全IP移动通信网网络层移动性管理

张毓华　李方伟　丰勇
　　摘要：本文首先介绍了全IP移动通信网网络层移动性管理的概念、框架和最经典的Mobile IP协议，然后讨论了基于Mobile IP、HAWAII、TeleMIP和EMA四种主要扩展方案，最后结合第三代移动通信发展的实际状况得出了结论。

　　1　引言

　　目前的移动通信核心网还是基于电路交换7号信令系统的结构，这种结构已经与移动通信技术和业务的发展趋势不相适应。全IP移动通信网（All-IP Mobile Network）是因特网IP技术和移动通信技术迅速发展相结合的产物。第三代移动通信和第三代以后的移动通信网络都将向全IP移动通信网络的发展，这将是移动通信网络和因特网网络的一次重大变革。全IP移动通信网的基本概念是将各种无线接口标准和接入手段的数据信号通过IP网关连接到因特网网络。全IP移动通信网的业务是传统移动业务与传统因特网业务的结合与延伸，可以统称为无线因特网业务，其中主要部分是实时多媒体业务。

　　移动性管理是指移动通信网中用户移动所涉及的问题，它是移动通信网的核心问题。随着移动通信网转变为全IP网络，全IP移动通信网的移动性管理也将面临新的变革。全IP移动通信网移动性管理可以分类三个层次：空中接口（物理层）移动性管理、链路层移动性管理和网络层移动性。由于全IP移动通信网中从移动台到网关完全依赖于IP技术接入因特网，网络层移动性管理问题尤为关键。

　　2　全IP移动通信网的网络层　移动性管理

　　网络层以上IP的观点讨论移动性管理所涉及的实体和功能与传统的移动通信移动性管理有较大的区别。

　　一个简单的全IP移动通信网的网络层移动性模型中，网络层移动性管理可以分为两个层次：域内移动性管理和域间移动性管理。域内移动性又称微移动性（Mico-mobility），是指对于移动节点在同一个域中移动的管理；域间移动性又称宏移动性（Macro-mobility），是指对于移动节点在域和域之间移动的管理。

　　全IP移动通信网网络层移动性管理关心的问题有：

　　（1）切换（Handover）管理：切换管理指移动中节点在移动时接入点的改变所涉及的管理，从宏移动管理的角度看就是移动节点改变了接入的网络或子网，从微移动管理的角度看是移动节点改变了接入的基站。切换管理是移动性管理涉及的最主要的问题，衡量切换管理的指标主要有三方面：时延、丢包和路由更新。

　　（2）被动连通性（Passive Connectivity）和寻呼（Paging）：被动连通性指移动节点在激活状态下发射信标（Beacon），这是降低移动节点耗电量的最有效方法。然而为了激活时快速有效连接，移动节点必须不断地向网络发射信标报告自己目前的位置，这一工作在未激活状态下也必须进行。GSM网络按照地理区域划分为寻呼区（Paging Area），在未激活状态，移动终端仅在改变寻呼区时发送信标（寻呼区位置）；在激活时，网络再使用寻呼找到移动终端的准确位置进行连接。全IP移动通信网移动性管理应当支持被动连通性，并最好能够利用寻呼这种已有机制。

　　（3）其它问题：包括健壮性、可升级性、业务质量QoS（Quality of Service）支持、无线接入网的通信量管理、安全性和隐私保护等等。

　　基于Mobile IP的各种协议是目前所研究的实现全IP移动通信网网络层移动性管理主要方法。在文章的下面部分，我们讨论基于Mobile IP的四种主要协议实现全IP网络层移动性管理的方案。

　　3　Mobile IP

　　Mobile IP是一个因特网建议标准，它是解决IP网络中移动性管理的最早方案。因特网工程任务组IETF在IETF RFC2002中对Mobile IP有完整的描述。随着当前IPv4发展为IPv6,Moblie IP也将发展为Mobile IPv6。

　　Mobile IP的基本原理是让一个移动节点使用一对IP地址实现移动的功能。Mobile IP中的移动代理MA被称为外地代理FA（Foreign Agent）。移动节点连接到外地网络时，该移动节点将从该网络的外地代理获得一个在本次连接中有效地临时IP地址，该IP地址称为转交地址COA（Care-of -Address）。通过位置登记，移动节点将转交地址报告给归属代理HA(Home Agent)，归属代理由此获知移动节点当前的外地代理，然后就可以将数据包从隧道传送（re-tunnel）给移动节点。在数据包重定向和路由优化过程中，发往移动节点的数据包实际上首先路由到移动节点的归属网络，归属代理通过重新截取、封装后将其发往外地代理，然后发往移动节点。

　　利用Mobile IP可以实现全IP移动通信网域间（宏）移动性管理。然而Mobile IP在处理域内（微）移动性管理时存在一些缺陷，这些缺陷需要域内移动性管理协议作为Mobile IP的扩展来弥补。Mobile IP处理全IP移动通信网域内移动性管理的主要缺陷有：

　　（1）位置登记等待时间长，产生控制数据流量大

　　在Mobile IP中，移动性管理通过位置登记实现，这一处理过程在如今的Internet网络中将耗费较长时间。当移动节点在一个域内快速移动时，会频繁地进行位置登记，这种处理不但会因为时延大而完全不适用，而且登记算法产生的大量数据控制流量将可能造成网络拥塞。

　　（2）IP地址资源紧缺

　　Mobile IP的域需要大量的IP地址作为相关地址，现在的IPv4地址空间已快耗尽，而迅速发展的有线因特网业务也需要大量的IP地址，这就造成了IP地址资源紧缺的问题。虽然IPv6使用128bit的IP地址，是解决地址资源紧缺问题的有效方法，但是IPv6发展速度相对还较慢，而IPv4还将在今后相当长一段时间内继续存在。

　　（3）业务质量（QoS）支持性差

　　频繁的位置登记和相关地址改变将使业务质量支持性变得极差。例如，对于支持业务质量的资源预订协议RSVP（Resource Reserve Protocol），每当移动节点改变相关地址的时候就要作一次整个路径的资源预定，而实际上路径的大部分是不变的。这一处理预示着将产生大量的控制数据流量和附加时延，这将不适应业务质量支持。

　　4　Mobile IP的四种主要扩展方案

　　由于Mobile IP的以上缺陷，全IP移动通信网网络层移动性管理需要采用域内移动性管理扩展协议弥补。域内移动性管理扩展协议的基本思路是：当移动节点进入一个域时，将获得一个相关地址；移动节点停留在这个域中的时候，这个相关地址一直保持有效。这样，一方面移动节点仅仅在进入该域时使用Mobile IP协议进行一次位置登记处理，这样就大大减少了位置登记次数，减少了控制数据流量；另一方面域内移动性管理对于归属代理和网络其它部分透明，这样就可以按照私有地址（仅对域内唯一）形式重复利用很大一部分IP地址，解决IP地址资源紧缺问题；另外，整个网络将不关心移动节点在某个特定域内的移动，对RSVP仅在移动节点改变域的时候作资源预定，从而使业务质量得到支持。

　　4.1　蜂窝IP方案

　　蜂窝IP使用一个特殊的移动性代理，同时作为通往因特网的网关和Mobile IP的外地代理，用蜂窝IP协议代替无线接入网内部的IP协议，路由方式使用移动节点在接入网络时建立和更新经历的路由器。这些路由器保证了移动终端接入到网络和网关。蜂窝IP方案中每个站点具有一个路由缓存（Routing Catch），用于将数据包从网关发往移动节点，或者从移动节点发往网关。路由通过逐跳传送特殊的控制数据包建立和维持，这些控制数据包将促使路径上的站点更新其路由缓存。

　　网关周期性地发送信标到整个网络。通过这种机制每个站点都能从信标知道自己的那些接口必须用于传送数据包到网关。另一方面，在每次切换改变接入点接入网络时移动节点将发送路由更新数据包，这些数据包被逐跳传送给网关并促使路径上的站点更新与相连接的移动节点相关的路由缓存。切换使用两种机制：硬切换和半软切换，硬切换没有任何保证机制，而半软切换能够显著减少丢包现象。蜂窝IP还使用传统的寻呼模式支持被动连接性：一些站点具有寻呼缓存，用于寻呼请求的情况。

　　4.2HAWAII方案

　　HAWAII方案使用HAWAII工作于IP层之上，而不是代替IP，在HAWAII方案中，每个站点都按照传统IP路由器的方式工作，只是具有HAWAII的特有特性。

　　HAWAII的工作原理于蜂窝IP，每个站点都具有路由缓存用于支持移动性管理，特殊数据包的逐跳传输促使站点更新路由缓存。在蜂窝IP中，网络按照树状结构组织，网关位于树状结构的根节点。HAWAII为不同的无线接入技术提供了两种不同的切换机制，这两种机制具有不同的记录作网络优化。和蜂窝IP相似，HAWAII也使用寻呼机制支持被动性连接，地理寻呼区由隶属于同一IP多点传送组的站点组成，寻呼消息使用传HAWAII定义了内部整合的资源预订协议RSVP适应用户的移动性，这样，HAWAII就自然减少了由于路径改变带来的资源预定。假设移动节点是一台接收机，切换的时候，网络只为路径上变化了的部分作资源预定。

　　4.3TeleMIP方案

　　TeleMIP(Telecommunications-Enhanced Mobile IP)是一种非常简单易行的协议，非常适用于无线接入网使用CDMA技术的网络。TeleMIP的（TeleMIP Mobile Agent），TeleMIP的网络结构由一系列TMA设备和子网组成，每个子网具有一个Mobile IP的外地代理和几个直接连在外地代理上的基站，不同的外地代理连接到该无线域内的一个或多个TMA上。

　　移动节点通过子网连接到域，连接时从子网的外地代理获得两个临时IP地址：局部相关地址（Local Care-of-address）和全局相关地址（Global Care-of-Address），局部相关地址在移动节点处于该子网内保持不变，全局相关地址在移动节点处于该域内保持不变。局部相关地址登记到TMA，TMA同时作为该移动节点的网关和Mobile IP的外地代理。移动节点改变子网时，仅从新的外地代理获得一个新的局部相关地址并通知TMA。发往域内移动节点的数据包到来时，目的地址就是全局相关地址，TMA截取并将数据包传送到子网的外地代理，在映射局部相关地址和全局相关地址的基础上，子网的外地代理最终能将数据包往目的地址。

　　4.4　EMA方案

　　EMA（Edge Mobility Architecture）旨在建立一种真正的无线域内的移动性管理框架，EMA的设计者考虑了应用临时排序路由算法TORA（Temporally-Ordered Routing Algorithm），这就使EMA框架能将TORA应用于使用具有ad-hoc网络特性的标准无线接入网并具有良好的可升级性。EMA对无线接入技术没有任何特殊要求，它所定义的切换机制完全在高层进行。EMA支持两种路由：前缀路由（与传统有线IP网络相同）和主机特定路由。移动节点接入EMA框架的域时将从该域下一个子网获得一个相关地址，这样，当移动节点处于该域该子网时，发往该移动节点的数据流就能基于前缀路由到移动节点，当移动节点改变子网时，网络将使用特定路由找到移动节点。TORA非常适合这种工作方式。

　　5　四种方案的比较

　　四种方案都很大地改善了Mobile IP在切换管理方面的问题，在时延上，HAWAII最具优势，EMA和Cellular　IP的半软切换理论上可使丢包率为0，在路由更新上，TeleMIP可能会因为TMA的增多而性能下降。Cellular IP和HAWAII方案被动连通性和寻呼支持性较好，而另外两种方案尚有一定的欠缺。负荷平衡方面HAWAII做得较好，TeleMIP和EMA做了部分优化，而Cellular IP未作优化。TeleMIP针对CDMA系统作了优化，而且网络结构方面较简单。

　　6　结论和展望

　　第三代移动通信技术的发展和全IP核心网的逐步建立将对全IP网络的移动性管理产生巨大影响：一方面，第三代移动通信的空中接口技术主要采用的是CDMA技术，并于CDMA技术的进一步研究仍然在深入进行。CDMA主能在第2层（链路层）做的工作已经远远超出了最初人们的想象，例如CDMA技术能够为业务质量（QoS）提供有力的第2层支持。我们在考虑第3层的移动性管理时还需要考虑到这些因素。另一方面，Mobile IP扩展方案都是基于Mobile IP，这同3GPP2提出的核心网草案相适应，但结合具体网络的优化仍然需要继续研究；而3GPP提出了基于GPRS的全IP核心网并将在未来几年内投入商用，以上的四种Mobile IP扩展方案都还需要考虑如何针对GPRS的具体特性对网络域间移动管理实行优化。第三代移动通信全IP核心网的逐步建立，为上述方案的验证、实施和优化创造了条件。

摘自《移动通信》2002.3