全IP通信网络中的移动性管理

　电话网络与IP网络是迄今为止人类通信历史上最有影响力的两大发明，他们分别提供实时语音服务与非实时数据服务。由于历史的原因，形成了介质不同、拓扑结构各异的网络共存的局面。尽管这些网络可以在某些方面满足用户的需求，但没有任何一个网络能够同时达到用户在移动性、服务质量、内容、安全、速度等诸多方面的需求。人们逐渐认识到，为了更加有效地利用资源，减少网络的重复建设，提高资本利用率，必须将各种网络统一到单一的信息平台上。从目前的情况看，IP最有希望为这个平台提供强有力的支持，通信网络全部IP化已经成为不可逆转的趋势。世界范围内的各种组织都在为全IP网络制定各种标准及规范。作为移动通信领域的领导组织之一，3GPP定义了全IP网络的基本需求和网络结构[1]，其基本目标是通过IP技术提供3G业务，包括实时业务与非实时业务。该网络可分为两大部分，核心网(CN)与接入网(AN)。核心网以IP分组交换为基础，代替或兼容现有的7号信令电路交换网络；接入网兼容增强型无线接入网(ERAN)和通用移动通信系统的无线接入网(UTRAN)，为用户提供全球范围内的移动通信服务。从网络结构角度看，全IP网络连接了不同类型的网络，包括通用分组无线业务(GPRS)移动通信网、公众交换电话网(PSTN)和公众数据网(PDN)；从用户的角度看，网络与业务分离使请求的业务对用户透明，用户无需知道自己处于何种网络之中。用户请求所需的服务，系统根据网络的业务能力自适应地满足用户的需求。可以看出，在全IP网络中用户可具有极高的移动性，并有多种接入方式可以选择，移动性管理问题分布在网络的不同层次上：网络层、链路层和空中接口层。好的移动性管理协议不仅可以降低网络信令负载，提高快速切换时的服务质量(QoS)，而且能够延长移动终端电池的使用时间，因此，有必要对全IP网络的移动性管理协议进行深入研究。

　　1 基于UMTS的全IP网络

　　由于构建全IP网络的迫切性，3GPP和3GPP2提出了各自的规范[2]。3GPP建议由GPRS网络演进至全IP网络，而3GPP2以CDMA技术为基础，通过移动IP(Mobile IP)[3]提供宏移动性支持。两种方案各有利弊。GPRS网络采用已经定义的GPRS隧道协议(GTP)支持用户移动性，缺点是只支持GPRS网络内部的移动性，不支持GPRS网络与非GPRS网络之间的移动性。尽管移动IP能够很好提供网络间的移动性，但当用户在局部地区快速切换时会导致大量的注册请求及更新信令，增加了网络的负担，并存在“三角路由”问题。根据目前的市场趋势，3GPP定义的通用移动通信系统(UMTS)网络将成为主导的移动通信网络，因此本文以UMTS全IP网络为基础对全IP网络中的移动性管理进行分析。为了支持IP分组交换技术，3GPP定义了全IP网络参考结构，并引入了新的网络实体和各实体间的接口。接入网兼容ERAN和UTRAN，通过网关GPRS服务节点(SGSN)接入到核心网。GPRS核心网由两种GPRS支持节点(GSN)构成：SGSN与网关GPRS支持节点(GGSN)。在核心网部分，为了支持用户移动性，GPRS定义了GTP，该协议同时支持注册与鉴权过程。移动台至外部网络的数据通道可分为两段：移动台至SGSN，SGSN至GGSN。移动台与SGSN之间的数据链路基于子网相关汇聚协议(SNDCP)[4]，SGSN与GGSN之间的数据链路基于GTP数据隧道。由移动台发出的数据到达SGSN后，经过GTP封装，通过传输网络，到达GGSN并解封装，由GGSN传送至外部数据网；由外部数据网发出的数据到达GGSN后，GGSN对数据进行GTP封装，SGSN对接收到的GTP分组解封装，然后转发至目标移动台。当用户移动至新的RNC时，只要新的RNC和原来的RNC同属于一个SGSN，则只需对RNC与SGSN之间的会话进行重定向，SGSN与GGSN之间的会话保持不变。若用户移动至新的连接点，即改变了SGSN，那么两个会话都需要重新建立[5]。从上面的描述可以看到，GTP是一种链路层的移动性解决方案，不支持不同网络间的移动性。3GPP正在考虑将网络层移动性解决方案融合到GPRS中以提供更高层次的移动性支持。

　　2 移动性管理

　　2.1 移动性管理的分类

　　在全IP网络中用户可具有极高的移动性，并有多种接入方式可以选择，移动性管理问题分布在网络的不同层次上：网络层、链路层和空中接口层。从作用范围来看，可分为宏移动性管理、微移动性管理和空中接口移动性管理。宏移动性管理主要处理大范围内的移动性，如不同网络间的漫游，当用户从一个网络漫游至另一个网络时，仍然可以不间断地通信；微移动性管理主要处理小范围内的移动支持，如同一网络内部的移动；空中接口移动性管理与接入网使用的无线技术密切相关，进行移动台在各个基站或接入点之间的切换管理。为提高有效性，宏/微移动性管理结构已被广泛接受。产业界和学术界对宏移动性管理标准已基本达成一致，即以移动IP为基础提供宏移动性支持。微移动性管理协议是目前的研究热点，已经提出了许多微移动性协议，将与域内移动相关的信令负荷和切换过程限制到本地的域内完成。目前已提出的微移动性协议可分为两大类：一类是基于路由的方案，如微移动性管理协议HAWAII[6]、 蜂窝IP(Cellular IP)[7]等；另一类是基于隧道的方案，如移动IP区域注册(MIP-RR)[8]。在基于路由的方案中，所有的移动代理组成一个严格的树状结构，去往任何一个移动节点的数据包都由移动代理根据其对应于该移动节点的路由表来发送。多级移动代理的方案则通过多级的移动代理使用所记录的转交地址来将数据包封装，通过隧道沿移动代理的层逐级往下传送到目标移动节点。

　　2.2 宏移动性管理

　　为了实现节点在移动过程中可以与Internet保持连接，移动IP为每个移动节点使用一对IP地址：家乡地址和转交地址(CoA)。家乡地址是节点在它的家乡网络注册的永久地址，用于在Internet上唯一地识别该节点，不论移动节点是否处于家乡网络中，家乡地址都保持不变。转交地址是节点移动至外部网络时获得的一个临时地址，用于为目的地址是该节点的数据报确定路由。当节点离开外部网络时释放转交地址。因此，节点处于不同的外部网络时会具有不同的转交地址。移动IP通过移动节点、家乡代理和外部代理三者合作实现对节点的移动性支持。当移动节点在家乡网络内部时，移动节点(MN)和通信节点(CN)按照常规的IP路由方式进行通信，即CN产生目的地址为MN的数据报，路由协议将数据报路由至MN所在的家乡代理(HA)，家乡代理再将数据报通过空中接口发送至MN，CN与MN之间的常规路由可采用传统的路由协议。当MN移动至外部代理服务的网络时，它会收到来自外部代理的代理通告，表示MN已离开了家乡网络，进入一个外部网络。此时，MN将得到一个转交地址(该地址可以通过外部代理获得，也可以通过动态主机配置获得)作为家乡代理转发数据报的地址。进行转发数据报之前，MN必须向家乡代理注册它的转交地址，以使家乡代理知道向何处转发。注册后，家乡代理会给MN发送注册应答消息，表明注册成功，建立位于外部网络中的MN与家乡网络的连接。来自CN的数据报首先到达家乡代理，家乡代理通过查表得到该节点的转交地址，并把数据报转发到转交地址表示的外部代理，再通过外部代理把数据报发送至它的最终目的地MN。由MN至CN的路径要比由CN至MN的路径简单得多，按照常规的路由方式将数据报直接发送至CN，无须经过MN的家乡代理。在家乡代理向MN转发数据报时，需要将来自CN的IP分组进行封装，将目的地址变为转交地址，待分组到达外部代理后进行解封装，然后发送给MN。分组封装的具体方法可参考文献[9—11]。尽管移动IP能够提供网络间的移动性支持，但由于移动IP对任何级别的移动性都采取相同的处理方法，而不考虑移动范围的大小，这将导致用户在小范围内频繁移动时产生大量的注册请求及应答消息，增加了网络的负担，也增加了切换延时。另外，移动IP不支持寻呼操作，无论用户是否处于激活状态，系统总需要知道用户的确切位置，这增大了移动终端的电源消耗，缩短了终端的使用时间。因此，需要微移动性管理作为移动IP的扩展来弥补上述缺陷。

　　2.3 微移动性管理

　　微移动性管理协议的主要思想是在接入网引入服务域，将平面型移动性管理转变为分级管理，对于不同程度的移动性采用不同的管理策略。用户在相同域内移动的信令在本地域内处理，当用户离开域时要通知家乡代理域改变情况。

　　2.3.1  基于路由的方案

　　HAWAII和蜂窝IP的网络结构如图1、图2所示。当用户在同一域内的不同基站间移动时。分组传输路径只需在该基站的上一级节点(路由器或基站)进行重定向，无需通过核心网向家乡代理注册，这样大大降低了传输延迟和网络的信令负载。对于HAWAII，若用户从同属于域1的基站1移动至基站2，则发送移动IP注册消息至基站2。基站2发送HAWAII切换消息至基站1，基站1将发往用户的分组转发至基站2，然后发送HAWAII消息至域根路由器3。域根路由器3收到消息执行重定向操作，更新转发表，将转发接口由基站1改变为基站2，并给用户发送移动IP注册应答消息。可以看出，用户在小范围的移动信令限制在域内处理。蜂窝IP的工作原理类似于HAWAII，与HAWAII不同的是，蜂窝IP不使用明确的移动IP信令，而是分析上行分组的IP源地址，并将他们映射为下行路由，同时为每个映射维护一个路由超时计时器，若计时器超时，则清除映射。只要用户不断发送数据，则最底层基站至网关的路由就一直存在。若用户没有数据发送则可发“路由更新”分组(一个特殊的ICMP报文)至网关即可进行路由保持。当用户移动至新的基站后，原先基站的路由映射在计时器超时后清除。这两种基于路由的方案均支持寻呼，HAWAII采用IP多播的方法，而蜂窝IP采用寻呼缓存。基于路由的方法能够有效地避免隧道带来的额外封装，但由于域根节点唯一的原因，这两种方案的鲁棒性较差。

　　2.3.2  基于隧道的方案

　　MIP-RR引入网关外部代理(GFA)、区域外部代理(RFA)和新的区域注册(RR)消息，由多级移动代理构成域，降低了移动节点在访问域(VD)内移动时对家乡网络发送的消息数量。当移动节点第1次进入访问域时，向HA注册转交地址，该转交地址是一个GFA的公共IP地址，并且获得一个本地转交地址用于GFA在域内的寻址。若移动节点不超出GFA的范围，HA记录的转交地址保持不变。图3显示了一个两层结构的访问域，访问域也可由多层移动代理组成。当移动主机(MH)由外部代理1移动至外部代理2时，收到外部代理2的代理通告，MH知道它已位于新FA的覆盖范围，于是向外部代理2和GFA发出区域注册消息。注册消息经过鉴权后，GFA和外部代理2向MH返回区域应答消息，MH得到新的本地CoA。从网络结构上看，MIP-RR和基于路由的方案没有本质不同，但MIP-RR采用隧道的方式在GFA/RFA和各级外部代理(FA)之间转发数据包，采用传统的IP寻址方式，而不是固定的转发表。由于在域内可以指定多个GFA，MIP-RR的鲁棒性要高于HAWAII和蜂窝IP。另外，MH可以灵活地指定中间级别的RFA作为GFA，动态改变域的范围以适应用户的移动级别。当MH将最底层的FA作为GFA时，MIP-RR就退化成传统的移动IP。尽管基于隧道的方案需要对分组进行再封装，会带来额外的开销，但由于配置的灵活性和鲁棒性，且路由方法是基于传统IP路由的进化，这种方案得到学术界更多的认可[5]。

　　2.4 空中接口移动性管理

　　空中接口移动性管理与接入网使用的无线技术密切相关，其进行移动台在各个基站或接入点之间的切换管理。正如文献[12]中指出，切换问题可以分为两个部分，切换结构与切换判决算法。切换结构是标准化且开放的，而切换算法存在很多供研究人员发挥的空间。现有的大多数切换算法使用接收信号强度(RSS)作为切换判决的量度。将RSS与一个绝对或相对的门限比较，然后做出切换判决。实际上，有许多指标都可作为切换的量度，例如信干比(SIR)、误比特率(BER)、误分组率(PER)。同时，研究表明将模式识别技术应用于切换算法可以在降低切换延迟和切换次数方面获得更好的性能[13]。 到目前为止，对切换管理的研究还局限在切换的可实现性上，没有明确的QoS支持，这与未来网络和协议的设计原则相背离。此外，在全IP网络中，不能假设只有单一类型的业务，必将存在多种业务和应用共存的局面，每种业务都有相应的QoS需求。因此，应针对不同的业务采取不同的切换策略，而由此所导致的对语音、数据、FTP、WWW浏览、E-mail和视频等多种类型业务进行建模对研究人员也是一个巨大的挑战。由于全IP网络可兼容不同的接入网，因此，不同接入网空中接口间的切换，例如无线局域网(WLAN)与蜂窝网络间的切换，也是一个重要的研究方向。

　　3 结论

　　移动性管理是实现全IP网络的关键问题之一，涉及到网络的各个层次。学术界与企业界普遍将移动IP作为全IP网络移动性管理的基本结构，用来处理网络层切换，并在此基础之上扩展出微移动性管理方案以降低网络信令负载。对于空中接口的移动性管理，应针对不同业务的QoS需求采用不同的切换策略，并需要解决不同接入网空中接口间的切换问题。

　　4 参考文献

　　[1] 3GPP TR 23.922. Architecture for an All-IP Network [S].

　　[2] Girish Patel, Steven Dennett. The 3GPP and 3GPP2 Movements Toward an All-IP Mobile Network [J]. IEEE Personal Communications, 2000(8).

　　[3] Perkins C E. Mobile IP [J]. IEEE Communications Magazine, 1997(5).

　　[4] Gotz Brasche, Bernhard Walke. Concepts, Services, and Protocols of the New GSM Phase 2+ General Packet Radio Service [J]. IEEE Communications Magazine, 1997(8).

　　[5] Chiussi F N, Khotimsky D A, Krishnan S. Mobility Management in Third-Generation All-IP Networks [J]. IEEE Communication Magazine, 2002(9).

　　[6] Ramachandran Ramjee. IP-Based Access Network Infrastructure for Next-Generation Wireless Data Networks [J]. IEEE Personal Communications, 2000(8).

　　[7] Campbell A T. Design, Implementation, and Evaluation of Cellular IP [J]. IEEE Personal Communications, 2000(8).

　　[8] Gustaffon E. Mobile IPv4 Regional Registration [EB/OL]. http://www1.ietf.org/mail-archive/ietf-announce/Current/msg20878.html.

　　[9] IETF RFC 2003, IP Encapsulation Within IP [S].

　　[10] IETF RFC 2004, Minimal Encapsulation Within IP [S].

　　[11] IETF RFC 1701, Generic Routing Encapsulation (GRE) [S].

　　[12] Kaveh Pahlavan. Handoff in Hybrid　Mobile Data Networks [J].. IEEE Personal Communications, 2000(4).

　　[13] Venugopal V. Veeravalli, Owen E. A Locally Optimal Handoff Algorithm for Cellular Communications [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 1997,46(3)

[摘要] 文章描述了全IP网络各个层次上的移动性管理需求以及全IP网络目前的标准和规范，详细介绍了移动性管理中的宏移动性管理、微移动性管理、空中接口移动性管理。指出了全IP网络中移动性管理的研究方向。

[关键词] 移动性管理/移动IP/蜂窝IP

[Abstract] The mobility management requirements at different layers of all-IP networks and current standards and specifications related to all-IP networks are described first. The managements of macro-mobility, micro-mobility and air interface mobility are then presented in detail. Finally, the research trend of mobility management in all-IP networks is outlined.

[Keywords] mobility management/mobile IP/cellular IP