CN1301033C - 蜂窝网络和无线局域网松融合的移动通信网络 - Google Patents

Abstract

一种蜂窝网络和无线局域网松融合的移动通信网络，其特征在于：外地无线局域网(2n″)由无线接入点(2a)、与外部连接的路由器(2b)、松耦合服务器(2c)组成，其中路由器(2b)的一个网口与无线接入点(2a)的网口连接，其另一个网口与松耦合服务器(2c)的网口连接。同现有技术比较，本发明的突出优点是：建立一个新的蜂窝网络和无线局域网松融合的移动通信方案，对不同的移动用户实现虚拟家乡代理和家乡代理的实体功能，使切换时延显著缩短，並解决三角路由问题。

Description

蜂窝网络和无线局域网松融合的移动通信网络

技术领域

本发明涉及通用分组无线蜂窝网络和无线局域网中间的相互融合，特别涉及一种蜂窝网络和无线局域网松融合的移动通信网络。

背景技术

随着移动用户对高数据传输速率的不断需求和广域移动办公情况的日益增多，蜂窝移动通信网络和无线局域网的相互融合已经愈来愈有必要了。高效的将WLAN集成进无线蜂窝网络，在很多热点地区(如办公室、机场、火车站、宾馆等)为用户提供速率更高、质量更好的数据通信服务，将会成为无线通信市场中新的增长点，在业界，目前已有公司在开发同时支持WLAN和GPRS的双模式终端。

在数据传输速率上，GPRS蜂窝移动通信网中最高为115/kbits而WLAN可以利用其高速的数据传输速率作为GPRS的有效补充，另一方面，WLAN的工作覆盖范围为几米至百米，而对于GPRS网络来说，无线覆盖范围是远远高于WLAN的，可达到几十公里，可见，WLAN和GPRS在这两个方面是互补的，因此，WLAN和GPRS网络的互通融合，能够充分利用二者的互补能力，吸引大量的用户群，使移动用户以及运营商都能获得更大的收益。

欧洲电信标准化协会指定了两种网络融合方案，紧耦合和松耦合。

如图1所示的松耦合方式中，GPRS网络由GPRS核心网和无线接入网两部分组成，其中核心网4由GPRS服务支持GPRS节点(SGSN)4a、网关GPRS支持节点(GGSN)4b、归属位置寄存器(HLR)4c组成，而基站控制器5和基站6组成无线接入部分，在松耦合方式中，是用移动IP技术来解决其移动性管理问题的，无线局域网2n是移动节点1在外地漫游时路经的无线局域网，其中的2a无线接入点(AP)，2b是无线局域网与外部相连的路由器或是二层交换机，7n是移动节点1所属的家乡无线局域网。

在松耦合方案中，无线局域网2n和GPRS蜂窝网络是相互独立的，相互之间的建设和延伸发展不存在影响，WLAN上层协议使用的是标准的各种Internet协议，不必对协议栈进行改造，其优势也就在于此，即无线局域网和蜂窝无线网络可以分别独立部署。但传统的移动IP技术引入了较大的切换、传输时延和丢包率，不容易提供无缝的漫游切换，这个问题业已成为现阶段需要解决的技术关键。

在紧耦合方案中，如图2所示，无线局域网2n′是作为GPRS网络的一个无线接入网存在的，通过接口与GPRS服务支持节点4a连接对于GPRS核心网来说，用户在两个网络间的切换就相当于在两个独立的小区间进行一样，用户可以实现在两个网络间的无缝切换，保证切换前后会话的连续性，对服务质量QOS支持较好，但紧耦合方案的实现技术难度大，需要升级和改造现有的网络设备。

现阶段发展趋势比较集中在对松耦合网络结构方面的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蜂窝网络与无线局域网松融合的移动通信网络，在原有的外地无线局域网内增设一个松耦合服务器(也称虚拟家乡代理)，完成漫游进入的移动用户的移动性管理功能，有效解决现有蜂窝网络和无线局域网融合中漫游移动用户在切换过程中的时延、丢包和三角路由问题。

一种蜂窝网络与无线局域网松融合的移动通信网络，如图3所示，无线局域网2n″中，设置了一个虚拟家乡代理2c来解决家乡代理为无线局域网7n的移动节点1在漫游过程中的移动性管理问题。

现行应用的移动IP服务器是对无线局域网或是广域网中的移动用户进网后对其进行注册登记，并作为家乡代理或是外地代理，完成数据包的封装、拆装的过程，从而实现移动IP的功能。而要完成无线局域网和蜂窝网络的融合，需要有一种新的服务器，用以实现移动节点在蜂窝网络和无线局域网之间的漫游功能，本发明将这样的服务器称为松耦合服务器，并针对移动节点在外地漫游情况，定义移动节点外地访问的无线局域网中的松耦合服务器为虚拟家乡代理VHA(Virtual home Agent)，摈弃传统移动IP中的外代理概念，而代之以一个新的功能实体——虚拟家乡代理，以此来实现漫游用户在松耦合网络中的移动IP功能。如图3所示，在无线局域网2n″中设置一个这样的一个松耦合服务器2c，使之通过协调无线接入点2a以及路由器2b与外部数据网络3进行通信，从漫游至外地的移动节点1的角度来看，无线局域网2n″中的松耦合服务器2c扮演的是虚拟家乡代理的角色，而其家乡网络7n中的松耦合服务器7则是c充当家乡代理的。

图3中的虚拟家乡代理2c所要完成的目标有下面两方面：首先是解决移动节点1在松耦合网络结构下的移动性管理问题，其中突出的是要解决在漫游切换过程中的时延和丢包等问题，实现快速、无缝的切换，其次是用以解决三角路由等传统移动IP所固有的问题。

本发明是建立在以下预先设定基础之上的：

1.我们所针对的是无线蜂窝网络和无线局域网重合覆盖情形下移动节点的移动性管理问题。需要特别强调的是无线局域网覆盖的小区域同时也应是处于无线蜂窝网络的大区域覆盖范围之内的，这一点应该是理所当然的，甚至可能出现多个无线局域网相互之间存在邻接覆盖的情况；

2.移动节点1是可以同时接入无线蜂窝网络和无线局域网的多模智能终端。无线蜂窝网络和无线局域网事先协商好相互之间的漫游协议(采用移动IP)，使得移动节点在与一方网络进行数据传输时，仍然能够与另一方网络保持通信，这样移动节点就可以利用移动IP技术在无线蜂窝网络和无线局域网之间任意漫游了；

3.GPRS蜂窝网络和无线局域网是相互独立的，各自的数据传输速率相差较大，相互的融合采用松耦合方式。

图4中所示的是结合松耦合服务器无线局域网2n″的网络结构，其中松耦合服务器2c上的RJ45网口与路由器或二层交换机2b上的RJ45网口之间是通过双绞线直接相连的，同样无线接入点2a和2b之间也是通过各自的RJ45网口直接相连的。

一种蜂窝网络和无线局域网松融合的移动通信网络，包括移动通信节点1，外地无线局域网2n，外部数据网络3，由服务支持GPRS节点4a，网关支持GPRS节点4b，归属位置寄存器4c组成的核心网4，基站控制器5，基站6，由无线接入点7a、与外部连接的路由器7b、服务器7c组成的家乡无线局域网7n，通信节点8，其特征在于：用新的外地无线局域网2n″取代原有的外地无线局域网2n，新的外地无线局域网2n″由无线接入点2a、与外部连接的路由器2b、松耦合服务器2c组成，其中路由器2b的一个网口与无线接入点2a的网口连接，其另一个网口与松耦合服务器2c的网口连接；而原有的外地无线局域网2n由无线接入点2a、与外部连接的路由器2b组成。

下面结合移动节点切换的初始阶段、判决阶段、执行阶段的三个过程以及由松耦合服务器所扮演的虚拟家乡代理需要实现的两个功能进行阐述。

首先针对一般的情况，移动节点1于外地漫游时，如图3所示移动节点1由GPRS蜂窝网络向无线局域网2n″切换的过程(图3中所示的实线箭头方向)，结合本发明的网络结构以及方案作详细的阐述。

图5为本发明中移动节点1在如图3所示的由GPRS蜂窝网络向无线局域网2n″切换的简化过程。

图6为移动节点1由无线局域网2n″向GPRS蜂窝网络切换的简化过程。

一般而言，可以依照移动节点所接收到的信号强度(RSS_WLAN)来激励系统进入切换初始状态，然而这对于某些情况将造成“乒乓效应”，而严重影响系统的移动性能，对这里涉及的蜂窝网络和局域网之间的切换过程更是不合适，因为无线局域网的覆盖范围比较小，如果用户速度较快，且无线局域网的覆盖半径比较小，即使RSS_WLAN上升到了很高的水平，也不应该切换到这个无线局域网中，因为像这样的移动节点路过无线局域网的情形会造成频繁的切换，势必显著降低系统的移动性能。

本发明中的切换判决模型，采用文献[1]中的数学模型。如果系统要求参考移动节点的移动速度V_n、RSS_WLAN(简记为S_n)作为判决的参数，这是两个最基本而且最重要的参数(应该尽量选用较小的参数以减轻系统的负担)则通过下式中的数学模型来计量代价Cost函数值。

Cost_n＝δ_vInV_n+δ_sIns_n，(δ_v+δ_s＝1)＿＿    (1)

式中Cost_n是所要参考的代价函数值，δ_v及δ_s为归一化系数，其大小显示系统对相应项的重视程度。

图7为移动节点由GPRS蜂窝网络向无线局域网2n″切换的流程图。移动节点1在由GPRS蜂窝网络向无线局域网的移动过程中，开始接收到无线局域网发来的广播消息M1，随后检测是否满足切换初始条件M2，这个切换初始条件即采用上面提到的Cost函数来作判决，一旦出现Cost_WLAN＜Cost_GPRS的情况，即满足了切换初始条件，则移动节点1就向无线局域网2n″发送一个预切换指令，进入切换初始状态，计时器2开始计时M3，并且在计时器2计时的过程中，还需要不间断的状监测态Cost_WLAN＜Cost_GPRS是否持续M3′，如果在这个过程中一旦出现Cost_WLAN＞Cost_GPRS，则计时器2立即清零，并且向家乡代理发送撤消通告，等下次检测到满足切换条件时，计时器再由0开始计时。当然，如果一开始就不满足上述初始切换条件的话，则就应该继续检测是否满足切换初始条件。

无线局域网2n″收到这个预切换指令后，为移动节点1分配一个关照地址CoA_WLAN，随即虚拟家乡代理2b将这个关照地址通告给移动节点1的家乡代理(这时无线局域网2n″不必将这个CoA_WLAN通知给移动节点1)，家乡代理收到消息后，立即启动计时器1由零开始计时M4。

接下来，家乡代理7c如果在计时器1计时达到τ时仍没有收到来自虚拟家乡代理2b的撤消更新消息的话，即检测到计时器1计时达到τ时M5，则家乡代理7c立即将此CoA_WLAN通告给与移动节点保持通信和需要联系的通信节点8(通信节点8的相关信息都在移动节点的家乡代理7c中储存着，因为在通信节点发送消息给移动节点的初始路由时必然要经过家乡代理，故而HA可以将这个通信节点的相关信息储存下来)，从而完成切换过程M6。

另一方面，一旦检测计时器2计时达到δ了M5，(然后计时器2重新开始清零计时)，即Cost_WLAN＞Cost_GPRS的状态持续的时间已经达到切换要求的门限时间了，则虚拟家乡代理2b随即将这个CoA_WLAN发送给移动节点1，这也就意味着移动节点1将切换目标锁定为这个无线局域网2n″，并已经决定立即执行切换了。随后移动节点1就通过这个无线局域网2n″与外部数据网络3进行通信了，从而完成了整个切换过程M6。这个切换过程中，虚拟家乡代理2b总是和移动节点1的家乡代理7c绑定在一起作用的，从移动节点1的角度来看，虚拟家乡代理2b起到的作用就如同家乡代理一样。

对于这个执行切换的过程，从家乡代理7c一侧来看，当计时器1计时达到τ的时候，家乡代理7c将CoA_WLAN即时传给通信节点8，然后通信节点就以这个CoA_WLAN为目标地址直接和移动节点进行通信，这样便完成了整个切换任务。

其实从根本上讲，计时的过程就是一个切换目标的判决过程。这里的两个计时器：计时器1、计时器2分别是设在虚拟家乡代理2b和移动节点1中的。采用两个计时器计时，可以在切换过程中更灵活、精确地减少切换时延，因为只要有任一个计时满足条件，就表明了移动节点1立即执行切换，而且可以减少丢包率。计时器2在移动节点1切换进无线局域网2n″后继续工作，并以计时是否超过T来为系统作判决参考，而计时器1也在反向的移动节点由无线局域网向GPRS蜂窝网络切换时起计时判决作用，后面将讲到这些内容。

以下就以移动节点1从无线局域网2n″向GPRS蜂窝网络切换的过程(如图3中所示的虚线箭头方向)来进一步详细阐述本发明的方案。

由于有不少情况是移动用户离开家乡网络后在外地的无线局域网中只停留不长的时间，例如用户在机场候车、参加外地临时会议等情况。而且这些情况越来越普遍，那么可以考虑当用户从蜂窝网络切换进无线局域网后的一定的时间，依然保留用户原先在蜂窝网络中的关照地址Cost_GPRS。具体过程如下：当移动节点1执行从GPRS蜂窝网络到无线局域网2n″的切换后，移动节点1就通过无线局域网2n″对外连接的链路收发数据包了，并且移动节点1依然通过原先在GPRS蜂窝网络中的Cost_GPRS周期的检测与此蜂窝网络的连接，并计时，这时定义这条以Cost_GPRS连接到蜂窝网络的链路处于Sleep状态。

如果计时器2计时超过时间T，则移动节点1自动释放这个Cost_GPRS。这样一来，只要移动节点1切换进入无线局域网2n″且在其中停留的时间超过T，则移动节点1再从无线局域网2n″切换出蜂窝网络时就激活Cost_GPRS(使其处于Active状态)，而不必重新向蜂窝网络申请关照地址，从而可以直接简便地恢复原先与蜂窝网络的无线链路，这样通信节点就可以直接和移动节点进行通信了，并且这种情况下，为避免增加蜂窝网络的负担，而采取如前类似的方法由虚拟家乡代理协同家乡代理工作，并将这个Cost_GPRS即时通告给通信节点，以减少切换时延以及解决通信过程中的三角路由问题。

而如果移动节点1在无线局域网2n″停留的时间大于T，即记时器1计时超过了T，则移动节点1释放原先与蜂窝网络通信的关照地址。这种情况下的由无线局域网2n″向GPRS蜂窝网络切换的过程如图6所示。在这个过程中，充分利用无线局域网的高速传输以及宽带特的点，尽量在切换的过程中利用无线局域网来传输数据以及指令信息，一个简单的例子就是2Mb/s的速度传1秒比以19.2Kb/s传输100秒要好。

当移动节点由无线局域移向网蜂窝网络时，仍然利用虚拟家乡代理协同家乡代理一起工作，来实现这个切换过程中的双向链路连接，使切换时延缩短，且解决了三角路由问题。

图8为移动节点由无线局域网向蜂窝网络切换的流程图。移动节点在无线局域网中移动时亦收到来自蜂窝网络的广播消息M1，并通过上述(1)式中的模型来检测是否满足切换初始条件M2，如果发现满足了切换初始条件，则一方面计时器1开始由0计时M3，并且检测计时器2是否计时达到T，另一方面实时监测满足初始条件的状态是否持续M3′，接下来，如果计时器2计时尚未达到T，就表明移动节点在无线局域网中停留的时间比较短，就激活Cost_GPRS，直接与蜂窝网络建立链路连接，完成切换M4。如果计时器2计时已经达到T，则移动节点就向蜂窝网络申请注册M5，由SGSN来处理为移动节点分配一个CoA_GPRS，并将之传给移动节点M6，移动节点将这个CoA_GPRS通告给虚拟家乡代理M7，然后虚拟家乡代理将这个关照地址通告给家乡代理，计时器由0开始计时M8，随即在M3的实时监测过程中，如果计时器1计时达到τ′，则建立直接通过GPRS蜂窝网络的从移动节点到通信节点的双向链路，从而完成切换M9。

现有技术比较，本发明具有如下突出优点：

(1)在网络结构中引入一个实体——虚拟家乡代理，以协同原有的家乡代理一起处理切换过程中MN和CNs之间的通信连接；

(2)建立一个新的移动性管理方案，使得移动节点在切换执行时就可以直接和通信节点进行通信，不必使数据包绕经家乡代理，这将显著地缩短切换时延，并解决了三角路由问题；

(3)在由蜂窝网络切换到WLAN后，采用在一预先设定的时间内继续以关照地址CoA_GPRS保持和蜂窝网络的连接策略，这在一定程度上将在移动节点切换出无线局域网时获得更佳的切换性能，特别是未来IPv6网络下，因IP地址的充足而使这样的定时不丢弃策略是很有价值的；

(4)本方案是建立在松耦合网络结构的基础之上的，所以对现有的蜂窝网络和无线局域网结构不需要作较大的改动，对于GPRS以及以WCDMA蜂窝网络不需要作结构上的改动，而只需在WLAN中增设一个特殊的服务器，对不同的移动用户实现虚拟家乡代理和家乡代理的实体功能，以及确定好蜂窝网络和WLAN之间的漫游协议即可。

附图说明

图1为现有的松耦合网络结构示意图。

图2为现有的紧耦合网络结构示意图。

图3为本发明的松耦合网络结构示意图。

图4为本发明中的包含松耦合服务器的无线局域网的网络结构图。

图5为简化的移动节点由GPRS蜂窝网络向无线局域网切换的过程图。

图6为简化的移动节点由无线局域网向GPRS蜂窝网络切换的过程图。

图7为移动节点由GPRS蜂窝网络向无线局域网切换的流程图。

图8为移动节点由无线局域网向GPRS蜂窝网络切换的流程图。

参考文献

[1]Helen.J.Wang.Randy.H.Katz.Jochen Giese.“Policy-Enabled Handoffs AcrossHeterogeneous Wireless Networks.”2nd IEEE Workshop on Mobile Computing andAppilcations(WMCSA 99).New Or Ieans.February 1999.

Claims (1)

1.一种蜂窝网络和无线局域网松融合的移动通信网络，包括移动通信节点(1)，外地无线局域网(2n)，外部数据网络(3)，由服务支持GPRS节点(4a)，网关支持GPRS节点(4b)，归属位置寄存器(4c)组成的核心网(4)，基站控制器(5)，基站(6)，由无线接入点(7a)、与外部连接的路由器(7b)、服务器(7c)组成的家乡无线局域网(7n)，通信节点(8)，其特征在于：用新的外地无线局域网(2n″)取代原有的外地无线局域网(2n)，新的外地无线局域网(2n″)由无线接入点(2a)、与外部连接的路由器(2b)、松耦合服务器(2c)组成，其中路由器(2b)的一个网口与无线接入点(2a)的网口连接，其另一个网口与松耦合服务器(2c)的网口连接。

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