后3G中的網(wǎng)絡融合探討

摘要　文章針對后3G移動通信系統(tǒng)的全IP化、多業(yè)務、多設備、多種技術標準并存的特點，研究后3G中的網(wǎng)絡融合的策略問題。從網(wǎng)絡融合的概念、架構(gòu)原則、面臨的挑戰(zhàn)和采取的技術等方面探討了適合后3G移動通信系統(tǒng)發(fā)展的網(wǎng)絡融合方案。

0、引言

后3G指從3G到4G的演進過程。后3G通信系統(tǒng)是基于IP、采用多種技術、能提供多業(yè)務、支持多接入的綜合性通信系統(tǒng)。針對后3G通信系統(tǒng)的以上特點，有必要對其網(wǎng)絡融合方案進行研究，從而得出有指導性的策略。目前這方面的工作主要由世界無線電論壇（WWRF）的網(wǎng)絡融合小組（CoNet）進行。目前CoNet所提出的總體方案為：從網(wǎng)絡基礎設施和用戶終端兩方面加強網(wǎng)絡的可靠性，融合各種異構(gòu)網(wǎng)絡保證系統(tǒng)的無縫覆蓋。該方案包括移動性管理、多址接入和移動網(wǎng)絡3個核心概念。初步估計在2010年，系統(tǒng)網(wǎng)絡能具有以下特點：a）各種網(wǎng)絡共存，包括有線、無線和廣播網(wǎng)絡；b）網(wǎng)絡具有良好的可靠性、靈活性，便于管理；c）在任何時間和地點保證能用不同的方式來控制用戶的接入；d）當網(wǎng)絡環(huán)境變化時，保證對業(yè)務的影響最小；e）提供高層業(yè)務控制接口；f）最優(yōu)利用系統(tǒng)資源和有限的無線資源；g）提供各種靈活的業(yè)務模型。

同時，CoNet也指出了網(wǎng)絡融合的關鍵在于系統(tǒng)的層次化結(jié)構(gòu)，提供能夠復用的獨立功能模塊。本文將從系統(tǒng)總體架構(gòu)原則、網(wǎng)絡架構(gòu)方案和采取的技術三方面來具體探討后3G的網(wǎng)絡融合。

1、系統(tǒng)架構(gòu)原則

系統(tǒng)總體架構(gòu)原則主要包括層次化結(jié)構(gòu)和獨立功能模塊的復用。

目前層次化結(jié)構(gòu)的理念已被廣泛應用。層次化是指從邏輯上把系統(tǒng)分為具有獨立功能的子系統(tǒng)。分層的主要目的是為了通過開放性減少應用軟件對物理設備控制軟件的依賴，也就是說通過分層和為該層定義一組標準的調(diào)用接口，使物理設備之間的異構(gòu)性和不同模塊之間的異構(gòu)性可以被屏蔽。一般的分層網(wǎng)絡模型至少有應用層、連接層和接入層。應用層可分為業(yè)務層和業(yè)務支撐子層；連接層可以是網(wǎng)絡和傳輸子層；接入層可包括一些功能相似的接入網(wǎng)絡。各層的功能和接口定義非常嚴格，只有這樣才能保證在其中一層變動時對其他層的影響最小。

CoNet架構(gòu)定義不同的功能模塊完成某種特定功能，促進了基于組件的模塊化架構(gòu)的發(fā)展，但也對各個功能模塊接口提出了更嚴格的要求。簡單來說，如某種業(yè)務需要處理用戶數(shù)據(jù)，控制信令進行網(wǎng)絡管理，就可以分別定義用戶、控制和管理功能平臺分別實現(xiàn)各項功能。引入獨立功能模塊的主要優(yōu)點在于當系統(tǒng)有新的業(yè)務需求時，添加新的功能模塊不必對整個系統(tǒng)進行改動，而只需要引入新的模塊和復用已有的模塊。圖1直觀說明了系統(tǒng)架構(gòu)原則。

圖1　層次性模塊化結(jié)構(gòu)

針對后3G的業(yè)務特點，除了以上兩個主要原則之外，還需要考慮網(wǎng)絡融合的連續(xù)性、端到端的連接、網(wǎng)絡的安全性和自組織特性。網(wǎng)絡融合連續(xù)性的重點在于連接層利用不同的傳輸技術來保證用戶設備移動條件下的網(wǎng)絡節(jié)點之間的連接。端到端方案中值得注意的是通過逐跳和中間節(jié)點過渡來解決不同種類終端的連接。網(wǎng)絡安全性方面需要在傳統(tǒng)網(wǎng)絡安全措施的基礎上強調(diào)各個網(wǎng)絡接口之間的接入鑒權(quán)和授權(quán)。CoNet的網(wǎng)絡融合方案所提出的自組織特性相對于已有的Ad hoc網(wǎng)絡來說，各個網(wǎng)絡實體的獨立性和靈活性更強，這樣才能保證實現(xiàn)不同種類網(wǎng)絡的動態(tài)組網(wǎng)。

2、網(wǎng)絡融合方案

本節(jié)中我們將參考WWRF所接納的模型具體分析網(wǎng)絡融合方案。該參考模型較全面地涵蓋了系統(tǒng)的主要功能模塊及各個模塊之間的相互影響。

2.1　多址接入

要保證系統(tǒng)的多址接入能力，必須從以下幾方面入手：a）接入設備具備獨立的接入能力，具體表現(xiàn)為應用編程接口、統(tǒng)一的API函數(shù)及標準的協(xié)議接口；b）移動終端能根據(jù)不同環(huán)境選擇相應的接入?yún)f(xié)議；c）為了保證系統(tǒng)運行效率，在移動終端利用不同接入技術進行入網(wǎng)請求時，只需要進行一次認證，無需重復認證，這就對移動終端的移動性管理提出了更高要求。從目前情況來看，應設計新的API函數(shù)來完成不同網(wǎng)絡之間的信息交流，并對移動終端的接入采取記錄機制，以確保數(shù)據(jù)信息的隨時更新。

2.2　移動性管理

在后3G通信系統(tǒng)中，網(wǎng)絡的多樣性和復雜性都會顯著增加，表現(xiàn)在用戶終端多樣化、接入網(wǎng)絡多樣化、IP地址的動態(tài)分配、幾乎所有的網(wǎng)絡都具有獨立功能的可移動實體，這就要求移動性管理必須從兩方面入手：a）包括切換在內(nèi)的移動路由管理；b）具有位置更新和記錄機制的移動位置管理。

目前得到廣泛認可的移動性管理的概念是基于IP2的，IP2在參考文獻[3]中有具體介紹。在網(wǎng)絡控制子層中利用路由管理器和位置管理器控制移動終端（MT）的接入，路由管理器負責為其管理的MT創(chuàng)建、更新、刪除高速緩存器。位置管理器負責其管理的MT的所有位置信息，并在必要時做出記錄，路由器則只負責鏈路建立和數(shù)據(jù)交換。這樣，MT之間的通信并不要求互相知道對方的信息，能提高資源的利用率。即使由于MT的移動造成了路由器IP地址（IPra）的改變，但MT主機IP地址（IPha）并不需要改變，也能建立連接。由于有了位置管理器中的位置信息，IPha只是用來確定某一個MT，而IPra則是用來在網(wǎng)絡內(nèi)部進行數(shù)據(jù)交換。

Ipha與IPra之間的映射過程如下：接入路由器（AR）收到來自某一MT的數(shù)據(jù)（包括數(shù)據(jù)包的目的地址IPha），利用高速路由緩存把IPha映射成IPra，這個過程有路由管理器來實現(xiàn)。接著AR利用其路由表里的信息轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到連接目的MT的AR，這主要通過把Ipra作為發(fā)送數(shù)據(jù)包的前綴來實現(xiàn)。對應的AR收到數(shù)據(jù)包之后，再進行IPra到IPha的映射，最后數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給MT。在以上過程中，如果目的AR沒有含有MT的IPha信息的高速緩存，則請求路由管理器創(chuàng)建新的高速緩存。當MT從一個AR移動到另一個AR時，接入層中的路由接入控制器觸發(fā)路由管理器作出反應，同時新的AR為MT分配IPra，然后更新位置管理器中的信息。

在后3G網(wǎng)絡中，端到端的數(shù)據(jù)傳輸主要通過IP層實現(xiàn)，其QoS可以通過應用程序來保證。首先，網(wǎng)絡之間的接口能通過應用程序控制QoS，也就是說系統(tǒng)允許應用程序獲得相應的控制和配置參數(shù)，或按照一定的標準進行一些默認設置。另外，相應的QoS參數(shù)通過端到端的路由通告給處于鏈路上的每一個域，當有新的域接入時，也相應獲得了這些參數(shù)，便于進行資源分配。每個域并不是統(tǒng)一按照單一標準進行資源配置，可采用符合自身特點的獨立方案進行資源配置。

2.3　移動性網(wǎng)絡

在后3G系統(tǒng)中，移動性網(wǎng)絡將會大規(guī)模出現(xiàn)。移動性網(wǎng)絡（NEMO）是指具有一個或多個移動路由器（MR）以及一定數(shù)目的移動終端設備相連的網(wǎng)絡，最大特點是在其網(wǎng)絡物理結(jié)構(gòu)和拓撲結(jié)構(gòu)改變時，可以改變它與其他網(wǎng)絡的連接點。目前，與NEMO相關的研究主要有IETF中的NEMO WG[5]負責，但是這些技術都是基于移動IP的。由于端到端包交換的封裝特性，不太容易實現(xiàn)最優(yōu)化路由和定位。在CoNet架構(gòu)概念中提出了一種新的解決方案，該方案基于4個概念：包頭前綴管理（CoP）、集合路由器（AGR）、連接路由管理及分級地址管理。

在NEMO概念中，數(shù)據(jù)包的前綴必須保持持續(xù)性，包頭開銷會越來越大�？梢酝ㄟ^對移動終端地址管理（CoA）解決該問題。具體來說就是當NEMO移動到新的AR，AR分配新的包頭前綴，CoP迅速更新NEMO的包頭前綴信息，該NEMO中的所有終端通過該信息來更新CoA信息。

NEMO中的移動性管理主要由集合路由器（AGR）處理。AGR類似于層次化移動IPv6中的移動錨點（MAP）。AGR負責收集所有AR的升級信令，從而減少了NEMO與核心網(wǎng)之間的通信信令綁定。發(fā)往NEMO的數(shù)據(jù)包也通過AGR實現(xiàn)，這就要求在放置AGR時必須考慮使所有的通信路由最優(yōu)化。如果NEMO的移動范圍過大，必須重新部署AGR。部署AGR需要綜合考慮切換時延和AGR的重新部署頻率。如果AGR離NEMO距離太近，雖然能解決切換時延和優(yōu)化路由的問題，但會造成AGR的頻繁切換。

圖2比較直觀地說明了連接路由管理概念。家鄉(xiāng)代理只負責保存MT的信息，而MR1 HA負責保存主機地址和地址管理信息。這樣可以實現(xiàn)在NEMO切換工程中只需要更新MR1 HA的信息。由于NEMO的移動造成AGR和MR1 HA的改變，必須更新MR1 HA中的地址管理信息。但由于綁定的信令數(shù)據(jù)量很大，需要引入分級地址管理來解決。具體來說就是，NEMO中的MT的地址管理信息分為共享信息和獨立信息，共享信息用來表示NEMO的位置信息，只有當NEMO切換時才更新，獨立信息表示了NEMO中各個MT的位置信息，在NEMO切換時也不發(fā)生改變。由于AR分配唯一的前綴給NEMO，則不會出現(xiàn)重復的CoA，當NEMO切換時，只需MR1、AGR和MR1 HA來處理相應的綁定信息，完成共享信息的更新。

圖2　連接路由管理

參考文獻

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，F(xiàn)rance，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/