基于IP下一代無線數(shù)據(jù)網(wǎng)的接入網(wǎng)基礎(chǔ)

王傳令　

北京郵電大學(xué)22信箱Y002班

摘要

　　下一代無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在正在被制訂，盡管各種不同的無線網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)非常相似，但已經(jīng)有一部分接入網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)根據(jù)它們各自的無線鏈路技術(shù)制訂出來。在本文中，我們介紹了一種基于IP的網(wǎng)絡(luò)作為不同的無線技術(shù)的通用接入網(wǎng)�；�于IP的接入網(wǎng)使用Internet標(biāo)準(zhǔn)和移動IP來支持移動主機的宏移動，使用HAWAII來支持當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)中的微移動和呼叫功能。我們還說明了這種基于IP的解決方法如何與當(dāng)前存在的基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通的問題，因為只有這樣才能使這種方案能逐漸的被采用。

簡介

　　目前，由于用戶和新應(yīng)用的增長，Internet上的業(yè)務(wù)呈現(xiàn)了指數(shù)增長的趨勢。無線網(wǎng)絡(luò)也由于用戶的增長而呈現(xiàn)快速增長的勢頭，現(xiàn)在很多人開始努力研究如何在無線接入網(wǎng)上提供數(shù)據(jù)服務(wù)的問題。

　　Internet協(xié)議（IP）是現(xiàn)在正在運行的占主導(dǎo)地位的網(wǎng)間互聯(lián)協(xié)議。在理論上選擇IP作為無線數(shù)據(jù)網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)協(xié)議有幾個方面的原因：第一，如果使用基于IP的網(wǎng)絡(luò)，為有線數(shù)據(jù)網(wǎng)編寫的應(yīng)用系統(tǒng)還可以運行在無線網(wǎng)絡(luò)上。第二，出于所需成本的考慮，可以建立和管理綜合無線和有線的網(wǎng)絡(luò)。第三，IP技術(shù)的優(yōu)勢，比如IP電話和服務(wù)質(zhì)量（QoS）等，都可以直接的應(yīng)用到無線網(wǎng)絡(luò)上。這將使基于IP的無線網(wǎng)絡(luò)不僅可以提供數(shù)據(jù)服務(wù)還可以提供語音服務(wù)，因此也使它們可以接入巨大基數(shù)的蜂窩語音消費者用戶。

　　我們認為，所有的與移動有關(guān)的功能都應(yīng)該在IP層處理。這就使得獨立于各種無線接口的無線接入網(wǎng)可以得以部署。僅特殊的無線鏈路處理與基站有關(guān)，這一點我們通過擴展運行在接入網(wǎng)中的路由器和基站上的IP層軟件來實現(xiàn)。

　　我們采用IP移動性協(xié)議的基于域的劃分思想。采用基于域方法的原因在于考慮到大部分移動是在一個域中進行的，特別是大多數(shù)用戶的移動是發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)的同一個行政管理域內(nèi)，由于行政管理域是在一個管理局的控制下，這就使得將各種對移動的支持合并在基礎(chǔ)設(shè)施上成為可能�；�于域的管理方法與當(dāng)前的路由選擇協(xié)議的劃分相類似，現(xiàn)在的路由選擇協(xié)議劃分為域內(nèi)的路由選擇協(xié)議RIP或OSPF和域間路由選擇協(xié)議如BGP。當(dāng)前對移動管理的另一個解決方法是蜂窩IP，它也是采用了基于域的方法。然而，蜂窩IP域中的網(wǎng)絡(luò)元素是專門面向移動管理的，而我們的解決方法是增強常規(guī)的IP路由器使其帶有對移動的支持，這樣就使得這些路由器也可以被用來為其他的有線IP業(yè)務(wù)進行路由選擇。

　　在本文中，我們介紹了基于IP的接入網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，它主要是面向下一代無線網(wǎng)絡(luò)的。在接入網(wǎng)中，我們使用了Internet標(biāo)準(zhǔn)和移動IP作為域間協(xié)議來支持宏移動，同時，我們使用被稱為HAWAII的移動IP的擴展協(xié)議作為域內(nèi)協(xié)議來支持微移動和呼叫功能。在切換期間，HAWAII引起的對用戶業(yè)務(wù)的中斷比移動IP要小的多，并且它對歸屬代理的更新也比移動IP要少。HAWAII的呼叫支持可以大大提高移動主機電能的消耗。此外，因為HAWAII允許移動主機在域內(nèi)移動時保持他們的網(wǎng)絡(luò)地址，這樣就簡化了QoS的支持。最后，我們還說明了我們提議的基于IP的解決方法如何與當(dāng)前的無線基礎(chǔ)設(shè)施互通，只有這樣才能得到廣泛的實施。

　　文章的其他部分是這么組織的：我們首先概述了新興的廣域無線數(shù)據(jù)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，說明了來自歐洲和北美的兩個標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)。接著，我們還介紹了一種基于IP的無線接入網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，它使用的是移動IP和HAWAII，其中HAWAII是對移動IP 的增強。我們還說明了我們的基于IP 的體系結(jié)構(gòu)如何成為下一代廣域無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的一部分。最后，我們介紹了我們的結(jié)論。

新興的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

　　這里我們將概述兩種無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，它們現(xiàn)在都正在被研究和開發(fā)。

　　·GPRS

　　通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）是由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ETSI）制訂的標(biāo)準(zhǔn)，它主要是通過使用全球移動通信系統(tǒng)（GSM）蜂窩網(wǎng)來提供分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。圖1示出了GPRS網(wǎng)絡(luò)的高層示意圖。GPRS為移動管理使用了鏈路層和新定義的高層技術(shù)的結(jié)合。

圖1 GPRS網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

　　在空中接口上，GPRS支持注冊、身份驗證、無線尋呼和切換，還有面向信道訪問的過程來發(fā)送數(shù)據(jù)分組。GPRS允許移動主機運行在兩個截然不同的狀態(tài)：一種是活動狀態(tài)，在這種情況下，網(wǎng)絡(luò)知道移動主機的當(dāng)前的基站位置。另一種是等待狀態(tài)，在這種情況下，網(wǎng)絡(luò)僅僅知道用戶的大概位置比如移動主機所處的基站組被稱作尋呼區(qū)域（paging area）。定義等待狀態(tài)的目的是減少主機的電池消耗，這主要是通過當(dāng)移動主機離開尋呼區(qū)域時它才通知網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的。如果去往等待狀態(tài)移動主機的數(shù)據(jù)包到達無線接入網(wǎng)，GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點（SGSN）在移動主機的呼叫域內(nèi)呼叫移動主機，這樣做是在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包之前確定移動主機當(dāng)前的基站。

　　在骨干網(wǎng)中，GPRS定義了一種新的隧道協(xié)議，它是建立在IP網(wǎng)絡(luò)之上的，被稱為通用隧道協(xié)議（GTP），它主要是處理設(shè)備移動，同時它還支持注冊和身份認證。通過隧道傳播的數(shù)據(jù)分組在其外面被封裝了一個GTP/UPG/IP頭，這就為每個數(shù)據(jù)分組增加了48字節(jié)的頭開銷。GPRS也為每個用戶定義了QoS輪廓，它主要包括優(yōu)先級、時延、可靠性和峰值和均值吞吐量類型。然而，定義的GPRS規(guī)范的QoS機制的缺點是在IP QoS的優(yōu)勢如綜合業(yè)務(wù)和有區(qū)別的業(yè)務(wù)不能直接的應(yīng)用了。

　　在圖1中，來自移動設(shè)備的空中接口協(xié)議終止在BTS/BSCs上。GTP隧道在兩個GPRS網(wǎng)關(guān)路由器之間：SGSN終止了隧道的一端，并且使用鏈路層協(xié)議將數(shù)據(jù)分組直接打包送入正確的BTS/BSC；網(wǎng)關(guān)GSN（GGSN）終止了GPRS隧道的另一端，它對于Internet來說是一個網(wǎng)關(guān)，當(dāng)設(shè)備在SGSNs間移動時，將建立新的GTP隧道來管理移動。當(dāng)設(shè)備在同一SGSN的不同BTSs/BSCs之間移動時，要在鏈路層完成切換。

　　GPRS在支持簽證、注冊和漫游時重新使用了GSM網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施。每個SGSN都被連接到一個訪問位置寄存器（VLR）上，VLR保存著當(dāng)前連接到它上面的用戶的臨時數(shù)據(jù)庫。已注冊用戶的永久數(shù)據(jù)庫被保留在歸屬位置寄存器（HLR）上，并且有一個指針指向它們當(dāng)前的VLRs。無論何時當(dāng)一個新的用戶必須被認證時，VLR與用戶的HLR相聯(lián)系，HLR使用認證信息來響應(yīng)VLR，這個認證信息是由一組隨機的詢問和它們相應(yīng)的應(yīng)答組成的，通過HLR與用戶共享的密碼關(guān)鍵字來獲得這些信息。通過向用戶發(fā)送詢問并把它的應(yīng)答與從HLR得到的應(yīng)答相比較，VLR就完成了用戶認證。對于SGSN和用戶之間的加密也一樣，HLR可以向VLR發(fā)送一個加密密鑰，這個加密密鑰僅僅由用戶和HLR知道，它是從同樣的密碼關(guān)鍵字中獲得的。

　　CDMA

　　CDMA網(wǎng)絡(luò)使用鏈路層和IP層技術(shù)的結(jié)合來管理移動性。圖2示出了CDMA網(wǎng)絡(luò)的簡圖。CDMA網(wǎng)絡(luò)定義了一個空中接口，它與GPRS網(wǎng)絡(luò)中的空中接口執(zhí)行相同的功能：注冊、認證、呼叫、切換和隧道訪問等。為CDMA數(shù)據(jù)網(wǎng)定義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也是基于IP的。

圖2 CDMA網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

　　GPRS和CDMA網(wǎng)絡(luò)一個直接的最重要的不同是在CDMA網(wǎng)絡(luò)中，在軟切換期間移動設(shè)備可以與多個基站通信，因此就發(fā)送了多個副本數(shù)據(jù)幀，這樣就增加了用戶數(shù)據(jù)正確接收的概率。象圖2中示出的一樣，復(fù)制數(shù)據(jù)幀被一個專門的叫做幀選擇器的網(wǎng)絡(luò)元素接收到，然后，它就把數(shù)據(jù)幀以最大不受損壞的概率轉(zhuǎn)發(fā)出去，并且丟棄所有的其他幀。這些幀被一個互聯(lián)功能（IWF）單元接收到，然后它把數(shù)據(jù)幀重組進IP分組中發(fā)送到Internet上。對于漫游，IWF起到象移動IP外區(qū)代理一樣的作用。

　　對于基站之間的移動，就由鏈路層技術(shù)來管理了。對于幀選擇器之間的移動，可以由移動IP來管理，這一點將在后面討論到。還要注意的是在這種情況下，歸屬代理和外區(qū)代理之間的數(shù)據(jù)分組使用IP-in-IP隧道進行了封裝，這樣就為每個數(shù)據(jù)分組增加了20字節(jié)的頭開銷。

　　CDMA網(wǎng)絡(luò)使用與GPRS相同的HLR/VLR機制來支持用戶認證、注冊和漫游。另外，CDMA網(wǎng)絡(luò)使用為移動IP定義的認證程序。

　　基于IP的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)

　　前面已經(jīng)說明，IP在每個體系結(jié)構(gòu)中成了骨干網(wǎng)的基礎(chǔ)，同時，還有幾個專門的組件和程序在接入網(wǎng)中為提供移動性支持服務(wù)。我們預(yù)想下一代無線接入網(wǎng)是一個純IP網(wǎng)絡(luò)，在這種情況下，基站將是可尋址的實體。在本章的其他部分，我們在描述我們的基于IP的體系結(jié)構(gòu)時都是在基站可尋址的假設(shè)下進行的。我們將在后面看到，當(dāng)把這種體系結(jié)構(gòu)映射到當(dāng)前的無線接入網(wǎng)時，一種可取代基站的替代品怎樣通過合適的移動主機的下一跳實體來替代基站。

　　·移動IP

　　移動IP是當(dāng)前在IP網(wǎng)絡(luò)中支持宏移動的標(biāo)準(zhǔn)。移動IP定義了兩種實體來提供移動支持：歸屬代理和外區(qū)代理。歸屬代理靜態(tài)的分配給移動主機，它是基于移動主機的永久歸屬IP地址來分配的。外區(qū)代理是基于移動主機當(dāng)前的位置來分配給移動主機的。與外區(qū)代理相關(guān)聯(lián)的IP地址叫做轉(zhuǎn)交地址。去往移動主機的數(shù)據(jù)包首先被歸屬代理截獲，然后可能使用IP-in-IP技術(shù)通過隧道將它轉(zhuǎn)發(fā)給外區(qū)代理，這里使用了轉(zhuǎn)交地址。外區(qū)代理解封裝數(shù)據(jù)包，然后將它們直接轉(zhuǎn)發(fā)給移動主機。因此，外區(qū)代理是與移動主機最靠近的IP實體，在無線網(wǎng)絡(luò)中可能是基站或者直接連接到基站上的路由器象CDMA網(wǎng)絡(luò)中的IWF一樣。

　　移動IP要求對每個信令消息認證來防止惡意用戶建立未授權(quán)的隧道。為了達到認證目的，在用戶和他們的歸屬代理之間、歸屬代理和外區(qū)代理之間還有用戶和外區(qū)代理之間存在安全性聯(lián)合。這種安全性聯(lián)合可以被靜態(tài)的設(shè)置，主要是通過向感興趣的組件發(fā)布永久密鑰來完成的。然而，每個安全性聯(lián)合的靜態(tài)設(shè)置都可能導(dǎo)致很嚴(yán)重的問題，特別是在廣域網(wǎng)上更是如此。為了避免這個問題，IETF正在對協(xié)議和體系結(jié)構(gòu)進行標(biāo)準(zhǔn)化，以允許認證、授權(quán)和計費（AAA）服務(wù)器向移動IP節(jié)點發(fā)布短時認證密鑰。在這種情況下，安全性聯(lián)合由AAA服務(wù)器動態(tài)的設(shè)置，并且僅僅持續(xù)一個會話周期。

　　移動IP提供了一種比較好的結(jié)構(gòu)框架，它允許用戶在他們的歸屬網(wǎng)絡(luò)外漫游，同時還不中斷他們的應(yīng)用。然而，它不是專門為寬帶無線網(wǎng)絡(luò)或者管理微移動而設(shè)計的，并且在下一代無線網(wǎng)絡(luò)中，基站間的切換將在IP層處理，因此它在用到下一代無線網(wǎng)絡(luò)體系中時具有很多局限性：

　　第一，移動IP統(tǒng)一處理所有形式的移動；因此，當(dāng)一個用戶僅移動一個短距離時，盡管他可能只在兩個基站之間移動，也使用與另一個從遠程域注冊的用戶相同的機制。這需要改變移動主機的IP地址并且通知歸屬代理自己的移動。因為這樣的移動可能頻繁發(fā)生，所以這些通知的開銷是應(yīng)該考慮的問題。這也可能在切換發(fā)生時引起對用戶業(yè)務(wù)重大的損壞（丟失或延時）。此外，數(shù)據(jù)通過隧道處理可能導(dǎo)致非最佳路由和頭開銷。

　　第二，移動IP不支持呼叫。呼叫功能不要求主機頻繁的更新網(wǎng)絡(luò)，這樣主機只提供給網(wǎng)絡(luò)大概的位置信息，以這種代價來提高移動主機上的能量管理。在移動IP中，移動主機被需要在每一次移動時都更新網(wǎng)絡(luò)。這樣導(dǎo)致移動主機過多的電池能量的消耗，這一點對于廣域無線設(shè)備來說是無法接受的。

　　最后，當(dāng)前在Internet中通過使用不同的和綜合的服務(wù)來提供QoS還具有巨大的利潤。使用移動IP的移動主機每一次從一個基站切換到另一個基站時都需要一個新的轉(zhuǎn)交地址。這可能就會觸發(fā)新的從歸屬代理到移動主機間的QoS預(yù)約，甚至在移動主機和歸屬代理之間的大部分路徑都沒改變時也需要新的預(yù)約，這種情況在一個域內(nèi)進行局域移動時也會發(fā)生。

　　總之，當(dāng)移動IP作為廣域無線數(shù)據(jù)網(wǎng)中的移動性協(xié)議的基礎(chǔ)時，它還有幾個方面的局限性。因此，我們就擴展了移動IP的這些限制。我們的基于IP的無線接入網(wǎng)將在下面討論到。

　　HAWAII

　　我們現(xiàn)在就通過一個例子來說明一下我們提議的基于IP的移動解決方法，這個例子分為四個部分：上電，微移動，呼叫和宏移動功能。我們最后討論HAWAII中的安全性問題。

　　上電－我們的基于IP的接入網(wǎng)被分割為域的層次，與Internet中的獨立系統(tǒng)層次相類似。進入每個域的網(wǎng)關(guān)被稱為域根路由器，每個主機被認為具有一個IP地址和一個歸屬域，盡管這個地址分配可以是靜態(tài)的，我們還是寧愿移動主機在上電期間通過DHCP來分配一個動態(tài)地址，這樣做的目的是能在無線接入網(wǎng)中更加有效的使用IP地址。在這種情況下，假如移動主機上電時所在的域?qū)儆谝苿又鳈C的服務(wù)提供者，域就變成了主機的歸屬域。因為移動主機一般起到客戶的作用，當(dāng)它們激活它們的應(yīng)用時，它們的服務(wù)器將學(xué)習(xí)它們的IP地址，同時，目錄服務(wù)器也學(xué)習(xí)主機動態(tài)分配的地址。

　　移動主機動態(tài)地址的使用與Internet服務(wù)提供商為固定主機提供的撥號模式的服務(wù)相類似，不同點在于無線網(wǎng)絡(luò)中的用戶是移動的，并且歸屬域是由主機上電的位置來確定，而不是由哪一個MODEM訪問號碼被撥叫來確定。除了比靜態(tài)分配IP地址需要更少的IP地址外，下面我們將看到這樣做同時也導(dǎo)致只要用戶在上電期間不移出域，就會有最佳的路由選擇而不帶有隧道。

　　在我們的體系結(jié)構(gòu)中，當(dāng)在一個域中運轉(zhuǎn)時，移動主機保持著分配給它的IP地址而不管它的位置在哪里。為了維護域根路由器和移動主機間的IP路由，HAWAII在移動主機移動時建立了一個專門的路徑。這個為建立和維護與移動主機的連接而更新所選擇的路由器的算法被稱為路徑建立方案，上電的路徑建立方案參見圖3說明。

圖3 上電

　　圖3示出了兩個HAWAII域，域中有邊界路由器、域根路由器1和域根路由器2，兩個基站BS1和BS2被認為是多播組239.0.0.1的一部分；這關(guān)系到呼叫，在下面將討論到。圖中還示出HAWAII的轉(zhuǎn)發(fā)記錄都與路由器相毗鄰，這些記錄都用一個消息來指明哪個消息負責(zé)建立這個條目（零消息數(shù)字表明的是先前存在的記錄）。記錄是由一個IP地址和一個多播地址組成，此IP地址帶有一個輸出接口數(shù)字，它是用來轉(zhuǎn)發(fā)去往這個IP地址的數(shù)據(jù)包，IP地址還帶有一個多播地址，它對應(yīng)于用戶當(dāng)前連接上的基站組。

　　移動主機首先向它的當(dāng)前的基站發(fā)送一個移動IP注冊消息（1）�；�站BS1根據(jù)注冊消息的參數(shù)確認移動主機是在它的歸屬域上電后，就為移動主機增加一個轉(zhuǎn)發(fā)記錄并且觸發(fā)一個HAWAII上電消息（2）發(fā)向路由器3。路由器3同樣也為移動主機增加一個向基站BS1轉(zhuǎn)發(fā)記錄，并且同時向域根路由器發(fā)送一個消息（3），路由器R1增加一個向路由器R3的轉(zhuǎn)發(fā)記錄，并向基站回發(fā)一個確認消息（4），然后基站就向移動主機發(fā)送一個移動IP注冊應(yīng)答（5）。

　　當(dāng)去往移動主機IP地址1.1.1.100的數(shù)據(jù)包根據(jù)IP地址的子網(wǎng)部分（1.1.1.0）到達域根路由器時，它根據(jù)HAWAII建立的基于主機的轉(zhuǎn)發(fā)記錄，經(jīng)過R1、R3和基站傳送到移動主機。應(yīng)當(dāng)注意的是，在這種情況下沒有使用隧道，數(shù)據(jù)包通過一個最佳路由到達移動主機。

　　微移動－現(xiàn)在讓我們考慮一下當(dāng)移動主機從BS1切換到BS2時會發(fā)生什么情況。交換的消息序列如圖4所示，應(yīng)當(dāng)注意移動主機一直維持著它的IP地址（1.1.1.100），這是因為這個移動是在同一個HAWA11域內(nèi)進行的。

圖4 域內(nèi)切換

　　與前面一樣，移動主機向它的新基站BS2發(fā)送一個移動IP注冊消息（1）用來通知BS2它的前基站是BS1。BS2 向BS1發(fā)送一個HAWAII切換消息（2）。BS1為移動主機增加一個記錄，這樣后來的數(shù)據(jù)包就被通過它轉(zhuǎn)發(fā)到BS2，然后，它就向R3發(fā)送一個HAWAII消息（3），R3把它的轉(zhuǎn)發(fā)記錄從端口3變成端口4，這樣去往移動主機的數(shù)據(jù)包現(xiàn)在就被送往BS2，然后，R3就向BS2發(fā)送一個HAWAII消息（4），這個消息更新了它的轉(zhuǎn)發(fā)表并且向移動主機發(fā)送一個移動IP注冊應(yīng)答。

　　這個更新路由器和基站的方法在HAWAII中稱為轉(zhuǎn)發(fā)路徑建立方案。這在時分多路存�。═DMA）之類的網(wǎng)中很有用，這種情況下移動主機不能同時偵聽兩個基站。在如CDMA網(wǎng)絡(luò)的情況下，移動主機可以同時偵聽多個基站，這樣就有可能直接從R3轉(zhuǎn)移業(yè)務(wù)而不是轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)，這就產(chǎn)生一個更新路由器的不同的算法，這種算法在HAWAII中叫做非轉(zhuǎn)發(fā)路徑建立方案。這些為不同無線網(wǎng)絡(luò)進行定制的路徑建立算法的優(yōu)勢是對用戶業(yè)務(wù)的損壞達到了最小化，這在下一代無線數(shù)據(jù)網(wǎng)中要求的很嚴(yán)格，因為在下一代無線網(wǎng)中將可能運載IP上的語音和其他的多媒體業(yè)務(wù)。這些路徑建立方案與現(xiàn)在的CDMA網(wǎng)絡(luò)中的軟切換相似。

　　HAWAII和它的路徑建立方案的另一個重要的方面是它們運行在本地。在圖4中，僅僅R3和兩個基站來處理更新。R1由于它的轉(zhuǎn)發(fā)條目指向R3沒有改變，所以，它在移動主機的移動中沒有受影響。

　　最后，當(dāng)在同一域內(nèi)移動時保持移動主機的IP地址不變這種特征可以對QoS進行直接的支持。在使用預(yù)約協(xié)議如RSVP的情況下，在切換期間僅僅需要將預(yù)約保存在本地，先前在其他路由器比如R1和骨干路由器上的預(yù)約可以保持不變，這主要是因為用來區(qū)別數(shù)據(jù)流的移動主機IP地址保持不變的緣故。

　　呼叫－回顧一下GPRS中的呼叫，呼叫功能是由SGSN以集中的方式執(zhí)行的，并且，呼叫可以被認為是一種鏈路層功能。在我們的體系結(jié)構(gòu)中，我們用HAWAII以一種分布的、可伸縮的和靈活的方式來支持IP層的呼叫。

　　假設(shè)圖4示出的移動主機是空閑的并且正在進入待機狀態(tài)，隨后，網(wǎng)絡(luò)僅知道移動主機在它的呼叫域的某一個基站中，在本例中用BS1和BS2來表示。在我們的體系結(jié)構(gòu)中，我們使用一種IP多播組地址（239.0.0.1）來識別屬于同一個呼叫域的基站組。當(dāng)去往移動主機的IP數(shù)據(jù)包到達域根路由器時，網(wǎng)絡(luò)需要呼叫BS1和BS2來確定移動主機的確切位置，在這種情況下，將數(shù)據(jù)發(fā)送到移動主機的整個過程見圖5。

圖5 呼叫

　　數(shù)據(jù)包首先到達R1，根據(jù)它的轉(zhuǎn)發(fā)記錄，R1知道移動主機處于待機狀態(tài)。然而，R1確定它不屬于移動主機239.0.0.1呼叫域的多播樹（這里我們假定連接BS1和BS2的多播樹的根在R3），因此，R1就通過端口4將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給R3，R3執(zhí)行同樣的處理同時分辨出它是移動主機呼叫域多播樹的一部分，然后，它就緩存數(shù)據(jù)包同時向組播地址發(fā)起一個HAWAII呼叫請求（1），BS1和BS2都屬于這個多播組，它們接收到這個呼叫消息后，就用基本的鏈路層技術(shù)各自通過自己的無線接口廣播一個呼叫消息（2），移動主機在本例中在BS2的下面，當(dāng)它收到鏈路層呼叫消息后（通過周期的掃描廣播呼叫信道），它向BS2發(fā)送一個移動IP注冊消息（3），這就觸發(fā)了一個從BS2到呼叫發(fā)起者BS3的HAWAII路徑建立消息（4）。更新的轉(zhuǎn)發(fā)條目也被建立在BS2和R3上。緩存的數(shù)據(jù)包（還有到達的其他數(shù)據(jù)包）隨后通過BS2轉(zhuǎn)發(fā)到移動主機。

　　這個呼叫過程算法的目的是將呼叫的負擔(dān)轉(zhuǎn)移到基站和低層路由器上，同時讓它們遠離開域根路由器，這樣做就使得擴展縮性就增強了。

　　在IP層執(zhí)行呼叫的一個好處就是它的靈活性。例如，在當(dāng)前蜂窩網(wǎng)中使用的以及上面的例子介紹的固定呼叫方法只能向?qū)儆谝粋�呼叫域的固定基站組呼叫，在基于IP的方法中，呼叫域是由多播組的成分決定的，這就使得其他的方法比如分層等得到使用。

　　宏移動－最后，我們說明一下當(dāng)移動主機在連接到不同HAWAII域的兩個基站之間移動的情況。在這種情況下，移動主機獲得第二個地址也就是轉(zhuǎn)交地址。我們采用了移動主機的聯(lián)合轉(zhuǎn)交地址（CCOA）方式，這主要是因為CCOA都夠獨一無二的識別移動主機從而支持QoS。然而，如果需要的話，基于網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)交地址模型也可以結(jié)合使用。在這個例子中，移動主機從新域獲得一個2.2.2.200的CCOA。域內(nèi)切換的消息序列交換如圖6。

圖6 域間切換

　　移動主機向BS3發(fā)送一個移動IP注冊消息（1），根據(jù)消息的參數(shù)，基站檢測到這是一個域間切換。BS3首先在域中（2－4消息中標(biāo)示的域）初始化HAWAII上電進程，這主要是為2.2.2.200分配的地址建立基于主機的記錄，然后，它就向移動主機R1的歸屬代理發(fā)送一個移動IP注冊消息（5），歸屬代理是與域根路由器相關(guān)聯(lián)的。這樣，R1的歸屬代理建立一個隧道記錄，它將把去往IP地址為1.1.1.100的移動主機的消息通過隧道轉(zhuǎn)發(fā)到主機新配置的地址。根據(jù)從歸屬代理來的對移動IP注冊消息（6）的回應(yīng)，BS3向移動主機發(fā)送一個確認消息（7）。

　　在這時候，去往移動主機地址為1.1.1.100的數(shù)據(jù)包到達R1，然后，它們通過隧道到達2.2.2.200地址。帶有2.2.2.200地址的通過隧道的數(shù)據(jù)包根據(jù)地址的子網(wǎng)部分到達R4，然后根據(jù)建立的HAWAII前向轉(zhuǎn)發(fā)條目通過R5和BS3到達移動主機。隨后的移動主機在新域的切換將象前面在微移動部分介紹的那樣由HAWAII局部的處理。因此，歸屬代理僅僅當(dāng)移動主機穿過域的界限時發(fā)生。

　　安全性－HAWAII面臨著與其他任何對IP移動分區(qū)化管理方法同樣的安全性問題。由于HAWAII網(wǎng)絡(luò)是分級組織的，并且它們在基本移動IP上面的性能優(yōu)越性是通過切換程序只包括本地節(jié)點來實現(xiàn)的。因此，如果不包括歸屬代理，基站必須能夠：

　　 ·驗證來自移動主機移動IP消息的可靠性

　　 ·產(chǎn)生一個移動主機是可信的回應(yīng)

　　為了實現(xiàn)這個目的，三個獨立的安全聯(lián)合必須到位：第一個是在基站和移動主機之間，第二是在基站和歸屬代理之間，第三個實在歸屬代理和移動主機之間。為了這個目的，AAA基礎(chǔ)設(shè)施能夠分配三組驗證密鑰到移動主機、基站和歸屬代理�；�本的移動IP驗證方案必須是可修改的，特別是在不包括歸屬代理的切換的情況下，移動主機必須準(zhǔn)備著接受注冊信息回復(fù)，此回復(fù)信息僅僅包括基站產(chǎn)生的驗證信息。同時，歸屬代理必須準(zhǔn)備著接收代理注冊請求，這是由基站代表移動節(jié)點產(chǎn)生的。這種請求將不包含任何由主機產(chǎn)生的驗證信息，僅包括基站提供的驗證數(shù)據(jù)。

　　基于HAWAII的下一代無線數(shù)據(jù)網(wǎng)

　　由于無線接入網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有一個很大的基礎(chǔ)，我們的體系結(jié)構(gòu)在開始部署的時候必須與現(xiàn)在的接入網(wǎng)互通。在這種情況下，基于GPRS的接入網(wǎng)BSC或者基于CDMA接入網(wǎng)的幀選擇器都將有可能是移動主機的下一跳IP節(jié)點。這里，我們描述了兩種方法，HAWAII在這兩種方法中都被使用到，并且都用來增強基于IP的網(wǎng)絡(luò)的微移動。

一種純基于HAWAII網(wǎng)絡(luò)

　　圖7在示出了一種純HAWAII網(wǎng)的高層圖。HAWAII協(xié)議運行在網(wǎng)絡(luò)中用來連接移動設(shè)備和域路由器。在GPRS網(wǎng)絡(luò)中，BSC/BTS對于空中接口起到第二層橋的作用。在這種情況下，連接到同一個BSC的BTSs之間的移動就被鏈路層的技術(shù)處理，在BSC之間的移動是由HAWAII處理的。在CDMA網(wǎng)絡(luò)中，幀選擇器與BS一樣的方式對于空中接口起到橋的作用。

圖7 基于HAWAII的體系機構(gòu)

　　為了支持驗證和漫游，可以使用HLR/VLR基礎(chǔ)設(shè)施來驗證空中接口的接入，而基于AAA的基礎(chǔ)設(shè)施可以用來支持移動IP和HAWAII事務(wù)的驗證。也就是說，HLR能被AAA接口增強，為GPRS/CDMA和移動IP/HAWAII提供綜合的支持。

　　一種部分基于HAWAII網(wǎng)絡(luò)

　　圖8示出了另外一種情況，其中，HAWAII被用來在移動網(wǎng)絡(luò)中進行移動管理，同時使用不同的技術(shù)保持連接到骨干網(wǎng)上。認證基礎(chǔ)設(shè)施保持與前面純HAWAII網(wǎng)絡(luò)中使用的一樣。

圖8 HAWAII在接入網(wǎng)中

　　對于GSM，骨干網(wǎng)可能是GPRS網(wǎng)。HAWAII域路由器被連接到SGSN上。GPRS協(xié)議比如GTP可能被用于注冊、驗證和高層移動。HAWAII可能被用于微移動和呼叫支持。在這種情況下，HAWAII的微移動管理的好處體現(xiàn)在傳輸用戶數(shù)據(jù)上，同時，GPRS協(xié)議被用來訪問數(shù)據(jù)庫，允許GRPS基礎(chǔ)設(shè)施和管理被重新使用。

　　 在CDMA網(wǎng)絡(luò)中，骨干網(wǎng)可能是基本的移動IP。外區(qū)代理可能被放置在域根路由器上。在這種方式下，再次的微移動可能被HAWAII處理而漫游被移動IP處理。

結(jié)論

　　在本文中，我們介紹了一種基于IP的無線接入網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，它支持不同的廣域無線技術(shù)。這個基于IP的網(wǎng)絡(luò)使用Internet標(biāo)準(zhǔn)和移動IP來支持移動主機的宏移動，使用HAWAII來支持當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)的微移動和呼叫功能。我們還說明了所介紹的基于IP的解決辦法如何與其他現(xiàn)存的基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)，這樣才可以實現(xiàn)這種網(wǎng)絡(luò)的不斷的擴展。

由CHINA通信網(wǎng)組稿