移动互联网资源管理中的接纳控制

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移动互联网资源管理中的接纳控制



　　1 引言

　　移动通信和互联网技术的飞速发展使移动互联网成为大势所趋。移动互联网将向用户提供无处不在的个性化信息网络服务，其业务范围将涵盖分组数据和多媒体在内的各种语音和数据业务。然而，由于移动网中终端的移动性，造成网络的拓扑结构和资源都在动态变化，如何有效管理和使用网络资源以满足用户对移动性、多元化业务和服务质量的需求已成为移动互联网要解决的首要问题。

　　2 移动互联网的体系结构

　　IP技术将是推动移动互联网成为现实的动力[1]。从发展的角度看，移动互联网将各种无线接口标准和接入手段直接连接到IP接入网，并将和固定互联网拥有统一的IP核心网，最终实现全球网络的IP化，移动互联网的体系结构如图1所示。移动互联网接入技术包括移动无线技术(如WLAN、HIPERLAN等)和移动蜂窝技术(如UMTS等)，这些接入方式在空间上相互重叠、相互补充，提供不同的接入服务。在大的区域用移动蜂窝实现大面积覆盖，为快速移动用户提供低速率接入；而在一些热点地区，可以采用中、小蜂窝或移动无线技术为相对静止用户提供宽带高速接入。


图1 移动互联网体系结构

　　移动性问题是移动互联网的核心问题之一。在全IP的移动互联网中，移动性管理可分为两个层次：空中接口的移动性和网络层的移动性。前者是指在同一系统的不同基站子网之间以及不同系统的基站子网之间物理层上的越区切换，它由无线资源管理中的切换机制管理；后者又分为宏移动性(Macro Mobility)和微移动性(Micro Mobility)。宏移动性是指在不同接入网之间的移动，而微移动性是指在同一接入网内移动的管理。网络层的移动性可以通过基于移动IP[2]的各种全IP网络层移动性管理方案(如分层移动IP[3]、Cellular IP[4]、HAWAII[5]、TeleMIP[6])来解决。

　　3 移动互联网的资源管理

　　围绕移动性问题，移动互联网的资源管理分为两个层面：网络层的移动资源管理和无线资源管理。网络层的移动资源管理机制负责在IP接入网和核心网中动态申请、释放端到端网络资源以满足移动节点的业务需求；无线资源管理是负责在基站之间移动切换时的无线资源的分配和调整，具体包括接纳控制、切换控制和与空中接口有关的基站选择、信道分配和功率控制等功能。两类管理机制协调合作共同完成移动中的资源管理。无线资源管理从网络层的资源管理节点处获取与服务需求相关的一系列参数[7]，由无线接纳控制选择合适的无线承载服务，以提供需要的服务并优化无线资源的利用。同时，业务流特性由于受信道容量、功率、干扰等因素的影响而经常变化，无线资源管理应该能及时地获取这些信息，并提供给IP服务请求。网络接入点通过检测IP数据包头中的相关信息来区分不同的流量特性，并通过显式的接纳控制和资源预留机制来提供端到端的服务质量。可以看出，在与移动相关的动态资源管理中，接纳控制扮演着重要的角色。移动互联网中的目标是为移动用户提供多元化服务，既包括从语音和低速率数据业务到高速率数据业务，也包括移动相关性业务和移动无关性业务。

　　3.1 网络层的接纳控制技术

　　在移动互联网中，网络层的接纳控制技术主要解决端到端的资源预留问题，需要两方面的支持：接纳控制算法和资源预留的信令协议。

　　(1)接纳控制算法

　　接纳控制算法具体执行接纳操作，做出接入决定。从资源验证的方法上讲，固定互联网中的基于参数和基于测量的接纳控制方法都可以用于移动互联网。然而，移动互联网中的接纳控制算法除了考虑原始接入时的控制以外，还要考虑移动切换时的控制，对于移动用户而言，中断一个正在进行的会话比拒绝一个新会话的负面影响更大。因此，移动互联网中的接纳控制算法应该包括某种机制以解决切换中资源不足的问题，尽可能降低切换中断概率。

　　目前已经提出了很多方法来解决此方面的问题。文献[8?10]中的适应性资源预留方法，通过服务质量(QoS)降级方式减小切换中断概率，这种方式只适用于自适应业务，并不适合于有严格服务质量需求的业务。预留资源(如MRSVP[11]、基于多播模型的资源预留[12]、基于CBQ的资源预留[13]和HMRSVP[14]等)是另一种解决方法，它通过在移动节点可能到达的接入点处预留路径资源来保证切换后的资源需求。预留包括主动和被动两种，主动资源预留用于移动主机的当前子网，被动资源预留用于移动主机未来访问的子网。被动预留的资源可以被该子网中其他业务流使用。而当移动主机移动到新的子网时，该网中被动预留的资源即转变为主动预留资源，原来使用被动预留资源的业务流需要立刻释放所占有的资源。然而，预留机制虽然保证了切换中的资源需求，但同时也降低了相邻接入点的接纳概率，导致带宽利用率降低。在区分服务(DiffServ)体系下，文献[15]利用优先级策略解决此问题。利用优先级策略将移动业务设为高优先级，使其在切换时可以抢占低优先级的业务。然而，这种策略会影响固定互联网中的业务，特别是严格QoS保证业务。因此，为了适应移动互联网中多种业务需求，需要研究适应于各种机制、动态的接纳控制算法。

　　(2)资源预留的信令协议

　　资源预留的信令协议用于携带应用请求，并对接纳允许的请求在双方通信路径的各个节点上预留足够的资源。在固定互联网中，资源预留协议(RSVP)[16]或带宽代理机制[17]是完成资源预留的主要协议。然而，这些资源预留机制和协议并不完全适合于移动环境，主要是因为信令协议不支持移动性，无法感知主机的移动，因而不能在移动主机即将访问的位置上提前预留资源。

　　针对以上问题，这方面的研究主要集中在3个方面：

　　(1)资源预留协议的宏移动性扩展，这主要是通过扩展移动IP协议和RSVP实现，主要机制包括移动 RSVP、基于多播模型的RSVP、基于RSVP隧道的RSVP[18]、移动IP的区域注册机制[19]、移动IPv6与RSVP集成模式[20]、流透明模型[21]等。

　　(2)资源预留协议的微移动性扩展，包括基于CBQ的资源预留、Cellular IP与RSVP相结合的机制、HMRSVP等。

　　(3)DiffServ的微移动性扩展，包括动态SLA[22?23]、TeleMIP[6]等。它们可以将资源分配信令和移动主机位置管理信令结合起来，加快资源分配过程，解决了移动中资源预留问题，减少信令开销。

　　3.2 无线接纳控制技术

　　在移动互联网中，无线资源管理的核心问题是在保证网络服务质量的前提下如何选择合适的基站、信道和功率，提高频谱利用率。越区切换的准则不再是信号特征(如强度、误码率等)，而是QoS要求和所支持的服务质量、成本、频谱使用等。这需要无线资源管理对各种空中接口进行综合的分析、考虑，做出恰当的选择。


图2 虚拟接入点体系

　　针对多无线接口资源管理问题，有人提出了虚拟接入点体系(见图2)，各无线接入系统的管理执行传统无线资源管理功能，根据业务的服务质量要求执行本地的信道选择、功率控制和接纳控制，而虚拟接入点将综合各个无线接口的接纳决定，进行统一的分析，筛选出最优的方案作为接纳结果。

　　因此，移动互联网中的接纳控制可分为两步：

　　(1)各空中接口的接纳控制

　　空中接口的资源计算与验证要区分上行与下行链路。对下行链路一般采用基于功率的方法；对于上行链路可分为两类：基于干扰的接纳控制和基于用户的接纳控制。基于干扰的接纳控制中采用载波干扰比(C/I)参数作为接纳依据，而基于用户的接纳控制依赖于可用的信道数量。

　　目前，常用的空中接口的接纳控制算法是基于守护信道算法，其主要思想是预留一部分容量仅供切换分配使用。然而，当网络业务量负荷变化时，简单的保护信道机制难以自适应地调整。为了适应网络业务量的实时性变化，动态自适应的接纳控制算法研究已成为当前的研究热点，这样的算法可根据当前系统的负荷对预留带宽进行动态的调节。

　　(2)虚拟接入点的综合接纳控制

　　综合访问控制融合所有可用的接入方式，进行统一分析，筛选出最优的方案作为接纳结果。目前，在这个方面只有一些关于层次型蜂窝的集成接纳和切换的研究，关于不同空中接口之间的研究比较少，有待于进一步研究。

　　4 结束语

　　以上围绕移动互联网的资源管理问题，对两个层面的接纳控制机制的功能、方法及面临的问题作了讨论。需要指出的是，接纳控制机制并不是孤立存在的，它与各种网络技术以及资源管理机制有着密切的关系。随着移动通信的不断发展以及移动网和互联网的进一步融合，移动互联网的资源管理将是一个复杂而艰巨的任务。