基于Mobile IPv6的3G-WLAN网络切换策略研究

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付费下载自CNKI论文期刊网。发表于《大众科技》2012年06期。

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【作者】 李剑；

【机构】 中国移动通信集团广西有限公司；

【摘要】 3G移动通信系统可以满足用户随时随地更快速的传输多媒体应用与实时性服务的需求,而IEEE的802.11无线网络则可以为用户提供涵盖范围较小、高速的数据传输环境。因此将两种传输技术结合为用户提供快速无缝接入的通信能力,并能在这两种传输技术间快速的切换,有着重大的现实意义。考虑到无线传输的环境中,用户对移动性的需求较高,因此本文以3GPP制定的3G与WLAN整合架构为基础,提出一种基于移动IPv6的异构网络快速切换策略,以减少用户在移动过程中所造成的服务中断和数据包丢失问题。

【关键词】 第三代移动通信； 移动IP； 切换；

1 引言

随着第三代移动通讯系统的普及，除了提供原有的语音通讯服务外，更加强了数据的传输能力。虽然目前3G网络的传输速率虽然较之以前有很大提高，但仍无法满足一些实时性高的应用以及多媒体业务的传输要求。无线局域网络(Wireless Loca lArea Network，WLAN)则有较快的数据传输速度，但是无线局域网络的涵盖范围较小，因此用户的移动性会受到很大限制。

未来的通信环境将是以All-IP为核心的网络，数据传输将都是以IP为标准，3G与WLAN网络的结合互补必将为未来的通信提供更好的传输环境。由于两种传输技术在最初设计时用途的出发点不同，要达到整合两种异构网络的目标，需要面对诸多问题，如用户终端设备(dual-mode or single-mode)、漫游(roaming)与切换策略(hand off strategy)、移动管理(mobility management)、安全性(security)、及收费机制(charging)等等。如何整合两种网络兼具各自的优点，并且在异构网络漫游的过程中，能够平滑甚至无缝的切换，则是目前的研究热点问题之一。

2 相关研究工作

由于3G及WLAN的用户都可以自由移动，当用户正在其中一个网络的范围下使用，且想要在移动时若离开网络范围后不会中断原来的服务，可以通过继续使用另一种网络达到服务的连续性，不会因为移动后，而必须重启服务。为了解决上述需求及考虑到未来IP网路的整合，移动IP(Mobile IP)技术因此应运而生。Mobile IP为IETF(Internet Engineering Task Force)所提出的一种利用双重IP地址，让用户达到在移动过程中联机不中断的技术。Mobile IP为IETF对IP移动能力上所提出的解决方案，利用让MN同时具有两个IP地址(HoA及CoA)来达到当MN移动到不同网域的网络时，由HA来负责转发其数据包到MN目前所在的位置。而MN在移动中为了达到传输不中断所需要进行的处理过程称为切换(hand off)，包括取得CoA并且向HA注册等。而Mobile IP技术的出现虽然使得IP在移动性上的问题得以解决，但由于当初IPv4在设计时是针对固定节点，所以Mobile IP一般而言并不适合支持快速或无缝的切换，原因在于切换过程中注册消息传输时所造成的时延过长。

为了改善MobileIP的性能，IETF提出的Hierarchical MobileIP[7]，藉由将注册讯息限制在区域内(local registration)来加快换手的过程，避免每次都要向HA注册所造成的注册时间上的延迟，同时也提出了快速的切换方法如文献[8]等来加速切换过程中注册信息的交换。随着无线网络的普及，Mobile IP技术越来越成熟并受到众多研究人员的重视，因此3GPP及3GPP2也将其纳入标准的规范当中，作为使用者漫游时的解决方案。但在3GPP规范中，仅仅提供了两种网络整合的初步架构。但对Handoff策略、服务继续等问题并未明确提供详细的解决方案。

3 基于MobileIPv6的3G-WLAN切换策略

虽然3GPP建议以Mobile IP作为异质网络漫游的Hand off策略，但并没有说明如何减少Handoff过程中的延迟时间及丢包率，因此考虑到Handoff过程中，UE在认证成功后必须进行W-APN的DNSQuery与建立点对点的传输隧道，本文提出以UE先发送Hand off Request消息到3G-WLAN Interworking架构中的核心网络，让核心网络来协助UE进行Handoff，而由于HandoffRequest信息中包含UE的CoA与W-APN，等到稍后认证成功后，访问网络即可根据CoA与转译过后的PDGIP地址做出网络资源授权并加速切换过程，从而减少异构网络间垂直切换的延迟时间，更好地保持服务的连续性。

3.1 网络架构

3G与WLAN互联的网络架构如图1所示，其中UE为具有同时与WLAN和3G网络通信的移动节点，并且配备有双模网卡(dual-mode)，能同时收到来自WLAN和3G的无线信号。

图13G-WLAN Interworking架构图

WLAN为与3G visited network互联的IEEE802.11无线网络。AP负责为UE提供无线接入能力，通过Gateway与3G visited network中的WAG相连。3G visited network为与3G home network具有漫游协议的网络，其中3G AAA Proxy负责将UE的AAA消息转发到3G home network做认证，WAG则负责过滤来自或传递给WLAN的数据包，确保数据包传输到PDG。3G home Network则为UE的home网络，分为无线存取网络UTRAN(UMTS Terrestrial Radio Access Network)与核心网络(Core Network)两部分，其中UTRAN包含RNC(Radio Network Controller)与Node-B提供无线信号的存取与资源管理，而核心网络则包括SGSN、GGSN、3G AAA Server、HSS和PDG。SGSN与GGSN的功能分别为UE在3G核心网络中分组交换服务的支持节点与对外网关口；3G AAA Server负责用户的认证、授权与计费，HSS(Home Subscriber Server)则为纪录用户相关数据的数据库，提供3G AAA Server认证；PDG代表WLAN UE分组交换服务的AP与核心网络对外的网关口。而HA及CN则为位于Internet/Intranet上的某一节点，分别为Mobile IP中的Home Agent与正在与UE进行通信的Correspondent Node。

3.2 Handoff策略

为了加快Handoff的过程，增加两个新的消息，分别为Handoff Request与Resource Preparing。前者用来当UE决定进行Hand off时，将认证相关所需的用户数据与要求存取的W-APN传输到Interworking WLAN，并由WLAN来启动认证程序；后者用来当UE认证成功后，3G AAA Server将UE的IP地址、存取权限通知PDG，要求其准备建立隧道和缓存。

整个hand off过程详细说明如下，首先以UE从3G信号范围切换到WLAN做说明：

（1）当UE移动到3G与WLAN信号的重迭区域时，WLAN无线接口收到来自Inter working WLAN AP的广播信号，其中包括WLAN的网络前缀、SSID以及与之具有交互关系的3G网络列表。

（2）UE利用WLAN的网络前置地址和IPv6无状态自动配置机制生成一个属于当地网域的IPv6地址，此地址即为UE的CoA。

（3）UE由WLAN的无线接口发送Hand off Request消息，其中包含了UE的NAI(Network Access Identifier)、IMSI(International Mobile Subscriber Identity)和TMSI(Temporary Mobile Subscriber Identity)以及请求的W-APN。

（4）Interworking WLAN根据UE要求访问的W-APN进行DNS查询，找到负责该服务的PDG的IP地址。

（5）Interworking WLAN将Access Request消息发送到3G AAA Server，以启动EAP认证程序。消息中包含了UE的身份资料和要求访问的PDG的IP地址。

（6）3G AAA Server收到Access Request消息后，随即与UE进行EAP认证过程，包括一连串有关密钥认证及数据加密的相关步骤。

（7）在UE的相关用户权限认证成功后，3G AAA Server即可向已知的PDG的IP地址发送Resource Preparing消息，该消息中包含了UE的认证结果与访问权限，并为即将进行Hand off的UE准备缓冲区。

（8）3G AAA Server回传Access Accept消息，表示UE认证成功。

（9）Interworking WLAN回复EAP Success消息给UE，并将PDG的IP地址信息附加在该消息中。

（10）UE得知认证成功与PDG的IP地址后，即可向HA发送MobileIPv6的更新绑定消息，要求HA将其目前地址更改为CoA。

（11）HA回传更新绑定确认消息，通知UE注册成功。

（12）HA在得知UE移动位置后，会将其数据包转发至PDG，此时PDG会缓存这些数据包，等点对点的隧道建立后再发送给UE。

（13）UE在收到绑定更新确认后，即可和3GPP PS Service中断联机以释放资源。

（14）UE与PDG建立点对点隧道，准备进行WLAN 3GPP PS访问请求。

（15）待隧道建立完成后，PDG清空缓冲区内的数据包。

（16）UE从3G UTRAN切换至Interworking WLAN，开始通过Interworking WLAN访问3G核心网络服务。由Interworking WLAN handoff至3GUTRAN的过程与上述之步骤相似。在3G UTRAN中，认证UE的工作由SGSN负责，而Handoff Request消息则由UE发送到SGSN并进行DNS查询，数据包缓存的任务则由GGSN执行。

4 结论

由于在3G-WLAN异构网络的切换过程中所必须交换的相关注册信息会造成实时性服务或多媒体传输上的延迟，因此本文提出增加两个Handoff Request与Resource Preparing消息，并利用3GPP的3G-WLAN Interworking架构下的核心网路协助UE进行异构网络的切换，以减少用户在移动过程速切换的目标。

【参考文献】

[1] F. G. Marquez, M. G. Rodriguez, etc. Interworking of IP Multimedia Core Network between 3GPP and WLAN. IEEE Wireless Communications,2005,Volume12, Issue 3,pp.58-65.

[2] N. Sattari, P. Pangalos, and H. Vahagmi. Seamless Handover between WLAN and UMTS,IEEE Vehicular Technology Conference,2005,pp.3035-3038.

[3] D. I. Axiotis, T. AI-Gizawi,etc..Services in Interworking 3G and WLAN Environments, IEEE Wireless Communications, 2004,Volume 11,Issue 5, pp.14-20.

[4] 3GPP:Interworking between the Public Land Mobile Network supporting packet based services with Wireless Local Area Network (WLAN) Access and Packet Data Network (PDN) (Release 6),2005,3GPP TS 29.161 v.6.1.0.

[5] 3GPP: Interworking between the Public Land Mobile Network (PLMN) supporting packet based service and Packet
Data Networks (PDN),2005,3GPP TS 29.061 v. 6.7.0.

[6] 3GPP:3GPP System to Wireless Local Area Network (WLAN) interworking User Equipment (WLAN UE) to network protocols Stage 3(Release 6),2006,3GPP TS 24.234 v.6.0.0.

[7] H. Soliman, C.Castelluccia, K. El Malki, and L. Bellier. Hierarchical Mobile IPv6 Mobility Management (HMIPv6),2005,RFC 4140.

[8] R. Koodli, Fast Handovers for Mobile IPv6,2005,RFC 4086.