蔣 青，張西騰

(重慶郵電大學(xué) 移動通信技術(shù)重點實驗室，重慶 400065)

1 引言

IEEE802.11的無線局域網(wǎng)能夠提供高達1 Gbit/s的傳輸速度，且使用無授權(quán)的頻譜，具有較低的成本，主要用于飛機場、購物中心等公共熱點區(qū)域。但是，無線局域網(wǎng)覆蓋范圍較低，高速移動用戶頻繁的切換將導(dǎo)致通信服務(wù)質(zhì)量下降。WiMAX具有較大的覆蓋面積，高速移動切換頻率低，適合高速移動的用戶需求。因此，結(jié)合WiMAX和WLAN可滿足高速移動、高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨骩1]。目前，IETF RFC3375[2]定義的移動IP在網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)了移動用戶的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換，但在切換中將導(dǎo)致時延大、丟包等引起移動用戶可察覺的服務(wù)質(zhì)量的降低，甚至移動用戶服務(wù)的中斷。IETF僅僅考慮了網(wǎng)絡(luò)層的延遲，并未有效利用底層的信息。因此，筆者采用IEEE802.21工作組提議的介質(zhì)獨立切換 （Media Independent Handover，MIH）服務(wù)，屏蔽不同MAC層的差異，實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的快速、平滑、無縫切換。

2 MIH介質(zhì)獨立切換

IEEE 802.21工作組提議在第2，3層之間定義介質(zhì)獨立切換（MIH）子層，屏蔽不同MAC層的差異，實現(xiàn)IEEE 802和非IEEE 802異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的快速、平滑、無縫切換。其次，MIH定義了新的鏈路層服務(wù)訪問點（SAP）為鏈路層提供統(tǒng)一接口，獨立于特定的接入技術(shù)。再者，MIH定義了一組為高層提供切換的輔助功能，增強了切換執(zhí)行[3]。MIH功能通過服務(wù)訪問點SAP提供3種類型的服務(wù)：介質(zhì)獨立事件服務(wù) （MIES），介質(zhì)獨立命令服務(wù)（MICS）和介質(zhì)獨立信息服務(wù)（MIIS）。MIH參考模型如圖1所示。

圖1 MIH參考模型

MIES負責(zé)檢測和報道本地接口和遠程接口的事件，提供了底層到高層單向服務(wù)。這些事件表示物理層和鏈路層的特征、狀態(tài)可能發(fā)生的變化以及預(yù)測即將到來的改變。MIES事件服務(wù)劃分為2種：LINK事件，在鏈路層內(nèi)產(chǎn)生接收于MIH功能 （MIHF）；MIH事件，MIHF發(fā)起傳輸?shù)缴蠈覯IH用戶。

MICS指參考模型的高層向低層發(fā)送的命令，主要用于高層管理和控制本地鏈路相關(guān)的切換操作，獲取最佳切換性能及推動最佳切換策略，以及支持詢問目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的資源狀態(tài)。

MIIS提供異構(gòu)鄰居網(wǎng)絡(luò)拓撲、網(wǎng)絡(luò)特征以及可用服務(wù)的信息，其目的是獲取移動節(jié)點感興趣區(qū)域的所有異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)信息，促進這些網(wǎng)絡(luò)之間的無縫切換[4]。

3 WLAN/WiMAX切換方案

IETF MIP為網(wǎng)絡(luò)層移動性管理協(xié)議，僅僅實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層切換，對于影響無縫切換性能的網(wǎng)絡(luò)選擇和切換初始化并未包含于MIP協(xié)議。在IEEE 802.21協(xié)議中，本地MIHF和遠程MIHF交互消息可以有效得到鏈路標(biāo)識、有效鏈路、鏈路質(zhì)量、資源分配、網(wǎng)絡(luò)擁塞等多屬性值，更適合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)多準(zhǔn)則的網(wǎng)絡(luò)選擇；MIH事件服務(wù)可以有效指示鏈路質(zhì)量，有效判斷是否啟動切換。此外，IETF MIPSHOP正在研究不同接入網(wǎng)絡(luò)之間MIH消息的傳輸優(yōu)化MIP切換性能；IEEE 802.11u定義了新的MAC會聚功能，協(xié)同IEEE 802.21提供不同協(xié)議層之間的服務(wù)，IEEE 802.16g擴展服務(wù)接入點，將支持MIH相關(guān)的原語[1]。因此，筆者以WLAN與WiMAX之間的垂直切換為例，詳細描述MIH輔助MIP實現(xiàn)快速、平滑、無縫切換。移動節(jié)點MN能夠在第一時間從網(wǎng)絡(luò)接口獲取相關(guān)信息，移動節(jié)點發(fā)起、網(wǎng)絡(luò)輔助切換更適合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，因此切換類型選為移動節(jié)點發(fā)起、網(wǎng)絡(luò)輔助。其中，具有MIH功能的MN目前連接到WLAN網(wǎng)絡(luò)，候選網(wǎng)絡(luò)為WiMAX網(wǎng)絡(luò)；MIIS為介質(zhì)獨立信息服務(wù)器，存儲候選網(wǎng)絡(luò)信息。基于MIH框架的WLAN/WiMAX切換流程如圖2所示，切換信息的描述具體如下：

1）MN最初連接到WLAN網(wǎng)絡(luò)，周期性監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)端口。一旦MN接收到包含WiMAX接入點的信標(biāo)時，詢問自身MIHF模塊周圍候選網(wǎng)絡(luò)的信息 （消息1），MN MIHF轉(zhuǎn)發(fā)詢問消息2到網(wǎng)絡(luò)運營商（或第三方網(wǎng)絡(luò)）的介質(zhì)獨立信息服務(wù)器MIIS。這些詢問候選網(wǎng)絡(luò)信息以消息3和4返回移動節(jié)點，包括網(wǎng)絡(luò)接口、網(wǎng)絡(luò)性能、網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟成本、安全性等信息。

2）當(dāng)移動節(jié)點L2預(yù)測到連接即將斷開時發(fā)送消息5和消息6，指示在一段時間間隔內(nèi)鏈路斷開。此消息包含預(yù)測鏈路斷開的時間間隔以及鏈路下降的原因。MN掃描候選網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)WiMAX候選網(wǎng)絡(luò)，獲取候選網(wǎng)絡(luò) DL_MAP，UL_MAP，DCD，UCD 參數(shù)。

3）MN L3使用消息7詢問MIHF切換發(fā)起的候選網(wǎng)絡(luò)資源，MIHF通過消息8到服務(wù)WLAN網(wǎng)絡(luò)確定候選網(wǎng)絡(luò)有效資源狀態(tài)，服務(wù)網(wǎng)絡(luò)與候選網(wǎng)絡(luò)交互確定可用資源信息。消息8包含最小QoS資源需求、候選鏈路列表。消息9和10作為MN的響應(yīng)信息，包含依次排序的首選候選網(wǎng)絡(luò)列表。

4）在獲得候選網(wǎng)絡(luò)信息后，移動節(jié)點依據(jù)候選網(wǎng)絡(luò)有效資源、用戶喜好、成本等判決準(zhǔn)則選擇最佳的候選網(wǎng)絡(luò)。移動節(jié)點切換到WiMAX接口，建立與WiMAX網(wǎng)絡(luò)的新L2連接。消息11和12指示新鏈路可用，移動節(jié)點向WiMAX網(wǎng)絡(luò)進行MIP注冊、綁定更新、重定向IP信息流。

5）當(dāng)切換在高層完成時，MN L3發(fā)送切換完成消息到MIHF，MIHF轉(zhuǎn)發(fā)至候選網(wǎng)絡(luò)指示切換的完成 （消息13和14）。消息15和16釋放WLAN網(wǎng)絡(luò)中為MN分配的資源及移動節(jié)點相應(yīng)的通信端口。消息17和18通知MN此次切換過程完成[4-5]。

圖2 基于MIH框架的WLAN/WiMAX切換流程

4 切換性能分析

4.1 仿真場景

采用了NIST提供的移動性協(xié)議模塊，此模塊引入了MIH功能能夠提供異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的垂直切換仿真。仿真場景如圖3所示。其中，表示發(fā)送端，①表示路由器，③表示W(wǎng)LAN接入點，⑤表示W(wǎng)iMAX基站；②表示多接口移動節(jié)點，包含WLAN接口（節(jié)點④）和WiMAX接口（節(jié)點⑤）。和①、①和③、①和⑤為有線連接，③和④、⑤和⑥為無線連接。節(jié)點以0.1 s時間間隔發(fā)送分組大小為1 240 byte的固定比特速率CBR流量。在仿真時間5～60 s期間，移動節(jié)點以1 m/s速度由WLAN覆蓋區(qū)移入WiMAX區(qū)域。在5 s時，分組傳輸方向為①，②，③，④。在52.328 145 708 s時，移動節(jié)點切換到WiMAX網(wǎng)絡(luò)，分組傳輸方向為，①，⑤，⑥。

圖3 WLAN/WiMAX切換仿真場景

4.2 切換時延和丟包分析

定義接收時延為移動節(jié)點接收第N組與第（N＋1）組所耗時間，發(fā)生切換時產(chǎn)生的接收時延為切換時延。表1為移動節(jié)點接收分組一覽表，分析表中數(shù)據(jù)計算異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換時延和丟包率。由表可知，在52.328 145 708 s時刻發(fā)生切換，切換前節(jié)點③發(fā)送節(jié)點④接收，切換后節(jié)點⑤發(fā)送節(jié)點⑥接收，驗證了MN從WLAN網(wǎng)絡(luò)切換到WiMAX網(wǎng)絡(luò)。從表中事件產(chǎn)生時間得知，在WLAN網(wǎng)絡(luò)中接收時延為0.049 s與WiMAX接收時延0.048 s大致相等，傳輸環(huán)境不同可能上下稍有浮動。切換時延為節(jié)點⑥接收時間與節(jié)點④接收時間之差，即52.328 369 462 s-51.976 468 509 s=0.351 900 953 s。由分組ID知，切換丟包為980-971=9個分組。

分析NS-2生成的trace文件，使用gnuplot畫圖工具直觀地觀察仿真過程基于MIH的接收時延（如圖4所示）和MN接收的CBR序列號（如圖5所示）分別與仿真時間的關(guān)系，圖中實心點為接收的分組。在圖4和圖5中，切換前后網(wǎng)絡(luò)處于正常狀態(tài)，接收時延和接收分組比較穩(wěn)定，僅在切換時刻接收時延急劇增加、接收分組丟失。這是因為切換時發(fā)生鏈路交換、IP連通性重新建立和位置更新。其中，鏈路交換為L2斷開和重連接，IP連通性主要為移動檢測、IP地址配置和地址沖突檢測，位置更新為IP地址綁定更新、完成綁定更新直到接收到第一個分組[6-7]。

表1 移動節(jié)點接收分組一覽表

圖4 基于MIH的接收時延

圖5 MN接收的CBR序列號

5 小結(jié)

下一代無線網(wǎng)絡(luò)將是異構(gòu)IP網(wǎng)絡(luò)，而異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的切換管理將是研究的重中之重。因此，筆者在2，3層之間引入了MIH功能屏蔽不同MAC層技術(shù)帶來的差異，結(jié)合MIPv6實現(xiàn)WLAN/WiMAX異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的垂直切換。NS-2引入NIST提供的移動性協(xié)議模塊，有效地驗證了基于MIH的WLAN/WiMAX異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換的可用性，并分析了切換產(chǎn)生的時延和丟包率。但是，從分析結(jié)果來看無法滿足異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的快速、平滑的無縫切換，需要進一步縮短切換時每個步驟產(chǎn)生的時延，優(yōu)化切換性能。另一方面，結(jié)合MIH與FMIPv6驗證異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)（如UMTS，CDMA2000，WLAN，WiMAX）垂直切換性能將是未來研究的方向。此外，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換的多屬性切換判決準(zhǔn)則、乒乓效應(yīng)、切換信令開銷、不同接入網(wǎng)絡(luò)之間QoS映射等，也是未來切換管理研究對象。

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