无线和移动网络中的多媒体与移动性管理

# 无线和移动网络中的多媒体与移动性管理 ## 1. 多媒体传输中的运动向量处理 在多媒体传输里，对于正确接收的周围块的运动向量进行插值是一项重要技术。常见的简单插值方案有加权平均和中位数法。而且，运动向量的空间估计还能与参考帧的估计通过加权和的方式相结合。 ## 2. 移动性管理概述 移动性是无线便携式设备的显著特征。传统的 TCP/UDP/IP 网络最初是为固定端之间的通信设计的。为了支持移动性，有许多问题需要解决，这长期以来都是互联网领域的研究课题，特别是近年来移动终端数量大幅增加。设备和用户的移动性在范围和速度上有广泛的表现，用户在网络中的移动性大致可分为以下三类： - **微移动性（子网内移动性）**：移动发生在一个子网内。 - **宏移动性（域内移动性）**：移动跨越单个域内的不同子网。 - **全局移动性（域间移动性）**：移动跨越不同地理区域的不同域。 |移动性类型|描述| | ---- | ---- | |微移动性|子网内移动| |宏移动性|单域内不同子网间移动| |全局移动性|不同域间移动| 全局移动性涉及较长的时间尺度，目标是确保移动设备在移动后能重新建立通信，而非提供连续连接。早期对移动 IP 的研究处理了计算机从一个网络拔出、转移到另一个网络再重新插入的简单全局移动场景。借助现代无线移动网络（如 4G/5G 和 Wi-Fi）的支持，移动性变得更频繁且模式复杂。因此，在微移动和宏移动过程中，确保连续无缝的连接以及安全的认证、授权和计费十分重要。短时间尺度的移动需要多层协同努力，而流媒体应用期望在移动过程中数据传输不中断，这进一步增加了复杂性。 为避免通信中断，需要进行切换管理，使移动终端在从一个网络接入点移动到另一个时保持连接活跃。支持移动性的另一个重要功能是位置管理，它能跟踪移动终端的位置，并提供诸如搜索附近用户或与感兴趣位置相关的媒体内容等基于位置的服务。 ## 3. 网络层移动 IP ### 3.1 移动 IP 概述 移动 IP 是支持全局移动性最广泛使用的协议。其初始版本由 IETF 于 1996 年开发，IETF 分别在 2002 年和 2011 年发布了移动 IPv4（RFC3220）和移动 IPv6（RFC6275）标准。虽然两者细节有差异，但总体架构和高层设计相似。 移动 IP 的关键支持是为移动主机分配两个 IP 地址： - **归属地址（HoA）**：代表移动节点（MN）的固定地址。 - **转交地址（CoA）**：随 MN 当前连接的 IP 子网变化。 每个移动节点在其归属网络中有一个归属代理（HA），从中获取 HoA。在移动 IPv4 中，MN 当前连接的外部网络需有一个外部代理（FA），在移动 IPv6 中则由接入路由器（AR）取代。移动节点从当前的 FA 或 AR 获取 CoA。 ### 3.2 移动 IP 工作流程 当移动节点 MN 在其归属网络时，表现得像该网络的其他固定节点，无特殊移动 IP 功能。当它移出归属网络到外部网络时，需遵循以下步骤： 1. MN 获取 CoA，并通过向 HA 发送注册请求消息告知新地址。 2. HA 收到消息后，用注册回复消息回复 MN，并保留 MN 的绑定记录，这对想与 MN 通信的对应节点（CN）是透明的。 3. 当来自 CN 到 MN 的数据包到达归属网络时，HA 会拦截该数据包。 4. HA 通过隧道将原始数据包（头部含 HoA）封装到头部含 CoA 的数据包中，转发给 FA。FA 收到隧道数据包后，移除额外头部并将其交付给 MN。 5. 当 MN 想向 CN 发送数据时，由于 MN 知道 CN 的 IP 地址，数据包直接从 MN 发送到目的地。 ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px; classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A([开始]):::startend --> B(获取 CoA):::process B --> C(发送注册请求到 HA):::process C --> D(HA 回复注册回复):::process D --> E(CN 发送数据包到归属网络):::process E --> F(HA 拦截数据包):::process F --> G(HA 封装并转发到 FA):::process G --> H(FA 移除头部并交付给 MN):::process I(MN 发送数据到 CN):::process --> J([结束]):::startend K(MN 知道 CN 地址):::process --> I H --> I ``` 这种涉及 MN、HA 和 CN 的简单实现可能导致三角路由，即 MN 和 CN 之间的通信需通过 HA 进行隧道传输。若 MN 和 CN 非常接近，这可能很高效；极端情况下，MN 和 CN 可能在同一网络，而 HA 很远。为缓解三角路由，CN 也可保留移动设备 HoA 和 CoA 的映射，直接向移动设备发送数据包，无需通过 HA。此时，移动节点也必须向 CN 更新其 CoA。 ### 3.3 层次化移动 IP（HMIP） 即使进行了路由优化，当 MN 频繁改变网络连接点或 MN 数量大幅增加时，移动 IP 仍会带来显著的网络开销，如增加延迟、数据包丢失和信令。层次化移动 IP（HMIP）（RFC 4140）是一种简单扩展，通过使用移动锚点（MAP）处理 MN 在本地区域的移动来提高性能。 若 MN 支持 HMIP，它会获取一个区域 CoA（RCoA），并将其作为当前 CoA 向 HA 注册。RCoA 在移动 IP 中是移动设备的定位器，在 HMIP 中也是其区域标识符。同时，MN 从其连接的子网获取本地 CoA（LCoA）。在区域内移动时，MN 只需向 MAP 更新其 RCoA 和 LCoA 之间的映射。这通过减少更新频率减轻了 HA 的负担，MN 和 MAP 之间的较短延迟也改善了响应时间。 ## 4. 链路层切换管理 链路层切换或交接发生在移动设备改变其无线信道以减少同一接入点或基站下的干扰（称为小区内切换），或移动到相邻小区（称为小区间切换）时。 ### 4.1 硬切换 硬切换在移动节点移出小区时，感知到现有基站的信号强度低于阈值，且在连接新基站之前触发。MN 一次只占用一个信道，先释放源小区的信道，再占用目标小区的信道。因此，在建立与目标的连接之前或同时，与源的连接会断开，所以硬切换也称为先断后连。 为减少事件影响，操作必须简短，使会话几乎无用户可察觉的中断。在早期模拟系统中，可能听到咔哒声或非常短的哔声；在现代数字系统中，通常不易察觉。 硬切换的实现相对简单，因为硬件无需具备并行接收两个或多个信道的能力。在 GSM 中，决策由基站在移动设备协助下完成，移动设备向基站报告信号强度。基站也通过信息交换了解附近小区的信道可用性。若网络决定移动设备需要切换，会为其分配新信道和时隙，并通知基站和移动设备。 然而，若硬切换失败，正在进行的会话可能会暂时中断，需要重新建立，这可能被用户察觉，有时甚至会失败，导致会话异常终止。而且，当移动设备停留在基站之间时，可能会来回跳动，产生不良的乒乓现象。 ### 4.2 软切换 软切换中，源小区的信道会保留一段时间，并与目标小区的信道并行使用。在这种情况下，在断开与源的连接之前先建立与目标的连接。两个连接并行使用的间隔可能短暂或较长。因此，软切换也称为先连后断，被网络工程师视为呼叫的一种状态，而非像硬切换那样的即时事件。 软切换的一个优点是，只有在与目标小区建立可靠连接后，才会断开与源小区的连接，因此因切换失败导致呼叫异常终止的可能性较低。软切换可能涉及与多个小区建立连接，可同时维持与三个、四个或更多小区的连接。在给定时刻，可使用这些信道中最好的一个进行呼叫，或组合所有信号以产生更清晰的信号副本。由于不同信道的衰落和干扰不一定相关，它们在所有信道中同时发生的概率非常低，因此连接的可靠性更高。 软切换允许平滑切换，这对