移动多媒体网络中的无缝切换

张晖　华中科技大学电信系
　　摘要：第三代移动通信面临的一个重要的挑战就是要无缝集成固定和移动网络中的多媒体业务。对于移动用户来讲，网络支持的业务有图像、多媒体、数据以及不同服务级别的话音业务。为了满足以上业务需求，3G系统必须具有丰富的性能。如今普遍采用ATM技术的同质网络虽然支持很多用户，但此种网络结构不可能成为最终的解决方案（至少从学术界、网络设备制造商的观点来看）。而以太网家族中高速设备的快速发展，已经部分代替了ATM。同时基于因特网业务的爆炸性增长，已经确保IP仍将成为下一代系统网络层协议。本文讨论了IP网因支持移动业务而产生的问题，以及对切换技术进行的分析。

　　关键词：第三代通信、IP网、无缝切换

　　1.引言

　　在未来网络结构中，移动网络是一系列具有各自特性而又相互叠加的层组成。卫星、宏小区、微小区及微微小区各自覆盖了不同的地理区域。并且支持不同速率的移动终端。有些层属于私有操作，有些层属于公有操作。微微小区的速率超过25Mbps。覆盖范围为建筑物区域；微小区最大可达到2Mbps，覆盖密集的城镇区域；宏小区速率为几百kbps，覆盖的区域比较广；卫星为移动终端提供的速率达到144Kbps以上，覆盖整个大陆。

　　传统的通信设备只能连接到单一类型的网络。基于陆地通信（当前用电缆、光纤、铜缆形成的庞大繁杂的通信网和因特网）的全球互连网络为固定系统提供了通信链路。而固定网络和移动网络之间采用的网关、如GSM，把这种全球的互连关系扩展到移动终端。如：终端标识、注册授权、终端的移动性管理、终端漫游时的业务重选路由管理。其中重选路由机制又被称为切换，它是移动网络结构的关键部分。

　　应用多制式手机的思想已经被全球移动通信系统（UMTS）所接受。当前提供的方案是利用GSM提供大范围的覆盖区域，用WCDMA的宏小区和微小区提供比较高的宽带区域作为补充。在UMTS中建议的网络中将支持GSM和WCDMA层间的切换。

　　在不同网络类型间快速、数据无丢失的切换是创建无缝移动多媒体网络面临的关键课题之一。

　　2.基本概念

　　网络是由一些相互连接的成员组成。因特网是由一系列相互连接的网络和子网组成。每个子网有一个网络地址作为标识，用以和其它子网相区别。

　　一系列相互连接的主机节点组成子网。每个节点采用在子网中唯一的地址（节点号）作为标识。网络号和节点号一起作为因特网中节点的唯一标识。既然节点是静态的，因此这种唯一的标识用于节点的永久地址。

　　子网之间通过路由器相互连接。为了使路由器正确工作，由一个统一的授权机构来管理和分配子网地址。这个统一的授权机构一个重要的管理原则是不允许出现重复地址。在因特网中的数据包，在消息头中附带有源和目的地址。路由器检测到达输入端的数据包中的目的子网地址，然后判定一条输出作为数据包到达目的地的下一条路由。通常在给定的源和目的节点之间有多条路由。路由表设计用来使路由器选择数据到达终点的下一条路径。因此节点的网络号被路由器用来确定因特网中的子网地址，节点号用来标识子网中的节点。

　　而当节点在因特网中移动时，节点的永久地址就不能标识到达这个节点的路径。借用移动网络中的概念，移动主机（MH）通过网络连接点（NPOA）连接到因特网。移动节点的永久地址保持不变，而NPOA随着节点从一个子网移动到另一个子网发生改变，这就要求移动主机的路由信息必须维护永久地址和NPOA之间的关系。

　　以上这些概念同样也可用于其它网络。例如电路交换网（如电话和ATM网），交换代替了路由器的角色，电路标识代替了源和目的地地址。

　　3.基本切换类型

　　当IP网支持移动业务时，就会面临业务切换带来一系列问题，下面从水平切换和垂直切换这两方面来讨论。

　　在电路交换网中，切换过程描述为端到端通信的移动设备从一个基站转移到另一个基站。基站为移动终端提供了网络接入点（NPOA）。在网络中，路由的更新是为了从一个已经失败、拥塞或修改了拓扑结构的网络中恢复过来。通过使用NPOA，切换的一个功能是跟踪移动终端，而后续路由的更新将业务重定向到另一个更合适的路由。

　　由于网络具有不同的层次结构，因此我们把在同一网络中路由的更新称为“水平切换”；不同网络中路由的更新称之为“垂直切换”。这样使切换和路由更新这两个概念一致化。

　　延迟和数据丢失是无缝切换两个很关键的因素。水平切换通常发生在移动设备在两个或更多小区间漫游。当切换发生同一网络中相邻的小区间时，可以保证低延迟。在一些特殊的环境，比如，微微小区间的高传输速率或移动设备的高密集区，水平切换可以满足数据包无丢失的要求。

　　一般来讲传输速率高的网络覆盖区域比传输速率低的网络覆盖区域要小。因此垂直切换到一个传输速率高的网络，可以保证数据包不丢失，比如：从微小区切换到微微小区。前提是对于移动设备来讲均或使用这两个网络，如果传输速率高的网络层发生拥塞，切换就不可能发生，数据包也就不会丢失。

　　如果当前的网络变为不可用，比如用户漫游出了宏小区覆盖的范围，移动终端无论是否同时接入这两个网络都会发生垂直切换。当网络连接暂时中断，或新的网络层的传输速率比以前网络层的传输速率低。此时数据包就会丢失。

　　在不同网络层之间发生切换时，还会导致网络对移动终端提供服务质量发生改变。例如：从无线LAN（2Mbps）切换到GSM（9.6kbps）。有两种方案支持带宽的变化。第一，基于移动终端的业务支持不同的服务质量。这种方法的缺点是：移动终端不能支持“标准”的业务。第二种方法，利用网络代理或包过滤器支持同一网络的终端使用的“标准”业务。

　　3.1垂直切换技术在IP网中的应用

　　在数据网中，支持移动性的一般方法是使用交换器或路由器维护移动设备的永久地址和NPOA之间的关系。IP网络都采用了这种方法。

　　在非移动的IP网中，网络中的节点是固定的。IP地址唯一地标识了节点以及所连接的子网。依据目的地址数据包被发送到相应的IP子网中。若节点是一个可移动的主机，当它漫游到一个新的子网时，此时IP地址以及和节点相关的旧子网和已存在的路由关系被打破，因此仍然按照以前的路由连接就不能使数据包发送到新的NPOA。

　　在移动IP网中采用的基本方案是扩展IP的协议，允许透明编址的IP包传送到移动主机（MH）。MH连接到家乡网络（HA）时，当MH漫游到另一个网络时，它就需要一个转交地址（COA），以标识MH当前连接到因特网中的地址。COA可以是外地代理的地址在本地的村识，或者是MH获得的当前连接的地址（例如：利用DHCP）。COA要向MH的家乡网络的家乡代理（HA）注册。

　　在移动IP中使用的不对称的路由机制（又称为“三角路由”）。从MH到通信主机（CH）的路由是直达的，而从CH到MH的数据包在MH的家乡网中被HA拦截（依据MH的IP地址标识的子网）。HA利用COA把数据包向前传递到MH。所以，数据包传送的路径明显比最佳路径长。

　　现行IP网的协议为IPV4，IPV4受到了地址范围的制约。正在开发的IPV6克服了这些限制。这两个版本均支持IP网的移动性，而且，IPV6支持路由优化。

　　IPV6支持的路由优化表面在所有节点（固定或移动）都保存连接关系表，用来缓存移动节点间的连接关系。这种连接关系实际上表示了家乡地址和COA之间的连接关系。当把数据包发送到IPV6的目的地，节点检查缓存的连接关系表，确定数据包的目的地址。若能在关系表中找到，节点直接把数据包送到关系表中的COA地址。当MH漫游到另一个网络时，MH必须把新的COA发送到相关的通信主机。采用缓存连接关系表，数据包可以直接传送而不再经过HA，这样使得路由更新更有效率。

　　3.2水平切换技术在IP网中的应用

　　在IP网络中支持水平切换的主要技术有两种：IP多播和ARP切换。

　　IP多播：IPV4有三种类型的地址：单一传送，广播和多播。单一传送地址用于把数据包传送到单一目的地。广播地址用于把数据包传送到整个网络。多播地址用于把数据包传送到一组主机，这些主机被配置成多播组的成员，并且可以跨越不同的网络。

　　多播主要是应用于因特网，如：视频会议。相同的信息发送到不同的主机。有了多播地址，相同的信息可以由服务器复制，再发送到每个主机。利用多播地址，服务器只须发送出一个数据包，多播路由器组成了一张多播组的分配树，数据包依据此分配树向前传送直到下一个多播路由器；当分配树发生分裂时，路由器自动复制数据包。

　　多播同样也被用于DAEDALUS工程，用以支持无线LAN小区间的切换。在这个项目中，移动IP为移动提供一个单一的连接点，而COA是一个不会改变的多播地址。

　　当前的移动基站和几个环绕的基站代表移动中的多播组。它们都接收移动终端的数据包，并且缓存这些数据包，但只有当前的一个基站把数据包传送到移动终端。

　　移动终端通过测量接收到的附近基站的发出的信号强弱，预言到切换的发生。当移动终端发起一次切换，它把消息发送到原来的和新的基站，并且由后者开始把数据包传送到数据终端。

　　多播由于本身提供了快速路由更新的机制，因此它的优点是路由更新消息不用再发到家乡代理（HA）。它的其中一个缺点是多播地址的目的是将数据包传送到不同网络的移动终端。而在此例中一个移动终端只具有一个多播地址。

　　ARP切换：ARP是应用于同一个子网中的地下解析协议。把一个节点的IP地址映射成相应的硬件地址（MAC地址）。硬件地址用于传送数据包。

　　在IP网络中，当数据包到达网络层，路由器发送一个ARP请求，找出数据包中地址所指设备的物理地址。ARP的应答不一定来自目的点本身，也可以来自知道如何把业务发送到目的地的网络代理。

　　在移动通信中，基站在小区内为MH充当ARP代理，并且由它把数据包发送给MH。通过无线链路，基站发送包含了自身地址的信号，并且缓存最新发往MH的数据包。

　　当MH从一个基站收到的信号比当前的基站发送的信号强时，MH就发起切换，切换过程如下：

　　1）MH发送了一条问候消息到新的基站，消息包含MH的地址和原先基站的地址。

　　2）新基站为MH建立一个路由入口，并用一条问候证实消息进行响应。

　　3）新基站通过有线链路发送一条带有新基站地址的通知消息到原先基站。

　　4）原先的基站删除MH的入口，并且用通过证实消息把缓存在原先基站的数据包发到新基站。

　　5）新基站广播一条重定向的消息给相关的路由器和主机，更新它们的ARP缓存信息。

　　ARP切换要求在有限数据包丢失的情况下10ms内完成。这个要求和缓冲区的大小有关。由于ARP协议只能限制用于一个子网，因此这种切换技术只能用于同一子网内的基站间的切换。

　　4.结束语

　　本文对移动多媒体网络中的无缝切换技术进行了分析。移动终端的水平切换的切换速度比较快并且可以保证数据包无丢失，达到无缝切换的要求。在不同网络间的垂直切换，当切换发生在传输速率低的网络切换到传输速率高的网络时，切换速度比较快而且可以保证数据包无丢失。而在相反方向上的切换，就可能导致数据包的丢失。因此这就要求多媒体业务不但知道当前可用的数据服务级别，而且要求能够感知服务级别的改变，并能相应调整QOS，这样才可以保证发生切换时数据包不会丢失。

摘自《电子质量》2001.7