卫星-地面融合网络无缝切换技术研究

兰洪光，夏小涵，张晓宁，吴建军

（北京大学信息科学技术学院卫星与无线通信实验室，北京 100871）

技术研究

卫星-地面融合网络无缝切换技术研究

兰洪光，夏小涵，张晓宁，吴建军

（北京大学信息科学技术学院卫星与无线通信实验室，北京 100871）

卫星通信系统与地面通信系统的融合逐渐受到人们的关注，卫星-地面融合网络无缝切换技术也成为研究的重点。现有的异构网络无缝切换技术都是基于地面通信系统的，因此需要设计卫星-地面融合网络的无缝切换网络架构和相关协议。本文提出了卫星-地面融合网络架构，并参考标准的无缝切换协议参考模型设计了适合卫星通信系统的协议模型。使用改进的IEEE 802.21作为初始化准备协议。为了减少丢包率，使用SIP软切换完成业务切换。

卫星通信系统；无缝切换；IEEE 802.21；MIH；SIP软切换

1 引言

近年来，移动通信和无线接入技术发展迅速，用户对各种新业务的需求逐渐加大。在下一代网络中，多种异构接入网络互相融合，提供多样化的接入服务，实现无缝的移动，使我们能够随时随地接入网络并享受丰富多彩的移动业务。地面移动通信系统具有成熟的移动性管理机制，但是覆盖范围不够大。卫星移动通信系统作为地面移动通信系统的重要补充，能够实现更大范围的移动通信。本文重点研究卫星移动通信系统和地面移动通信系统无缝切换的网络架构、协议、信令等内容。

在星地融合网络中，为了能够让用户随时随地享受网络服务，并感觉不到底层网络的改变，业务的星地无缝切换以及移动性管理成为重要的研究课题。本文首先了介绍了星地融合网络的网络架构，并添加了相关的接口。然后介绍了移动性管理技术，包括移动性管理相关概念和垂直切换的几种方式。接着设计了星地融合网络的无缝切换架构、协议、信令等。最后，对星地融合相关技术和下一步工作进行了展望。

2 星地融合网络架构

在未来的通信系统中，各种接入技术并存且相互补充。各种网络在带宽、延时、覆盖范围等方面存在差异，接入网络的融合是必然的趋势。地面网络技术中，UMTS是典型的移动通信系统，移动性管理功能强、带宽高、覆盖范围相对广。卫星通信系统能够覆盖全球大部分地区，不受地理、天气和环境的限制，是地面网络的有力补充。所以，本文主要研究卫星通信系统与地面通信系统UMTS的无缝切换技术。具体融合网络架构如图1所示。

图1 星地融合网络架构

在本架构中，移动终端能够同时接入卫星网络和UMTS网络。在拥有UMTS网络的区域，用户通过UMTS接入网络进行通信。当用户移动到沙漠、海洋等UMTS无法覆盖的地方时，移动终端能够自动连接卫星网络并进行业务的无缝切换，使得业务不中断。反之，当移动终端移动到UMTS能覆盖到的地方时，将连接网络质量好的UMTS网络通信并进行无缝切换。

卫星接入网络使用地面的UMTS的核心网，并且可以接入到PSTN，IMS，以及IP网络中。在卫星网络中，网络控制中心（NCC）是卫星运营商的网络控制中心，保存卫星网络用户的个人信息，完成卫星终端的接入鉴权以及卫星通信系统的控制。本架构加入了卫星接入网关SAG（Satellite Access Gateway）功能实体，作为网络代理完成卫星通信系统接入IMS网络和IP网络的功能，同时也是一个SIP服务器。SAG完成卫星终端接入IMS网络时的网络资源管理、用户鉴权、会话控制、业务访问以及无缝切换等功能，并且可以对这些功能进行优化。针对无缝切换功能，在SAG和地面RNC之间设计了ST-RAN接口，使得移动终端进行软切换时，SAG和RAN之间能够传输切换信令流和数据流。

3 移动性管理技术

多种异构接入网络共存且有效融合是下一代网络的一大特点，而未来的大部分业务将趋于移动化，为了能够让用户实现“5W”通信，移动性管理显得尤为重要。

3.1 移动性管理

按照不同的原则，移动性可以有不同的分类。根据移动性技术支持的目标，可以将移动性分为终端移动性、个人移动性、会话移动性、业务移动性和子网移动性。传统的移动性是指终端移动性，但是随着网络技术和终端技术的发展，移动性的含义更加广泛。

（1）终端移动性。终端移动性是指终端能够在移动过程中或者在漫游状态中进行通信或访问业务，并且网络能够识别和定位该终端。终端移动性又可分为边缘移动性（Edge Mobility）和主机移动性（Host Mobility）。边缘移动性是指终端移动到新的接入点时，网络负责数据的路由。主机移动性是指终端移动到新的接入点时，由移动终端自己负责数据的路由。

（2）个人移动性。个人移动性是指用户具有惟一的个人标识，能够在任何终端、任何网络访问同一种业务，网络具有定位和标识用户的能力。通信可达性和业务个性化是个人移动性最主要的两个问题。对于通信可达性问题，用户将被作为通信的端点，使用惟一的用户标识与通信中用到的特定域或特定终端的标识进行动态映射。业务个性化一般采用代理技术来实现，使用户偏好、用户信息和业务属性等数据能够跟随用户移动，获得始终如一的个性化业务。

（3）会话移动性。会话移动性是指用户或终端在移动过程中改变网络接入点时，仍然能够进行当前正在进行的会话，保持会话的连续性。业务的无缝切换是实现会话移动性的关键技术。对于异构网络组成的融合网络，实现业务的无缝切换最主要的技术是垂直切换技术。

（4）业务移动性。业务移动性是指用户在任何位置，使用任何终端和接入网络，都可以无差别的使用与用户归属域相同的业务。业务移动性的研究方向包含用户相关的业务可携带性、业务环境可携带性，以及业务个性化定制可携带性。它涉及到不同运营商、不同业务提供商等相关因素。

（5）子网移动性。子网移动性是指一组固定或移动节点作为一个整体进行移动并改变网络附着点后，仍然能保持通信。移动子网的应用场景主要有：交通工具上的传感器网络和计算机网络、个域网络、无线自组织网络等。目前，移动IP是子网移动性主流技术。

3.2 垂直切换技术

根据网络接入点改变前后所采用的接入技术异同来分类，切换管理可以分为垂直切换和水平切换。同类接入网络之间的切换称为水平切换，如蜂窝移动通信系统中不同基站，不同交换中心的切换。不同类接入网络之间的切换称为垂直切换。如UMTS与WLAN之间的切换，UMTS与卫星移动通信系统之间的切换。

垂直切换如图2所示。从覆盖范围小的、速度快的网络到覆盖范围大的、速度慢的网络切换叫做向上切换；反之为向下切换。

图2 垂直切换与水平切换

垂直切换分为三个阶段：系统发现、切换决策和切换执行。系统发现阶段用来发现当前可用的接入网络系统；切换决策阶段要根据决策方法决定在最恰当的时间接入最合适的网络；切换执行阶段用于实施并完成切换。

3.2.1 系统发现阶段

在系统发现阶段，移动终端负责发现当前可用的接入网络，目前主要有两种方法来实现系统发现。

一种方法是利用移动终端上不同的网络接口来接收网络定时发送的广播消息，例如蜂窝移动通信网络的小区广播信息和WLAN的信标帧。所以，移动终端需要始终保持各个网络接口处于激活状态或者定时开启网络接口来发现可用的网络。另外一种系统发现方法是基于LSS（Location ServiceServer）实现的。LSS负责保存不同区域的可用无线网络信息，包括网络类型、带宽和时延等参数。移动终端通过查询LSS的数据来获得周围可用网络的信息。这种方法节省了终端的功耗，但是LSS数据库的建立和维护是难点。

3.2.2 切换决策阶段

根据切换控制实体的不同，常见的切换控制方式有移动终端控制的切换（Mobile ControlledHandOff，MCHO）、网络控制的切换（NetworkControlled HandOff，NCHO）和移动终端辅助的切换（Mobile Assisted HandOff，MAHO）。因为只有移动终端能够获得各个网络的信息并进行综合决策，所以，终端控制的切换MCHO是最恰当的垂直切换方式。

在垂直切换中，移动终端应根据当前可用网络的不同特性和业务的特点进行综合的判断，选择一个合适的接入网络进行切换。切换决策是一个多维决策问题，具体要考虑的因素如表1所示。

表1 垂直切换决策因素

3.2.3 切换执行阶段

切换执行阶段主要是将目前正在进行的通信从当前接入网络切换到目标接入网络。目前，不同层次的不同技术可以实现垂直切换执行任务，主要有网络层的MIP（移动IP），传输层的mSCTP（移动SCTP）和应用层的SIP（会话初始协议）。

这三种技术都可以实现垂直切换，但是各有优劣。SIP协议是由IETF提出的基于IP应用层的控制协议，用来建立、修改或终止多媒体会话。SIP协议透明地支持名字映射和重定向服务，便于实现ISDN、智能网以及个人移动业务。SIP实现移动性管理的主要方法包括：地址分离机制、注册/注销机制、目标更新机制（re-INVITE消息）、呼叫重定向机制。

相对于网络层MIP和传输层mSCTP协议，SIP协议不需要对IP协议栈进行改动，容易实施。当采用SIP协议完成会话切换后，能够很容易地实现路由优化，避免了MIP的三角路由问题。SIP协议不支持基于TCP连接的切换，但是大部分多媒体业务都基于UDP。综上所述，本文采用SIP进行切换执行。

4 星地融合网络无缝切换方案设计

4.1 无缝切换概念

无缝切换是指在切换时尽量降低切换时延和切换过程中的丢包率，这两个目标的实现分别称为快速切换和平滑切换。无缝切换能够提供连续的端到端的连接，不因网络切换导致连接中断。无缝切换需要满足下面几个目标：

⊙ 持续的网络连接，在网络出错或切换时不引起网络中断。

⊙ 低切换时延，要求切换能够在很短的时间内完成，使得时延敏感的业务得到满足，并且使用户感觉不到网络切换的影响。

⊙ 最小的丢包率，使得切换能够成功，并且使丢包敏感的业务得到满足。

⊙ 最小的基础建设修改，不因实现无缝切换而引起大规模的网络实体和协议的修改。

4.2 地融合网络垂直切换方案

随着垂直切换技术的不断完善，每个阶段的相关技术也越来越完善。如IEEE的802.21介质独立切换（Media Independent Handover，MIH）标准能够完成系统发现和切换决策阶段的任务，而网络层的MIP、传输层的m SCTP和应用层的SIP协议都可以完成切换执行的任务。但是这些不同层面的相关协议大部分是基于地面网络的，卫星通信系统的相关协议和接口设计还没有成熟的标准，也不能够很好的支持星地融合网络的无缝切换。所以，为了实现未来多种网络融合的目标，设计星地融合网络中的无缝切换架构和相关协议格外重要。

4.2.1 系统发现与切换决策阶段

本文设计的星地融合网络无缝切换方案采用改进后的IEEE 802.21作为系统发现和切换决策阶段的协议标准。

IEEE的802.21介质独立切换MIH标准提供了一个合适的方案，使得异构接入网络能够实现垂直切换。主要目的是使移动终端在漫游时能够自动选择最佳的接入网络类型并辅助上层完成无缝切换。IEEE 802.21支持3GPP，3GPP2与802系列（如802.11x，802.16）的有线与无线网络之间基于IP协议的漫游和切换，主要包括物理层和MAC层的规范与接口。目前，IEEE 802.21工作组没有定义MIH功能与卫星链路层和物理层的原语接口。所以，要想在星地融合网络垂直切换中使用IEEE 802.21作为系统发现和切换决策的主要协议，必须设计适合卫星通信系统的IEEE 802.21链路层接口MIH_LINK_SAP。

Qu reshi等人在文献中提出了IEEE 802.21在卫星通信系统上的相关接口设计方案，模仿ETSI提出的宽带卫星多媒体（Broadband Satellite Multimedia，BSM）的架构来设计IEEE 802.21在卫星通信系统上的架构及接口。BSM架构中提出了Satellite-Independent Service Access Point（SI-SAP）中间层用来分离卫星独立（Sate lliteIndependen t）的上层协议（L3层及以上）以及卫星依赖（Satellite Dependent）底层协议（L1，L 2层），使得各种类型的卫星系统都能够被支持。该文献设计的IEEE 802.21使用了ETSI BSM的底层接口，并在SI-SAP和MIH的链路层原语上设计相应的映射，用来对各种卫星通信系统进行访问与控制。但是ETSI BSM没有定义系统间切换的服务，所以Wu Zhang等人在文献中也定义了切换相关的原语。而对于L3及以上层次的协议接口，则保持原来IEEE 802.21原有的服务于原语。

我们可以使用Qu reshi等人改进后的MIH作为星地融合网络无缝切换时的初始化准备协议。假设一个双模移动终端支持MIH功能，当前正在使用UMTS网络接口进行通信。当收到来自底层的Link事件时进行网络切换，具体过程如下：

⊙ 从IEEE 802.21服务器获得当前所在区域可用的卫星网络信息。

⊙ 通过信息服务获得卫星网络的特性。

⊙ 通过命令服务发送命令来激活卫星网络接口。

⊙ 将业务和会话切换到卫星网络。

4.2.2 切换执行阶段

在IEEE 802.21做出切换决策后，由上层的SIP协议根据决策结果执行并完成业务和会话切换。在本文设计的架构中，为了尽量降低切换时的丢包率，采用SIP软切换方案来执行切换任务。SIP软切换目的是当业务切换时，能够通过应用层的SIP控制信令使得数据流不中断从而减少丢包率。好的软切换算法可以完全不丢包，并且大大降低切换时延。SIP实现软切换可以有多重方式实现。许多文献都提出了基于SIP的软切换方法。

（1）扩展SIP头JOIN。IETF RFC 3911定义了SIP的扩展头域JOIN。发送包含JOIN头的INV ITE消息，可以在已有的会话中加入一个新的SIP会话。在实现SIP软切换时，先加入一个新的SIP会话，然后断开旧的会话，这样有效避免终端当前的会话。

（2）基于SIP的软切换技术。在下一代的异构无线网络中，移动终端通过各种网关与对端通信。图3表示了运行在移动终端、网关和通信对端上的协议栈。网关用来连接移动终端和骨干网络，并具有DHCP，SIP服务器等功能。

图3 移动终端、网关和通信对端上的协议栈

当移动到达新的网络时，网络接口被激活并且通过网关获得新的IP地址。终端发起切换时，将发送INV ITE消息给SIP B2BUA代理服务器，消息中包含JOIN域来携带出向呼叫有关的信息。网关将复制收到的分组数据，并将指向移动终端原接口上的数据发送到新的接口。移动终端新的接口收到数据后，将通过新的接口给通信对端发送re-INV ITE消息进行会话参数协商。完成新的呼叫协商后，移动终端发送BYE消息来终止原接口上的会话。最后，移动终端使用REGISTER消息向家乡网络进行位置注册。

在本文设计的方案中，使用图1中卫星通信系统中的SAG和UMTS中的RNC分别作为SIP B2BUA代理服务器。当移动终端从卫星网络切换到UMTS网络时；SAG充当SIP代理服务器，当移动终端从UMTS网络切换到卫星网络时，RNC充当SIP代理服务器。当移动终端执行软切换时，使用ST-RAN接口来传输数据和相关切换信令。

5 结束语

本文首先提出了星地融合网络的架构，然后论述了下一代网络中异构网络的移动性管理技术和垂直切换技术，最后对系统发现、切换决策和切换执行三个阶段进行了分析，并设计了相关架构和协议。文章针对星地融合的网络架构，给出了完整的垂直切换方案，在未来的全IP网络中具有很好的可行性和扩展性。对网络架构以及信令流程的具体方案设计和分析将在今后的研究中逐渐展开。

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[5] Sahin, S. Narayanaswamy, K. Campos-Nanez, E. call setup performance improvements over mobile satellite systems using IMS. IWSSC 2008.

2014中国SDN/NFV大会在京举行

4月23日至24日，2014中国SDN/NFV大会在北京举行，工信部科技委主任邬贺铨、工信部科技委副主任韦乐平、中国电信集团北京研究院副院长赵慧玲、工信部电信研究院科技委主任蒋林涛等专家在大会做了精彩的报告。博通、CYAN、中兴、华为、Gigam on、因特尔、爱立信、H 3C、上海贝尔等公司代表在大会进行了演讲。

本次会议由中国通信学会信息通信网络技术委员会、中国通信标准化协会IP与多媒体通信技术工作委员会、中国通信标准化协会网络与交换技术工作委员会共同主办。

软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）具有很多优点，提高资源利用率、增强网络控制和提高响应速度是其中的一些优点。就像IP的出现引发了网络革命性变革，SDN和NFV现正被称作一场改变网络架构的游戏。

SDN和NFV出现，开创了网络世界的新篇章，并开始吸引中国电信运营商和服务提供商、数据中心和大型企业的关注。随着这种关注的提升，网络主管和工程专业人士需要找到应用SDN/NFV的最佳方法。将要举行的中国SDN/NFV大会提供一次非常及时的机会，满足他们的需求。

Research on Seamless Handoff of Integrated Satellite-Terrestrial Networks

Lan Hongguang, Xia Xiaohan, Zhang Xiaoning, Wu Jianjun
(School of Electronics Engineering and Computer Science, Peking University, Beijing, 100871)

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.05.001

TN92文献标示码：A

1672-7274（2014）05-0001-05

本文得到国家自然科学基金面上项目#61071083支持。

兰洪光，男，硕士研究生，研究领域包括卫星通信、3G/4G核心网、IMS网络、网络融合架构及协议、无缝切换技术等。