异构无线网络中移动终端接入智能切换的研究*

刘文斌，李 烨，王亚刚，刘晓峰

(上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海200082)

0 引言

在移动通信技术飞速发展的今天，多种通信技术3GPP、WLAN、WiMAX并存，3G理论技术越发成熟，3G基站等设备得到了大范围部署，近年来国内三大运营商已逐步将运营重心从2G平滑提升到3G通信，甚至还能在国内少数一线城市看到4G－TDLTE技术试运营的身影。但是，3GPP技术成熟应用仍旧满足不了人们对终端设备访问业务速度、高业务流量的要求。据思科预测，全球移动数据流量将在2010－2015年间增长26倍，保持92%的年复合增长率［1］。

作为非3GPP技术的典型代表，WLAN技术作为一种能够将个人电脑、手持设备(如PDA、手机)等终端以无线方式互连的短距离无线技术，由于其自身高速连接、抗干扰能力强、简单易部署等优点受到无线设备厂商的青睐，因而应用极为广泛。现在全球每天估计有超过30亿台电子设备使用WLAN技术，而到2013年底CSIRO专利保护过期之后，这个数字预计会增加到50亿。

因此，为了应对终端高业务访问速度、高业务流量等数据业务需求，WLAN技术逐渐成为了蜂窝网络分流的重要手段，国内三大运营商正致力于无线热点的大规模部署，无线接入网展现了向异构化发展的方向［2］。

为了更好的利用无线侧网络资源，保证用户的业务体验，选择一个合适的接入网显得尤其重要。现有的用户大部分情况下自主选择网络接入，如在拥有丰富WLAN资源的环境中仍旧通过3GPP访问数据业务，由于人为疏忽没有及时切换到WLAN，这样不仅降低了业务访问速度、浪费空闲WLAN网络资源，还增加了移动数据流量、增加3GPP网络负载，而且这种切换方式还需要人为参与，增加了繁琐性大大降低了用户体验、缺乏灵活性。

配合接入网发现和选择功能(ANDSF，Access Network Discovery and Selection Function)与终端的通信，通过策略控制终端的网络接入方式，这种智能切换使用户在合适的时间、合适的地点自动选择最合适的接入网，提高了业务访问速度，降低了移动数据流量，均衡了网络负载状态，保证业务的质量，使用户获得了最优的网络应用体验。

1 ANDSF

1．1 ANDSF 选网机制

现有的网络选择机制包括用户手动选择机制，即用户根据终端提供的可用接入网信息，手动选择一个合适的接入网;终端的静态配置机制，如iPhone在同时接入WLAN和蜂窝网时，静态地选择使用WLAN进行数据业务的传送;基于ANDSF的选网机制;基于IEEE 802．11u的接入网查询协议(ANQP，Access Network Query Protocol)提供的选网信息等［2］。

ANDSF是由3GPP提出的一个选网策略单元，它提供了一种根据运营商策略和通过网络和终端的交互协同，终端通过决策实现智能选择接入网的模式。它可以根据终端上报的位置及用户选网偏好等信息，为终端制定最优的网络选择策略，使终端摆脱了自主选择接入网的繁琐，帮助终端发现周围可用的接入网(如蜂窝网、WLAN等)，并协助终端选择一个最合适的接入网［3］。

ANDSF虽然是4G网络中的网元，但是在3G网络向4G网络发展和过渡的过程中可以扮演重要的角色，增加少量ANDSF网元、而非过早地将全网升级为4G网络，对于电信运营商而言是可以接受、也具有投资动力的，可以节约运营商总投资、增强其业务运营能力、改善用户体验［4］。这种解决方案在当今的移动通信领域是一种必然的趋势，也是一种创新与实用的结合，其优势在当前的几种选网机制中脱颖而出。

1．2 ANDSF技术与S14接口

终端UE(User Equipment)可以通过多种接入方式，如3GPP接入方式(蜂窝网)、非3GPP接入方式(如 WLAN)，与 Internet进行数据业务通信。3GPP接入网按照运营商对网络的信任程度，又分为可信3GPP接入网和不可信3GPP接入网。

图1 S14接口Fig．1 Interface S14

ANDSF网元部署在蜂窝网的核心网中，终端接入核心网后通过S14接口与ANDSF网元直接通信，如图1所示［3］。该接口基于 IP层之上，OMA－DM是推荐的实现方式，但是这需要网络侧和终端侧均支持OMA－DM协议。终端从ANDSF获取策略有两种模式，PULL模式需要终端向网络提出获取策略请求，触发ANDSF实体下发策略信息;PUSH模式则为ANDSF主动更新策略信息给终端，该模式是可选的［1］。

通过以上两种模式，S14接口上传输以下几种网络发现和选择策略:当终端只能选择一种无线接入技术时，可以使用“跨系统移动策略”决定是否允许跨系统移动并选择最合适的接入技术或接入网来接入分组核心演进(EPC，Evolved Packet Core)，它常来指示哪种接入技术或具体何种接入网络对EPC接入是最优的，如WiMAX优于WLAN，WLAN SSID－A优于 WLAN SSID－B。收到终端请求时，ANDSF通过“接入网络发现信息”向终端提供其附近可用的所有接入技术的接入网络列表，信息包括:接入技术类型(如WLAN、WCDMA)、无线接入网标识(如WLAN的SSID)。这些信息一直保存并使用到新信息到来之前。当终端可同时通过多种无线接入技术接入网络时，“跨系统路由策略”将指示终端如何通过多种无线接入网络来路由IP数据包，包括IFOM、MAPCON等多种策略信息，以满足运营商要求的路由、分流策略［5］。

2 演示系统搭建

2．1 系统模型

在异构无线网络中，由于用户的移动，终端会从一个网络移动到另一个网络，为了保持会话的连续性，需要采用切换技术。如果这两个网络的类型相同，那么移动终端将进行水平切换，反之，则进行垂直切换［6］。文中重点讨论的是垂直切换。由于在实际场景中，UMTS和WLAN所构成的异构无线网络具有代表性［7］，假定实验所用异构无线网络系统包括一个UMTS和一个WLAN接入网络，UMTS覆盖整个区域范围，而WLAN则处于UMTS的覆盖范围内，其模型如图所示，该模型可以很容易扩展到具有多种无线接入网络的场景［8］，如图2所示。

图2 异构无线网络模型Fig．2 Heterogeneous wireless network model

终端接入UMTS网络后，当在UMTS覆盖范围内WLAN覆盖范围外移动时，ANDSF会发送“接入网络发现信息”通知终端当前可用网络只有UMTS，此时终端解析信息后会通过UMTS接入网络访问数据业务;当终端移动到 WLAN覆盖范围内即与UMTS的重叠区域中心时，有两种网络接入方式可供终端选择，这时ANDSF会发送“跨系统移动策略”辅助终端断开与UMTS的连接，优先选择WLAN接入网络访问数据业务;当终端移动至重叠区域的边缘或离开重叠区域时，此时WLAN信号强度过低，WLAN不足以提供比UMTS更稳定、更快的网络服务时，此时ANDSF会发送更新的“跨系统移动策略”告知终端断开WLAN连接，重新连接至UMTS网络。

2．2 系统架构设计

为验证基于ANDSF的选网机制在实际应用中的可行性，搭建演示系统架构如图3所示。具有WiFi功能、3G功能的终端可通过WLAN接入以及WCDMA(即为联通3G)接入对Internet中的服务器进行业务访问，并与具有公有IP地址的ANDSF网元进行策略通信。为着重体现策略控制终端自动切换接入网络的效果，保证策略信息完整、正确的送达终端很重要，并且考虑到OMA－DM协议在实际应用中软件搭建的复杂性，在应用中以同属于IP层之上的使用TCP协议的Socket连接来保证策略通信的正确完整性［9］，即ANDSF将其维护、管理的策略信息通过TCP Socket连接发送给终端。

图3 系统架构Fig．3 System architecture

(1)ANDSF端

ANDSF在Linux Ubuntu下使用C语言开发，通过调用GTK库产生界面，该界面可以新建、修改、删除策略，还包括选择策略下发的按钮，每次创建新的线程通过TCP Socket发送更新的策略给终端。其主要如下几个模块构成，如图4所示。

图4 ANDSF模块组成Fig．4 Structure of ANDSF module

1)监听请求模块。该模块用来接收“接入网发现信息”，保存并解析可用的网络列表，终端发起数据业务请求时根据所接收策略信息连接可用网络，直到新的策略下发。该模块使用非阻塞方式的select函数轮询监听套接字，当客户端有连接请求时，监听套接字FD_ISSET(sockfd，＆fdsr)置为可读，通过accept函数返回连接套接字，在该套接字上进行策略传输。

2)无线侧信息收集模块。当终端在重叠区域内移动时，随着离AP距离的远近，终端检测到的WLAN信号强度会发生变化，并在每次变化时将强度信息发送给该模块，模块将收到强度数值与阈值进行比对(共分为0、1、2、3、4五个等级，大于等于2时使用WLAN连接，否则切换为3G)，并比较目标切换网络与终端当前网络连接状态，若不同，则发送新的策略给终端使其改变网络接入方式。

3)策略发送模块。当WLAN信号强度过低，终端需要从 WLAN连接状态更改为 UMTS，或当WLAN信号强度适合，终端需要从UMTS连接状态更改为WLAN时，无线侧信息收集模块就会触发该模块下发更新的策略信息(即“跨系统移动策略”)，终端首次接入网络，监听请求模块也会触发该模块发送“接入网发现信息”。为保证策略的及时下发，以及每次更新策略动作的独立性，利用线程占用资源小、速度快等特点［9］，调用 POSIX线程库函数pthread_create(＆thread，NULL，file_transfer，＇tag＇)触发file_transfer函数下发策略，并在tag位置传递给file_transfer函数不同标记参数来传递不同策略文件，策略下发结束后调用函数pthread_exit销毁线程，以备下次调用。如针对WLAN信号强度过低的情况，tag置为字符‘1’，file_transfer发送 to_3g．xml策略，手机收到解析后切换至3G接入;WLAN信号强度适合时，tag置为字符‘2’，file_transfer发送to_wifi．xml策略，手机收到解析后切换至WiFi接入。对于不同情况，该模块选择不同的策略发送，体现了ANDSF策略的选择发送具有灵活性、针对性。

(2)终端

终端采用Android操作平台，在application(应用程序)层使用面向对象的Java语言开发。其主要由如下几个模块构成，如图5所示。

图5 终端模块组成Fig．5 Structure of UE module

发送请求模块通过新建的 Socket实例向ANDSF发送连接请求，建立连接后调用策略接收解析模块接收“接入网发现信息”。

无线侧信息采集发送模块调用系统消息广播机制，通过在wifiIntentFilter中添加WifiManager．RSSI_CHANGED_ACTION控制动作，使得仅在WiFi信号发生变化时，系统才调用自定义BroadcastReceiver对当前WiFi信号进行采集，同时将采集到的信号强度划分成5个等级并将“0－4”整数值发送给ANDSF进行比较，调用策略接收解析模块接收“跨系统移动策略”。

策略接收解析模块接收到策略后，使用SAX方式［10］解析由可扩展标记语言XML定义的策略信息，该方式逐行解析，速度快、效率高，占用资源少，比起DOM解析更适合手机的嵌入式环境。

根据解析得到的xml节点元素值，终端关闭或打开对应网络接口开关，在点击按钮启动发送请求模块建立与ANDSF的连接后，随着网络环境的不断变化，终端将会根据收到的不断更新的策略内容选择最合适的网络接入，体现了切换过程的智能性。

3 演示结果

实验终端使用搭载android2．3操作系统的华为U8220手机。

1)手机插入联通3GSIM卡开机后成功连接即进入UMTS网络(即联通WCDMA)覆盖范围，点击“发送连接请求”按钮后，即可从ANDSF成功获取“接入网发现信息”，点击“策略解析与切换”按钮，解析出当前可用连接为3G并切换至该连接上。从图6的“当前网络状态显示”中可看出切换后3G已打开，WiFi关闭，图7可看到处于监听请求状态中的ANDSF成功发送“接入网发现信息”。

2)手机继续移动到WCDMA网络与WLAN网络覆盖范围中心时，此时手机检测到WiFi信号强度变化为‘3’时，无线侧信息采集发送模块将该无线侧信息发送给ANDSF，ANDSF将强度数值与阈值比较，发现WLAN信号强度合适，发送“跨系统移动策略”反馈给手机，手机解析后切换至WiFi。图7和图8中可看到成功发送并获取策略的提示，以及切换后的网络状态指示。

3)当手机移动至两网络覆盖范围的边缘时，手机检测到的WLAN信号强度下降至‘1’，在ANDSF的辅助下又将网络连接切换为3G。如图9所示。

4)ANDSF除了自动下发更新策略，还可以通过“open”打开策略菜单，选中某策略点击“edit”进行编辑，或点击“import”导入新的策略，不需要某策略时点击“delete”就可删除，最后点击“push”即可下发选中的策略。这些功能按钮设定可将定制的策略消息发送给终端，在终端与ANDSF保持通信的情况下，强制指定终端使用指定的网络接入方式进行业务访问，增加了ANDSF对终端策略控制的主动性，为今后运营商通过策略辅助终端切换网络接入方式的功能预留了接口。

图6 初始接入网络Fig．6 Initial access network

图8 获得WiFi策略Fig．8 Obtaining WiFi strategy

图9 获得3G策略Fig．9 Obtaining 3G strategy

手机上易得当前网络连接类型以及下载速度，记录下每分钟整时刻的下载速度，绘制曲线如图10所示。根据WCDMA连接有效(非断开)时，计算其速均值为85．32 KB/S并以点虚线表示。该曲线记录了手机在不同网络环境内移动位置发生变化时，网络接入速度的变化过程。

图10 网络接入速度比较Fig．10 Comparison of network bandwith

第1～5 min时，手机在WCDMA网络覆盖范围内并向两网络重叠区域移动，使用3G接入下载Server中某资源，下载速度在85 KB/s浮动;第5～16 min时，手机移动至WLAN网络覆盖范围且至WiFi信号强度合适时，手机智能切换为WiFi连接，下载速度峰值达到225 KB/s;16 min后，手机继续移动离开WLAN覆盖范围，又重新切换为3G。根据图10中曲线比较可知，手机进入多网络环境中时，第一时间自主切换为更适宜的连接，显著提高了业务访问速度，使用户获得了更好的网络体验，极大提升了服务质量。

4 结语

异构网络飞速发展的今天，衍生出了多种选网机制，文中介绍了使用ANDSF技术辅助终端切换网络的几个好处，并简单介绍了该技术的工作机制。通过自主搭建的基于ANDSF智能切换网络系统，可

看到终端在单网络区域以及多网络区域之间移动时，终端根据接收到的策略信息智能切换到当前最合适的网络进行数据业务访问，提高了业务访问速度，摆脱了自主选网的繁琐，改善了用户体验。在下一步的工作中，我们将扩展异构无线网络模型，增加多WLAN重叠区域，搭建能同时辅助终端进行垂直、水平切换的系统;在网络切换过程中，访问数据业务的连续性也是我们要完善的。

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