異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)間的無縫移動(dòng)技術(shù)

摘要　介紹了UMA，移動(dòng)IP，VCC和802.21等4種異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)間的無縫移動(dòng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、系統(tǒng)構(gòu)成、基本原理以及目前存在的問題，并對(duì)它們的應(yīng)用前景進(jìn)行了簡要分析。

1、引言

近年來，無線通信技術(shù)發(fā)展迅速，GSM/GPRS/EDGE，UMTS，PHS，WLAN，WiMAX等無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)給全球的電信用戶帶來了豐富多彩的通信體驗(yàn)。但與此同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)類型的繁多與彼此不兼容也給用戶和電信運(yùn)營商帶來了很多的煩惱：用戶要攜帶適用于不同網(wǎng)絡(luò)的終端，正在進(jìn)行的業(yè)務(wù)不能在不同的網(wǎng)絡(luò)間保持連續(xù)；運(yùn)營商們則要為如何整合網(wǎng)絡(luò)資源、降低運(yùn)營成本、提高客戶滿意度大傷腦筋。為解決這些問題，跨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的無縫移動(dòng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文將介紹幾種目前正處于商用和研究熱點(diǎn)的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)間的無縫移動(dòng)技術(shù)（如UMA，移動(dòng)IP，VCC和802.21），并對(duì)它們的應(yīng)用前景做簡要分析。

2、UMA

UMA（Unlicensed Mobile Access），最早是由多家移動(dòng)運(yùn)營商和全業(yè)務(wù)運(yùn)營商發(fā)起，旨在使用戶可以在室內(nèi)通過IP接入網(wǎng)使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的資源。它的標(biāo)準(zhǔn)化工作從2003年12月開始，2004年9月完成，并于2005年4月被并入3GPP R6。目前，已有眾多電信業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)廠商推出了UMA相關(guān)產(chǎn)品，英國電信，法國電信，德國T-Mobile，意大利Telecom Italia，瑞典Telia Sonera，美國Cincinnati Bell等多家運(yùn)營商也相繼開始UMA業(yè)務(wù)的商用。

UMA的典型應(yīng)用如圖1所示。用戶首先要有一個(gè)內(nèi)置UMA協(xié)議棧的蜂窩/WLAN多模終端，在室外時(shí)語音或數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通過GERAN/UMTS蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)入室內(nèi)WLAN的覆蓋范圍后，所有的業(yè)務(wù)則自動(dòng)切換到WLAN網(wǎng)絡(luò)并能保持連續(xù)；同樣，用戶離開WLAN覆蓋區(qū)域進(jìn)入蜂窩網(wǎng)絡(luò)時(shí)，業(yè)務(wù)也能平滑切換過來。

圖1　UMA的典型應(yīng)用

整個(gè)UMA網(wǎng)絡(luò)由多模終端，WLAN接入點(diǎn)，Internet網(wǎng)絡(luò)和UNC（UMA Network Controller）組成。

UNC是UMA系統(tǒng)的核心，它通過Internet網(wǎng)絡(luò)連接到終端接入的WLAN接入點(diǎn)，同時(shí)分別通過A接口和HGb接口與蜂窩網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)中的MSC和SGSN相連。UNC的主要功能有：終端和MSC之間語音編碼的轉(zhuǎn)換；UNC與終端間數(shù)據(jù)傳輸通道和Gb接口上分組數(shù)據(jù)流之間的交互；建立到終端的安全隧道，用于相互認(rèn)證、加密和數(shù)據(jù)完整性保護(hù)；為終端接入U(xiǎn)MA網(wǎng)絡(luò)提供注冊(cè)和系統(tǒng)信息；管理UMA網(wǎng)絡(luò)CS和PS業(yè)務(wù)的承載路徑；支持尋呼、CS切換和PS切換；終端和核心網(wǎng)之間層3消息的透明傳輸?shù)�。�?duì)核心網(wǎng)而言，UNC與一般的BSC并無不同之處，因此UMA網(wǎng)絡(luò)對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)具有非常好的兼容性。

以一個(gè)正在GSM網(wǎng)絡(luò)下進(jìn)行語音通話的終端為例，它在UMA網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)間的切換過程如下：

（1）當(dāng)終端進(jìn)入WLAN覆蓋范圍時(shí)，它會(huì)向服務(wù)UNC發(fā)起注冊(cè)。一旦終端注冊(cè)成功，UNC就會(huì)提供UMA網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)信息，其中包括UNC的AFRCN/BSIC。終端在向GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送測(cè)試報(bào)告時(shí)就會(huì)帶上UMA網(wǎng)絡(luò)信息，這樣在終端和GERAN就把UMA網(wǎng)絡(luò)當(dāng)成了信號(hào)質(zhì)量很好的鄰近GSM單元。

（2）根據(jù)終端的測(cè)量報(bào)告和內(nèi)部算法，GERAN將決定是否切換到UMA網(wǎng)絡(luò)，并與核心網(wǎng)一起使用標(biāo)準(zhǔn)GSM切換信令開始切換過程。核心網(wǎng)通過與服務(wù)UNC的通信建立切換資源。然后終端接入U(xiǎn)NC進(jìn)行切換，并在終端和服務(wù)UNC之間建立VoIP承載通道。接下來GERAN執(zhí)行到服務(wù)UNC的BSC間切換，終端則在協(xié)議棧軟件的控制下從GSM網(wǎng)絡(luò)切換到WLAN網(wǎng)絡(luò)。終端和UNC在通信切換到上行接口之前已建立好上行連接，這種軟切換的方式可確保用戶不會(huì)在切換過程中感覺到話音中斷。

（3）從UMA網(wǎng)絡(luò)切換到GERAN總是由終端發(fā)起的。當(dāng)終端確定需要切換時(shí)，根據(jù)其對(duì)WLAN信號(hào)質(zhì)量的測(cè)量、承載特性以及來自服務(wù)UNC的任何上行鏈路質(zhì)量指示，它將向UNC發(fā)送切換所需的消息，指示相鄰的GSM單元用于切換。服務(wù)UNC利用終端提供的信息向核心網(wǎng)發(fā)送信令開始切換過程。根據(jù)UNC的信令，核心網(wǎng)會(huì)要求目標(biāo)GSM單元采用標(biāo)準(zhǔn)GSM切換信令準(zhǔn)備切換。然后核心網(wǎng)執(zhí)行到GSM單元的BSC間切換，終端則從WLAN網(wǎng)絡(luò)切換到GSM網(wǎng)絡(luò)。同樣，提前建立好的上行鏈路保證了通話的連續(xù)性。

UMA是目前實(shí)現(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)間無縫移動(dòng)的最成熟和最簡單的方案，它不需要對(duì)GERAN/UMTS的核心網(wǎng)進(jìn)行改動(dòng)，不影響核心網(wǎng)未來向IMS演進(jìn)。而且除了WLAN接入，它也支持目前方興未艾的Femtocell接入，支持固定電話接入（需加配終端適配器），支持PC機(jī)通過軟件和帶有SIM卡的適配器接入，可以說它也是解決3G室內(nèi)覆蓋和實(shí)現(xiàn)固定—移動(dòng)融合的有效方案之一。但就目前而言，UMA對(duì)PS業(yè)務(wù)尤其是多媒體類的業(yè)務(wù)支持的不是很完美。盡管這樣，只要運(yùn)營商能夠在用戶易用性和商業(yè)模式上做好工作，UMA技術(shù)就一定能獲得市場(chǎng)的青睞。

3、移動(dòng)IP

移動(dòng)IP標(biāo)準(zhǔn)由IETF的移動(dòng)IP工作組于1992年6月制定。移動(dòng)IP技術(shù)可以使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在從一個(gè)IP網(wǎng)絡(luò)切換到另一個(gè)IP網(wǎng)絡(luò)時(shí)仍可保持正在進(jìn)行的通信，并且IP地址保持不變（對(duì)于對(duì)端的通信節(jié)點(diǎn)而言）。理論上講，移動(dòng)IP技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)終端在任何基于IP的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間無縫移動(dòng)，因此受到了業(yè)界的極大關(guān)注。目前，3GPP和3GPP2都在移動(dòng)IP的基礎(chǔ)上進(jìn)行3GPP/3GPP2網(wǎng)絡(luò)與WLAN融合的標(biāo)準(zhǔn)化工作，并已取得一定的進(jìn)展。

實(shí)現(xiàn)移動(dòng)IP技術(shù)必須要在網(wǎng)絡(luò)中引入3種功能實(shí)體，即移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、家鄉(xiāng)代理（有一個(gè)端口與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)家鄉(xiāng)鏈路相連的路由器）和外地代理（在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的外地鏈路上的路由器）。這些功能實(shí)體的基本連接方式如圖2所示。

圖2　移動(dòng)IP實(shí)體連接方式

移動(dòng)IP的工作機(jī)制是：家鄉(xiāng)代理和外地代理周期地組播或廣播一個(gè)代理廣播消息。網(wǎng)絡(luò)中的所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都會(huì)收到并檢查這個(gè)代理廣播消息以確定自己是連在家鄉(xiāng)鏈路還是外地鏈路上。當(dāng)它連在家鄉(xiāng)鏈路上時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)就可像固定節(jié)點(diǎn)一樣工作，不再利用移動(dòng)IP的其他功能。如果連在外地鏈路上，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)則從外地代理發(fā)出的代理廣播消息中找到外地代理轉(zhuǎn)交地址。然后移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過外地代理向家鄉(xiāng)代理注冊(cè)轉(zhuǎn)交地址。為防止服務(wù)攻擊，注冊(cè)消息要求進(jìn)行認(rèn)證。家鄉(xiāng)代理收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)交地址后，通過隧道把原本發(fā)往移動(dòng)節(jié)點(diǎn)家鄉(xiāng)地址的數(shù)據(jù)包傳送給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)交地址。在轉(zhuǎn)交地址處（可能是外地代理或移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的一個(gè)端口），原始數(shù)據(jù)包被從隧道中提取出來送給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。對(duì)于反方向，由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)包被直接選路到目的節(jié)點(diǎn)上，無需隧道技術(shù)。對(duì)所有來訪的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的包來說，外地代理完成路由器的功能。

通過這樣的機(jī)制，移動(dòng)IP技術(shù)可以使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的通信在鏈路發(fā)生切換后仍然保持連通，這也為在PS域?qū)崿F(xiàn)蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和WLAN之間的無縫移動(dòng)提供了技術(shù)上的可能性。從R6開始，基于移動(dòng)IP技術(shù)，3GPP在協(xié)議中（TS23.234）加入了3GPP網(wǎng)絡(luò)和WLAN的融合方案（見圖3）。

圖3　3GPP網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)的融合方案

從移動(dòng)IP的原理來講，圖3中的PDG（Packet Data Gateway）相當(dāng)于移動(dòng)IP的家鄉(xiāng)代理（實(shí)際上還有業(yè)務(wù)鑒權(quán)、計(jì)費(fèi)、IP地址分配等更多功能），WAG（WLAN Access Gateway）有部分外地代理的功能。當(dāng)多模終端從蜂窩網(wǎng)絡(luò)切換到WLAN時(shí)，PDG就會(huì)通過隧道把來自Internet的數(shù)據(jù)發(fā)送給終端，進(jìn)而保證了業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

目前，移動(dòng)IP技術(shù)本身還存在很多不足，如切換時(shí)間長、切換時(shí)丟包率高，而且它屬于網(wǎng)絡(luò)層的切換，對(duì)于更上層如應(yīng)用層的移動(dòng)性無法支持，這些缺點(diǎn)對(duì)于電信級(jí)別業(yè)務(wù)來說是不能接受的。為改進(jìn)移動(dòng)IP的性能，學(xué)者們提出了很多很好的方案，如緩存分組、宏移動(dòng)和微移動(dòng)的結(jié)合、綁定更新等；而通過與SIP的結(jié)合來解決應(yīng)用層的移動(dòng)性和支持IMS也得到了廣泛的認(rèn)同和支持，現(xiàn)在已有廠商推出了此類設(shè)備，法國電信等運(yùn)營商也在開展基于移動(dòng)IP和SIP的蜂窩網(wǎng)絡(luò)與WLAN間數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)無縫切換的試驗(yàn)。相信隨著技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)IP必將成為未來全I(xiàn)P異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間無縫移動(dòng)技術(shù)的中堅(jiān)力量。

4、VCC

VCC（Voice Call Continuity），是一種基于IMS架構(gòu)，用于在電路域和IMS域之間保持語音呼叫連續(xù)性的技術(shù)。它的標(biāo)準(zhǔn)化工作開始于2005年1月底，目前3GPP已完成Stage2的工作，Stage3正在制訂中。3GPP2也有專門VCC工作組，工作進(jìn)度基本與3GPP相當(dāng)。

圖4是VCC在蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN之間的典型應(yīng)用。VCCIWF，即3GPP TS23.206定義的VCC應(yīng)用實(shí)體，它需要部署在用戶的IMS家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)，它包括CAMEL業(yè)務(wù)、域選擇功能、域切換功能和CS適配功能等4個(gè)功能實(shí)體。如果一個(gè)支持VCC的終端在蜂窩網(wǎng)絡(luò)下處于CS語音通話中，那么它向WLAN網(wǎng)絡(luò)切換的流程可以簡要概括為如下步驟：

圖4　VCC的典型應(yīng)用

（1）終端進(jìn)入WLAN覆蓋范圍并獲得IP連接后向IMS域發(fā)起注冊(cè)流程。

（2）注冊(cè)之后，終端在IMS域發(fā)起會(huì)話建立過程，向域切換功能實(shí)體發(fā)起切入域會(huì)話接入連接，申請(qǐng)向IMS域切換。

（3）IMS核心網(wǎng)中的S-CSCF實(shí)體執(zhí)行IMS域呼叫發(fā)起的處理過程，將會(huì)話路由到域切換功能實(shí)體。

（4）域切換功能實(shí)體執(zhí)行域切換過程，替換蜂窩網(wǎng)絡(luò)CS域原會(huì)話接入連接，更新WLAN接入連接。

（5）域切換功能實(shí)體要向WLAN連接發(fā)起媒體更新過程以將用戶平面更改到切入域接入點(diǎn)，更新成功之后，蜂窩網(wǎng)絡(luò)CS域原會(huì)話接入連接釋放。

VCC的標(biāo)準(zhǔn)尚在完善之中，目前VCC只局限于語音呼叫的切換，無法支持補(bǔ)充業(yè)務(wù)，不支持緊急呼叫。同UMA等技術(shù)相比，運(yùn)營商需要巨大的投入才能獲得實(shí)現(xiàn)VCC方案，但作為未來核心網(wǎng)演進(jìn)方向IMS的組成部分，VCC獲得了有力支持，即便是標(biāo)準(zhǔn)還未定稿，還是有北電等設(shè)備廠商推出了支持VCC功能的相關(guān)產(chǎn)品。一旦標(biāo)準(zhǔn)成熟，VCC必將發(fā)揮出巨大潛力。

5、802.21

為解決802.3，802.11，802.16等802網(wǎng)絡(luò)間以及802網(wǎng)絡(luò)與3GPP/3GPP2等非802網(wǎng)絡(luò)間的無縫切換問題，IEEE在2003年1月啟動(dòng)了相關(guān)的研究，并于2004年1月成立了802.21工作組專門制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。2007年年底之前802.21標(biāo)準(zhǔn)有望獲得批準(zhǔn)，2008～2009年將進(jìn)入商用部署階段。

802.21支持目前幾乎所有主流接入網(wǎng)的網(wǎng)間切換。802.21的核心思想是在層2和層3之間引入一種新的功能模塊——媒介獨(dú)立切換功能（Media Independent Handover Function，MIHF）。MIHF對(duì)等存在于終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。MIHF定義了統(tǒng)一的業(yè)務(wù)接入點(diǎn)并通過獨(dú)立于接入技術(shù)的業(yè)務(wù)與高層的各種移動(dòng)性管理協(xié)議進(jìn)行通信；對(duì)底層，MIHF則為不同的接入技術(shù)定義了不同的業(yè)務(wù)接入點(diǎn)以獲得對(duì)各種介質(zhì)的訪問和控制。

如圖5所示，MIHF中定義了3個(gè)不同的服務(wù)，即媒介獨(dú)立事件服務(wù)（Media Independent Event Service，MIES）、媒介獨(dú)立命令服務(wù)（Media Independent Command Service，MICS）和媒介獨(dú)立信息服務(wù)（Media Independent Information Service，MIIS）。MIES提供與鏈路特性和鏈路狀態(tài)動(dòng)態(tài)變化相對(duì)應(yīng)的觸發(fā)事件，如鏈路上下行的變化、鏈路即將發(fā)生切換等；MICS幫助高層來管理和控制與切換和移動(dòng)性相關(guān)的鏈路行為，它使用從MIES獲得的事件信息作為其執(zhí)行切換等動(dòng)作的依據(jù)；MIIS能夠提供一種信息模型和相應(yīng)的處理機(jī)制。通過它們，MIHF以發(fā)現(xiàn)鄰近的網(wǎng)絡(luò)并獲得這些網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)信息，如信道信息、MAC地址、安全信息等。MIIS提供的信息有助于高層更加高效地判斷是否需要切換。

圖5　MIHF各部分功能示意

通過引入MIHF，802.21可以有效改善多模終端在網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)選擇、切換發(fā)起、接口激活和功耗優(yōu)化等方面的性能。在MIHF的協(xié)助下，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的切換時(shí)延及切換丟包率能夠大幅改善。下面以一個(gè)在3GPP網(wǎng)絡(luò)下正在進(jìn)行流媒體業(yè)務(wù)的多模終端為例，簡要介紹它向WLAN切換的流程。

首先，終端的MIHF會(huì)訂閱一個(gè)事件，以便當(dāng)有新的網(wǎng)絡(luò)鏈路可以接入的時(shí)候MIHF會(huì)得到通知。接下來，終端會(huì)通過MIIS向存儲(chǔ)有網(wǎng)絡(luò)信息的信息服務(wù)器查詢周邊的網(wǎng)絡(luò)情況，一旦確認(rèn)有WLAN網(wǎng)絡(luò)，終端會(huì)繼續(xù)向信息服務(wù)器查詢更多的信息，如WLAN的安全機(jī)制、DHCP服務(wù)器地址、接入點(diǎn)的MAC地址等，并且要確認(rèn)這些WLAN。網(wǎng)絡(luò)是否有足夠的帶寬來保證當(dāng)前的服務(wù)質(zhì)量。終端進(jìn)入某個(gè)WLAN覆蓋區(qū)域后，當(dāng)滿足事件觸發(fā)條件時(shí)，如WLAN信號(hào)足夠強(qiáng)、帶寬足夠大，MIES將啟動(dòng)并向高層上報(bào)事件信息。高層將根據(jù)切換策略和切換算法下發(fā)MICS命令啟動(dòng)切換流程。待終端在WLAN中的新鏈路建好后，原3GPP網(wǎng)絡(luò)中的連接斷開。至此終端切換從3GPP網(wǎng)絡(luò)切換到了WLAN網(wǎng)絡(luò)中并且原業(yè)務(wù)保持了連續(xù)性和服務(wù)質(zhì)量。

盡管需要對(duì)802.11，802.16，移動(dòng)IP和3GPP等協(xié)議進(jìn)行適當(dāng)修改，802.21還是為接入技術(shù)和移動(dòng)性管理技術(shù)提供了最廣泛的兼容性，因此具有極好的應(yīng)用前景。目前，802.21已經(jīng)得到了英特爾和英國電信的大力支持。但除了需要盡快定稿標(biāo)準(zhǔn)外，如何解決終端集成3GPP/3GPP2，WiMAX，WiFi等多種無線技術(shù)帶來的射頻干擾、功耗和成本問題也是擺在802.21支持者面前的一道難題。

6、結(jié)束語

用戶對(duì)無縫移動(dòng)日益增強(qiáng)的期望值，以及運(yùn)營商整合資源、融合業(yè)務(wù)的強(qiáng)烈愿望讓異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的無縫移動(dòng)技術(shù)成為了電信業(yè)的焦點(diǎn)。隨著技術(shù)本身的不斷成熟和由此帶來的催化作用，包括終端、設(shè)備、運(yùn)營、監(jiān)管等行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上的各個(gè)環(huán)節(jié)都將迎來新的發(fā)展機(jī)遇和變革動(dòng)力。我國的電信企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)應(yīng)密切跟蹤相關(guān)技術(shù)進(jìn)展，加大研發(fā)力度，爭取在標(biāo)準(zhǔn)制定、技術(shù)轉(zhuǎn)化和業(yè)務(wù)運(yùn)營等方面實(shí)現(xiàn)新的突破。