IP-RAN中一种新的移动性管理框架

2019-11-03 09:04:43

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供稿：网友

蒋纯波1,2，钱国良２，徐大雄1
1．北京邮电大学电子工程学院
2.中国普天信息技术研究院

　　摘要：RAN的全ip化是UMTS实现全IP架构过程的一部分。在RAN中，最重要的功能之一就是移动性管理。原有的基于ATM的移动性管理技术在全IP的RAN架构中并不适用。在分析全IP的RAN架构中对移动性管理的新的要求基础上，提出了结合MPLS技术和移动IP技术来解决移动性管理的新的开放的应用架构，并且描述了在这种应用架构下移动IP的协议过程；简要分析了这种应用架构带来的好处，提出还需要改进的地方和实现的技术难点。

　　关键词：移动IP；IP-RAN；MPLS；LSP

一、引言

　　从GPRS过渡而来的UMTS系统将系统分为2个部分：无线接入网路（RAN）部分和核心网部分。传统的RAN的底层承载采用ATM技术。但是，整个UMTS体系有向全IP方向发展的趋势，RAN的全IP化过程也是其中的一部分。

　　在RAN中，最为重要的功能之一是移动性管理。传统的移动性管理技术是基于ATM技术来实现，其基本过程为：

(1)如果UE（用户设备）在同一个RNC的不同NODE B之间移动，RNC控制旧NODE B释放原有无线链路，同时控制当前NODE B建立新的无线链路。RNC将切换期间的数据缓存，导入到新的无线链路中传送给UE，达到无损的链路切换；

　　(2)如果UE在不同的RNC的不同NODE B之间移动，由当前RNC负责控制当前NODE B建立新的无线链路，原RNC负责控制旧的NODE B拆除原有无线链路。原RNC将切换期间的数据通过Iur接口传送到当前RNC中，再由当前RNC传送给UE，达到无损的链路切换。

　　由此可见，Iur和Iub是解决UE的移动性管理的重要的接口，而且这种移动性管理是通过链路的无损切换（通过复杂的信令保证）达到的，所以也称为第二层移动性管理技术。

　　当RAN过渡到全IP的架构时，如果仍然采用第二层的移动性管理技术就需要将传统移动性管理的相关信令从基于ATM的信令改为基于IP的信令，同时要采取复杂的协议确保信令传输的可靠性与实时性，这样会使得移动性管理的架构变得很复杂，而且信令的开销很大。另一方面，由于在未来的UMTS全IP结构中，接入网部分不光是WCDMA接入网，而且还可能是WLAN等其他无线接入网络［２］。原有的第二层移动性管理并不能解决不同接入技术的网络之间的互通性问题，也就是说，多模UE从其他网络移动到RAN中时，会导致通信的中断。

　　移动IP［６］是一种新的解决主机移动性计算的技术。它是在简单IP的网络层增加路由策略，以较小的信令开销解决移动性问题，而且由于它屏蔽了底层网络的异质性，这就增加了与其他接入网络的互通能力。因此采用移动IP来解决RAN中的移动性管理是一个很好的想法。但是，在传统的移动IP结构中，当UE移动时，需要重新向家乡代理和通信节点（CN）进行注册。如果访问网络距离家乡网络较远，而且链路状况不好时，需要很长的时间完成重新注册过程；在相邻的外地网络之间移动时，则需要较长时间完成转交过程。此外，传统的移动IP并没有安全方面的措施。这对电信级的服务来说是不能容忍的。因此，移动IP不适合直接应用于RAN中。

　　目前有研究机构提出了对移动IP的改进措施，通过分层外地代理结构和快速转交过程［７］来解决访问网络较远时的注册问题和UE在相邻外地网络之间移动时的快速、可靠的转交问题。但是，这些应用方案依然达不到通信的电信级服务要求。

　　在3GPP的R5架构中［３］，建议采用MPLS来架构RAN，这也是符合UMTS全IP化的要求。该结构中，充分利用了MPLS技术能够提供一定的通信的QoS的特点，来传输NODE B和对应的RNC之间的信令和用户数据。但是，其中的移动性管理依然采用的是基于链路层的技术。

　　本文在R5标准的RAN架构的基础上，提出了结合MPLS和经过优化的移动IP技术来解决其中的移动性问题的方案，用来替代传统的基于第二层的移动性管理技术。这里主要是对移动IP的应用架构进行研究，具体的信令格式不在本文研究范围内。

二、应用移动IP的基于MPLS的RAN架构

　　利用MPLS技术构造一个RAN的框架结构如图1所示。

　　在逻辑上，RNC1管理NODE B1和NODE B2，RNC2管理NODE B3。

　　在该架构中，NODE B作为LER（标签边缘路由器），RNC和中间路由器作为LSR（标签交换路由器），另外设置一个网关路由器作为LER。当然，也可以在几个RNC中推选出一个RNC作为网关路由器，所有域内的RNC通过该网关路由器与核心网SGSN相连接。各个RNC之间是直接连接的，它们之间的通信不通过网关路由器。

　　在该架构中，我们采用分层的移动IP应用框架。RAN中各个网络实体充当的功能是：NODE B作为最低一级的FA（也称为本地外地代理）；RNC作为二级FA；网关路由器作为最高级FA（简称FAG）。

三、MPLS协议配置

　　在MPLS域中配置LSP（标签交换路径）可以有2种方式：静态方式和动态方式。因为在RAN中，NODE B和RNC、RNC和RNC之间是逻辑上关联的［１］。为了简化LSP的配置开销，我们采用静态配置的LSP通道来连接NODE B和RNC、RNC和RNC。根据具体的通信的需要，本文提供了２种可选的配置模式：基本配置模式和增强配置模式。

　　1．基本配置模式

　　因为LSP本身是单向通道，同时也是适应了IP业务的非对称性的特点，所以我们在任意两点之间需要配置一对LSP通道（上行和下行）。又因为RAN中的信令和数据要求的QoS不一样，所以这里对信令和数据建立各自的LSP通道。考虑到NODE B和RNC之间的Iub接口，RNC和FAG之间的Iu接口，RNC和RNC之间的Iur接口中的信令是不同的，所以我们将信令通道分段实现，这样可以增加RAN中信令的灵活性,而数据通道是直接连接FAG和每一个NODE B（其中经过相应的RNC）。具体的信令通道和数据通道的配置如表1和表2所描述。

　　2.增强配置模式

　　在UMTS中，用户的服务质量(QoS)是在用户PDP上下文激活过程中确定的［４］。UMTS将用户要求的QoS分为4类：会话类别、流类别、交互类别、背景类别。每个类别服务的QoS参数是不一样的：时延的敏感性、时延抖动的敏感性、丢报率的要求等等［５］。所以需要对这四类的服务分别对待。

　　增强配置模式是在基本配置模式的基础上加以改进：信令通道的LSP配置保持不变，每个NODE B和FAG之间的上行的数据通道由一条改为4条，分别对应４类不同的服务质量（包括带宽的预留、处理优先级等）。下行LSP通道也相应地改为４条。

　　无论在基本配置模式还是增强配置模式中，所有在同一个NODE B中的UE共享上行数据通道和下行数据通道。下面，基于基本配置模式来描述改进的移动IP的协议流程。

四、移动IP的协议流程

　　这里只是描述RAN中的有关移动IP的协议流程，而UE的其他信令流程，如PDP上下文激活过程的相关信令仍然走以上的LSP信令通道，具体不在本文研究范围内。

　　假设每个NODE B必须知道域中的FAG的地址。在NODE B的定时路由器广播中，NODE B会通知UE该域中FAG的地址信息和NODE B本身的地址信息。FAG地址的作用用来充当UE的COA（临时转交地址）。

　　下面我们从信令过程和数据传送过程对移动IP在IP-RAN中的应用作一个详细的描述。

　　1.移动IP的信令过程

　　在移动IP中，最为关键的信令过程有2个，一个是注册过程，另一个是转交过程。下面的信令过程中包含这两个方面。

　　(1)UE从外部进入NODE B1(2,3)范围

　　UE从接收到的NODE B1发送的路由器广播信息中知道NODE B1的地址信息，发现是进入异地网络，并且从该路由器广播信息中获得FAG地址。UE会发送注册请求信息给NODE B1(注册信息请求中，包含有UE的静态家乡地址，如10.1.1.1，并将FAG地址作为COA)，NODE B1接收到注册请求信息后，将UE家乡IP地址和对应的无线信道绑定，形成转发路由表，如表3所示。

　　然后将注册请求信息加上NODE B1的地址通过S-LSP5信令通道中传送到RNC1中，RNC1检查该注册请求信息，发现在路由表没有有关UE的绑定信息，则认为UE是从外部进入RNC1范围的。RNC1修改转发路由表，添加UE的绑定。具体路由表参见表4所示(1'是LSP1在该路由器的入口标签，非实际的标签值,下同)。

　　RNC1将注册请求信息再加上RNC1的地址通过S-LSP1信令通道送给FAG，FAG检查转发路由表中没有UE相关绑定,认为是UE从外部网络进入RAN中。FAG将注册请求信息后发送给家乡代理,当家乡代理将注册响应信息送给FAG后，FAG将该响应信息放入S-LSP2信令通道中送给RNC1。同时，FAG在转发路由表中添加对UE的绑定。FAG的路由表如表5所示。

　　RNC1通过S-LSP6将注册响应信息送给NODE B1，NODE B1最后将该信息通过无线信道送给UE。注册过程完成。

　　如果FAG收到家乡代理的注册拒绝信息，则通知RNC1和NODE B1删除关于UE的绑定信息。NODE B1通知UE注册被拒绝，然后NODE B1释放相应的无线链路。

　　(2) UE从NODE B1范围移动到NODE B2范围

　　UE从接收到的NODE B2发送的路由器广播信息中判断出已经进入一个异地网络。UE发送注册请求信息给当前NODE B2,NODE B2在转发路由表中添加对UE的绑定，转发路由表与NODE B1的形式相同（具体略）。同时NODE B2将注册请求信息通过信令通道S-LSP7中送给RNC1,RNC1发现有关UE以前的绑定信息（UE和LSP1,2的绑定，参见表4）。于是，RNC1代替家乡地址产生一个注册响应信息，并通过S-LSP8传给NODE B2，同时更新自己的路由表项，将UE重新绑定到LSP3、4中，NODE B2通过无线信道将注册响应信息送给UE。同时RNC1通过S-LSP6通知NODE B1删除关于UE的绑定，释放相关的无线链路。并且通过S-LSP1通知FAG修改相应的路由信息， FAG在转发路由表中将UE绑定到LSP4上。

　　这样对于UE的家乡代理和CN来说，UE没有移动。

　　(3) UE从NODE B1范围移动到NODE B3范围

　　UE从接收到的NODE B3发送的路由器广播信息中判断出已经进入一个异地网络。UE发送注册请求信息给当前NODE B3，NODE B3在转发路由表中添加对UE的绑定，转发路由表与NODE B1的形式相同（具体略）。同时NODE B3将注册请求信息添加自己的地址后放在信令通道S-LSP9中送给RNC2，RNC2发现没有有关UE以前的绑定信息。所以认为UE是从外地进入RNC2，RNC2将自己的地址添加到注册请求信息中通过信令通道S-LSP3送给FAG。同时在RNC2的转发路由表中添加对UE和LSP5、6通道的绑定（同RNC1的绑定形式，具体略）。FAG发现在转发路由表中有UE以前的绑定信息（UE绑定LSP2,参见表5）。FAG产生注册响应信息，通过信令通道S-LSP4通道送给RNC2，RNC2通过信令通道S-LSP10送给NODE B3，NODE B3通过无线信道将注册响应信息送给UE。同时，FAG在转发路由表中将UE绑定到LSP6上，通过信令通道S-LSP2通知RNC1删除关于UE的绑定。并且RNC1通过信令通道S-LSP6通知NODE B1删除关于UE 的绑定，释放相关的无线链路。注册过程完成。而对于UE的家乡代理和CN来说，UE没有移动。

　　2.移动IP数据传输过程

　　在移动IP中，有2个数据传送过程：一个是注册完成以后CN和UE之间的通信过程；另外一个是在转交过程中为了减少数据丢失的数据处理过程。下面就这两个问题分开说明。

　　(1) CN和UE的通信过程

　　因为UE向家乡代理注册的COA是FAG的地址，当UE在RAN域内移动时，外部网络认为UE是静止的。数据会按照移动IP的原理流动：CN发给UE的数据会首先被路由到UE的家乡代理处，家乡代理将UE的数据通过隧道传至UE所在RAN域的FAG处。FAG从隧道中取出原始数据，然后按照FAG转发路由表中的信息为数据包打上标签放在合适的LSP中传送到相应的NODE B处，NODE B除去标签，按照自己的转发路由表将数据通过相应的无线信道送给UE。而UE发送给CN的数据首先送到NODE B处，NODE B根据转发路由表，为数据贴上适当标签放入相应的LSP中传送到FAG处，FAG处剥离标签按照外部网络的路由策略送到CN处。

　　(2) 转交时的数据流程：

　　这里的转交过程指UE在同一个FA域内的不同的本地FA（NODE B）之间移动时的数据转交问题。关于域外的数据转交不在本文的研究范围内，可以参考IETF的相关转交策略。

　　1)UE从NODE B1范围移动到NODE B2范围: UE移动过程中，LSP1、2的数据在RNC1处会被缓存，当FAG通知RNC1删除UE的绑定时，RNC1将缓存LSP1、2上的数据重新融合到新的LSP通道LSP3、4上(具体是LSP1融合进LSP3，LSP2融合进LSP4)。

　　2)UE从NODE B1范围移动到NODE B3范围: UE移动过程中，RNC1会缓存UE的数据（LSP1、2），当FAG通知RNC1删除原先关于UE的绑定的时候，RNC1通过LSP7通道（LSP7通道是在原有的标签上添加新的标签，也就是标签栈［８］的形式）将缓存的数据传送给RNC2，RNC2接收数据后除去LSP7的标签，分析如果是LSP1的数据则融合进LSP5，是LSP2的数据则融合进LSP6。转交完成以后，进入正常的CN和UE通信的数据流程状态。五、对以上应用框架的改进

　　以上的移动IP应用框架基于了很多的假设，而且也没有对于一些特殊的移动过程做具体的优化。但是在这种框架下，移动IP的优化在架构上不需要太大的改动。下面有3个具体优化的例子。

　　(１) 路由优化策略

　　当UE接收到CN的数据后，让UE发起对CN的注册过程。具体的信令过程和UE向家乡代理的注册过程是一样的。注册完成以后，CN发给UE的数据包，会直接发送到FAG，而无须通过家乡代理的中转。

　　(２) UE移动的确定

　　UE在NODE B和NODE B之间移动时，往往可以接受到多个NODE B发出的路由广播信息，决定使用哪个NODE B的路由广播信息可以根据底层的信号强弱，采用一个复杂的算法来决定［１０］。

　　（３) 消除乒乓效应

　　因为UE可能在相邻的NODE B之间来回切换（也就是乒乓效应），为了进一步减少切换的时延和带来的网络开销，我们可以在FAG的转发路由表处同时绑定多个相邻NODE B的数据LSP通道，几份相同数据被FAG复制并且送到这几个NODE B处。

六、该移动IP架构的特点

　　采用这种移动IP的应用架构有以下的一些优点：

　　(1)采用分三层的移动IP结构，当UE在域中不同NODE B之间移动时，移动IP的信令过程全部在本地完成，使得UE的转交速度变得很快，一定程度上满足移动通信的要求；

　　(2)采用FAG的地址作为UE的COA，可以减少UE对家乡代理和CN的注册，在外部网络看来，UE在域内的移动性是不可见的；

　　(3)采用MPLS的LSP通道可以提供移动IP信令和数据传送的QoS，提高移动IP的性能；

　　(4)由于移动IP只是在简单IP的网络层上增加路由策略,采用移动IP可以使得RAN中解决移动性管理问题的信令部分变得较简单，而且所有设备可以在普通路由器平台很容易实现,可以大大减少设备的成本；

　　(5)因为移动IP屏蔽了底层网络的异质性，所以应用移动IP技术可以使基于WCDMA的RAN和WLAN等其他接入网络之间的互通性变得更加容易；　　(6)在这个应用框架下，对移动IP的任何改进都会变得很容易，而且无需对框架进行太多的改动。

七、总结

　　全IP的RAN是UMTS的全IP架构的一部分。在RAN中最重要的功能之一就是移动性管理。而在全IP架构中，传统的移动性管理因为在信令的复杂性和对新技术的互通性支持不足，要求我们必须考虑采用新的技术。

　　因为移动IP屏蔽了底层链路的异质性，因而可以解决互通性问题，而且移动IP只是在传统IP上实现新的路由策略，相比较网络开销较小。本文应用分层的移动IP技术结合MPLS技术提出了解决RAN中移动性管理的一个新方案。

　　在该应用中，分层的移动IP减少了UE注册次数，提高转交过程的速度。而且，MPLS为移动IP提供一个有QoS保障的传输通道。采用静态方式配置LSP通道减少了在配置LSP中的开销。上面提到的LSP配置中，并没有提到LSP容错问题。在实际应用中，可以采用1:1的冗余配置保证LSP的可靠性［８］。

　　因为上面的关于移动IP和MPLS的技术都是假设其已经成熟，而且已经很好地得到厂家的支持。实际上，目前这两项技术仍处于研究阶段。而且，RAN的全IP架构本身还有很多问题。接下来我们将研究RAN的全IP架构的改进，及在其中应用移动IPv6，提高移动IP的效率和可靠性、安全性。

参考文献

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［２］3GPP TR23.934 V1.0.0 (2002-08)，3GPP system to Wireless LocalArea Network (WLAN) interworking; Functional and architectural definition［Ｓ］．

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［４］3GPP TS 29.061 V5.2.0 (2002-06)，Supporting Packet Based Service and Packet Data Network (PDN)［Ｓ］．

［５］3GPP TS23.107 V5.5.0 (2002-06)，QoS Concept and Architecture［Ｓ］．

［６］C Perkins.IP Mobility Support［Ａ］．RFC2002［Ｃ］．October 1996．

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［８］石晶林，丁炜，等.MPLS宽带网络互联技术［Ｍ］．北京：人民邮电出版社, 2001

［９］Yile Guo,Antoniou Z,Dixit S.IP transport in 3G radio access networks an MPLS-based approach［Ａ］．Wireless Communications and Networking Conference 2002（WCNC2002）［Ｃ］．IEEE(Volume 1),2002.11～17．

［１０］ Pollini G P. Trends in handover design［Ｊ］．IEEE Communications Magazine,１９９６，３４（３）：８２～９０．

摘自　电讯技术

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