CN1316786C - 移动互联网中分级网络层移动性管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动互联网中分级网络层移动性管理方法，所述移动互联网网络层包括至少两个级别的管理域，所述方法包括下述步骤：a)测量当前管理域与其相邻管理域的切换强度；b)根据切换强度的测量结果，调整当前管理域与其相邻管理域的管理范围，形成切换开销最小的新分级管理域结构。本发明基于切换强度实时测量，进一步对网络开销进行评估，并根据评估结果动态改变网络中管理域的从属关系，从而可以根据实际情况自组织网络分级结构，降低了网络中的信令开销，提高了网络的服务质量。

Description

移动互联网中分级网络层移动性管理方法

技术领域

本发明涉及移动通信网络的管理方法，尤指一种移动互联网中分级网络层移动性管理方法。

背景技术

移动通信和互联网是当今信息业发展的两个热点，这两者的融合就产生了新的增长点，即移动互联网。它采用网际互联协议IP，实现异质网间的互联互通，有利于未来的网络向全IP网络方向发展，并为用户提供更高的通信速率和更丰富的业务。移动性管理是移动通信系统的关键技术之一，所谓移动性管理用于处理移动通信网中用户移动所涉及的问题，它是移动通信网的核心问题。随着移动通信网转变为全IP网络，全IP移动通信网的移动性管理也将面临新的变革。全IP移动通信网移动性管理可以分为三个层次：空中接口(物理层)移动性管理、链路层移动性管理和网络层移动性管理。由于全IP移动通信网中从移动台到网关完全依赖于IP技术接入因特网，网络层移动性管理问题尤为关键。

现有的移动互联网中网络层移动性管理是按照分级管理的方式实施的。这是由于移动互联网的各节点之间的典型关系是“Peer to Peer”，即对等关系，因此各节点的移动性可以简单地使用路由机制实现。随着节点的移动，会由于路由的频繁更新而给网络带来大量的信令开销，并引起移动终端服务质量下降。而采取分级管理结构后，在同一个管理域内移动节点的位置改变不会给上一级管理域带来信令开销，从而大大减少切换时间和信令流量，对于提高管理效率，减少信令开销是有效的。

但是这种技术方案也存在下面的缺点：

由于网络业务和用户移动特性是不断变化的，预先设计好的分级管理结构如果不能根据网络的实际情况做相应的调整，就会使得分级管理结构失效，甚至由于分级不合理而导致更多的开销而使得网络性能下降；

另一方面，移动互联网面对的用户是移动的，导致了网络中承载的业务分布和数据流量分布会具有比较强的时变性，如果网络拓扑结构保持不变，会由于局部业务过于集中而给网络节点带来过载，从而导致系统性能下降。

综上所述，现有的分级网络层移动性管理方案中网络无法根据实际运营情况进行结构调整，从而使网络服务质量下降。

发明内容

为解决现有技术在移动互联网中分级网络层移动性管理方案不能根据实际情况调整网络结构的问题，本发明提出了一种移动互联网中分级网络层移动性管理方法，通过该方法能够根据网络实际运行情况自适应的改变分级网络管理域结构，进而提高网络的服务质量。

具体说，本发明提供的移动互联网中分级网络层移动性管理方法，包括：

a)测量当前管理域与其相邻管理域的切换强度；

b)根据切换强度的测量结果，调整当前管理域与其相邻管理域的管理范围，形成切换开销最小的新分级管理域结构。

具体的，所述管理域为由至少一个移动性管理代理组成，对所属移动节点或终端进行管理的区域。

具体的，步骤a)所述切换强度可由移动性管理代理测量获取。

具体的，步骤b)进一步包括：

b1)获取切换强度测量结果；

b2)根据所述切换强度生成备选相邻管理域；

b3)从所述备选相邻管理域中选择相邻管理域切换率最大的相邻管理域为最紧相邻管理域；

b4)向上一级管理域移动性管理代理发送最紧相邻管理域附着请求，若附着成功，返回b3)开始新的附着过程，直到备选相邻管理域为空；若附着失败，则回到旧附着状态。

具体的，步骤b3)还包括若所选最紧相邻管理域与当前管理域已在同一个上级管理域中，则将其从备选相邻管理域中去掉，选择下一个相邻管理域切换率最大的相邻管理域为最紧相邻管理域。

具体的，所述步骤b4)进一步包括：

b41)当前管理域的当前移动性管理代理向上级移动性管理代理发送最紧相邻管理域ID，并请求所述最紧相邻管理域所属的上一级管理域的ID；

b42)上一级管理域移动性管理代理获取所述最紧相邻管理域ID，若允许附着，则开始鉴权，鉴权通过，返回最紧相邻管理域所属的上一级管理域ID，并更新当前管理域集合；

b43)根据返回的最紧相邻管理域所属的上一级管理域ID，所述当前管理域的当前移动性管理代理附着到所述最紧相邻管理域的上一级管理域。

具体的，所述方法还包括根据管理域内用户移动模式调整切换强度测量的时间段。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

1、本发明基于切换强度实时测量，进一步对网络开销进行评估，并根据评估结果动态改变网络中管理域的从属关系，从而可以根据实际情况自组织网络分级结构，从而减少了网络中的终端切换次数，降低了网络中的信令开销；

2、由于信令开销的减少，进一步可以提高各个终端的切换速度，使网络提高了对业务的实时性支持；

3、由于网络分级结构的改变和终端切换次数的减少，导致信令开销减少，切换延时也随之减少，因此可以提高移动终端的数据流量。

附图说明

图1是本发明移动互联网中分级网络层移动性管理方法所应用的网络层移动性管理功能结构示意图；

图2是本发明移动互联网中分级网络层移动性管理方法在某一网络节点应用的软件结构示意图；

图3是本发明移动互联网中分级网络层移动性管理方法的实施例流程图；

图4是应用本发明的方法对一个三级管理域结构动态调整的示意图；

图5是应用本发明的方法对一个实际系统的管理域结构调整的示意图；

图6是本发明经过区域划分的蜂窝移动网络示意图；

图7是本发明调整管理域结构所应用的附着判决流程图；

图8是本发明通过试验获取的终端吞吐量数据图；

图9是本发明通过试验获取的向家乡代理注册次数数据图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明移动性管理方法所应用的网络层移动性管理功能结构示意图。

图1所示的网络层移动性管理功能结构分为三层，最下面一层是由包括广域移动通信网(WCDMA、CDMA2000等)、无线局域网(WLAN)、时分同步码分多址(TD-SCDMA)、大区域同步码分多址(LAS-CDMA)等无线接入网络组成的承载层；中间一层是由移动IP、IPv4/v6以及蜂窝IP等协议支持的网络层；最上面一层则是由位置管理、快速切换、寻呼、安全、服务质量控制以及鉴权等组成的功能单元。如图1中所示，本发明的网络层移动性管理可以在多种制式的支持IP协议的无线系统中实施，如上述的广域移动通信网、无线局域网等。在各种网络实体的协议栈中通过对IP协议的扩展实现移动IP协议(Mobile IP)。而图1中所示的各种功能单元(位置管理、寻呼等)又可以通过对Mobile IP的扩展实现。

上述基于IP的网络层移动性管理的目的在于把IP移动性与电信网络的稳定、高性能等特征结合起来，为下一代移动通信网络提供先进的移动性管理方案。网络层移动性管理的整个功能层建立在IP层之上，通过对IP协议本身的扩展，实现位置管理与更新(LM&U、快速切换(FH)、寻呼(Paging)、安全管理(Security)、QoS控制(QoS Control)等功能。支持IP的多模终端通过在网络中执行移动性管理代理(MM Agent)软件实现其移动性。移动性管理代理软件可以嵌入到路由器中，也可以单独用主机或网关实现。各种移动性管理代理之间通过特定的消息格式交换控制信息，完成对终端移动性的联合控制。

图2是本发明移动性管理方法在分级网络中某一网络节点的软件结构示意图。

根据本方法实现的软件模块可以嵌入到有移动性管理功能的网络节点(一般为路由器)中，如图2中所示，移动终端通过无线接入网络接入移动通信网络中，并根据所接入的路由器来选择所属的管理域，管理域间以IP网络连接，路由器中的移动性管理代理由许多软件功能单元组成的，图2所示的移动性管理单元由7个功能单元组成，包括位置管理单元、寻呼单元、切换控制单元、鉴权单元、安全单元、服务质量控制单元、移动性管理器单元。除移动性管理器单元之外的各单元分别完成移动性管理中的各种功能，并由移动性管理器单元进行统一管理和协调。

继续说明本发明的方法，下面先对本发明提出的相关概念进行说明。

定义1：由多个移动性管理代理组成对所属移动节点或终端进行管理的区域，称为一个管理域，记为D。

定义2：当前移动终端或节点所属管理域称为当前管理域。

定义3：如果位于两个不同的管理域中的两个移动性代理之间只有一跳距离，则称这两个管理域互为相邻管理域，简称邻域，记为N；管理域D_i的所有邻域的集合记为N(i)。

定义4：在一定时间间隔Δt内，两个邻域D_i和D_j之间发生切换的次数称为D_I到D_J的“切换强度”，记为H_i，j(Δt)。

定义5：在一定时间间隔内，某管理域D的邻域中切换强度最大的那个邻域称为最紧相邻管理域，简称紧邻域，记为N_c(D)。

为了克服现有技术在对移动互联网分级管理时，一旦管理域结构确定就很难再改变的缺点，本发明移动互联网中网络层移动性管理方法利用区域自组织机制对分级的管理域结构重新调整，可以提高网络的服务质量。所谓区域自组织机制就是根据移动性管理节点对本管理域业务强度的实时测量，使用区域自组织算法，使切换强度最高的小区或管理域聚合至同一个管理域，从而使发生在不同管理域的切换转化为同一管理域内的切换行为，不会触发上级管理域的位置更新过程，从而提高切换速度和节点流量，降低网络开销。

图3是本发明移动互联网中网络层移动性管理方法的实施例流程图，包括以下步骤：

步骤301测量当前管理域与其邻域的切换强度，测量切换强度是为了获取该管理域中信令开销的情况，针对移动互联网中的信令开销大多来源于移动终端频繁切换而带来的信令流量，因此，基于切换强度实时测量和评估，可以大致反应信令开销的情况；

步骤302根据切换强度的测量结果，调整当前管理域与其邻域的管理范围，形成切换开销最小的新的分级管理域结构，上述测量了管理域中的切换强度，本步骤即可根据切换强度的测量结果动态改变网络中管理域的从属关系，从而使得分级结构可以根据实际情况自组织，从而减少切换次数，降低信令开销。另一方面，由于分级结构的改变和切换次数的减少，导致信令开销的减少，切换延时也随之减少，因此可以提高移动终端的数据流量。

图4是应用本发明的方法对一个三级管理域结构动态调整的示意图。

FA(外地代理)是指处于RAR(Radio Access Router，无线接入路由器)或某管理域中的移动性管理代理。图4中移动性管理代理划分为三级，FA_a、FA_b、FA_c、FA_d、FA_e、和FA_f属于第一级管理代理，FA1.1、FA1.2、FA1.3以及FA1.4属于第二级管理代理，FA2.1、FA2.2则属于第三级管理代理，图4中FA_a、FA_b组成一个第一级的管理域，FA_c、FA_d以及FA_e、FA_f同样组成另两个第一级的管理域，另外FA1.1、FA1.2组成一个第二级的管理域，FA1.3以及FA1.4组成另一个第二级的管理域，而FA2.1和FA2.2则分别组成一个第三级的管理域，所述管理域的划分如图中所示，图中实线表示网络管理域的初始划分，各FA分别附着于其上级移动性管理代理FA1.x中，各FA1.x也分别附着于上级FA2.x上。

当网络业务强度和用户运动模式发生变化后，各小区之间的切换频率将发生变化，应用本发明的方法，通过实时测量当前管理域与其邻域的切换强度，那些由于移动终端在其间频繁切换的小区将逐渐汇聚成为一个新的管理域，图中虚线表示用户移动模式发生变化后，经过区域自组织后的新的管理域结构。如图中所示的，FA_b由于与FA_c切换频繁，在经过本发明的方法调整后FA_c附着于移动性管理代理FA1.1，并与FA_a、FA_b组成一个新的管理域，这样FA_b与FA_c原来的域间切换变为域内切换，从而使得切换开销减小，切换速度加快。其余管理域的调整原理类同，这里不再赘述，图4中虚线部分表示经过区域自组织之后的分级结构。

上述根据切换强度的测量结果调整分级管理域结构主要根据下面的原理实现：

区域D_i内由于切换而带来的开销可表示为：

$C(D_i,\mathrm{\Δt})=\underset{i\∈D_{i}j\∈D_i,j\∈N_C\left(D_i\right)}{\mathrm{\Σ}}[(h+\mathrm{\μ})C_R+h{C}_N]H_{i,j}\left(\mathrm{\Δt}\right)$

$+\underset{i,j\∈D_i,j\∈N_C\left(D_i\right)}{\mathrm{\Σ}}[(1+\mathrm{\μ})C_R+2C_N]H_{i,j}\left(\mathrm{\Δt}\right)$

其中：C_R为代理通过有线链路向上级代理进行注册时一跳距离所用开销；C_N为节点处理开销；μ为移动终端通过空中无线链路向代理进行注册所用开销的加权因子；h为注册路由所经过的跳数。

可知网络D由于终端切换而带来的开销为：

$C\left(\mathrm{\Δt}\right)=\underset{D_i\∈D}{\mathrm{\Σ}}C(D_i,\mathrm{\Δt})$

因此，管理域区域自组织的目标函数可表示为：

min[C(Δt)]

即将网络调整为网络切换开销最小的分级管理域结构，而通过测量当前管理域与其邻域的切换强度，并根据切换强度调整管理域结构，将网络切换频繁的小区或管理域划分到一个管理域中，可以使切换在一个管理域内进行，这样调整后的网络管理域结构满足管理域区域自组织的目标函数，可以提高网络质量。另外，需要指出的是，这样的自组织过程适用于任意多级结构，每一级移动性管理代理都可以根据本节点测量结果动态选择附着上级管理域。

图5是应用本发明的方法对一个实际系统的管理域结构调整的示意图。

整个系统由路由器(Router)51、应用服务器(AppServer)52、位置管理服务器(LR)53、鉴权服务器(AAA)54，无线接入路由器(RAR)55、无线接入点(AP)56和移动终端(MN)57组成，网络层移动性管理软件可嵌入到图中所示的路由器51和无线接入路由器(RAR)55中。图中实线表示系统的初始结构，RAR1和RAR2共同处于Router1的管理下；当实际应用情况发生变化时，比如在RAR2和RAR3之间发生的切换变得很频繁时，由于RAR2和RAR3处于不同的域中，会在Router1和Router2之间带来大量的信令开销，从而导致系统性能的下降。此时可以应用本发明所描述的方法将RAR2和RAR3划分在同一个管理域，即Router2的管理之下，此时域间的切换变换为域内的切换，从而减少信令开销，提高切换速度。

图6是本发明经过区域划分的一个蜂窝移动网络示意图。

整个网络可表示为多个预先划分的区域的集合，表示为D＝{a，b，c，d，e，f，j}。

某域的相邻域集合表示为N(i)，N(i)，i＝a，b，c.....j。如N(e)＝{a，b，f，i，h，d}。

根据分级的结构，可将整个网络划分为五个一级管理域，即：

D＝{(a.d，h)，(e，f)，(c，g，j)，b，i}

＝{D_1.1,D_1.2，D_1.3，D_1.4，D_1.5}

进一步将一级管理域继续划分为二级管理域，

GN_D＝{(D_1.1，D_1.2)D_1.3，(D_1.4，D_1.5)}

＝{D_2.1，D_2.2，D_2.3}

令网络的初始状态为S_N0＝{D₀，HF₀}其中D₀为初始区域划分，HF₀为初始相对切换率。令H_i，j(t)为时间段t内，管理域i和管理域j之间发生的切换次数，其中t＝T_N-T_i。设管理域i的邻域集合为N(i)，则管理域i在时间段T内发生的切换次数为： $H_i\left(t\right)=\underset{j\∈N\left(i\right)}{\mathrm{\Σ}}{H}_{i,j}\left(t\right).$

由此可得到管理域i和管理域j之间的相对切换率为： $H{F}_{i,j}\left(t\right)=\frac{H_{i,j}\left(t\right)}{H_i\left(t\right)},$ 令i为当前管理域，其邻域为1，2匩，则表示为矩阵形式为：

${\tilde{H}}_t\left(t\right)=\left[\begin{array}{cccc}H{F}_{00}& H{F}_{01}& \mathrm{\Λ}& H{F}_{0N}\\ H{F}_{10}& \mathrm{\Λ}& \mathrm{\Λ}& 0\\ M& M& M& M\\ H{F}_{N0}& 0& \mathrm{\Λ}& 0\end{array}\right],$

其中，i＝D_X，Y(x＝1，2，y＝1，2，.....N)。

实际上，移动性管理代理FA通过业务强度测量，并根据邻域集合得到

，进一步可判断移动性管理代理应该附着的上级管理域。整个网络的区域划分和邻域集合以及邻域相对切换率等可以在网络节点内简单地通过链表结构实现，可以保持较小的系统处理开销。

图7是本发明调整管理域结构所应用的附着判决流程图。

附着判决包括以下步骤：

步骤71获取切换强度测量结果，并根据所述切换强度确定

邻域切换率；

步骤72生成备选邻域，设管理域i的邻域个数为n_i，则认为本地统计的邻域切换率中大于1/n_i所对应的那些邻域生成备选邻域N_H；

步骤73从所述备选邻域中挑选邻域切换率最大项所对应的邻域为紧邻域，开始附着过程；

步骤74向上一级移动管理代理发送紧邻域附着请求，并判断附着是否成功，若附着成功，返回步骤73开始新的附着过程，直到备选邻域为空；若附着失败，则进入步骤75回到旧附着状态。

上述附着过程中，若所选紧邻域与本管理域已在同一个上级管理域中，则将其从备选域中去掉，选择下一个邻域切换率最大的邻域为紧邻域。

在附着过程中，该移动性管理代理FA首先向其上级管理域发送附着请求(Challenge)，如允许附着，则开始鉴权过程。鉴权成功后，上级移动性管理代理FA更新其域集合为D_X，Y，并将新的管理域集合发送至该当前移动性管理代理FA。

具体的，由于各个管理域都有一个网络ID，所述网络ID是实施管理时分配给各管理域的特定标识，发送附着请求前，还有一个预附着的过程，即获取紧邻域ID的过程，具体的，所述当前移动性管理代理FA首先向上一级移动性管理代理FA发送紧邻域ID，请求该紧邻域所属上级管理域的ID，在获取上级移动性管理代理FA返回的紧邻域上级管理域ID后，开始附着过程，当前移动性管理代理FA附着到所述紧邻域的上一级管理域。

优化的，可从以下几点进一步优化本发明的方法：

(1)选取不同的测量时间段t，可以得到不同时间区间的自组织频度，应该根据该区域内用户的移动模式相应修改统计时间t，以保持较高的组织效率。此外过于频繁的附着过程可能给网络带来额外的开销，因此附着条件需要根据业务强度变化情况灵活而定。

(2)如果t选取地足够大， 近似等于移动节点在该区域内的转移概率。因此，

实际上可近似等于转移概率矩阵P_i，除了可以作为DDA-NMM方法的判决依据外，还可以作为邻域间节点的转移模式描述，因此可以作为该管理域中移动终端的位置预测依据。

(3)若管理域j∈N(i)，k∈N(j)，且kN(i)，则称k为i的二阶邻域，记为k∈N²(i)。若域i与域j的邻域数目相同，则H_i(t)H_j(t)表示了移动终端在时间t内，域i的二阶邻域的相对切换率。从二阶邻域的相对切换率，可以进一步对该区域的用户群体移动模式进行早期预测，对于对高速移动终端进行移动预测有非常重要的意义。

图8-图9分别是本发明通过试验获取的终端吞吐量数据图和向家乡代理注册次数数据图。

本发明通过NS(Network Simulator，网络仿真)软件进行仿真证明取得了很好的效果，具体的，仿真时，选取1560m×100m条形区域为仿真区域，沿区域横向放置9个802.11天线接入点，并同时作为一级FA。采用自由空间模型，无线传输距离为100m，数据速率为1Mb/s，小区之间重叠覆盖距离为5m。相邻3个FA个为一组，构成三个一级管理域。另放置4台路由器，其中3台路由器作为2级FA，通过10Mb/s固定链路与无线接入点相连。另放置两个主机节点，通过另一台路由器接入网络，分别作为HA与TCP业务发生主机。仿真区域共放置300个移动节点，其中100个节点(N1)沿仿真区域做横向匀速往复运动；另100个节点(N2)在小区间服从Markov移动模型(Markov Model)，并可以通过改变其在不同小区间的转移概率触发区域的重新组织过程；另100个节点(N3)为对称随机行走模型(Symmetric Random Walk Model)，即在任一点向两个方向移动概率为1/2。三类节点分别代表有向均匀移动群体、区域性移动群体和随机移动群体。

仿真结果参考图8-图9，图中显示了一个N2节点在速度从1m/s～15m/s时的流量变化，和家乡代理(HA)处的注册请求次数。其中，HNMM(Hierarchical Network-layer Mobility Management，分级网络层移动性管理)所标示的结果是采用现有网络层移动性管理方法测量获取的结果，DDA-HNMM (Domain Discovery Assisted Hierarchical Network-layer MobilityManagement，区域自组织-分级网络层移动性管理)所标示的结果是采用本发明区域自组织的方法获取的测量结果，可以看到，采用本发明DDA-HNMM算法得到的结果要明显优于没有采用区域自组织算法的结果。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1、一种移动互联网中分级网络层移动性管理方法，所述移动互联网网络层包括至少两个级别的管理域，其特征在于，所述管理域为由至少一个移动性管理代理组成，对所属移动节点或终端进行管理的区域，

所述方法包括下述步骤：

a)测量当前管理域与其相邻管理域的切换强度，所述切换强度是指在一定时间间隔内，两个相邻管理域之间发生切换的次数；

b)把切换强度大于一定阈值的相邻管理域生成备选相邻管理域；

c)从所述备选相邻管理域中选择相邻管理域切换率最大的相邻管理域为最紧相邻管理域，所述切换率是指当前管理域与其某一相邻管理域之间的切换强度相对于当前管理域与其全部相邻管理域之间的总切换强度之比；

d)获取最紧相邻管理域的网络ID；

e)当前管理域的当前移动性管理代理向上级移动性管理代理发送最紧相邻管理域ID，并请求所述最紧相邻管理域所属的上一级管理域的ID；

f)上一级管理域移动性管理代理获取所述最紧相邻管理域ID，若允许附着，则开始鉴权，鉴权通过，返回最紧相邻管理域所属的上一级管理域ID，并更新当前管理域集合；

g)根据返回的最紧相邻管理域所属的上一级管理域ID，所述当前管理域的当前移动性管理代理附着到所述最紧相邻管理域的上一级管理域。

2、根据权利要求1所述的移动性管理方法，其特征在于，所述步骤a)所述切换强度由移动性管理代理测量获取。

3、根据权利要求1所述的移动性管理方法，其特征在于，步骤c)还包括若所选最紧相邻管理域与当前管理域已在同一个上级管理域中，则将其从备选相邻管理域中去掉，选择下一个相邻管理域切换率最大的相邻管理域为最紧相邻管理域。

4、根据权利要求1所述的移动性管理方法，其特征在于，所述方法还包括根据管理域内用户移动模式调整切换强度测量的时间段。

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