原创 异构无线网络间的无缝移动技术

1、引言

近年来，无线通信技术发展迅速，GSM/GPRS/EDGE，UMTS，PHS，WLAN，WiMAX等无线网络已经给全球的电信用户带来了丰富多彩的通信体验。但与此同时，网络类型的繁多与彼此不兼容也给用户和电信运营商带来了很多的烦恼：用户要携带适用于不同网络的终端，正在进行的业务不能在不同的网络间保持连续；运营商们则要为如何整合网络资源、降低运营成本、提高客户满意度大伤脑筋。为解决这些问题，跨异构网络的无缝移动技术应运而生。本文将介绍几种目前正处于商用和研究热点的异构无线网络间的无缝移动技术（如UMA，移动IP，VCC和802.21），并对它们的应用前景做简要分析。

2、UMA

UMA（UnlicensedMobileAccess），最早是由多家移动运营商和全业务运营商发起，旨在使用户可以在室内通过IP接入网使用移动网络的资源。它的标准化工作从2003年12月开始，2004年9月完成，并于2005年4月被并入3GPPR6。目前，已有众多电信业的领导厂商推出了UMA相关产品，英国电信，法国电信，德国T-Mobile，意大利Telecom Italia，瑞典Telia Sonera，美国Cincinnati Bell等多家运营商也相继开始UMA业务的商用。

UMA的典型应用如图1所示。用户首先要有一个内置UMA协议栈的蜂窝/WLAN多模终端，在室外时语音或数据业务通过GERAN/UMTS蜂窝网络实现，进入室内WLAN的覆盖范围后，所有的业务则自动切换到WLAN网络并能保持连续；同样，用户离开WLAN覆盖区域进入蜂窝网络时，业务也能平滑切换过来。



图1  UMA的典型应用

整个UMA网络由多模终端，WLAN接入点，Internet网络和UNC（UMANetworkController）组成。

UNC是UMA系统的核心，它通过Internet网络连接到终端接入的WLAN接入点，同时分别通过A接口和HGb接口与蜂窝网络核心网中的MSC和SGSN相连。UNC的主要功能有：终端和MSC之间语音编码的转换；UNC与终端间数据传输通道和Gb接口上分组数据流之间的交互；建立到终端的安全隧道，用于相互认证、加密和数据完整性保护；为终端接入UMA网络提供注册和系统信息；管理UMA网络CS和PS业务的承载路径；支持寻呼、CS切换和PS切换；终端和核心网之间层3消息的透明传输等。对核心网而言，UNC与一般的BSC并无不同之处，因此UMA网络对蜂窝网络的业务具有非常好的兼容性。

以一个正在GSM网络下进行语音通话的终端为例，它在UMA网络和蜂窝网络间的切换过程如下：

（1）当终端进入WLAN覆盖范围时，它会向服务UNC发起注册。一旦终端注册成功，UNC就会提供UMA网络的系统信息，其中包括UNC的AFRCN/BSIC。终端在向GSM网络发送测试报告时就会带上UMA网络信息，这样在终端和GERAN就把UMA网络当成了信号质量很好的邻近GSM单元。

（2）根据终端的测量报告和内部算法，GERAN将决定是否切换到UMA网络，并与核心网一起使用标准GSM切换信令开始切换过程。核心网通过与服务UNC的通信建立切换资源。然后终端接入UNC进行切换，并在终端和服务UNC之间建立VoIP承载通道。接下来GERAN执行到服务UNC的BSC间切换，终端则在协议栈软件的控制下从GSM网络切换到WLAN网络。终端和UNC在通信切换到上行接口之前已建立好上行连接，这种软切换的方式可确保用户不会在切换过程中感觉到话音中断。

（3）从UMA网络切换到GERAN总是由终端发起的。当终端确定需要切换时，根据其对WLAN信号质量的测量、承载特性以及来自服务UNC的任何上行链路质量指示，它将向UNC发送切换所需的消息，指示相邻的GSM单元用于切换。服务UNC利用终端提供的信息向核心网发送信令开始切换过程。根据UNC的信令，核心网会要求目标GSM单元采用标准GSM切换信令准备切换。然后核心网执行到GSM单元的BSC间切换，终端则从WLAN网络切换到GSM网络。同样，提前建立好的上行链路保证了通话的连续性。

UMA是目前实现蜂窝网络和WLAN网络间无缝移动的最成熟和最简单的方案，它不需要对GERAN/UMTS的核心网进行改动，不影响核心网未来向IMS演进。而且除了WLAN接入，它也支持目前方兴未艾的Femtocell接入，支持固定电话接入（需加配终端适配器），支持PC机通过软件和带有SIM卡的适配器接入，可以说它也是解决3G室内覆盖和实现固定—移动融合的有效方案之一。但就目前而言，UMA对PS业务尤其是多媒体类的业务支持的不是很完美。尽管这样，只要运营商能够在用户易用性和商业模式上做好工作，UMA技术就一定能获得市场的青睐。

3、移动IP

移动IP标准由IETF的移动IP工作组于1992年6月制定。移动IP技术可以使移动节点在从一个IP网络切换到另一个IP网络时仍可保持正在进行的通信，并且IP地址保持不变（对于对端的通信节点而言）。理论上讲，移动IP技术可以实现终端在任何基于IP的异构网络间无缝移动，因此受到了业界的极大关注。目前，3GPP和3GPP2都在移动IP的基础上进行3GPP/3GPP2网络与WLAN融合的标准化工作，并已取得一定的进展。

实现移动IP技术必须要在网络中引入3种功能实体，即移动节点、家乡代理（有一个端口与移动节点家乡链路相连的路由器）和外地代理（在移动节点的外地链路上的路由器）。这些功能实体的基本连接方式如图2所示。



图2  移动IP实体连接方式

移动IP的工作机制是：家乡代理和外地代理周期地组播或广播一个代理广播消息。网络中的所有移动节点都会收到并检查这个代理广播消息以确定自己是连在家乡链路还是外地链路上。当它连在家乡链路上时，移动节点就可像固定节点一样工作，不再利用移动IP的其他功能。如果连在外地链路上，移动节点则从外地代理发出的代理广播消息中找到外地代理转交地址。然后移动节点通过外地代理向家乡代理注册转交地址。为防止服务攻击，注册消息要求进行认证。家乡代理收到移动节点的转交地址后，通过隧道把原本发往移动节点家乡地址的数据包传送给移动节点的转交地址。在转交地址处（可能是外地代理或移动节点的一个端口），原始数据包被从隧道中提取出来送给移动节点。对于反方向，由移动节点发出的数据包被直接选路到目的节点上，无需隧道技术。对所有来访的移动节点发出的包来说，外地代理完成路由器的功能。

通过这样的机制，移动IP技术可以使移动节点和目的节点之间的通信在链路发生切换后仍然保持连通，这也为在PS域实现蜂窝移动网络和WLAN之间的无缝移动提供了技术上的可能性。从R6开始，基于移动IP技术，3GPP在协议中（TS23.234）加入了3GPP网络和WLAN的融合方案（见图3）。



图3  3GPP网络和WLAN网络的融合方案

从移动IP的原理来讲，图3中的PDG（PacketDataGateway）相当于移动IP的家乡代理（实际上还有业务鉴权、计费、IP地址分配等更多功能），WAG（WLANAccess Gateway）有部分外地代理的功能。当多模终端从蜂窝网络切换到WLAN时，PDG就会通过隧道把来自Internet的数据发送给终端，进而保证了业务的连续性。

目前，移动IP技术本身还存在很多不足，如切换时间长、切换时丢包率高，而且它属于网络层的切换，对于更上层如应用层的移动性无法支持，这些缺点对于电信级别业务来说是不能接受的。为改进移动IP的性能，学者们提出了很多很好的方案，如缓存分组、宏移动和微移动的结合、绑定更新等；而通过与SIP的结合来解决应用层的移动性和支持IMS也得到了广泛的认同和支持，现在已有厂商推出了此类设备，法国电信等运营商也在开展基于移动IP和SIP的蜂窝网络与WLAN间数据业务无缝切换的试验。相信随着技术的发展，移动IP必将成为未来全IP异构网络间无缝移动技术的中坚力量。

4、VCC

VCC（VoiceCallContinuity），是一种基于IMS架构，用于在电路域和IMS域之间保持语音呼叫连续性的技术。它的标准化工作开始于2005年1月底，目前3GPP已完成Stage2的工作，Stage3正在制订中。3GPP2也有专门VCC工作组，工作进度基本与3GPP相当。

图4是VCC在蜂窝网络和WLAN之间的典型应用。VCCIWF，即3GPPTS23.206定义的VCC应用实体，它需要部署在用户的IMS家乡网络，它包括CAMEL业务、域选择功能、域切换功能和CS适配功能等4个功能实体。如果一个支持VCC的终端在蜂窝网络下处于CS语音通话中，那么它向WLAN网络切换的流程可以简要概括为如下步骤：



图4  VCC的典型应用 （1）终端进入WLAN覆盖范围并获得IP连接后向IMS域发起注册流程。

（2）注册之后，终端在IMS域发起会话建立过程，向域切换功能实体发起切入域会话接入连接，申请向IMS域切换。

（3）IMS核心网中的S-CSCF实体执行IMS域呼叫发起的处理过程，将会话路由到域切换功能实体。

（4）域切换功能实体执行域切换过程，替换蜂窝网络CS域原会话接入连接，更新WLAN接入连接。

（5）域切换功能实体要向WLAN连接发起媒体更新过程以将用户平面更改到切入域接入点，更新成功之后，蜂窝网络CS域原会话接入连接释放。

VCC的标准尚在完善之中，目前VCC只局限于语音呼叫的切换，无法支持补充业务，不支持紧急呼叫。同UMA等技术相比，运营商需要巨大的投入才能获得实现VCC方案，但作为未来核心网演进方向IMS的组成部分，VCC获得了有力支持，即便是标准还未定稿，还是有北电等设备厂商推出了支持VCC功能的相关产品。一旦标准成熟，VCC必将发挥出巨大潜力。

5、802.21

为解决802.3，802.11，802.16等802网络间以及802网络与3GPP/3GPP2等非802网络间的无缝切换问题，IEEE在2003年1月启动了相关的研究，并于2004年1月成立了802.21工作组专门制定相关标准。2007年年底之前802.21标准有望获得批准，2008～2009年将进入商用部署阶段。

802.21支持目前几乎所有主流接入网的网间切换。802.21的核心思想是在层2和层3之间引入一种新的功能模块——媒介独立切换功能（MediaIndependentHandoverFunction，MIHF）。MIHF对等存在于终端和网络设备中。MIHF定义了统一的业务接入点并通过独立于接入技术的业务与高层的各种移动性管理协议进行通信；对底层，MIHF则为不同的接入技术定义了不同的业务接入点以获得对各种介质的访问和控制。

如图5所示，MIHF中定义了3个不同的服务，即媒介独立事件服务（MediaIndependentEventService，MIES）、媒介独立命令服务（Media Independent Command Service，MICS）和媒介独立信息服务（Media Independent Information Service，MIIS）。MIES提供与链路特性和链路状态动态变化相对应的触发事件，如链路上下行的变化、链路即将发生切换等；MICS帮助高层来管理和控制与切换和移动性相关的链路行为，它使用从MIES获得的事件信息作为其执行切换等动作的依据；MIIS能够提供一种信息模型和相应的处理机制。通过它们，MIHF以发现邻近的网络并获得这些网络的相关信息，如信道信息、MAC地址、安全信息等。MIIS提供的信息有助于高层更加高效地判断是否需要切换。



图5  MIHF各部分功能示意

通过引入MIHF，802.21可以有效改善多模终端在网络发现、网络选择、切换发起、接口激活和功耗优化等方面的性能。在MIHF的协助下，异构网络间的切换时延及切换丢包率能够大幅改善。下面以一个在3GPP网络下正在进行流媒体业务的多模终端为例，简要介绍它向WLAN切换的流程。

首先，终端的MIHF会订阅一个事件，以便当有新的网络链路可以接入的时候MIHF会得到通知。接下来，终端会通过MIIS向存储有网络信息的信息服务器查询周边的网络情况，一旦确认有WLAN网络，终端会继续向信息服务器查询更多的信息，如WLAN的安全机制、DHCP服务器地址、接入点的MAC地址等，并且要确认这些WLAN。网络是否有足够的带宽来保证当前的服务质量。终端进入某个WLAN覆盖区域后，当满足事件触发条件时，如WLAN信号足够强、带宽足够大，MIES将启动并向高层上报事件信息。高层将根据切换策略和切换算法下发MICS命令启动切换流程。待终端在WLAN中的新链路建好后，原3GPP网络中的连接断开。至此终端切换从3GPP网络切换到了WLAN网络中并且原业务保持了连续性和服务质量。

尽管需要对802.11，802.16，移动IP和3GPP等协议进行适当修改，802.21还是为接入技术和移动性管理技术提供了最广泛的兼容性，因此具有极好的应用前景。目前，802.21已经得到了英特尔和英国电信的大力支持。但除了需要尽快定稿标准外，如何解决终端集成3GPP/3GPP2，WiMAX，WiFi等多种无线技术带来的射频干扰、功耗和成本问题也是摆在802.21支持者面前的一道难题。

6、结束语

用户对无缝移动日益增强的期望值，以及运营商整合资源、融合业务的强烈愿望让异构网络间的无缝移动技术成为了电信业的焦点。随着技术本身的不断成熟和由此带来的催化作用，包括终端、设备、运营、监管等行业产业链上的各个环节都将迎来新的发展机遇和变革动力。我国的电信企业和科研机构应密切跟踪相关技术进展，加大研发力度，争取在标准制定、技术转化和业务运营等方面实现新的突破。

来源：中国联通网站