张传福
（中华通信系统有限责任公司设计院 北京100027）
摘 要 第三代移动通信系统的主要目标是提供多媒体业务，在移动多媒体通信系统中的切换问题非常重要，本文介绍了多媒体业务的特点，移动多媒体业务切换的特殊要求，不同网络间的切换协议。重点介绍了基于IP网络的移动多媒体网络之间无缝切换的各种水平切换和垂直切换方式以及无线TCP的优化。
关键词 多媒体业务 媒体同步 水平切换 垂直切换 无线TCP 移动IP
1 引言
第三代移动通信系统的主要目标是提供多媒体业务，传统的移动通信系统为用户提供话音和简单的数据业务。因此，相关的控制结构、控制协议和管理方式都基于话音和数据媒体。随着移动通信系统中的各种业务需求的增加，也迫切地需要无所不在的多媒体业务。
多媒体应用总是由不同媒体类型组成，如文本、图形、图像，这些称为静止媒体，音频和视频称为连续媒体。连续媒体有些实时要求，如视频数据流应在每秒内显示30个视频媒体单元来保持连续性的特性，但可以容忍一些差错。静态媒体需要无差错传送，但没有实时要求。时间上的协调和合作过程称为媒体同步。多媒体同步在表达时序安排上起作用，事实上是多媒体表达系统的核心部分。
在分布式多媒体系统中，为了平滑随机网络时延的边界效应，总是给客户显示端分配大量的缓存器来保持同步需要；为了减少所需要的网络带宽，媒体对象是以压缩形式传输。在静止图像、音频和视频媒体流中可以分别采用多种压缩技术，如基于单元内的JPEG，基于单元间的MPEG。
根据相关的多媒体特性，多媒体移动通信系统中的切换管理不同于传统的移动通信系统。必须采用适当的切换过程来达到平滑多媒体在一定的可接受级别。因此，除了一般的过程，如测量信号的质量，然后决定何时何地进行切换外，切换过程必须能够处理多媒体同步的要求来保持多媒体在移动通信系统中的连续特性。为了满足RF信道的低可用带宽的特性，无线传输的媒体应使用压缩格式，它的压缩比应比有线情况下的高。为了通过RF信道发送到移动设备上，媒体单元必须压缩并分解成多个称为移动块的移动数据单元。移动设备将多个移动块合并成一个压缩的媒体单元，然后将其解压缩进行显示。
2 研究移动多媒体业务切换的原因
传统的切换协议基于测量信号的质量来决定开始切换过程的时间和地点。大多数以前提出的切换方式不适合多媒体移动通信系统，因为它们没有考虑在执行切换过程期间数据间的依赖问题，既多媒体流间的压缩关系和同步关系。在移动设备将多个移动块合并成多媒体的媒体单元期间，由切换造成的信息丢失现象使合并和解压缩不完整。
多媒体移动通信系统的另一个问题是缓存器问题，客户显示端总是需要分配许多缓存器来平滑随机网络时延，但为了降低费用，移动设备总是有受限的缓存器空间。因此，为了保持多媒体通信系统的同步要求，应提出适合多媒体移动通信的结构来管理媒体缓存问题。
动态切换方式利用它们各自的分析模型来计算切换请求所需的资源，以便保持所要求的切换阻塞概率。在这两种方式中，分析模型都假设所有的连接请求是同一的。但如果无线网络支持多媒体业务，这种假设是无效的。因为多媒体连接在满足它们QoS要求所需的资源数量上可能不同。问题是基站应如何动态地适应为切换请求所预留的资源数量。增强的切换排队方式利用基于测量信号强度代替FIFO方式，调整队列中的切换请求位置来降低切换失败概率。然而调整队列中切换请求的位置产生很严重的信令负载，因为移动终端（MS）必须通知基站它所接收的信号强度。也有一些其他的解决方式来降低切换失败概率。B.Epstein等人和J.Chen等人分别研究了在由单蜂窝和成束蜂窝组成的环境中的两种信道预留方法（可变的防护信道方式）。但它们假定只有窄带呼叫需要切换。这在移动多媒体网络中不适用。D.A.Levine等人引入了阴影束的概念，此概念通过估计未来切换所需的资源来作出呼叫接入判决。此方法可能对系统产生严重的计算负载，因为对每个新呼叫请求和切换都需要执行阴影束操作，特别是在切换率非常高的微蜂窝/微微蜂窝系统。
3 多媒体移动通信系统中的切换协议
为了解决缓存问题和数据依赖性问题，C.M.Huang等人提出了多媒体移动切换结构和相应的切换协议。在此结构中，在移动交换中心进行媒体缓存。这样，仍然可以保持媒体同步而不增加移动设备的缓存器大小。为了解决数据依赖性问题，提出了粘合点（glue-point）的概念。一个压缩的媒体单元由Ｋ个移动块组成，第Ｋ个移动块的终点称为粘合点。在粘合点进行切换，以使在切换期间仍然保持压缩媒体单元的完整性。
有两种类型的媒体同步：媒体内同步和媒体间同步。媒体内同步处理媒体流内部的行为，既当某些媒体单元延迟到达或在网络中被阻塞时采用适当的动作。媒体内同步的目的是平滑由随机网络时延产生的抖动。媒体间同步的目的是将扭曲减小到可接受的程度，扭曲表示媒体流之间的同步异常。
为了保持连续性，视频适合采用非阻塞策略（如果在预期的时间没有得到预期的视频媒体单元，就再一次显示最近显示的视频媒体单元，重复执行此过程直到预期的媒体单元到达。因为重复显示音频媒体单元毫无意义）。音频适合采用阻塞策略（如果在预期的时间没有得到预期的音频媒体单元，就保持安静直到预期的音频媒体单元到达）。各种网络资源（不同的媒体速率，它们受带宽和时延抖动的影响）和各种计算资源（既缓存器）可以合并，以便有可接受的媒体间的同步异常。
现有的切换协议只关心信号质量而不注意数据依赖性的问题。为了保持数据的依赖性和媒体的连续性，在设计多媒体切换时必须考虑另一个新参数——粘合点。引入粘合点，多媒体移动通信系统的切换过程分为三个部分：正常的阶段、切换准备阶段和切换阶段。
在正常的阶段，每个MS从BS接收媒体单元，BS或MS负责检测正在进行业务的信号质量。当满足切换条件时，由于多媒体移动通信系统只能在粘合点进行切换，就进入切换准备阶段。在此阶段，原来的BS继续传输移动块直到出现粘合点，再进入切换阶段。在此阶段建立新的无线通信路径，中断原有的通信路径。在切换期间，MSC不再发送任何媒体单元到MS，因此没有信息丢失。处理切换的中断期间看作MS的抖动。
有两类粘合点切换协议，第一类用于MSC内的切换，第二类用于MSC间的切换。MSC内的切换协议可以分为三种类型，既MS控制的、MSC控制的和MS辅助MSC控制的。所有这三类切换协议都有类似的规律阶段。在MS控制的切换中，MS负责检测信号质量和触发切换准备阶段，并初始化切换阶段。在MSC控制的切换中，MSC负责检测信号质量，它由BS报告，然后触发切换准备阶段。MSC为MS选择新的BS来保持相应MS正在进行的业务。在MS辅助MSC控制的切换中，MSC请求MS帮助通过原来BS报告信号质量，然后当切换准则满足时触发切换准备阶段。
MSC间的切换协议也有三个阶段，既正常的阶段、切换准备阶段和切换阶段。MSC间切换协议的切换阶段不同于MSC内切换协议的切换阶段， MSC间切换协议的切换阶段的主要任务是追踪漫游的MS、原有的MSC对剩余的多媒体传输与MS有关的状态到新MSC，建立新MS通过BS到MSC的无线通信路径并拆除原有的连接，建立新MSC和多媒体服务器（MServer）之间的有线通信路径。有两种方式建立有线通信路径，第一种方式是如果新MSC不在原有MSC和MServer之间的有线通信路径中，就建立新MSC与原有MSC间的路径，它连接已有有线通信路径来获得新MSC和MServer之间的新通信路径。第二种方式是如果新MSC是原有MSC和MServer之间的有线通信路径中的一部分，就中断新MSC与原有MSC间的路径，生成直接的新MSC和MServer之间的新通信路径。
4 在未来移动多媒体网络之间无缝切换所提出的挑战
不同网络间的快速无损切换是建设无缝移动多媒体网络的一个最大挑战。可以容易地从第三代移动通信系统的分层模型看出此问题的解决方式将是多媒体成功综合的关键。
4.1 GPRS和UMTS之间的多媒体切换
对于GPRS和UMTS接入网之间无缝多媒体切换，N.An 等人研究了系统间切换协议。为了导出与切换算法有关的信令协议，必须开发功能模型，从功能模型中可以识别功能实体。功能模型映射到功能结构，它确定参考网络结构的功能组。功能结构中的每个功能组包括一个或多个功能实体来执行功能任务。为了完成信令协议的定义，必须定义功能实体/组之间的交互作用使能够导出信令消息和格式。
设计信令协议的起始点是辩识功能结构和网络结构。功能结构定义网络的功能实体和它们之间的功能接口。网络结构识别网络单元之间的物理接口。功能接口可以跨越一定数量的物理接口及在相同的物理接口上可以实现多个功能接口。功能接口提供功能实体间的通信路径，功能实体又定义网络的信令协议。
它考虑两个接入网，UMTS陆地无线接入网（UTRAN）和GPRS基站子系统（BSS）。对核心网，ITU已确定了三个可以支持各种业务（话音、分组数据和多媒体）的解决方式：进化的GSM（MAP）、进化的ANSI-41和新的基于IP的方式。
在未来的不同种类的移动网络环境中有两种可能发生切换：系统内切换，移动终端将在相同接入网的不同节点B或BTS之间进行切换；系统间切换，切换发生在不同接入网之间，如UTRAN和GPRS。
为了保证切换期间QoS的提供，将切换的连接管理功能分成两个主要的类别：切换管理和QoS管理。切换管理包括切换过程的所有三个阶段，而QoS管理功能包含在切换的判决阶段，并负责QoS的重新协商。QMF（QoS测量功能）功能实体将根据不同类型的业务提供QoS参数的测量。此信息将传送到QCF（质量控制功能）用于监视，而HOCA（切换控制代理）将执行QoS协商。
4.2 移动性支持
IP是多媒体应用最通用的网络协议，并且可能继续是未来最重要的网络协议。L.Taylor等人提出了基于IP的不同网络之间的切换问题。
在电路交换网络中，切换是当移动终端将端到端通信从一个基站转换到另一个基站时发生的过程。基站为移动终端提供网络连接点。在网络内，执行路由更新使其从故障、拥塞和网络拓扑的改动中恢复。在NPOA（网络连接点），需要切换功能追踪移动终端的移动，然后执行路径更新来重新为业务流量选择更合适的路径。
在分层网络结构中，水平切换和垂直切换统一了切换的两个概念和路径的改变。反应时间和数据丢失是无缝切换的关键因素。水平切换通常是当移动设备在两个或多个蜂窝或覆盖区域之间移动时发生。相同网络的邻近蜂窝间移动设备的NPOA转换应得到较低的反应时间。水平切换应是无损的，除非有特殊的环境，如微微蜂窝之间高的移动速率或移动终端的密度非常高。
通常，较快的网络与较慢的网络相比，有较小的覆盖区域。因此，垂直切换到较快的网络层，如微蜂窝到微微蜂窝，一般在当两个网络对移动终端都可用时发生，并且可以是无损的。如果快速网络拥塞，将不发生切换，因此不发生数据损失。在当前网络不可用时，如用户移出微微蜂窝环境时，必须进行垂直切换而不同时接入到两个网络。在这种情况下很难阻止数据损失，因为网络连接要中断一段时间，新的网络层可能比当前层有更低的比特速率。
不同网络层之间的切换可能导致移动设备有非常不同的可用业务质量，如从无线LAN（2Mbit/s）到GSM（9.6kbit/s）的切换。可以使用两种不同的方式来支持带宽的改变。第一种方式可以将移动终端使用的应用设成支持可变业务质量。它的缺点是不能在移动终端上使用“标准”的应用。第二种方式是在网络内使用网络代理或分组滤波器来支持标准应用。
4.3 垂直切换
在数据网络中使用的支持移动性的方式通常提供交换机或路由器来保持移动设备的永久地址与它的NPOA之间的关系。IP和ATM都采用这种方式。
移动IP——在IP网络中，大多数研究项目都采用移动IP所使用的方式。在非移动IP网络中，节点在网络上的连接点是固定的。唯一的IP地址识别节点及其所连接的子网、基于目的节点的IP子网地址，数据分组寻路到合适的IP子网。如果节点是移动主机，且移动到新的子网，必须保持相同IP地址组合的活动连接将不把它们的分组寻路到新的NPOA，因为它们的IP子网地址将指向原来的子网，且将中断现有的活动连接。
基本的移动IP方式是IP的扩展，它允许IP分组透明地寻路到Internet上的移动终端。当MS连接到它的原籍网络时，使用标准的IP寻路。当MS连接到外部网络时，它获取care-of地址（COA），此地址识别它到Internet的当前连接点。依赖于外部网络，MS获得的（如使用动态主机构造协议（DHCP））COA可能是局部外部代理（FA）的地址或局部地址。COA在MS的原籍网络上用原籍代理（HA）进行登记。
在移动IP中使用不对称寻路机制，也称为“三角寻路”。从MS到相应主机（CH）的寻路是直接的，但在从CH到MS路径上分组被MS原籍网络（由MS的IP地址识别的子网）上的HA截取。然后HA使用COA转发目的地是MS的分组。因此分组可能要沿着比最优路径长得多的路径进行传输。移动IP的切换将遭受反应时间，它对TCP/IP的连接有不利的影响。
当前的IP版本是IPv4，它受到一些限制，特别是有限的地址范围。提出的IPv6克服了这些限制。两个IP版本的基本移动性支持是相同的，但IPv6支持寻路优化。
所有节点（移动或固定）都能够学习和缓存捆绑表中的移动节点的捆绑。捆绑表示原籍地址和COA的关系。当传输分组到任何IPv6目的地时，节点检查它缓存的分组目的地址的捆绑。如果发现入口，节点将分组直接发送到捆绑指示的care-of地址。当MS移动到不同的外部网络时，它必须发送新的COA到所有正与它进行通信的相应主机。使用缓存捆绑寻路更有效，因为分组直接进行寻路而不经过原籍代理。
ATM网络中的移动性——经常引用ATM作为未来固定宽带网络的参考结构，也用于公用固定网络中。已经提议将有端到端ATM信令和数据传输的同类网络结构作为最终的多媒体网络。但是，ATM独特的可扩展性已经被非常迅速发展的、极端快速的IP网络系统所压倒。对采用ATM将IP业务流量有效地进行打包做了大量的研究。但目前还不清楚是否将实现全端到端ATM网络，当前第三代移动通信系统的建议并不包括基于ATM的空中接口。另一方面，可以很容易地得出结论，在未来（包括移动）多媒体网络中IP将是占主导地位的网络协议。
ATM主要是面向连接的交换结构，为了提供支持各种类型业务，在连接建立期间有复杂的算法用于资源分配。在公用网络中，网络管理系统应监视每个连接的业务流量来执行建立期间同意的业务和约。因为应用的业务流量变化很大，一些类型的业务是恒定业务流量速率、有已知最大速率的可变业务流量速率、未知速率等。每一类有相关的业务质量（QoS）参数，它可能包括最大传输时延、时延抖动、比特差错率等。业务流量和约在连接建立时协商，指定QoS参数的值或范围，ATM网络系统中的移动性有额外的挑战性，因为基本的设计没有预计到连接端点的改变。提供QoS保证的网络资源分配只能对静态端点确定地执行。因为对无损切换，较低的反应时间是关键，在切换期间重新估计连接建立算法是不必要的。
美国和欧洲的标准化组织对ATM的移动性规范的制定作出很大的努力。ATM论坛和欧洲通信标准化协会/宽带无线接入网（ETSI BRAN）联合定义了无线ATM的参考模型，BRAN定义了无线方面，而ATM论坛负责ATM协议的增强。BRAN也与日本的多媒体移动接入通信系统促进委员会（MMAC）项目进行合作。
W-ATM中的信令增强必须支持位置管理和认证，当移动设备改变时的登记与关联，以及业务的切换。已经提出了许多建议，在标准化组织中确实仍然在争论如何最好地在单一移动件(mobile-ware)ATM交换机支持的局域覆盖区域内和交换机之间管理切换机制。正在考虑透明地切换到ATM系统(无线切换)和网络初始的切换。
4.4 水平切换
对IP网络中的水平切换，已经使用了许多不同的技术。
IP多播——有三种类型的IPv4地址：单播、广播和多播。单播地址用于传输分组到单一目的地。广播地址用于发送分组到整个网络。多播地址用于发送分组到一组主机，它们被构造成经过各种网络的多播组成员。
多播主要用于Internet应用，如需要把相同信息发送到不同主机的视频会议。使用单播地址，服务器将复制相同的分组并直接发送到每个主机。使用多播地址，服务器只将一个分组发送出去，且多播路由器为分组建立分配树并将其转发到下一个多播路由器，或如果分配树分裂就复制它。多播也用于Daedalus项目中来提供无线蜂窝之间的切换。在此实验中使用移动IP提供移动终端的单点联系，但是COA多播地址永远不改变。
移动终端的当前基站和多个周围的基站预定到描述移动终端的多播组中。因此它们都接收移动终端的分组并都进行缓存，但只有当前的基站前转分组到移动终端。移动终端通过测量它从周围基站接收的信号强度参与切换。当移动终端初始切换时，它发送信息到旧基站和新基站，并且新基站开始前转分组到移动终端。
使用多播的好处是寻路到移动终端并不需要在原籍代理改变，因为多播地址本身提供快速寻路更新机制。它的一个缺点是多播地址的目的是发送分组到不同网络的多个主机，并且在这种情况下，一个多播地址只能用于一个终端。
ARP切换——ARP（地址解析协议）是用于子网内的协议，它将IP地址映射为节点的相应硬件地址（MAC地址），然后使用硬件地址发送分组。在IP网中，当分组到达网络段时，路由器发出ARP请求来找到分组要到达的设备的物理地址。并不需要来自目的地本身的ARP答复，但可以是来自知道如何发送分组到达目的地的代理的ARP答复。
当MS从另一个BS接收到比它当前BS的信标更强的信标时，它初始切换：（1）MS用新BS的地址和原BS的地址发送问候消息到新BS；（2）新BS为MS生成寻路入口并用问候ACK消息来响应；（3）新BS用它的地址在有线链路上发送通知消息到旧BS；（4）原BS删除MS的入口并用通知ACK消息发送缓存的、目的地为MS的分组到新BS；（5）新BS为路由器广播改变方向消息，感兴趣的主机更新它们的高速缓存器。此切换技术只能用于相同子网内基站间的切换，因为ARP限于子网内。
5 无线TCP的优化
TCP是计算机通信网可靠的端到端协议。TCP的特性是它内置在用于拥塞控制的算法中。有线链路非常可靠，因此任何分组丢失通常只发生在路由器由于拥塞而丢弃分组时。当发送TCP系统检测到分组丢失时，它假定是由于拥塞造成的，并采用降低传输速率的方式。这明显地降低了网络负载。无线链路的差错率非常高，TCP将这些丢失解释为链路的拥塞，因此在重新传输分组前降低传输窗口的大小。需要改善无线链路上的TCP性能来保证拥塞控制只应用到当分组丢失发生在有线网络时。有许多改善无线链路上TCP性能的技术。
间接的TCP——当使用两个不同的媒介（如，有线和无线）进行连接时，间接TCP将连接分成两个分离的互连，每个媒介有一个互连。这也是熟知的分离连接TCP。此方式的优点是在两个不同的网络上使用分离的流和拥塞控制。也可能在基站和MS之间使用无线知道（wireless-aware）的协议。间接TCP的主要缺点是确认不是端到端的，意味着在移动主机还没有接收到分组前发送者就可能接收到它的确认。另外，因为连接是分离的，分组必须在连接之间移动，它降低了吞吐量。已经得出对差错率达到5×10-6时，I-TCP的固定和移动主机之间的端到端吞吐量是正常TCP的一半。
改进的I-TCP——改进的I-TCP是基于间接TCP，在基站分离连接，但在发送确认到固定主机前用基站等待来自移动主机的确认。它通过提供端到端确认改善了间接TCP，但是在建立两个连接和在它们之间传送分组仍然存在开销。改进的I-TCP与I-TCP的执行一样。
探听TCP——在探听TCP中，从固定主机到MS的分组通过运行探听模块的基站进行寻路。此模块缓存发送到MS的分组并检查移动主机返回的确认。当检测到分组丢失时，如果它存储在高速缓存器中基站就重新传输丢失的分组。在有较低比特差错率的无线链路上，探听TCP与正常TCP的差别很小。由探听产生的开销可以忽略。当比特差错率等于或大于5×10-7时，使用探听的吞吐量可以最大增加20倍。
SACK TCP——上面所讨论的协议都是用于改善固定主机和MS之间的链路质量。可以使用选择性确认（SACK）改善MS和基站之间的上行链路的质量。TCP使用累积确认方式，发送者并不知道哪些分组被接收和可以重传的复制分组。使用SACK，当检测到丢失分组时，接收者发送确认来指示所有已经接收的分组以便发送者确切地知道哪些分组需要重传。当在MS和基站之间使用SACK时，可以尽早地检测到任何丢失的分组（在基站，而不是在固定主机）。然后基站可以请求重新传输丢失的分组。
链路层重传——可靠的链路层协议可以保护TCP不受无线链路差错的影响。在此方式中，当需要确保有保证的传送时，链路层将重新传输分组。如果传送的分组次序不对，仍然可能降低TCP的吞吐量。可以得出，TCP知道（TCP-aware）的链路层协议的效果最好。
----《中国数据通信》
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