手机信号漫游

1.2切换与漫游技术当移动节点在不同无线网络间移动时，不仅链路和接入的网络可能变化，有时还会涉及传输、应用的转换，因此切换与漫游技术涵盖网络体系结构的多个层次。1.2.1链路层切换与漫游技术GSM网络的切换以移动站和基站间的上下行电平质量和时间提前量作为最基本的数据，根据切换判断算法和资源分配算法决定是否切换以及切换到哪一个小区。GSM中根据切换触发参数不同，可分为基于功率预算的切换、基于上下行信号电平的切换、基于下行信号质量的切换、基于距离的切换、基于话务量的切换。在各种切换方法中，都设置了相应的切换门限，以减少不必要的乒乓切换。根据切换点的不同位置，GSM的切换还可分为小区内切换和小区间切换，切换要求基站和移动站均参与其中[3]。GPRS是GSM网络的升级，GPRS通过对用户状态和位置数据的管理来支持用户的移动性。4GPRS为用户的移动站定义了空闲、就绪和等待三种状态，其对用户移动性的管理体现为移动站在这三种状态之间的相互转换[6]。WCDMA支持软切换、更软切换、硬切换等多种类型的切换。软切换在分属不同基站的同频小区之间进行，在软切换过程中及其后一段时间内，移动站不中断与原小区的联系，并同时与新小区建立无线连接，当新小区的无线连接质量稳定后才断开与原小区的连接；更软切换是指在同一基站的不同小区之间的切换，此时移动站与一个基站的多个小区建立多条无线链路，上行链路在基站进行合并，不涉及交换中心；硬切换则必须先断开与原小区的连接，再建立与新小区的连接。硬切换又分为同频硬切换、异频硬切换和系统间切换，同频硬切换指在两个载波频率相同但由于某种原因没有配置Iu接口的两小区间切换；异频切换是指不同载波间的切换；系统间切换指WCDMA系统与GSM、CDMA2000等不同移动通信系统间的切换[2,7]。无线局域网WLAN由移动站、接入点（AccessPoint，AP）、分配系统（DistributedSystem，DS）等组成[18]。WLAN可以有两种组织结构，一种是基础结构（Infrastructure）模式，移动站必须经过AP转发数据才能通信；另一种是自组网（Adhoc）模式，不需要AP，移动站之间点对点通信。在有基础结构的WLAN中，AP的作用类似于蜂窝移动通信系统中的基站，负责其信号覆盖范围内移动站点的接入和移动管理。一个AP的管理范围是一个基本服务集（BasicServiceSet，BSS），多个BSS扩展成为扩展服务集（ExtendedServiceSet，ESS），如图1.1[28]。移动站在WLAN中的移动分为在同一个ESS内的不同BSS间移动和在不同ESS之间移动。在同一ESS内移动时，要解决越区切换问题，在链路层由IEEE802.11f提供支持；而在不同ESS间移动则需要网络层的移动管理支持。图1.1有固定基础设施的无线局域网WLAN的切换属于硬切换，需要先断开与当前AP的连接，再与新AP进行认证和重新连接。这个过程会导致丢包和重传，从而使切换时延变长。IEEE802.11r将切换分成发现（Discovery）、资源配置（ResourceAllocation）和快速切换（FastBSSTransition）三个阶段，提出快速切换协议，通过研究新的认证协议、密钥管理协议，以及在重连接前预留资源来减少切换时延[29]。多种无线网络并存的局面促进了异构无线网络的链路互联研究。3GPP在R7版本中提出了WLAN与2G/3G移动通信系统互联时的切换方案，定义了两种WLAN接入WCDMA网络的过程。一种是用户通过WLAN访问本地IP网络，而AAA认证（Authentication，Authorization，Accounting，认证、授权、记帐）由3GPP网络控制；另一种是WLAN的用户可访问3GPP网络的分组域并通过3GPP系统访问外部的IP网络[30-32]。将3GPP网络与Adhoc技术结合，有望弥补3GPP网络的覆盖盲区，并利用Adhoc技术中的动态中继转发调整蜂窝网络中热点地区的通信流量，提高3GPP网络的服务能力。目前，自组织网络与蜂窝网络的融合还存在通信模式、信道分配、路由、计费等很多技术问题有待解决。1.2.2网络层切换与漫游技术各种异构的无线/移动网络与Internet的融合往往采用全IP的架构，IP技术被公认可用于集成无线网络。移动站在不同网络间的移动可以分为宏移动和微移动两类。宏移动是指移动站在两个网络间的移动，每个网络都可能存在多个无线接入网络；微移动则是指移动站在同一个网络内的不同子网之间移动[8]。宏移动协议要保证站点移动后能够重建会话连接，并不强调进入不同网络系统时的响应时间。微移动协议则要在较短时间内完成切换和漫游。1996年提出的移动IP（MobileIP，MIP）技术[33]面向IPv4网络，可使移动节点保留原有IP地址不变，在漫游到不同网络时，借助该网络中的外区代理获得临时性的转交地址（CareofAddress，CoA），与对端通信时，对端发送的分组首先被送到家乡代理处，家乡代理以CoA为目的地址封装后转发给外区代理，再交给移动节点。移动IP允许节点在不同网络间移动并且保持通信的连续性，是一种在网络层提供宏移动支持的解决方案。移动IP是网络层协议，与具体网络采用的链路层技术无关，并且对上层应用透明，能支持异构网络的互联，但是网络层的切换时延比数据链路层的切换时延长。移动IP用于无线/移动网络时，比较适合在范围较大的网络域间解决移动站的移动接入。随着域内蜂窝的微型化，蜂窝间距变小，移动站在域内各蜂窝间的切换愈加频繁，采用传统移动IP协议，网络的长切换时延会使通信的效率大幅降低。因此，出现了很多基于微蜂窝的微移动协议，可分为基于路由的机制和基于隧道的机制，包括蜂窝IP（CelluarIP，CIP）[34]、无线接入因特网构架（Handoff-AwareWirelessAccessInternetInfrastructure，HAWAII）[35]、分层结构的MIP等。CIP和HAWAII基于路由机制，创建移动节点的位置数据库，并在网络域内进行维护；分层结构的移动IP基于隧道机制，以在本地分层的方式创建级联的本地隧道。这些微移动协议要与移动IP技术结合使用，由微移动协议实现网络域内的快速漫游，而移动IP解决网络域间的漫游。2004年互联网工程任务组（InternetEngineeringTaskForce，IETF）提出的移动IPv6标准继承了移动IPv4的基本思想，并在路由优化、安全性和授权认证方面进行了改进。移动IPv6允许通信对端将移动节点的家乡地址和转交地址绑定，在数据通信过程中，对端的数据分组可以直接发送到移动节点的转交地址，无需家乡代理的转发，从而优化了传输路径，减少了三角路由。移动IPv6通过IPSec协议实现安全机制。移动IPv6还提出了采用预先切换和基于隧道的切换这两种快速切换技术，以及平滑切换技术以减少数据丢包率[37]。可与移动IPv6配合使用的微移动协议有分层移动IPv6（HierarchicalMobileIPv6，HMIPv6）[38]、CellularIPv6（CIP对移动IPv6的扩展）、远程通信增强移动IP（Telecommunications-enhancedMobileIP，TeleMIP）[39]和HAWAII[35]等。1.2.3高层切换与漫游技术高层的切换与漫游技术主要指在传输层和应用层对移动注册和认证进行管理，以保证移动传输的可靠性。由于网络层采用移动IP机制后移动注册的时延较大，传输层采用TCP连接时由于链路中断时间长，容易导致数据报文丢失，使TCP性能下降，因此传输层的切换与漫游研究主要致力于在移动IP基础上优化TCP的传输性能[40,41]。应用层切换是在应用层实现移动节点的注册认证和切换控制等功能，当移动节点改变其网络接入点时，保持应用通信的连续性。在应用层实现的切换可以屏蔽底层接入网络的差异，根据业务的需求选择所需要的服务，有更高的灵活性。IETF制定的会话初始化协议（SessionInitiationProtocol，SIP）[42]是应用层切换的代表协议，可支持IP网络中多媒体会话应用。SIP采用的应用层切换技术与底层网络接入技术无关，但应用层感知底层接入点的变化需要更多的时延，对于实时应用，单纯的应用层切换很难实现快速无缝漫游[43]。