全IP移动通信网接入网的QoS保证机制研究

    全IP移动通信网是因特网技术与移动通信技术迅速发展相结合的产物，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技术连接到因特网。为了保证IP网内的服务质量(QoS)，因特网工程任务组(IETF)提出了集成服务(IntServ)和区分服务(DiffServ)两种业务模型。这两种模型的设计都是基于固定有线网络，并不适合具有无线和移动特点的移动通信网络。与固定有线网络相比，无线移动网络具有很多不同的特点，如高丢失率、有限带宽和终端移动性。

    文献[1]在无线移动IP网中提出了一种基于区分服务模型的QoS实现机制。在该机制中，采用了分层的外地代理结构和快速切换来支持移动性管理。当移动终端在移动过程中发生切换时，通过外地代理和域间业务等级协定(SLA)的协商，实现移动终端的QoS保证。但区分服务对于业务按照汇聚流逐跳转发，无法保证每流的QoS需求。而且，采用快速切换实现对终端的移动性管理也不适合于发生频繁切换的移动终端[2]。
文献[3]提出对集成服务的资源预留协议(RSVP)进行修改，使其支持终端的移动性方案。在该方案中，为了实现移动终端在移动过程中的QoS保证，提出了采用多播树来实现资源的提前预留，包括主动的资源预留和被动的资源预留。其中，被动资源预留是在移动终端移动过程中可能经过的路径上进行资源预留，当移动终端切换到其中某一路径上时，由于提前预留了资源，所以用户的QoS仍然能得到保证。但是文献[3]没有采用特定的移动性管理方案，所以扩充的RSVP既要实现资源预留又要支持用户的移动性，实现起来比较复杂，额外的信令开销很大。

    文献[4]提出了一种基于DiffServ之上的IntServ的架构，该架构在核心网采用区分服务模型，在接入网采用集成服务/资源预留模型，由接入网网关负责RSVP信令和区分服务的区分服务代码点(DSCP)字段的转换。接入网是由Hawaii域或者蜂窝IP域构成，域内采用集成服务，根据RSVP信令携带的QoS参数进行资源预留和状态维护。

1 QoS保证机制与微移动管理协议之间的耦合
    为了解决RSVP用于移动无线环境时的不足，就需要微移动性管理协议和资源预留协议之间可互操作[5]。为此，本文采用了通过QoS[6]和微移动管理协议的一定程度上的耦合机制来保证移动用户的QoS。根据两种协议之间互操作或耦合程度的不同，可以划分为无耦合、紧耦合、松耦合。

    在无耦合方案中，微移动性管理协议和资源预留协议之间无任何状态信息交互，各自按自己的机制来实现相应的移动性管理和资源预留功能，QoS的实现不依赖于特定的微移动性管理协议。终端由于移动而导致网络拓扑的变化通过RSVP自身的定时刷新机制来处理。

    紧耦合通过将资源预留状态信息和移动性管理信息集成，从而使用一种信令机制来实现移动性管理和资源预留。这种信令机制可以通过对采用多播实现的移动性管理机制进行扩充使其支持资源预留来实现，或者通过扩充RSVP信令机制使其支持移动性管理来实现。

    松耦合是通过一定的机制，实现当一种协议内状态发生改变时，触发另一种协议的相关机制来反映这种状态的变化，从而实现两种协议之间状态信息的交互，达到移动性管理和资源预留一定程度上的集成，最终保证终端在移动环境下的QoS。

    对以上方案的选用要在可行性、实现复杂度和性能之间进行折衷。在无耦合方案中，微移动性管理协议和资源预留协议之间不需要信息交互，可以保持协议之间的透明性，能保证两种协议独立演进，但是却不能利用各自的特定优势。由于无法将与移动终端相关的网络拓扑信息变化及时反映给资源预留协议，导致在切换后的较长时间内QoS无法得到保证，从而方案的可行性不强。紧耦合方案虽然可以充分利用两种协议集成的优势，在网络拓扑发生变化后迅速实现新路径上的资源预留，保证切换对用户业务的QoS影响的最小化，但却增加了协议实现的复杂度，而且两种协议的最新发展不易立刻用于方案中，导致可扩充性不好。此外网络元素之间的紧耦合会导致与整个网络设计架构的冲突[7]。松耦合方案能充分利用两种协议的特定优势。由于协议之间本身不需要集成，所以能大大降低移动性对资源预留协议的影响，保证切换后用户的QoS得到尽快恢复。由于两种协议可以独立演进，具有很强的可扩充性，所以本文认为在接入网内采用微移动性管理协议和资源预留协议间松耦合的方案，可保证用户的QoS达到最佳。

2 仿真平台和仿真模型
    本文仿真所用的平台是自行搭建的集成了微移动管理协议Hawaii[8]和RSVP的NS2仿真平台。其中，RSVP用作为QoS协商的信令，Hawaii实现终端在移动过程中的分组路由。为了支持资源预留，需要在仿真平台中扩充RSVP模块。仿真平台遵从IETF的RFC2205、RFC2209协议，采用由德国波恩大学开发的rsvp/ns网络仿真模块，该模块对大多数RSVP对象有很好的支持。Hawaii模块采用了哥伦比亚大学开发的CIMS仿真包，它提供了蜂窝IP、Hawaii和分层移动IP协议的子模块，该模块实现了两种路径建立方式：单播非转发方式(UNF)和多路径流转发方式(MSF)。

    由于两个模块是不同的研究机构在不同的NS2版本中开发的，尽管模块单独加载可以正常工作，但是当两个模块集成在一起时却无法正常工作，出现问题如下：

• Hawaii协议中移动终端开机注册出现失败，数据分组无法通过节点转发；
• 资源预留不成功，数据分组在背景业务流大时丢失严重；
• RSVP的定时刷新消息无法正常发出，预留的资源在定时时间到期后失效。
  

    前两个问题是由于仿真平台采用3层地址标识节点IP地址，而RSVP模块采用扁平地址标识IP地址，所以产生了数据分组入队和查找的混乱。后一个问题是由于rsvp/ns模块自身的定时刷新消息过程存在漏洞造成。在实际仿真过程中，本文通过修改仿真平台的加权公平排队(WFQ)队列算法，并对rsvp/ns模块进行修改和扩充，解决了这些影响两个模块集成的问题。

    为简化分析、仿真所用的网络拓扑，本文采用树型结构(如图1所示)。它可以用来模拟大学的校园网或公司的企业网。之所以采用这种树型网络结构，一是考虑到Hawaii协议在树型结构的情况下可以充分发挥其切换性能优势，路由更新控制分组只需要到达分叉路由器而不用转发到域的根路由器，切换的时延较短；二是该拓扑能够充分展示松耦合方案的性能。

    在图1所示的仿真网络拓扑中，MH为移动终端；W0表示该接入网的网关，也是Hawaii域的根路由器；W1—W5为接入网内支持Hawaii协议的中间路由器；Ap1—Ap4为支持Hawaii协议和Mobile IP协议的无线接入点；CH为处于接入网外的通信对端，并假定其为固定终端，且距离W0只有一跳。相邻的无线接入点之间相距150 m，移动终端以20 m/s的速度移动。

    接入网内有线链路，包括从通信对端到接入网网关的链路，带宽均设为10 Mb/s，链路时延设为2 ms，支持双向RSVP。无线接入点到移动终端的链路采用了NS2中的IEEE 802.11(即WLAN)链路模型，链路的带宽为11 Mb/s，时延为1.5 ms。Hawaii的切换方案采用了多路径流转发(MSF)方式，支持网络中软切换功能，缓冲时间取值为14 ms。为观测松耦合方案的性能，在切换前后的中间链路上安排了大的背景业务流，以模拟实际环境。该业务流为服从指数分布的100%阻塞链路的数据报协议(UDP)数据流。

    仿真实验所用的业务源主要有两类：一个是模拟实时GSM类型的语音业务(数据速率为14.4 kb/s)，另一个模拟实时视频，速率为150 kb/s。为了便于比较，两个数据源均以固定比特率(CBR)流为基础进行扩充，而不采用实际的语音信号或视频信号。表1给出了GSM类型的话音和实时网络视频业务源的具体参数。

    仿真实验的安排如下。首先，对RSVP和Hawaii信令之间无耦合的情况进行仿真；然后，对RSVP和Hawaii松耦合的QoS方案及采用提高RSVP信令优先级的补充机制进行仿真。仿真比较的性能参数为两种方案下的时延、分组丢失数和接收端的分组接收速率等。

3 仿真结果及分析
    本文采用无耦合和松耦合两种方案，分别对GSM类型的语音和网络视频业务进行了仿真比较，其中，GSM语音信号使用了确保服务(GS)类型，网络实时视频则采用可控负载服务(CLS)类型。图2、3给出了GSM语音业务在协议无耦合和松耦合情况下的接收速率变化情况。

    仿真实验包含若干仿真阶段：

• 在仿真实验开始时，首先由通信对端对将要发送的业务进行资源预留；
• 在4 s时刻，通信对端开始向尚处于静止状态的移动节点发送业务数据；
• 在6 s时刻，移动终端开始从接入点Ap3向Ap4移动；
• 在7.5 s时刻，移动节点发生了切换，即接入网内Hawaii信令开始对移动终端的路

    由条目进行修改和刷新，因而需要利用RSVP消息在切换后的新路径上为通信对端发送的业务预留相应的带宽。

    在图2中，当在7.5 s发生切换时，GSM类型语音业务在无耦合情况下，分叉路由器到无线接入点之间的路径上没有立即预留资源，所以分组流只能获得尽力而为的服务。在大背景业务流的影响下，分组大量丢失，移动终端获得的接收速率严重下降，通信几乎无法进行。直到12.5 s左右，RSVP定期的路径刷新消息向移动终端发送后，才修复了发生改变的链路的资源预留状态，分组才无丢失地到达移动终端，接收速率恢复到切换之前的情况。

    图3显示了GSM类型语音业务在松耦合情况下的接收速率变化，当资源尚未在新路径上预留时，接收速率有所下降。当在7.5 s发生切换后，Hawaii路径切换更新信令会立即触发RSVP的路径更新操作，从分叉路由器发送路径消息到移动终端，从而实现在新路径上的资源预留。

    图2、3显示了松耦合方案相对无耦合方案移动终端接收速率方面性能的提高。相比于无耦合的情况，接收速率下降的时间变短，只是在切换后的一段较短时间内，由于资源尚未在新路径上预留，接收速率有所下降，在新路径上资源预留成功后，接收速率立刻恢复到切换前的情况。表2显示了语音业务与视频业务分别在无耦合和松耦合情况下的平均延时和分组丢失率。可以看出松耦合方案的性能明显优于无耦合方案。

4 结论
    通过对无耦合和松耦合方案仿真结果的对比，可以看出，在接入网内采用Hawaii和RSVP松耦合的方案，不需要增加额外的信令开销，而且充分利用RSVP和Hawaii信令本身的机制，能够很好地实现移动终端在接入网内移动时基于每个流的有保证的QoS。与MRSVP等切换前提前预留的方案相比，松耦合方案具有更好的可扩展性。

5 参考文献
[1] Yoon S U. QoS Support in Mobile/Wireless IP Networks Using Differentiated Services and Fast Handoff method [C]. WCNC 2000, 2000:266—270.
[2] Chalmers D, Sloman M. A Survey of Quality of Service in Mobile Computing Environments [J]. IEEE Communications Surveys, 1999(2).
[3] Chen W T. RSVP Mobility Support: a Signaling Protocol for Integrated Services Internet with Mobile Hosts [C]. INFOCOM 2000, 2000: 1283—1292.
[4] IETF RFC2998. A Framework for Integrated Services Operation over DiffServ Networks [S].
[5] Manner J. Evaluation of Mobility and Quality of Service Interaction [J]. Computer Networks, 2002, (2): 137—163.
[6] Manner J, Fu X. Analysis of Existing QoS Signaling Protocols [EB/OL]. http://www.draft-ietf-nsis-signalling-analysis-03.
[7] IETF RFC 1958. Architecture Principles of the Internet [S].
[8] Ramjee R. Hawaii: a Domain-Based Approach for Supporting Mobility in Wide-Area Wireless Networks [J]. IEEE/ACM Transactions on Networking, 2002, 3(6):396—410.

收稿日期：2004-07-09

[摘要] 移动性管理和服务质量(QoS)保证一直是移动通信网络中两个关键性问题。文章介绍了全IP移动通信网接入网部分的几种QoS实现机制，通过扩展QoS保证机制与微移动管理协议之间的耦合，提出了一种资源预留协议(RSVP)和Hawaii协议松耦合的方案，并以集成了RSVP和Hawaii的仿真平台对该方案进行了仿真。仿真结果表明，松耦合方案可以显著地提高切换过程中的QoS。

[关键词] 服务质量；资源预留协议；微移动管理协议；松耦合

[Abstract] The mobility management and guaranteed QoS play key roles in wireless networks. In this article, some QoS implementation mechanisms of the access network in All-IP mobile communication networks are introduced first. A new QoS solution of loosely coupling Resource Reservation Protocol (RSVP) and Hawaii Protocol is then proposed by extending the coupling between the QoS guarantee mechanism and micro-mobility management protocol. In order to analyze its applicability, a simulation platform based on NS2 is developed. The simulation results indicate that the solution can greatly improve QoS during handovers.

[Keywords] QoS; resource reservation protocol; micro mobility management; loosely-coupled