隨著計算機和通信技術(shù)的發(fā)展，無線廣域網(wǎng)(如GPRS、UMTS等)、無線局域網(wǎng)" title="無線局域網(wǎng)">無線局域網(wǎng)(如IEEE802.11)、衛(wèi)星通信網(wǎng)、藍牙網(wǎng)絡等多種無線網(wǎng)絡系統(tǒng)正逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)有線網(wǎng)絡成為互聯(lián)網(wǎng)接入的最后一跳。如何將這些異構(gòu)無線網(wǎng)絡融合在一起，提供覆蓋廣、帶寬高、移動性高且費用低廉的互聯(lián)網(wǎng)接入，將是下一代移動通信系統(tǒng)(如B3G、4G等)的發(fā)展方向。
　　在異構(gòu)無線網(wǎng)絡融合的系統(tǒng)框架中，第三代移動通信網(wǎng)絡3G與無線局域網(wǎng)絡WLAN(Wireless Local Area Network)具有典型的互補特性，因此它們之間的無縫融合受到廣泛關(guān)注。包括第三代移動通信伙伴計劃組織3GPP(Third Generation Partnership Project)在內(nèi)的多家研究機構(gòu)都致力于3G/WLAN無縫融合系統(tǒng)的研究。其中松散耦合系統(tǒng)模型被廣泛接受并成為B3G和4G系統(tǒng)的推薦系統(tǒng)模型^[1]。本文以3G/WLAN融合系統(tǒng)作為典型應用環(huán)境來論述，同時假設(shè)3G網(wǎng)絡基于UMTS標準，無線局域網(wǎng)絡基于IEEE802.11標準。
　　將異構(gòu)無線網(wǎng)絡無縫融合在一起，發(fā)揮出各自網(wǎng)絡的優(yōu)勢，需要解決一系列難題^[2]。其中，如何提供端到端的服務質(zhì)量保證QoS(Quality of Service)是一個關(guān)鍵問題。特別地，當越來越多的實時業(yè)務和多媒體服務被應用，提供可靠的端到端多級QoS保證就成為多網(wǎng)絡融合系統(tǒng)的一個必要指標。
　　本文提出了一種動態(tài)的、標準化的、基于多徑接收端控制協(xié)議R2CP(Radial Reception-Control Protocol)的端到端QoS支持模型。該模型在邏輯上將所有可用的無線資源看作一個整體，根據(jù)各個流或會話對QoS要求的不同，動態(tài)地分配不同流到不同的無線網(wǎng)絡中。由于提供端到端QoS保證涉及到網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中的多個層，因此，需要對各個層進行相應的改進和優(yōu)化。該模型采用標準化的QoS支持數(shù)據(jù)庫來統(tǒng)一異構(gòu)網(wǎng)絡中各不相同的QoS參數(shù)；采用基于流或會話的方法來優(yōu)化無線信道的使用；采用一種新的且TCP友好的傳輸層協(xié)議R2CP來減少異構(gòu)網(wǎng)絡垂直切換的延遲。
1 網(wǎng)絡融合系統(tǒng)的架構(gòu)參考模型
　　3G/WLAN融合系統(tǒng)的參考模型主要分為兩大類：松散耦合模型和緊密耦合模型^[1]。其中松散耦合模型是目前研究的焦點。面向4G的3G/WLAN融合系統(tǒng)架構(gòu)參考模型如圖1所示，該圖給出了松散耦合與緊密耦合模型的對比。

　　在緊密耦合模型中，無線局域網(wǎng)作為一個3G網(wǎng)絡的空中接口而存在。如圖1，無線局域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)直接與3G網(wǎng)絡的PDSN模塊相連。該網(wǎng)關(guān)在無線局域網(wǎng)報文中添加3G報頭協(xié)議棧，將其轉(zhuǎn)化為3G網(wǎng)絡的報文并發(fā)送給PDSN。無線局域網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和PDSN隱藏了不同空中接口的細節(jié)。因此，緊密耦合模型的各種空中接口可以共享消息機制和計費機制，結(jié)構(gòu)相對簡單。然而，緊密耦合模型也存在難以克服的缺點。首先，現(xiàn)有的3G網(wǎng)絡和無線局域網(wǎng)都需要做適當修改以適應緊密耦合的要求；其次，用戶終端也需要修改并加入相應的3G協(xié)議棧；最后，緊密耦合模型要求3G和無線局域網(wǎng)屬于同一服務提供商。
　　與緊密耦合不同，在松散耦合參考模型中，無線局域網(wǎng)與3G網(wǎng)絡不直接相連，彼此的數(shù)據(jù)連接完全獨立。它們通過因特網(wǎng)間接連接到一起，利用移動IP(Mobile IP)技術(shù)結(jié)合適當?shù)穆握J證協(xié)議(AAA Roaming Agreement)來實現(xiàn)網(wǎng)絡融合和無縫切換。因此，松散耦合模型具有很多優(yōu)點：(1)它保證了異構(gòu)網(wǎng)絡的獨立性，現(xiàn)有網(wǎng)絡不需要修改即可融合到一起；(2)模型的擴展性好，未來的網(wǎng)絡(例如 IEEE802.16)可以更容易地加入到網(wǎng)絡融合環(huán)境中；(3)通過適當?shù)穆螀f(xié)議，用戶只需在一個提供商處注冊即可漫游整個無線網(wǎng)絡。松散耦合模型具有更好的兼容性、擴展性和更廣闊的應用前景。因此松散耦合模型已逐漸成為網(wǎng)絡融合系統(tǒng)參考模型的主流。
2 提供端到端QoS支持的難點
　　本節(jié)逐一討論在異構(gòu)無線網(wǎng)絡無縫融合環(huán)境中提供端到端QoS支持的難點，并對現(xiàn)有的解決方案進行分析。
　　首先，需要考慮如何統(tǒng)一異構(gòu)網(wǎng)絡中不同的QoS參數(shù)。不同網(wǎng)絡的QoS參數(shù)差異很大，例如UMTS網(wǎng)絡規(guī)范定義了四等級的QoS保證，而IEEE802.11e標準支持八等級QoS保證。因此，新的融合模型要具有較好的兼容性，不能影響現(xiàn)有網(wǎng)絡和規(guī)范。Hamalainen等人提出了一種基于松散耦合模型的解決方案^[3]。該方案通過QoS參數(shù)映射和相應的消息機制可以較好地實現(xiàn)不同網(wǎng)絡的QoS參數(shù)匹配。然而，該方案的網(wǎng)絡選擇邏輯僅僅基于信號強度，并且同一時間只有一個網(wǎng)絡接口可被使用，參數(shù)映射和網(wǎng)絡選擇邏輯過于簡單，效率偏低。
　　其次，如何有效利用無線資源以及如何減少異構(gòu)網(wǎng)絡垂直切換的長延遲是需要解決的另外兩個問題。目前，網(wǎng)絡漫游通常采用移動IP的隧道技術(shù)來實現(xiàn)。但很多研究表明，傳統(tǒng)移動IP技術(shù)的表現(xiàn)并不盡如人意，特別是在異構(gòu)網(wǎng)絡切換情況下，平均延遲高達800ms，無法滿足實時業(yè)務的無縫切換要求。Zhang Q等人提出了一種基于預測的方法來減少應用移動IP技術(shù)所帶來的長延遲^[4]。通過采用適當?shù)念A測算法(如快速移動IP技術(shù)、基于快速傅立葉變換FFT的信號衰減探測算法等)，移動IP的性能有所提高。然而，從無縫漫游和端到端QoS支持的角度看，基于預測的方法仍然無法完全解決移動IP技術(shù)的缺陷。由于無線局域網(wǎng)的信號抗干擾性和穩(wěn)定性差，經(jīng)常出現(xiàn)突然斷路的現(xiàn)象，會帶來嚴重的分組丟失和長延遲，進而導致QoS保證失效。由于這種斷路及斷路后的延遲由多個層共同作用產(chǎn)生，因此，單純在鏈路層應用基于預測的方法無法完全解決問題。
　　隨著多網(wǎng)絡融合的發(fā)展，多模用戶終端應運而生。但傳輸層協(xié)議仍然沿用傳統(tǒng)的單一模式，當出現(xiàn)垂直切換時，物理層和介質(zhì)訪問層MAC(Media Access Control)均切換到新網(wǎng)絡，但傳輸層無法察覺這種切換，它仍然使用同一套擁塞和流量控制算法及相同的參數(shù)來控制數(shù)據(jù)報發(fā)送。直到出現(xiàn)擁塞丟包，傳輸層才能開始重新調(diào)節(jié)以適應新網(wǎng)絡。這種傳輸層的慢適應會帶來嚴重的擁塞、丟包、長延遲和大延遲抖動。例如，當用戶需要從無線局域網(wǎng)切換到3G時，可用帶寬將大大減小，但傳輸層無法察覺網(wǎng)絡切換，會仍然按照原有發(fā)送窗口大小發(fā)送報文，直到出現(xiàn)擁塞丟包，才開始重新調(diào)節(jié)來適應新網(wǎng)絡。傳輸層的這種慢適應過程會破壞網(wǎng)絡端到端QoS保證。
3 一個動態(tài)端到端QoS支持模型
3.1 模型概述
　　為了在異構(gòu)網(wǎng)絡融合環(huán)境中提供高效可靠的QoS支持，本文提出了一種新的端到端QoS支持模型。模型的主要設(shè)計思想是：在邏輯上將所有可用的無線資源看作一個整體，根據(jù)各個流或會話的不同QoS要求，動態(tài)地分配各個流到不同的無線網(wǎng)絡中，進而實現(xiàn)可靠的QoS保證、優(yōu)化的無線資源利用及低廉合理的費用。
　　該端到端QoS支持模型的系統(tǒng)框架和協(xié)議棧如圖2所示。模型的核心是交互控制模塊" title="控制模塊">控制模塊ICF(Interworking Control Function)。它包含若干子模塊，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。交互控制模塊包含如下主要功能：
　　(1)收集物理層和MAC層中用于網(wǎng)絡切換的相關(guān)信息，如信號強度、可用帶寬和延遲等；
　　(2)根據(jù)收集到的網(wǎng)絡信息、QoS支持數(shù)據(jù)庫和用戶設(shè)置為當前發(fā)送的流或當前會話動態(tài)選擇網(wǎng)絡接口；
　　(3)控制各無線接口的打開和關(guān)閉，以及在各網(wǎng)絡之間的切換；
　　(4)與傳輸層交互網(wǎng)絡切換信息，保證網(wǎng)絡切換的傳輸層配合。
　　新模型采用新的傳輸層協(xié)議——多徑接收端控制協(xié)議R2CP，取代了傳統(tǒng)的TCP協(xié)議^[5]，能在傳輸層有效支持網(wǎng)絡切換。

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3.2 R2CP協(xié)議
　　傳統(tǒng)的TCP協(xié)議是在有線網(wǎng)絡中發(fā)展起來的，諸多研究表明，TCP無法區(qū)分無線網(wǎng)絡中由擁塞或斷路導致的超時，因此不適應無線網(wǎng)絡以及以無線作為最后一跳的新一帶網(wǎng)絡。特別是當接收端(通常為客戶機)進行網(wǎng)絡切換時，TCP協(xié)議由發(fā)送端(通常為服務器)控制的機制無法預知網(wǎng)絡切換的發(fā)生，會繼續(xù)按照原有速率發(fā)送分組，進而導致嚴重的擁塞、丟包和服務質(zhì)量下降。為了克服傳統(tǒng)TCP協(xié)議在無線網(wǎng)絡中的缺陷，Hsieh等人提出了接收端控制協(xié)議RCP(Reception-Control Protocol)，并針對異構(gòu)網(wǎng)絡切換的特點又提出了RCP的擴展版本R2CP。R2CP是支持多通道并行的、并以接收端為中心的傳輸層協(xié)議。R2CP協(xié)議由接收端進行流量控制和擁塞控制，在無線網(wǎng)絡中，具有比TCP協(xié)議更好的性能。特別是，R2CP協(xié)議的多通道設(shè)計可以支持傳輸層的網(wǎng)絡無縫切換。每個通道對應一個當前的無線接口，在網(wǎng)絡切換過程中，相應的兩個通道可并行工作，從而保證了無縫切換和服務質(zhì)量。同時，R2CP與TCP友好兼容，由R2CP控制的數(shù)據(jù)流可以與TCP流同時存在，互不干擾。TCP、RCP和R2CP三個協(xié)議的原理對比如圖4所示。