（通信与信息系统专业论文）终端重配置的网络支撑技术研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 未来，异构的无线接入技术将会组成一个全球分布的协同工作的无线通信系统，称之 为异构无线通信系统。端到端重配置技术是异构网络技术实用的关键技术之一。 本课题源于江苏省高科技研究项目下一代泛在通信网络端到端重配置关键技术 研究。这个项目通过构造一个可重配置的通信系统( 主要包括终端，接入点，网络服务器) ， 来验证终端重配置概念的可行性。本文的主要内容是研究异构接入网系统结构下终端重配 置所需的基本网络支撑技术。 论文首先介绍了终端重配置的基本概念以及国际组织对重配置架构的研究现状，然后 结合u m t s 网络系统讨论了重配置网络的演进方向，分析了重配置支持功能的分布和耦合 场景。 论文对终端重配置的应用需求进行了具体分析，提出了三个典型的终端重配置应用场 景，定义了终端侧与网络侧详细的通信流程，消息格式与消息内容，从而设计出终端重配 置控制协议t r c p 。最后，本文阐述了t r c p 的软件实现，并通过实际的测试结果验证了协 议设计的正确性和有效性。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nf u t u r e ，v a r i o u sr a d i oa c c e s st e c h n o l o g i e sw i l lc o m p o s ea 酉o b a l ，d i s t r i b u t e da n d c o o p e r a t i v ew o r k i n gs y s t e m h e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m e n d - t o - e n d r e c o n f i g u r a t i o ni so n eo fm o s ti m p o r t a n tp r a c t i c a lt e c h n o l o g i e si nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s t h i sd i s s e r t a t i o ni sa b o u tt h ep r o j e c to fr e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g i e so fe n d - t o - e n d r e c o r f f i g u r a t i o ni nn e x tg e n e r a t i o nu b i q u i t o u sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，ap r o j e c to ft h e p r o v i n c eh i g h t e e hr e s e a r c hp r o g r a m t h em a i nt a s ko fp r o j e c ti st op r o v ef e a s i b i l i t yo f r e c o n f i g u r a t i o nt h r o u g hc o n s t r u c t i n gar e c o n f i g u r a b l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e sb a s i cc o n c e p to ft e r m i n a lr e c o n f i g u r a t i o na n dc u r r e n t i n t e m a t i o n a lr e s e a r c ho nr e c o n f i g u r a t i o na r c h i t e c t u r e ，t h e nd i s c u s s e st h ee v o l u t i o no f r e c o n f i g u r a t i o nn e t w o r k sa c c o r d i n gt ou m t ss y s t e ma n da n a l y z e st h ed i s t r i b u t i o na n dc o u p l i n g o fr e c o n f i g u r a t i o ns u p p o r t i n gf u n c t i o n s t h ep a p e ra n a l y z e sr e q u i r e m e n t so fr e c o n f i g u r a t i o na p p l i c a t i o n ，p r e s e n t st h r e et y p i c a l r e c o n f i g u r a t i o ns c e n a r i o s ，t h e nd e f i n e sd e t a i l e dc o m m u n i c a t i o np r o c e d u r e s ，t h es t r u c t u r ea n d c o n t e n to fm e s s a g et od e s i g nt e r m i n a lr e c o n f i g u r a f i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 f i n a l l y , t h ep a p e rg i v e s i m p l e m e n t a t i o no fp r o t o c o la n dp r o v e st h ea v a i l a b i l i t yo ft h ep r o t o c o lt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s r e s u l t s i i 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：三4 4 l 日期：? 互量j 争一 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：毕导师签名：- 1 雌 日期： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 由于移动通信产业的巨大成功和社会对于便捷通信不断增长的要求，近几年来，电子 和通信界在加紧3 g b 3 g 蜂窝移动通信技术开发的同时，又成功开发了多种新的无线通信 技术，例如w i f i 技术，w i m a x 技术、b l u e t o o t h 技术等，这些技术可满足不同的用户需求 和不同的网络应用环境，为高效灵活的通信提供了丰富的可选技术。它们和i p 宽带通信 网络相结合，将支持各种电子通信设备的自由接入，使得用户无论处于何种环境，都能获 得所需的内容，进行所需的通信。正因为如此，异构无线环境是泛在网络实现的重要基础， 但同时由于无线技术的多样性，也给通信网络的组织带来了新的挑战。如何在多无线电环 境下实现用户机器的自动接入、无缝连接和联网通信是泛在网络必需解决的重要研究课 题。 1 1 研究背景 针对于异构移动通信技术，2 0 世纪9 0 年代m i t r e 公司的j o em it o l a 首次明确提出了 软件无线电的概念。软件无线电技术的核心理念是以硬件体系作为整个通信系统的平台， 把尽可能多的无线及个人通信功能用软件方式实现。软件实现的通信功能采用模块化的设 计思路，通过使用各种可替代、可订制的组件化模块完成终端的可重配置能力。 到了2 0 世纪9 0 年代末期，对软件无线电的研究内容出现重要变化。1 9 9 9 年，a c t s 计划的成功促成了欧盟第一届主题为“可重配置无线系统和网络 的研讨会的召开。随后， 人们渐渐抛开把软件无线电看作一种有关无线终端基带射频技术的主流思想，而开始从 系统级的视角关注软件无线电在整个网络体系架构中端到端的应用。此时，端到端的重配 置技术成为软件无线电研究的新方向。 自2 0 0 0 年起，欧共体设立了多个与重配置相关的研究项目，从各个方面探讨b 3 g 应 用背景下终端重配置技术的概念、应用可能性及其对通信业的影响。其中影响比较大的项 目有“端到端重配置( e 2 r ：e n dt oe n dr e c o n f i g u r a t i o n ) ，它是一个为期6 年的项目， 预计2 0 1 0 年完成，其目标是研究重配置技术、设计重配置设备、构建和测试重配置原型 系统，通过上述环节最终证明重配置的概念。e 2 r 也将重配置的网络支持列为其研究内容 之一，针对u m t s 网络环境给出了重配置管理平面功能，着重描述了支持重配置功能的无 线资源管理结构。 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 2 课题介绍 本课题源于江苏省高科技研究项目下一代泛在通信网络端到端重配置关键技术 研究，课题目标是提出重配置终端系统设计技术，包括基带子系统设计方法、无线电软件 实现算法和通用无线链路层协议设计技术，提出终端重配置控制和计费管理重配置设计技 术，包括网络重配置管理体系结构、重配置控制协议设计以及重配置软件下载技术， 提 出业务重配置平台设计技术，包括业务重配置体系结构、和平台无关的业务重配置方法以 及业务重配置中间件平台设计。 课题研究的重配置系统是含有两种无线接入技术的异构接入系统，主要包含可重配置 终端，接入点以及网络侧服务器，其系统结构如图1 1 所示。其中r m t ( r e c o n f i g u r a b l em o b i l e t e r m i n a l ) 代表可重配置终端，可以通过重新配置协议栈接入不同的无线网络。m a p ( m u l t i p l e a c c e s sp o i n t ) 代表复合的接入点( 可以是两个独立的物理实体) ，它提供两种无线接入技术 ( 本课题采用的是w i f i 和w i m a x ) 。s e r v e r 是网络侧的服务器，可以控制终端重配置， 提供业务重配置，以及存贮相应的软件。r m t 接入网络后，可以与s e r v e r 进行通信，得 到重配置所需的信息和数据，从而实现重配置。 图1 - 1 终端重配置实验系统架构 终端重配置系统可以根据终端或网络的需要，对终端协议栈进行重新配置或升级，使 终端无需更换硬件便可以接入不同的无线网络，享受最佳的服务。 本文主要研究的是在上述这种异构接入系统下，终端重配置所需的基本网络支撑技 术，即重配置过程中r m t 与s e r v e r 通信协议的设计与实现。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 3 论文工作 本文反映了笔者在端到端重配置关键技术研究课题的子专题终端重配置网络支 撑技术方面的工作： 1 研究异构无线接入环境下，终端重配置所需的网络支持功能，讨论终端重配置的管理 和控制流程 2 定义重配置过程中终端侧与网络侧的交互消息，设计终端重配置控制协议 本文后续章节安排如下： 第二章介绍重配置系统的最新研究，分析终端重配置基本的网络支撑功能 第三章分析终端重配置需求，定义典型的重配置应用场景 第四章详细设计终端重配置协议 第五章阐述终端重配置协议的软件实现发法，并对程序进行测试仿真 第六章总结与展望 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章终端重配置的网络结构 第二章终端重配置的网络结构 本章首先介绍关于端到端重配置有关的研究概况，然后分析了重配置所需的基本网络 功能，接着提出了基于u m t s 系统演进的重配置网络结构。 2 1 端到端重配置介绍 软件无线电( s d r ：s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ) 技术自1 9 9 2 年由美国人j o em i t o l a 提出以来，就一直被看作是一种应用于无线设备的，实现对多种空中接口技术支持能力的 软件技术。其核心思想可概括为两点，一是使用软件技术和通用处理器硬件实现数字信号 处理过程：二是将a d 和d a 变换器向射频部分靠拢，射频部分使用宽频带接收天线。软 件加载无线电功能的灵活性配合硬件平台提供的宽频带信号处理能力，使得无线设备具备 了支持不同无线制式的能力。随着研究的深入，人们发现仅以制造软件无线电设备为研究 目标，无法充分发挥软件无线电技术的灵活性以及对异构接入技术的支持作用。于是在2 0 世纪9 0 年代末期，人们逐渐抛开传统的把软件无线电看作无线终端基带射频技术的主流 思想，转而从系统层面和体系架构的角度发掘软件无线电在系统级的应用和端到端的实 施。基于这样的研究转变，端到端的重配置技术成为了软件无线电研究目前和未来的主要 方向。【h 1 2 1 1 端到端重配置的基本概念 重配置技术是指针对无线接入环境的异构性特点，已异构资源的最优化使用和用户对 业务的最优化体验为目标，综合可编程、可配置、可抽象的硬件环境以及模块化的软件设 计思想，使网络和终端具备支持多种接入技术，且可灵活适配能力的技术。端到端的概念 是指整个过程会涉及从通信源端到目的端的各个环节，既包括用户终端的结构和功能设 计，也包括网络设备的重配置能力支持。端到端重配置技术基于s d r ，但强调的是系统的 概念，其核心思想是对网络和终端可重配置能力的管理和控制。 端到端重配置研究的首要问题是定义全新的网络架构，该架构以s d r 终端和基站等可 重配置实体为网络架构的基础，结合新的重配置网络管理元素和管理功能，构建起完整的 重配置管理与控制体系，保证软件下载，模式转换等重配置行为的安全实施和有效管理。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章终端重配置的网络结构 此外，重配置研究的另一个重点是可重配置网络的资源管理问题，端到端重配置技术对于 解决目前复杂的异构无线技术共存问题具有重要的意义。一方面，基于s d r 技术的可重配 置网络实体具有多制式支持能力，能够灵活配置和选择所使用的无线技术，从而消除异构 环境中可能出现的系统问干扰和资源不足等问题；另一方面，重配置技术专门研究了针对 异构环境的网络规划和部署机制以及联合的频谱规划和资源管理技术，其目的是实现对不 同网络资源的最优化使用，网络规划和资源管理技术是重配置的核心，也是目前研究的重 点和难点所在1 。因为需要综合考虑异构接入技术在网络结构，资源管理方式等方面的互 补特点，需要定义不同接入子网的耦合结构以及联合无线资源管理策略，同时还需要设计 不同于传统单一网络结构下的资源分配和网络规划算法。 2 1 2 重配置网络架构 在重配置网络架构的研究方面，t r u s t 项目卿定义了完整的重配置管理架构；m o b i l ev c e 项目口1 提出了重配置管理体系的架构。目前影响较大的几种重配置体系架构因为设计目标 和完成时间不同，差异明显。但是这些体系结构仍具有一些共通的设计思路和原则，如不 同架构都以支持终端侧的重配置行为的管理和控制为目标，都基于管理和控制相分离的思 想，都具有类似的功能构成等。下面具体介绍下e 2 r 项目组定义的重配置网络架构。 e 2 r 架构 欧共体启动的f p 6 中设立了集成研究项目e 2 r ( e n dt oe n dr e c o n f i g u r a t i o n ) 8 - 9 o 它 是一个为期6 年的长期项目，预计2 0 1 0 年完成，e 2 r 提出的重配置管理平面的理念对整个管 理功能做了较全面的阐述， 端到端重配置( e 2 r ) 的管理架构重点解决了两方面的问题，一是对可重配置网络元 素的管理，又称为网元管理n 叫。二是在传统的管理平面和用户平面之外，定义重配置管理 平面( r m p ：r e c o n f ig u r a tio nm a n a g e m e n tp l a n e ) u 。 网元管理的研究汲取了以前研究在功能设置，层次划分的经验，将主要功能设置分为 4 个部分：重配置管理功能模块c 埘，重配置控制功能模块c c m ( c o n f i g u r a t i o nc o n t r o l m o d u l e ) ，执行环境以及可重配置协议栈。c m m 和c c m 的设置实现了管理和控制的分离，c m m 负责重配置过程的决策，监控和实施，使管理过程更具通用性；而重配置的具体操作软件 下载，安装，配置参数的变更则由c m m 控制的c c m 来完成。基于软件模块化思想的c a m ，其 扩展能力得以提升。执行环境提供了访问硬件环境的统一接口，屏蔽了底层的实施细节。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章终端重配置的网络结构 可重配置协议栈则是协议功能模块的一个数据库，不同模块的组合构成特定无线制式的协 议栈，模块化的思路利于代码重用，扩展性和灵活性都得到提升n 羽。 r m p 作为一个完整的管理体系框架，融合了平面管理和层管理两方面的内容。在平面 管理模块的设置上，r m p 既包含传统的网络性能管理，业务提供，计费管理，也融入了重 配置管理，软件下载管理和上下文管理等新内容。在层管理功能的设置中，r m p 把重配置 相关的内容扩展为h 5 个管理层次：业务应用的，操作系统的，核心网相关的，接入网相关 的和设备相关的运营维护功能。其中接入网层是重点，它负责异构无线环境的管理，包括 网络元素的管理和网络性能管理。 e 2 r 的管理结构融合了其他研究的优点，功能设计则更强调网络的核心作用。但是研 究尚在起步阶段，机制，算法和接口的定义还有待完善。所以整个架构功能的实施方式还 有待研究。同时，频谱管理和资源管理相关的功能实体也没有体现在整个架构中。这主 要归因于相关研究成果的匮乏，研究相对滞后。 2 2 重配置系统功能 本节讨论的重配置系统功能基于u m t s 网络。u m t s 明确划分了接入网和核心网功能， 其网络结构如图2 1 所示。接入网主要负责无线资源管理，移动管理和位置业务管理等， 主要由m s ( 移动台) ，r n c ( 无线网络控制器) 和n o d e b ( 基站) 组成。核心网主要负责 呼叫管理和交换连接相关的工作。核心网划由电路域和分组域两部分组成。电路域中包括 m s c ( 移动交换中心) 和g m s c ( 网关移动交换中心) 等实体，分组域中包括s g s n ( g p r s 业务支持节点) 和g g s n ( g p r s 网关支持节点) 等实体。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章终端重配置的网络结构 图2 - 1 u m t s 网络结构 3 g p p 一直推动着u m t s 网络的全i p 化发展【1 3 1 ，前后推出了r 9 9 ，r 4 ，r 5 ，r 6 四个 版本，按照目前的发展状况，所有无线接入技术共用一个核心网是极有可能的。现在已经 存在许多异构无线网络融合的方式，比如g s m 和3 g 网络的融合，u m t s 与w l a n 的融 合等。但是这些网络融合方案与通信模式密切相关，缺乏统一的网络结构，如果是多种模 式的融合，网络结构将会变得异常的多样和复杂。 重配置的概念带来了异构网络融合的新思路，我们可以采用统一的重配置网络架构来 实现不同无线接入网络的互联。不同的无线网络可以公用核心网资源，而在接入网层面形 成互补，服从统一的无线资源管理和无线接入控制，使得终端可以通过重配置的方法无缝 的接入网络。 重配置的网络架构对接入网和核心网功能有明确的区分，这一点和u m t s 网络颇为相 似。因此，我们可以在u m t s 网络结构上添加支持重配置的网络功能来实现支持重配置的 网络【1 4 】。这样做不仅可以利用现有的技术节省研发成本，还可以对网络进行平滑的过菠， 减少投资的风险。 重配置网络支持终端在不同无线接入技术之间切换，因此网络实体除了具备已有的切 换管理功能外，还需具备与可重配置终端相关的功能，比如无线资源参数的提供，无线接 入技术的选择，软件下载的支持，这些都要求对现有的r n c ，s g s n 甚至g g s n 进行支持 重配置的功能扩充。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章终端重配置的网络结构 2 2 1 重配置支持功能 重配置支持功能( r s f ：r e c o n f i g u r a t i o ns u p p o r tf u n c t i o n ) 将作为现有网络结构的重要补 充来支持终端重配置管到1 5 1 6 】。为了更为清晰的描述r s f 的功能，它将被作为一个独立实 体对待。但是在具体的网络结构，r s f 将融入到现存的网络实体中。 r s f 主要分为三大功能：模式的选择功能，软件下载功能和切换管理功能。这些功能 将分布在接入网和核心网的不同层面。 模式选择功能帮助终端选择最佳的模式接入网络。模式功能分为模式监测，模式过滤 和模式协商三个子功能。对于2 g 和3 g 的终端来说，可选择的无线接入技术基本是固定的。 因此模式监测和模式过滤( 主要工作是对可用模式进行排队) 对于发现不同的可选方案从 而进行小区的选择是有效的，但是可重配置终端应该更多的考虑终端和用户的需求。而模 式协商提供了终端的决策能力，终端可以和网络协商来选择最合适的接入技术，从而增加 了切换的灵活性。 软件下载功能支持终端把重配置所需的软件模块下载到设备中。软件模块可能位于离 终端最近的本地下载服务器中，也可能位于第三方的软件存储服务器中，比如厂商专门提 供的下载服务器。因此，进行实际下载前，软件下载功能会与无线资源管理模块交互，定 义最佳的下载策略。 切换管理功能支持终端的水平切换和垂直切换。水平切换指同种模式下不同小区的切 换，垂直切换指不同模式间的切换。切换管理功能不仅支持网络发起的切换，还支持终端 发起的切换，并且在切换过程中会综合考虑终端和网络的能力。 图2 2 展示了支持重配置的网络结构和功能分布，这个结构与前面描述的u m t s 网络 层间结构刚好形成映射。根据层面不同，r s f 被划分为不同的功能： ( 1 ) 在终端侧，终端重配置支持功能( t r s f ：t e r m i n a lr e c o n f i g u r a t i o ns u p p o r tf u n c t i o n ) 位于终端应用系统中，与网络侧的重配置支持功能通信完成重配置过程，其中包括空中接 口模式的处理，触发的产生和处理，切换必要性的决策，最佳空中接口模式的选择，请求 切换的执行以及相应的软件下载管理 ( 2 ) 在接入网侧，r a n ( r a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 重配置支持功能( r r s f ：r a nr e c o n f i g u r a t i o n s u p p o r tf u n c t i o n ) 负责无线资源管理，提供接入层面的功能，其中包括模式过滤和模式监 测功能。为了加快决策过程，r r s f 也提供一部分用户信息管理功能，同时还具有切换管 理和软件下载管理的功能。在u m t s 网络中，r r s f 将位于r n c 中。 ( 3 ) 在核心网络侧，服务重配置支持功f i g ( s r s f ：s e r v i c er e c o n f i g u r a t i o ns u p p o r tf u n c t i o n ) r 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章终端重配置的网络结构 位于m s c 或s g s n 中，提供一般的切换管理和相关的模式过滤与模式协商功能，而且上 下文，用户信息和软件下载管理的功能也由s r s f 提供。 ( 4 ) 在网间通信场景下，引入了网关重配置支持功能( g r s f ：g a t e w a yr e c o n f i g u r a t i o n s u p p o r tf u n c t i o n ) 。g r s f 作为网间通信的网关，提供切换管理和模式协商管理，同时还要 执行网间协商的功能。 至团 臣巫圊 l 一一f _ 1 模式协商 i 图2 - 2网络结构中的重配置支持功能分布 2 2 2 网络耦合场景 臣巫囹 匹叠因 不同类型的r s f 以及他们的关联功能入图2 3 所示。图中反映了四种网络耦合场景， 分别为更紧耦合，紧耦合，域内松耦合，域间松耦合。 在更紧耦合方式下，每个网络都在接入网层面进行结合，负责无线接入技术的实体将 连接到同一个r n c 上。r r s f 位于r n c 中，它是两个网络的公共结合点，因此重配置的 通信过程将局限于r r s f 和移动台中。 紧耦合方式与更紧耦合方式一样，也将两个网络结合于接入网层面，但是接入网的耦 合点在m s c 或s g s n 中。相对于更紧耦合方式，其切换协商处理的过程将更加复杂。因 此，移动台在做出切换决策时必须要与他们协商。与移动台直接连接的只有当前接入网的 服务r r s f ，这个r r s f 负责与目标r r s f 联系并进行协商。协商过程一般不涉及s r s f ， 而是利用r n c 之间的直接连接。仅当需要s r s f 提供策略，软件或用户信息时，才要在 r r s f 与s r s f 间进行协商。 域内松耦合移动网络的情况在接入网层面没有连接，取而代之的是将连接点放在了核 心网，在i 斟c 间没有直接连接，协商处理需要在m s c 或s g s n 中的s r s f 中进行，图2 - 3 9 雾 禺霸 南京邮电大学硕士研究生学位论文 中的消息流a 表示s r s f 间的交互。 第二章终端重配置的网络结构 域间松耦合提供了网络间信息交换的公共接口，这种方式通过g m s c 或g g s n 中的 g r s f 交互实现，图2 3 中的消息流b 表示g r s f 间的交互。 不难看出，不同层面网络实体中具备的r s f 功能与网络耦合情况有密切关系。 网络域b 图2 - 3r s f 的耦合场景 1 0 i - l 更紧耦合 l - 2 紧耦合 l - 3 域内松耦合 1 4 域间松耦合 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章终端重配置应用需求分析 第三章终端重配置应用需求分析 本章将提出几个典型的终端重配置应用场景【1 7 1 ，分析重配置过程中终端侧与网络侧的 通信需求，从而为终端重配置控制协议t r c p ( t e r m i n a lr e c o n f i g u r a t i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 的 设计做好铺垫。终端重配置的三个应用场景为：r a t ( 无线接入技术) 切换场景，软件升 级场景和终端初始化场景，下文将逐一介绍。 3 1r a t 切换场景 r a t 切换是终端重配置最典型的场景，终端本身接入技术不能满足需求，或者网络侧 发出重配置请求，终端与网络侧交互选择新的接入技术，下载安装重配置所需的软件从而 接入新的网络。r a t 切换场景下的重配置过程可以分为以下阶段：r a t 切换预备阶段，下 载传输阶段和软件安装阶段【1 8 1 9 1 。 r a t 切换预备阶段又可以分为几个子阶段： ( 1 ) 监测当前p a t ( 2 ) 发现可用p a t ( 3 ) 协商选择r a t ( 4 ) 下载预备 监测当前p a t ：终端接入网络后，监测当前r a t 的各种触发事件，决定是否启动重 配置。触发事件分为内部终端触发和外部网络触发两种。内部终端触发包括：当前r a t 的 q o s 性能变化( 终端在工作时要不断收集当前连接和用户情况的信息，比如收到信号的能 量，噪声，比特率，误码率等。收到这些信息后，终端可以与先前设定好的门限值相比， 如果不能满足某些要求，终端可以自动启动f a t 发现程序) ；用户文档的改变( 个人信息， 偏好，费用限制等) ；用户启动新业务，终端自身性能的变化等。另外，用户还可自己手 动触发模式发现程序。外部网络触发包括：当前p a t 的q o s ( 带宽、延时等) 性能变化， 业务价格变化，网络侧站点、a p 维修或者重配置，用户与运营商合约改变。 发现可用p a t ：终端从网络侧得到当地可用无线接入技术的基本信息。传统的发 现模式是进行频谱扫描，每种通信模式会有自己的频段，而且是固定的。但随着通信网络 堕塞些皇奎堂堡主堑窒生堂篁丝奎兰三量竺塑重墼墨查旦董查坌塑 的发展以及动态网络资源分配和频谱划分概念的提出，每种通信模式的频谱不再固定。而 且，由于多种通信模式，扫描的频率范围会非常广。会影响扫描的时间。因此，我们定义 一条重配置控制信道( r c c ：r e c o n f i g u r a ti o nc o n t r o lc h a n n e l ) 。该信道是e 2 r 定义的 c p c ( c o m m o np i l o tc h a n n e l ) 的扩展啪3 。c p c 的主要作用是在终端开机阶段帮助终端选择 能够附着的无线接入技术。而r c c 除了提供无线接入技术的信息( r a t 类型，频段，业务 等) 辅助终端接入网络外，还将贯穿整个重配置过程，包括控制信息的交互和软件的下载。 协商选择r a t ：终端通过与网络侧交互，从可用r a t 列表中选择最佳r a t 。终端 会向网络请求几种可用r a t 的负载，网络支持的q o s 等级，与用户要求的q o s 等级相应的 费用。终端要结合用户的偏好和自身的能力进行协商，通过一定的算法来选择或拒绝某些 接入技术。例如，某用户参数指示对于频率通话服务的比特率最少要达到2 5 6 k b p s ，而某 种接入技术提供的这项服务不能满足此要求，则终端会拒绝此种技术。当然，实际的算法 会很复杂，要结合终端此时硬件软件的情况综合考虑，预备工作越细节，后期重配置的成 功率也就越大。 下载预备阶段：终端与网络侧交互，为重配置所需的软件下载做好准备。这个阶 段可以包括下载建立，相互认证，性能交互和下载确认交互几个过程。 下载建立：终端与服务器建立连接，甚至可以通过简单的性能交互，来确定下载步骤， 比如下载软件后不需要及时安装，或者不需要某些安全机制作保障。 相互认证：终端与服务器之间进行彼此的身份认证，服务器确保终端能够享受下载服 务，而终端要确保服务器是安全的合法的下载设备。 性能交互：相互认证成功后，终端与网络进行性能交互，确定需要下载的软件模块列 表。终端侧汇报的性能信息可能包括：软件配置，硬件资源，处理能力等。网络侧汇报的 性能信息可能包括：r a t 的软件配置，网络资源等。 下载确认交互：下载列表确定后，网络侧会要终端侧对软件的相关信息进行确认。网 络发送的确认消息中应包括相应的软件描述，下载时间，费用信息等。终端收到此信息， 要对软件进行确认( 检查本地是否存在该软件模块) ，同时对下载信息( 软件大小，费用 等) 也要有所了解，如果同意下载，则向网络回复确认信息，否则拒绝下载。 下载传输阶段：网络侧服务器把相应的软件模块完整正确地传送给终端。这个阶 段主要包括软件的物理传输，下载软件的检验和软件重传机制三方面内容。 物理传输：网络侧收到终端确认下载的消息后，通过下载通道把软件发送到终端。如 果软件模块很大，要进行分段。 下载软件的检验：终端收到软件模块后，要对软件进行检测，确保接收软件的正确性 1 2 塑窒塑皇奎兰堡主婴窒生堂垡堡奎笙三兰竺堂重墼墨查旦重垄坌堑 和完整性。 软件的重传机制：在软件下载完成前，如果下载的模块传送失败，要对相应的模块进 行重传。 软件安装阶段：终端与网络交互，完成下载软件的安装。这个阶段可分为安装预 备，实际安装和测试激活几个过程。 安装预备：软件下载成功后，将贮存在安全的区域，然后终端向网络发起安装请求， 寻要安装许可，网络传输安装许可前，会先发送费用和许可协议。 实际安装：终端同意许可后，便开始软件安装，这里的软件安装就是指协议栈软件模 块的添加或替换。 测试激活：软件安装后，要进行安全测试，测试的向量是和软件一起下载到终端的。 确认安装成功：检测安装成功后，终端会向网络侧发送成功信息，网络侧收到信息后，可 以激活软件和收费。同时终端也会更新自己配置的数据库。 至此，整个重配置过程结束，终端可以用新的无线接入技术与新的网络进行通信。值 得注意的是，终端设备重配置后可能会工作异常，比如发射功率或频率不符规定，对其他 设备产生影响，这时设备应具有能量自检测能力，一旦发现能量异常，就运行相应程序切 断电源或恢复成默认配置。 3 2 软件升级场景 软件升级也是终端重配置应用的种重要场景，终端可以下载和更新相应的协议栈软 件模块来升级自己的配置，从而无需更新硬件便可享受新的技术或服务。在不同重配置场 景的定义中，我们尽量提取它们的相同过程，这种做法可以大大提高设计的效率。因此软 件升级场景下的重配置过程被分为以下阶段：软件升级预备阶段，下载传输阶段和软件安 装阶段。 软件升级预备阶段：终端与网络进行交互，做好升级下载的准备。终端接入网络后， 发现有适合的升级可用，便与网络侧进行性能交互和下载交互，选择需要下载的软件模块。 软件升级场景的下载传输阶段和软件安装阶段都基本与r a t 切换场景类似，这里不再 重复介绍。但值得注意的是，软件升级场景软件安装的实时性不如模式切换场景的要求高， 因为软件更新的请求是周期性由网络侧发起的，而模式切换的模式发现请求是由终端突发 性发起的，同时软件更新不会改变终端的模式，暂时不更新也不会影响终端的基本工作， 1 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章终端重配置应用需求分析 因此我们准许软件升级场景的软件可以非实时安装，也就是说软件下载到终端后，可以暂 时不安装，而由用户决定何时安装。 3 3 终端初始化场景 上述两种场景都是终端接入网络后发生的重配置过程。但有一种特殊情况，终端开机 后，本身的配置不能接入所在区域的任何一种网络，因此终端需要利用一种公共的信道接 入网络，通过重新配置完成初始化接入。这种公共信道在全球具有统一的频段，e 2 r 定义 为带外c p c 。由此可见，终端初始接入网络时也可能发生重配置过程，我们把这种情况定 义为终端初始化场景。 终端初始化场景可以分为以下几个阶段：初始化预备阶段，下载传输阶段和软件安装 阶段。其中初始化预备阶段又可分为默认p a t 选择阶段和下载预备阶段。 默认r a t 选择阶段：终端与网络进行交互，选择默认的r a t 。当地网络可能提供几种 默认的r a t ，终端根据自己的性能许可选择种最佳的r a t ，然后便会进入下载传输阶段 下载选定r a t 的协议栈软件模块。这个过程比r a t 切换场景下的r a t 选择简化很多，因为 此时还没有业务的交互，没有详细协商的必要。同时，对于用户来说，初始化阶段应该更 加快速和透明，才能对“泛在网络 有好的体验。 终端初始化场景的下载预备阶段，下载传输阶段和软件安装阶段都基本与r a t 切换场 景类似，这里不再重复介绍。 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章终端重配置控制协议设计 第四章终端重配置控制协议设计 通过第二章的分析，我们发现重配置支持功能( r s f ) 的具体实现与网络耦 合情况密切相关，不同耦合情况下的端到端通信，在重配置时，需要涉及到不同 的协议设计，本章将就此问题展开研究，设计出服务于重配置的相关协议。 4 1 协议概述 终端重配置控制协议t r c p ( t e r m i n a lr e c o n f i g u r a t i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 是可重 配置终端与网络侧服务器对等应用层用于支持终端重配置的控制协议。协议工作 在应用层，同时依靠t c p 2 2 提供可靠的传输服务。 t r c p 协议可以为三个场景下的重配置通信提供服务，三种场景分别为终端初 始化配置，r a t 切换和软件升级。 终端初始化配置：终端开机后，首先会查找终端上次接入的网络配置信息， 如果存在，利用这些信息接入网络。如果接入失败或没有保存上次接入的配置信 息，通过网络选择可用的默认r a t 。如果本地没有存贮默认配置，则向网络请求 默认配置的下载。下载成功后，采用默认配置接入网络。 r a t 切换：在一个有多种r a t 的环境下，可重配置终端已经接入其中一个网 络，当终端受到发现新网络的触发后，便向网络请求r a t 信息。网络侧向终端提 供可用r a t 的信息，经过协商比较，终端选择一种最优r a t 。但终端的内存中可 能缺少保证此r a t 正常运行的软件模块，因此要通过空中下载的方式将需要的软 件模块下载到本地。软件安全下载后，进行安装，使终端得到重配置，从而可以 用新的模式进行通信。 软件升级：终端接入r a t 后，会周期性向网络侧询问是否有当前r a t 的更新， 这些更新主要指无线电软件，即对物理层或协议栈进行更新的软件。如果网络侧 有适合终端的更新，会向终端发送最新的r a t 配置列表。终端结合r a t 配置列表 和自身的软件配置列表选择需要下载的软件模块，软件通过空中下载的方式下载 到本地。软件安全下载后，进行安装，使终端更新。 仔细分析上述场景，我们发现，在接入网层面，终端初始化和软件升级场景 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章终端重配置控制协议设计 的重配置场景只会涉及到终端和本地r n c 中的r r s f ，属于更紧耦合的情形，而 在r a t 切换场景下，如果新的接入点也由本地r n c 控制，终端只会和本地r n c 中的r r s f 通信，属于更紧耦合的情形，如果新的接入点由其他r n c 控制，且与 本地r n c 有连接，属于紧耦合的情形，其他的情况则属于松耦合情形。 我们重点对更紧耦合情形下重配置通信进行讨论。重配置通信系统结构如图 4 1 所示，n e t s e r v e r 就是r n c 中r r s f 的体现，r m t 通过与n e t s e r v e r 的信 息交互，得到重配置所需的数据或软件，从而实现重配置。实验系统的通信协议 层次结构如图4 2 所示。 r m t 为可重配置终端，它所在的区域存在两种可用的无线接入技术( 例如 a p l 是w i f i 接入点，a p 2 是w i m a x 接入点) 。在初始化和软件升级场景下， r m t 与n e t s e r v e r 通信完成初始化和软件升级，如果在r a t 切换场景，r m t 与n e ts e r v e r 通信完成重配置，从而接入新的网络。 厂 r m t l fl i ，- j 图4 - 1 重配置通信系统结构图 1 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章终端重配置控制协议设计 应用系统 t c p i p 8 0 2 3 矗i n e ts e r v e r 图4 - 2 买验系统通信协议层次结构 r m t 与n e ts e r v e r 都是标准的五层协议结构【2 l 】，其中r m t 的链路层和物理 层是可以重配置的。a p 只具有链路层和物理层，负责数据的转发。本文所要讨 论的是如何设计终端重配置控制协议t r c p ( t e r m i n a lr e c o n f i g u r a t i o nc o n t r o l p r o t o c 0 1 ) 。协议工作在r m t 和n e ts e r v e r 的应用层，使用客户服务器模式，同 时依靠t c p 提供可靠的传输服务。 t r c p 的工作情况如图4 3 所示。在重配置通信时，客户端的t r c p 进程与 服务器的t r c p 进程建立连接，完成重配置过程所需的消息交互和软件下载。与 此同时，客户端的t r c p 进程也会与重配置管理进程交互得到重配置通信所需的 终端信息和反馈。重配置管理进程负责终端重配置过程的管理和控制。当重配置 结束时，客户端和服务器便会释放此次重配置连接。 图4 3t r c p 的工作情况 1 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章终端重配置控制协议设计 4 2 协议过程 本节将根据终端重配置的三种应用场景详细介绍t r c p 的协议过程。 4 2 1 初始化场景的协议过程 终端开机后，如果终端不能利用上次接入配置接入网络，则需要与网络通信 来获取默认配置。这个过程分为以下几个阶段：初始化预备阶段，下载传输阶段 和软件安装阶段。 ( 1 ) 初始化预备阶段 这个过程又可以分为默认r a t 选择阶段和下载预备阶段。 默认r a t 选择阶段 终端开机后，首先用上次存贮的接入配置接入网络，如果接入网络失败，终 端便要通过空中软件下载的方法下载本地默认配置。网络侧会向终端提供几种默 认配置，终端根据自己的内部算法选择唯一的r a t 配置。为了体现终端初始化的 快捷和用户对于终端初始化的透明，此时的r a t 选择不与用户交互。终端向网络 侧发送选定的r a t 信息后，网络就会选择该r a t 相应的软件模块给终端。这个阶 段的协议过程如图4 - 4 所示。 图4 - 4 默认r a t 选择的过程 1 终端侧向网络发送d f l _ r a t _ d i s c o v e r y 消息，询问可用的默认r a t 1 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章终端重配置控制协议设计 2 网络侧将默认配置信息通过d f lr a t _ o f f e r 消息发送给终端，默