田野 王文東

從移動性管理、輕量級IP協(xié)議適配、多接口異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入等方面入手，對傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展策略進(jìn)行了探討。針對造成移動通信網(wǎng)“信令風(fēng)暴”的原因，提出了從移動終端、無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)等層面共同解決“信令風(fēng)暴”的對策。

移動互聯(lián)網(wǎng)；IP網(wǎng)絡(luò)；移動通信網(wǎng)；業(yè)務(wù)

This paper discusses the development strategy for traditional IP networking in terms of mobility management， lightweight IP protocol adaptation， and multiple interface access. It discusses the reasons for signaling storm and proposes solutions at the mobile terminal， radio access network， and packet core network levels.

mobile Internet； IP network； mobile communication network； service

移動互聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與移動通信技術(shù)融合的產(chǎn)物，移動終端的迅速普及以及移動應(yīng)用廣泛流行促進(jìn)了移動互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、壯大和繁榮。據(jù)統(tǒng)計中國國家工業(yè)和信息化部2013年6月發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2012年全國智能手機(jī)出貨量累積達(dá)到2.58億，同比增長166.8%[1]。移動互聯(lián)網(wǎng)的用戶規(guī)模也在急速擴(kuò)張。截至2012年6月，中國國內(nèi)的移動互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)達(dá)到3.88億之多，甚至超過了傳統(tǒng)PC互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)[2]。與此同時，移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的數(shù)量與下載量也呈現(xiàn)增長的勢頭，以蘋果公司的App Store為例，目前已有77.5萬應(yīng)用，下載量達(dá)到了400多億次[3]。而移動互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)形態(tài)也從短信息、數(shù)據(jù)上網(wǎng)等拓展到移動即時通信、微信、微博等具有社交元素的業(yè)務(wù)類別。移動終端與移動應(yīng)用的增長直接拉動了移動互聯(lián)網(wǎng)流量的爆發(fā)式增長，據(jù)愛立信2013年6月發(fā)布的流量與市場數(shù)據(jù)報告顯示，從2012年第一季度到2013年第一季度，數(shù)據(jù)流量增加了一倍，而語音增長率僅4%[4]，如圖1所示。該報告據(jù)預(yù)測，受視頻類應(yīng)用和移動社交類應(yīng)用的推動，在2012年到2018年期間，移動數(shù)據(jù)流量仍將以50%的復(fù)合年增長率增長，而到2018年底，數(shù)據(jù)流量將增加大約12倍。

移動互聯(lián)網(wǎng)在用戶規(guī)模和接入終端數(shù)量的增長態(tài)勢以及業(yè)務(wù)形態(tài)的多樣化趨勢，給現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，包括以第二代、第三代移動通信制式為主的蜂窩網(wǎng)絡(luò)以及傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)都帶來了新的挑戰(zhàn)。本文分別從移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展對IP網(wǎng)絡(luò)以及移動通信網(wǎng)絡(luò)帶來的影響出發(fā)，分析了在兩種網(wǎng)絡(luò)體系中為了應(yīng)對移動互聯(lián)網(wǎng)的沖擊應(yīng)運而生的新技術(shù)、新架構(gòu)。

1 移動互聯(lián)網(wǎng)對IP網(wǎng)絡(luò)的

影響及其技術(shù)特征

在移動互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的浪潮中，傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)及移動性管理方案隨之發(fā)生著豐富而深刻的變化。接入網(wǎng)絡(luò)的多樣性、終端設(shè)備的異構(gòu)性是移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中IP網(wǎng)絡(luò)所面臨的重要挑戰(zhàn)。接入網(wǎng)絡(luò)的多樣性表現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議、對移動性的支持能力等方面存在差異。而終端設(shè)備的異構(gòu)性反映在終端的傳輸效率、對IP協(xié)議的支持能力以及多網(wǎng)絡(luò)接入能力等方面的差異。在傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)所面臨的眾多挑戰(zhàn)中，移動性管理、面向終端的IP協(xié)議適配、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的多接口接入問題是影響移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)性能及用戶體驗的重要方面，本文將針對上述3個方面進(jìn)行闡述。

1.1 移動性管理

移動性是移動互聯(lián)網(wǎng)最重要的特征，而移動性管理對確保網(wǎng)絡(luò)運行效率以及上層業(yè)務(wù)的連續(xù)性具有全面的影響。Mesh網(wǎng)絡(luò)、PMIPv6等網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)及異構(gòu)移動終端的涌現(xiàn)對移動性管理在性能、魯棒性、可拓展性以及針對不同應(yīng)用的靈活性上提出了新的要求。移動性管理包含兩個方面的內(nèi)容：位置管理和切換控制。位置管理旨在實現(xiàn)對移動終端位置信息的跟蹤、存儲、查找及更新。其執(zhí)行策略會直接影響系統(tǒng)容量、服務(wù)質(zhì)量及移動終端的功耗。移動互聯(lián)網(wǎng)對位置管理帶來的新問題表現(xiàn)在兩個方面：首先，種類繁多的終端對位置管理策略存在迥異的要求。其次，移動互聯(lián)網(wǎng)中終端設(shè)備“永遠(yuǎn)在線”的工作模式以及基于推送（Push）的信息方式在很大程度上加劇了對位置管理效率的壓力，也對傳統(tǒng)位置管理方案的有效性產(chǎn)生了無法回避的挑戰(zhàn)。切換控制旨在提供合理的機(jī)制保證當(dāng)某個移動終端移動到一個新的位置區(qū)域時仍然能夠保持與網(wǎng)絡(luò)的連接，這一點對確保數(shù)據(jù)的無縫不間斷傳輸至關(guān)重要。在移動互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景下，保證業(yè)務(wù)不會因為網(wǎng)絡(luò)連接的切換而中斷是衡量用戶體驗好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。除了位置管理和切換控制，移動性管理還對移動服務(wù)質(zhì)量、資源管理以及安全性等提出了要求。

目前，包括國際電信聯(lián)盟（ITU）、第三代移動通信合作伙伴計劃（3GPP）以及因特網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）等國際標(biāo)準(zhǔn)化組織均對移動性管理進(jìn)行了分析研究，并從不同的側(cè)面發(fā)布了一系列的建議和草案。ITU從IP地址分配、用戶信息管理、用戶環(huán)境管理、身份認(rèn)證、接入控制及鑒權(quán)等方面定義了NGN中的位置管理問題。而3GPP也將移動性管理作為LTE/SAE系統(tǒng)的技術(shù)需求以支持不同接入系統(tǒng)的無縫移動性和業(yè)務(wù)連續(xù)性。在其規(guī)范中明確規(guī)定了對通用分組無線業(yè)務(wù)隧道協(xié)議（GTP）、MIPv4、DSMIPv6和PMIPv6協(xié)議的支持。IETF對移動性管理的研究最為全面，提出了MIPv4、MIPv6、PMIPv6以及HIP等主流技術(shù)。下面是其中的代表性協(xié)議：

（1）移動IPv6協(xié)議

移動IP是在網(wǎng)絡(luò)層解決終端移動性問題的方案，具有高擴(kuò)展性、高可靠性以及高安全性的特點，同時該協(xié)議與底層的傳輸介質(zhì)無關(guān)，并對上層應(yīng)用透明，能夠保證移動終端攜帶某個固定IP地址跨越不同網(wǎng)段時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫不間斷傳輸，對業(yè)務(wù)的連續(xù)性有較高保障。

移動IPv6協(xié)議（MIPv6）是基于IPv6協(xié)議，對MIPv4協(xié)議的升級。MIPv6定義了3類功能實體：移動節(jié)點（MN）、對端節(jié)點（CN）以及家鄉(xiāng)代理（HA），如圖2所示。MIPv6通過提供快速切換和平滑切換提供對移動性的支持?？焖偾袚Q能夠減小移動節(jié)點建立新的通信路徑時的延遲時間。目前，有多種關(guān)于快速切換的建議，比如通過預(yù)測移動節(jié)點移動，提前發(fā)送數(shù)據(jù)包的多個副本到移動節(jié)點可能的移動目的地。也有基于分層MIPv6的移動管理模型，這種模型對移動IP的切換進(jìn)行了改善，提供了移動錨點（MAP）功能。此外，一些比較新的切換方法采用了小組廣播（SGM）的明確組播技術(shù)（Xcast），利用基站將接受到的控制/用戶數(shù)據(jù)報以組播的形式發(fā)送到基站和移動節(jié)點之間的無線鏈路上[5]。平滑切換則旨在減小切換過程中的丟包率，MIPv6提供了緩存機(jī)制，移動節(jié)點能夠要求當(dāng)前子網(wǎng)的路由器緩存其數(shù)據(jù)包，直到完成其向新子網(wǎng)內(nèi)路由器的注冊過程。

（2）代理移動IPv6協(xié)議（PMIPv6）

代理移動IPv6協(xié)議（PMIPv6）旨在優(yōu)化移動節(jié)點在移動過程中的網(wǎng)絡(luò)開銷，它不需要移動節(jié)點參與移動性管理[6]。PMIPv6協(xié)議引入了移動接入網(wǎng)關(guān)（MAG）和本地移動錨點（LMA）兩個功能實體，為移動節(jié)點提供基于網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域性移動性支持。MAG代表所有附著在其上的移動節(jié)點向本地移動錨點發(fā)送綁定更新，而跨MAG的移動節(jié)點的移動性則由LMA管理，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

（3）HIP協(xié)議

為了增強(qiáng)對移動性的支持，解決IP地址既被用作主機(jī)標(biāo)識，又被用于提供路由信息的困境，IETF為網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議關(guān)聯(lián)了新的HIP子層，該子層介于IP層之上，傳輸控制協(xié)議/數(shù)據(jù)報協(xié)議（TCP/UDP）層之下，在和上層的通信過程中可替代IP地址的作用，而IP地址則可專注于路由尋址[7]。HIP協(xié)議的使用能夠在主機(jī)間提供快速的身份交換，一旦兩個主機(jī)間完成身份交換，則建立起一對安全連接，大幅提高數(shù)據(jù)交互的安全性。此外，由于IP地址的主機(jī)標(biāo)識與位置標(biāo)識功能實現(xiàn)了分離，多家鄉(xiāng)、IP地址動態(tài)分配以及不同網(wǎng)絡(luò)區(qū)域之間的互訪問題均得到較好的支持。

1.2 輕量級IP協(xié)議適配

移動應(yīng)用的快速普及，尤其是移動互聯(lián)網(wǎng)向物聯(lián)網(wǎng)的延伸和拓展使得大量移動終端設(shè)備需要通過IP數(shù)據(jù)通道與網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用進(jìn)行信息交互。未來的移動互聯(lián)網(wǎng)不僅僅需要支持人與人的通信，還需要支持人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器之間的通信需求。然而，移動終端普遍計算能力受限，并且不同類型的終端所具備的計算能力參差不齊，它們對IP協(xié)議棧的支持程度各不相同，現(xiàn)有的終端設(shè)備往往都對IP協(xié)議棧進(jìn)行了不同方式的剪裁，這就給不同類型的終端設(shè)備互聯(lián)互通帶來了困難，亟需統(tǒng)一的輕量級協(xié)議來規(guī)范設(shè)備間的互通問題。

輕量級IP協(xié)議描述的是傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)間協(xié)議（TCP/IP）簇的輕量級實現(xiàn)，其標(biāo)準(zhǔn)主要在IETF完成，然后在IPSO、ZigBee、ISA等標(biāo)準(zhǔn)組織中應(yīng)用。目前，輕量級IP技術(shù)協(xié)議需要解決3個層面的問題。首先是協(xié)議棧方面，IPv6協(xié)議如何適配到移動互聯(lián)網(wǎng)接入終端的鏈路層和物理層，其次是路由問題，如何針對輕量級IPv6節(jié)點設(shè)計路由協(xié)議，最后是應(yīng)用層問題，即如何設(shè)計一個能在能力受限節(jié)點上運行的應(yīng)用層協(xié)議，承載各種不同的業(yè)務(wù)。IETF的4個工作組共同承擔(dān)了上述任務(wù)：

（1）LWIG工作組

該工作組目標(biāo)是收集在受限設(shè)備中IP協(xié)議棧實現(xiàn)經(jīng)驗，以輸出一份描述降低復(fù)雜性、內(nèi)存占用以及耗電量的輕量級IP協(xié)議實現(xiàn)技術(shù)相關(guān)的指導(dǎo)文檔。

（2）CoRE工作組

受限IP網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)包大小有限，且容易出現(xiàn)高丟包率，網(wǎng)絡(luò)中的移動設(shè)備會在任何時間點關(guān)機(jī)，也會在短暫的時間內(nèi)定期“蘇醒”。這種嚴(yán)重受限于吞吐量、可用功率以及節(jié)點的有限內(nèi)存的網(wǎng)絡(luò)被稱為“受限網(wǎng)絡(luò)”。CoRE[8]正是致力于為受限IP網(wǎng)絡(luò)上運行面向資源的應(yīng)用提供統(tǒng)一的框架。作為構(gòu)建應(yīng)用程序的框架的一部分，CoRE定義了一個受限應(yīng)用協(xié)議——輕量級應(yīng)用層協(xié)議（CoAP），用以操作設(shè)備中的資源。

（3）6LowPan工作組

該工作組的任務(wù)在于定義如何利用IEEE 802.15.4鏈路支持基于IP的通信，同時遵守開放標(biāo)準(zhǔn)以及保證與其他IP設(shè)備的互操作性。目前，IETF 6loWPAN[9]工作組正計劃將IEEE 802.15.4完善為支持IP通信連接，使其成為一類真正開放的標(biāo)準(zhǔn)，最終完全實現(xiàn)與其他IP設(shè)備之間的互操作。

（4）ROLL工作組

該工作組的目標(biāo)是使得公共的、可互操作的第三層路由能夠穿越任何數(shù)量的基本鏈路層協(xié)議和物理媒體。為了滿足低功耗松散網(wǎng)絡(luò)中的路由機(jī)制的需求，在路由需求、鏈路選擇定量指標(biāo)等工作的基礎(chǔ)上，ROLL[10]工作組研究制訂了低功耗有損網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議（RPL）協(xié)議。這個協(xié)議提供了一種新的路由機(jī)制，這種機(jī)制支持低功耗松散網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)部設(shè)備和中心控制節(jié)點之間的多點到點的通信，同時也支持中心控制節(jié)點和低功耗松散網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)部設(shè)備之間的點到多點的通信。

1.3 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的多接口接入

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為用戶提供了多種不同的無線接入方式，包括以太網(wǎng)、通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)、LTE網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi以及WiMax等。而芯片技術(shù)的進(jìn)步使得一個移動終端同時具備多種無線網(wǎng)絡(luò)的接入能力成為現(xiàn)實，具備這種多網(wǎng)絡(luò)接入能力的終端即多接口終端，例如內(nèi)置了無線網(wǎng)卡、以太網(wǎng)卡以及3G數(shù)據(jù)卡槽的筆記本電腦，具備連接多種制式移動網(wǎng)絡(luò)及支持Wi-Fi連接功能的智能手機(jī)。在需要獲得多種網(wǎng)絡(luò)特性支持的移動應(yīng)用場景下，終端多連接能夠為不同的應(yīng)用所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包尋求最適合的網(wǎng)絡(luò)，也可以在離開某個服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域時，通過其他接入方式繼續(xù)保持網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)永遠(yuǎn)“IP在線”。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的多接口接入，需要消除多種網(wǎng)絡(luò)接入方式帶來的潛在沖突，利用多個接口的傳輸能力、可接入性、安全性等能力實現(xiàn)接口信息及控制流的融合，對上層應(yīng)用屏蔽多接口帶來的操作復(fù)雜性，將終端的多接口特性轉(zhuǎn)換為綜合優(yōu)勢。目前，多個國際標(biāo)準(zhǔn)化組織在地址選擇機(jī)制、流重定向、負(fù)載均衡以及帶寬聚合等方面開展了部分研究。

IETF提出了多接口主機(jī)和多家鄉(xiāng)主機(jī)的概念[11]。使用不同的接口同時連接到不同類型的接入網(wǎng)絡(luò)，每個接口對應(yīng)一個連接，這樣的主機(jī)稱為多接口主機(jī)。IETF主要關(guān)注于多接口主機(jī)中多個接口的使用問題。而擁有多個IP地址的節(jié)點被IETF定義為多家鄉(xiāng)節(jié)點，這些節(jié)點可以同時使用多個IP地址，并且每個IP地址對應(yīng)一個連接。3GPP將PDN連接定義為由IPv4或IPv6地址表示的UE和有APN表示的PDN之間的關(guān)聯(lián)[12]。在3GPP的體系架構(gòu)中，基于PMIP和基于GTP的接口上支持多個PDN連接，3GPP分別定義了不同組合場景的多PDN連接問題。

目前，關(guān)于多接口連接的研究集中在以下方面：

（1）地址選擇

對擁有多個地址的多家鄉(xiāng)節(jié)點而言，在建立通信連接是需要根據(jù)用戶喜好、出口過濾、鏈路特征、接口類型等指定合適的地址選擇策略。

（2）負(fù)載均衡/流分配

在有多個接入點時，選擇負(fù)載較小的連接進(jìn)行流傳輸，或者根據(jù)流與端口的映射規(guī)則選擇合適的流傳輸接口。

（3）聚合帶寬

將連接到不同鏈路或網(wǎng)絡(luò)的多個接口所提供的帶寬進(jìn)行合并，為應(yīng)用提供更多的帶寬。

2 移動互聯(lián)網(wǎng)對通信網(wǎng)絡(luò)

帶來的影響及其技術(shù)特征

移動智能終端的迅速普及以及微博、微信、移動QQ、移動視頻等OTT業(yè)務(wù)的流行，對移動通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)能力以及傳統(tǒng)的以運營商為主導(dǎo)的商業(yè)模式帶來了巨大的沖擊。首先，“永遠(yuǎn)在線”和“快速休眠”的移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式造成了信令流量對網(wǎng)絡(luò)控制的巨大沖擊，“信令風(fēng)暴”的風(fēng)險嚴(yán)重威脅著網(wǎng)絡(luò)的正常運轉(zhuǎn)；其次，大量用戶同時在線的移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用吞噬了大量的無線資源，對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量造成了不小的沖擊，而話音通話所必需的無線帶寬被占用的情況越來越普遍；再次，移動運營商占主導(dǎo)地位的傳統(tǒng)利益分配格局在移動互聯(lián)網(wǎng)時代被打破，數(shù)據(jù)流量的增長并沒有提升運營商的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)盈利能力，相反“剪刀差”效應(yīng)愈加明顯，而移動終端制造商和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)則憑借強(qiáng)大的創(chuàng)新能力和資源整合能力，在移動互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈中占盡先機(jī)。移動互聯(lián)網(wǎng)的繁榮，一方面對傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)帶來了挑戰(zhàn)，另一方面在客觀上也促進(jìn)了通信網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的演進(jìn)升級以及商業(yè)應(yīng)用模式的創(chuàng)新。

2.1 移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)資源的

搶占

雖然移動通信和互聯(lián)網(wǎng)在各自領(lǐng)域都取得了巨大的成功，但是他們在終端形態(tài)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、應(yīng)用類型和用戶行為等方面都存在很大差異性。當(dāng)以數(shù)據(jù)通信為基礎(chǔ)的移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)承載在主要為語音業(yè)務(wù)設(shè)計的移動通信網(wǎng)上時，對網(wǎng)絡(luò)的資源效率、容量和信令等都產(chǎn)生了巨大的沖擊。

移動互聯(lián)網(wǎng)的主流業(yè)務(wù)類型和特征與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)存在著很大的不同，網(wǎng)頁瀏覽，流媒體以及社交網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（SNS）類業(yè)務(wù)是當(dāng)前的主要業(yè)務(wù)類型。用戶喜好通過文字、語音甚至視頻進(jìn)行實時通信，而網(wǎng)絡(luò)訪問行為因此更加頻繁和短暫。這些應(yīng)用每次所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量并不大，數(shù)據(jù)流在時間分布上呈現(xiàn)出一定的周期性和突發(fā)性，通常把這類應(yīng)用所對應(yīng)的業(yè)務(wù)定義為小包業(yè)務(wù)，SNS、IM、VoIP是其主要業(yè)務(wù)形式。小包業(yè)務(wù)發(fā)送的信息具有總流量少、IP數(shù)據(jù)包少、數(shù)據(jù)傳輸持續(xù)時間短、交互頻繁的特點。這就導(dǎo)致了無線連接狀態(tài)頻繁遷移（RRC狀態(tài)從IDLE/PCH遷移至FACH/DCH），網(wǎng)絡(luò)連接頻繁建立和釋放（Service Request和IU Release），對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（RAN和PS）造成了巨大的信令沖擊。

造成“信令風(fēng)暴”的另一個原因在于移動終端需要“永遠(yuǎn)在線”，但是為了節(jié)電，終端廠家普遍采用了“快速休眠”機(jī)制，一旦屏幕關(guān)閉，終端則會在3～5 s內(nèi)強(qiáng)行拆除終端與基站之間建立的無線數(shù)據(jù)鏈路。這就導(dǎo)致了在一個業(yè)務(wù)過程中，移動智能終端會不斷地進(jìn)行“休眠-激活”，在業(yè)務(wù)激活失敗的情況下，移動終端會持續(xù)嘗試激活。而激活失敗多數(shù)情況是由終端配置錯誤、沒有業(yè)務(wù)簽約或者話費不足等非網(wǎng)絡(luò)故障原因造成的。重復(fù)激活信令在網(wǎng)絡(luò)中大量長期存在將對網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生各種無謂的信令負(fù)擔(dān)。

此外，大量的推送類移動應(yīng)用帶來的尋呼信令也是造成網(wǎng)絡(luò)信令壓力的重要原因。尋呼是在一個較大的區(qū)域內(nèi)完成的，由于涉及到數(shù)十個甚至上百個基站，這些尋呼信令給無線網(wǎng)絡(luò)帶來了嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)。

“信令風(fēng)暴”本質(zhì)上是有限的無線資源與應(yīng)用程序之間的大量信令交互之間的矛盾。因此，需要智能終端廠商、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商和網(wǎng)絡(luò)運營商多方協(xié)作，共同解決這一難題。智能終端廠商應(yīng)該從芯片、智能終端操作系統(tǒng)級別提供對“網(wǎng)絡(luò)友好”的信令協(xié)議的支持，盡量減少不必要的信令開銷。移動應(yīng)用開發(fā)者在開發(fā)程序時需要優(yōu)化合理的“心跳機(jī)制”，減少頻繁的“心跳”。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商應(yīng)該提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的信令面容量，增強(qiáng)設(shè)備的穩(wěn)定性，并且通過軟硬件升級降低信令負(fù)載。而網(wǎng)絡(luò)運營商，則需要對網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)容量進(jìn)行評估及預(yù)測，根據(jù)移動互聯(lián)網(wǎng)的話務(wù)模型調(diào)整網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和運營策略。

從技術(shù)層面來分析，信令風(fēng)暴問題需要從移動終端、無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)多個層面來協(xié)同解決。針對移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用大量采用心跳機(jī)制以維持和服務(wù)器之間的連接，以及快速休眠特性對網(wǎng)絡(luò)帶來巨大信令負(fù)擔(dān)這一狀況，可以通過PCH狀態(tài)控制及快速休眠（Fast Dormancy）機(jī)制來減少大量的RRC接入信令。使用Fast Dormancy機(jī)制后，RNC在接收到移動終端發(fā)送的SCRI信令后，不必釋放RRC連接，只需將移動終端的狀態(tài)駐留在CELL_FACH/PCH態(tài)，從而最大限度減少RRC信令。此外，為了提升CELL_FACH狀態(tài)下數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩?GPP R7和R8提出了增強(qiáng)型公共信道（HS_FACH/HS_RACH以及CELL_FACH_DRX）?；诖朔N技術(shù)，移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所產(chǎn)生的大量小數(shù)據(jù)包能夠在CELL_FACH上傳輸，移動終端無需在RRC態(tài)和下行鏈路空閑（IDLE）態(tài)之間切換，節(jié)省了由于狀態(tài)切換引入的信令資源浪費。

對于重復(fù)激活信令現(xiàn)象，移動終端廠商應(yīng)該規(guī)范終端行為，對網(wǎng)絡(luò)下發(fā)的拒絕原因做出合理的處理。而3GPP R10引入的T3446定時器可以作為退避計時器（Backoff Timer），進(jìn)一步規(guī)范網(wǎng)絡(luò)對終端的控制策略，一旦探測到終端的重復(fù)激活行為，網(wǎng)絡(luò)側(cè)可以啟動Backoff Timer定時器控制移動終端的等待時間。在現(xiàn)網(wǎng)尚不支持3GPP R10的情況下，核心網(wǎng)可以通過構(gòu)造虛假激活避免大量重復(fù)激活信令對網(wǎng)絡(luò)造成的沖擊。

通過引入智能尋呼，縮小尋呼范圍以及空口尋呼量。在UMTS網(wǎng)絡(luò)中，尋呼信令對無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）造成了嚴(yán)重的負(fù)荷。若用戶處于IDLE/URA_PCH狀態(tài)之下，尋呼信令會下發(fā)到整個LA/RA/URA區(qū)中的所有用戶。為此，在UMTS網(wǎng)絡(luò)中需要引入分級尋呼機(jī)制，根據(jù)用戶的移動規(guī)律，先在用戶經(jīng)常活動的小區(qū)范圍內(nèi)尋呼，尋呼失敗再在整個LA/RA/URA區(qū)內(nèi)進(jìn)行尋呼。

LTE提供了更有效的智能尋呼解決方案，能夠根據(jù)移動終端的移動性選擇不同范圍的尋呼控制，對于低速移動的移動終端，啟用單一基站（eNodeB）尋呼，而對于移動性較高的終端，則可以進(jìn)行基于跟蹤區(qū)（TA）或者跟蹤區(qū)列表（TA List）的尋呼控制，以此達(dá)到尋呼開銷與尋呼效率之間的平衡。

2.2 推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)向LTE演進(jìn)

和升級

LTE以正交頻分復(fù)用（OFDM）、多輸入多輸出（MIMO）無線接入技術(shù)為基礎(chǔ)，采用扁平化的全I(xiàn)P架構(gòu)，相對于2G/3G網(wǎng)絡(luò)，LTE能夠為移動互聯(lián)網(wǎng)提供更強(qiáng)大的業(yè)務(wù)支撐能力。其技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在：

（1）OFDM、MIMO技術(shù)的使用能夠大大提升頻譜效率，為用戶提供更高的無線接入速率。在4×4 MIMO及64QAM的條件下，其上行速率可達(dá)170 Mb/s，下行速率高達(dá)300 Mb/s，分別為3GPP R8 HSPA的8～9倍和3～4倍。具有高速率、高頻譜利用率、高吞吐率特點的LTE網(wǎng)絡(luò)完全能夠承載移動電視高清視頻類移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

（2）LTE支持對稱及非對稱的帶寬分配策略，運營商能夠靈活設(shè)置載頻。視頻電話、UGC等對上行帶寬有較高要求的移動應(yīng)用能夠從中獲益。

（3）更短的網(wǎng)絡(luò)時延，控制平面的時延不超過100 ms，而用戶平面單向時延不到5ms。交互式應(yīng)用，尤其是互動類網(wǎng)絡(luò)游戲能夠獲得與有線網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)?shù)母哔|(zhì)量用戶體驗。

（4）LTE各基站之間建立的X2接口支持高速移動條件下的無縫切換。上述特性保證了LTE網(wǎng)絡(luò)對移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)具有更強(qiáng)的適配性。

目前，3GPP組織在其LTE計劃中提出了演進(jìn)的分組系統(tǒng)（EPS）系統(tǒng)，以構(gòu)建一個簡單通用，能夠集成現(xiàn)有業(yè)務(wù)和應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為用戶提供豐富、高質(zhì)、無縫業(yè)務(wù)體驗及靈活可靠的業(yè)務(wù)體驗，為運營商提供可管、可控的運營能力[13-14]。EPS系統(tǒng)架構(gòu)包括演進(jìn)的分組核心網(wǎng)（EPC）和演進(jìn)的通用移動通信系統(tǒng)陸地?zé)o線接入網(wǎng)（E-UTRAN），如圖4所示。

在接入網(wǎng)E-UTRAN一側(cè)，eNodeB節(jié)點包含了UMTS網(wǎng)絡(luò)中NodeB節(jié)點的所有功能，并部分集成了RNC的功能，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更趨扁平化。由于信令處理流程大幅簡化，呼叫建立時延及數(shù)據(jù)傳輸時延縮短，提升了移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的用戶體驗。此外，由于eNodeB節(jié)點之間通過X2接口相連，并且采用IP技術(shù)傳輸，終端設(shè)備在移動過程中能夠保持無縫切換，從而有效提升業(yè)務(wù)的移動性。eNodeB節(jié)點與EPC中的多個移動性管理實體（MME）和信令網(wǎng)關(guān)（S-GW）通過S1-MME和S1-U接口建立連接，這樣終端在移動過程中能夠始終與駐留在相同的MME/S-GW上，由此減少了接口間的信令交互。

EPC是LTE的核心網(wǎng)，在EPC中網(wǎng)絡(luò)控制平面與用戶數(shù)據(jù)平面分離，同時其用戶平面更趨向與扁平化，能夠應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)流量的迅速增長。EPC系統(tǒng)采用全I(xiàn)P化的傳輸技術(shù)，移動終端即使在不同的接入技術(shù)之間進(jìn)行切換也能保持業(yè)務(wù)的連續(xù)性。在EPC系統(tǒng)中，移動終端一旦接入系統(tǒng)，便會被分配一個IP地址以建立默認(rèn)承載，該承載在移動終端接入網(wǎng)絡(luò)的整個過程永久存在，通過這種方式用戶在任何時刻均IP可達(dá)，移動應(yīng)用能夠真正實現(xiàn)“永久在線”。S-GW和公用數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（P-GW）是用戶平面的主要網(wǎng)關(guān)設(shè)備，而信令處理功能則從3G網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)通用分組無線業(yè)務(wù)支持節(jié)點（SGSN）節(jié)點分離出來，單獨構(gòu)成一個新的功能實體MME，這種控制平面與用戶平面相分離的結(jié)構(gòu)使得MME只需要負(fù)責(zé)用戶及會話管理的相關(guān)控制，如NAS信令、移動性管理、切換控制、核心網(wǎng)節(jié)點選擇，而S-GW則專注于用戶數(shù)據(jù)傳輸與路由切換。

2.3 異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)的融合

多種移動網(wǎng)絡(luò)趨向融合是移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然要求，EPC架構(gòu)既支持3GPP標(biāo)準(zhǔn)的UMTS、LTE接入方式，同時也支持CDMA、WLAN、WiMax等非3GPP標(biāo)準(zhǔn)的接入能力，能夠?qū)崿F(xiàn)對2G/3G/LTE/WLAN等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合。構(gòu)建融合分組域是提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的關(guān)鍵，為此可以分階段實施融合。前期可以采用獨立建設(shè)方案，后期隨著用戶及業(yè)務(wù)量的增長，完成對不同分組域的融合。在實施融合的過程中，可以優(yōu)先完成2G/3G與EPC的融合，后續(xù)實施無線局域網(wǎng)（WLAN）等非3GPP標(biāo)準(zhǔn)與蜂窩網(wǎng)間的融合，提升WLAN業(yè)務(wù)訪問體驗，分流運營商自有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和提供更高的接入帶寬，最終實現(xiàn)2G/3G/LTE/WLAN的共核心網(wǎng)建設(shè)。

3 結(jié)束語

移動智能終端的快速普及，使得移動互聯(lián)網(wǎng)正以更加神奇的速度滲透進(jìn)人們生活的方方面面。作為移動應(yīng)用的基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)，移動互聯(lián)網(wǎng)對傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)在移動性管理、輕量級IP協(xié)議適配、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)多接口接入等方面提出了一系列新的要求。而基于移動智能終端的應(yīng)用在繼承傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)開放創(chuàng)新特性的同時，也產(chǎn)生了不同于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和話音業(yè)務(wù)的話務(wù)模型，這對按照長連接/峰值吞吐量設(shè)計的移動通信網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

以IPv6為基礎(chǔ)的移動性管理方案對移動互聯(lián)網(wǎng)的可用性、效率和可擴(kuò)展性具有重要價值。而隨著移動互聯(lián)網(wǎng)向縱深的發(fā)展，未來的移動互聯(lián)網(wǎng)會出現(xiàn)更多能力受限的終端節(jié)點存在IP通信的需求，為存在能力差異的終端節(jié)點設(shè)計規(guī)范的輕量級IP協(xié)議是保證移動互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)逐步融合的基礎(chǔ)要求。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為用戶提供了多種可供選擇的無線接入方式，通過多接口實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合，能夠為移動應(yīng)用提供更多的帶寬資源和更可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸保障。

小包比例、短連接以及信令/流量比顯著增加是移動互聯(lián)網(wǎng)話務(wù)模型的典型特點，這給移動通信網(wǎng)絡(luò)造成了嚴(yán)重的威脅，并影響著網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步的流量承載和長期盈利能力。對于“信令風(fēng)暴”給網(wǎng)絡(luò)帶來的巨大沖擊，需要終端廠商、設(shè)備商、網(wǎng)絡(luò)運營商共同努力，從設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)兩個方面協(xié)同解決。而LTE作為第四代移動通信網(wǎng)絡(luò)的主要標(biāo)準(zhǔn)，采用全I(xiàn)P、扁平化的體系架構(gòu)，并且支持2G/3G/LTE/WLAN等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合，能夠為移動互聯(lián)網(wǎng)提供強(qiáng)大的業(yè)務(wù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部. 2012年國內(nèi)移動終端發(fā)展特點及2013年一季度狀況[EB/OL]. （2013-06-10）. http：//www.miit.gov.cn/n11293472/n11293832/n15214847/n15218234/15475540.html.

[2] Gartner. Forecast： Smartphone Production by Chinese Manufacturers， 2011 to 2016 [EB/OL]. （2013-06-10）. http：//my.gartner.com/portal/server.pt？open=512&objID;=202&&PageID;=5553&mode;=2∈_hi_userid=2&cached;=true&resId;=2284915&ref;=AnalystProfile.

[3] 中國互聯(lián)網(wǎng)信息中心. 第30次中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計報告 [R]. 北京： 中國互聯(lián)網(wǎng)信息中心. 2012.

[4] 愛立信. 愛立信流量與市場數(shù)據(jù)報告 [R]. 瑞典： 愛立信. 2013.

[5] 闞志剛， 黃暉， 馬建. 移動IPv6概述 [J]. 中興通訊技術(shù)， 2002，8（3）：20-23.

[6] KEMPF J. Goals for network-based localized mobility management （NETLMM） [S]. IETF. 2007.

[7] MOSKOWITZ R， NIKANDER P. Host Identity Protocol （HIP） Architecture [S]. IETF. 2006.

[8] BORMANN C， CASTELLANI A P， SHELBY Z. Coap： An application protocol for billions of tiny internet nodes [J]. Internet Computing， IEEE， 2012，16（2）：62-67. DOI： 10.1109/MIC.2012.29.

[9] MULLIGEN G. The 6LoWPAN architecture [C]//Proceedings of the 4th workshop on Embedded networked sensors， 2007， New York， NY， USA： ACM， 2007：78-82. DOI： 10.1145/1278972.1278992.

[10] WINTER T， THUBERT P， BRANDT A. RPL： IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy Networks [S]. IETF. 2011.

[11] BLANCHET M， SEITE P. Multiple Interfaces and Provisioning Domains Problem Statement [S]. IETF. 2011.

[12] 3GPP TS 23.861. Multi access PDN connectivity and IP flow mobility （Release 9） [S]. 3GPP. 2011.

[13] 艾明，田野，徐暉. LTE-未來移動互聯(lián)網(wǎng)的使能技術(shù) [C]//中國通信學(xué)會信息通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)委員會.中國通信學(xué)會信息通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)委員會2011年年會論文集（上冊）. 中國通信學(xué)會信息通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)委員會， 2011：8.

[14] DAHLMAN E， PARKVALL S， SKOLD J. 4G： LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband： LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband [M]. Academic Press， New York， NY. 2011.