UMTS全IP无线网络的移动性管理

   支持大规模数据业务和与现有业务融合是研发3G和B3G的共同目标。基于WCDMA和基于CDMA2000接入技术的3G系统可支持移动终端在较宽广覆盖区域内的较高移动性，而基于IEEE 802.11的宽带通信系统可支持移动终端在较小覆盖区域内较低移动性。

    由于IP的普及，IETF与IP有关技术、业务的开发和标准化，IP为下一代移动通信网络基础设施已成为共识。现在的课题是：如何利用基于IP基础设施的通信系统，达到3G所需移动性、QoS和鲁棒性？

    在向3G网络演进的过程中，3GPP和3GPP2存在着一定的差别。但是，在向3G网络演进的现阶段目标，IETF协议和3GPP移动IP在支持宽域移动性、会话启动协议(SIP)和AAA上是一致的。

    在无线网络中，采取多协议标志交换(MPLS)有下述原因：

• MPLS是一种有效隧道技术，采用MPLS隧道的标志交换路径(LPS)可高效管理重叠网络；
• 隧道重新导向是移动性方案的关键，当网络节点标志变化时，MPLS能快速产生隧道重新导向；
• MPLS能提供QoS、流量工程、虚拟专用网(VPN)，能快速复位和支持IP业务。
  

    与常规MPLS移动性管理方案相比，利用标志边界移动性代理(LEMA)的增强MPLS路由器，新节点无隙缝地与常规MPLS节点和IP路由器合作，使网络在演进途径中具有灵活性和升级性。

1 UMTS和IP/MPLS

1.1 UMTS
    3G UMTS网络(见图1)的标准接口和组成单元已形成标准TS23.002。它由两个基本网络段，即UMTS无线接入网(UTRAN)和核心网(CN)组成。UTRAN和CN共同构成移动运行管理域，CN可进一步分成电路和分组交换域。

    节点中的基站可称为接入点(AP)，UMTS中的移动用户设备(UE)与接入点以无线接口Uu通信。UE把上行用户层次信包组装成无线网络层次(RNL)帧(或称传输块)，利用WCDMA接入和调制技术在无线频谱层把传输块送至AP。AP把一组传输块组装成RNL成帧协议(FP)帧，通过无线接口Iub送至对应的无线网络控制器(RNC)。

    多个AP服务于一个UE，多个RNC控制一个AP。AP和RNC之间传输网络由点对点接口T1链路构成。在多个RNC中，其中一个RNC为用于移动主机的服务RNC。成帧协议帧在控制RNC与服务RNC之间以无线接口Iur转换，服务RNC承担传输块的接收和成帧协议帧的选择，处理RNL其他子层，组装用户层次信包和保留链路层状态等。

    UMTS CN的分组交换部分由GPRS支持节点(GGSN)的两种类型构成，即：服务GPRS支持节点(SGSN)和网关GPRS支持节点(GGSN)。在与数据网通信时，移动主机需要CN以GPRS附件来注册，并产生两个GPRS隧道协议(GTP)会话，即：以接口Iu在RNC与SGSN间的会话和以接口Gn在SGSN与GGSN间的会话。用户层次信包被组装成GTP帧，在基于ATM的传输网中由RNC送至GGSN。

    依据GPRS附件，RNC完成主机身份与来自RNC和SGSN的GTP会话之间的映射，并把结果记录和存储在GGSN，内容包括：主机网络层地址、GTP与对应SGSN的会话、SGSN移动主机在RNC间的移动性、GGSN处理在SGSN间的移动性等。当服务RNC和新RNC仍位于原SGSN管理范围之内时，SGSN和RNC之间的GTP会话就重新导向，不影响SGSN和GGSN之间的会话。

1.2 IP/MPLS
    在移动网侧，IP以两种主要模式起作用：
(1)IP传输模式
    终端用户分组的终点IP地址不用于分组转发判决。取而代之，在FP和CN中由GTP中间介质层组装分组，在其他IP层传输所组装的分组。
(2)IP本机模式
    终端用户的IP分组的判决基于终点地址和IP转发规则，不受其他中间介质层的影响，可以支持多种接入网络。

    MPLS是一种以快速转发方式进行标志查表和交换的技术，用来替代常规IP地址查表。基于IP/MPLS原理，MPLS在输入输出点分析IP信包头。输入点IP分组被指派转发等价等级编码(FEC)，FEC中含有缩短长度标志的信包扩展头。这样，在后续转发过程不用分析IP信包头，而是把标志作为后续转发和查表指针。提供MPLS交换功能的内部节点称为标志交换路由器(LSR)，位于边界的路由器称为标志边界路由器(LER)。

2 3G全IP网络模型

2.1 IP/MPLS传输模式
    在UTRAN和CN中，在接口Iub上，IP/MPLS以传输模式开放运行，在核心网接口Iu和Gn上也以传输模式运行，相应协议栈如图2所示。成帧协议帧组装IP信包，控制RNC确定上行链路中IP信包的终点地址，而下行链路中地址由正在服务主机的AP确定。
GPRS隧道协议(GTP)帧组装成IP信包。IP信包的终点地址不再是用户的IP地址，而是由RNC、SGSN、GGSN等网络单元决定。IP信包转发判决依据GTP映射表，MPLS转发依据RNC，SGSN和GGSN间的网络管理者对LPS预配置。

2.2 IP/MPLS本机模式
    在IP/MPLS本机模式IP转发的基础上，网络运行管理域所辖的CN引入集成GPRS支持节点(IGSN)。IGSN把SGSN和GGSN功能组合在一起，直接与RNC通信。除接口Iu外，保留传输模式在IP之上的GTP，CN采用基于终端用户IP地址的IP转发。IP/MPLS本机模式协议栈如图3所示。

    图4所示为UMTS全IP具有3G接入路由器(AR)的本机模式。一个3G AR可代替若干RNC和GSN，也可以代替一个RNC或在GSN位置上代替路由器。3G AR在网络中没有拓扑位置限制，具有IGSN和UMTS无线网络控制器功能。3G AR中IGSN可提供UMTS的计费和安全功能。FP帧送至或取自IP/MPLS网络的AP，利用接入路由器与其配合的节点，利用RNC和IGSN功能，IP覆盖可延伸至UTRAN。图4中CN还含有基于用户层次IP地址转发的分组传输路由器和给Internet提供网关的边界路由器。

    随着本机模式IP覆盖面积增加，协议栈效率的相应提高，与无线有关的协议的制订就越侧重于接入网部分。IEEE 802.11 AR与3G AR一起利用CN在多种接入网间实现无隙缝漫游。在进行移动性计算时，控制平面把用户网络层地址映射成对应的MPLS标志。

    在UMTS全IP传输模式网络中，GTP提供用于域内移动性管理。原则上，3G AR可在IP层处理所有移动性管理，但在保持现有移动无线网络功能和本机模式IP覆盖外，还需采取其他技术用于域内移动性管理。

3 全IP网络移动性

3.1 全IP网络
    在3G全IP无线网络结构中[1]， 移动性支持可以划分为3个级别，即：接入移动性支持、宽域移动性支持和微移动性支持[2]。

(1)接入移动性支持
    接入移动性支持涉及在所归属RNC或AR范围内，移动主机在AP间改变位置时，确保无中断通信的协议。移动性支持协议与所采用的无线技术有关，如在单一广播媒介、固定IP网的Ethernet子网中，接入移动性支持可为链路层移动性支持。
(2)宽域移动性支持
    宽域移动性支持是基于移动IP(MIP)协议的，MIP协议应用本地代理(HA)、外地代理(FA)和转交地址(CoA)实现宽域移动性支持。一种常见的工作方式是当移动主机偏离原本地网，用CoA确定移动主机在所归属来访网中的暂时IP地址。来访网中特定路由器作为FA给移动主机的接口分配CoA，并向HA注册CoA，使HA接收指向移动主机的IP信包并通过隧道送至移动主机。移动主机采用IP通过CN节点实现全球通信，其中CN节点实际就是图2中的GGSN、图3中的ISGN和图4中的3G AR。在上述节点间移动位置需要宽域移动性支持。把外部IP信包头、终点地址和IP信包组装在一起，利用IP转发进行路由选择，相当于在网络与移动主机当前位置间建立直通隧道。
(3)微移动性支持
    在3G全IP无线网络中AR上，移动IP可扩展宽域移动性支持范围。随着移动用户增加，移动主机CoA一有变化就要求HA重新注册，这会明显加重系统开销和影响系统升级。解决的方法是移动主机在AR间的本地移动不产生HA流量，这就是微移动性支持的机理。

3.2 移动IPv4和移动IPv6
    移动IPv4(MIPv4)中基站方案有两个缺点。一个缺点是到移动主机的信包路由不是最优的。信包路由先到达HA，再以隧道方式抵达终点，产生所谓三角路由问题。路由优化扩展准许在下行路径上旁路HA，设置相应节点捕获移动主机的寻址连接信息，使信包经过隧道达到CoA。另一个缺点是移动主机以信包头中本地地址作为源地址。对来

    访移动终端说，网络执行安全运算时，会丢失节点上的信包。
移动IPv6(MIPv6)移动性支持作为IP层的一个综合单元进行终点目标选择，如：连接更新、连接应答、连接申请等。在保留HA、本地地址和CoA时，MIPv6允许移动主机分别向HA和与之通信的节点注册。在通信时就不需要HA通过隧道转发信包，而是直接把信包送至相应节点，来避开所谓三角路由问题。三角路由问题是移动主机向其他通信节点注册安全性验证时产生的，需要HA支持。

    总之，MIPv6和MIPv4都源于宽域网移动性管理或宏移动性管理，MIPv6可有效地克服MIPv4的不足。当移动主机移出链路层链接范围外时，MIPv6以各种途径把注册和连接更新信息送至移动主机的HA。增强具有可升级移动IP协议，减少在越区期间信令开销，提供可靠传输层协议是IETF移动IP工作小组目前的主要研究课题。

3.3 微移动性要求
    与移动主机有关的地址有两类，即：识别地址和路由地址。识别地址与MIP静态本地地址配对，可区分移动主机；路由地址从网络其他位置寻址接入移动终端。

    在图4中，在AR管辖范围内，3G AR本机模式保留移动主机链路层状态，AR并不给移动主机提供路由地址。相反，路由地址与CN段中节点有关，节点存储移动主机识别地址与CN信息间映射关系。当移动主机在多个AR管辖范围内移动时，路由地址维持不变。CN节点作为移动性代理支持微移动性，移动性代理实际上是承担转发查表的路由器。转发查表由两部分组成，第一部分是负责构造和更新的常规路由协议，第二部分含有移动主机的识别地址和与移动性有关的维护信令。

    在接入网间提供无隙缝域内微移动性的支持应满足下述要求：

• 可快速越区。在管理域内移动期间，与遥控HA重新注册有关性能是信令开销、越区等待时间和瞬时分组丢失率等。
• 具有可升级性、灵活性和分布式移动性结构，其中灵活性结构给移动主机提供从若干本地移动代理中选择服务代理的能力，防止“瓶颈”效应发生。
• 可在微移动性域内提供网络的QoS能力。
• 可逐渐演进，允许微移动的覆盖范围逐渐扩展。
  

4 微移动性协议
    现有微移动性协议可以分成两类，即：基于路由和基于隧道方案。基于路由方案的微移动性协议利用常规IP转移鲁棒性，在网络域建立和维护分布式移动主机的位置数据库。数据库含有平坦移动有关地址的查阅表，所有移动代理都管理地址查阅表的运行。基于路由方案的微移动性协议有Hawaii范例和蜂窝IP协议，两协议的差别在于节点功能和地址查阅表结构。基于隧道方案的微移动性协议应用于本地或分级移动中的注册和组装，产生隧道级连灵活结构。基于隧道方案的微移动性协议是GPRS和UMTS基于GTP移动性管理协议，有区域注册和分级移动IPv6协议。

4.1 基于路由的微移动性协议
(1)Hawaii范例
    微移动性域由Hawaii IP路由器组成，其中连接到域并负责所有入域和出域移动流量的网关称为域根路由器。当移动主机在域内移动时，可分配IP地址，该地址仅作为识别。当移动主机在域外移动时，该地址指向域根。当移动主机访问外地域时，该地址作为MIP的CoA。

    当移动主机发送位置变化消息时，利用移动主机激活显式信令，如MIP注册消息和移动主机的转发项目，沿着优化路径以Hawaii信令传播至域根。所有接收该消息的路由器建立和更新与移动有关项目，在反向路径上进行信包转发。在越区切换时，Hawaii定义了路径调整方案。在上下行路径上的路由器把输入信包转发至移动节点新位置上，域根保留移动主机含有转发可信度的平坦地址查阅表。
(2)蜂窝IP
    除信令外，蜂窝IP的微移动性协议类似于域根移动性管理。代替发送和处理显式消息，节点具有学习上行数据信包的IP源地址，并把该地址映射到下行接口的能力。在域内，每个AP/AR利用网关周期发送的信标指向域根的上行路径或网关。
蜂窝IP支持两种越区切换方案：硬越区切换、半软越区切换。硬越区切换的信令开销和等待时间较大，分组会丢失。在移动主机从新旧AP中接受信包时，半软越区切换可力争减少转移分组丢失。

4.2 基于隧道的微移动性协议

(1)区域注册
    区域注册扩展至MIPv4定义的树状分级外地代理(FA)后，FA称为位于树根的网关FA(GFA)。在GFA和本地FA间支持区域FA(RFA)若干层次，最低层次FA公告完整FA/RFA/GFA分级。移动主机抵达来访域时，把GFA的IP地址作为转交地址向HA注册，在来访域内以GFA改变位置时，进行区域注册。当移动主机以GFA或最低层次RFA作为代理公告信息时，进行区域注册。在上述两种情况中，区域注册申请送至FA分级并改变每一层次来访项目，移动主机具有灵活分配任意中间层次RFA作为GFA的能力，提供用于HA注册的路由地址。移动主机也可旁路区域注册，以MIPv4最低层次FA寻找路由地址。

(2)分级移动IPv6
    分级移动IPv6(HMIPv6)没有定义FA，微移动性支持需要本地项目的越区切换，其作用类似于HA给对应移动主机提供注册能力。分级移动IPv6协议引入移动性支撑点(MAP)完成上述功能。一旦移动主机抵达来访域，发现现有MAP的地址及路由广告消息，就形成两个转交地址：链路CoA(LCoA)，当前所在链路的路由器产生的前缀路由地址；区域CoA(RCoA)，基本模式的MAP子网地址或是扩展模式的MAP接口地址。
移动主机向HA注册，产生本地地址和RCoA间的连接，发出MAP连接更新，进行RCoA和LCoA间连接。在基本模式，MAP起HA作用。截获地址指向RCoA的所有信包，所组装的分组通过隧道送至LCoA。而在扩展模式，MAP拆装入域分组，根据内部信包头进行转发判决。若内部信包头的终点地址归属被注册的移动主机，MAP通过隧道把信包送至LCoA。在来访域内，MIPv6给移动路由器提供类似MAP的作用。

    基于路由方案的微移动性协议除了隧道开销外，由于上行路径上所有节点需要更换转发表项目，会面临系统升级的问题。而基于隧道方案的微移动性协议仅在所选择节点上更换转发表项目。因此，基于路由的微移动性支持较困难，而基于隧道方案的微移动性可选择多个GFA或MAP提高系统鲁棒性。

5 基于MPLS的微移动性
    基于MPLS的微移动性把基于隧道的HMIPv6应用到MPLS网络中，可克服现有方案的局限。在保持传输模式时，MIP应与MPLS综合。在IP/MPLS网络结构中，移动性管理在MPLS层进行，并不增加协议开销。

5.1 标志边界移动性代理网络
    标志边界移动性代理(LEMA)具有下述功能：

• 作为标准标志边界路由器把分组终点IP地址映射至FEC，识别指定的标志交换通道(LSP)；
• 对于已知IP地址，LEMA产生对FEC编码的新映射，响应本地注册消息；
• 更新IP地址的映射，以响应重新安排消息。
  

    在LEMA范围内的移动终端从一个AR区域移至另一个AR区域时，发至另一个AR的信令使移动终端IP地址归宿于新FEC，LSP指向新AR。通过特定信令及时改变IP地址和FEC关系可保持移动性管理。
    MPLS域上扩展微移动性支持不同于标准LER，在现有MPLS节点的子集上可增设LEMA功能。LEMA边界构成重叠网络，网络边界构成LSP。LEMA到LEMA LSP对应若干物理链路和LSR级连，LEMA节点功能类似于标准LSP，在成对LEMA间设置多个LSP可提供多种QoS业务流量。网络升级需在所选择MPLS节点处增设LEMA管理软件，MPLS节点提供FEC映射和转移功能。LEMA管理软件负责处理与移动性有关的信令，及时改变在FEC中移动主机IP地址。LEMA信令被加到移动主机上，使其具有微移动性能力。

    LEMA给移动主机提供本地HA业务，AR公告LEMA子集地址和信息。移动主机选择公告代理注册和产生分级本地HA链，在规定层次注册和产生移动主机IP地址到下一层次代理LSP的映射。较低层次LEMA负责地址映射，较高层次LEMA给宽域移动性提供路由地址。具有有限移动的移动主机以最低层次公告LEMA注册，而移动范围不定的移动主机以分级多层次LEMA注册来覆盖所增加的移动面积。

    重叠LEMA网络与其他分级移动性方案的关键差别之一是每个移动终端独自产生链的灵活性。对于移动主机，较高层次的LEMA的注册确定了微移动性边界范围。
移动主机注册的LEMA需要保留转发项目，转发项目把网络层地址映射到对应MPLS标志上或重叠LSP上，域内其他LEMA和LSR不再用于移动主机的转发项目，与移动主机有关的转发项目仅存在移动主机注册的LEMA上。相对于基于路由的方案，重叠LEMA网络可明显改进系统的可升级性。

5.2 基于MPLS的微移动性能

(1)快速越区切换
    快速越区切换有3个参数，即：信令开销、等待时间和分组丢失。快速越区切换的步骤是：第一，任何微移动性都利用本地HA，仅当移动性位于所选择最高层次LEMA时，连接来访移动的远端HA信令才可以省略；第二，与本地注册有关的等待时间仅是对应LEMA中MPLS LSP的重新定向；第三，利用已注册LEMA的重新安排消息降低与本地移动性有关的分组丢失。

(2)可升级性和有效性
    在HMIPv6域内移动主机服务用户的转发项目(MPLS标志映射的IP地址)分布在众多LEMA中。对于给定用户网络层地址，项目分布在分级注册层次的LEMA中。每次本地注册提供了选择LEMA的灵活性，LEMA分级选择是用户所需，而不是网络分级要求的内容。为了保证传输效率，不采用IP-in-IP隧道而是MPLS标志，保留本地模式的IP转发协议栈。

(3)QoS和可靠性
    大多数分级移动性方案因每一分级层次节点均有可能失效而遇到可靠性问题。重叠LEMA网络选择链上单独用户层次提供灵活性，一个LEMA失效并不影响管理域内服务的所有用户，每次失效仅影响那些在LEMA已注册的用户。当用于恢复的MPLS路径与LSP有关链路失效时，重叠网络还能保证网络鲁棒性。

    IP与MPLS一起构建移动通信的基础设施，全IP网络利用大多数现有协议把IP作为传输媒介。基于MPLS的分级移动性管理方案利用标志边界移动性代理的增强MPLS路由器，使IP/MPLS网络具有灵活性、可升级性和本地无隙缝移动性。

6 参考文献
[1] Fabio M Chiussi, Denis A Khotimsky, Santosh Krishnan. Mobility Management in Third Generation All IP Networks [J]. IEEE Communications Magazine, 2002(9):124—135.
[2] 谈振辉. IP和蜂窝互连网中的VoIP移动性 [J]. 中国移动通信, 2001(2):4—8.

收稿日期：2004-07-12

[摘要] 文章讨论了3GPP UMTS全IP无线网络中的两种运行模式：传输模式和本机模式，3个不同层次移动性支持：接入移动性、宽域移动性和微移动性。对基于路由和基于隧道两种移动性管理协议进行了比较，并介绍了基于多协议标志交换 (MPLS) 的分级移动性管理方案，该方案利用标志边界移动性代理的增强MPLS路由器，使网络具有灵活性、可升级性和无隙缝移动性。

[关键词] 因特网协议；全IP无线网络；通用移动通信系统；多协议标志交换；移动性管理

[Abstract] This paper discusses two modes of IP deployment in UMTS All-IP wireless networks: the transport mode and the native mode. It then analyzes the 3 levels of mobility support in the All-IP network: access mobility, wide-area mobility and micro-mobility. Besides, routing based and tunnel based micro-mobility protocols are compared, and a hierarchical mobility management scheme based on Multi-Protocol Label Switching (MPLS) is described. The scheme makes use of Label Edge Mobility Agents, an enhanced type of MPLS routers, to make the network flexible, scalable and seamlessly movable.

[Keywords] IP; All-IP wireless network; UMTS; MPLS; mobility management