在傳統(tǒng)的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)更新?lián)Q代的同時(shí)，新型的無線接入技術(shù)層出不窮。由不同的標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的無線接入技術(shù)，通常在覆蓋范圍，接入速率，容量，移動(dòng)性和業(yè)務(wù)特性等方面有著很大差異，其適用的場景各有側(cè)重，彼此之間很難相互替代。因而異種無線接入技術(shù)共存和融合的發(fā)展，必將成為未來移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要特征；在無線通信網(wǎng)絡(luò)多樣化發(fā)展的同時(shí)，Internet的核心IP技術(shù)以其簡單開放的特征，正在從互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域向通信網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)領(lǐng)域滲透，并逐步促進(jìn)形成以“IP over Everything”和“Everything over
IP”為特征的網(wǎng)絡(luò)層公共傳輸平臺(tái)。而隨著IP技術(shù)的不斷發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)廣，人們逐漸認(rèn)識(shí)到基于IP集成的無線多接入系統(tǒng)體現(xiàn)了傳統(tǒng)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、新興的多接入技術(shù)和開放的IP技術(shù)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢，是下一代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向。對這種網(wǎng)絡(luò)的展望如圖1所示。下一代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為用戶提供在任何地點(diǎn)、任何地點(diǎn)的隨時(shí)隨地的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，并能夠保證用戶在移動(dòng)的過程中業(yè)務(wù)的連續(xù)性和平滑性。

圖1：下一代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)基本的展望
1.1、無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

傳統(tǒng)的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，經(jīng)過第一代模擬蜂窩通信系統(tǒng)初步的嘗試和發(fā)展，第二代數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)全球范圍內(nèi)的普及和繁榮，目前，正在向著下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)的方向發(fā)展。第三代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)（簡稱3G）是延續(xù)第二代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的演進(jìn)方案。從3G版本的發(fā)展可以看到，數(shù)據(jù)傳輸IP化的趨勢正在逐漸從3G的核心承載網(wǎng)向接入網(wǎng)推進(jìn)，顯著標(biāo)志就是3GPP中對IP-RAN的定義[1]。同時(shí)，3GPP和3GPP2提出了全I(xiàn)P的體系結(jié)構(gòu)[2][3] 。3GPP的全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，不僅定義了IP多媒體業(yè)務(wù)子系統(tǒng)-IMS[4]，而且在電路域中引入了基于分組的承載能力和軟交換控制體系。隨著IMS體系的引入和完善，3G分組域?qū)⒅鸩教峁╇娦偶?jí)的多媒體服務(wù)，傳統(tǒng)的電路域業(yè)務(wù)也會(huì)逐漸向分組域轉(zhuǎn)移。

與此同時(shí)，新興的無線接入技術(shù)也層出不窮，其種類更為豐富多彩，提供包含“熱點(diǎn)”覆蓋，“熱區(qū)”覆蓋，到具備“廣域”移動(dòng)性支持的多種無線接入服務(wù)。其中，IEEE系列的多種無線接入技術(shù)就是典型代表，如IEEE802.11, IEEE802.15, IEEE802.16, IEEE802.20系列。這些接入技術(shù)專門針對不同的無線應(yīng)用場景設(shè)計(jì)，和傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)一起為用戶提供了多樣化，特色化的無線接入方式和業(yè)務(wù)模式。

未來，可能會(huì)出現(xiàn)更多的無線接入技術(shù)，以適應(yīng)人們對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)多樣化的需求。但是有一點(diǎn)是肯定的，新出現(xiàn)的無線接入技術(shù)很難替代已有的技術(shù)，多樣化的無線接入網(wǎng)絡(luò)因?yàn)檫m應(yīng)了不同場景下用戶對通信服務(wù)個(gè)性化的需求，必將共存共融，進(jìn)而形成異構(gòu)的無線多接入移動(dòng)通信系統(tǒng)。

多種無線接入技術(shù)并存發(fā)展的同時(shí)，各標(biāo)準(zhǔn)化組織也開始關(guān)注異種網(wǎng)絡(luò)融合的問題。蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的制定者關(guān)注蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)和其他無線接入技術(shù)之間融合的問題，典型的例子就是3GPP對WLAN和3G系統(tǒng)集成的定義[5]，以及基于IMS的多種網(wǎng)絡(luò)之間互通的定義。未來基于IP承載、IMS控制的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，可以跨越不同的接入網(wǎng)絡(luò)為用戶提供數(shù)據(jù)、語音、視頻復(fù)合型的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被廣泛接受作為下一代網(wǎng)絡(luò)的核心結(jié)構(gòu)，而多媒體業(yè)務(wù)也被認(rèn)為是未來通信網(wǎng)絡(luò)上業(yè)務(wù)發(fā)展的趨勢。同時(shí)，IEEE中成立了專門的工作組IEEE802.21，主要研究如何在異種接入技術(shù)之間提供獨(dú)立于媒體的切換能力（Media
Independent Handover-MIH）。IEEE802.21定義的切換包括IEEE系列接入技術(shù)之間以及IEEE系列和蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間的切換。該工作組和3GPP也保持著緊密的合作關(guān)系，共同推動(dòng)著無線網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)的融合和發(fā)展。

通過上述分析不難發(fā)現(xiàn)多樣化的接入技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通常都是獨(dú)立設(shè)計(jì)和開發(fā)的，并由各自的標(biāo)準(zhǔn)化組織進(jìn)行協(xié)議的更新和標(biāo)準(zhǔn)化工作。這些系統(tǒng)通常面向用戶的不同需求、提供不同的業(yè)務(wù)類型和服務(wù)模式。任何一種技術(shù)都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)，都不可能完全取代其他的技術(shù)。因此，現(xiàn)有的多種無線接入技術(shù)共存的特點(diǎn)，也必將成為未來移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要特征。隨之產(chǎn)生了一系列新的研究課題，包括如何在系統(tǒng)中集成多種無線接入技術(shù)，在什么協(xié)議層次上實(shí)現(xiàn)集成；通過多模終端如何隨時(shí)、隨地、采用最適宜的方式接入網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供無縫平滑的業(yè)務(wù)感受；如何通過終端的多接入能力提升系統(tǒng)的系統(tǒng)；傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧對無線多接入能力的適配等。這些問題也是下一代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵問題。

1.2、IP技術(shù)的發(fā)展

圖2：IP技術(shù)的應(yīng)用前景
在無線通信網(wǎng)絡(luò)多樣化發(fā)展的同時(shí)，IP技術(shù)以其簡單開放的特征，正在從數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)向通信網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)領(lǐng)域滲透，并逐步促進(jìn)形成以“IP over Everything”和“Everything over IP”為特征的網(wǎng)絡(luò)層公共傳輸平臺(tái)，如圖2所示。“IP over Everything”是指各種接入技術(shù)都可以通過IP協(xié)議接入核心網(wǎng)絡(luò)。目前已經(jīng)出現(xiàn)的“IP over ATM”，“IP over Optic”，“IP over Cellular”，“IP over IEEE802.x”就是典型的代表。

“Everything over IP”體現(xiàn)在多個(gè)方面，比如互聯(lián)網(wǎng)上多媒體業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中基于IMS的多媒體業(yè)務(wù)的成熟和商用等。隨著互聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)和骨干網(wǎng)帶寬的提高，IP網(wǎng)絡(luò)QoS解決方案（如MPLS）日趨成熟，在互聯(lián)網(wǎng)上提供語音、圖像和視頻類業(yè)務(wù)成為可能。目前，PC to PC的VoIP已悄然興起，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者也紛紛對IPTV業(yè)務(wù)進(jìn)行測試和評估?？梢灶A(yù)見，基于IP技術(shù)的互聯(lián)網(wǎng)必將演變?yōu)樘峁﹫D像、視頻、話音和數(shù)據(jù)的復(fù)合性業(yè)務(wù)（Triple-play）的綜合信息平臺(tái)；同時(shí)，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，基于IP承載IMS控制的多媒體業(yè)務(wù)也將逐步取代蜂窩網(wǎng)絡(luò)電路域的話音業(yè)務(wù)，成為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)所提供的“Killer
Applications”。目前，不同網(wǎng)絡(luò)域的業(yè)務(wù)分別基于彼此獨(dú)立的IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行承載，且具有不同的用戶群。但是，在可以預(yù)見的未來，為了避免IP骨干網(wǎng)絡(luò)的重復(fù)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)間的融合，必然會(huì)形成以統(tǒng)一的IP網(wǎng)絡(luò)為承載且集成多樣化的接入能力的多接入系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的IP技術(shù)面臨這些新的需求，也在不斷的進(jìn)行著技術(shù)更新。隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展和IP技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)廣，傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議體系隨之出現(xiàn)了難以解決的問題：有限的IP地址空間限制了網(wǎng)絡(luò)和終端用戶的增長，成為IP網(wǎng)發(fā)展的一大瓶頸；另外，隨著用戶對移動(dòng)性功能的需求和IP技術(shù)在無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，人們更希望IP技術(shù)提供“即插即用”和移動(dòng)性的功能；同時(shí)，傳統(tǒng)的IP協(xié)議沒有充分考慮網(wǎng)絡(luò)層的安全性問題，但是隨著IP技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，對IP層安全性的要求與日俱增。所有這些新的需求，成為下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力。IETF提出的新版IP協(xié)議版本（IPv6）[6]和Mobile IP[7]協(xié)議從根本上解決了上述的問題，也成為下一代互聯(lián)網(wǎng)（NGI）的主要特征。

1.3、基于IP集成的多接入系統(tǒng)

圖3：基于IP集成的多接入系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)
隨著IP技術(shù)的不斷發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)廣，人們逐漸認(rèn)識(shí)到基于IP集成的無線多接入系統(tǒng)體現(xiàn)了傳統(tǒng)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、新興的多接入技術(shù)和開放的IP技術(shù)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢，是下一代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向。下一代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為用戶提供在任何地點(diǎn)、任何地點(diǎn)的隨時(shí)隨地的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，并能夠保證用戶在移動(dòng)的過程中業(yè)務(wù)的連續(xù)性和平滑性?；贗P技術(shù)的多接入系統(tǒng)，其主要優(yōu)點(diǎn)是無線接入系統(tǒng)之間通過骨干IP網(wǎng)絡(luò)相連，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單。由于系統(tǒng)間的切換是基于Mobile IP協(xié)議或IP層以上的協(xié)議功能實(shí)現(xiàn)，因此具有底層接入無關(guān)性，具備良好的可擴(kuò)展性。但是，在基于IP集成技術(shù)的多接入系統(tǒng)中，仍然存在很多尚未解決的問題，如圖3所示。

1、多無線接入技術(shù)集成的問題“Multi-Radio Integration”

多接入集成的設(shè)計(jì)，包括多接入技術(shù)網(wǎng)絡(luò)側(cè)集成和終端集成兩個(gè)部分。多接入技術(shù)集成方式的設(shè)計(jì)，直接決定著多接入系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和其上關(guān)鍵技術(shù)的原理與實(shí)現(xiàn)方法。因此，在深入討論多接入系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之前，應(yīng)該首先確認(rèn)多接入系統(tǒng)典型的集成方式及其形成的典型多接入場景，并需要給出不同集成方式和多接入場景的特征，以使關(guān)鍵技術(shù)的研究具有明確的針對性。

2、無縫移動(dòng)性的問題“Seamless Mobility”

多接入系統(tǒng)無縫移動(dòng)性問題主要包含兩個(gè)子問題：移動(dòng)性支持的協(xié)議層次定位問題和切換性能優(yōu)化的問題。移動(dòng)類型包括終端移動(dòng)性、業(yè)務(wù)移動(dòng)性、個(gè)人移動(dòng)性等。在不同層次上實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)性管理機(jī)制，由于其歸屬協(xié)議層次的特征不同，所支持的移動(dòng)類型也不同?；贗P集成的多接入系統(tǒng)，移動(dòng)性可以在多個(gè)協(xié)議層次上實(shí)現(xiàn)，包括IP層，傳輸層[8][9]和會(huì)話層[10][11]。多接入系統(tǒng)無縫移動(dòng)性的研究，以網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性管理為起點(diǎn)非常適合，通過對網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性管理機(jī)制的透徹討論，也為高層其他移動(dòng)性管理機(jī)制的實(shí)現(xiàn)提供了借鑒的依據(jù)。

3、多路徑優(yōu)化傳輸?shù)膯栴}“Multi-Path Optimized Transmission”

多接入系統(tǒng)中，移動(dòng)終端通常具備多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接入能力，如何利用這些多接入能力提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力，成為一個(gè)非常有吸引力的課題。尤其考慮到無線網(wǎng)絡(luò)受限的帶寬資源和多變的無線傳輸環(huán)境，協(xié)同使用多個(gè)可見的接入能力顯得尤為必要。

4、協(xié)議適配的問題“Protocol Adaptive”

經(jīng)典的TCP/IP協(xié)議模型和協(xié)議功能并不適用于無線多接入系統(tǒng)。傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議針對固定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計(jì)，默認(rèn)僅支持一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接入能力。在無線多接入系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性、多接入能力協(xié)同使用的需求以及無線網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境的動(dòng)態(tài)特性，對傳統(tǒng)的TCP/IP嚴(yán)格的協(xié)議分層模型和多個(gè)協(xié)議層次的功能帶來很大的影響。因此，在解決各種多接入系統(tǒng)關(guān)鍵問題的過程中，需要對傳統(tǒng)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展和升級(jí)。

5、多模終端設(shè)計(jì)的問題“Multi¬-mode Terminal”

對多模終端的研究是多接入系統(tǒng)不可分割的重要環(huán)節(jié)。多模終端的設(shè)計(jì)涉及的研究范圍和學(xué)科非常廣泛，包括：終端上多接入技術(shù)物理上的集成問題，該問題還包含一系列的子問題如射頻干擾問題、功耗問題等；終端的協(xié)議設(shè)計(jì)問題，該問題和上面討論的問題4直接相關(guān)；多模終端的移動(dòng)性支持，該問題和問題2直接相關(guān)；多模終端優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸問題，和問題3直接相關(guān)等。對多接入系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)的研究，最終總會(huì)映射為網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)的具體功能。通過對多接入系統(tǒng)相關(guān)問題的深入分析，我們對多模終端功能的定位也會(huì)逐漸清晰。

6、QoS相關(guān)問題“QoS related Problem”

無線多接入系統(tǒng)中，面臨著更為復(fù)雜的QoS問題。除了傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)端到端QoS問題外，如何維持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間切換前后業(yè)務(wù)的QoS要求，如何保證多接入鏈路并行傳輸過程中的QoS問題，都是多接入系統(tǒng)中特有的新課題。

2、下一代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1、無線多接入系統(tǒng)關(guān)鍵問題分析

本節(jié)將深入分析無線多接入系統(tǒng)中存在問題的根源及其內(nèi)在關(guān)系。與傳統(tǒng)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和固定通信網(wǎng)絡(luò)相比，融合了多種無線接入技術(shù)的全I(xiàn)P體系結(jié)構(gòu)，由于多接入能力的差異和網(wǎng)絡(luò)場景的多樣性，面臨著一系列新問題。

2.1.1、多接入環(huán)境下的移動(dòng)性管理技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)層的集成方案，可以采用Mobile IP或SIP為移動(dòng)性管理協(xié)議。Mobile IP和SIP實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性管理的機(jī)制非常類似，都是通過將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在拜訪地的臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)地址和一個(gè)永久的標(biāo)識(shí)綁定。在Mobile IP中這個(gè)永久的標(biāo)識(shí)是終端的家鄉(xiāng)地址(網(wǎng)絡(luò)層地址)，而SIP中這個(gè)永久的標(biāo)識(shí)可以是終端、業(yè)務(wù)或者用戶的SIP URI。由于不同協(xié)議層次的特性不同，所支持的移動(dòng)性協(xié)議也具有顯著的區(qū)別。比如在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)性管理，僅支持終端的移動(dòng)性；而在會(huì)話層實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)性管理機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)終端移動(dòng)性的同時(shí)，也支持用戶移動(dòng)性和業(yè)務(wù)移動(dòng)性。同時(shí)，我們也發(fā)現(xiàn)由于Mobile IP和SIP同時(shí)具有底層接入無關(guān)的特征，它們的切換性能面臨著同樣的問題。因此，研究可以以Mobile IP協(xié)議為無線多接入環(huán)境下研究移動(dòng)性管理技術(shù)的起點(diǎn)和基礎(chǔ)。其面臨的問題，概括如下：

a)網(wǎng)絡(luò)層切換性能問題

目前，IP層的移動(dòng)性管理技術(shù)主要是移動(dòng)IP協(xié)議及其改進(jìn)方案。但是，由于Mobile IP協(xié)議一開始為Internet上的主機(jī)移動(dòng)性設(shè)計(jì)，其機(jī)制簡單且切換性能較差。Mobile IP的移動(dòng)性檢測機(jī)制主要通過檢測不同IP子網(wǎng)的路由器前綴來實(shí)現(xiàn)，這種移動(dòng)性檢測機(jī)制通常會(huì)引入幾秒的數(shù)據(jù)中斷，這樣的切換性能不能滿足實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和流媒體對QoS的要求，同時(shí)，過長的數(shù)據(jù)中斷時(shí)間有可能引起高層端到端的協(xié)議連接中斷。

b)缺乏對無線鏈路狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的檢測能力

傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議專為固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境單一，因此網(wǎng)絡(luò)層只需要了解底層接口是否可用即可。但是在異構(gòu)的無線環(huán)境下，隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，無線接入能力隨之會(huì)發(fā)生很大的變化。這對網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性管理帶來了很大的挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)層性能問題很大一部分原因即源于此。由于缺乏對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化的檢測能力，因此，網(wǎng)絡(luò)層的移動(dòng)性檢測依據(jù)只能來自于網(wǎng)絡(luò)層路由器廣播中的網(wǎng)絡(luò)前綴，從而導(dǎo)致切換時(shí)延過長。同時(shí)，無線鏈路狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的檢測能力有助于切換機(jī)制綜合判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)所處的多接入場景，從而有針對性的采用合適的切換策略、選擇合適的接入目標(biāo)和切換的時(shí)機(jī)。雖然Mobile IP的改進(jìn)方案提出了底層輔助的切換優(yōu)化機(jī)制，但是對于如何在底層實(shí)現(xiàn)觸發(fā)機(jī)制，以及如何生成準(zhǔn)確的底層事件等方面都沒有深入的討論。

c)普適性問題

由于多接入網(wǎng)絡(luò)場景的多樣性，需要定義具有良好可擴(kuò)展性的網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性管理機(jī)制。移動(dòng)性管理機(jī)制需要全面了解網(wǎng)絡(luò)接入能力和場景動(dòng)態(tài)的變化，就是上一個(gè)問題所描述的功能；移動(dòng)性管理必須能夠處理不同異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)重疊所形成的復(fù)雜場景下的切換管理和位置管理問題；移動(dòng)性管理信令協(xié)議應(yīng)該具有良好的可擴(kuò)展性，能夠滿足添加新功能的需要。

由于IPv6協(xié)議包頭結(jié)構(gòu)的進(jìn)行了重新定義，具有良好的可擴(kuò)展性，因此基本IPv6協(xié)議的Mobile IPv6本身也具有良好的可擴(kuò)展性。但是，現(xiàn)有的Mobile IPv6僅提供了網(wǎng)絡(luò)層切換的基本功能集，還需針對不同接入場景進(jìn)行相關(guān)的功能定義。同時(shí)在多接入網(wǎng)絡(luò)內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)其實(shí)是處于一個(gè)IP子網(wǎng)內(nèi)部，Mobile IP協(xié)議在這種情況下會(huì)失效。因而，這方面的問題還需要深入的分析和研究。

2.1.2、多接入能力的差異性造成的QoS問題

網(wǎng)絡(luò)層切換對高層應(yīng)用來說是透明不可見的。但是在無線多接入系統(tǒng)中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在不同接入體系間切換時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層雖然向高層屏蔽了切換動(dòng)作的發(fā)生，但是卻不能屏蔽切換所造成的對業(yè)務(wù)QoS的影響。對高層應(yīng)用來講，最為敏感的QoS參數(shù)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎蜁r(shí)延以及終端在不同類型接入網(wǎng)間漫游過程中的切換中斷時(shí)間等，為了保證一定用戶平滑的業(yè)務(wù)感受，必須保證上述性能參數(shù)達(dá)到業(yè)務(wù)QoS要求的最低標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)目前國內(nèi)外的研究成果看，網(wǎng)絡(luò)層切換的中斷時(shí)間可以通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)層切換機(jī)制來實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)化的結(jié)果能夠滿足實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)對傳輸時(shí)延的要求。

但是，當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在異構(gòu)接入體制間切換時(shí)，由于不同無線接入技術(shù)本身在數(shù)據(jù)速率、帶寬、時(shí)延等方面可能存在較大的差異，使得切換時(shí)用戶的業(yè)務(wù)感受到影響，甚至?xí)斐蓸I(yè)務(wù)被迫中斷。這個(gè)問題和網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性機(jī)制的關(guān)聯(lián)不大，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性管理僅能夠保證切換過程中業(yè)務(wù)連接不斷，數(shù)據(jù)中斷時(shí)間盡可能短，但是不能控制網(wǎng)絡(luò)接入資源的分配。尤其當(dāng)切換前后接入能力差異過大時(shí)，對業(yè)務(wù)的沖擊可能是個(gè)網(wǎng)絡(luò)層機(jī)制難以克服的問題，因而，該方面的問題尚需深入討論。

2.1.3 基于多接入能力的數(shù)據(jù)優(yōu)化傳輸問題

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)重疊覆蓋的區(qū)域，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通常具有多個(gè)同時(shí)可用的無線接入能力。在網(wǎng)絡(luò)層集成方案中，多個(gè)無線接入能力體現(xiàn)為在網(wǎng)絡(luò)層以下多個(gè)可用的無線接口。基于多個(gè)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化傳輸問題是一個(gè)有待深入研究的課題，其目標(biāo)是通過協(xié)同使用多個(gè)傳輸能力提升系統(tǒng)整體的傳輸效率。該問題的本質(zhì)是高層數(shù)據(jù)流（包）在多個(gè)可用接入資源間的調(diào)度問題。在不同的網(wǎng)絡(luò)場景下，數(shù)據(jù)優(yōu)化傳輸機(jī)制可能完全不同。它也和很多方面的問題相關(guān)：

首先，優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制也需要“環(huán)境動(dòng)態(tài)變化的檢測機(jī)制”和對高層應(yīng)用QoS需求的探測機(jī)制。探測的結(jié)果是數(shù)據(jù)優(yōu)化傳輸機(jī)制選擇傳輸路徑（接口）的依據(jù)。

另外，該機(jī)制和移動(dòng)性管理機(jī)制存在內(nèi)在關(guān)系。在多接入場景中，不同接口對應(yīng)著不同網(wǎng)絡(luò)前綴的IP地址。如果一旦為某個(gè)數(shù)據(jù)流選擇好外出的接口，則數(shù)據(jù)包的源地址必須對應(yīng)該接口的IP地址。否則，根據(jù)入口過濾功能，接入路由器通常會(huì)丟棄所有和接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)前綴不同的外出數(shù)據(jù)包。因而，在基于流級(jí)別的調(diào)度中，當(dāng)數(shù)據(jù)流的接口發(fā)生改變時(shí)，相應(yīng)的就要求改變該數(shù)據(jù)流的IP地址，IP地址的改變會(huì)引發(fā)傳輸層連接中斷（由于網(wǎng)絡(luò)層地址改變）。處理由于網(wǎng)絡(luò)層地址改變而引發(fā)的連接中斷，是網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性的功能。因此，基于多接入能力的數(shù)據(jù)優(yōu)化傳輸機(jī)制要想在數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)度的過程中，保持傳輸連接不斷，其實(shí)現(xiàn)必須要和移動(dòng)性管理機(jī)制相結(jié)合。在不同的場景下設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)優(yōu)化傳輸時(shí)，需要特別留意這兩個(gè)功能間的協(xié)同配合問題。

其次，優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制需要“多接口管理機(jī)制”和“層間地址管理機(jī)制”。多接口管理機(jī)制包括多接口可用性評估和數(shù)據(jù)調(diào)度功能等功能。地址管理涉及到網(wǎng)絡(luò)層地址和高層連接的綁定管理等，是數(shù)據(jù)優(yōu)化傳輸中所需要的基礎(chǔ)功能。

最后，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸核心是對數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)流的調(diào)度算法。設(shè)計(jì)合理可行的數(shù)據(jù)調(diào)度算法也是該研究的重點(diǎn)。

2.1.5、多接口管理問題和地址管理問題

多接入系統(tǒng)中由于在移動(dòng)終端上引入了多接入能力，因此，必須相應(yīng)地提供多接口管理和多個(gè)協(xié)議層間的地址映射管理機(jī)制。多接口管理功能負(fù)責(zé)記錄各個(gè)接口當(dāng)前的性能信息，并評估底層鏈路的可用性。對于高層協(xié)議和功能模塊來說，接口管理功能提供了控制多個(gè)底層接入能力的統(tǒng)一接口。

同時(shí)，由于多個(gè)無線接口上通常會(huì)被分配不同的網(wǎng)絡(luò)層地址。而高層傳輸層在一次連接的過程中總是要求網(wǎng)絡(luò)層地址不變，為此，Mobile IP引入了Home Address作為節(jié)點(diǎn)永久標(biāo)識(shí)，不同接口上的IP地址作為臨時(shí)地址標(biāo)識(shí)。當(dāng)利用多個(gè)接口進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，不同類型地址之間可能存在多種映射關(guān)系，主要包括傳輸層連接和網(wǎng)絡(luò)層IP地址的對應(yīng)關(guān)系，Home Address和CoA地址的對應(yīng)關(guān)系。統(tǒng)一的地址管理機(jī)制，其功能應(yīng)該包括有效地址登記、當(dāng)前使用地址的選擇和不同層次地址間的綁定管理。

上述的多個(gè)問題都需要接口管理和地址管理的支持，因此這兩個(gè)機(jī)制被單獨(dú)提出作為多接入系統(tǒng)中必須提供的基礎(chǔ)功能。本文會(huì)在解決其他關(guān)鍵問題的過程中，結(jié)合具體的需求給出這兩個(gè)問題的解決方案。

除了上述問題外，多接入系統(tǒng)還需考慮統(tǒng)一的安全認(rèn)證、接納控制等問題。

2.2、無線多接入環(huán)境對傳統(tǒng)協(xié)議棧的影響

圖4：傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧所面臨的問題
本節(jié)將深入解析在無線多接入環(huán)境中，傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧面臨的新問題和挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧為固定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計(jì)，默認(rèn)僅支持一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接入能力。而無線多接入環(huán)境具有兩個(gè)突出特征：一個(gè)是異種接入間的移動(dòng)性支持特征；另外一個(gè)是終端具備多接入能力的特征。這兩個(gè)特征對傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧提出了新的要求和挑戰(zhàn)，如圖4所示。一方面，這兩個(gè)特征的引入對多個(gè)協(xié)議層次的功能提出了新的要求，同時(shí)，新的需求可能要求引入新的協(xié)議層次；另一方面，這兩個(gè)特征也對傳統(tǒng)TCP/IP嚴(yán)格分層的協(xié)議模型提出了前所未有的挑戰(zhàn)。目前可見的研究主要集中在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中對TCP/IP協(xié)議性能的研究[12] [13]，也有很少的研究開始討論異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的TCP協(xié)議性能問題[14]。對無線多接入環(huán)境中TCP/IP協(xié)議棧的適配性研究尚未深入展開。

2.2.1、現(xiàn)有協(xié)議功能所面臨的問題

1、對網(wǎng)絡(luò)層功能升級(jí)的需求

網(wǎng)絡(luò)層面臨的問題包括兩方面：多接口數(shù)據(jù)并發(fā)傳輸?shù)膯栴}和網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性支持的問題。

首先，在終端側(cè)多個(gè)接入模塊同時(shí)可用時(shí)，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)層機(jī)制通常只能通過默認(rèn)的路由端口進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送。該問題存在的根源在于目前IP層“目的地尋址”的原則。目前終端和網(wǎng)絡(luò)使用同樣的目的地尋址機(jī)制，當(dāng)多模移動(dòng)終端發(fā)送某個(gè)IP層數(shù)據(jù)包時(shí)，首先會(huì)根據(jù)該數(shù)據(jù)包中的目的地址查詢本地的路由表，在沒有特意添加路由表項(xiàng)的前提下查詢的結(jié)果通常是終端配置的默認(rèn)路由所對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)端口。在這種情況下，即使有多個(gè)同時(shí)可用的無線接入模塊，每次查詢路由表的結(jié)果仍然得到唯一的查詢結(jié)果，即當(dāng)前默認(rèn)的路由對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)端口。此時(shí)即使有多個(gè)可用的網(wǎng)絡(luò)接入能力，但是也僅有一個(gè)默認(rèn)路由的端口被使用，上行鏈路的傳輸能力不能得到充分的利用。也就是說目前的終端路由機(jī)制不支持多接口并發(fā)的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

其次，網(wǎng)絡(luò)層的移動(dòng)性管理協(xié)議Mobile IP性能存在很大的問題，并需針對多接入切換場景的不同進(jìn)行必要的擴(kuò)展和修訂。

2、傳輸層的新問題

傳輸層中的TCP協(xié)議是面向連接的，具備高層流控機(jī)制的傳輸層協(xié)議，因此在多接入系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)變化的無線網(wǎng)絡(luò)特征，多接入能力，以及網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性等新特征，使得傳統(tǒng)的TCP層面臨更多的新問題：

•無線傳輸環(huán)境對TCP協(xié)議產(chǎn)生的影響

由于TCP是專門為有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的面向連接的協(xié)議，其流量控制機(jī)制將無線鏈路上的丟包現(xiàn)象當(dāng)作網(wǎng)絡(luò)擁塞，從而削減TCP數(shù)據(jù)發(fā)送的流量，這種現(xiàn)象嚴(yán)重影響了TCP協(xié)議在無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時(shí)的性能。目前，對無線TCP性能的改進(jìn)也是研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題，被普遍關(guān)注。

•網(wǎng)絡(luò)層切換給TCP協(xié)議帶來的問題

Mobile IP機(jī)制雖然向高層協(xié)議屏蔽了網(wǎng)絡(luò)層切換的動(dòng)作，但是很難消除由于切換帶來的影響。網(wǎng)絡(luò)層切換過程中數(shù)據(jù)包丟失和失序現(xiàn)象，同樣嚴(yán)重影響TCP層的工作效率。在網(wǎng)絡(luò)層垂直切換中，由于新接入鏈路與老鏈路數(shù)據(jù)傳輸性能不同，需要TCP根據(jù)快速探測新鏈路的帶寬和時(shí)延，進(jìn)行參數(shù)的重配置。但是，目前協(xié)議層劃分遵循嚴(yán)格分層的原則，因此網(wǎng)絡(luò)層切換的事件和底層接入鏈路的轉(zhuǎn)化對TCP層來說都是不可見的，因而，基于現(xiàn)有的協(xié)議模型很難解決這些問題。

•無線多接入能力給TCP協(xié)議帶來的問題

更復(fù)雜的TCP性能問題由多接入?yún)f(xié)同傳輸機(jī)制引起。當(dāng)利用多個(gè)無線鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化傳輸時(shí)，例如：利用多接入能力同時(shí)傳輸同一個(gè)TCP連接中的數(shù)據(jù)流時(shí)，TCP層的數(shù)據(jù)流量不會(huì)出現(xiàn)增長，反而是介于多鏈路中最大傳輸速率和最小傳輸速率之間的一個(gè)值。我們稱該現(xiàn)象為TCP層多路徑傳輸中的“短板現(xiàn)象”。

•上下層地址綁定管理的問題

由于引入多接入能力協(xié)同操作機(jī)制，TCP層的連接可能會(huì)被動(dòng)態(tài)地映射為不同的底層無線傳輸路徑，進(jìn)而對應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)層地址，因此對TCP層的連接管理、傳輸層連接和網(wǎng)路層地址綁定等問題同樣需要關(guān)注并在相關(guān)模塊中實(shí)現(xiàn)。這也是前面所提到地址管理問題。

TCP面臨的這些問題，很難依靠現(xiàn)有的協(xié)議機(jī)制實(shí)現(xiàn)。要想解決這些問題，TCP層需要了解引起自身問題的原因，并區(qū)別加以處理。但是目前嚴(yán)格分層的協(xié)議模型很難提供這樣的層間消息互通機(jī)制。

3、會(huì)話層所面臨的問題

會(huì)話層移動(dòng)性管理目前面臨的性能問題類似于Mobile IP協(xié)議。同時(shí)也包括對多模接入能力的適配問題。

4、引入新的協(xié)議功能“虛擬統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)層VGD”

通過對上述諸多問題討論，從協(xié)議棧整體考慮，建議采用新的協(xié)議層功能“虛擬統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)層”－VGD。之所以提出這個(gè)功能層，需求主要來自于兩個(gè)方面。一是需要添加多接口管理機(jī)制：該機(jī)制需要密切的檢測底層多無線接入能力的性能和狀態(tài)，并對底層接入模塊進(jìn)行必要的控制。這就需要定義一個(gè)統(tǒng)一的接口層，面向高層協(xié)議提供標(biāo)準(zhǔn)化的信息接口和控制接口，從而屏蔽底層接入的差異；二是在利用多個(gè)無線接入能力進(jìn)行并行傳輸時(shí)，需要一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口和調(diào)度模塊，而這些功能在IP層和底層接口之間實(shí)現(xiàn)最為合理。

2.2.2、對傳統(tǒng)的協(xié)議模型的影響

相對于傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧，圖5給出了未來無線通信系統(tǒng)協(xié)議棧發(fā)展的一個(gè)預(yù)測，中間的IPv6/MIPv6模塊由IPv4演化而來，并支持終端的移動(dòng)性功能。采用MIPv6協(xié)議，終端可以移動(dòng)到新的異種接入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)議棧的中心是IP層和VGD層。對于高層而言，IP層屏蔽了支持移動(dòng)性功能的操作細(xì)節(jié)，這樣在移動(dòng)條件下，上層仍然可以透明傳輸。VGD則向IP層屏蔽了底層多接入技術(shù)的差異，為高層提供了底層數(shù)據(jù)傳輸和信息提供的統(tǒng)一接口。

但是純粹的屏蔽網(wǎng)絡(luò)層切換動(dòng)作，并不能消除切換所造成的影響。因此，更好的方法是Mobile
IP層將切換事件通知上層，以便上層協(xié)議可以更好的處理對這些事件的影響。如TCP層存在的部分問題，就可以通過引入該機(jī)制來解決。這與協(xié)議棧嚴(yán)格分層的原則有所違背。

圖5：傳統(tǒng)TCP/IP協(xié)議棧演變的預(yù)測
傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧采用的嚴(yán)格分層原則，盡量較少層間信息交互和協(xié)同操作。分層的結(jié)構(gòu)，將整體的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的任務(wù)劃分在各個(gè)協(xié)議層次完成，并定義了每個(gè)層次上要提供的層次化的服務(wù)。不同層次上的服務(wù)通過該層次上的協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。這樣的結(jié)構(gòu)禁止不相鄰的協(xié)議層次之間的通信；鄰層之間的通信也被限制為有限的過程調(diào)用和響應(yīng)。但是如果保持嚴(yán)格的模塊化特性，當(dāng)無線多接入系統(tǒng)引入的移動(dòng)性和多接入能力時(shí)，多個(gè)協(xié)議層次所產(chǎn)生的一系列問題很難得到解決。

因此，如何在盡可能保持TCP/IP協(xié)議棧結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上解決上述問題，也需要深入的分析和討論。

3、結(jié)論

本文研究的重點(diǎn)是基于IP技術(shù)集成的多接入系統(tǒng)。基于IP集成的無線多接入系統(tǒng)體現(xiàn)了傳統(tǒng)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、新興的多接入技術(shù)和開放的IP技術(shù)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢。但是，該系統(tǒng)存在很多尚未解決的問題，比如無線多接入技術(shù)集成問題“Multi-Radio Integration”，無縫移動(dòng)性問題“Seamless Mobility”，多路徑優(yōu)化傳輸問題“Multi-Path Optimized Transmission”，傳統(tǒng)TCP/IP協(xié)議對無線多接入環(huán)境適配的問題“Protocol Adaptive”，多模終端設(shè)計(jì)的問題“Multi¬-mode Terminal”等等。對無線多接入系統(tǒng)的研究涉及到網(wǎng)絡(luò)和終端發(fā)展的方方面面，未來還有很長的路要走。