李東旭++王彬++張成文

【摘 要】針對(duì)現(xiàn)有寬帶無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)漫游機(jī)制存在的延遲較大等問(wèn)題，提出了一種組播預(yù)注冊(cè)模型，基于高斯-馬爾科夫預(yù)測(cè)算法，通過(guò)多參數(shù)加權(quán)的方式得到預(yù)注冊(cè)的判斷標(biāo)準(zhǔn)與切換閾值，可保證移動(dòng)用戶在發(fā)生漫游時(shí)業(yè)務(wù)傳輸?shù)母邔?shí)時(shí)性與不間斷需求，并通過(guò)OPNET建模仿真證實(shí)了這一機(jī)制的有效性。

【關(guān)鍵詞】預(yù)注冊(cè) 組播漫游 無(wú)線專(zhuān)網(wǎng) 高斯-馬爾科夫

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2017.02.017 中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-1010（2017）02-0082-06

引用格式：李東旭，王彬，張成文. 基于移動(dòng)漫游組播機(jī)制的預(yù)注冊(cè)算法研究[J]. 移動(dòng)通信， 2017，41（2）： 82-87.

1 引言

無(wú)線通信是警務(wù)工作的重要組成部分，可以提高處置突發(fā)事件和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的反應(yīng)能力，提高辦案效率，在治安巡邏、打擊犯罪、交通管制、災(zāi)后救援等方面發(fā)揮著不可替代的作用[1]。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)階段專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展情況，現(xiàn)有專(zhuān)網(wǎng)組播漫游機(jī)制多為針對(duì)公網(wǎng)進(jìn)行模塊添加后完成組播功能，無(wú)法適應(yīng)專(zhuān)網(wǎng)尤其是軍用警用系列網(wǎng)絡(luò)高可靠性、低延時(shí)的要求，所以提出一種新的漫游機(jī)制顯得較為重要[2]。本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有漫游機(jī)制的模擬，基于現(xiàn)有的警用無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)的組播漫游機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)，使其關(guān)鍵技術(shù)能適用于現(xiàn)有專(zhuān)網(wǎng)用戶的需求。

2 專(zhuān)網(wǎng)組播漫游機(jī)制的研究

2.1 組播用戶無(wú)線漫游機(jī)制

在專(zhuān)網(wǎng)的使用中，常常對(duì)漫游切換的低延遲要求更高。又由于在無(wú)線領(lǐng)域中信道穩(wěn)定性及注冊(cè)機(jī)制等問(wèn)題的存在，導(dǎo)致原本適用于固定網(wǎng)絡(luò)的組播機(jī)制在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，現(xiàn)有寬帶無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)的漫游機(jī)制過(guò)程復(fù)雜繁瑣[3]。如圖1所示，傳統(tǒng)的漫游注冊(cè)及鑒權(quán)機(jī)制較為復(fù)雜[4]，漫游重連過(guò)程的延遲可以達(dá)到秒級(jí)別，使其無(wú)法很好地應(yīng)對(duì)專(zhuān)網(wǎng)需求。

針對(duì)專(zhuān)網(wǎng)系統(tǒng)高可靠性、高安全性、低延時(shí)性的特點(diǎn)，本文提出了一種預(yù)注冊(cè)漫游機(jī)制，即在組播用戶的前進(jìn)方向上，通過(guò)分析，判斷出最有可能成為漫游下一跳的基站并完成預(yù)注冊(cè)。用戶在到達(dá)下一基站前，其組播注冊(cè)功能已經(jīng)提前完成，相關(guān)的（S，G）通道已經(jīng)被加入基站的組播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)列表，用戶能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)縫切換。

2.2 基于移動(dòng)性的用戶預(yù)注冊(cè)模型及仿真分析

（1）體系結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)模型

在進(jìn)行用戶移動(dòng)性判決時(shí)，通常使用遠(yuǎn)程加入算法[5]或雙向隧道算法[6]。由于專(zhuān)網(wǎng)中對(duì)低延時(shí)要求大于節(jié)省路由開(kāi)銷(xiāo)的需求，因此本文中的算法主要基于遠(yuǎn)程加入模型進(jìn)行改進(jìn)。

當(dāng)移動(dòng)用戶即將通過(guò)兩個(gè)基站共同覆蓋的區(qū)域時(shí)，用戶通過(guò)內(nèi)置定位芯片（GPS、GLONASS、北斗）獲取自身位置信息（X，Y），并利用自身攜帶的慣性導(dǎo)航芯片計(jì)算出當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)速度vt及加速度at，利用IGMPv3協(xié)議[7]的保留字段封裝于IGMP響應(yīng)報(bào)文中，因此并不會(huì)增加額外開(kāi)銷(xiāo)，如圖2所示。基站收到報(bào)告時(shí)，將字段信息取出并計(jì)算，即可得到移動(dòng)預(yù)測(cè)算法所需的各項(xiàng)參數(shù)。

（2）移動(dòng)預(yù)測(cè)算法

移動(dòng)預(yù)測(cè)算法領(lǐng)域，高斯-馬爾科夫移動(dòng)預(yù)測(cè)模型[7]曾用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)快速定位，而后被應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)仿真，本文對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，進(jìn)行二維空間的移動(dòng)預(yù)測(cè)。

在圖3中，基站0-2的位置分別為（x0， y0）、（x1， y1）、（x2， y2），其有效工作范圍半徑R相同，目前位置為（xt， yt），運(yùn)動(dòng)速度為v（t），運(yùn)動(dòng)方向如圖3所示，夾角θ（t）為標(biāo)準(zhǔn)方向與運(yùn)動(dòng)方向的夾角。參數(shù)被封裝在IGMP報(bào)文中，其發(fā)送間隔與報(bào)文響應(yīng)時(shí)間相同。在移動(dòng)設(shè)備內(nèi)部，每隔k個(gè)時(shí)鐘周期更新一次，時(shí)鐘周期m根據(jù)移動(dòng)速度由用戶進(jìn)行定義。假設(shè)用戶與基站1、基站2、基站3的距離分別為r0、r1、r2，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3中虛線所示，經(jīng)過(guò)時(shí)間Δt后，用戶的位置為（xt+Δt， yt+Δt）。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)接收判決機(jī)制的選擇

根據(jù)上述切換機(jī)制，當(dāng)用戶遠(yuǎn)離原服務(wù)基站時(shí)，切換影響因子會(huì)改變。下面假定基站A的數(shù)據(jù)是取值介于2和3之間均勻分布的隨機(jī)變量，基站B的數(shù)據(jù)是介于5到6之間均勻分布的隨機(jī)變量。用戶在行走過(guò)程中，依據(jù)上述準(zhǔn)則進(jìn)行接收通道切換。設(shè)判定閾值為0.5，對(duì)用戶收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

從圖6可以看出，在行進(jìn)到兩個(gè)基站中間位置時(shí)，開(kāi)始進(jìn)入切換區(qū)間，用戶一開(kāi)始穩(wěn)定接收基站A的信號(hào)，然后逐漸在A與B之間跳變，最后再轉(zhuǎn)為穩(wěn)定接收B的信號(hào)。由于變量的隨機(jī)變化性，因此會(huì)出現(xiàn)單次信號(hào)跳躍，用戶數(shù)據(jù)接收并不穩(wěn)定，這將對(duì)用戶端設(shè)備帶來(lái)極大的開(kāi)銷(xiāo)，不能滿足實(shí)際應(yīng)用需求。因此提出一種多次判決機(jī)制，用戶從第一次滿足判決門(mén)限開(kāi)始計(jì)數(shù)，只有其連續(xù)N次均大于判決門(mén)限時(shí)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)切換，仿真結(jié)果如圖7所示。

仿真中，設(shè)切換規(guī)則為連續(xù)8次λ>0.5。從圖8可以看出，由于此規(guī)則的設(shè)置，接收信號(hào)變得相對(duì)穩(wěn)定。但還是會(huì)出現(xiàn)連續(xù)判決成立次數(shù)小于8次的抖動(dòng)情況。為了解決這個(gè)問(wèn)題，加入門(mén)限切換機(jī)制，效果如圖8所示。

門(mén)限切換機(jī)制的基本原理是：當(dāng)用戶滿足1次連續(xù)判決成立時(shí)，即將信號(hào)源穩(wěn)定在切換后的基站上，無(wú)論信號(hào)如何抖動(dòng)，不再接受來(lái)自于原數(shù)據(jù)源的信號(hào)，這樣的機(jī)制保證了數(shù)據(jù)源的穩(wěn)定。如圖8所示，用戶在完成一次判決條件成立后，數(shù)據(jù)源從基站A變?yōu)榛綛，并能穩(wěn)定接收來(lái)自基站B的信號(hào)。

3.2 基于OPNET的真實(shí)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)仿真

將上述漫游機(jī)制在OPNET網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行模擬[10]，假設(shè)主機(jī)Roaming在基站A與基站B中間進(jìn)行漫游并接收組播數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)假設(shè)在10 km×10 km的范圍內(nèi)，其topo如圖9所示：

對(duì)主機(jī)在漫游過(guò)程中的數(shù)據(jù)接收情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖10所示：

圖10表明，在改進(jìn)前，用戶漫游到基站A和基站B的邊緣時(shí)，發(fā)生了數(shù)據(jù)包的丟失，主機(jī)流量下降，此時(shí)有一部分流量資源用于完成漫游的注冊(cè)和組播組的連接。采用了新的漫游模型后，用戶在漫游過(guò)程中，始終能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)的穩(wěn)定接收。仿真結(jié)果證明，新的組播漫游機(jī)制能很好地適應(yīng)寬帶無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)的需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先分析了現(xiàn)有的移動(dòng)漫游組播機(jī)制，指出其造成的數(shù)據(jù)中斷與抖動(dòng)情形不適用于移動(dòng)組播專(zhuān)網(wǎng)的需求。然后提出一種基于預(yù)注冊(cè)的漫游機(jī)制，首先針對(duì)高斯—馬爾卡夫算法進(jìn)行分析，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化并得出了位置預(yù)判斷模型。接下來(lái)結(jié)合用戶與基站距離、信噪比、方向性因子提出了一種切換模型，并對(duì)模型進(jìn)行了仿真。最后在OPNET軟件中模擬了實(shí)際網(wǎng)絡(luò)topo中用戶漫游的情形，加入新的切換機(jī)制后，將前后用戶接收數(shù)據(jù)的情況進(jìn)行比較，證明了新的切換機(jī)制能很好適應(yīng)專(zhuān)網(wǎng)組播移動(dòng)性的需求。在下一步的工作中，將要對(duì)預(yù)注冊(cè)算法進(jìn)行合理優(yōu)化，使其各項(xiàng)參數(shù)更加科學(xué)合理，以及在預(yù)注冊(cè)報(bào)文的發(fā)送順序上做以權(quán)衡，以避免在基站密集區(qū)域產(chǎn)生的大量預(yù)注冊(cè)信息帶來(lái)的流量激增問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何晨光，魏守明，蘇陽(yáng)，等. 我國(guó)警用通信專(zhuān)網(wǎng)與公網(wǎng)比較研究[J]. 公安通信， 2015（3）： 25-27.

[2] 劉思建，陳元琰，田立偉. 組播策略的應(yīng)用研究[J]. 計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展， 2009（8）： 197-200.

[3] Yang L. Method of accessing multicast service for roaming user in mobile communication system[Z]. WO， 2006.

[4] Jia Lun Tsai， Nai Wei Lo. Provably secure anonymous authentication with batch verification for mobile roaming services[J]. Ad Hoc Networks， 2016，44（C）： 19-31.

[5] 徐應(yīng)明. 基于移動(dòng)預(yù)測(cè)的移動(dòng)組播算法研究[D]. 南京： 南京理工大學(xué)， 2008.

[6] 谷聚娟，張亞生. 寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)用戶的移動(dòng)性研究[J]. 無(wú)線電工程， 2016，46（6）： 9-12.

[7] 李衛(wèi)平，黨琦，白大明. IGMP V3協(xié)議研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)， 2012，31（3）： 66-69.

[8] Huo X Y， Tan G P， Mei Yan J U， et al. Study on the performance of multicast routing protocol in mobile ad-hoc network based on different mobility models[J]. Electronic Design Engineering， 2014.

[9] 趙躍進(jìn). 移動(dòng)通信基站覆蓋區(qū)邊緣通信質(zhì)量的分析[J]. 信息通信， 1995（4）： 43-45.

[10] 董文峰. LTE小蜂窩基站系統(tǒng)干擾抑制技術(shù)研究及分析[J]. 電子世界， 2013（17）： 69-71.

[11] 陳敏. OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2004.★