后3G中的網(wǎng)絡(luò)融合探討

摘要　文章針對后3G移動通信系統(tǒng)的全I(xiàn)P化、多業(yè)務(wù)、多設(shè)備、多種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并存的特點(diǎn)，研究后3G中的網(wǎng)絡(luò)融合的策略問題。從網(wǎng)絡(luò)融合的概念、架構(gòu)原則、面臨的挑戰(zhàn)和采取的技術(shù)等方面探討了適合后3G移動通信系統(tǒng)發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)融合方案。

0、引言

后3G指從3G到4G的演進(jìn)過程。后3G通信系統(tǒng)是基于IP、采用多種技術(shù)、能提供多業(yè)務(wù)、支持多接入的綜合性通信系統(tǒng)。針對后3G通信系統(tǒng)的以上特點(diǎn)，有必要對其網(wǎng)絡(luò)融合方案進(jìn)行研究，從而得出有指導(dǎo)性的策略。目前這方面的工作主要由世界無線電論壇（WWRF）的網(wǎng)絡(luò)融合小組（CoNet）進(jìn)行。目前CoNet所提出的總體方案為：從網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和用戶終端兩方面加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性，融合各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)保證系統(tǒng)的無縫覆蓋。該方案包括移動性管理、多址接入和移動網(wǎng)絡(luò)3個核心概念。初步估計(jì)在2010年，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)能具有以下特點(diǎn)：a）各種網(wǎng)絡(luò)共存，包括有線、無線和廣播網(wǎng)絡(luò)；b）網(wǎng)絡(luò)具有良好的可靠性、靈活性，便于管理；c）在任何時間和地點(diǎn)保證能用不同的方式來控制用戶的接入；d）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化時，保證對業(yè)務(wù)的影響最小；e）提供高層業(yè)務(wù)控制接口；f）最優(yōu)利用系統(tǒng)資源和有限的無線資源；g）提供各種靈活的業(yè)務(wù)模型。

同時，CoNet也指出了網(wǎng)絡(luò)融合的關(guān)鍵在于系統(tǒng)的層次化結(jié)構(gòu)，提供能夠復(fù)用的獨(dú)立功能模塊。本文將從系統(tǒng)總體架構(gòu)原則、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案和采取的技術(shù)三方面來具體探討后3G的網(wǎng)絡(luò)融合。

1、系統(tǒng)架構(gòu)原則

系統(tǒng)總體架構(gòu)原則主要包括層次化結(jié)構(gòu)和獨(dú)立功能模塊的復(fù)用。

目前層次化結(jié)構(gòu)的理念已被廣泛應(yīng)用。層次化是指從邏輯上把系統(tǒng)分為具有獨(dú)立功能的子系統(tǒng)。分層的主要目的是為了通過開放性減少應(yīng)用軟件對物理設(shè)備控制軟件的依賴，也就是說通過分層和為該層定義一組標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)用接口，使物理設(shè)備之間的異構(gòu)性和不同模塊之間的異構(gòu)性可以被屏蔽。一般的分層網(wǎng)絡(luò)模型至少有應(yīng)用層、連接層和接入層。應(yīng)用層可分為業(yè)務(wù)層和業(yè)務(wù)支撐子層；連接層可以是網(wǎng)絡(luò)和傳輸子層；接入層可包括一些功能相似的接入網(wǎng)絡(luò)。各層的功能和接口定義非常嚴(yán)格，只有這樣才能保證在其中一層變動時對其他層的影響最小。

CoNet架構(gòu)定義不同的功能模塊完成某種特定功能，促進(jìn)了基于組件的模塊化架構(gòu)的發(fā)展，但也對各個功能模塊接口提出了更嚴(yán)格的要求。簡單來說，如某種業(yè)務(wù)需要處理用戶數(shù)據(jù)，控制信令進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，就可以分別定義用戶、控制和管理功能平臺分別實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。引入獨(dú)立功能模塊的主要優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)系統(tǒng)有新的業(yè)務(wù)需求時，添加新的功能模塊不必對整個系統(tǒng)進(jìn)行改動，而只需要引入新的模塊和復(fù)用已有的模塊。圖1直觀說明了系統(tǒng)架構(gòu)原則。

圖1　層次性模塊化結(jié)構(gòu)

針對后3G的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，除了以上兩個主要原則之外，還需要考慮網(wǎng)絡(luò)融合的連續(xù)性、端到端的連接、網(wǎng)絡(luò)的安全性和自組織特性。網(wǎng)絡(luò)融合連續(xù)性的重點(diǎn)在于連接層利用不同的傳輸技術(shù)來保證用戶設(shè)備移動條件下的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的連接。端到端方案中值得注意的是通過逐跳和中間節(jié)點(diǎn)過渡來解決不同種類終端的連接。網(wǎng)絡(luò)安全性方面需要在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全措施的基礎(chǔ)上強(qiáng)調(diào)各個網(wǎng)絡(luò)接口之間的接入鑒權(quán)和授權(quán)。CoNet的網(wǎng)絡(luò)融合方案所提出的自組織特性相對于已有的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)來說，各個網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的獨(dú)立性和靈活性更強(qiáng)，這樣才能保證實(shí)現(xiàn)不同種類網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)組網(wǎng)。

2、網(wǎng)絡(luò)融合方案

本節(jié)中我們將參考WWRF所接納的模型具體分析網(wǎng)絡(luò)融合方案。該參考模型較全面地涵蓋了系統(tǒng)的主要功能模塊及各個模塊之間的相互影響。

2.1　多址接入

要保證系統(tǒng)的多址接入能力，必須從以下幾方面入手：a）接入設(shè)備具備獨(dú)立的接入能力，具體表現(xiàn)為應(yīng)用編程接口、統(tǒng)一的API函數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議接口；b）移動終端能根據(jù)不同環(huán)境選擇相應(yīng)的接入?yún)f(xié)議；c）為了保證系統(tǒng)運(yùn)行效率，在移動終端利用不同接入技術(shù)進(jìn)行入網(wǎng)請求時，只需要進(jìn)行一次認(rèn)證，無需重復(fù)認(rèn)證，這就對移動終端的移動性管理提出了更高要求。從目前情況來看，應(yīng)設(shè)計(jì)新的API函數(shù)來完成不同網(wǎng)絡(luò)之間的信息交流，并對移動終端的接入采取記錄機(jī)制，以確保數(shù)據(jù)信息的隨時更新。

2.2　移動性管理

在后3G通信系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)的多樣性和復(fù)雜性都會顯著增加，表現(xiàn)在用戶終端多樣化、接入網(wǎng)絡(luò)多樣化、IP地址的動態(tài)分配、幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)都具有獨(dú)立功能的可移動實(shí)體，這就要求移動性管理必須從兩方面入手：a）包括切換在內(nèi)的移動路由管理；b）具有位置更新和記錄機(jī)制的移動位置管理。

目前得到廣泛認(rèn)可的移動性管理的概念是基于IP2的，IP2在參考文獻(xiàn)[3]中有具體介紹。在網(wǎng)絡(luò)控制子層中利用路由管理器和位置管理器控制移動終端（MT）的接入，路由管理器負(fù)責(zé)為其管理的MT創(chuàng)建、更新、刪除高速緩存器。位置管理器負(fù)責(zé)其管理的MT的所有位置信息，并在必要時做出記錄，路由器則只負(fù)責(zé)鏈路建立和數(shù)據(jù)交換。這樣，MT之間的通信并不要求互相知道對方的信息，能提高資源的利用率。即使由于MT的移動造成了路由器IP地址（IPra）的改變，但MT主機(jī)IP地址（IPha）并不需要改變，也能建立連接。由于有了位置管理器中的位置信息，IPha只是用來確定某一個MT，而IPra則是用來在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

Ipha與IPra之間的映射過程如下：接入路由器（AR）收到來自某一MT的數(shù)據(jù)（包括數(shù)據(jù)包的目的地址IPha），利用高速路由緩存把IPha映射成IPra，這個過程有路由管理器來實(shí)現(xiàn)。接著AR利用其路由表里的信息轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到連接目的MT的AR，這主要通過把Ipra作為發(fā)送數(shù)據(jù)包的前綴來實(shí)現(xiàn)。對應(yīng)的AR收到數(shù)據(jù)包之后，再進(jìn)行IPra到IPha的映射，最后數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給MT。在以上過程中，如果目的AR沒有含有MT的IPha信息的高速緩存，則請求路由管理器創(chuàng)建新的高速緩存。當(dāng)MT從一個AR移動到另一個AR時，接入層中的路由接入控制器觸發(fā)路由管理器作出反應(yīng)，同時新的AR為MT分配IPra，然后更新位置管理器中的信息。

在后3G網(wǎng)絡(luò)中，端到端的數(shù)據(jù)傳輸主要通過IP層實(shí)現(xiàn)，其QoS可以通過應(yīng)用程序來保證。首先，網(wǎng)絡(luò)之間的接口能通過應(yīng)用程序控制QoS，也就是說系統(tǒng)允許應(yīng)用程序獲得相應(yīng)的控制和配置參數(shù)，或按照一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一些默認(rèn)設(shè)置。另外，相應(yīng)的QoS參數(shù)通過端到端的路由通告給處于鏈路上的每一個域，當(dāng)有新的域接入時，也相應(yīng)獲得了這些參數(shù)，便于進(jìn)行資源分配。每個域并不是統(tǒng)一按照單一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行資源配置，可采用符合自身特點(diǎn)的獨(dú)立方案進(jìn)行資源配置。

2.3　移動性網(wǎng)絡(luò)

在后3G系統(tǒng)中，移動性網(wǎng)絡(luò)將會大規(guī)模出現(xiàn)。移動性網(wǎng)絡(luò)（NEMO）是指具有一個或多個移動路由器（MR）以及一定數(shù)目的移動終端設(shè)備相連的網(wǎng)絡(luò)，最大特點(diǎn)是在其網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變時，可以改變它與其他網(wǎng)絡(luò)的連接點(diǎn)。目前，與NEMO相關(guān)的研究主要有IETF中的NEMO WG[5]負(fù)責(zé)，但是這些技術(shù)都是基于移動IP的。由于端到端包交換的封裝特性，不太容易實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化路由和定位。在CoNet架構(gòu)概念中提出了一種新的解決方案，該方案基于4個概念：包頭前綴管理（CoP）、集合路由器（AGR）、連接路由管理及分級地址管理。

在NEMO概念中，數(shù)據(jù)包的前綴必須保持持續(xù)性，包頭開銷會越來越大。可以通過對移動終端地址管理（CoA）解決該問題。具體來說就是當(dāng)NEMO移動到新的AR，AR分配新的包頭前綴，CoP迅速更新NEMO的包頭前綴信息，該NEMO中的所有終端通過該信息來更新CoA信息。

NEMO中的移動性管理主要由集合路由器（AGR）處理。AGR類似于層次化移動IPv6中的移動錨點(diǎn)（MAP）。AGR負(fù)責(zé)收集所有AR的升級信令，從而減少了NEMO與核心網(wǎng)之間的通信信令綁定。發(fā)往NEMO的數(shù)據(jù)包也通過AGR實(shí)現(xiàn)，這就要求在放置AGR時必須考慮使所有的通信路由最優(yōu)化。如果NEMO的移動范圍過大，必須重新部署AGR。部署AGR需要綜合考慮切換時延和AGR的重新部署頻率。如果AGR離NEMO距離太近，雖然能解決切換時延和優(yōu)化路由的問題，但會造成AGR的頻繁切換。

圖2比較直觀地說明了連接路由管理概念。家鄉(xiāng)代理只負(fù)責(zé)保存MT的信息，而MR1 HA負(fù)責(zé)保存主機(jī)地址和地址管理信息。這樣可以實(shí)現(xiàn)在NEMO切換工程中只需要更新MR1 HA的信息。由于NEMO的移動造成AGR和MR1 HA的改變，必須更新MR1 HA中的地址管理信息。但由于綁定的信令數(shù)據(jù)量很大，需要引入分級地址管理來解決。具體來說就是，NEMO中的MT的地址管理信息分為共享信息和獨(dú)立信息，共享信息用來表示NEMO的位置信息，只有當(dāng)NEMO切換時才更新，獨(dú)立信息表示了NEMO中各個MT的位置信息，在NEMO切換時也不發(fā)生改變。由于AR分配唯一的前綴給NEMO，則不會出現(xiàn)重復(fù)的CoA，當(dāng)NEMO切換時，只需MR1、AGR和MR1 HA來處理相應(yīng)的綁定信息，完成共享信息的更新。

圖2　連接路由管理

參考文獻(xiàn)

1　H.Abramowicz et a1.The Wireless World Initiative：A Framework for Research on Systems Beyond 3G.IST Mobile and Wireless Commun. Summit 2004，Lyon，F(xiàn)rance，June 27-30，2004

2　S.Dixit et al.Cooperative Network Architectural　Principles, Version 1.07.WWRF，10th mtg.，Oslo，Norway, June 10-11,2004

3　DIAMETER Base Protocol，IETF draft，http：//search.Ietf.org/internet-drafts/draft-ietf-aaa-diameter-11.txt

4　IST-1999-12300. WSI：Wireless　Strategic　Initiative.http：//www.ist-wsi.org

5　NEMO WG.http：//www.nal.motlabs.com/nemo/