第三代移動多媒體網絡中的無縫切換

2019-11-05 02:26:01

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　　1.引言
　　在未來網絡結構中，移動網絡是一系列具有各自特性而又相互疊加的層組成。衛星、宏小區、微小區及微微小區各自覆蓋了不同的地理區域。并且支持不同速率的移動終端。有些層屬于私有操作，有些層屬于公有操作。微微小區的速率超過25Mbps。覆蓋范圍為建筑物區域；微小區最大可達到2Mbps，覆蓋密集的城鎮區域；宏小區速率為幾百kbps，覆蓋的區域比較廣；衛星為移動終端提供的速率達到144Kbps以上，覆蓋整個大陸。
　　
　　傳統的通信設備只能連接到單一類型的網絡?；陉懙赝ㄐ牛ó斍坝秒娎|、光纖、銅纜形成的龐大繁雜的通信網和因特網）的全球互連網絡為固定系統提供了通信鏈路。而固定網絡和移動網絡之間采用的網關、如GSM，把這種全球的互連關系擴展到移動終端。如：終端標識、注冊授權、終端的移動性治理、終端漫游時的業務重選路由治理。其中重選路由機制又被稱為切換，它是移動網絡結構的要害部分。
　　
　　應用多制式手機的思想已經被全球移動通信系統（UMTS）所接受。當前提供的方案是利用GSM提供大范圍的覆蓋區域，用WCDMA的宏小區和微小區提供比較高的寬帶區域作為補充。在UMTS中建議的網絡中將支持GSM和WCDMA層間的切換。
　　
　　在不同網絡類型間快速、數據無丟失的切換是創建無縫移動多媒體網絡面臨的要害課題之一。
　　
　　2.基本概念
　　網絡是由一些相互連接的成員組成。因特網是由一系列相互連接的網絡和子網組成。每個子網有一個網絡地址作為標識，用以和其它子網相區別。
　　
　　一系列相互連接的主機節點組成子網。每個節點采用在子網中唯一的地址（節點號）作為標識。網絡號和節點號一起作為因特網中節點的唯一標識。既然節點是靜態的，因此這種唯一的標識用于節點的永久地址。
　　
　　子網之間通過路由器相互連接。為了使路由器正確工作，由一個統一的授權機構來治理和分配子網地址。這個統一的授權機構一個重要的治理原則是不答應出現重復地址。在因特網中的數據包，在消息頭中附帶有源和目的地址。路由器檢測到達輸入端的數據包中的目的子網地址，然后判定一條輸出作為數據包到達目的地的下一條路由。通常在給定的源和目的節點之間有多條路由。路由表設計用來使路由器選擇數據到達終點的下一條路徑。因此節點的網絡號被路由器用來確定因特網中的子網地址，節點號用來標識子網中的節點。
　　
　　而當節點在因特網中移動時，節點的永久地址就不能標識到達這個節點的路徑。借用移動網絡中的概念，移動主機（MH）通過網絡連接點（NPOA）連接到因特網。移動節點的永久地址保持不變，而NPOA隨著節點從一個子網移動到另一個子網發生改變，這就要求移動主機的路由信息必須維護永久地址和NPOA之間的關系。
　　
　　以上這些概念同樣也可用于其它網絡。例如電路交換網（如電話和ATM網），交換代替了路由器的角色，電路標識代替了源和目的地地址。
　　
　　3.基本切換類型
　　當ip網支持移動業務時，就會面臨業務切換帶來一系列問題，下面從水平切換和垂直切換這兩方面來討論。
　　
　　在電路交換網中，切換過程描述為端到端通信的移動設備從一個基站轉移到另一個基站?；緸橐苿咏K端提供了網絡接入點（NPOA）。在網絡中，路由的更新是為了從一個已經失敗、擁塞或修改了拓撲結構的網絡中恢復過來。通過使用NPOA，切換的一個功能是跟蹤移動終端，而后續路由的更新將業務重定向到另一個更合適的路由。
　　
　　由于網絡具有不同的層次結構，因此我們把在同一網絡中路由的更新稱為“水平切換”；不同網絡中路由的更新稱之為“垂直切換”。這樣使切換和路由更新這兩個概念一致化。
　　
　　延遲和數據丟失是無縫切換兩個很要害的因素。水平切換通常發生在移動設備在兩個或更多小區間漫游。當切換發生同一網絡中相鄰的小區間時，可以保證低延遲。在一些非凡的環境，比如，微微小區間的高傳輸速率或移動設備的高密集區，水平切換可以滿足數據包無丟失的要求。
　　
　　一般來講傳輸速率高的網絡覆蓋區域比傳輸速率低的網絡覆蓋區域要小。因此垂直切換到一個傳輸速率高的網絡，可以保證數據包不丟失，比如：從微小區切換到微微小區。前提是對于移動設備來講均或使用這兩個網絡，假如傳輸速率高的網絡層發生擁塞，切換就不可能發生，數據包也就不會丟失。
　　
　　假如當前的網絡變為不可用，比如用戶漫游出了宏小區覆蓋的范圍，移動終端無論是否同時接入這兩個網絡都會發生垂直切換。當網絡連接暫時中斷，或新的網絡層的傳輸速率比以前網絡層的傳輸速率低。此時數據包就會丟失。
　　
　　在不同網絡層之間發生切換時，還會導致網絡對移動終端提供服務質量發生改變。例如：從無線LAN（2Mbps）切換到GSM（9.6kbps）。有兩種方案支持帶寬的變化。第一，基于移動終端的業務支持不同的服務質量。這種方法的缺點是：移動終端不能支持“標準”的業務。第二種方法，利用網絡代理或包過濾器支持同一網絡的終端使用的“標準”業務。
　　
　　3.1垂直切換技術在IP網中的應用
　　
　　在數據網中，支持移動性的一般方法是使用交換器或路由器維護移動設備的永久地址和NPOA之間的關系。IP網絡都采用了這種方法。
　　
　　在非移動的IP網中，網絡中的節點是固定的。IP地址唯一地標識了節點以及所連接的子網。依據目的地址數據包被發送到相應的IP子網中。若節點是一個可移動的主機，當它漫游到一個新的子網時，此時IP地址以及和節點相關的舊子網和已存在的路由關系被打破，因此仍然按照以前的路由連接就不能使數據包發送到新的NPOA。
　　
　　在移動IP網中采用的基本方案是擴展IP的協議，答應透明編址的IP包傳送到移動主機（MH）。MH連接到家鄉網絡（HA）時，當MH漫游到另一個網絡時，它就需要一個轉交地址（COA），以標識MH當前連接到因特網中的地址。COA可以是外地代理的地址在本地的村識，或者是MH獲得的當前連接的地址（例如：利用DHCP）。COA要向MH的家鄉網絡的家鄉代理（HA）注冊。
　　
　　在移動IP中使用的不對稱的路由機制（又稱為“三角路由”）。從MH到通信主機（CH）的路由是直達的，而從CH到MH的數據包在MH的家鄉網中被HA攔截（依據MH的IP地址標識的子網）。HA利用COA把數據包向前傳遞到MH。所以，數據包傳送的路徑明顯比最佳路徑長。
　　
　　現行IP網的協議為IPV4，IPV4受到了地址范圍的制約。正在開發的IPV6克服了這些限制。這兩個版本均支持IP網的移動性，而且，IPV6支持路由優化。
　　
　　IPV6支持的路由優化表面在所有節點（固定或移動）都保存連接關系表，用來緩存移動節點間的連接關系。這種連接關系實際上表示了家鄉地址和COA之間的連接關系。當把數據包發送到IPV6的目的地，節點檢查緩存的連接關系表，確定數據包的目的地址。若能在關系表中找到，節點直接把數據包送到關系表中的COA地址。當MH漫游到另一個網絡時，MH必須把新的COA發送到相關的通信主機。采用緩存連接關系表，數據包可以直接傳送而不再經過HA，這樣使得路由更新更有效率。
　　
　　3.2水平切換技術在IP網中的應用
　　
　　在IP網絡中支持水平切換的主要技術有兩種：IP多播和ARP切換。
　　
　　IP多播：IPV4有三種類型的地址：單一傳送，廣播和多播。單一傳送地址用于把數據包傳送到單一目的地。廣播地址用于把數據包傳送到整個網絡。多播地址用于把數據包傳送到一組主機，這些主機被配置成多播組的成員，并且可以跨越不同的網絡。
　　
　　多播主要是應用于因特網，如：視頻會議。相同的信息發送到不同的主機。有了多播地址，相同的信息可以由服務器復制，再發送到每個主機。利用多播地址，服務器只須發送出一個數據包，多播路由器組成了一張多播組的分配樹，數據包依據此分配樹向前傳送直到下一個多播路由器；當分配樹發生分裂時，路由器自動復制數據包。
　　
　　多播同樣也被用于DAEDALUS工程，用以支持無線LAN小區間的切換。在這個項目中，移動IP為移動提供一個單一的連接點，而COA是一個不會改變的多播地址。
　　
　　當前的移動基站和幾個環繞的基站代表移動中的多播組。它們都接收移動終端的數據包，并且緩存這些數據包，但只有當前的一個基站把數據包傳送到移動終端。
　　
　　移動終端通過測量接收到的四周基站的發出的信號強弱，預言到切換的發生。當移動終端發起一次切換，它把消息發送到原來的和新的基站，并且由后者開始把數據包傳送到數據終端。
　　
　　多播由于本身提供了快速路由更新的機制，因此它的優點是路由更新消息不用再發到家鄉代理（HA）。它的其中一個缺點是多播地址的目的是將數據包傳送到不同網絡的移動終端。而在此例中一個移動終端只具有一個多播地址。
　　
　　ARP切換：ARP是應用于同一個子網中的地下解析協議。把一個節點的IP地址映射成相應的硬件地址（MAC地址）。硬件地址用于傳送數據包。
　　
　　在IP網絡中，當數據包到達網絡層，路由器發送一個ARP請求，找出數據包中地址所指設備的物理地址。ARP的應答不一定來自目的點本身，也可以來自知道如何把業務發送到目的地的網絡代理。
　　
　　在移動通信中，基站在小區內為MH充當ARP代理，并且由它把數據包發送給MH。通過無線鏈路，基站發送包含了自身地址的信號，并且緩存最新發往MH的數據包。
　　
　　當MH從一個基站收到的信號比當前的基站發送的信號強時，MH就發起切換，切換過程如下：
　　
　　1）MH發送了一條問候消息到新的基站，消息包含MH的地址和原先基站的地址。
　　
　　2）新基站為MH建立一個路由入口，并用一條問候證實消息進行響應。
　　
　　3）新基站通過有線鏈路發送一條帶有新基站地址的通知消息到原先基站。
　　
　　4）原先的基站刪除MH的入口，并且用通過證實消息把

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