卫星地面融合网络无缝切换技术研究

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1、卫星一地面融合网络无缝切换技术研究兰洪光夏小涵张晓宁吴建军北京大学信息科学技术学院卫星与无线通信实验室摘要：卫星通信系统与地面通信系统的融合逐渐受到人们的关注，卫星一地面融合网络无缝切 换技术也成为研究的重点。现有的异构网络无缝切换技术都是基于地面通信系统的，因此需要设 计卫星一地面融合网络的无缝切换网络架构和相关协议。本文提出了卫星一地面融合网络架构， 并参考标准的无缝切换协议参考模型设计了适合卫星通信系统的协议模型。使用改进的IEEE80221作为初始化准备协议。为了减少丢包率，使用SIP软切换完成业务切换。关键字：卫星通信系统，无缝切换，IEEE 80221，MIH，SIP软切换Rese

2、arch on Seamless Handoff of Integrated Satellite-Terrestrial Networks1引言近年来，移动通信和无线接入技术发展迅速，用户对各种新业务的需求逐渐加大。在下一代 网络中，多种异构接入网络互相融合，提供多样化的接入服务，实现无缝的移动，使我们能够 随时随地接入网络并享受丰富多彩的移动业务。地面移动通信系统具有成熟的移动性管理机制，但是覆盖范围不够大。卫星移动通信系统作为地面移动通信系统的有力补充，能够实现更 大范围的移动通信。本文重点研究卫星移动通信系统和地面移动通信系统无缝切换的网络架 构，协议，信令等内容。在星地融合网络中，为了

3、能够使用户随时随地享受网络服务，并感觉不到底层网络的改 变，业务的星地无缝切换以及移动性管理成为重要的研究课题。本文首先了介绍了星地融合网 络的网络架构，并添加了相关的接口。然后介绍了移动性管理技术，包括移动性管理相关概念 和垂直切换的几种方式。接着设计了星地融合网络的无缝切换架构、协议、信令等。最后，对 星地融合相关技术和下一步工作进行了展望。2星地融合网络架构在未来的通信系统中，各种接入技术并存且相互补充。各种网络在带宽、延时、覆盖范围 等方面存在差异，接入网络的融合是必然的趋势。地面网络技术中，uMTS是典型的移动通信系 统，移动性管理功能强，带宽高，覆盖范围相对广。卫星通信系统能够覆盖

4、全球大部分地区， 不受地理、天气和环境的限制，是地面网络的有力补充。所以，本文主要研究卫星通信系统与 地面通信系统UMTS的无缝切换技术，具体融合网络架构如图2。陬妯B-B礤图1星地融合网络架构 在本架构中，移动终端能够同时接入卫星网络和UMTS网络。在拥有UIVlTS网络的区域，用户 通过UMTS接入网络进行通信。当用户移动到沙漠、海洋等UMTS无法覆盖的地方时，移动终端能 够自动连接卫星网络并进行业务的无缝切换，使得业务不中断。反之，当移动终端移动到IMTS 能覆盖到的地方时，将连接网络质量好的UMTS网络通信并进行无缝切换。 卫星接入网络使用地面的UMTS的核心网，并且可以接入到PSTN

5、，DIS，以及IP网络中。在 卫星网络中，网络控制中心(Network Control Center，NCC)是卫星运营商的网络控制中心， 保存卫星网络用户的个人信息，完成卫星终端的接入鉴权以及卫星通信系统的控制。本架构加 入了卫星接入网关(Satellite Access Gateway，SAG)功能实体，作为网络代理完成卫星通信 系统接入IMs网络和IP网络的功能，同时也是一个SIP服务器。SAG完成卫星终端接入IMS网络 时的网络资源管理、用户鉴权、会话控制、业务访问以及无缝切换等功能，并且可以对这些功 能进行优化。针对无缝切换功能，在SAG和地面RNC之间设计了ST-RAN接口，使得移

6、动终端进 行软切换时，SAG和RAN之间能够传输切换信令流和数据流。3移动性管理技术 多种异构接入网络共存且有效融合是下一代网络的一大特点，而未来的大部分业务将趋于 移动化，为了能够使用户实现“5w”通信，移动性管理显得尤为重要。 31移动性管理 按照不同的原则，移动性可以有不同的分类。根据移动性技术支持的目标，可以将移动性分为终端移动性、个人移动性、会话移动性、业务移动性和子网移动性。传统的移动性是指终 端移动性，但是随着网络技术和终端技术的发展，移动性的含义更加广泛。 (1)终端移动性 终端移动性是指终端能够在移动过程中或者在漫游状态中进行通信或访问业务，并且网络 能够识别和定位该终端。

7、终端移动性又可分为边缘移动性(Edge Mobility)和主机移动性(Host Mobility)。边缘 移动性是指终端移动到新的接入点时，网络负责数据的路由。主机移动性是指终端移动到新的 接入点时，由移动终端自己负责数据的路由。 (2)个人移动性 个人移动性是指用户具有唯一的个人标识，能够在任何终端、任何网络访问同一种业务， 网络具有定位和标识用户的能力。 通信可达性和业务个性化是个人移动性最主要的两个问题。对于通信可达性问题，用户将 被作为通信的端点，使用唯一的用户标识与通信中用到的特定域或特定终端的标识进行动态映 射。业务个性化般采用代理技术来实现，使用户偏好、用户信息和业务属性等数据

8、能够跟随 用户移动，获得始终如一的个性化业务。(3)会话移动性 会话移动性是指用户或终端在移动过程中改变网络接入点时，仍然能够进行当前正在进行 的回话，保持会话的连续性。业务的无缝切换是实现会话移动性的关键技术。对于异构网络组 成的融合网络，实现业务的无缝切换最主要的技术是垂直切换技术。下-b节中将重点介绍垂233直切换技术。(4)业务移动性 业务移动性是指用户在任何位置，使用任何终端和接入网络，都可以无差别的使用与用户 归属域相同的业务。业务移动性的研究方向包含下面几个方面，用户相关的业务可携带性，业 务环境可携带性以及业务个性化定制可携带性。涉及到不同运营商、不同业务提供商等相关因 素。

9、(5)子网移动性 子网移动性是指一组固定或移动节点作为一个整体进行移动并改变网络附着点后，仍然能保持通信。 移动子网的应用场景主要有：交通工具上的传感器网络和计算机网络、个域网络、无线自 组织网络等。目前，移动IP是子网移动性主流技术。 32垂直切换技术 根据网络接入点改变前后所采用的接入技术异同来分类，切换管理可以分为垂直切换和水 平切换。同类接入网络之间的切换称为水平切换，如蜂窝移动通信系统中不同基站，不同交换 中心的切换。不同类接入网络之间的切换称为垂直切换。如UIIffS与WLAN之间的切换，UMTS与卫 星移动通信系统之间的切换。垂直切换如图2所示。从覆盖范围小的、速度快的网络到覆盖

10、范围大的、速度慢的网络切换 叫做向上切换；反之为向下切换。图2垂直切换与水平切换 垂直切换分为三个阶段：系统发现、切换决策和切换执行。系统发现阶段用来发现当前可用的接入网络系统：切换决策阶段要根据决策方法决定在最恰当的时间接入最合适的网络；切 换执行阶段用于实施并完成切换。321系统发现阶段 在系统发现阶段，移动终端负责发现当前可用的接入网络，目前主要有两种方法来实现系 统发现。 一种方法是利用移动终端上不同的网络接口来接收网络定时发送的广播消息，例如蜂窝移 动通信网络的小区广播信息和WLAN的信标帧。所以，移动终端需要始终保持各个网络接口处于 激活状态或者定时开启网络接口来发现可用的网络。另

11、外一种系统发现方法是基于LSS (Location Service Server)实现的。LSS负责保存不同区域的可用无线网络信息，包括网络类 型、带宽和时延等参数。移动终端通过查询LSS的数据来获得周围可用网络的信息。这种方法节 省了终端的功耗，但是LSS数据库的建立和维护是难点。 322切换决策阶段 根据切换控制实体的不同，常见的切换控制方式有移动终端控制的切换(Mobile Controlled HandOff，MCH0)、网络控制的切换(Network Controlled HandOff，NCnO)和移动终端辅助的 切换(Mobile Assisted HandOff，MAHO)。因

12、为只有移动终端能够获得各个网络的信息并进行 综合决策，所以，终端控制的切换MCHO是最恰当的垂直切换方式。 在垂直切换中，移动终端应根据当前可用网络的不同特性和业务的特点进行综合的判断， 选择一个合适的接入网络进行切换。切换决策是一个多维决策问题，具体要考虑的因素如表1所 示。表1垂直切换决策因素决策因素 类别 静态因素动态因素 网络相关网络运营商、网络类型、网络配置、地当前可用状态、信号强度、 理信息等负载流量、误码率和丢包率用户相关用户属性、用户偏好、终端特性用户移动速度、位置等 应用相关应用特性、服务费用、安全因素 资源分配、优先级323切换执行阶段 切换执行阶段主要是将目前正在进行的通

13、信从当前接入网络切换到目标接入网络。目前， 不同层次的不同技术可以实现垂直切换执行任务，主要有网络层的MIP(Mobile IP，移动IP)， 传输层的mSCTP(mobile SCTP，移动SCTP)和应用层的SIP(Session Initial Protocol，会话 初始协议)。 这三种技术都可以实现垂直切换，但是各有优劣。SIP协议是由IETF提出的基于IP的应用 层控制协议，用来建立、修改或终止多媒体会话。SIP协议透明地支持名字映射和重定向服务， 便于实现ISDN、智能网以及个人移动业务。SIP实现移动性管理的主要方法包括：地址分离机 制、注册注销机制、目标更新机制(reINvI

14、TE消息)、呼叫重定向机制。 相对于网络层MIP和传输层mSCTP协议，SIP协议不需要对IP协议栈进行改动，容易实施。 当采用SIP协议完成会话切换后，能够很容易的实现路由优化，避免了MIP的三角路由问题。 SIP协议不支持基于TCP连接的切换，但是大部分多媒体业务都基于UDP。综上所述，本文采用 SIP进行切换执行。4星地融合网络无缝切换方案设计 41无缝切换概念 无缝切换是指在切换时尽量降低切换时延和切换过程中的丢包率，这两个目标的实现分别 称为快速切换和平滑切换。无缝切换能够提供连续的端到端的连接，不因网络切换导致连接中 断。无缝切换需要满足下面几个目标： (1)持续的网络连接，在网络

15、出错或切换时不引起网络中断。 (2)低切换时延，要求切换能够在很短的时间内完成，使得时延敏感的业务得到满足，并且 使用户感觉不到网络切换的影响。(3)最小的丢包率，使得切换能够成功，并且使丢包敏感的业务得到满足。(4)最小的基础建设修改，不因实现无缝切换而引起大规模的网络实体和协议的修改。 42星地融合网络垂直切换方案 垂直切换包括三个阶段：系统发现阶段、切换决策阶段和切换执行阶段。随着垂直切换技术 的不断完善，每个阶段的相关技术也越来越完善。如IEEE的80221介质独立切换(Media Independent Handover，MIH)标准能够完成系统发现和切换决策阶段的任务，而网络层的M

16、IP、传输层的mSCTP和应用层的SIP协议都可以完成切换执行的任务。但是这些不同层面的相关协议 大部分是基于地面网络的，卫星通信系统的相关协议和接口设计还没有成熟的标准，也不能够 很好的支持星地融合网络的无缝切换。所以，为了实现未来多种网络融合的目标，设计星地融 合网络中的无缝切换架构和相关协议格外重要。 421系统发现与切换决策阶段 本文设计的星地融合网络无缝切换方案采用改进后的IEEE 80221作为系统发现和切换决策 阶段的协议标准。IEEE的80221介质独立切换MIH标准提供了一个合适的方案使得异构接入网络能够实现垂 直切换。主要目的是使移动终端在漫游时能够自动选择最佳的接入网络类型并辅助上层完成无 缝切换。IEEE 80221支持3GPP、3GPP2与802系列(如8021Ix，80216)的有线与无线网络 之间基于IP协议的漫游和切换，主要包括物理层和MAC层的规范与接口。目前，IEEE