浅析下一代基于IP集成的无线多接入系统中的热点问题

2、下一代移动互联网的关键技术

2.1、无线多接入系统关键问题分析

本节将深入分析无线多接入系统中存在问题的根源及其内在关系。与传统的移动通信网络和固定通信网络相比，融合了多种无线接入技术的全IP体系结构，由于多接入能力的差异和网络场景的多样性，面临着一系列新问题。

2.1.1、多接入环境下的移动性管理技术

网络层的集成方案，可以采用Mobile IP或SIP为移动性管理协议。Mobile IP和SIP实现移动性管理的机制非常类似，都是通过将移动节点在拜访地的临时网络地址和一个永久的标识绑定。在Mobile IP中这个永久的标识是终端的家乡地址(网络层地址)，而SIP中这个永久的标识可以是终端、业务或者用户的SIP URI。由于不同协议层次的特性不同，所支持的移动性协议也具有显著的区别。比如在网络层实现的移动性管理，仅支持终端的移动性；而在会话层实现的移动性管理机制，可以实现终端移动性的同时，也支持用户移动性和业务移动性。同时，我们也发现由于Mobile IP和SIP同时具有底层接入无关的特征，它们的切换性能面临着同样的问题。因此，研究可以以Mobile IP协议为无线多接入环境下研究移动性管理技术的起点和基础。其面临的问题，概括如下：

a)网络层切换性能问题

目前，IP层的移动性管理技术主要是移动IP协议及其改进方案。但是，由于Mobile IP协议一开始为Internet上的主机移动性设计，其机制简单且切换性能较差。Mobile IP的移动性检测机制主要通过检测不同IP子网的路由器前缀来实现，这种移动性检测机制通常会引入几秒的数据中断，这样的切换性能不能满足实时业务和流媒体对QoS的要求，同时，过长的数据中断时间有可能引起高层端到端的协议连接中断。

b)缺乏对无线链路状态和网络环境的检测能力

传统的TCP/IP协议专为固定网络设计，主机的网络环境单一，因此网络层只需要了解底层接口是否可用即可。但是在异构的无线环境下，随着节点的移动，无线接入能力随之会发生很大的变化。这对网络层移动性管理带来了很大的挑战，网络层性能问题很大一部分原因即源于此。由于缺乏对网络环境动态变化的检测能力，因此，网络层的移动性检测依据只能来自于网络层路由器广播中的网络前缀，从而导致切换时延过长。同时，无线链路状态和网络环境的检测能力有助于切换机制综合判断移动节点所处的多接入场景，从而有针对性的采用合适的切换策略、选择合适的接入目标和切换的时机。虽然Mobile IP的改进方案提出了底层辅助的切换优化机制，但是对于如何在底层实现触发机制，以及如何生成准确的底层事件等方面都没有深入的讨论。

c)普适性问题

由于多接入网络场景的多样性，需要定义具有良好可扩展性的网络层移动性管理机制。移动性管理机制需要全面了解网络接入能力和场景动态的变化，就是上一个问题所描述的功能；移动性管理必须能够处理不同异构网络重叠所形成的复杂场景下的切换管理和位置管理问题；移动性管理信令协议应该具有良好的可扩展性，能够满足添加新功能的需要。

由于IPv6协议包头结构的进行了重新定义，具有良好的可扩展性，因此基本IPv6协议的Mobile IPv6本身也具有良好的可扩展性。但是，现有的Mobile IPv6仅提供了网络层切换的基本功能集，还需针对不同接入场景进行相关的功能定义。同时在多接入网络内移动节点其实是处于一个IP子网内部，Mobile IP协议在这种情况下会失效。因而，这方面的问题还需要深入的分析和研究。

2.1.2、多接入能力的差异性造成的QoS问题

网络层切换对高层应用来说是透明不可见的。但是在无线多接入系统中，移动节点在不同接入体系间切换时，网络层虽然向高层屏蔽了切换动作的发生，但是却不能屏蔽切换所造成的对业务QoS的影响。对高层应用来讲，最为敏感的QoS参数是数据传输的速率和时延以及终端在不同类型接入网间漫游过程中的切换中断时间等，为了保证一定用户平滑的业务感受，必须保证上述性能参数达到业务QoS要求的最低标准。

根据目前国内外的研究成果看，网络层切换的中断时间可以通过优化网络层切换机制来实现，其优化的结果能够满足实时业务对传输时延的要求。

但是，当移动节点在异构接入体制间切换时，由于不同无线接入技术本身在数据速率、带宽、时延等方面可能存在较大的差异，使得切换时用户的业务感受到影响，甚至会造成业务被迫中断。这个问题和网络层移动性机制的关联不大，因为网络层移动性管理仅能够保证切换过程中业务连接不断，数据中断时间尽可能短，但是不能控制网络接入资源的分配。尤其当切换前后接入能力差异过大时，对业务的冲击可能是个网络层机制难以克服的问题，因而，该方面的问题尚需深入讨论。

2.1.3 基于多接入能力的数据优化传输问题

在异构网络重叠覆盖的区域，移动节点通常具有多个同时可用的无线接入能力。在网络层集成方案中，多个无线接入能力体现为在网络层以下多个可用的无线接口。基于多个接口进行数据优化传输问题是一个有待深入研究的课题，其目标是通过协同使用多个传输能力提升系统整体的传输效率。该问题的本质是高层数据流（包）在多个可用接入资源间的调度问题。在不同的网络场景下，数据优化传输机制可能完全不同。它也和很多方面的问题相关：

首先，优化的数据传输机制也需要"环境动态变化的检测机制"和对高层应用QoS需求的探测机制。探测的结果是数据优化传输机制选择传输路径（接口）的依据。

另外，该机制和移动性管理机制存在内在关系。在多接入场景中，不同接口对应着不同网络前缀的IP地址。如果一旦为某个数据流选择好外出的接口，则数据包的源地址必须对应该接口的IP地址。否则，根据入口过滤功能，接入路由器通常会丢弃所有和接入网网络前缀不同的外出数据包。因而，在基于流级别的调度中，当数据流的接口发生改变时，相应的就要求改变该数据流的IP地址，IP地址的改变会引发传输层连接中断（由于网络层地址改变）。处理由于网络层地址改变而引发的连接中断，是网络层移动性的功能。因此，基于多接入能力的数据优化传输机制要想在数据动态调度的过程中，保持传输连接不断，其实现必须要和移动性管理机制相结合。在不同的场景下设计数据优化传输时，需要特别留意这两个功能间的协同配合问题。

其次，优化的数据传输机制需要"多接口管理机制"和"层间地址管理机制"。多接口管理机制包括多接口可用性评估和数据调度功能等功能。地址管理涉及到网络层地址和高层连接的绑定管理等，是数据优化传输中所需要的基础功能。

最后，优化数据传输核心是对数据包或数据流的调度算法。设计合理可行的数据调度算法也是该研究的重点。

2.1.5、多接口管理问题和地址管理问题

多接入系统中由于在移动终端上引入了多接入能力，因此，必须相应地提供多接口管理和多个协议层间的地址映射管理机制。多接口管理功能负责记录各个接口当前的性能信息，并评估底层链路的可用性。对于高层协议和功能模块来说，接口管理功能提供了控制多个底层接入能力的统一接口。

同时，由于多个无线接口上通常会被分配不同的网络层地址。而高层传输层在一次连接的过程中总是要求网络层地址不变，为此，Mobile IP引入了Home Address作为节点永久标识，不同接口上的IP地址作为临时地址标识。当利用多个接口进行优化的数据传输时，不同类型地址之间可能存在多种映射关系，主要包括传输层连接和网络层IP地址的对应关系，Home Address和CoA地址的对应关系。统一的地址管理机制，其功能应该包括有效地址登记、当前使用地址的选择和不同层次地址间的绑定管理。

上述的多个问题都需要接口管理和地址管理的支持，因此这两个机制被单独提出作为多接入系统中必须提供的基础功能。本文会在解决其他关键问题的过程中，结合具体的需求给出这两个问题的解决方案。

除了上述问题外，多接入系统还需考虑统一的安全认证、接纳控制等问题。

2.2、无线多接入环境对传统协议栈的影响