815.
　　[7] Shu Tao, Niu Zhisheng. Capacity Optimized Power Allocation for Multimedia CDMA Networks Under Imperfect Power Control [C]. IEEE Globecom 2002, Taipei, 2002,11:783?787.
　　[8] Duan Xiang, Niu Zhisheng, Zheng Junli. Transmission Control for Wireless Networks with Inaccurate Channel Conditions: A Game-Theoretical Approach [C]. IEEE VTC2003 Spring, 2003.
　　[9] Niu Zhisheng, Wu Yi, Zhu Jing. A Delayed Multiple Copy Retransmission Scheme for Data Communication in Wireless Networks [J]. Communication and Networks (JCN), 2003.
　　[10] Wu Yi, Niu Zhisheng, Zheng Junli. A Delay NAK Retransmission Scheme Based on Channel State for Mobile Multimedia Communications [C]. IEEE VTC2003 Spring, 2003.
　　[11] Imad Aad, Claude Castelluccia. Differentiation Mechanisms for IEEE 802.11 [C]. IEEE INFOCOM 2001, 2001,1:209?218.

[摘要] 文章分析了移动互联网面临的挑战，着眼于宽带、超高速、可移动的多媒体网络技术，从两个方面探讨了移动互联网中的资源分配与服务质量控制问题，即无线传输过程中的服务质量保证和越区切换过程中的服务质量控制。

[关键词] 移动互联网；资源分配；流量控制；越区切换

[Abstract] Focusing on technologies on broadband, extra-high-speed, and mobile multimedia networks, this paper discusses the resource management and QoS control issues in two respects: QoS guarantee in wireless channels (Wireless QoS) and QoS control during handoffs (Mobile QoS).

[Keywords] Mobile Internet; Resource allocation; Traffic control; Handover