一种异构无线网络融合环境下的端到端QoS模型

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随着计算机和通信技术的发展，无线广域网(如GPRS、UMTS等)、无线局域网(如IEEE802．11)、卫星通信网、蓝牙网络等多种无线网络系统正逐步代替传统有线网络成为互联网接入的最后一跳。如何将这些异构无线网络融合在一起，提供覆盖广、带宽高、移动性高且费用低廉的互联网接入，将是下一代移动通信系统(如B3G、4G等)的发展方向。

        在异构无线网络融合的系统框架中，第三代移动通信网络3G与无线局域网络WLAN(Wireless Local AreaNetwork)具有典型的互补特性，因此它们之间的无缝融合受到广泛关注。包括第三代移动通信伙伴计划组织3GPP(Third Generation Partnership Project)在内的多家研究机构都致力于3G／WLAN无缝融合系统的研究。其中松散耦合系统模型被广泛接受并成为B3G和4G系统的推荐系统模型。本文以3G／WLAN融合系统作为典型应用环境来论述，同时假设3G网络基于UMTS标准，无线局域网络基于IEEE802．11标准。

        将异构无线网络无缝融合在一起，发挥出各自网络的优势，需要解决一系列难题。其中，如何提供端到端的服务质量保证QoS(Quality of Service)是一个关键问题。特别地，当越来越多的实时业务和多媒体服务被应用，提供可靠的端到端多级QoS保证就成为多网络融合系统的一个必要指标。

         本文提出了一种动态的、标准化的、基于多径接收端控制协议R2CP(Radial Reception-Control Protoco1)的端到端QoS支持模型。该模型在逻辑上将所有可用的无线资源看作一个整体，根据各个流或会话对QoS要求的不同，动态地分配不同流到不同的无线网络中。由于提供端到端QoS保证涉及到网络结构中的多个层，因此，需要对各个层进行相应的改进和优化。该模型采用标准化的QoS支持数据库来统一异构网络中各不相同的QoS参数；采用基于流或会话的方法来优化无线信道的使用；采用一种新的且TCP友好的传输层协议R2CP来减少异构网络垂直切换的延迟。

1 网络融合系统的架构参考模型
         3G／WLAN融合系统的参考模型主要分为两大类：松散耦合模型和紧密耦合模型。其中松散耦合模型是目前研究的焦点。面向4G的3G／WLAN融合系统架构参考模型如图1所示，该图给出了松散耦合与紧密耦合模型的对比。



         在紧密耦台模型中，无线局域网作为一个3G网络的空中接口而存在。如图1，无线局域网的网关直接与3G网络的PDSN模块相连。该网关在无线局域网报文中添加3G报头协议栈，将其转化为3G网络的报文并发送给PDSN。无线局域网阿关和PDSN隐藏了不同空中接口的细节。因此，紧密耦合模型的各种空中接口可以共享消息机制和计费机制，结构相对简单。然而，紧密耦合模型也存在难以克服的缺点。首先，现有的3G网络和无线局域网都需要做适当修改以适应紧密耦合的要求；其次，用户终端也需要修改并加入相应的3G协议栈；最后，紧密耦合模型要求3G和无线局域网属于同一服务提供商。

         与紧密耦合不同，在松散耦合参考模型中，无线局域网与3G网络不直接相连，彼此的数据连接完全独立。它们通过因特网间接连接到一起，利用移动IP(Mobile IP)技术结合适当的漫游认证协议(AAA RoamingAgrement)来实现网络融合和无缝切换。因此，松散耦合模型具有很多优点：(1)它保证了异构网络的独立性，现有网络不需要修改即可融合到一起；(2)模型的扩展性好，未来的网络(例如IEEES02．16)可以更容易地加入到网络融合环境中；(3)通过适当的漫游协议，用户只需在一个提供商处注册即可漫游整个无线网络。松散耦合模型具有更好的兼容性、扩展性和更广阔的应用前景。因此松散耦合模型已逐渐成为网络融合系统参考模型的主流。

2 提供端到端QoS支持的难点
        本节逐一讨论在异构无线网络无缝融合环境中提供端到端QoS支持的难点．并对现有的解决方案进行分析。

        首先，需要考虑如何统一异构网络中不同的QoS参数。不同网络的QoS参数差异很大，例如UMTS网络规范定义了四等级的QoS保证，而IEEES02．11e标准支持八等级QoS保证。因此，新的融合模型要具有较好的兼容性，不能影响现有网络和规范。Hamalainen等人提出了一种基于松散耦合模型的解决方案。该方案通过QoS参数映射和相应的消息机制可以较好地实现不同网络的QoS参数匹配。然而，该方案的网络选择逻辑仅仅基于信号强度，并且同一时间只有一个网络接口可被使用，参数映射和网络选择逻辑过于简单，效率偏低。

        其次，如何有效利用无线资源以及如何减少异构网络垂直切换的长延迟是需要解决的另外两个问题。目前，网络漫游通常采用移动IP的隧道技术来实现。但很多研究表明，传统移动IP技术的表现并不尽如人意，特别是在异构网络切换情况下，平均延迟高达800ms，无法满足实时业务的无缝切换要求。Zhang Q等人提出了一种基于预测的方法来减少应用移动IP技术所带来的长延迟。通过采用适当的预测算法(如快速移动IP技术、基于快速傅立叶变换FFT的信号衰减探测算法等)，移动IP的性能有所提高。然而，从无缝漫游和端到端OoS支持的角度看，基于预测的方法仍然无法完全解决移动IP技术的缺陷。由于无线局域网的信号抗干扰性和稳定性差．经常出现突然断路的现象。会带来严重的分组丢失和长延迟，进而导致QoS保证失效。由于这种断路及断路后的延迟由多个层共同作用产生，因此，单纯在链路层应用基于预测的方法无法完全解决问题。

         随着多网络融合的发展，多模用户终端应运而生。但传输层协议仍然沿用传统的单一模式，当出现垂直切换时，物理层和介质访问层MAC(Media Access Contro1)均切换到新网络，但传输层无法察觉这种切换，它仍然使用同一套拥塞和流量控制算法及相同的参数来控制数据报发送。直到出现拥塞丢包，传输层才能开始重新调节以适应新网络。这种传输层的慢适应会带来严重的拥塞、丢包、长延迟和大延迟抖动。例如，当用户需要从无线局域网切换到3G时，可用带宽将大大减小，但传输层无法察觉网络切换，会仍然按照原有发送窗口大小发送报文，直到出现拥塞丢包，才开始重新调节来适应新网络。传输层的这种慢适应过程会破坏网络端到端QoS保证。

3 一个动态端到端QoS支持模型
3．1 模型概述
         为了在异构网络融合环境中提供高效可靠的QoS支持，本文提出了一种新的端到端QoS支持模型。模型的主要设计思想是：在逻辑上将所有可用的无线资源看作一个整体，根据各个流或会话的不同QoS要求，动态地分配各个流到不同的无线网络中，进而实现可靠的QoS保证、优化的无线资源利用及低廉合理的费用。

         该端到端QoS支持模型的系统框架和协议栈如图2所示。模型的核心是交互控制模块ICF(InterworkingControl Funcdon)。它包含若干子模块，具体结构如图3所示。交互控制模块包含如下主要功能：





(1)收集物理层和MAC层中用于网络切换的相关信息，如信号强度、可用带宽和延迟等；
(2)根据收集到的网络信息、QoS支持数据库和用户设置为当前发送的流或当前会话动态选择网络接口；
(3)控制各无线接口的打开和关闭，以及在各网络之间的切换；
(4)与传输层交互网络切换信息，保证网络切换的传输层配合。

        新模型采用新的传输层协议——多径接收端控制协议R2CP，取代了传统的TCP协议，能在传输层有效支持网络切换。

3．2 R2CP协议
        传统的TCP协议是在有线网络中发展起来的，诸多研究表明，TCP无法区分无线网络中由拥塞或断路导致的超时，因此不适应无线网络以及以无线作为最后一跳的新一带网络。特别是当接收端(通常为客户机)进行网络切换时，TCP协议由发送端(通常为服务器)控制的机制无法预知网络切换的发生，会继续按照原有速率发送分组，进而导致严重的拥塞、丢包和服务质量下降。为了克服传统TCP协议在无线网络中的缺陷，Hsieh等人提出了接收端控制协议RCP(Reception-Control Protocd)，并针对异构网络切换的特点又提出了RCP的扩展版本R2CP。R2CP是支持多通道并行的、并以接收端为中心的传输层协议。R2CP协议由接收端进行流量控制和拥塞控制，在无线网络中，具有比TCP协议更好的性能。特别是，R2CP协议的多通道设计可以支持传输层的网络无缝切换。每个通道对应一个当前的无线接口，在网络切换过程中，相应的两个通道可并行工作，从而保证了无缝切换和服务质量。同时，R2CP与TCP友好兼容，由R2CP控制的数据流可以与TCP流同时存在，互不干扰。TCP、RCP和R2CP三个协议的原理对比如图4所示。



3．3 QoS支持数据库模块
         QoS支持数据库保存着当前可用的网络接口信息，主要用来描述当前网络支持的QoS等级。为了统一不同网络的QoS定义，数据库按照IETF下一代网络NGN(Next Generation Network)规范进行QoS分级，所有其他网络的QoS定义都被映射到IETF NGN的QoS分类中，并存储到数据库中。QoS支持数据库由网络状态探测模块定时更新，为决策控制模块提供信息支持。

3．4 用户配置模块
         用户设置模块主要记录用户的使用偏好，为决策控制模块提供决策支持。

3．5 状态探测模块
         状态探测模块用于与网络物理层和链路层进行信息交互，实时收集当前可用网络接口的QoS相关信息(信号强度、带宽和延迟等)并周期性地更新QoS支持数据库。

3.6 决策控制模块
          决策控制模块用于控制用户与各异构网络的交互。它依据QoS支持数据库、用户配置文件和消息模块的信息做出网络选择和网络切换的决策。当一个应用程序要求访问网络并产生要发送的流时，决策控制模块将该流的QoS要求映射成标准的IETF NGN的QoS分类，然后检索数据库，并根据数据库和用户配置动态做出决策。同时它与传输层的R2CP协议协同工作，在传输层为当前正在使用的网络接口保留相应通道。

3．7 消息模块
         消息模块是可选模块。该模块只在各网络都支持的情况下才能发挥作用。如果各网络加入对消息模块的支持，则能通过消息模块将有用信息(如带宽、平均延迟和位置信息等)明确地传递给用户终端，有利于决策控制模块做出更合适的决策。


4 模型分析
         本文提出的模型可以较好地克服传统机制在网络融合环境中的缺陷，能提供完善、高效率、高兼容性的端到端QoS支持。它的主要优点如下：

(1)采用松散耦合作为异构无线网络的系统架构，使新模型可以与现有设备和标准较好兼容。新模型基于松散耦合的架构，采用被动监听方式，并可以逐步地加载到用户终端中，而不需要对现有网络设备做任何修改。

(2)采用动态的、基于流或者会话的网络选择策略，相比传统机制，无线资源的利用效率更高。根据不同流的QoS要求，决策控制模块依据QoS支持数据库和用户配置文件动态地选择合适的无线接口。在同一时刻，不同流可以根据需要使用不同无线接口。

(3)采用标准化的分类来统一各网络不同的QoS参数。在模型的QoS支持数据库模块中，所有其他网络的QoS等级和参数都被映射为IETF NGN QoS标准分类。这种方式不仅能消除现有网络的差异，也有利于兼容新的无线网络接口。

(4)异构网络融合在一起可以形成一个层次结构，有助于优化网络的性能。在网络选择和切换过程中，由于不同网络能提供的QoS级别不同，从逻辑上可以将不同网络看成一个多级的层次结构，支持的QoS级别越高，则层次越高。因此，可以采用高级别的网络传输控制信令，采用低级别的网络传输数据，这种方式具有较高的可靠性。3G／WLAN融合系统的一个发展方向就是利用3G网络传输WLAN的认证信息和安全信息。

(5)采用R2CP作为传输层协议，为网络无缝切换和智能网络选择提供了有效的传输层支持。R2CP协议以接收端为中心的特性有利于无线网络的流量控制和拥塞控制。多通道设计为网络融合系统的多接口特性提供有效的支持。

(6)整个模型在客户端实现不需要网络提供商支持，避免了对网络的依赖。在新模型中，包括网络选择、网络切换在内的所有操作都由客户端完成，这种方式更易于应用，兼容性也更好。同时，模型也包含了对网络端支持的扩展，可选的消息模块可以用于各网络的消息交互。若网络端提供对多网络合作的支持，则移动终端可通过消息模块，显式地获得网络信息，进而更准确的做出决策。

          本文提出了一种基于异构无线网络融合环境的端到端QoS支持模型。通过分析可以看出，新模型具有高效率、高可用性、易应用、高灵活性、与现有嘲络兼容等优点。

         在未来的工作中，将定量地分析新模型的性能，并将新模型向下一代网络扩展，考虑它与区分服务(Differv)的QoS保证和移动IPv6的结合。