后3G中的网络融合探讨

admin

0、引言
　　后3G指从3G到4G的演进过程。后3G通信系统是基于IP、采用多种技术、能提供多业务、支持多接入的综合性通信系统。针对后3G通信系统的以上特点，有必要对其网络融合方案进行研究，从而得出有指导性的策略。目前这方面的工作主要由世界无线电论坛（WWRF）的网络融合小组（CoNet）进行。目前CoNet所提出的总体方案为：从网络基础设施和用户终端两方面加强网络的可靠性，融合各种异构网络保证系统的无缝覆盖。该方案包括移动性管理、多址接入和移动网络3个核心概念。初步估计在2010年，系统网络能具有以下特点：a）各种网络共存，包括有线、无线和广播网络；b）网络具有良好的可靠性、灵活性，便于管理；c）在任何时间和地点保证能用不同的方式来控制用户的接入；d）当网络环境变化时，保证对业务的影响最小；e）提供高层业务控制接口；f）最优利用系统资源和有限的无线资源；g）提供各种灵活的业务模型。
　　同时，CoNet也指出了网络融合的关键在于系统的层次化结构，提供能够复用的独立功能模块。本文将从系统总体架构原则、网络架构方案和采取的技术三方面来具体探讨后3G的网络融合。
1、系统架构原则
　　系统总体架构原则主要包括层次化结构和独立功能模块的复用。
　　目前层次化结构的理念已被广泛应用。层次化是指从逻辑上把系统分为具有独立功能的子系统。分层的主要目的是为了通过开放性减少应用软件对物理设备控制软件的依赖，也就是说通过分层和为该层定义一组标准的调用接口，使物理设备之间的异构性和不同模块之间的异构性可以被屏蔽。一般的分层网络模型至少有应用层、连接层和接入层。应用层可分为业务层和业务支撑子层；连接层可以是网络和传输子层；接入层可包括一些功能相似的接入网络。各层的功能和接口定义非常严格，只有这样才能保证在其中一层变动时对其他层的影响最小。
　　CoNet架构定义不同的功能模块完成某种特定功能，促进了基于组件的模块化架构的发展，但也对各个功能模块接口提出了更严格的要求。简单来说，如某种业务需要处理用户数据，控制信令进行网络管理，就可以分别定义用户、控制和管理功能平台分别实现各项功能。引入独立功能模块的主要优点在于当系统有新的业务需求时，添加新的功能模块不必对整个系统进行改动，而只需要引入新的模块和复用已有的模块。图1直观说明了系统架构原则。

图1　层次性模块化结构

　　针对后3G的业务特点，除了以上两个主要原则之外，还需要考虑网络融合的连续性、端到端的连接、网络的安全性和自组织特性。网络融合连续性的重点在于连接层利用不同的传输技术来保证用户设备移动条件下的网络节点之间的连接。端到端方案中值得注意的是通过逐跳和中间节点过渡来解决不同种类终端的连接。网络安全性方面需要在传统网络安全措施的基础上强调各个网络接口之间的接入鉴权和授权。CoNet的网络融合方案所提出的自组织特性相对于已有的Ad hoc网络来说，各个网络实体的独立性和灵活性更强，这样才能保证实现不同种类网络的动态组网。
2、网络融合方案
　　本节中我们将参考WWRF所接纳的模型具体分析网络融合方案。该参考模型较全面地涵盖了系统的主要功能模块及各个模块之间的相互影响。
　　2.1　多址接入
　　要保证系统的多址接入能力，必须从以下几方面入手：a）接入设备具备独立的接入能力，具体表现为应用编程接口、统一的API函数及标准的协议接口；b）移动终端能根据不同环境选择相应的接入协议；c）为了保证系统运行效率，在移动终端利用不同接入技术进行入网请求时，只需要进行一次认证，无需重复认证，这就对移动终端的移动性管理提出了更高要求。从目前情况来看，应设计新的API函数来完成不同网络之间的信息交流，并对移动终端的接入采取记录机制，以确保数据信息的随时更新。
　　2.2　移动性管理
　　在后3G通信系统中，网络的多样性和复杂性都会显著增加，表现在用户终端多样化、接入网络多样化、IP地址的动态分配、几乎所有的网络都具有独立功能的可移动实体，这就要求移动性管理必须从两方面入手：a）包括切换在内的移动路由管理；b）具有位置更新和记录机制的移动位置管理。
　　目前得到广泛认可的移动性管理的概念是基于IP2的，IP2在参考文献[3]中有具体介绍。在网络控制子层中利用路由管理器和位置管理器控制移动终端（MT）的接入，路由管理器负责为其管理的MT创建、更新、删除高速缓存器。位置管理器负责其管理的MT的所有位置信息，并在必要时做出记录，路由器则只负责链路建立和数据交换。这样，MT之间的通信并不要求互相知道对方的信息，能提高资源的利用率。即使由于MT的移动造成了路由器IP地址（IPra）的改变，但MT主机IP地址（IPha）并不需要改变，也能建立连接。由于有了位置管理器中的位置信息，IPha只是用来确定某一个MT，而IPra则是用来在网络内部进行数据交换。
　　Ipha与IPra之间的映射过程如下：接入路由器（AR）收到来自某一MT的数据（包括数据包的目的地址IPha），利用高速路由缓存把IPha映射成IPra，这个过程有路由管理器来实现。接着AR利用其路由表里的信息转发数据包到连接目的MT的AR，这主要通过把Ipra作为发送数据包的前缀来实现。对应的AR收到数据包之后，再进行IPra到IPha的映射，最后数据包转发给MT。在以上过程中，如果目的AR没有含有MT的IPha信息的高速缓存，则请求路由管理器创建新的高速缓存。当MT从一个AR移动到另一个AR时，接入层中的路由接入控制器触发路由管理器作出反应，同时新的AR为MT分配IPra，然后更新位置管理器中的信息。
　　在后3G网络中，端到端的数据传输主要通过IP层实现，其QoS可以通过应用程序来保证。首先，网络之间的接口能通过应用程序控制QoS，也就是说系统允许应用程序获得相应的控制和配置参数，或按照一定的标准进行一些默认设置。另外，相应的QoS参数通过端到端的路由通告给处于链路上的每一个域，当有新的域接入时，也相应获得了这些参数，便于进行资源分配。每个域并不是统一按照单一标准进行资源配置，可采用符合自身特点的独立方案进行资源配置。
　　2.3　移动性网络
　　在后3G系统中，移动性网络将会大规模出现。移动性网络（NEMO）是指具有一个或多个移动路由器（MR）以及一定数目的移动终端设备相连的网络，最大特点是在其网络物理结构和拓扑结构改变时，可以改变它与其他网络的连接点。目前，与NEMO相关的研究主要有IETF中的NEMO WG[5]负责，但是这些技术都是基于移动IP的。由于端到端包交换的封装特性，不太容易实现最优化路由和定位。在CoNet架构概念中提出了一种新的解决方案，该方案基于4个概念：包头前缀管理（CoP）、集合路由器（AGR）、连接路由管理及分级地址管理。
　　在NEMO概念中，数据包的前缀必须保持持续性，包头开销会越来越大。可以通过对移动终端地址管理（CoA）解决该问题。具体来说就是当NEMO移动到新的AR，AR分配新的包头前缀，CoP迅速更新NEMO的包头前缀信息，该NEMO中的所有终端通过该信息来更新CoA信息。
　　NEMO中的移动性管理主要由集合路由器（AGR）处理。AGR类似于层次化移动IPv6中的移动锚点（MAP）。AGR负责收集所有AR的升级信令，从而减少了NEMO与核心网之间的通信信令绑定。发往NEMO的数据包也通过AGR实现，这就要求在放置AGR时必须考虑使所有的通信路由最优化。如果NEMO的移动范围过大，必须重新部署AGR。部署AGR需要综合考虑切换时延和AGR的重新部署频率。如果AGR离NEMO距离太近，虽然能解决切换时延和优化路由的问题，但会造成AGR的频繁切换。
　　图2比较直观地说明了连接路由管理概念。家乡代理只负责保存MT的信息，而MR1 HA负责保存主机地址和地址管理信息。这样可以实现在NEMO切换工程中只需要更新MR1 HA的信息。由于NEMO的移动造成AGR和MR1 HA的改变，必须更新MR1 HA中的地址管理信息。但由于绑定的信令数据量很大，需要引入分级地址管理来解决。具体来说就是，NEMO中的MT的地址管理信息分为共享信息和独立信息，共享信息用来表示NEMO的位置信息，只有当NEMO切换时才更新，独立信息表示了NEMO中各个MT的位置信息，在NEMO切换时也不发生改变。由于AR分配唯一的前缀给NEMO，则不会出现重复的CoA，当NEMO切换时，只需MR1、AGR和MR1 HA来处理相应的绑定信息，完成共享信息的更新。

图2　连接路由管理

　　参考文献
　　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，France，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/