IP-RAN中一種新的移動性管理框架

2019-11-03 09:04:43

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供稿：網友

蔣純波1,2，錢國良２，徐大雄1
1．北京郵電大學電子工程學院
2.中國普天信息技術研究院

　　摘要：RAN的全ip化是UMTS實現全IP架構過程的一部分。在RAN中，最重要的功能之一就是移動性管理。原有的基于ATM的移動性管理技術在全IP的RAN架構中并不適用。在分析全IP的RAN架構中對移動性管理的新的要求基礎上，提出了結合MPLS技術和移動IP技術來解決移動性管理的新的開放的應用架構，并且描述了在這種應用架構下移動IP的協議過程；簡要分析了這種應用架構帶來的好處，提出還需要改進的地方和實現的技術難點。

　　關鍵詞：移動IP；IP-RAN；MPLS；LSP

一、引言

　　從GPRS過渡而來的UMTS系統將系統分為2個部分：無線接入網路（RAN）部分和核心網部分。傳統的RAN的底層承載采用ATM技術。但是，整個UMTS體系有向全IP方向發展的趨勢，RAN的全IP化過程也是其中的一部分。

　　在RAN中，最為重要的功能之一是移動性管理。傳統的移動性管理技術是基于ATM技術來實現，其基本過程為：

(1)如果UE（用戶設備）在同一個RNC的不同NODE B之間移動，RNC控制舊NODE B釋放原有無線鏈路，同時控制當前NODE B建立新的無線鏈路。RNC將切換期間的數據緩存，導入到新的無線鏈路中傳送給UE，達到無損的鏈路切換；

　　(2)如果UE在不同的RNC的不同NODE B之間移動，由當前RNC負責控制當前NODE B建立新的無線鏈路，原RNC負責控制舊的NODE B拆除原有無線鏈路。原RNC將切換期間的數據通過Iur接口傳送到當前RNC中，再由當前RNC傳送給UE，達到無損的鏈路切換。

　　由此可見，Iur和Iub是解決UE的移動性管理的重要的接口，而且這種移動性管理是通過鏈路的無損切換（通過復雜的信令保證）達到的，所以也稱為第二層移動性管理技術。

　　當RAN過渡到全IP的架構時，如果仍然采用第二層的移動性管理技術就需要將傳統移動性管理的相關信令從基于ATM的信令改為基于IP的信令，同時要采取復雜的協議確保信令傳輸的可靠性與實時性，這樣會使得移動性管理的架構變得很復雜，而且信令的開銷很大。另一方面，由于在未來的UMTS全IP結構中，接入網部分不光是WCDMA接入網，而且還可能是WLAN等其他無線接入網絡［２］。原有的第二層移動性管理并不能解決不同接入技術的網絡之間的互通性問題，也就是說，多模UE從其他網絡移動到RAN中時，會導致通信的中斷。

　　移動IP［６］是一種新的解決主機移動性計算的技術。它是在簡單IP的網絡層增加路由策略，以較小的信令開銷解決移動性問題，而且由于它屏蔽了底層網絡的異質性，這就增加了與其他接入網絡的互通能力。因此采用移動IP來解決RAN中的移動性管理是一個很好的想法。但是，在傳統的移動IP結構中，當UE移動時，需要重新向家鄉代理和通信節點（CN）進行注冊。如果訪問網絡距離家鄉網絡較遠，而且鏈路狀況不好時，需要很長的時間完成重新注冊過程；在相鄰的外地網絡之間移動時，則需要較長時間完成轉交過程。此外，傳統的移動IP并沒有安全方面的措施。這對電信級的服務來說是不能容忍的。因此，移動IP不適合直接應用于RAN中。

　　目前有研究機構提出了對移動IP的改進措施，通過分層外地代理結構和快速轉交過程［７］來解決訪問網絡較遠時的注冊問題和UE在相鄰外地網絡之間移動時的快速、可靠的轉交問題。但是，這些應用方案依然達不到通信的電信級服務要求。

　　在3GPP的R5架構中［３］，建議采用MPLS來架構RAN，這也是符合UMTS全IP化的要求。該結構中，充分利用了MPLS技術能夠提供一定的通信的QoS的特點，來傳輸NODE B和對應的RNC之間的信令和用戶數據。但是，其中的移動性管理依然采用的是基于鏈路層的技術。

　　本文在R5標準的RAN架構的基礎上，提出了結合MPLS和經過優化的移動IP技術來解決其中的移動性問題的方案，用來替代傳統的基于第二層的移動性管理技術。這里主要是對移動IP的應用架構進行研究，具體的信令格式不在本文研究范圍內。

二、應用移動IP的基于MPLS的RAN架構

　　利用MPLS技術構造一個RAN的框架結構如圖1所示。

　　在邏輯上，RNC1管理NODE B1和NODE B2，RNC2管理NODE B3。

　　在該架構中，NODE B作為LER（標簽邊緣路由器），RNC和中間路由器作為LSR（標簽交換路由器），另外設置一個網關路由器作為LER。當然，也可以在幾個RNC中推選出一個RNC作為網關路由器，所有域內的RNC通過該網關路由器與核心網SGSN相連接。各個RNC之間是直接連接的，它們之間的通信不通過網關路由器。

　　在該架構中，我們采用分層的移動IP應用框架。RAN中各個網絡實體充當的功能是：NODE B作為最低一級的FA（也稱為本地外地代理）；RNC作為二級FA；網關路由器作為最高級FA（簡稱FAG）。

三、MPLS協議配置

　　在MPLS域中配置LSP（標簽交換路徑）可以有2種方式：靜態方式和動態方式。因為在RAN中，NODE B和RNC、RNC和RNC之間是邏輯上關聯的［１］。為了簡化LSP的配置開銷，我們采用靜態配置的LSP通道來連接NODE B和RNC、RNC和RNC。根據具體的通信的需要，本文提供了２種可選的配置模式：基本配置模式和增強配置模式。

　　1．基本配置模式

　　因為LSP本身是單向通道，同時也是適應了IP業務的非對稱性的特點，所以我們在任意兩點之間需要配置一對LSP通道（上行和下行）。又因為RAN中的信令和數據要求的QoS不一樣，所以這里對信令和數據建立各自的LSP通道。考慮到NODE B和RNC之間的Iub接口，RNC和FAG之間的Iu接口，RNC和RNC之間的Iur接口中的信令是不同的，所以我們將信令通道分段實現，這樣可以增加RAN中信令的靈活性,而數據通道是直接連接FAG和每一個NODE B（其中經過相應的RNC）。具體的信令通道和數據通道的配置如表1和表2所描述。

　　2.增強配置模式

　　在UMTS中，用戶的服務質量(QoS)是在用戶PDP上下文激活過程中確定的［４］。UMTS將用戶要求的QoS分為4類：會話類別、流類別、交互類別、背景類別。每個類別服務的QoS參數是不一樣的：時延的敏感性、時延抖動的敏感性、丟報率的要求等等［５］。所以需要對這四類的服務分別對待。

　　增強配置模式是在基本配置模式的基礎上加以改進：信令通道的LSP配置保持不變，每個NODE B和FAG之間的上行的數據通道由一條改為4條，分別對應４類不同的服務質量（包括帶寬的預留、處理優先級等）。下行LSP通道也相應地改為４條。

　　無論在基本配置模式還是增強配置模式中，所有在同一個NODE B中的UE共享上行數據通道和下行數據通道。下面，基于基本配置模式來描述改進的移動IP的協議流程。

四、移動IP的協議流程

　　這里只是描述RAN中的有關移動IP的協議流程，而UE的其他信令流程，如PDP上下文激活過程的相關信令仍然走以上的LSP信令通道，具體不在本文研究范圍內。

　　假設每個NODE B必須知道域中的FAG的地址。在NODE B的定時路由器廣播中，NODE B會通知UE該域中FAG的地址信息和NODE B本身的地址信息。FAG地址的作用用來充當UE的COA（臨時轉交地址）。

　　下面我們從信令過程和數據傳送過程對移動IP在IP-RAN中的應用作一個詳細的描述。

　　1.移動IP的信令過程

　　在移動IP中，最為關鍵的信令過程有2個，一個是注冊過程，另一個是轉交過程。下面的信令過程中包含這兩個方面。

　　(1)UE從外部進入NODE B1(2,3)范圍

　　UE從接收到的NODE B1發送的路由器廣播信息中知道NODE B1的地址信息，發現是進入異地網絡，并且從該路由器廣播信息中獲得FAG地址。UE會發送注冊請求信息給NODE B1(注冊信息請求中，包含有UE的靜態家鄉地址，如10.1.1.1，并將FAG地址作為COA)，NODE B1接收到注冊請求信息后，將UE家鄉IP地址和對應的無線信道綁定，形成轉發路由表，如表3所示。

　　然后將注冊請求信息加上NODE B1的地址通過S-LSP5信令通道中傳送到RNC1中，RNC1檢查該注冊請求信息，發現在路由表沒有有關UE的綁定信息，則認為UE是從外部進入RNC1范圍的。RNC1修改轉發路由表，添加UE的綁定。具體路由表參見表4所示(1'是LSP1在該路由器的入口標簽，非實際的標簽值,下同)。

　　RNC1將注冊請求信息再加上RNC1的地址通過S-LSP1信令通道送給FAG，FAG檢查轉發路由表中沒有UE相關綁定,認為是UE從外部網絡進入RAN中。FAG將注冊請求信息后發送給家鄉代理,當家鄉代理將注冊響應信息送給FAG后，FAG將該響應信息放入S-LSP2信令通道中送給RNC1。同時，FAG在轉發路由表中添加對UE的綁定。FAG的路由表如表5所示。

　　RNC1通過S-LSP6將注冊響應信息送給NODE B1，NODE B1最后將該信息通過無線信道送給UE。注冊過程完成。

　　如果FAG收到家鄉代理的注冊拒絕信息，則通知RNC1和NODE B1刪除關于UE的綁定信息。NODE B1通知UE注冊被拒絕，然后NODE B1釋放相應的無線鏈路。

　　(2) UE從NODE B1范圍移動到NODE B2范圍

　　UE從接收到的NODE B2發送的路由器廣播信息中判斷出已經進入一個異地網絡。UE發送注冊請求信息給當前NODE B2,NODE B2在轉發路由表中添加對UE的綁定，轉發路由表與NODE B1的形式相同（具體略）。同時NODE B2將注冊請求信息通過信令通道S-LSP7中送給RNC1,RNC1發現有關UE以前的綁定信息（UE和LSP1,2的綁定，參見表4）。于是，RNC1代替家鄉地址產生一個注冊響應信息，并通過S-LSP8傳給NODE B2，同時更新自己的路由表項，將UE重新綁定到LSP3、4中，NODE B2通過無線信道將注冊響應信息送給UE。同時RNC1通過S-LSP6通知NODE B1刪除關于UE的綁定，釋放相關的無線鏈路。并且通過S-LSP1通知FAG修改相應的路由信息， FAG在轉發路由表中將UE綁定到LSP4上。

　　這樣對于UE的家鄉代理和CN來說，UE沒有移動。

　　(3) UE從NODE B1范圍移動到NODE B3范圍

　　UE從接收到的NODE B3發送的路由器廣播信息中判斷出已經進入一個異地網絡。UE發送注冊請求信息給當前NODE B3，NODE B3在轉發路由表中添加對UE的綁定，轉發路由表與NODE B1的形式相同（具體略）。同時NODE B3將注冊請求信息添加自己的地址后放在信令通道S-LSP9中送給RNC2，RNC2發現沒有有關UE以前的綁定信息。所以認為UE是從外地進入RNC2，RNC2將自己的地址添加到注冊請求信息中通過信令通道S-LSP3送給FAG。同時在RNC2的轉發路由表中添加對UE和LSP5、6通道的綁定（同RNC1的綁定形式，具體略）。FAG發現在轉發路由表中有UE以前的綁定信息（UE綁定LSP2,參見表5）。FAG產生注冊響應信息，通過信令通道S-LSP4通道送給RNC2，RNC2通過信令通道S-LSP10送給NODE B3，NODE B3通過無線信道將注冊響應信息送給UE。同時，FAG在轉發路由表中將UE綁定到LSP6上，通過信令通道S-LSP2通知RNC1刪除關于UE的綁定。并且RNC1通過信令通道S-LSP6通知NODE B1刪除關于UE 的綁定，釋放相關的無線鏈路。注冊過程完成。而對于UE的家鄉代理和CN來說，UE沒有移動。

　　2.移動IP數據傳輸過程

　　在移動IP中，有2個數據傳送過程：一個是注冊完成以后CN和UE之間的通信過程；另外一個是在轉交過程中為了減少數據丟失的數據處理過程。下面就這兩個問題分開說明。

　　(1) CN和UE的通信過程

　　因為UE向家鄉代理注冊的COA是FAG的地址，當UE在RAN域內移動時，外部網絡認為UE是靜止的。數據會按照移動IP的原理流動：CN發給UE的數據會首先被路由到UE的家鄉代理處，家鄉代理將UE的數據通過隧道傳至UE所在RAN域的FAG處。FAG從隧道中取出原始數據，然后按照FAG轉發路由表中的信息為數據包打上標簽放在合適的LSP中傳送到相應的NODE B處，NODE B除去標簽，按照自己的轉發路由表將數據通過相應的無線信道送給UE。而UE發送給CN的數據首先送到NODE B處，NODE B根據轉發路由表，為數據貼上適當標簽放入相應的LSP中傳送到FAG處，FAG處剝離標簽按照外部網絡的路由策略送到CN處。

　　(2) 轉交時的數據流程：

　　這里的轉交過程指UE在同一個FA域內的不同的本地FA（NODE B）之間移動時的數據轉交問題。關于域外的數據轉交不在本文的研究范圍內，可以參考IETF的相關轉交策略。

　　1)UE從NODE B1范圍移動到NODE B2范圍: UE移動過程中，LSP1、2的數據在RNC1處會被緩存，當FAG通知RNC1刪除UE的綁定時，RNC1將緩存LSP1、2上的數據重新融合到新的LSP通道LSP3、4上(具體是LSP1融合進LSP3，LSP2融合進LSP4)。

　　2)UE從NODE B1范圍移動到NODE B3范圍: UE移動過程中，RNC1會緩存UE的數據（LSP1、2），當FAG通知RNC1刪除原先關于UE的綁定的時候，RNC1通過LSP7通道（LSP7通道是在原有的標簽上添加新的標簽，也就是標簽棧［８］的形式）將緩存的數據傳送給RNC2，RNC2接收數據后除去LSP7的標簽，分析如果是LSP1的數據則融合進LSP5，是LSP2的數據則融合進LSP6。轉交完成以后，進入正常的CN和UE通信的數據流程狀態。五、對以上應用框架的改進

　　以上的移動IP應用框架基于了很多的假設，而且也沒有對于一些特殊的移動過程做具體的優化。但是在這種框架下，移動IP的優化在架構上不需要太大的改動。下面有3個具體優化的例子。

　　(１) 路由優化策略

　　當UE接收到CN的數據后，讓UE發起對CN的注冊過程。具體的信令過程和UE向家鄉代理的注冊過程是一樣的。注冊完成以后，CN發給UE的數據包，會直接發送到FAG，而無須通過家鄉代理的中轉。

　　(２) UE移動的確定

　　UE在NODE B和NODE B之間移動時，往往可以接受到多個NODE B發出的路由廣播信息，決定使用哪個NODE B的路由廣播信息可以根據底層的信號強弱，采用一個復雜的算法來決定［１０］。

　?。ǎ? 消除乒乓效應

　　因為UE可能在相鄰的NODE B之間來回切換（也就是乒乓效應），為了進一步減少切換的時延和帶來的網絡開銷，我們可以在FAG的轉發路由表處同時綁定多個相鄰NODE B的數據LSP通道，幾份相同數據被FAG復制并且送到這幾個NODE B處。

六、該移動IP架構的特點

　　采用這種移動IP的應用架構有以下的一些優點：

　　(1)采用分三層的移動IP結構，當UE在域中不同NODE B之間移動時，移動IP的信令過程全部在本地完成，使得UE的轉交速度變得很快，一定程度上滿足移動通信的要求；

　　(2)采用FAG的地址作為UE的COA，可以減少UE對家鄉代理和CN的注冊，在外部網絡看來，UE在域內的移動性是不可見的；

　　(3)采用MPLS的LSP通道可以提供移動IP信令和數據傳送的QoS，提高移動IP的性能；

　　(4)由于移動IP只是在簡單IP的網絡層上增加路由策略,采用移動IP可以使得RAN中解決移動性管理問題的信令部分變得較簡單，而且所有設備可以在普通路由器平臺很容易實現,可以大大減少設備的成本；

　　(5)因為移動IP屏蔽了底層網絡的異質性，所以應用移動IP技術可以使基于WCDMA的RAN和WLAN等其他接入網絡之間的互通性變得更加容易；　　(6)在這個應用框架下，對移動IP的任何改進都會變得很容易，而且無需對框架進行太多的改動。

七、總結

　　全IP的RAN是UMTS的全IP架構的一部分。在RAN中最重要的功能之一就是移動性管理。而在全IP架構中，傳統的移動性管理因為在信令的復雜性和對新技術的互通性支持不足，要求我們必須考慮采用新的技術。

　　因為移動IP屏蔽了底層鏈路的異質性，因而可以解決互通性問題，而且移動IP只是在傳統IP上實現新的路由策略，相比較網絡開銷較小。本文應用分層的移動IP技術結合MPLS技術提出了解決RAN中移動性管理的一個新方案。

　　在該應用中，分層的移動IP減少了UE注冊次數，提高轉交過程的速度。而且，MPLS為移動IP提供一個有QoS保障的傳輸通道。采用靜態方式配置LSP通道減少了在配置LSP中的開銷。上面提到的LSP配置中，并沒有提到LSP容錯問題。在實際應用中，可以采用1:1的冗余配置保證LSP的可靠性［８］。

　　因為上面的關于移動IP和MPLS的技術都是假設其已經成熟，而且已經很好地得到廠家的支持。實際上，目前這兩項技術仍處于研究階段。而且，RAN的全IP架構本身還有很多問題。接下來我們將研究RAN的全IP架構的改進，及在其中應用移動IPv6，提高移動IP的效率和可靠性、安全性。

參考文獻

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摘自　電訊技術

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