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蜂窝网络的移动管理研究 蜂窝网络的移动管理研究 摘要 移动通信是在2 0 世纪8 0 年代开始发展起来的，充满生机的一种现代通信业务。 近些年来，移动通信正在向以c d m a 为基础，以宽带化通信为特征的第三代技术 迈进。伴随移动通信的飞速发展，如何尽力或者完美解决蜂窝网络的移动管理， 实现快速、无缝、平滑的切换，成为了研究的热点。在此过程中先后出现了以m i p 、 s i p 为代表的宏移动管理协议和c i p 、h a w a i i 、m i p r r 、i d m p 之类的微移动管 理协议，此外，一些研究机构和人员提出了大量的改进方案，如：m i p r o ，m i p f f 等等。本文首先从宏移动管理和微移动管理两个方面系统研究了蜂窝网络的移动 管理阀题，讨论和介绍了m l p 、m i p r o 、s i p 、c i p 、h a w a i i 、m i p r r 、i d m p 等协议，并对它们进行了一些比较分析和评价，然后在深入研究这些协议，特别 是i d m p 的基础上提出了基于转发链路的微移动管理方案，并从方案的产生思路 和目标，体系结构，工作机制，实现过程，相关技术及概念等方面对方案进行了 详细描述，最后通过模拟试验和理论分析，以i d m p 为参熙r 对 方案进行了客观 评估。我们完全可以相信，随着研究机构的持续关注、投入和研究人员的不断探 索研究，蜂窝网络的移动管理和移动通信技术一定能够得到彻底解决，人们的移 动梦想一定能够完美实现。 关键词：蜂窝网络，移动管理，宏移动管理，微移动管理，切换，m i p ，m i p r o s i p ，c i p ，h a w a i i ，m i p r r ，i d m p ，f m m ，测试，评估 复旦大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho f m o b i l i t ym a n a g e m e n t f o rc e l ln e t w o r k s a b s t r a c t m o b i l ec o m m u n i c a t i o ng r o w su ps i n c e 8 0a n dh a sag r e a tp r o s p e c t i th a sb e i n g e v o l v e dt o w a r d s3 gw i r e l e s ss y s t e m ，w h i c hi sc h a r a c t e r e db yc d m aa n dw i d e b a n d a t t h es a l t l et i m e ，p i l o tr e s e a r c hh a sb e e n t a r g e t e d t ot h em o b i l i t ym a n a g e m e n to fw i r e l e s s c e l l n e t w o r k s f a s t ，s e a m l e s sa n d s m o o t hh a n d o f fi s h o p e d a n dp u r s u e d s o m e m a c r o m o b i l i t ym a n a g e m e n tp r o t o c o l s ，s u c ha sm i p a n ds i p , a n dm a n ym i c r o m o b i l i t y m a n a g e m e n tp r o t o c o l s ，s u c h a s c i p , h a w a i i ，m i p r ra n di d m p ，h a v eb e e n p r o p o s e d a n d d e v e l o p e d b e s i d e s t h e s e p r o t o c o l s ，s o m e e n h a n c e d s o l u t i o n s ，e g m i p r o ，m i p f f h a v ea l s ob e e np r o p o s e d i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o rh a sr e s e a r c h e dt h e m o b i l i t ym a n a g e m e n to fw i r e l e s s c e l ln e t w o r k si nt h e s y s t e m i cw a y t h ea b o v e p r o t o c o l sa n ds o l u t i o n sh a v eb e e ni n t r o d u c e da n dd i s c u s s e di nt h i sa r t i c l e t h e nt h e a u t h o r p r o p s e d an e w m i c r o m o b i l i t ym a n a g e m e n ts l u t i o n ，w h i c h i sn a m e d f o r w a r d i n g - p a t h - b a s e dm i c r o - m o b i l i t ym a n a g e m e n t ( a b b r e v i a t e da sf m m ) ，b a s e do n t h ea b o v ed e e pr e s e a r c h e s e s p t h er e s e a r c ho fi d m p ad e t a i l e di n t r o d u e t i o na n d p r e s e n t a t i o no ff m m h a sb e e ns u p p l i e di nt h e a r t i c l e ，i n c l u d i n gm o t i v a t i o n ，a i m ， a r c h i t e c h u r e ，s c h e m e ，p r o c e s s ，c o n c e p t ，a n de t e f i n a l l y t h ea u t h o rd i ds o m e p e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n de v a l u t i o n s ，a no b j e c t i v ec o n c l u t i o ni sr e a c h e d w eh o p ea r 汨 b e l i e v et h a ts o m e p e r f a c tm o b i l i t ym a n a g e m e n ts o l u t i o n sw i l l b e d e v e l 9 删c d d e p l o y e d i nt h eb e a rf u t u r e ，a n d p e o p l ew i l lg r e a t l ye n j o yt h em o b i l ec o m m u 南c a t i o n k e yw o r d s ：c e l ln e t w o r k s ，m o b i l i t ym a n a g e m e n t ，m a c r o m o b i l i t ym a n a g e m e n t ， m i c r o - m o b i l i t ym a n a g e m e n t ，h a n d o f f ，m i p ，m i p r o ，s i p ，c i p ， h a w a i i ，m i p r r ，i d m p ，f m m ，t e s t ，e v a l u t i o n 复旦大学硕士学位论文 蜂窝网络的移动管理研究 第一章绪论 1 1 研究背景 1 9 6 9 年，a r p a n e t ( 阿帕网) 在美国西海岸诞生了，经过几十年的发展，基于 t c p i p 体系结构的互联网已经渗透到世界各个角落，成了人们生活的一部分。互 联网已经成为全球最大的信息资源库，各种网络应用的出现，实现了许多人们以 前不可想象的梦想。 移动通信是在2 0 世纪8 0 年代开始发展起来的，充满生机的一种现代通信业务。 在短短的2 0 年间，移动通信已经走过了8 0 年代的第代模拟技术和9 0 年代的第 二代窄带数字技术时代。近些年来，随着无线通信宽带化技术的突破，移动通信 正在向以c d m a 为基础，以宽带化通信为特征的第三代技术发展。 随着移动通信技术和互联网技术的高速发展和融合，如何让人们能够随时、随 地访问互联网成了当前研究的热点。这正是移动管理所要解决的问题。围绕移 动通信系统的移动管理问题，全世界范围内的研究机构、社会团体和高校展开了 如火如荼的广泛而深入的研究，并且已经取得了许多研究成果，如：m i p 、s i p 等 宏移动管理协议以及c i p 、h a w a i i 、m i p r r 、i d m p 等微移动管理解决方案的提 出和应用。然而移动通信系统的移动管理问题非常复杂，如何为最大限度地降低 切换时延，降低报文丢失率，实现快速、无缝、平滑切换仍然是一个非常棘手和 重要的课题，人们仍在朝着理想的目标不断努力和探索。 一一一 、 本文正是在这样一种研究背景下展开了对蜂窝网络移动管理的系统研究1 _ 首先 深入而系统地探讨了宏移动管理和微移动管理问题，然后对一些宏移动管理协议 和微移动管理协议进行了详细的讨论、分析和评价，最后在此基础上，提出了一 个新的微移动解决方案，并进行了评估。 1 2 本文工作 本文的主要研究工作和贡献包括：1 ) 结合移动通信系统的进展，跟踪和探讨 了蜂窝网络移动管理的发展；2 ) 系统探讨了宏移动管理和微移动管理问题；3 ) 对一些比较成熟的移动管理协议进行了深入的理论分析和性能评估；4 ) 在上述研 究和借鉴前人成果的基础上，提出了f m m ( 基于转发链路的微移动管理方案) 这 样一个新的微移动解决方案，并就新方案的体系结构、功能实体、实现机制、报 文格式、操作过程等进行了详细全面的描述。5 ) 基于理论分析和试验评测对f m m 方案进行了客观评估。 1 3 本文结构 复旦大学硕士学位论文 第一帝绪论 本文共分七章，具体描述如下。 第二章背景知识：首先介绍蓝牙技术、i e e e 8 0 2 1 1 系列、h o m e r f 、a dh o c 等无线局域网技术，接着介绍移动通信系统的进展和主流技术，包括g s m 、g p r s 、 w c d m a ，以及i s 一9 5 b 、c d m a 2 0 0 0 等。最后讨论了蜂窝网络移动管理的发展。 第三章宏移动管理：首先是对m i p 解决方案的研究，包括：m i p 的产生、体 系结构、工作机制及注册、报文收发等关键技术，并介绍了m i p 在c d m a 2 0 0 0 和 w c d m a 系统中的部署和应用，最后讨论了m i p 在解决移动管理方面存在的问题 和局限性，导出了m i p 路由优化方案和微移动管理解决方案。接着简单介绍了m i p 路由优化方案和s i p 解决方案。 第四章微移动管理：首先是微移动管理的提出。接着是对c i p 、h a w a i i 、 m i p - r r 、i d m p 等微移动管理协议的研究，包括：体系结构、工作机制及这些协 议中的一些关键技术和实现方法，如：c 1 p 的路由缓存和呼叫缓存，h a w a l l 的路 径更新，m i p 的区域注册等。其中i d m p 是讨论重点，一方面是因为i d m p 是新 近提出的较为优秀的微移动解决方案，它具有：等级化结构，支持3 g 、4 g 蜂窝 技术，不依赖于m i p 等宏移动解决方案等优点和特点，另一方面更为重要的是因 为本文第五章提出的f m m 方案是在借鉴i d m p 协议的基础上形成的。对i d m p 协议的研究包括：体系结构，地址分配、 数据收发、快速切换机制、呼叫支持等。 较和评价。 首次注册、域内移动管理、位置更新、 本章晟后一部分是对上述协议的分析比 第五章基于转发链路的微移动管理方案( f m m ) ：是本论文关键创新部分，在 这里，作者提出并且详细完整地描述和介绍了f m m 方案进行，包括：协议的目标 和形成思路、体系结构、实现细节和主要技术，如：注册、p a 内的移动管理、数 据报文转发、快速切换机制、呼叫支持等。 第六章f m m 方案评估：是本论文的另一个重点，在该章节作者以i d m p 为参 照，对自己的方案从定量和定性两个方面进行了客观评估，主要包括：性能评测， 理论上的分析和比较，结论三部分。 第七章总结本文工作，指出存在的不足和进一步的研究方向。 复县大学硕士学位论文 蜂窝删络的移动管理研究 第二章背景知识 2 1 无线技术与业务简述 无线网络分为无线广域网和无线局域网。无线广域网主要包括g s m 、g p r s 、 i s 9 5 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 等这样一些移动通信系统。由于蜂窝 概念的出现开启并推动了移动通信的发展，并且当前移动通信系统的实现都是基 于蜂窝概念和技术，人们也就不加区分地将无线广域网、移动通信系统和蜂窝网 络等同理解和使用，本文亦循此则，不作区分。无线局域网包括由i e e e 8 0 2 1 1 、 蓝牙( b l u e t o o t h ) 、家庭射频( h o m e r f ) 等技术构成的网络以及a dh o e 网络。 2 2 无线局域网技术 2 2 1 蓝牙技术 蓝牙技术是一种支持点对点或点对多点的话音、数据业务的低功率、短距离无 线通信技术，采用一种灵活的无基站的组网方式，最高传输速率可达1 m b p s 。 1 9 9 4 年，爱立信公司为了寻求种在短距离范围内实现无线电话同p c 、耳机 及台式设备之间互联的技术，开始着手蓝牙技术的研发工作。1 9 9 8 年5 月，爱立 复旦大学硕士学位论文 第一二帝背景知识 信、诺基亚、i n t e l 、东芝和i b m 等5 家世界著名的计算机和通信公司共同组建了 蓝牙特殊利益集团( s i g ) 。此后，3 c o m 、l u c e n t 、m o t o r o l a 和微软公司加入蓝牙 s i g ，与原有的5 家公司一起成为蓝牙特殊利益集团的9 个领导成员。蓝牙s i g 采 取无偿向全世界转让该项专利技术的策略，以实现其全球统一标准的目标。 2 2 2i e e e 8 0 2 。1 1 系列 8 0 2 1 l 主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户终端的无线接入， 业务主要限于数据存取，速率最高达2 m b p s 。是1 e e e 制定的第一个无线局域网标 准。 由于8 0 2 1 l 在速率和传输距离上不能满足人们的需要，因此，i e e e 又相继推 出了8 0 2 1 l b 和8 0 2 1 1 a 两个新标准，扩充了业务范围，提高了传输速率。其中 8 0 2 i l b 的传输速率可达1 1 m b p s ，8 0 2 i l a 的传输速率可达5 4 m b p s 。 2 2 3h o m e r f h o m e r f 是由h o m e r f 工作组开发的，是在家庭区域范围内任何地方在p c 和 用户电子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准。h o m e r f 工作频率为 2 4 g h z ，支持语音和数据，速率可达l l m b p s 。 2 2 4 a dh o c 网络 a dh o c 网络产生于7 0 年代早期美国国防部高级研究计划署的p r n e t 和s u r a n 项目，是无线移动节点构成的动态自治网络，是一种可以根据需要随时快速搭建 的无线网络。无线移动节点之间的通信没有中心访问节点和基站的参与，两个通 信节点的路由是由网络中的其它无线移动节点来承担的，不需要任何其它网络基 础设旖的支持。a dh o c 网络主要具有：动态拓扑结构、带宽限制、能量限制、安 全要求、自治和没有基础设施等特点。a dh o e 网络主要用于：军事、紧急搜寻和 救援、恶劣环境中的数据获取和通信、商业以及虚拟教室等领域和情形。 2 3 移动通信系统的进展 移动通信是在2 0 世纪8 0 年代开始发展起来的，充满生机的一种现代通信业务。 在短短的2 0 年间，移动通信已经走过了8 0 年代的第代模拟技术和9 0 年代的第 二代窄带数字技术时代。第一代模拟系统对应的接入技术是频分多址技术f d m a ， 它仅能提供9 6 k b p s 通信带宽。其典型系统，如美国的先进模拟电话系统a m p s 、 北欧的移动电话系统n m t 、英国的全接入通信系统t a c s 等。第二代窄带数字系 复旦大学硕士学位论文 蜂掰l 哪终的移动管理研究 统的接入技术主要有时分多址技术t d m a 和码分多址技术c d m a 两种，它可以 提供9 6 2 8 8 k b p s 的传输速率。其典型系统，如欧洲的全球移动通信系统g s m 、 北美的数字增强型系统i s 9 5 a b 、日本的个人数字蜂窝系统p d c 等。无论是第一 代还是第二代，都主要是解决话音通信的问题。 近些年来，随着无线通信宽带化技术的突破，移动通信正在向以c d m a 为基 础，以宽带化通信为特征的第三代技术发展。第三代技术的发展动力主要来自三 个方面：一是原有第二代系统使用的频率资源较少，不到1 0 0 m h z ，且其频谱利用 率相对较低，加上新的数据业务的不断推出，使得目前在一些国家和城市的中心 地带容量严重不足；而第三代移动通信系统的频谱资源至少在2 3 0 m h z 以上，且 频谱利用率较高，覆盖范围更广，性能更好，从而可以很好地解决现有业务的拓 展问题。二是随着社会信息化进程的加快，人们对移动数据业务的需求越来越高， 尽管目前第二代系统也可以开展一些数据业务，但由于受带宽的限制，无法适应 开展诸如视频电话、电子商务、高速数据、流媒体和视频点播等数据多媒体业务 的需要：而第三代系统可以针对不同的业务应用，提供从9 6 k b p s 直至2 m b p s 的 接入速率，从而很好地满足这种需要。三是全球一体化的进程迫切需要全球统一 的移动通信设备，以实现全球漫游的需要，但是第二代移动通信系统多制式的空 中接口和网络设备，难以实现这个要求。 目前，国际电联接受的第三代移动通信系统标准主要有三个，即美国提出的 c d m a 2 0 0 0 ，欧洲和日本提出的w c d m a 和我国提出的t d s c d m a 。它们普遍具 有频谱利用率高、覆盖范围广、性能好、可以适应宽带多媒体通信要求等特点。 移动通信系统向3 g 的演化过程见图2 1 。 图2 1 移动通信系统向3 g 的演化 2 3 1g s m 向3 g 的演化 复旦大学硕士学位论文 2 3 1 i 全球移动通信系统g s m 全球移动通信系统g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 是全球最 成熟的数字移动电话网络标准之一，目前世界上大概有6 5 的手机使用的标准是 g s m 。 g s m 系统主要包括：移动交换中心m s c ( m o b i l es w i t c h i n gc e n t e r ) 、基站系 统b s s ( b a s es t a t i o ns u b s y s t e m ) 和移动台m s ( m o b i l es t a t i o n ) ，基站系统包括基 站控制器b s c ( b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ) 和基站收发系统( b a s et r a n s c e i v e rs t a t i o n ) ， 如图2 2 所示。移动交换中心通过m s c 网关( g m s c ) 与电话网p s t n 相连，进 行所有的信令处理，以建立与移动台的通信联系。基站系统可以覆盖一个或若干 个无线小区。基站系统提供无线信道，以建立在b s s 覆盖范围内与移动台的无线 通信。移动台就是通常说的手机，是连接移动网络的终端设备。移动交换中心通 过公用陆地移动网络p l m n ( p u b l i cl a n dm o b i l en e t w o r k ) 与其它g s m 网络连接。 g s m 中重要的数据库有：归属位置寄存器h l r ( h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ) 、拜访 位置寄存器v l r ( v i s i t i n gl o c a t i o nr e g i s t e r ) 、设备标识寄存器e i r ( e q u i p m e n t i d e n t i t yr e g i s t e r ) 和鉴别中心a c ( a u t h e n t i c a t i o nc e n t e r ) 。 图2 2g s m 网络的体系结构 2 3 1 2 通用分组无线业务g p r s 通用分组无线业务g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是在全球移动通信系 统g s m 网络上开通的一种新型分组数据传输业务。g p r s 由欧洲电讯标准研究院 制定，属于二代半移动通信系统。g p r s 主要是在移动用户和远端的数据网络，如 支持t c p i p 和x 2 5 的网络之间提供一种连接，从而给移动用户提供高速无线i p 和无线x 2 5 业务。g p r s 的主要优点是：第一，连接建立快和传输速率高。g s m 连接建立需要几秒的时间，传输速率限制在9 6 k b p s ：g p r s 连接建立小于1 秒， 最高的理论传输速率为1 1 5 2 k b p s 。第二。永远在线，基于传输流量计费。g s m 计 复旦大学硕士学位论文 6 蜂四则络的牡动管螳驯究 费基于连接的时间：而g p r s 基于为用户传输的数据量，这点非常适合具有突发 特性的分组业务。 g p r s 网络是基于现有的g s m 网络来实现的，并且需要增加一些功能节点， 如服务g p r s 支持节点s g s n ( s e r v i c eg p r s s u p p o r t i n gn o d e ) 和网关g p r s 支持 节点g g s n ( g a t e w a y g p r s s u p p o r t i n g n o d e ) 。g p r s 网络的参考模型如图2 3 所 示，下面对图中重要节点和接口进行说明。 ( 1 ) s g s n ：主要功能是对m s 进行鉴别和移动性管理，进行路由选择，建 立m s 到g g s n 的传输通道，接收基站系统透明传送来的m s 数据， 进行协议转换后通过g p r s 骨干网( 也称内部p l m n ) 传送给g g s n ， 或反向传输数据，并进行计费和业务统计。 ( 2 ) g g s n ：这是用于接入外部数据网络的节点，对于外部网络它就是一 个子网路由器。g g s n 接收m s 发送的数据，路由到相应的外部网络； 或接收外部网络的数据，根据其地址选择g p r s 网内的传输通道，传 送给相应的s g s n 。另外，g g s n 还具有地址分配和计费功能。 ( 3 ) g b 接口：这是b s c 和s g s n 之间的接口。它支持移动管理功能和会 话功能，如g p r s 接入分离、安全、路由区更新、数据连接信息的激 活去激活等，同时支持m s 分组业务经b s c 到s g s n 的传输。 ( 4 ) g n g p 接1 3 ：这是s g s n 和g g s n 之间的接口，支持两者之间信令和 数据信息的交换。其中g p 是s g s n 到其它p l m n 网络的g g s n 接1 3 。 ( 5 ) g r 接口：这是s g s n 与h l r 之间的接口，通过m a p 信令传输用户数 据、当前s g s n 地址、位置信息等。 ( 6 ) g s 接1 3 ：这是s g s n 与m s c v l r 之间的接口，用来支持s g s n 和 m s c v l r 之间的工作，使s g s n 能够传送m s 的位置信息到 m s c v l r ，或接收m s c v l r 的呼叫信息，从而可以节约无线资源。 ( 7 ) g d 接口：这是s g s n 与s m s g m s c 之间的接口，支持通过g p r s 的 分组业务信道传输短消息。 ( 8 ) g c 接口：这是g g s n 与h l r 之间的接口，支持g g s n 从h l r 获得 m s 的位置信息，从而支持g g s n 的分组数据业务。 ( 9 ) g i 接口：这是g g s n 与外部公共或私有分组数据网络之间的接口。这 个接口所支持的协议不是由g p r s 标准制定的，根据互通的数据网络 而采用相应的i p 协议或x 2 5 协议。 ( 1 0 ) u m 接口：这是空中接口，其射频部分与g s m 相同，但是逻辑信道增 加了分组数据信道，支持多个时隙，最多8 个的合并传输方式。 复且大学硕士学位论文 第二章背景知识 一s 镕n a l u n $ l t a t e r l a e s 雄n a m l 唑a n dd a n 1 - r a n s i ；，rh l 址r l h c e 幽2 3g p r s 网络的逻辑结构 2 3 1 3w c d m a w c d m a 源于欧洲和日本几种技术的融合，系统的核心网是基于g s m m a p ， 同时通过网络扩展方式提供在基于a n s i - 4 1 的核心网上运行的能力，可以从第二 代g s m 系统逐步演进。w c d m a 支持一条连线上传输多条并行业务，支持高速率 的分组接入；采用更加灵活的系统操作，包括支持基站间的异步操作、支持自适 应天线阵技术与多用户检测的技术、支持非平衡频带下采用时分双工的模式，采 用单信元频率复用等。 2 3 1 4t d s c d m a t d s c d m a 是由我国信息产业部电信科学技术研究院提出，与德国西门子公 司联合开发。主要技术特点：同步码分多址技术、智能天线技术和软件无线电技 术。首先，t d s c d m a 采用时分双工模式t d d ，载波带宽为1 6 m h z 。t d d 是一 种优越的双工模式，因为在第三代移动通信系统中，需要大约4 0 0 m h z 的频谱资 源，在3 g h z 以下是很难实现的。而t d d 则能使用各种频率资源，不需要成对的 频率，能节省未来紧张的频率资源，而且设备成本相对比较低，比f d d 系统低 2 0 0 0 , - - 5 0 。特别对上下行不对称，不同传输速率的数据业务来说t d d 更能显示出 其优越性。第二，t d s c d m a 独特的智能天线技术，能大大提高系统的容量，特 别对c d m a 系统的容量能增加5 0 ，而且降低了基站的发射功率，减少了干扰。 第三，t d s c d m a 软件无线技术能利用软件修改硬件，在设计、测试方面非常方 便，不同系统间的兼容性也易于实现。t d s c d m a 核心网络基于g s m m a p ，与 复旦大学硕士学位论文 蜂窝驯络的秽动雀刖埘i 宄 第二代移动通信系统g s m 有很好的兼容性。当然，t d s c d m a 也存在一壮缺陷 它在技术的成熟性方面比c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 要欠缺一些。 2 3 2 c d m a 向3 g 的演化 2 3 2 1i s 一9 5 a 儿； 1 9 9 3 年7 月，美国电信工业协会t i a 颁布了基于c d m a 的美国数字蜂窝移动 通信系统，采用q u a l c o m m 公司的c d m a 空中接口规范，即i s 一9 5 系统。它一经 出现就显示出强大的竞争能力和应用前景。美国t i e i a 于1 9 9 5 年5 月完成了对 i s 9 5 标准的修订，推出i s 9 5 a 标准。i s 9 5 系统向更高速率业务的进一步发展开 始于1 9 9 6 年，并于1 9 9 9 年3 月完成i s 9 5 b 标准的制定工作。在i s - 9 5 a 中，一个 用户只能使用一个码道；而i s 9 5 b 系统中，一个用户可以使用8 个码道，这使得 系统可以支持的最高数据速率达到1 1 5 2 k b p s ，基本上是i s 9 5 a 系统的8 倍。1 9 9 8 年初，i s 9 5 系统在美国、香港、新家坡和韩国投入商用，韩国成为最大的市场， 用户超过8 0 0 万。由此，美国和韩国等国家提出了以i s 一9 5 为基础向宽带方向发展 的第三代移动通信系统的候选标准c d m a o n e ，后来改为c d m a 2 0 0 01 x 。除了无 线接入技术不同外，i s 9 5 a j b 的网络结构与g s m 很相似，包括移动台、基站系统、 移动交换中心、归属位置寄存器等。 2 3 2 2c d m a 2 0 0 0 c d m a 2 0 0 0 由美国提出，核心网络基于a n s i 一4 1 ，是由i s 9 5 a b 系统演进而 来的，并向下兼容i s 一9 5 系统。c d m a 2 0 0 0 系统继承了i s 9 5 系统在组网、系统优 化方面的经验，并进一步对业务速率进行了扩展，同时通过引入一些先进的无线 技术，进一步提升了系统容量。c d m a 2 0 0 0 系统在空中接口方面完全向下兼容 i s 一9 5 系统。在核心网络方面，c d m a 2 0 0 0 系统继续使用i s 。9 5 系统的核心网来处 理电路型业务，如话音业务和电路型数据业务；同时在系统中新增加分组域设备， 如分组数据服务节点p d s n ( p a c k e t d a t as e r v i n gn o d e ) 来处理分组数据业务。因此 在建设c d m a 2 0 0 0 系统时，原有i s 一9 5 的网络设备可以继续使用，只要新增加分 组域设备即可。 2 4 蜂窝网络移动管理的发展 2 4 12 g 蜂窝网络( g s m ) 的移动管理 移动台m s ( m o b i l e s t a t i o n ) 通过m a p 报文( m o b i l ea p p l i c a t i o n p a r tm e s s a g e l 向归属位置寄存器h l r ( h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ) 报告自己的当前位置，并完成认 证。拜访位簧寄存器v l r ( v i s i t e dl o c a t i o nr e g i s t e r ) 用于为用户或者说m s ( m o b i l e s t a t i o n ) 缓存必要的本地信息。m s 在位置区域l a ( l o c a t i o n a r e a ) 之间移动时更新 复旦大学硕士学位论文 第一章背景知识 位置信息。 图2 4 是当某一p s t n 用户呼叫g s m 用户时，通话连接建立过程的示意图。 从中也可以间接反映出g s m 网络中移动管理的实现和使用情况。图中归属网络、 拜访网络均是独立的g s m 系统，两者以及电话网p s t n 通过p l m n 网络连接起来， 具体通话建立过程描述如下： ( 1 ) 固定电话机发起呼叫。 ( 2 )电话网交换机根据被呼移动台号码m s i s d n 向归属位置寄存器查询路 由号码。 ( 3 )归属位置寄存器向移动台当前漫游的拜访位置寄存器查询路由号码。 ( 4 ) 拜访位置寄存器将移动台的临时路由号码返回归属位置寄存器。 ( 5 )电话网的交换机得到移动台的临时路由号码。 ( 6 ) 电话网的交换机将呼叫转发到拜访网络。 ( 7 ) 拜访网络的移动交换中心通过呼叫发现移动台的具体位置，在公用控制 信道通知移动台。如果移动台响应，通话建立。 图 电话机 1 图2 4g s m 电话建立过程的示意图 2 4 22 5 g 蜂窝网络( c p r s ) 的移动管理 g p r s 标准的定义起于1 9 9 4 年，到1 9 9 7 年底基本完成，目前处于大规模部署和 局部运营阶段。从技术角度讲，g p r s 已经成熟。g p r s 提供了一整套完善的移动管 理方案。g p r s 中的移动设备m d ( m o b i l ed e v i c e ) 通过s g s n 节点向h l r 报告自己 的当前位置。g p r s 中的位置区域单位称为路由区域r a ( r o u t i n ga r e a ) ，相当于g s m 中的l a 概念。g p r s 的位置管理与g s m 基于l a 的位置管理兼容，可以为同时使用 g s m 和g p r s 的移动终端提供有效的呼叫支持( p a g i n gs u p p o r t ) 。 在g p r s 网络中。移动切换根据实施层次的不同分为物理层切换、链路层切换 和网络层切换。前两种切换时延小，切换频率大；网络层切换频率相对较少，切 换时延大。图2 5 示例了g p r s 移动切换的层次结构。 复旦大学硕士学位论文 1 雷 蜂窝网络的移动管理研究 当移动设备m d ( m o b i l ed e v i c e ) 在同一基站控制器b s c ( b a s e s t a t i o nc o n t r o l l e r ) 下不同蜂窝间移动时，移动切换由b s c 执行，属于物理层切换。当m d 在同一 g p r s 服务支持节点s g s n ( s e r v i n g g p r s s u p p o r t n o d e ) 下不同蜂窝间移动时，移 动切换由s g s n 执行，属于链路层切换；由于s g s n 已经存贮了m d 连接 ( a t t a c h m e n t ) 时的p d p ( p a c k e td a t ap r o t o c 0 1 ) 等信息，s g s n 只需重新赋予m d 一个新的链路层地址p t m s i ( t e m p o r a r y m o b i l es u b s c r i b e ri d e n t i t y ) 即可。当m d 在不同s g s n 下的蜂窝间移动时，移动切换属于网络层切换。切换步骤较为复杂。 首先旧的s g s n 必须将p d p 等信息传送到新的s g s n ，新的s g s n 仓q 建链路层连 接到m d ：第二步，新的s g s n 更新相关g p r s 网关支持节点g g s n ( g a t e w a y g p r s s u p p o r t n o d e ) 中的路由信息：第三步，归属位置寄存器h l r ( h o m e l o c a t i o nr e g i s t e r ) 和拜访位置寄存器v l r ( v i s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r ) 中关于m d 的位置和路由信息由 新的s g s n 更新。 移动设备，基站收发系统，基站控制器，g p r s 服务支持节点，g p r s 嘲关支持节点，拜访位置 寄存器归属位置寄存器 图2 5g p r s 中移动切换的结构示意图 2 4 33 g 蜂窝网络的移动管理 随着移动通信的发展，3 g 技术和方案逐渐成熟，3 g 蜂窝网络的移动管理日益 成为研究热点。首先移动i p ( m o b i l i t yi p ，? d i p ) 被提出并用于解决网络层移动管 理，其后出现了解决m i p 方案中“三角路由”问题的m i p 路由优化方案m i p r o 和 针对i p v 6 框架的m i p v 6 协议。在稍后阶段，人们又提出了应用层移动管理方案s i p 协议( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 。目前，为了实现移动通信系统中的快速无 缝切换，人们根据移动通信终端的移动特点，提出了包括c i p 、h a w a i i 、m i p r r 、 i d m p 在内的一系列微移动解决方案，试图更为合理和完善地解决移动通信系统中 的移动管理问题，并取得了很好的成效，出现了t e l e m i p 这样的完整解决方案。 复旦大学硕士学位论文 第二三章宏移动管理 第三章宏移动管理 3 1m i p 解决方案 3 1 1m i p 的产生 在传统的i p 协议中，由于i p 地址的结构特性，考虑到特定主机路由方式的路 由效率，大部分的路由器往往选取网络前缀路由作为其主要路由策略，即根据报 文目的i p 地址的网络前缀与路由表项中的网络前缀的匹配结果来决定路由选择。 在这种情况下，当移动主机改变了接入点、到达了一个具有不同网络前缀的外部 网络以后，发向该移动主机的报文根据其目的i p 地址的网络前缀，将被转发到原 先接入的网络，从而造成报文的丢失，移动主机将无法接收到发向该移动主机的 报文。 为了解决这个问题，为移动主机提供移动性支持，移动i p ( m o b i l ei p ，m i p ) 被提出并得到成熟发展和应用。在m i p 协议中，每个移动主机在其“归属网络” 上有一个唯一的“归属地址”。与移动主机进行通信的远端通信节点既可以是移动 的，也可以是静止的。远端通信节点与移动主机通信时，总是用移动主机的归属 地址把报文发送到移动主机的归属网络上，而不考虑移动主机的当前位置。在归 属网络上有一个“归属代理”维护移动主机的位置信息。当移动主机移动到外地 链路的时候，会在外地链路上申请一个“转交地址”并向归属代理注册，以使归 属代理了解移动主机的当前位置。当发向移动主机的报文到达该移动主机的归属 网络时，归属代理将截获该报文，通过“隧道技术”发送到移动主机。 3 1 2 体系结构 复旦大学硕士学位论文 图3 1 使t i _ i j 外部代理转交地址的m i p 体系结构 蜂掰州络的移动管理研究 _ - 。 。- 零麟。 图3 2 使用配置转交地址的m i p 体系结构 移动主机m h ( m o b i l eh o s t ) 移动主机指那些可以将接入因特网的位置从一条链路切换到另外一条链路上， 而仍然能保持所有正在进行的通信，并且只使用其归属地址的那些节点。m h 有时也称为移动节点m n ( m o b i l en o d e ) 。 归属代理h a ( h o m ea g e n t ) 归属代理是归属网络( h o m en e t w o r k ) 上的一个路由器，主要功能是保持移动 节点的最新位置信息，通过隧道方式转发属于m n 的数据包。 外部代理f a ( f o r e i g na g e n t ) 外部代理是外部网络( f o r e i g nn e t w o r k ) 中的一个路由器，当移动节点注册 后，作为删的默认路由器，通过封装或解封装，转发来自m n 或h a 的数据包。 3 1 3 协议术语 归属地址( h o m ea d d r e s s ) 每一个移动节点都有其所属的网络。该网络被称为其归属网络，归属代理也在 归属网络中。归属地址就是移动节点在其归属网络中所分配的i p 地址，移动 节点在不同网络间切换时其归属地址保持不变。 转交地址c o a ( c a r e o fa d d r e s s ) 由于i p 路由协议是根据网络i p 地址前缀进行路由选择的，如果当移动节点不 在其归属网络的时候依然使用其归属地址进行通信，那么发往该移动节点的报 文将无法正确地发送到移动节点。解决这个问题的一个简单方法就是为移动节 点分配一个属于当前访问网络的新地址，称其为转交地址。当该移动节点在外 部访问网络中移动的时候，将一直使用该转交地址进行通信。 有两种类型的转交地址：外部代理转交地址和配置转交地址。 外部代理转交地址( f o r e i g na g e n tc a r e o f a d d r e s s ) 外部代理转交地址可以是外部代理的任一个i p 地址，只要外部代理至少有一 复旦大学硕士学位论文 第三章宏移动管挫 个端口与移动节点当前所连接地外地链路相连就可以了，因此外部代理转交地 址的网络前缀并不一定与外地链路的网络前缀相同，多个移动节点可以同时共 用一个外部代理转交地址。 配置转交地址( c o l l o c a t e dc a r e o f a d d r e s s ) 配置转交地址是暂时分配给移动节点的某个端口的i p 地址，其网络前缀必须 与移动节点当前所连接的外地链路的网络前缀相同。当外地链路上没有外部代 理时，移动节点可以使用这种转交地址。一个配置转交地址同时只能被一个移 动节点所使用。 隧道技术( t u n n e li n g ) 把一个报文当作另一个报文的有效载荷在另一个报文中进行传送的技术称为 隧道技术。在m i p 中，当一个节点要与一个不在归属网络的移动节点进行通信 时，需要先将报文发送到该移动节点的归属网络。然后h a 再根据其维护的移 动节点的位置信息，将报文以隧道的方式传送到移动节点当前所访问的网络。 此时整个报文共有两层i p 地址：外层目的地址是该移