泛在网中的移动性管理技术

金珊　赵滨

摘 要：泛在网络将传统网络的概念扩展到更为宽广的领域，能够实现任何时间（Anytime）、任何地点（Any-where）、任何人（Anyone）、任何物（Anything）的通信网络。因此泛在网络中的移动性管理非常重要，是确保各类终端设备在不同网络中实现业务连续性的重要技术。

关键词：泛在网；移动性管理；业务连续性

1 引言

随着无线技术的进步，移动网络、智能终端以及应用环境都呈现出了多样性。人们一直期待的广泛存在、无所不在的泛在网络也日益成为现实。ITU将泛在网络描述为物联网基础的远景，泛在网涵盖了物联网、互联网、电信网、传感网等网络技术，实现人与人之间、人与物之间、物与物之间的网络互联。

由于泛在网络技术包括各类无线技术（3G、LTE、GSM、WLAN等等）以及各类有线网络技术的互联互通，因此研究各类通信协议和技术中移动性管理以及业务连续性管理是提高用户体验，确保业务质量，简化终端实现的重要内容。

本文针对泛在网络中技术的多样性，分析无线网络中、移动应用场景下，不同无线网络间的互操作技术，多媒体业务的连续性管理，介绍泛在网络中的移动性管理技术。

2 泛在网络中移动性管理的挑战

随着通讯的发展，用户要求多个终端设备协同为其提供信息服务，然而这些终端设备可能跨越异构的通信业务网络，包括蜂窝移动网、Internet网、家庭网、固定电信网、广播电信网，甚至是物联网，我们将这些网络统称为泛在网络。为了实现这些异构终端设备的协同工作，需要考虑终端或用户在网络覆盖范围内、移动场景下的业务连续性问题，网络需要具备持续提供通信服务的能力，通信业务才能够得到一定的质量保障，而不受网络接入技术变化的影响。

由于通信网络发展的持续性，目前的网络类型多样化，业务特别是多媒体业务对质量体验的要求也日益增高，所以泛在网中的移动性管理面临着来自技术、网络升级复杂性、终端实现、以及应用业务实现等多方面的挑战。

2.1 移动性管理所面临的挑战

在不同的接入网络技术中，有多种不同的途径来完成对一个用户或终端设备的接入。用户可以分别登陆到每一个接入网，也可以接入不同网络的认证和授权机制，以允许用户或终端设备无需多次登录而能在不同的接入网络之间移动。

比较好的移动性管理技术将不同接入网的登录、注册程序紧密地联系在一起，用户在不同的接入网之间移动时不必关闭或重新启动应用，既可以享受连续、流畅的业务服务。

过去几年，我们见证了移动数据流量指数级的增长。为了充分利用有限而昂贵的频谱资源，无线移动网络也经历了从GSM， 到WCDMA/TD-SDMA/CDMA2000，以及LTE的快速发展。与无线接入技术发展相应部署的移动核心网络具有集中和层次化的特点，在支持不同的无线接入网的移动性方面，面临着网络的扩展、可靠性等多方面的挑战。随着WiFi的广泛部署，选择性的实现无线蜂窝网的流量卸载，也是移动性管理需要支持的重要技术。

2.2 业务连续性技术所面临的挑战

泛在网络能够为移动的终端提供可靠的服务，从而提供业务连续性极为重要。然而在移动场景下，业务在不同的网络间切换时，会遇到信令复杂、切换时延长、切换的目标小区业务过荷等种种问题。而随着数字多媒体业务的发展，业务连续性从方方面面影响着客户体验。所以，针对泛在网的这些特性，我们必须提供一个开放的，有高度适应性的移动业务连续性技术，以保证客户的传输业务的持续性和可靠性。

3 各类无线网络间的移动性管理和互操作技术

由于移动网络的复杂性，以及近年来网络的快速演进，在支持泛在网络的移动性管理时，需要首先考虑各类无线网络间如何实现系统间的互操作、控制业务的切换，提高用户体验，并在一定的时延要求下完成业务和网络的切换，降低网络和终端实现的复杂性。

3.1 无线网络间的移动性管理技术

3.1.1 WCDMA/TD-SCDMA和GSM互操作技术

WCDMA/TD-SCDMA和GSM 互操作的基本工作模式有两种：移动终端控制模式和网络控制模式。在移动终端控制模式下，由移动终端来选择它将与哪个小区进行联系，当然网络可以通过广播各种参数来影响该过程。在网络控制模式下，由网络来通知移动终端与相应小区进行联系。

WCDMA/TD-SCDMA和GSM间切换性能的优化策略：判断WCDM/TD- SCDMA和GSM系统间互操作质量的好坏主要标准是：终端在网络间移动时，能否平滑地从一个网络切换到另一个网络，避免断网或断话现象，实现业务的平滑切换。为此，可以进行如下可能的优化：

⑴在进行小区选择时，除了无线链路质量外，网络还应该考虑其他方面的情况，如当前已建立业务的负荷等。避免将业务切换到一个负荷过载的小区。

⑵对于快速移动的移动终端，当存在一个可用的具有较大覆盖范围的小区时，要通过对小区参数的合适配置，禁止它选择覆盖范围较小的小区。

⑶对无线网络进行优化，特别是3G/4G网络，避免网络覆盖的边界区域信号突然衰落，尽量实现覆盖区内部信号的连续覆盖，减少信号盲区和弱区，尤其要避免人流较多处的信号盲区和弱区。通过提高覆盖率，减少系统间的切换次数，提高系统切换成功概率。

⑷正确的设置好WCDMA/TD-SCDMA与GSM小区的边界，对于移动性管理能力的提高，降低系统间切换失败的可能性也非常有效。

3.1.2 LTE与2G/3G网络的互操作技术

随着LTE网络的逐步部署，LTE将与2G/3G网络长期共存，需要实现业务的融合，以及不同网络间的互操作和移动性管理。

为了实现网络间的移动性管理，网络间的切换必不可少。考虑到智能手机的广泛应用。HTML5等新技术的进步，以及移动用户对业务体验的要求，提出了如下实现切换的目标：

⑴在切换前后、以及切换过程中，实现QoS的保证

⑵网络切换不可过度消耗终端电池

⑶业务连续性的保证（切换需符合时延要求）

⑷4G/3G/2G/CDMA各类网络间的无缝切换

LTE有以下三种类型的切换：

⑴LTE内部切换：发生在当前LTE节点内部的切换，即在MME或SGW内的切换。

⑵LTE外部切换：发生在当前LTE节点外部的切换，即在不同MME或SGW间的切换。

⑶不同无线接入网间的切换：与不同无线接入技术间的切换，如与GSM/UMTS等网络间的切换

下图是最为复杂的不同接入网间切换的信令流程（以EUTRA为例）

3.2 WLAN与无线网络融合中的移动性管理技术

WLAN技术在成本、带宽和应用普及等方面具有诸多优势，目前已经被运营商作为移动数据网络的重要补充。而在WLAN建设运营中，如何利用已有移动蜂窝网络成熟的架构协议机制，将WLAN与移动蜂窝网络进行融合，在降低网络建设和运营成本的同时，提升用户体验，也是泛在网络移动性管理中必须要面对的问题。

业务连续性需解决的关键问题为实现用户在不同网络间的无感知切换，网络侧主要需要解决两个关键问题：

⑴同时附着的异网切换过程中，终端设备同时保持和两个网络连接，即终端设备同时在WLAN和移动蜂窝网络上附着。

⑵业务锚点选择和保持：网络初始接入时，需要选择业务锚点。业务锚点负责管理WLAN和移动蜂窝间的数据路由，管理WLAN和移动蜂窝接入间的移动。该锚点支持多个网络的接入，异网切换时，需要保持已选择的业务锚点不变。

为了实现业务连续性解决方案，可以通过升级移动核心网的HLR（归属位置寄存器），新增HA（HomeAgent，家乡代理）作为业务锚点；或者实现基于移动IP的业务连续性解决方案，通过移动IP协议中每个移动节点的“归属代理”，每当移动节点得到新的转交地址时，生成移动节点的归属地址与当前转交地址的“移动绑定”，实现业务的连续性。

这两种解决方案还不能完全解决异网同时附着的问题，因此在切换过程中用户可能有业务中断的感知，随着终端设备的进步，相关方案还可以进一步改进。

3.3 泛在网络中的群移动性管理技术

泛在网是一个包含多终端，且是移动的，异构的网络。随着交通工具的发展，在这个网络中会有大量终端设备随火车、汽车一起移动的情况，即泛在网络中的群移动性管理。

为了更好地实现批量终端设备的切换，同时在目标小区进行有效的资源预留，泛在网络中群移动性管理是非常重要的研究内容。其关键技术包括：

群组终端的发现和识别：移动性管理需要规定用户和终端如何能够在网络和系统中被识别出来，如何区分同一个群组内部的不同个体。这种身份功能是移动性管理过程中的第一步，将被用于用户和终端的认证、鉴权和计费，未被认证的用户或终端无法接受特定移动群组提供的服务和信息。

群组的生成与维护技术：这是群移动性管理的基础，群的移动相对于个体的移动更加复杂，群与群之间所需要的服务和信息以及所要求的链路环境都是各不相同的，因此，如何确定创建群的条件、如何由终端或用户根据上下文环境或需求来创建生成一个终端群、如何来管理加入群中的终端、如何来维护一个移动群等将直接关系到后续技术实现的有效性与复杂度。

群移动支持的路由管理技术：网络既要生成一条合理的路径使得网络的代价最小，使得群之间的通信最合理，也要保留一些备用路径，使得群之间通信时大量的数据不至于阻塞，同时还要考虑网络的异构性，使得数据流能够在不同特性的子网中进行传输。

4 总结

根据本文的研究工作可见，通过异种网络的互操作技术，在不同的网络间可根据合理的条件进行切换，实现终端设备在移动场景中的业务连续性，确保和提高业务的服务质量。

通过研究，笔者认为在泛在网络的移动性场景下切换是不可避免的，目前研究的主流方向是对于切换的各环节进行优化，或者是利用各类新技术来提高切换效率。今后可以通过进一步研究基于终端侧的业务连续性方案，利用终端设备的位置信息、使用业务等条件来进行业务连续性管理，减少对网络的改动，使泛在网中的移动性管理更有效，业务质量得到更好的保证，提升用户在泛在网络中移动场景下的用户体验。

[参考文献]

[1]Distributed Mobility Management：A Standards Landscape. IEEE Communications Magazine.March 2013.

[2]3GPP，“General Packet Radio Service （GPRS） Enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN） Access，”TS 23.401，Sept.2011.

[3]3GPP，“LIPA Mobility and SIPTO at the Local Network，”TR 23.859，July 2011.