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标题: 全IP移动通信网网络层移动性管理 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-13 13:49
标题: 全IP移动通信网网络层移动性管理
1　引言

　　目前的移动通信核心网还是基于电路交换7号信令系统的结构，这种结构已经与移动通信技术和业务的发展趋势不相适应。全IP移动通信网(All-IP Mobile Network)是因特网IP技术和移动通信技术迅速发展相结合的产物。第三代移动通信和第三代以后的移动通信网络都将向全IP移动通信网络的发展，这将是移动通信网络和因特网网络的一次重大变革。全IP移动通信网的基本概念是将各种无线接口标准和接入手段的数据信号通过IP网关连接到因特网网络。全IP移动通信网的业务是传统移动业务与传统因特网业务的结合与延伸，可以统称为无线因特网业务，其中主要部分是实时多媒体业务。

　　移动性管理是指移动通信网中用户移动所涉及的问题，它是移动通信网的核心问题。随着移动通信网转变为全IP网络，全IP移动通信网的移动性管理也将面临新的变革。全IP移动通信网移动性管理可以分类三个层次：空中接口(物理层)移动性管理、链路层移动性管理和网络层移动性。由于全IP移动通信网中从移动台到网关完全依赖于IP技术接入因特网，网络层移动性管理问题尤为关键。

　　2　全IP移动通信网的网络层　移动性管理

　　网络层以上IP的观点讨论移动性管理所涉及的实体和功能与传统的移动通信移动性管理有较大的区别。

　　一个简单的全IP移动通信网的网络层移动性模型中，网络层移动性管理可以分为两个层次：域内移动性管理和域间移动性管理。域内移动性又称微移动性(Mico-mobility)，是指对于移动节点在同一个域中移动的管理;域间移动性又称宏移动性(Macro-mobility)，是指对于移动节点在域和域之间移动的管理。

　　全IP移动通信网网络层移动性管理关心的问题有：

　　(1)切换(Handover)管理：切换管理指移动中节点在移动时接入点的改变所涉及的管理，从宏移动管理的角度看就是移动节点改变了接入的网络或子网，从微移动管理的角度看是移动节点改变了接入的基站。切换管理是移动性管理涉及的最主要的问题，衡量切换管理的指标主要有三方面：时延、丢包和路由更新。

　　(2)被动连通性(Passive Connectivity)和寻呼(Paging)：被动连通性指移动节点在激活状态下发射信标(Beacon)，这是降低移动节点耗电量的最有效方法。然而为了激活时快速有效连接，移动节点必须不断地向网络发射信标报告自己目前的位置，这一工作在未激活状态下也必须进行。GSM网络按照地理区域划分为寻呼区(Paging Area)，在未激活状态，移动终端仅在改变寻呼区时发送信标(寻呼区位置);在激活时，网络再使用寻呼找到移动终端的准确位置进行连接。全IP移动通信网移动性管理应当支持被动连通性，并最好能够利用寻呼这种已有机制。

　　(3)其它问题：包括健壮性、可升级性、业务质量QoS(Quality of Service)支持、无线接入网的通信量管理、安全性和隐私保护等等。

　　基于Mobile IP的各种协议是目前所研究的实现全IP移动通信网网络层移动性管理主要方法。在文章的下面部分，我们讨论基于Mobile IP的四种主要协议实现全IP网络层移动性管理的方案。

　　3　Mobile IP

　　Mobile IP是一个因特网建议标准，它是解决IP网络中移动性管理的最早方案。因特网工程任务组IETF在IETF RFC2002中对Mobile IP有完整的描述。随着当前IPv4发展为IPv6,Moblie IP也将发展为Mobile IPv6。

　　Mobile IP的基本原理是让一个移动节点使用一对IP地址实现移动的功能。Mobile IP中的移动代理MA被称为外地代理FA(Foreign Agent)。移动节点连接到外地网络时，该移动节点将从该网络的外地代理获得一个在本次连接中有效地临时IP地址，该IP地址称为转交地址COA(Care-of -Address)。通过位置登记，移动节点将转交地址报告给归属代理HA(Home Agent)，归属代理由此获知移动节点当前的外地代理，然后就可以将数据包从隧道传送(re-tunnel)给移动节点。在数据包重定向和路由优化过程中，发往移动节点的数据包实际上首先路由到移动节点的归属网络，归属代理通过重新截取、封装后将其发往外地代理，然后发往移动节点。

利用Mobile IP可以实现全IP移动通信网域间(宏)移动性管理。然而Mobile IP在处理域内(微)移动性管理时存在一些缺陷，这些缺陷需要域内移动性管理协议作为Mobile IP的扩展来弥补。Mobile IP处理全IP移动通信网域内移动性管理的主要缺陷有：

　　(1)位置登记等待时间长，产生控制数据流量大

　　在Mobile IP中，移动性管理通过位置登记实现，这一处理过程在如今的Internet网络中将耗费较长时间。当移动节点在一个域内快速移动时，会频繁地进行位置登记，这种处理不但会因为时延大而完全不适用，而且登记算法产生的大量数据控制流量将可能造成网络拥塞。

　　(2)IP地址资源紧缺

　　Mobile IP的域需要大量的IP地址作为相关地址，现在的IPv4地址空间已快耗尽，而迅速发展的有线因特网业务也需要大量的IP地址，这就造成了IP地址资源紧缺的问题。虽然IPv6使用128bit的IP地址，是解决地址资源紧缺问题的有效方法，但是IPv6发展速度相对还较慢，而IPv4还将在今后相当长一段时间内继续存在。

　　(3)业务质量(QoS)支持性差

　　频繁的位置登记和相关地址改变将使业务质量支持性变得极差。例如，对于支持业务质量的资源预订协议RSVP(Resource Reserve Protocol)，每当移动节点改变相关地址的时候就要作一次整个路径的资源预定，而实际上路径的大部分是不变的。这一处理预示着将产生大量的控制数据流量和附加时延，这将不适应业务质量支持。

　　4　Mobile IP的四种主要扩展方案

　　由于Mobile IP的以上缺陷，全IP移动通信网网络层移动性管理需要采用域内移动性管理扩展协议弥补。域内移动性管理扩展协议的基本思路是：当移动节点进入一个域时，将获得一个相关地址;移动节点停留在这个域中的时候，这个相关地址一直保持有效。这样，一方面移动节点仅仅在进入该域时使用Mobile IP协议进行一次位置登记处理，这样就大大减少了位置登记次数，减少了控制数据流量;另一方面域内移动性管理对于归属代理和网络其它部分透明，这样就可以按照私有地址(仅对域内唯一)形式重复利用很大一部分IP地址，解决IP地址资源紧缺问题;另外，整个网络将不关心移动节点在某个特定域内的移动，对RSVP仅在移动节点改变域的时候作资源预定，从而使业务质量得到支持。

　　4.1　蜂窝IP方案

　　蜂窝IP使用一个特殊的移动性代理，同时作为通往因特网的网关和Mobile IP的外地代理，用蜂窝IP协议代替无线接入网内部的IP协议，路由方式使用移动节点在接入网络时建立和更新经历的路由器。这些路由器保证了移动终端接入到网络和网关。蜂窝IP方案中每个站点具有一个路由缓存(Routing Catch)，用于将数据包从网关发往移动节点，或者从移动节点发往网关。路由通过逐跳传送特殊的控制数据包建立和维持，这些控制数据包将促使路径上的站点更新其路由缓存。

　　网关周期性地发送信标到整个网络。通过这种机制每个站点都能从信标知道自己的那些接口必须用于传送数据包到网关。另一方面，在每次切换改变接入点接入网络时移动节点将发送路由更新数据包，这些数据包被逐跳传送给网关并促使路径上的站点更新与相连接的移动节点相关的路由缓存。切换使用两种机制：硬切换和半软切换，硬切换没有任何保证机制，而半软切换能够显着减少丢包现象。蜂窝IP还使用传统的寻呼模式支持被动连接性：一些站点具有寻呼缓存，用于寻呼请求的情况。

　　4.2HAWAII方案

　　HAWAII方案使用HAWAII工作于IP层之上，而不是代替IP，在HAWAII方案中，每个站点都按照传统IP路由器的方式工作，只是具有HAWAII的特有特性。

　　HAWAII的工作原理于蜂窝IP，每个站点都具有路由缓存用于支持移动性管理，特殊数据包的逐跳传输促使站点更新路由缓存。在蜂窝IP中，网络按照树状结构组织，网关位于树状结构的根节点。HAWAII为不同的无线接入技术提供了两种不同的切换机制，这两种机制具有不同的记录作网络优化。和蜂窝IP相似，HAWAII也使用寻呼机制支持被动性连接，地理寻呼区由隶属于同一IP多点传送组的站点组成，寻呼消息使用传HAWAII定义了内部整合的资源预订协议RSVP适应用户的移动性，这样，HAWAII就自然减少了由于路径改变带来的资源预定。假设移动节点是一台接收机，切换的时候，网络只为路径上变化了的部分作资源预定。

利用Mobile IP可以实现全IP移动通信网域间(宏)移动性管理。然而Mobile IP在处理域内(微)移动性管理时存在一些缺陷，这些缺陷需要域内移动性管理协议作为Mobile IP的扩展来弥补。Mobile IP处理全IP移动通信网域内移动性管理的主要缺陷有：

　　(1)位置登记等待时间长，产生控制数据流量大

　　在Mobile IP中，移动性管理通过位置登记实现，这一处理过程在如今的Internet网络中将耗费较长时间。当移动节点在一个域内快速移动时，会频繁地进行位置登记，这种处理不但会因为时延大而完全不适用，而且登记算法产生的大量数据控制流量将可能造成网络拥塞。

　　(2)IP地址资源紧缺

　　Mobile IP的域需要大量的IP地址作为相关地址，现在的IPv4地址空间已快耗尽，而迅速发展的有线因特网业务也需要大量的IP地址，这就造成了IP地址资源紧缺的问题。虽然IPv6使用128bit的IP地址，是解决地址资源紧缺问题的有效方法，但是IPv6发展速度相对还较慢，而IPv4还将在今后相当长一段时间内继续存在。

　　(3)业务质量(QoS)支持性差

　　频繁的位置登记和相关地址改变将使业务质量支持性变得极差。例如，对于支持业务质量的资源预订协议RSVP(Resource Reserve Protocol)，每当移动节点改变相关地址的时候就要作一次整个路径的资源预定，而实际上路径的大部分是不变的。这一处理预示着将产生大量的控制数据流量和附加时延，这将不适应业务质量支持。

　　4　Mobile IP的四种主要扩展方案

　　由于Mobile IP的以上缺陷，全IP移动通信网网络层移动性管理需要采用域内移动性管理扩展协议弥补。域内移动性管理扩展协议的基本思路是：当移动节点进入一个域时，将获得一个相关地址;移动节点停留在这个域中的时候，这个相关地址一直保持有效。这样，一方面移动节点仅仅在进入该域时使用Mobile IP协议进行一次位置登记处理，这样就大大减少了位置登记次数，减少了控制数据流量;另一方面域内移动性管理对于归属代理和网络其它部分透明，这样就可以按照私有地址(仅对域内唯一)形式重复利用很大一部分IP地址，解决IP地址资源紧缺问题;另外，整个网络将不关心移动节点在某个特定域内的移动，对RSVP仅在移动节点改变域的时候作资源预定，从而使业务质量得到支持。

　　4.1　蜂窝IP方案

　　蜂窝IP使用一个特殊的移动性代理，同时作为通往因特网的网关和Mobile IP的外地代理，用蜂窝IP协议代替无线接入网内部的IP协议，路由方式使用移动节点在接入网络时建立和更新经历的路由器。这些路由器保证了移动终端接入到网络和网关。蜂窝IP方案中每个站点具有一个路由缓存(Routing Catch)，用于将数据包从网关发往移动节点，或者从移动节点发往网关。路由通过逐跳传送特殊的控制数据包建立和维持，这些控制数据包将促使路径上的站点更新其路由缓存。

　　网关周期性地发送信标到整个网络。通过这种机制每个站点都能从信标知道自己的那些接口必须用于传送数据包到网关。另一方面，在每次切换改变接入点接入网络时移动节点将发送路由更新数据包，这些数据包被逐跳传送给网关并促使路径上的站点更新与相连接的移动节点相关的路由缓存。切换使用两种机制：硬切换和半软切换，硬切换没有任何保证机制，而半软切换能够显着减少丢包现象。蜂窝IP还使用传统的寻呼模式支持被动连接性：一些站点具有寻呼缓存，用于寻呼请求的情况。

　　4.2HAWAII方案

　　HAWAII方案使用HAWAII工作于IP层之上，而不是代替IP，在HAWAII方案中，每个站点都按照传统IP路由器的方式工作，只是具有HAWAII的特有特性。

　　HAWAII的工作原理于蜂窝IP，每个站点都具有路由缓存用于支持移动性管理，特殊数据包的逐跳传输促使站点更新路由缓存。在蜂窝IP中，网络按照树状结构组织，网关位于树状结构的根节点。HAWAII为不同的无线接入技术提供了两种不同的切换机制，这两种机制具有不同的记录作网络优化。和蜂窝IP相似，HAWAII也使用寻呼机制支持被动性连接，地理寻呼区由隶属于同一IP多点传送组的站点组成，寻呼消息使用传HAWAII定义了内部整合的资源预订协议RSVP适应用户的移动性，这样，HAWAII就自然减少了由于路径改变带来的资源预定。假设移动节点是一台接收机，切换的时候，网络只为路径上变化了的部分作资源预定。

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