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会话移动性

时间:2022-06-20 百科知识 版权反馈
【摘要】:7.3 会话移动性会话移动性指的是用户在使用业务过程中可以在不同终端之间悬挂恢复业务会话,用户使用业务过程中可以在终端之间移动。基于上述的分析,未来移动性管理中关于会话移动性的研究大多集中于垂直切换和连接性管理两个热点问题。

7.3 会话移动性

会话移动性指的是用户在使用业务过程中可以在不同终端之间悬挂恢复业务会话,用户使用业务过程中可以在终端之间移动。会话移动性其实在N-ISDN中就有所体现,作为一项补充业务实现的N-ISDN终端可携带业务允许在呼叫运行状态时,在一个给定的接入口内将一个呼叫从一个终端移动到另一个终端。当然这个会话移动性无论是功能还是适用范围也都是很有限的。

未来异构并存的网络环境及终端技术的发展带来了以下一些新的特征:

(1)在未来网络环境中,存在覆盖范围、带宽和时延等方面具有的各自不同特性的多种异构无线接入技术。例如,IEEE 802.15可形成几十米范围的无线个域网(WPAN),IEEE 802.11等可组成无线覆盖几百米的无线局域网(WLAN),IEEE 802.16和IEEE 802.20可提供几千米到几十千米的无线城域网(WMAN)覆盖,而蜂窝移动通信网络(2G和3G)实现了广域网(WWAN)范围的无线覆盖,卫星通信网则可实现全球范围的覆盖。同时,存在大量的异构无线接入网络重叠。

(2)随着信息通信技术进步,未来越来越多的终端可能具有多个不同的接入网络接口,或者同一个用户的多个终端(如手机、PDA、笔记本电脑、打印机、传真机和传感器等)通过个域网(WPAN)技术实现互连和协同工作,使得处于网络重叠区域的用户能够同时利用多个可用接入网络所提供的网络服务。

基于上述的分析,未来移动性管理中关于会话移动性的研究大多集中于垂直切换和连接性管理两个热点问题。

7.3.1 垂直切换

7.3.1.1 垂直切换与水平切换的比较

切换控制是移动性管理中的关键控制功能之一,也历来都是移动性管理中的重要研究内容。在泛在、异构的网络环境中,切换控制技术的研究也从同种接入技术间的水平切换转移到了异类接入技术间的垂直切换上。

垂直切换与水平切换相对应,是切换技术中依据接入点改变前后所采用接入技术的异同进行的分类。在未来由各种无线接入技术构成的无线重叠网络(Wireless Overlay Network)中,同类接入技术之间的切换称为水平切换,例如,WLAN中不同AP之间的切换,GSM中不同基站、交换系统及运营商间的切换;不同类接入技术之间的切换称为垂直切换,例如UMTs和WLAN之间的切换。垂直切换中,切换前后的无线链路和接入网络存在明显的特性差异,因而垂直切换具有不对称性。根据垂直切换方向的不同,又可以分为向上切换和向下切换。从下层的、覆盖范围小的网络到上层的、覆盖范围大的网络的切换,称为向上切换;反之为向下切换。垂直切换与水平切换如图7.3所示。

图7.3 垂直切换与水平切换示意图

除了切换过程中所涉及的接入网络技术是否同类,垂直切换与水平切换在很多方面还存在着差异,包括:

(l)触发切换的原因不同。水平切换往往和终端移动引起的物理位置变化有关,是动态的。垂直切换强调接入点的变化,而接入点变化并不一定由物理位置变化引起,还可能由接入技术的变化引起,因而可能是静态的。

(2)切换决策判决因素不同。水平切换的决策通常根据终端所接收到的物理信号强度及其变化指标和信道可用性进行。而在垂直切换中,由于切换前后的网络特征差异较大,网络间的RSS指标不具有可比性,虽然可以分别为不同的网络设置不同的切换门限值,但是,只基于此进行垂直切换决策是不够的,还需要考虑与网络、应用、用户和终端相关的QoS、用户偏好、服务资费等多种因素,是典型的多标准决策问题。

(3)切换控制方式不同。水平切换大多是由网络发起,终端是被动的。垂直切换中,用户可以根据偏好设置或者基于QoS的考虑,主动发起切换。

(4)切换中的链路转换实现不同。水平切换出现在同种接入技术之间,切换前后的无线链路采用相同的链路层技术,因此,水平切换中的链路转换常在数据链路层实现。而垂直切换涉及各种异构的链路层接入技术,并且要保证独立于底层接入,因此,垂直切换中的链路转换在网络层及以上层实现,网络层、传输层和应用层都有支持垂直切换的典型技术。表7.1对垂直切换和水平切换从各个方面进行了比较。

表7.1 垂直切换与水平切换比较

7.3.1.2 垂直切换的三个阶段

垂直切换包括三个阶段,即系统发现、切换决策和切换执行。系统发现阶段用于发现当前可用的网络系统,切换决策阶段用于确定恰当的切换目标网络和切换触发时间,切换执行阶段用于进行切换实施过程。

(1)系统发现阶段

移动节点搜索和发现当前可用的无线网络。其中,系统发现时间和终端的能耗是两个重要但互相矛盾的参数。

一种系统发现方法基于不同网络接口上接收到的广播消息。各种无线网络会定时不断发送广播消息,例如,GSM网络中的小区广播消息、WLAN中的信标帧。多网络接口终端根据不同接口上所接收到的广播消息,得知当前的可用网络。一种简单方法是,移动节点的所有网络接口始终保持激活状态。这样虽然可以保证快速的系统发现,却造成了移动终端较大的能耗。对于能量有限的终端而言,显然需要对此进行改进。改进的方法是移动终端定时开启网络接口,搜索可用网络。这种方法兼顾系统发现效率与终端能耗,但是需要确定恰当的网络接口开启时间间隔,在二者之间达到良好的平衡。

另一种系统发现方法则是基于LSS(Location Service Server)实现。LSS中存储了位于不同区域的各种无线网络的信息,基于移动终端的地理位置(可由GPS协助提供),向移动终端提供其周围可用的网络系统及其带宽、时延等参数。这种方法有效地节约了能耗,但是需要在LSS中保存每个网络系统的精确数据,数据库的建立和维护操作开销较大,实现也比较困难。

(2)切换决策阶段

切换决策用于决定移动节点在最恰当的时间切换至最恰当的网络。在切换技术中,常见的切换控制方式有移动终端控制的切换(MCHO)、网络控制的切换(NCHO)和移动终端辅助的切换(Mobile Assisted Handoff,MAHO),例如,欧洲的NECT和北美的PAES等数字无绳通信系统、WLAN系统采用MCHO方式,TACS等模拟蜂窝移动通信网络均采用NCHO,而GS、COMA等数字蜂窝移动通信网络通常采用MAHO方式。

(3)切换执行

切换执行阶段通过某些垂直切换支持协议完成切换的实施过程,将正在进行的通信会话从切换前网络中的接入点转移至目标网络中的新接入点。垂直切换要保证与底层接入技术的无关性。

链路层的垂直切换技术以通用链路层(GLL)为代表。GLL可以看做在原有的协议层上增加的一个新的通信层,用来为不同的无线接入机制提供统一的链路层数据处理功能。引入通用链路层的好处主要是为提供给用户更好的服务质量,并为在网络间提高资源的有效利用提供基础。

垂直切换可以由网络、终端或者由二者共同发起。但是,因为垂直切换的判决因素包括不同网络状况和性能参数,只有移动终端可以方便地获取不同网络接口上的相关信息,显然NCHO方式不适合。另外,MAHO方式通常由网络根据终端报告的各种信息进行总体的优化和控制,而垂直切换跨越异构网络,无法实现跨网络的总体控制。再考虑到网络边缘化和终端智能化的发展趋势,可以认为MCHO是垂直切换中最恰当的控制方式。很多研究中将切换决策功能放在移动终端中实现,使得终端可以基于某些因素主动发起切换。例如,可以基于服务资费,总是选择资费最低的网络;为了提高QoS,可以主动从低性能网络切换至高性能网络;为了提高网络资源的总体利用效率,可以使用高带宽网络完成FTP、视频通信等应用,而使用低性能网络完成网页浏览、电子邮件等应用。

在垂直切换决策中,应根据当前可用网络的不同状况和特性、当前所运行的应用的不同特点和需求,以及用户和终端的特性与偏好,进行综合判断,这是一个多标准决策问题。表7.2对垂直切换决策中需要考虑的各种因素进行了总结。

表7.2 垂直切换决策影响因素

7.3.1.3 无缝垂直切换的特征

现代垂直切换的发展方向是无缝的垂直切换。无缝的垂直切换期望的特性如图7.4所示。其中,无缝的垂直切换应尽量使切换可靠性和切换性能最大化,使干扰和切换次数最小化,而应尽量保持切换的无缝性和小区间的负载均衡。

图7.4 期望的切换特性

无缝垂直切换的特征:

(1)切换的可靠性:是指切换后应有较好的服务质量。很多因素可用于预测切换后的服务质量,例如信扰比、信噪比、接收信号强度和误码率(Bit Ermr Rate,BER)等。

(2)切换的无缝性:是指切换应尽量使用户感受不到服务质量下降和服务中断。服务质量下降可能由持续的信号强度下降或同信道干扰(CCI)引起,服务中断可能由硬切换或“先断后通(Break Belbre Make)”的切换方式引起。

(3)避免干扰:此处的干扰主要指同信道干扰(Co-channel Interference,CCI)和信道间干扰(Inter-channel Interference,ICI)干扰,它们能够严重影响无线网络中的传输速率。不同类型的无线接入网络中存在的干扰程度并不相同,例如,WLAN中的干扰严重。这是由于WLAN使用无需许可牌照的2.4GHz和5.2GHz频段(即非管制频段),因此很容易受到使用同一频段的其他802.11网络、蓝牙设备、无绳电话等的干扰。而WLAN使用的是管制频段,并且多年的运营和管理已经很好地解决了其中存在的干扰问题。因此,在WLAN的切换之前,应先确定WLAN中的CCI和ICI是否严重,是否会影响服务质量。

(4)负载平衡:好的切换算法应保持小区同种接入技术或异种接入技术之间的负载平衡,这样有助于避免从相邻小区“借用”空闲信道,从而简化了小区规划和运营,并降低新呼叫被阻塞的概率。

(5)优化性能:切换次数应尽量少。频繁地切换会带来大量的切换处理开销,并因此降低通信质量。在切换场景中,切换请求的次数越多,呼叫被拒绝的可能性就越大,并因此导致较高的切换失败概率。

7.3.2 连接性管理

随着多接口终端的出现和普及,异构网络接口间的垂直切换技术局限于同一时刻,只能使用惟一的网络接口,不利于网络资源,尤其是有限的无线网络资源的有效利用。因此,出现了带宽聚合技术,将应用层的数据拆分成多个数据流,允许同时使用多个可用的网络接口进行数据传输,其目的在于有效提高网络资源的利用效率,提高应用层端到端的吞吐量。将移动性管理与带宽聚合技术相结合,会话移动性的研究内容由垂直切换中从多个可用接口中选择一个最佳网络接口变成从可用路径集中选择最佳子集,切换的粒度由网络接口级变成了数据流级,这就是连接性管理(Connectivity Management)。连接性管理比网络接口级的垂直切换更加灵活,也更加适应未来的普适计算环境。

现有的带宽聚合技术可以在数据链路层、网络层、传输层和应用层实现,由于在移动性管理中必然涉及异构的网络系统,因此,在这里,我们只关注与底层网络技术无关的网络层以上的带宽聚合技术与移动性管理的结合,以及这种场景当中的连接性管理问题。下图7.5中(a),(b),(c)所示分别为网络层、传输层和应用层的带宽聚合技术基本思想示意图。

图7.5 带宽聚合技术基本思想示意图

网络层带宽聚合技术的基本思想是只通过多个路径中的一条路径建立TCP连接,但通过多个路径实现数据传输,同时采用隧道技术,将用于路由的源和目的地址对封装在用于标识TCP连接的地址对的外层。但由于多个路径同属于同一个TCP连接,因此所有路径使用同一套拥塞控制机制,其缺点是会因为单个路径上的传输时延大(导致超时重传)或持续的分组乱序(导致快速重传)触发拥塞控制而导致所有路径上的传输性能下降。

传输层带宽聚合技术则对每个路径分别建立连接,并将总体的流量控制与单个路径上的拥塞控制相结合。因此,为每条网络路径单独进行拥塞控制,不会因为单个路径上触发拥塞控制而导致所有路径上的传输性能下降。但是,由于对传输层协议进行了修改,从而存在与现有通用传输层协议的兼容性问题。

应用层带宽聚合技术在应用层进行数据拆分,并通过多个并行的传输层连接实现数据传输。这种方法增加了应用层的复杂性,需要应用层进行数据拆分,同时要求应用层具有一定的数据有序性、可靠性和流量控制等方面的控制功能,与传输层相关功能冗余。将这些现有的带宽聚合技术与移动性管理相结合,连接性管理的关键问题在于如何有效利用动态变化的可用路径集。这里所说的“动态变化”,包括可用路径的动态变化、可用路径上的特性差异,以及单个路径上性能的动态变化多方面的含义。其中的关键功能是路径管理功能,又应包括路径状态监测、可用路径集的动态管理、传输路径集的选择和数据拆分等多个子功能。

(1)路径状态监测子功能负责监测各个路径上的状态参数,监测内容包括路径可用性及带宽和时延等路径性能参数,这些参数作为路径选择和数据拆分的依据。

(2)可用路径集动态管理子功能负责在路径可用性发生变化时对可用路径集进行动态的添加和删除。在路径变得可用时,将其添加至可用路径集,在路径变得不可用时,将其从可用路径集中删除。

(3)传输路径集选择子功能根据一定的策略,从可用路径集中选择一个路径子集用于数据传输。现有研究中,常用的选择方法为AAC(Always-All-Connected),即选择所有的可用路径进行数据传输,而另一种极端情况则是ABC(Always-Best-Connected),即选择性能最佳的一个路径进行数据传输。当然,未来移动性应用场景中的传输路径集选择,必将会类似垂直切换决策,根据应用特性、用户偏好等多种因素,从可用路径集中选择一个恰当的子集用于数据的传输。

(4)数据拆分子功能则根据一定的策略,将要发送的数据进行拆分后在各个路径上分别进行传输。早期带宽聚合研究中采用为每个路径等量分配数据的拆分策略,但这种方法显然不适用于链路特性有差异、并且链路状态不稳定的多接口终端移动性场景。因此出现了根据各个路径上的固定带宽或可用带宽按比例分配数据的拆分策略,是对等量拆分策略的改进,也带来了数据传输效率的提高。未来的数据拆分策略应兼顾路径性能特性的差异和同一路径性能状态的波动,才能更好地适应移动性带来的“动态变化”的特点和需求。

7.3.3 MIH

MIH(Media Independent Handover)是IEEE 802.21办公小组所定义的标准,主要研究异构接入网络之间的切换问题。

在IEEE 802系列办公小组所定义的IEEE 802.11和IEEE 802.16等一系列无线接入网络标准中,只包含了物理层和数据链路层的相关规范,并没有涉及与支持移动性有关的网络层及以上层技术。但随着用户移动性场景的增多和终端智能性和多模性趋势的增强,802办公小组开始意识到,切换已经成为802系列网络中必须关注的重要问题。因此,2002年11月,802办公小组首次发布了指南,组织对切换的研究和讨论,并提出建立一种适用于802系列各种网络的通用的切换机制。并于2003年3月,发布了CFI(Call For Interest)的第一个版本,其中介绍了关于MIH的初步设想及可能存在的问题。802.21办公小组于2004年3月正式成立,开始着手进行MIH的相关研究和标准化工作,并计划于2007年完成标准化工作,2008-2009年实施全面的部署。IEEE 802.21是目前研究的热点之一,也是一个正在发展的标准,其主要工作是异构网络(IEEE 802与非IEEE 802系列)之间的切换与操作问题。MIH所解决的主要问题是切换的性能优化问题,由于MIH可以和多个协议层之间存在接口,尤其是在底层可以与MAC层,甚至是物理层存在接口,因此可以实现跨层优化,为切换的优化提供更大的空间。在MIH的设计之初就考虑到把MIH与MIPv6,HMIPv6相结合,所以把MIH应用到移动IP中具有重要的意义。

MIH的目标是终端设备能够在不同类型的接入介质间实现无缝切换,最终实现与介质无关的切换。其中的不同类型接入介质包括3GPP、3GPP2及IEEE 802系列等规范中定义的各种无线和有线链路。MIH并未涉及实现切换实施过程的网络层及以上层切换支持协议(如MIP、mSCTP和SIP等),而是侧重切换的初始化与准备阶段,通过向上层提供链路层智能及其他与网络相关的信息,协助实现更加准确的网络发现、网络选择和网络接口激活,从而实现异类接入介质之间的切换优化。

IEEE 802.21在低层(二层及以下层)与高层(三层及以上层)之间引入了MIH层,通过MIH服务向高层屏蔽了各种异构的无线和有线网络低层的差异,实现协议栈中低层与高层之间的通信,使得高层对接入不可知,实现跨终端和网络的、跨网络中不同网元的通信,从而实现了对异构接入网络间切换的优化。

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