劉文斌，李 燁，王亞剛，劉曉峰

(上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院，上海200082)

0 引言

在移動通信技術(shù)飛速發(fā)展的今天，多種通信技術(shù)3GPP、WLAN、WiMAX并存，3G理論技術(shù)越發(fā)成熟，3G基站等設(shè)備得到了大范圍部署，近年來國內(nèi)三大運營商已逐步將運營重心從2G平滑提升到3G通信，甚至還能在國內(nèi)少數(shù)一線城市看到4G－TDLTE技術(shù)試運營的身影。但是，3GPP技術(shù)成熟應(yīng)用仍舊滿足不了人們對終端設(shè)備訪問業(yè)務(wù)速度、高業(yè)務(wù)流量的要求。據(jù)思科預(yù)測，全球移動數(shù)據(jù)流量將在2010－2015年間增長26倍，保持92%的年復(fù)合增長率［1］。

作為非3GPP技術(shù)的典型代表，WLAN技術(shù)作為一種能夠?qū)€人電腦、手持設(shè)備(如PDA、手機)等終端以無線方式互連的短距離無線技術(shù)，由于其自身高速連接、抗干擾能力強、簡單易部署等優(yōu)點受到無線設(shè)備廠商的青睞，因而應(yīng)用極為廣泛?，F(xiàn)在全球每天估計有超過30億臺電子設(shè)備使用WLAN技術(shù)，而到2013年底CSIRO專利保護過期之后，這個數(shù)字預(yù)計會增加到50億。

因此，為了應(yīng)對終端高業(yè)務(wù)訪問速度、高業(yè)務(wù)流量等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，WLAN技術(shù)逐漸成為了蜂窩網(wǎng)絡(luò)分流的重要手段，國內(nèi)三大運營商正致力于無線熱點的大規(guī)模部署，無線接入網(wǎng)展現(xiàn)了向異構(gòu)化發(fā)展的方向［2］。

為了更好的利用無線側(cè)網(wǎng)絡(luò)資源，保證用戶的業(yè)務(wù)體驗，選擇一個合適的接入網(wǎng)顯得尤其重要?，F(xiàn)有的用戶大部分情況下自主選擇網(wǎng)絡(luò)接入，如在擁有豐富WLAN資源的環(huán)境中仍舊通過3GPP訪問數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，由于人為疏忽沒有及時切換到WLAN，這樣不僅降低了業(yè)務(wù)訪問速度、浪費空閑WLAN網(wǎng)絡(luò)資源，還增加了移動數(shù)據(jù)流量、增加3GPP網(wǎng)絡(luò)負載，而且這種切換方式還需要人為參與，增加了繁瑣性大大降低了用戶體驗、缺乏靈活性。

配合接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)和選擇功能(ANDSF，Access Network Discovery and Selection Function)與終端的通信，通過策略控制終端的網(wǎng)絡(luò)接入方式，這種智能切換使用戶在合適的時間、合適的地點自動選擇最合適的接入網(wǎng)，提高了業(yè)務(wù)訪問速度，降低了移動數(shù)據(jù)流量，均衡了網(wǎng)絡(luò)負載狀態(tài)，保證業(yè)務(wù)的質(zhì)量，使用戶獲得了最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用體驗。

1 ANDSF

1．1 ANDSF 選網(wǎng)機制

現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)選擇機制包括用戶手動選擇機制，即用戶根據(jù)終端提供的可用接入網(wǎng)信息，手動選擇一個合適的接入網(wǎng);終端的靜態(tài)配置機制，如iPhone在同時接入WLAN和蜂窩網(wǎng)時，靜態(tài)地選擇使用WLAN進行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳送;基于ANDSF的選網(wǎng)機制;基于IEEE 802．11u的接入網(wǎng)查詢協(xié)議(ANQP，Access Network Query Protocol)提供的選網(wǎng)信息等［2］。

ANDSF是由3GPP提出的一個選網(wǎng)策略單元，它提供了一種根據(jù)運營商策略和通過網(wǎng)絡(luò)和終端的交互協(xié)同，終端通過決策實現(xiàn)智能選擇接入網(wǎng)的模式。它可以根據(jù)終端上報的位置及用戶選網(wǎng)偏好等信息，為終端制定最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)選擇策略，使終端擺脫了自主選擇接入網(wǎng)的繁瑣，幫助終端發(fā)現(xiàn)周圍可用的接入網(wǎng)(如蜂窩網(wǎng)、WLAN等)，并協(xié)助終端選擇一個最合適的接入網(wǎng)［3］。

ANDSF雖然是4G網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)元，但是在3G網(wǎng)絡(luò)向4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和過渡的過程中可以扮演重要的角色，增加少量ANDSF網(wǎng)元、而非過早地將全網(wǎng)升級為4G網(wǎng)絡(luò)，對于電信運營商而言是可以接受、也具有投資動力的，可以節(jié)約運營商總投資、增強其業(yè)務(wù)運營能力、改善用戶體驗［4］。這種解決方案在當今的移動通信領(lǐng)域是一種必然的趨勢，也是一種創(chuàng)新與實用的結(jié)合，其優(yōu)勢在當前的幾種選網(wǎng)機制中脫穎而出。

1．2 ANDSF技術(shù)與S14接口

終端UE(User Equipment)可以通過多種接入方式，如3GPP接入方式(蜂窩網(wǎng))、非3GPP接入方式(如 WLAN)，與 Internet進行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通信。3GPP接入網(wǎng)按照運營商對網(wǎng)絡(luò)的信任程度，又分為可信3GPP接入網(wǎng)和不可信3GPP接入網(wǎng)。

圖1 S14接口Fig．1 Interface S14

ANDSF網(wǎng)元部署在蜂窩網(wǎng)的核心網(wǎng)中，終端接入核心網(wǎng)后通過S14接口與ANDSF網(wǎng)元直接通信，如圖1所示［3］。該接口基于 IP層之上，OMA－DM是推薦的實現(xiàn)方式，但是這需要網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)均支持OMA－DM協(xié)議。終端從ANDSF獲取策略有兩種模式，PULL模式需要終端向網(wǎng)絡(luò)提出獲取策略請求，觸發(fā)ANDSF實體下發(fā)策略信息;PUSH模式則為ANDSF主動更新策略信息給終端，該模式是可選的［1］。

通過以上兩種模式，S14接口上傳輸以下幾種網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)和選擇策略:當終端只能選擇一種無線接入技術(shù)時，可以使用“跨系統(tǒng)移動策略”決定是否允許跨系統(tǒng)移動并選擇最合適的接入技術(shù)或接入網(wǎng)來接入分組核心演進(EPC，Evolved Packet Core)，它常來指示哪種接入技術(shù)或具體何種接入網(wǎng)絡(luò)對EPC接入是最優(yōu)的，如WiMAX優(yōu)于WLAN，WLAN SSID－A優(yōu)于 WLAN SSID－B。收到終端請求時，ANDSF通過“接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)信息”向終端提供其附近可用的所有接入技術(shù)的接入網(wǎng)絡(luò)列表，信息包括:接入技術(shù)類型(如WLAN、WCDMA)、無線接入網(wǎng)標識(如WLAN的SSID)。這些信息一直保存并使用到新信息到來之前。當終端可同時通過多種無線接入技術(shù)接入網(wǎng)絡(luò)時，“跨系統(tǒng)路由策略”將指示終端如何通過多種無線接入網(wǎng)絡(luò)來路由IP數(shù)據(jù)包，包括IFOM、MAPCON等多種策略信息，以滿足運營商要求的路由、分流策略［5］。

2 演示系統(tǒng)搭建

2．1 系統(tǒng)模型

在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中，由于用戶的移動，終端會從一個網(wǎng)絡(luò)移動到另一個網(wǎng)絡(luò)，為了保持會話的連續(xù)性，需要采用切換技術(shù)。如果這兩個網(wǎng)絡(luò)的類型相同，那么移動終端將進行水平切換，反之，則進行垂直切換［6］。文中重點討論的是垂直切換。由于在實際場景中，UMTS和WLAN所構(gòu)成的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)具有代表性［7］，假定實驗所用異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括一個UMTS和一個WLAN接入網(wǎng)絡(luò)，UMTS覆蓋整個區(qū)域范圍，而WLAN則處于UMTS的覆蓋范圍內(nèi)，其模型如圖所示，該模型可以很容易擴展到具有多種無線接入網(wǎng)絡(luò)的場景［8］，如圖2所示。

圖2 異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)模型Fig．2 Heterogeneous wireless network model

終端接入UMTS網(wǎng)絡(luò)后，當在UMTS覆蓋范圍內(nèi)WLAN覆蓋范圍外移動時，ANDSF會發(fā)送“接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)信息”通知終端當前可用網(wǎng)絡(luò)只有UMTS，此時終端解析信息后會通過UMTS接入網(wǎng)絡(luò)訪問數(shù)據(jù)業(yè)務(wù);當終端移動到 WLAN覆蓋范圍內(nèi)即與UMTS的重疊區(qū)域中心時，有兩種網(wǎng)絡(luò)接入方式可供終端選擇，這時ANDSF會發(fā)送“跨系統(tǒng)移動策略”輔助終端斷開與UMTS的連接，優(yōu)先選擇WLAN接入網(wǎng)絡(luò)訪問數(shù)據(jù)業(yè)務(wù);當終端移動至重疊區(qū)域的邊緣或離開重疊區(qū)域時，此時WLAN信號強度過低，WLAN不足以提供比UMTS更穩(wěn)定、更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)時，此時ANDSF會發(fā)送更新的“跨系統(tǒng)移動策略”告知終端斷開WLAN連接，重新連接至UMTS網(wǎng)絡(luò)。

2．2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

為驗證基于ANDSF的選網(wǎng)機制在實際應(yīng)用中的可行性，搭建演示系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。具有WiFi功能、3G功能的終端可通過WLAN接入以及WCDMA(即為聯(lián)通3G)接入對Internet中的服務(wù)器進行業(yè)務(wù)訪問，并與具有公有IP地址的ANDSF網(wǎng)元進行策略通信。為著重體現(xiàn)策略控制終端自動切換接入網(wǎng)絡(luò)的效果，保證策略信息完整、正確的送達終端很重要，并且考慮到OMA－DM協(xié)議在實際應(yīng)用中軟件搭建的復(fù)雜性，在應(yīng)用中以同屬于IP層之上的使用TCP協(xié)議的Socket連接來保證策略通信的正確完整性［9］，即ANDSF將其維護、管理的策略信息通過TCP Socket連接發(fā)送給終端。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)Fig．3 System architecture

(1)ANDSF端

ANDSF在Linux Ubuntu下使用C語言開發(fā)，通過調(diào)用GTK庫產(chǎn)生界面，該界面可以新建、修改、刪除策略，還包括選擇策略下發(fā)的按鈕，每次創(chuàng)建新的線程通過TCP Socket發(fā)送更新的策略給終端。其主要如下幾個模塊構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 ANDSF模塊組成Fig．4 Structure of ANDSF module

1)監(jiān)聽請求模塊。該模塊用來接收“接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)信息”，保存并解析可用的網(wǎng)絡(luò)列表，終端發(fā)起數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)請求時根據(jù)所接收策略信息連接可用網(wǎng)絡(luò)，直到新的策略下發(fā)。該模塊使用非阻塞方式的select函數(shù)輪詢監(jiān)聽套接字，當客戶端有連接請求時，監(jiān)聽套接字FD_ISSET(sockfd，＆fdsr)置為可讀，通過accept函數(shù)返回連接套接字，在該套接字上進行策略傳輸。

2)無線側(cè)信息收集模塊。當終端在重疊區(qū)域內(nèi)移動時，隨著離AP距離的遠近，終端檢測到的WLAN信號強度會發(fā)生變化，并在每次變化時將強度信息發(fā)送給該模塊，模塊將收到強度數(shù)值與閾值進行比對(共分為0、1、2、3、4五個等級，大于等于2時使用WLAN連接，否則切換為3G)，并比較目標切換網(wǎng)絡(luò)與終端當前網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，若不同，則發(fā)送新的策略給終端使其改變網(wǎng)絡(luò)接入方式。

3)策略發(fā)送模塊。當WLAN信號強度過低，終端需要從 WLAN連接狀態(tài)更改為 UMTS，或當WLAN信號強度適合，終端需要從UMTS連接狀態(tài)更改為WLAN時，無線側(cè)信息收集模塊就會觸發(fā)該模塊下發(fā)更新的策略信息(即“跨系統(tǒng)移動策略”)，終端首次接入網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)聽請求模塊也會觸發(fā)該模塊發(fā)送“接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)信息”。為保證策略的及時下發(fā)，以及每次更新策略動作的獨立性，利用線程占用資源小、速度快等特點［9］，調(diào)用 POSIX線程庫函數(shù)pthread_create(＆thread，NULL，file_transfer，＇tag＇)觸發(fā)file_transfer函數(shù)下發(fā)策略，并在tag位置傳遞給file_transfer函數(shù)不同標記參數(shù)來傳遞不同策略文件，策略下發(fā)結(jié)束后調(diào)用函數(shù)pthread_exit銷毀線程，以備下次調(diào)用。如針對WLAN信號強度過低的情況，tag置為字符‘1’，file_transfer發(fā)送 to_3g．xml策略，手機收到解析后切換至3G接入;WLAN信號強度適合時，tag置為字符‘2’，file_transfer發(fā)送to_wifi．xml策略，手機收到解析后切換至WiFi接入。對于不同情況，該模塊選擇不同的策略發(fā)送，體現(xiàn)了ANDSF策略的選擇發(fā)送具有靈活性、針對性。

(2)終端

終端采用Android操作平臺，在application(應(yīng)用程序)層使用面向?qū)ο蟮腏ava語言開發(fā)。其主要由如下幾個模塊構(gòu)成，如圖5所示。

圖5 終端模塊組成Fig．5 Structure of UE module

發(fā)送請求模塊通過新建的 Socket實例向ANDSF發(fā)送連接請求，建立連接后調(diào)用策略接收解析模塊接收“接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)信息”。

無線側(cè)信息采集發(fā)送模塊調(diào)用系統(tǒng)消息廣播機制，通過在wifiIntentFilter中添加WifiManager．RSSI_CHANGED_ACTION控制動作，使得僅在WiFi信號發(fā)生變化時，系統(tǒng)才調(diào)用自定義BroadcastReceiver對當前WiFi信號進行采集，同時將采集到的信號強度劃分成5個等級并將“0－4”整數(shù)值發(fā)送給ANDSF進行比較，調(diào)用策略接收解析模塊接收“跨系統(tǒng)移動策略”。

策略接收解析模塊接收到策略后，使用SAX方式［10］解析由可擴展標記語言XML定義的策略信息，該方式逐行解析，速度快、效率高，占用資源少，比起DOM解析更適合手機的嵌入式環(huán)境。

根據(jù)解析得到的xml節(jié)點元素值，終端關(guān)閉或打開對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口開關(guān)，在點擊按鈕啟動發(fā)送請求模塊建立與ANDSF的連接后，隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不斷變化，終端將會根據(jù)收到的不斷更新的策略內(nèi)容選擇最合適的網(wǎng)絡(luò)接入，體現(xiàn)了切換過程的智能性。

3 演示結(jié)果

實驗終端使用搭載android2．3操作系統(tǒng)的華為U8220手機。

1)手機插入聯(lián)通3GSIM卡開機后成功連接即進入UMTS網(wǎng)絡(luò)(即聯(lián)通WCDMA)覆蓋范圍，點擊“發(fā)送連接請求”按鈕后，即可從ANDSF成功獲取“接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)信息”，點擊“策略解析與切換”按鈕，解析出當前可用連接為3G并切換至該連接上。從圖6的“當前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)顯示”中可看出切換后3G已打開，WiFi關(guān)閉，圖7可看到處于監(jiān)聽請求狀態(tài)中的ANDSF成功發(fā)送“接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)信息”。

2)手機繼續(xù)移動到WCDMA網(wǎng)絡(luò)與WLAN網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍中心時，此時手機檢測到WiFi信號強度變化為‘3’時，無線側(cè)信息采集發(fā)送模塊將該無線側(cè)信息發(fā)送給ANDSF，ANDSF將強度數(shù)值與閾值比較，發(fā)現(xiàn)WLAN信號強度合適，發(fā)送“跨系統(tǒng)移動策略”反饋給手機，手機解析后切換至WiFi。圖7和圖8中可看到成功發(fā)送并獲取策略的提示，以及切換后的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示。

3)當手機移動至兩網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的邊緣時，手機檢測到的WLAN信號強度下降至‘1’，在ANDSF的輔助下又將網(wǎng)絡(luò)連接切換為3G。如圖9所示。

4)ANDSF除了自動下發(fā)更新策略，還可以通過“open”打開策略菜單，選中某策略點擊“edit”進行編輯，或點擊“import”導(dǎo)入新的策略，不需要某策略時點擊“delete”就可刪除，最后點擊“push”即可下發(fā)選中的策略。這些功能按鈕設(shè)定可將定制的策略消息發(fā)送給終端，在終端與ANDSF保持通信的情況下，強制指定終端使用指定的網(wǎng)絡(luò)接入方式進行業(yè)務(wù)訪問，增加了ANDSF對終端策略控制的主動性，為今后運營商通過策略輔助終端切換網(wǎng)絡(luò)接入方式的功能預(yù)留了接口。

圖6 初始接入網(wǎng)絡(luò)Fig．6 Initial access network

圖8 獲得WiFi策略Fig．8 Obtaining WiFi strategy

圖9 獲得3G策略Fig．9 Obtaining 3G strategy

手機上易得當前網(wǎng)絡(luò)連接類型以及下載速度，記錄下每分鐘整時刻的下載速度，繪制曲線如圖10所示。根據(jù)WCDMA連接有效(非斷開)時，計算其速均值為85．32 KB/S并以點虛線表示。該曲線記錄了手機在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境內(nèi)移動位置發(fā)生變化時，網(wǎng)絡(luò)接入速度的變化過程。

圖10 網(wǎng)絡(luò)接入速度比較Fig．10 Comparison of network bandwith

第1～5 min時，手機在WCDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)并向兩網(wǎng)絡(luò)重疊區(qū)域移動，使用3G接入下載Server中某資源，下載速度在85 KB/s浮動;第5～16 min時，手機移動至WLAN網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍且至WiFi信號強度合適時，手機智能切換為WiFi連接，下載速度峰值達到225 KB/s;16 min后，手機繼續(xù)移動離開WLAN覆蓋范圍，又重新切換為3G。根據(jù)圖10中曲線比較可知，手機進入多網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中時，第一時間自主切換為更適宜的連接，顯著提高了業(yè)務(wù)訪問速度，使用戶獲得了更好的網(wǎng)絡(luò)體驗，極大提升了服務(wù)質(zhì)量。

4 結(jié)語

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展的今天，衍生出了多種選網(wǎng)機制，文中介紹了使用ANDSF技術(shù)輔助終端切換網(wǎng)絡(luò)的幾個好處，并簡單介紹了該技術(shù)的工作機制。通過自主搭建的基于ANDSF智能切換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可

看到終端在單網(wǎng)絡(luò)區(qū)域以及多網(wǎng)絡(luò)區(qū)域之間移動時，終端根據(jù)接收到的策略信息智能切換到當前最合適的網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)訪問，提高了業(yè)務(wù)訪問速度，擺脫了自主選網(wǎng)的繁瑣，改善了用戶體驗。在下一步的工作中，我們將擴展異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)模型，增加多WLAN重疊區(qū)域，搭建能同時輔助終端進行垂直、水平切換的系統(tǒng);在網(wǎng)絡(luò)切換過程中，訪問數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的連續(xù)性也是我們要完善的。

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