GSM蜂窝移动通信网络中移动性的管理

《移动通信》期中论文论文题目GSM蜂窝移动通信网络中移动性的管理姓名学号学院电气工程学院专业班级移动通信网络中移动性管理理论与技术的研究陈山枝1,时岩2,胡博3(1.电信科学技术研究院，北京100083;2.北京邮电大学电信工程学院，北京100876;3.北京邮电大学网络与交换国家重点实验室，北京100876)摘要：针对未来的多种接入网络共存、大量移动性终端接入需求的情况下，分析了移动性管理面临的全新挑战，指出将其作为信息通信网中的单独一门技术进行研究的必要性，阐述了移动性管理的定义和分类。在此基础上，提出了移动性管理的网络参考模型和协议参考模型，对指导4G和未来的移动性管理技术发展具有十分重要的意义。进而，按此模型分析和比较了国内外已有的各种移动性管理技术。最后，指出了未来泛在、异构网络环境下移动性管理所面临的挑战与新课题。关键词：移动性管理；参考模型；注册管理；位置管理；切换控制；异构接入1引言未来的信息社会中，移动性的目标就是要实现“5W”通信，即任何人可在任何时候、任何地方、与任何人以及相关的物进行任何形式的通信，这就需要移动性管理技术来实现。当今正从PC向移动计算（如笔记本电脑、PDA、智能手机等）和网络嵌入式设备（如无线传感器、无线远程遥控和遥测设备等）的历史性转型中。2005年，全球约有超过20亿部手机（其中有4亿部有上网功能，且还在快速增长）、5亿台与互联网相连的PC/服务器；估计到2010年，全球与互联网相连的有超过10亿部笔记本电脑、PDA、智能手机和传感器等以及7.5亿台PC/服务器；到2015年，互联网上的传感器将达到50~100亿个[1]，而其中的大量终端都有潜在的移动性需求，因此，移动性管理技术是未来无线移动通信和移动计算中最重要也最具有挑战性的问题之一。ITU-T、IETF、3GPP、ETSI、MWIF、IST等诸多国际标准化组织都将移动性管理作为非常重要的一个方面进行研究。移动性管理技术源自蜂窝移动通信网。未来无线个域网（WPAN），如IEEE802.15；无线局域网（WLAN），如HiperLAN、IEEE802.11；无线城域网（WMAN），如IEEE802.16；无线广域网（WWAN），如2G、3G等多种异构接入网络的并存，adhoc网络以及以此为基础的无线Mesh网络、无线传感器网络的出现及其与蜂窝网、因特网的结合，新业务与应用需求的出现以及数量庞大的移动终端的接入，都给移动性管理技术带来了全新的挑战，而现有技术都不能满足未来需求，尤其是个人移动性和会话移动性的需求。移动性管理已经不再是特定网络技术的一个侧面，而是跨越各种异构接入网络，同时涵盖网络、业务、终端各个层面的综合技术。因此，有必要将移动性管理技术作为一门单独的技术来研究2移动性的定义与分类ITU-T、IETF、3GPP、ETSI、MWIF等诸多国际标准化组织都基于各自的领域、从不同角度定义了移动性相关的术语和需求[2~8]。移动性是指移动目标（用户或终端）在网络覆盖范围内的移动过程中，网络能持续提供通信服务能力。指用户的通信和业务访问不受位置变化和接入技术变化的影响，即独立于网络服务接入点（简称接入点）的变化。根据不同原则，移动性可以有多种不同分类。1)根据支持程度，可分为：无缝移动性和游牧移动性。无缝移动性指当用户移动导致接入点改变时，不会中断当前的通信，仍能与网络保持连接。而在游牧移动性中，当改变接入点时，不需要与网络保持连接，用户的业务会话将被完全终止，然后重新开始。可见，二者本质区别在于网络接入点的变化是否影响当前通信与会话的连续性，即是否支持切换。还有一个与游牧接近的概念——漫游，指用户在移出了其归属网络之后，仍然可以根据其用户和业务属性，使用拜访网络提供的接入和通信能力。游牧与漫游在很大程度上是相同的，但定义的角度、关注点不同，游牧从技术角度侧重研究移动引起的接入点变化对会话的影响，漫游则从业务运营角度侧重研究移动引起的网络和业务环境的变化对通信和业务的影响。2)根据移动性支持的目标，可分为：终端移动性、个人移动性、会话移动性、业务移动性和网络移动性。终端移动性、个人移动性、会话移动性和业务移动性反映了与用户相关的移动性的不同侧面和需求目标。其中，终端移动性是指当移动节点改变网络接入点时，仍然能够进行通信的能力。而根据实现中移动性的主要支持方，终端移动性又可分为：边缘移动性（edgemobility）和主机移动性（hostmobility）。边缘移动性是指当移动节点发生移动时，由网络负责将数据流路由至移动节点的当前接入点。主机移动性则是指当移动节点发生移动时，由移动节点自己负责将数据流路由至当前位置，而不需要网络的协助。蜂窝移动通信网络（下文简称“蜂窝网”）中的域内移动性管理和NetLMM[9]（network-basedlocalizedmobilitymanagement）是边缘移动性的典型技术，移动IP和HIP[10]（hostidentityprotocol）是主机移动性的典型技术。个人移动性包含通信可达性与业务个性化。实现通信可达性的关键是将用户，而不是终端作为通信的端点，为每个用户设立惟一标识，并与通信过程中特定域或特定终端的标识进行动态映射。实现业务个性化使得用户信息、用户偏好、业务属性等信息能够跟随用户移动，从而获得始终如一、个性化业务环境，一般采用代理技术。会话移动性重点研究垂直切换（即异构网络环境中切换）以及针对多接口终端的连接管理。业务移动性可以看作个人移动性研究中业务个性化的部分。网络移动性是指一组互相联网的固定或移动节点作为一个整体改变其接入点仍能与网络其他节点通信，如航行中的轮船、汽车和火车等上的网络。3)根据移动性涉及的范围大小，可分为：接入网内移动性、接入网间移动性和网络间移动性。类似的分类[11]是：微移动性、宏移动性和全局移动性，分别指子网内、同一管理域内的子网间及穿越不同管理域的移动性。4)根据无线移动网络类型的不同，可分为：有基础设施的无线移动网络中的移动性管理和无基础设施的无线移动网络中的移动性管理。有基础设施无线移动网络的典型代表是蜂窝移动通信网络及WLAN，具有相对成熟的移动性管理技术。无基础设施的无线移动网络以adhoc网络（移动自组织网络）为典型代表和基础，其中，移动性管理往往与拓扑管理、路由管理等技术密不可分，目前还没有令人满意的移动性管理技术。3移动性管理参考模型本文提出的移动性管理参考模型包括协议参考模型及关键功能、网络参考模型及功能实体分布等。3.1移动性管理协议参考模型及基本功能针对现有的移动性管理技术、未来需求与技术发展的分析，本文提出了移动性管理协议参考模型，如图1所示。协议参考模型包含3个平面：传送平面(数据平面)、控制平面和管理平面。传送平面从协议层次上分，涉及物理层、链路层、网络层、传输层和应用层。控制平面从功能上分，包括：安全机制、位置管理、切换控制和互操作控制。而管理平面从功能上分，包括：配置管理、故障管理、性能管理、账务管理和安全管理。图1移动性管理的协议参考模型3.1.1传送平面的基本功能移动性管理的传送平面划分与传统协议层次相同，自下而上，包括物理层、链路层、网络层、传输层和应用层。物理层主要支持移动性管理相关的物理信号检测，用于对移动性管理进行功能和性能的优化。其他各层均有支持移动性的典型协议，链路层提供子网范围内的终端移动性，网络层技术提供独立于下层协议和物理传输介质的终端移动性和网络移动性，传输层提供不依赖于网络基础设施的、端到端的移动性支持，而应用层技术除了支持终端移动性外，还具有一定的个人移动性、会话移动性和业务移动性支持[12,13]。图2所示为各层的移动性支持协议及其作用范围。本文第4节将分别选取各层典型技术，根据协议参考模型进行分析介绍。图2各协议层的移动性管理技术3.1.2控制平面的基本功能移动性管理控制平面的基本功能包括：安全机制、位置管理、切换控制和互操作控制。1)安全机制移动性管理技术中涉及到的安全机制包括4个主要功能：关键数据保密性、注册认证管理、信令消息完整性、移动服务不可否认性。现有的移动性管理技术大多只提供注册认证管理，负责认证授权管理和业务属性管理。认证授权功能又分为：接入网络时的用户/终端认证授权、使用业务时的业务认证授权，涉及移动安全关联问题。认证负责验证确认移动目标的身份，授权功能负责检查确认移动目标是否有权限使用其所请求的接入或业务等。另外，还有记账功能，用于记录用户使用的资源、进行的操作，以便进行分析、审记和计费。三者合起来即通常的AAA功能。业务属性管理实现对业务属性的注册、更新、查找、注销等功能。2)位置管理位置管理实现跟踪、存储、查找和更新移动目标的位置信息，包括2个重要功能：位置更新（或称位置注册）和位置查找（或称寻呼）。其中，位置更新由移动目标向系统报告其位置的变更，位置查找则是系统查找移动目标所在位置的过程。位置管理需要位置数据库支撑，例如第二代蜂窝网（2G）中的访问位置寄存器（VLR）和归属位置寄存器（HLR）以及MIP的家乡代理（HA）或SIP位置服务器等。位置数据库可采用层次型、树型和中心数据库结构。位置管理的性能评价参数主要有更新消息开销、更新时延、寻呼信令开销、寻呼时延、系统效率等。位置更新与位置查找在占用系统资源方面是矛盾的，同时优化两者是一个NP问题，各种位置管理方案就是在两者的开销之间寻找平衡，以降低总的位置管理开销。两者的比较如表1所示。3)切换控制切换控制实现移动过程中接入点变化时的通信会话连续性，即实现当前的接入点提供的通信接入由另一个新的接入点提供，包括3个功能：切换准则（何时何种条件下切换）、切换控制方式、切换时相关资源分配（如蜂窝网中的信道分配，MIP的转交地址分配及IP地址绑定等）。切换控制的性能评价参数主要包括切换成功率、掉话率、新呼叫阻塞率、平均切换次数、切换时延、强制中断率等。切换控制历来都是移动性管理中的重要研究内容，目前最成熟是蜂窝网的切换控制技术。未来泛在、异构网络环境中，除各个网络内部的切换控制外，还应包括跨越网络边界、跨运营商以及跨终端漫游时的切换控制，切换具有了一些新的特征，也出现了多种不同的分类方法[14]。根据涉及的网络范围，可以分为网内切换和网间切换。根据涉及的接入技术是否同类，可以分为水平切换（或称系统内切换）和垂直切换（或称系统间切换）。从性能角度，分为快速切换、平滑切换和无缝切换。根据切换前后所涉及的无线频率，分为同频切换和异频切换。根据切换的必要性，可分为强制切换和非强制切换。根据切换中是否允许用户控制，分为主动切换和被动切换。4)互操作控制互操作控制是未来的移动性管理技术中所特有的、并且与控制平面中其他功能相关的控制功能。互操作控制包括2个方面：一是处理由接入技术异构性带来的差异，例如，接入认证技术中的安全上下文映射、垂直切换中的端到端QoS映射、业务上下文映射及终端能力适配等。二是跨层设计思想在移动性管理中的应用，包括不同层移动性支持方案间的设计耦合以实现功能优化以及通过跨层信息交互实现性能优化。3.1.3管理平面的基本功能管理平面的功能包括网络管理的传统5种基本功能，包括：故障管理、配置管理、计费管理、性能管理和安全管理，即FCAPS功能。网管协议通常采用SNMP或CMIP，并且涉及具体的管理信息库（MIB）定义。在此不再赘述。3.2移动性管理的网络参考模型及功能实体移动性管理的网络参考模型及其功能实体如图3所示。根据移动目标（用户）的归属，将通信网分成一个归属（家乡）网络和多个拜访（外地）网络。不同的移动性管理技术还可能将归属网络、拜访网络进一步划分成位置区（LA）和寻呼区（PA）。移动性管理涉及的功能实体有四类：移动性管理服务器（含数据库）、网络服务接入点（简称接入点）、域移动控制器，以及相应的移动性管理协议。1)移动性管理服务器移动性管理服务器提供相应的移动性管理功能，包括两类：注册认证服务器(简称注册服务器)、位置管理服务器(简称位置服务器)。注册服务器负责管理用户的接入鉴权信息（包括网络