无线互联网的移动IP技术

基金项目：国家“863”计划项目(863-317-03-99-99)

在过去的10年中，无线通信和Internet技术的迅猛发展给人们的生活方式和生活质量带来了巨大的变化。越来越多的用户希望在移动的过程中高速接入Internet，获取信息和享受娱乐生活，这两种技术结合在一起已经成为必然的趋势[1,2]。

　　目前，国际上研究移动IP和无线Internet的公司很多，在Telecom'99会议上，爱立信展示了Bluetooth无线技术与3G系统相结合的图像会议业务，其分组交换的数据速率在广域网中达到472 kbit/s。爱立信计划研发的宽带无线IP接入系统Beewip，能给每个终端用户提供3 Mbit/s的容量(3.5 GHz频段)。思科和摩托罗拉也共同构建基于Internet的无线网络，这一合作关系将为无线业务提供第一个全IP平台，该平台将把世界范围内不同的无线服务标准统一起来，为通过蜂窝网络传送数据、语音和视频一体化服务提供基于Internet的开放平台。如何在无线移动环境下，保证Internet移动用户的可靠接入，为移动用户提供类似固定用户的业务质量是移动IP和无线通信面临的首要任务。

　　1 移动IP

　　在IETF给出的移动IP协议(RFC 2002)[3]中，定义了3个功能实体：移动节点(MN)、本地代理(HA)和外地代理(FA)。其工作原理可大致描述如下：

　　(1) 移动代理(包括本地代理和外地代理)通过代理广播消息广播它们的存在。MN接收到这些代理广播消息后，就知道它是在本地网还是在外部网。

　　(2)当MN检测到它是在本地网，如果以前未发生移动，那么和正常节点一样工作；如果它是从外部网回到本地网，MN就首先跟其HA通过交换注册请求和注册应答消息进行注册。

　　(3) 当MN检测到它已经移动到外部网后，它就在外部网中得到一个关照地址(Care-of-Address)，这个关照地址可以从外地代理的广播消息中得到(外地代理关照地址)，也可由某个外部分配机制如DHCP(动态主机配置协议)得到。

　　(4) 在外部网的MN就用它得到的关照地址通过注册请求和注册应答消息的交换向其HA注册，在消息交换的过程中，可能要经过FA。

　　(5) 送给MN的数据分组首先被其HA截获，然后通过隧道送给MN的关照地址，在隧道的终点得到数据分组(该终点可能在FA，也可能是在MN自身)，最终送给MN。

　　(6)对于MN发出的数据分组，就根据标准IP路由机制送往目的地，不必经过HA。

　　从上面描述业务的路由来看，实际上送往移动主机的IP分组是效率很低的。因此IETF提出了业务路由的优化方法，即通过一些必要的信令交换，使移动主机与目标主机之间存在直接路由。图1给出这种移动IP的业务路由的优化方式。

图1 移动IP的路由优化

　　在这个系统中，增加了一条信令消息——绑定更新消息(Update Binding Message)。这条消息是在本地代理收到一些发给移动主机的分组后，除了通过IP隧道将分组发到关照地址或FA，同时发送一条绑定更新消息给发送这些分组的主机，消息中包括了移动主机的关照地址。当主机收到这条消息后，建立一条通往关照地址的IP隧道，将原本发给移动主机的IP分组通过这个隧道发到FA，由FA发送到移动主机。这种方法中，除了开始的一些分组外，大部分业务直接送到外地子网中，不需要HA的隧道转发。但是这种方法要求目标主机支持IP隧道和移动 IP的协议信令。

　　2 支持移动IP的宽带无线网络

　　这里以空中接口为WCDMA和cdma 2000[4,5]的两种宽带无线通信系统为例，来说明其网络结构，它们都完全支持移动IP，可实现“无缝”接入Internet。

　　2.1 WCDMA系统

　　图2是WCDMA的网络结构，其中接入网和核心网已经明确分离，其优点是可以用同一个核心网支持各种不同的接入网，比如UTRAN、GSM和Ad-hoc等，其中UTRAN中的RNS是无线网络子系统，包括RNC(无线网络控制器)和Node B( 节点B），后者相当于GSM中的BTS。核心网的结构如图2所示，它是由GPRS＋GSM的核心网发展而来的。在WCDMA的核心网中，将SGSN和GGSN合并为一个节点IGSN(Internet GPRS Support Node)，整个核心网都是在IP基础之上。同时，在IGSN的网络接口处提供外地代理的功能，在核心网内包括一个本地代理，这样，IGSN、 HLR、 HA、FA和其他的一些本地网络路由器就构成了整个核心网。

图2 WCDMA网络结构

　　在移动主机建立分组业务的连接时，由IGSN分配给移动终端一个关照地址，在切换时，移动终端可能移动到另外一个IGSN区域内，这时，移动终端将接收新的IGSN的代理广播，并开始建立一个新的连接和获得一个新的关照地址。在WCDMA中，分组的路由与移动IP的分组路由相同，通过外地代理和本地代理来共同实现。在图2中，核心网与Internet之间的IP过滤实体是用来实现移动IP中路由优化的功能，IGSN支持移动IP的路由优化。实际上，因为移动通信系统内在的移动管理性，对于其网络内部终端的移动，可以通过HLR、VLR和注册等过程来实现管理，关键在于从Internet上发过来的数据，要能够正确地找到对应的移动终端。在WCDMA中，这个功能的实现并不依赖于无线网络本身，而是通过HA和FA进行，其实质是通过IP网络或者说Internet来进行移动性管理。当分组发往移动终端时，HA能将分组正确地发到移动终端的关照地址上去，往往就是移动终端所在区域的IGSN，而IGSN将发起呼叫和建立连接等过程，将分组发到移动终端。可见，对于实现大范围内的漫游和移动性管理，WCDMA系统提供了很好的解决方案。

　　2.2 cdma 2000系统

　　图3是cdma 2000的网络结构，其中核心网也与无线相关的部分分离，PDSN(Packet Data Serving Node)通过R-P接口与无线网络相连，在PDSN之上实现FA的功能。与WCDMA系统不同的是，cdma 2000对无线资源的管理和呼叫流程的控制是在无线接入网络中完成，而不是通过核心网。当移动终端接入cdma 2000的无线网时，在PDSN和移动终端之间建立一条PPP连接，之后PDSN通过这个PPP连接进行代理广播，移动终端通过这个PPP连接进行注册等的信令交换，来实现移动IP的建立。而PDSN与HA之间的通信采用IP基础上的AAA(Authentication, Authorization and Accounting)协议。当移动IP的路由建立起来之后，cdma 2000系统中业务的路由将按照移动IP的规范进行。

图3 cdma 2000的网络结构

　　此外，Home AAA是在本地IP子网中的用户注册信息和计费的服务器，Visited AAA是记录外地网用户注册信息和计费的服务器，Broker AAA是在Home AAA和Visited AAA之间通过安全的方式传递AAA消息的中继服务器。这些AAA服务器的功能相当于在电路交换网中的HLR、VLR和AUC的作用。

　　一个PDSN可以通过多个R-P接口，与多个无线接入网进行通信，当移动终端在同一个PDSN范围内切换或是漫游的时候，PDSN将相应切换其R-P接口；当移动终端进行PDSN之间的切换时，首先切换的是物理信道，移动终端通过新的物理信道建立新的PDSN连接，同时PDSN支持移动IP的路由优化。

　　3 移动性管理

　　当移动IP和无线通信融合在一起，人们希望在任何时间和地点接入Internet，这样对于无线终端移动性的管理就显得非常重要。这是由于终端快速、频繁切换造成的切换时延较大，将导致通信性能下降。图4反映了无线终端的移动性管理层次，它可分为子网级移动和蜂窝级移动两个层次。前者是在子网之间移动，可以用移动IP进行有效的管理；后者是指终端在同一子网内部的小区之间移动，移动IP对于这种方式就显得比较困难，在这里采用了蜂窝IP(Cellular IP)的策略。这两者的结合可以解决整个区域内的移动性管理问题。在此以中国科技大学个人通信与扩频通信实验室承担的“863”重大项目——宽带无线IP技术为例[6]，来讨论无线终端的移动性管理问题。

图4 无线终端的移动性管理层次

　　3.1 子网级移动性管理

　　在这种管理方式中，我们提出了一种新的位置管理的算法，基本思想是采用本地代理和外地代理的协作。每一个子网中的代理既是本子网的本地代理，又是其它子网的外地代理，而接口服务器负责管理同一个子网内的若干个蜂窝小区。当无线终端的本地代理发现属于本子网的无线终端已移动到其它子网时，它就多点播送位置查询消息给与它相邻子网的外地代理，由每一个外地代理在它所属子网内也广播位置查询消息；移动的无线终端收到该消息后，发送位置应答消息并通过外地代理转发给它的本地代理，以此来确定该无线终端当前所在的位置。同样，当某个子网的外地代理发现移动到本子网内的一个无线终端发生移动时，它就多点播送位置查询消息给与它相邻子网的代理服务器；每一个收到位置查询消息的外地代理(包括收到位置查询消息的本地代理)在它所属子网内广播位置查询消息；该无线终端收到位置查询消息后，将位置应答消息通过它当前所在子网的外地代理或者其本地代理(表明它已返回自己所属子网)发送给多点播送位置查询消息的外地代理，并由该外地代理转发一个位置变更分组给该无线终端的本地代理(若该无线终端已返回到自己所属子网，则无须转发)，以此来重新确定该无线终端当前所在的位置。当无线终端开机后或者发生移动后，将广播一个注册申请广告消息，若在自己所属子网内，则其本地代理进行注册并回送一个注册应答分组给该终端；若在其它子网内，则外地代理将注册申请消息转发给该无线终端的本地代理，其本地代理注册后发送注册应答给该外地代理，再由此外地代理将注册应答发送给该终端。该算法大大减少了无线子网的广播消息，降低了移动切换的开销，该位置管理算法流程参见图5。

图5 一种位置管理算法流程

　　3.2 蜂窝级移动性管理

　　这里引入了蜂窝IP[7,8]的概念，此时移动终端在同一子网内的不同蜂窝之间移动，不需要向本地代理注册，而只需要通知接口服务器和外地代理，这样就减少了信令开销。当主机在接口服务器的管理范围内移动时，无需进行位置更新；一旦穿越子网，则必须进行位置更新，以便能够被网络寻呼到。如果主机移动到新的蜂窝，移动主机可以从Node B的广播消息中得到网络标识及接口服务器的地址，那么主机就可以向接口服务器发起登记请求，同时也可以向本地代理发送登记消息，以告知关照地址(也可以由外地代理完成)。在移动终端中都设有路由表，分组的传送会在所经过终端的表中产生和更新入口，每个入口与该分组的上游终端之间建立映射关系，这些映射关系链表形成了分组传输的路径。如果主机到达新的Node B，那么发送路由更新消息并将分组重定向到此基站，路由更新消息将对路由表重新配置。从Node B到接口服务器的分组路由按照最短路径原则进行，与分组的目的地址无关，分组到网关后，才根据目的地址进行下一跳选择。除了路由表外还有寻呼表，目的是在移动主机处于被访状态时可以节约资源，此时发往移动终端的分组可通过寻呼表进行。当终端处于等待状态时，SGSN先向它发寻呼请求，移动主机接受寻呼后就可转为准备状态，随后SGSN可发送下行数据。

　　此外，蜂窝IP 采用终端控制切换，同时规定了小区重选(Cell Reselection)，由终端主动决定选用哪个小区。由于分组数据与传统语音存在比较大的差异，所以切换的策略也不相同。语音模式下资源必须是由网络分配的，而分组模式下资源是共享的，切换无需一定由网络决定，这种控制方式有利于缩短切换时间。

　　4 结束语

　　未来移动通信的发展趋势是Internet和无线通信的结合，这将会为人们提供更多种类的信息、娱乐和商业服务。由于移动IP可以使移动终端随时随地接入Internet，因此在将来的宽带无线通信系统中，都无一例外地支持移动IP技术。尽管二者之间的结合还有很多问题需要作进一步的研究，但这是未来移动通信发展的方向，必将有广阔的发展空间和美好的市场前景。

　　参考文献

1 Sarikaya B.Packet Mode in Wireless Network: Overview of Transition to Third Generation.IEEE Communications Magazine, 2000, 38(9): 164—172
2 Bos L, Leroy S. Toward an ALL-IP Based UMNS System Architecture. IEEE Network,2001,15(1): 36—45
3 Perkins C.IP Mobility Support. RFC2002, October 1996
4 Uskela S. ALL-IP Architecture for Cellular Networks. 3G Mobile Communication Technologies Conferences, March 2001: 180—183
5 Patel G,Dennett S.The 3GPP and 3GPP2 Movements Towards an ALL-IP Mobile Network.IEEE Personal Communication, 2000, 7(4): 62—64
6 周武, 顾渝骢, 朱近康. 宽带无线IP技术. 电信科学, 2001, 17(5): 29—32
7 Mccann J, Hiller T. An Internet Infrastructure for Cellular CDMA Network Using Mobile IP. IEEE Personal Communication, 2000, 7(4): 26—32
8 Ramjee R,La Porta T F, Salgarelli L, et al.IP-Based Access Network Infrastructure for Next-Generation Wireless Data Networks.IEEE Personal Communication, 2000, 7(4): 34—41

[摘要] 文章首先阐述了移动IP的概念，分析了采用移动IP技术的宽带移动通信系统的网络结构，并结合所承担的“863”项目，讨论了无线互联网中的移动性管理问题。

[关键词] 移动IP；无线互联网；高速无线接入；移动性管理

[Abstract] The concept of mobile IP is given first, and then the network architecture of broadband mobile communication system adopting mobile IP technologies is analyzed. At the end of the paper, the mobility management for the wireless Internet is also discussed with consideration to the National "863" Project.

[Keywords] Mobile IP; Wireless Internet; High-speed wireless access; Mobility management