B3G無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的切換技術(shù)研究

摘要　移動(dòng)性管理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的關(guān)鍵技術(shù)之一，而切換管理對(duì)移動(dòng)性管理顯得尤為重要。針對(duì)未來(lái)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，本文研究了相應(yīng)的切換機(jī)制，并對(duì)不同方案進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明，兩種混合式方案具有較好的切換性能，極具應(yīng)用潛力。

1、引言

未來(lái)的移動(dòng)通信環(huán)境將包括各種具有不同的傳輸速率、覆蓋范圍、系統(tǒng)容量及服務(wù)水平的無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)。為了充分利用不同接入網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，向用戶提供無(wú)處不在的服務(wù)，并且能夠滿足用戶對(duì)業(yè)務(wù)寬帶化、個(gè)人化和智能化的要求，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)作和融合是目前人們關(guān)注的焦點(diǎn)。移動(dòng)性管理技術(shù)，尤其是切換技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)融合的關(guān)鍵技術(shù)之一。

過(guò)去對(duì)切換管理技術(shù)的研究多集中在單一通信系統(tǒng)內(nèi)，從用戶的角度出發(fā)，主要保證了語(yǔ)音業(yè)務(wù)和低速率業(yè)務(wù)的延續(xù)性和質(zhì)量。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，還需要從網(wǎng)絡(luò)的角度重新設(shè)計(jì)切換管理方案，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的業(yè)務(wù)負(fù)載均衡，從而有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源以滿足用戶對(duì)多業(yè)務(wù)的需求，因此，如何設(shè)計(jì)出具有高靈活性、低復(fù)雜度的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和綜合考慮多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的切換算法是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。3GPP和歐盟的WINNER項(xiàng)目（專門(mén)針對(duì)B3G/4G研究設(shè)立）均圍繞上述兩個(gè)方面進(jìn)行了深入研究，提出了許多新的概念，但目前都處于理論研究階段，還需進(jìn)一步完善，其最終的研究結(jié)果將作為B3G/4G網(wǎng)絡(luò)切換技術(shù)的主要候選技術(shù)。

B3G/4G網(wǎng)絡(luò)將是一種融合了多種無(wú)線接入新技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部已經(jīng)具有異構(gòu)特性，本文以B3G/4G網(wǎng)絡(luò)為代表，探討了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的各種切換機(jī)制。首先從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的角度出發(fā)，引入新的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)切換控制方式的不同分別介紹了分布式、集中式及混合式3種方案，并對(duì)其性能進(jìn)行了對(duì)比分析，然后在不考慮網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及切換控制方案的情況下，從無(wú)線切換方式的角度出發(fā)，引入網(wǎng)關(guān)池的概念，分析比較了鏈路、IP及混合3種切換方式；最后對(duì)文章進(jìn)行了總結(jié)。

2、幾種切換控制方式的分析比較

可以將B3G/4G網(wǎng)絡(luò)的接入網(wǎng)抽象為由網(wǎng)關(guān)、基站、中繼節(jié)點(diǎn)、用戶終端以及無(wú)線資源管理（RRM）服務(wù)器（根據(jù)切換方案的不同可選擇采用）組成，如圖1所示。該架構(gòu)支持靈活的切換管理，分別可以通過(guò)分布式方案、集中式方案以及分布/集中混合式方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，網(wǎng)關(guān)、基站和RRM服務(wù)器是實(shí)現(xiàn)切換管理的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

圖1　接入網(wǎng)抽象架構(gòu)

網(wǎng)關(guān)是接入網(wǎng)與核心網(wǎng)的IP接口，對(duì)宏移動(dòng)性管理和微移動(dòng)性管理提供支持。網(wǎng)關(guān)控制著一組基站，當(dāng)用戶終端從該網(wǎng)關(guān)控制下的基站移動(dòng)到另一網(wǎng)關(guān)控制下的基站（同一接入網(wǎng)內(nèi)）或者其他接入網(wǎng)時(shí)，網(wǎng)關(guān)將參與切換管理。基站對(duì)處于活動(dòng)和空閑狀態(tài)下的用戶終端進(jìn)行基站間的切換管理，同時(shí)也負(fù)責(zé)基站控制下的中繼節(jié)點(diǎn)間的切換管理。RRM服務(wù)器根據(jù)切換方案的不同可選擇采用，它利用節(jié)點(diǎn)的負(fù)載信息進(jìn)行資源分割并給出相應(yīng)的切換指示。

（1）分布式方案

在該方案中，切換過(guò)程僅由用戶終端當(dāng)前所連接的基站負(fù)責(zé)執(zhí)行，沒(méi)有任何中央控制節(jié)點(diǎn)作出切換判決或者輔助作出切換判決，因此該方案不需要設(shè)置RRM服務(wù)器。當(dāng)前基站的信息和信令通過(guò)基站間接口與相鄰基站交互。當(dāng)前基站通過(guò)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)度量（RTTM）機(jī)制得到負(fù)載相關(guān)信息，據(jù)此提供給用戶終端切換所需的候選基站列表。切換過(guò)程如下：

●終端或者基站發(fā)起切換請(qǐng)求：

●當(dāng)前基站與相鄰基站通過(guò)基站間接口通信，獲取RTTM；

●當(dāng)前基站選定目標(biāo)基站，作出切換判決；

●當(dāng)前基站與目標(biāo)基站進(jìn)行通信，通知切換結(jié)束。

（2）集中式方案

該方案的基本思想是需要有一個(gè)中央控制節(jié)點(diǎn)，即RRM服務(wù)器負(fù)責(zé)切換判決。RRM服務(wù)器周期性地與基站進(jìn)行通信，獲取RTTM，從而隨時(shí)能夠獲知基站的狀態(tài)，判斷其是否處于或者接近過(guò)載狀態(tài)，向用戶終端提供切換所需的候選基站列表。RRM服務(wù)器與基站間的通信也可以采取按需通信的方式，即如果有切換判決的需求，RRM服務(wù)器才從基站處獲取RTTM。若采取周期性的通信方式，由于沒(méi)有從基站處要求獲取RTTM的時(shí)延，判決速度會(huì)加快，有利于減少切換時(shí)延。但是如果通信周期設(shè)置過(guò)長(zhǎng)，RRM服務(wù)器中存儲(chǔ)的基站狀態(tài)跟不上基站目前的更新?tīng)顟B(tài)，會(huì)造成切換誤操作；如果通信周期過(guò)短，會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的信令開(kāi)銷，因此需要根據(jù)系統(tǒng)的需求對(duì)RRM服務(wù)器與基站的通信方式進(jìn)行折中選取。

切換過(guò)程如下：

●基站、用戶終端或RRM服務(wù)器發(fā)起切換請(qǐng)求；

●RRM服務(wù)器從基站處獲取RTTM（或者查詢已有的度量值）；

●RRM服務(wù)器選定目標(biāo)基站，作出切換判決；

●RRM服務(wù)器與目標(biāo)基站通信，通知切換結(jié)束。

（3）分布/集中混合式方案

在該方案中，由當(dāng)前基站作出切換判決，RRM服務(wù)器在必要的情況下對(duì)基站的切換判決起輔助作用。由于當(dāng)前基站只能從其相鄰基站獲取信息，而RRM服務(wù)器能夠從接入網(wǎng)內(nèi)所有的基站處獲取信息，因而對(duì)網(wǎng)絡(luò)全局信息的把握更加全面，當(dāng)出現(xiàn)當(dāng)前基站或網(wǎng)關(guān)的容量達(dá)到上限或者過(guò)載的情況時(shí)，RRM服務(wù)器將會(huì)提供給當(dāng)前基站可進(jìn)行切換操作的候選基站—網(wǎng)關(guān)列表。結(jié)合從相鄰基站處得到的候選列表，當(dāng)前基站最后選定目標(biāo)基站—網(wǎng)關(guān)，作出切換判決，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載平衡和網(wǎng)絡(luò)容量最大化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于低負(fù)載狀況，當(dāng)前基站無(wú)需請(qǐng)求RRM服務(wù)器進(jìn)行輔助判決，直接進(jìn)行快速高效的切換判決。

（4）方案比較

分布式方案由基站直接進(jìn)行切換管理，大大降低了切換判決時(shí)延，減小了信令開(kāi)銷，但由于對(duì)網(wǎng)絡(luò)全局信息缺乏足夠的把握，不能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的切換判決，從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)的容量和穩(wěn)定性造成了負(fù)面影響。同時(shí)基站設(shè)備需要更加智能化，從而增加了基站設(shè)備的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。集中式方案雖然能夠充分利用全局網(wǎng)絡(luò)資源，但是由于引入了RRM服務(wù)器，增加了切換判決時(shí)延和額外的信令開(kāi)銷�；旌鲜椒桨父鶕�(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和擁塞情況靈活選取切換管理方案，充分利用了分布式方案的快速判決和集中式方案的最優(yōu)判決，在切換性能和設(shè)備復(fù)雜度上實(shí)現(xiàn)了折中。

3、幾種無(wú)線切換方式的分析比較

（1）鏈路切換

當(dāng)用戶終端需要改變其附著的無(wú)線接入點(diǎn)（無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或基站等）時(shí)，將發(fā)生切換，而在切換完成之后用戶終端仍然使用原有的IP地址進(jìn)行通信，這種切換就被稱為鏈路切換。由于用戶終端的IP地址在切換前后沒(méi)有發(fā)生變化，所以數(shù)據(jù)流也沒(méi)有發(fā)生中斷，只有數(shù)據(jù)包到達(dá)目標(biāo)基站/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的路由發(fā)生了變化。這是最常見(jiàn)也是最簡(jiǎn)單的切換方式，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中已被廣泛使用，比如切換前后源接入點(diǎn)以及目標(biāo)接入點(diǎn)屬于相同的網(wǎng)絡(luò)域。

（2）IP切換

IP切換是指切換完成后用戶終端的IP地址發(fā)生了改變。當(dāng)網(wǎng)關(guān)間進(jìn)行負(fù)載均衡以及用戶的接入網(wǎng)關(guān)發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行IP切換，為了保證在執(zhí)行IP切換的過(guò)程中數(shù)據(jù)流不發(fā)生中斷，必須使用移動(dòng)IP等協(xié)議。

（3）鏈路/IP混合切換

相對(duì)于鏈路切換，IP切換有時(shí)延較高、信令開(kāi)銷較大等缺點(diǎn)。為了減少IP切換發(fā)生的次數(shù)，提高切換效率，在B3G/4G網(wǎng)絡(luò)中引入了網(wǎng)關(guān)池的概念。將一組網(wǎng)關(guān)組合在一起，看作一個(gè)資源池，網(wǎng)關(guān)池將共享其所連接的基站池資源，如圖2所示。當(dāng)切換發(fā)生在同一個(gè)池內(nèi)的基站之間時(shí)，網(wǎng)關(guān)通常不會(huì)發(fā)生改變并且用戶仍使用原有IP地址。

圖2　網(wǎng)關(guān)池的架構(gòu)

這種池的概念使得每個(gè)網(wǎng)關(guān)可以與池內(nèi)的每個(gè)基站相關(guān)聯(lián)，避免了池內(nèi)網(wǎng)關(guān)間的切換，并且池內(nèi)的網(wǎng)關(guān)容量也可以方便地進(jìn)行擴(kuò)充。

鏈路/IP混合切換正是基于網(wǎng)關(guān)池的概念，把鏈路切換和IP切換進(jìn)行整合。圖3詳細(xì)地描述了這種混合切換方式：用戶終端所連接的基站發(fā)生了變化，即無(wú)線鏈路改變，須執(zhí)行鏈路切換；同時(shí)用戶終端又改變了附著的網(wǎng)關(guān)，需要改變IP地址，須執(zhí)行IP切換，從全局觀察即發(fā)生了鏈路/IP混合切換。如果混合切換過(guò)程在一步內(nèi)完成，在短時(shí)間內(nèi)會(huì)造成極大的網(wǎng)絡(luò)信令開(kāi)銷，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高時(shí)容易發(fā)生切換失敗，因此鏈路/IP混合切換通常分兩步完成。

圖3　鏈路/IP混合切換

第一步：鏈路切換。用戶終端切換到另一個(gè)基站，但網(wǎng)關(guān)沒(méi)有改變，屬于快速的鏈路切換，如圖4所示。

圖4　鏈路/IP混合切換（鏈路切換）

第二步：IP切換。當(dāng)用戶終端執(zhí)行了上述過(guò)程并切換到新的基站后，開(kāi)始切換到新的網(wǎng)關(guān)，由于進(jìn)入了一個(gè)新的IP域，改變了IP地址，執(zhí)行了IP切換，如圖5所示。

圖5　鏈路/IP混合切換（IP切換）

（4）切換方式比較

鏈路切換和IP切換是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中兩種基本的切換類型。鏈路切換雖具有低時(shí)延、低信令開(kāi)銷的優(yōu)點(diǎn)，但是下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是各種接入方式并存的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡，最大化網(wǎng)絡(luò)資源利用率，IP切換不可避免。但I(xiàn)P切換具有時(shí)延較高，信令開(kāi)銷較大的缺點(diǎn)。利用網(wǎng)關(guān)池的概念，鏈路/IP混合切換方式減少了IP切換次數(shù)，既提高了切換效率，同時(shí)也保證了切換成功率。

4、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了B3G/4G網(wǎng)絡(luò)中可能用到的幾種切換管理機(jī)制，其中分布/集中混合式方案和鏈路/IP混合切換方式是比較理想的兩種切換機(jī)制。分布/集中混合式方案著重從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)出發(fā)，引入中央控制節(jié)點(diǎn)使切換管理更加靈活，并在切換性能和復(fù)雜度之間實(shí)現(xiàn)了折中。鏈路/IP混合切換方式則引入網(wǎng)關(guān)池的概念，提高了切換效率和性能，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)間負(fù)載均衡和網(wǎng)絡(luò)資源利用率最大化。同時(shí)，分布/集中混合式方案可以用來(lái)更好地控制和管理鏈路/IP混合切換，將二者相結(jié)合將是解決未來(lái)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合中切換問(wèn)題的重要手段。今后的工作重點(diǎn)將對(duì)混合切換方案進(jìn)行優(yōu)化，并結(jié)合具體的切換算法對(duì)方案的性能進(jìn)行定量的仿真評(píng)估。