移动IP与蜂窝IP的结合

　随着GSM/GPRS和cdma 2000 1x RTT移动通信网络的逐渐商用化，移动通信与互联网完美结合的前景已清晰可见，未来的移动通信网络正在向全IP网络方向迈进[1]。未来的IP网络在提供多媒体信息传输业务的同时，还要满足业务的服务质量(QoS)要求。为获得端到端QoS解决方案，要求网络保证IP分组传输性能参数和QoS指标。ITU-T Y．1541定义了6种不同IP QoS类，而ITU-T Y．1540为这6种IP QoS类规定了分组传输性能参数[1]，如表1所示。

　　IETF制定的移动IP协议是一种全球因特网移动解决方案，它使移动节点以一个永久IP地址随时随地接入因特网，并保持移动通信的不间断。移动IP协议采用两个IP地址，固定家乡地址和随移动接入点变化的转交地址(CoA)；移动节点(MH)移动后，位置更新信息保存在家乡代理(HA)处的CoA；发往移动节点的分组由家乡代理通过隧道发往异地网络，隧道出口可以是异地代理(FA)或者是MH。

　　尽管移动IP协议使节点在移动时也能保证通信的不间断，但对于商用蜂窝网络来说，移动IP(MIP)在移动性管理方面还存在缺陷，特别是当与远端的通信节点(CH)通信时，由于节点的频繁移动在HA处产生大量的位置更新信息，使HA的交换速度成为通信“瓶颈”，同时由于路由更新的滞后，导致切换过程中的分组丢失，使得移动IP协议不支持实时业务。

　　针对移动节点在一定区域内频繁移动带来的问题，IETF移动IP工作组提出了一系列以蜂窝IP(CIP)、切换敏感无线接入因特网结构(Hawaii)和分级IP(HIP)等改进的移动IP协议[2—3]。在微移动协议中，当移动节点在一定区域内移动时，保持CoA不变，将位置更新信息本地化，即只需要实时更新在本地代理处的位置信息，而不需要更新HA处的位置信息，从而减小了位置更新时间并降低了分组丢包率。当移动节点的数量增加时，微移动IP协议区分正在通信的节点和空闲节点，并采取不同的处理策略，一方面降低了对MH的处理速度的要求，另一方面减少了信道传输位置更新信息的开销。通过对移动IP及CIP的QoS相关指标的研究发现，CIP较好地解决了节点在网络内频繁移动的问题，但是却不能扩展到网络间的宏移动。如果将移动IP(或路由优化的移动IP)和CIP两者结合，则可以保证很好的QoS，支持实时业务。

　　1 MIP-CIP

　　将移动IP和CIP相结合的系统(MIP-CIP)包含两个层次的移动性管理方案：本地的蜂窝IP和全局的移动IP[4]。MIP-CIP的结构如图1所示，移动IP用于各个CIP网络间的移动性管理，而CIP用于网络内的微移动管理。网关(GW)同时具有FA的功能，移动节点通过GW与家乡代理交换信息，移动节点只有向家乡代理注册以后，在整个移动IP网络中才是可见的。

　　MH与基站(BS)之间通过无线链路连接，各BS通过CIP节点接入GW，它们之间通过CIP进行通信。CIP网络建立路由的过程是，GW定时发送广播信标，BS接收该信标并提取其上一级接入点的信息，将之保留到路由表中；当移动节点发起通信时，路由表记录移动节点的IP地址(用家乡地址来区分)和接入点地址，用逐跳方式建立到上一级接入点的路由。当节点没有要发送的数据时，为保证路由信息的有效性，需要定时向GW发送路由更新分组。在CIP中，对于正在通信的节点，需要动态地更新路由表。而对于空闲节点，则无需经常更新路由，允许路由表过期。

　　现在的问题是，当MH需要与CH通信时如何通知HA，即向HA注册和更新其CoA；当MH首次进入CIP网络时，如何告知CIP网络它的家乡地址(MH的身份标志)。这就需要对GW或MH的移动IP和CIP协议进行修改。

　　修改后的MIP-CIP协议栈如图2所示，图中CIP节点是连接BS和GW的具有CIP协议功能的所有中间节点。当移动节点在不同CIP网络间移动时，为了完成MIP-CIP系统的功能，只需要修改MH、GW的网络层。根据实际情况，在CIP和MIP两者的网络层上可以有多种组合。

　　2 MIP-CIP的仿真与分析

　　为了对MIP-CIP系统的性能进行预测，需要分别研究移动IP(或路由优化的移动IP)和CIP的性能。本文使用网络仿真软件ns2，采用哥伦比亚大学微移动IP软件模块CIMS分析CIP协议的性能。

　　2.1 MH在CIP网络内部移动时的性能

　　仿真时采用图3的拓扑结构来仿真CIP网络内部结构。为使分析简化，假设移动节点在CIP网络内部移动，即GW同时扮演FA角色。

　　实际蜂窝系统中大蜂窝、小蜂窝和微蜂窝的半径分别为千米、百米和十米量级。本仿真中采用小蜂窝参考模型，设BS间隔为400 m，信号覆盖半径500 m。

　　假设网络带宽是10 ~100 Mb/s，数据报协议(UDP)包长为1 460 B，路由器缓冲器长为100 B，每个节点的处理时延为5～50 ms。仿真时，仿真模型为：

　　有线信道：信道速率为10 Mb/s，链路延时为20 ms；无线信道：信号覆盖范围为500 m，路由协议为DSDV，访问控制采用CSMA/CA；传输层协议为UDP；业务流类型为CBR。

　　假设MH在CIP网络内部移动，保持BS覆盖半径500 m不变，当移动节点在BS3和BS4之间来回切换，且速度从5~400 m/s变化时，考虑移动节点的UDP性能。仿真结果如图4所示。

　　在图4中，横坐标表示MH移动速度，纵坐标为UDP平均丢包率。从仿真结果中可以看出，当移动速度小于或等于40 m/s时，丢包率小于0.1%。

　　本文以20 m/s的车载用户为例，分析了MH在CIP网络内部移动时的分组时延。分析表明最大分组时延为20.6 ms；最小分组时延为17.0 ms；平均分组时延为17.2 ms。可以看出，网络的平均分组时延小于100 ms，分组时延的变化小于50 ms，结合UDP丢包率，根据表1的参数标准，MH在CIP网络内部移动时，只要移动速度小于20 m/s，就可以提供0类以上业务的QoS保证。

　　2.2 MH在CIP网络之间移动时的性能

　　当移动节点MH在两个CIP网络之间移动时[5] (见图5)，MIP-CIP系统应用的是移动IP协议，相当于MH在两个不同FA之间移动。假设HA与CH和FA间的距离比较远，即链路延时较大，并且考虑到每个CIP系统包含若干个BS，其覆盖半径应远远大于BS的覆盖半径（在这里以大蜂窝为参考）。仿真模型为：

　　有线信道：速率为10 Mb/s，链路延时为25 ms(CH切换到HA)、10 ms(CH切换到FA1)和10 ms(CH切换到FA2)；无线信道：信号覆盖范围为4 000 m，路由协议为DSDV，访问控制为CSMA/CA；传输层协议为UDP；业务流类型为CBR。

　　本文同时仿真了移动IP和路由优化的移动IP(ROMIP)的性能，当MH由FA1切换到FA2处时，统计了在两种协议下的端到端分组时延。

　　仿真结果表明：ROMIP分组时延和平均分组时延均明显小于MIP的，且MIP和ROMIP的平均分组时延都小于100 ms。但是，两者的分组时延变化的上限大于50 ms，满足2—5类业务的QoS，但不支持0—1类业务。

　　2.3 仿真结论

　　结合前面的仿真结果，可以得出以下的结论：当MH在CIP网络内频繁移动时，可以提供0类以上的QoS；而当MH在CIP网路之间移动时，可以提供2类以上的QoS；若采用ROMIP，性能可得到进一步改善。所以，有理由相信，将MIP和CIP协议结合可以提供较好的QoS。

　　3 MIP-CIP系统的构成

　　将移动IP和CIP结合，或者ROMIP和CIP结合，无论哪种方式，系统的共同点是：CIP网络内部的移动性管理都采用CIP，考虑IPv4版本，MH拥有一个永久的IP地址。不同点是：在ROMIP中，通信对端CH必须能跟踪MH移动并进行缓存绑定；在MIP中，CH不需要知道MH的移动是宏移动还是微移动。

　　3.1 MIP和CIP的结合

　　在移动IP中，当CoA为FA的地址时，隧道出口是FA；当CoA是通过DHCP等方式获得时，隧道的出口是MH。其共同点是：BS广播的CIP信标中应包含GW的IP地址、BS的IP地址、BS的MAC地址以及序列号，MH通过监听BS的信标来判断是否进入新的CIP网络或是否在BS之间切换。

　　(1)方案1：CoA是FA地址的情况

　　在此方案中，CIP网络中的GW充当FA的角色。当MH首次进入CIP网络时，会发送携带家乡地址的上行信息以便在各个CIP节点之间建立到达MH的链路缓存[6]。因为GW充当FA，所以它定时向BS广播以表明其存在，如果MH没有侦听到广播则启动MIP协议，主动向GW发送注册请求。以后的工作过程与移动IP相同，GW向HA注册并将应答信息和通信数据通过CIP链路发送给MH。

　　当MH在CIP网络内不同的BS之间移动时，通过监听BS信标来确定是处于同一个CIP网络，并仍然使用CIP协议而不启动MIP协议。当它在不同CIP网络之间移动时，与首次进入移动网络时的工作过程相同。

　　(2)方案2：通过DHCP获得CoA的情况

　　在此方案中，CIP网络中的GW具有DHCP的功能，或者作为DHCP服务器的中继节点。当MH首次进入CIP网络时，同样地会发送携带家乡地址的上行信息以便建立GW和MH之间的CIP链路缓存；MH启动DHCP程序，广播DHCP注册信息经过BS转发给GW；于是GW中的DHCP服务器给MH分配一个CoA，当MH收到后向DHCP服务器发送一个响应；后面的过程与方案1相同，不同的是，MH向HA注册时携带的是其CoA而不是FA的地址。

　　(3)两种方案的比较

　　就协议的修改而言，方案1要优于方案2。因为方案2中DHCP要向MH分配CoA，所以在CIP的路由更新信息里需要扩展一个区域存放CoA。两者对于MIP的修改都不大。

　　就信道开销而言，方案1要好于方案2。因为方案2在CIP网络内部传输的是未经过解隧道的数据分组，增加了分组的长度。对于带宽资源相对紧张的无线信道而言，这一缺陷是较为严重的。

　　就GW的开销而言，方案2要好于方案1。因为方案1中，GW要充当FA的角色，它不仅要把发往其他区域内的所有移动节点的信息解隧道，而且还要处理注册信息，所以当CIP网络内的移动节点数目增加时，可能会产生“瓶颈”效应。对于方案2而言，GW只是添加了作为DHCP中继的功能，数据直接发送到MH的CoA。

　　方案1优于方案2。因为方案1对MH、FA和HA的修改小，通过GW解隧道减小了网内无线接入网的信道负担，同时支持网间的平滑切换。它还具有一个优点，可以单独地对MIP或CIP升级和修改，而无需涉及到对方。其主要缺点是GW的负担稍重。

　　3.2 ROMIP和CIP的结合

　　ROMIP和蜂窝IP的结合时，在宏移动范围内采用ROMIP，而在CIP网络内部还是采用CIP，好处是可以克服三角路由的问题，即在CH处有一个绑定缓存器，用于跟踪MH所在CIP网络，不通过HA而直接将数据发送到MH。根据前面分析可以看出，在时延方面ROMIP有较大的优势，所以当MH在CIP网络间移动时，ROMIP-CIP系统在时延等方面要优于MIP-CIP系统，但由于不需要通过HA认证，所以在安全性方面ROMIP-CIP系统不如MIP-CIP系统。

　　4 结论与展望

　　本文从理论上分析了MIP-CIP系统的实现方案和方案可行性。在实际系统中，MH在CIP网络之间移动时，能否提供可靠的QoS服务还有待于进一步的实验研究。

　　值得一提的是，讨论的协议都是基于IPv4的，随着MIPv6和CIPv6的发展，系统的性能会大有改善。例如，在MIPv6中没有FA，可以自动配置获得CoA，所以不需要DHCP，也不需要在CIP更新信息中添加CoA和家乡地址。

　　有理由相信，随着MIPv6和CIPv6技术的成熟，MIP-CIP(或ROMIP-CIP)系统能够解决CIP网络之间切换的问题，且能提供很好的QoS和支持较好的实时业务。

　　5 参考文献

　　[1] Seitz N. ITU-T QoS Standards for IP-Based Networks [J]. IEEE Communications Magazine, 2003,40(6): 82-89.

　　[2] 申旻, 刘志敏. 移动IP及其改进技术 [J].电信科学, 2003,18(6):12-15.

　　[3] Campbell A T, Gomez J, Kim S. Comparison of IP Micro-Mobility Protocols [J]. IEEE Wireless Communications Magazine, 2002, 9(1): 56-60.

　　[4] Carli M, Neri A, Picci A. Mobile IP and Cellular IP Integration for Inter Access Networks Handoff [C]. Proceeding of ICC 2001, June 2001.

　　[5] Chen H L. Route Optimization on Mobile IP over IPv4 [EB/OL]. http://www.sfu.ca/.lcheu/885-project.htm.

　　[6] Valkó A. Cellular IP: A New Approach to Internet Host Mobility [J]. ACM SIGCOMM Comp Commun Rev, 1999, 29(1): 50-65.

[摘要] 文章介绍了一种将移动IP与蜂窝IP相结合(MIP-CIP)的系统，用仿真的方法分析了移动节点在CIP网络内部移动和网络间移动时的服务质量(QoS)性能指标，提出并比较了MIP-CIP应用的2种方案。

[关键词] 移动IP/蜂窝IP/服务质量

[Abstract] A new system named MIP-CIP, which is the combination of Mobile IP and Cellular IP, is introduced. By using the emulation method, the QoS indexes at a time when a mobile node moves within a CIP network or between CIP networks are analyzed. Two solution schemes for the application of MIP-CIP are proposed and compared.

[Keywords] mobile IP/cellular IP/QoS