摘 要： 提出了一種在異構(gòu)" title="異構(gòu)">異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合" title="網(wǎng)絡(luò)融合">網(wǎng)絡(luò)融合環(huán)境下的端到端" title="端到端">端到端QoS模型,。討論了異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)的架構(gòu),，分析了在網(wǎng)絡(luò)融合環(huán)境中提供端到端QoS保證的難點,，提出了一種動態(tài)的、標準化的,、基于多徑接收端控制協(xié)議R2CP的端到端QoS支持模型,并以3G/WLAN融合系統(tǒng)作為典型應(yīng)用環(huán)境來描述該模型,。
關(guān)鍵詞： 端到端服務(wù)質(zhì)量保證 QoS 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò) 3G/WLAN融合
隨著計算機和通信技術(shù)的發(fā)展，無線廣域網(wǎng)(如GPRS,、UMTS等),、無線局域網(wǎng)" title="無線局域網(wǎng)">無線局域網(wǎng)(如IEEE802.11)、衛(wèi)星通信網(wǎng),、藍牙網(wǎng)絡(luò)等多種無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)成為互聯(lián)網(wǎng)接入的最后一跳,。如何將這些異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合在一起，提供覆蓋廣,、帶寬高,、移動性高且費用低廉的互聯(lián)網(wǎng)接入，將是下一代移動通信系統(tǒng)(如B3G,、4G等)的發(fā)展方向,。
在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合的系統(tǒng)框架中，第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)3G與無線局域網(wǎng)絡(luò)WLAN(Wireless Local Area Network)具有典型的互補特性,，因此它們之間的無縫融合受到廣泛關(guān)注,。包括第三代移動通信伙伴計劃組織3GPP(Third Generation Partnership Project)在內(nèi)的多家研究機構(gòu)都致力于3G/WLAN無縫融合系統(tǒng)的研究。其中松散耦合系統(tǒng)模型被廣泛接受并成為B3G和4G系統(tǒng)的推薦系統(tǒng)模型[1],。本文以3G/WLAN融合系統(tǒng)作為典型應(yīng)用環(huán)境來論述,，同時假設(shè)3G網(wǎng)絡(luò)基于UMTS標準，無線局域網(wǎng)絡(luò)基于IEEE802.11標準,。
將異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)無縫融合在一起,，發(fā)揮出各自網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，需要解決一系列難題[2],。其中,，如何提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證QoS(Quality of Service)是一個關(guān)鍵問題。特別地,，當越來越多的實時業(yè)務(wù)和多媒體服務(wù)被應(yīng)用,，提供可靠的端到端多級QoS保證就成為多網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)的一個必要指標。
本文提出了一種動態(tài)的,、標準化的,、基于多徑接收端控制協(xié)議R2CP(Radial Reception-Control Protocol)的端到端QoS支持模型。該模型在邏輯上將所有可用的無線資源看作一個整體,，根據(jù)各個流或會話對QoS要求的不同,，動態(tài)地分配不同流到不同的無線網(wǎng)絡(luò)中。由于提供端到端QoS保證涉及到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的多個層,，因此,，需要對各個層進行相應(yīng)的改進和優(yōu)化。該模型采用標準化的QoS支持數(shù)據(jù)庫來統(tǒng)一異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中各不相同的QoS參數(shù),；采用基于流或會話的方法來優(yōu)化無線信道的使用,；采用一種新的且TCP友好的傳輸層協(xié)議R2CP來減少異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換的延遲,。
1 網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)的架構(gòu)參考模型
3G/WLAN融合系統(tǒng)的參考模型主要分為兩大類：松散耦合模型和緊密耦合模型[1]。其中松散耦合模型是目前研究的焦點,。面向4G的3G/WLAN融合系統(tǒng)架構(gòu)參考模型如圖1所示,，該圖給出了松散耦合與緊密耦合模型的對比。
在緊密耦合模型中,，無線局域網(wǎng)作為一個3G網(wǎng)絡(luò)的空中接口而存在,。如圖1，無線局域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)直接與3G網(wǎng)絡(luò)的PDSN模塊相連,。該網(wǎng)關(guān)在無線局域網(wǎng)報文中添加3G報頭協(xié)議棧,，將其轉(zhuǎn)化為3G網(wǎng)絡(luò)的報文并發(fā)送給PDSN。無線局域網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和PDSN隱藏了不同空中接口的細節(jié),。因此,，緊密耦合模型的各種空中接口可以共享消息機制和計費機制，結(jié)構(gòu)相對簡單,。然而,，緊密耦合模型也存在難以克服的缺點。首先,，現(xiàn)有的3G網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)都需要做適當修改以適應(yīng)緊密耦合的要求,；其次，用戶終端也需要修改并加入相應(yīng)的3G協(xié)議棧,；最后,，緊密耦合模型要求3G和無線局域網(wǎng)屬于同一服務(wù)提供商。
與緊密耦合不同,，在松散耦合參考模型中,，無線局域網(wǎng)與3G網(wǎng)絡(luò)不直接相連，彼此的數(shù)據(jù)連接完全獨立,。它們通過因特網(wǎng)間接連接到一起,，利用移動IP(Mobile IP)技術(shù)結(jié)合適當?shù)穆握J證協(xié)議(AAA Roaming Agreement)來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合和無縫切換。因此,，松散耦合模型具有很多優(yōu)點：(1)它保證了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的獨立性,，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)不需要修改即可融合到一起；(2)模型的擴展性好,，未來的網(wǎng)絡(luò)(例如 IEEE802.16)可以更容易地加入到網(wǎng)絡(luò)融合環(huán)境中,；(3)通過適當?shù)穆螀f(xié)議，用戶只需在一個提供商處注冊即可漫游整個無線網(wǎng)絡(luò),。松散耦合模型具有更好的兼容性,、擴展性和更廣闊的應(yīng)用前景。因此松散耦合模型已逐漸成為網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)參考模型的主流,。
2 提供端到端QoS支持的難點
本節(jié)逐一討論在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)無縫融合環(huán)境中提供端到端QoS支持的難點,，并對現(xiàn)有的解決方案進行分析,。
首先，需要考慮如何統(tǒng)一異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中不同的QoS參數(shù),。不同網(wǎng)絡(luò)的QoS參數(shù)差異很大,，例如UMTS網(wǎng)絡(luò)規(guī)范定義了四等級的QoS保證，而IEEE802.11e標準支持八等級QoS保證,。因此,，新的融合模型要具有較好的兼容性,，不能影響現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和規(guī)范,。Hamalainen等人提出了一種基于松散耦合模型的解決方案[3]。該方案通過QoS參數(shù)映射和相應(yīng)的消息機制可以較好地實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)的QoS參數(shù)匹配,。然而,，該方案的網(wǎng)絡(luò)選擇邏輯僅僅基于信號強度，并且同一時間只有一個網(wǎng)絡(luò)接口可被使用,，參數(shù)映射和網(wǎng)絡(luò)選擇邏輯過于簡單,，效率偏低。
其次,，如何有效利用無線資源以及如何減少異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換的長延遲是需要解決的另外兩個問題,。目前，網(wǎng)絡(luò)漫游通常采用移動IP的隧道技術(shù)來實現(xiàn),。但很多研究表明,，傳統(tǒng)移動IP技術(shù)的表現(xiàn)并不盡如人意，特別是在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換情況下,，平均延遲高達800ms,，無法滿足實時業(yè)務(wù)的無縫切換要求。Zhang Q等人提出了一種基于預測的方法來減少應(yīng)用移動IP技術(shù)所帶來的長延遲[4],。通過采用適當?shù)念A測算法(如快速移動IP技術(shù),、基于快速傅立葉變換FFT的信號衰減探測算法等)，移動IP的性能有所提高,。然而,，從無縫漫游和端到端QoS支持的角度看，基于預測的方法仍然無法完全解決移動IP技術(shù)的缺陷,。由于無線局域網(wǎng)的信號抗干擾性和穩(wěn)定性差,，經(jīng)常出現(xiàn)突然斷路的現(xiàn)象，會帶來嚴重的分組丟失和長延遲,，進而導致QoS保證失效,。由于這種斷路及斷路后的延遲由多個層共同作用產(chǎn)生，因此,，單純在鏈路層應(yīng)用基于預測的方法無法完全解決問題,。
隨著多網(wǎng)絡(luò)融合的發(fā)展,，多模用戶終端應(yīng)運而生。但傳輸層協(xié)議仍然沿用傳統(tǒng)的單一模式,，當出現(xiàn)垂直切換時,，物理層和介質(zhì)訪問層MAC(Media Access Control)均切換到新網(wǎng)絡(luò)，但傳輸層無法察覺這種切換,，它仍然使用同一套擁塞和流量控制算法及相同的參數(shù)來控制數(shù)據(jù)報發(fā)送,。直到出現(xiàn)擁塞丟包，傳輸層才能開始重新調(diào)節(jié)以適應(yīng)新網(wǎng)絡(luò),。這種傳輸層的慢適應(yīng)會帶來嚴重的擁塞,、丟包、長延遲和大延遲抖動,。例如,，當用戶需要從無線局域網(wǎng)切換到3G時，可用帶寬將大大減小,，但傳輸層無法察覺網(wǎng)絡(luò)切換,，會仍然按照原有發(fā)送窗口大小發(fā)送報文，直到出現(xiàn)擁塞丟包,，才開始重新調(diào)節(jié)來適應(yīng)新網(wǎng)絡(luò),。傳輸層的這種慢適應(yīng)過程會破壞網(wǎng)絡(luò)端到端QoS保證。
3 一個動態(tài)端到端QoS支持模型
3.1 模型概述
為了在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合環(huán)境中提供高效可靠的QoS支持,，本文提出了一種新的端到端QoS支持模型,。模型的主要設(shè)計思想是：在邏輯上將所有可用的無線資源看作一個整體，根據(jù)各個流或會話的不同QoS要求,，動態(tài)地分配各個流到不同的無線網(wǎng)絡(luò)中,，進而實現(xiàn)可靠的QoS保證、優(yōu)化的無線資源利用及低廉合理的費用,。
該端到端QoS支持模型的系統(tǒng)框架和協(xié)議棧如圖2所示,。模型的核心是交互控制模塊" title="控制模塊">控制模塊ICF(Interworking Control Function)。它包含若干子模塊,，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示,。交互控制模塊包含如下主要功能：
(1)收集物理層和MAC層中用于網(wǎng)絡(luò)切換的相關(guān)信息，如信號強度,、可用帶寬和延遲等,；
(2)根據(jù)收集到的網(wǎng)絡(luò)信息、QoS支持數(shù)據(jù)庫和用戶設(shè)置為當前發(fā)送的流或當前會話動態(tài)選擇網(wǎng)絡(luò)接口,；
(3)控制各無線接口的打開和關(guān)閉,，以及在各網(wǎng)絡(luò)之間的切換；
(4)與傳輸層交互網(wǎng)絡(luò)切換信息,，保證網(wǎng)絡(luò)切換的傳輸層配合,。
新模型采用新的傳輸層協(xié)議——多徑接收端控制協(xié)議R2CP,，取代了傳統(tǒng)的TCP協(xié)議[5]，能在傳輸層有效支持網(wǎng)絡(luò)切換,。
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3.2 R2CP協(xié)議
傳統(tǒng)的TCP協(xié)議是在有線網(wǎng)絡(luò)中發(fā)展起來的,，諸多研究表明，TCP無法區(qū)分無線網(wǎng)絡(luò)中由擁塞或斷路導致的超時,，因此不適應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)以及以無線作為最后一跳的新一帶網(wǎng)絡(luò),。特別是當接收端(通常為客戶機)進行網(wǎng)絡(luò)切換時，TCP協(xié)議由發(fā)送端(通常為服務(wù)器)控制的機制無法預知網(wǎng)絡(luò)切換的發(fā)生,，會繼續(xù)按照原有速率發(fā)送分組,，進而導致嚴重的擁塞、丟包和服務(wù)質(zhì)量下降,。為了克服傳統(tǒng)TCP協(xié)議在無線網(wǎng)絡(luò)中的缺陷,，Hsieh等人提出了接收端控制協(xié)議RCP(Reception-Control Protocol),，并針對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換的特點又提出了RCP的擴展版本R2CP,。R2CP是支持多通道并行的、并以接收端為中心的傳輸層協(xié)議,。R2CP協(xié)議由接收端進行流量控制和擁塞控制,，在無線網(wǎng)絡(luò)中，具有比TCP協(xié)議更好的性能,。特別是,，R2CP協(xié)議的多通道設(shè)計可以支持傳輸層的網(wǎng)絡(luò)無縫切換。每個通道對應(yīng)一個當前的無線接口,，在網(wǎng)絡(luò)切換過程中,，相應(yīng)的兩個通道可并行工作，從而保證了無縫切換和服務(wù)質(zhì)量,。同時,，R2CP與TCP友好兼容，由R2CP控制的數(shù)據(jù)流可以與TCP流同時存在,，互不干擾,。TCP、RCP和R2CP三個協(xié)議的原理對比如圖4所示,。
3.3 QoS支持數(shù)據(jù)庫模塊
QoS支持數(shù)據(jù)庫保存著當前可用的網(wǎng)絡(luò)接口信息,，主要用來描述當前網(wǎng)絡(luò)支持的QoS等級。為了統(tǒng)一不同網(wǎng)絡(luò)的QoS定義,，數(shù)據(jù)庫按照IETF下一代網(wǎng)絡(luò)NGN(Next Generation Network)規(guī)范進行QoS分級,，所有其他網(wǎng)絡(luò)的QoS定義都被映射到IETF NGN的QoS分類中，并存儲到數(shù)據(jù)庫中[3],。QoS支持數(shù)據(jù)庫由網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)探測模塊定時更新,，為決策控制模塊提供信息支持,。
3.4 用戶配置模塊
用戶設(shè)置模塊主要記錄用戶的使用偏好，為決策控制模塊提供決策支持,。
3.5 狀態(tài)探測模塊
狀態(tài)探測模塊用于與網(wǎng)絡(luò)物理層和鏈路層進行信息交互,，實時收集當前可用網(wǎng)絡(luò)接口的QoS相關(guān)信息(信號強度、帶寬和延遲等)并周期性地更新QoS支持數(shù)據(jù)庫,。
3.6 決策控制模塊
決策控制模塊用于控制用戶與各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的交互,。它依據(jù)QoS支持數(shù)據(jù)庫、用戶配置文件和消息模塊的信息做出網(wǎng)絡(luò)選擇和網(wǎng)絡(luò)切換的決策,。當一個應(yīng)用程序要求訪問網(wǎng)絡(luò)并產(chǎn)生要發(fā)送的流時,，決策控制模塊將該流的QoS要求映射成標準的IETF NGN的QoS分類，然后檢索數(shù)據(jù)庫,，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫和用戶配置動態(tài)做出決策,。同時它與傳輸層的R2CP協(xié)議協(xié)同工作，在傳輸層為當前正在使用的網(wǎng)絡(luò)接口保留相應(yīng)通道,。
3.7 消息模塊
消息模塊是可選模塊,。該模塊只在各網(wǎng)絡(luò)都支持的情況下才能發(fā)揮作用。如果各網(wǎng)絡(luò)加入對消息模塊的支持,，則能通過消息模塊將有用信息(如帶寬,、平均延遲和位置信息等)明確地傳遞給用戶終端，有利于決策控制模塊做出更合適的決策,。
4 模型分析
本文提出的模型可以較好地克服傳統(tǒng)機制在網(wǎng)絡(luò)融合環(huán)境中的缺陷,，能提供完善、高效率,、高兼容性的端到端QoS支持,。它的主要優(yōu)點如下：
(1)采用松散耦合作為異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)，使新模型可以與現(xiàn)有設(shè)備和標準較好兼容,。新模型基于松散耦合的架構(gòu),，采用被動監(jiān)聽方式，并可以逐步地加載到用戶終端中,，而不需要對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備做任何修改,。
(2)采用動態(tài)的、基于流或者會話的網(wǎng)絡(luò)選擇策略,，相比傳統(tǒng)機制,，無線資源的利用效率更高。根據(jù)不同流的QoS要求,，決策控制模塊依據(jù)QoS支持數(shù)據(jù)庫和用戶配置文件動態(tài)地選擇合適的無線接口,。在同一時刻，不同流可以根據(jù)需要使用不同無線接口。
(3)采用標準化的分類來統(tǒng)一各網(wǎng)絡(luò)不同的QoS參數(shù),。在模型的QoS支持數(shù)據(jù)庫模塊中,，所有其他網(wǎng)絡(luò)的QoS等級和參數(shù)都被映射為IETF NGN QoS標準分類。這種方式不僅能消除現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的差異,，也有利于兼容新的無線網(wǎng)絡(luò)接口,。
(4)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合在一起可以形成一個層次結(jié)構(gòu)，有助于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的性能,。在網(wǎng)絡(luò)選擇和切換過程中,，由于不同網(wǎng)絡(luò)能提供的QoS級別不同，從邏輯上可以將不同網(wǎng)絡(luò)看成一個多級的層次結(jié)構(gòu),，支持的QoS級別越高,，則層次越高。因此,，可以采用高級別的網(wǎng)絡(luò)傳輸控制信令,，采用低級別的網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，這種方式具有較高的可靠性,。3G/WLAN融合系統(tǒng)的一個發(fā)展方向就是利用3G網(wǎng)絡(luò)傳輸WLAN的認證信息和安全信息,。
(5)采用R2CP作為傳輸層協(xié)議，為網(wǎng)絡(luò)無縫切換和智能網(wǎng)絡(luò)選擇提供了有效的傳輸層支持,。R2CP協(xié)議以接收端為中心的特性有利于無線網(wǎng)絡(luò)的流量控制和擁塞控制,。多通道設(shè)計為網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)的多接口特性提供有效的支持,。
(6)整個模型在客戶端實現(xiàn)不需要網(wǎng)絡(luò)提供商支持,，避免了對網(wǎng)絡(luò)的依賴。在新模型中,，包括網(wǎng)絡(luò)選擇,、網(wǎng)絡(luò)切換在內(nèi)的所有操作都由客戶端完成，這種方式更易于應(yīng)用,，兼容性也更好,。同時，模型也包含了對網(wǎng)絡(luò)端支持的擴展,，可選的消息模塊可以用于各網(wǎng)絡(luò)的消息交互,。若網(wǎng)絡(luò)端提供對多網(wǎng)絡(luò)合作的支持，則移動終端可通過消息模塊,，顯式地獲得網(wǎng)絡(luò)信息,，進而更準確的做出決策。
本文提出了一種基于異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合環(huán)境的端到端QoS支持模型,。通過分析可以看出,，新模型具有高效率、高可用性、易應(yīng)用,、高靈活性,、與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)兼容等優(yōu)點。
在未來的工作中,，將定量地分析新模型的性能,，并將新模型向下一代網(wǎng)絡(luò)擴展，考慮它與區(qū)分服務(wù)(DiffServ)的QoS保證和移動IPv6的結(jié)合,。
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