WiMAX跨層切換技術(shù)的研究與仿真
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WiMAX支持移動(dòng)性的關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫切換，如果切換過(guò)程進(jìn)行不好，很可能造成小區的過(guò)載或移動(dòng)臺的“掉話(huà)”，使網(wǎng)絡(luò )服務(wù)質(zhì)量大大下降。WiMAX網(wǎng)絡(luò )支持VoIP和多媒體通信等時(shí)延敏感業(yè)務(wù)，所以如何快速切換，降低切換時(shí)延和丟包率一直是WiMAX網(wǎng)絡(luò )研究熱點(diǎn)，關(guān)系到WiMAX網(wǎng)絡(luò )能否大規模布署問(wèn)題?？焖僖苿?dòng)IPv6（FMIPv6）是公認的IP網(wǎng)絡(luò )中移動(dòng)性解決方案，已經(jīng)在多個(gè)系統中采用，技術(shù)相對成熟，文章正是在研究802.16e標準定義的MAC切換機制和FMIPv6基礎上，按照IEEE802.21工作組提出的草案，在二、三層切換中引入媒質(zhì)獨立切換（MIH，Media Independence Handover）來(lái)獲取底層鏈路信息，達到提前觸發(fā)切換的目的，并通過(guò)NS-2仿真工具進(jìn)行了仿真實(shí)現和結果分析。
1、引入MIH的WiMAX跨層切換方案
1.1 MIH介紹
IEEE 802.21工作組是在多種網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)需求下成立的，它的成立旨在為多種無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )提供規范的無(wú)縫切換標準，為運營(yíng)商和用戶(hù)帶來(lái)統一的互聯(lián)標準，消除因多種網(wǎng)絡(luò )底層技術(shù)而造成的互聯(lián)混亂。IEEE 802.21的一個(gè)核心思想就是為了屏蔽底層而為上層提供統一的互聯(lián)接口，使上層切換在一個(gè)標準的平臺執行，而不用去處理因底層技術(shù)的不同帶來(lái)的差異。因此，MIH便應運而生。MIH定義了一種方法可以提供鏈路層信息和其他有關(guān)網(wǎng)絡(luò )信息給上層用于異構網(wǎng)絡(luò )間的切換。在這樣一個(gè)擁有多種網(wǎng)絡(luò )接口的體系中，FMIPv6可以使用事件服務(wù)（event service），命令服務(wù)（command service）和信息服務(wù)（information service）這三種由MIH提供的服務(wù)來(lái)管理和控制切換時(shí)的狀態(tài)。在FMIPv6中，網(wǎng)路層必須提前探測鏈路層切換跡象實(shí)現無(wú)縫切換。所以，需要在FMIPv6中引入MIH服務(wù)用于鏈路層觸發(fā)。其服務(wù)類(lèi)型共分為三種。
（1）事件服務(wù)
事件服務(wù)使FMIPv6中切換檢測更容易實(shí)現。事件信息提供當前網(wǎng)絡(luò )的狀態(tài)和二層數據鏈路的傳輸行為，比如MAC、無(wú)線(xiàn)資源管理等。FMIPv6使用一組請求/確認信令注冊從MIH層收到的事件。定義的事件包括有：Link Detect、Link Available、Link Up、Link Down、Link Going Down等。
（2）命令服務(wù)
命令服務(wù)引用高層發(fā)送給低層的命令，包括從高層到MIH（比如，高層移動(dòng)性協(xié)議到MIH）以及MIH到底層（比如，MIH到MAC，或者M(jìn)IH到PHY）的命令。這些命令主要攜帶著(zhù)高層判決信息給低層，并且控制低層實(shí)體的行為。
（3）信息服務(wù)
信息服務(wù)提供一個(gè)框架和通信機制，通過(guò)這些MIH的功能實(shí)體在一個(gè)地理范圍之內可以發(fā)現并且獲得現有的網(wǎng)絡(luò )信息，從而使切換過(guò)程更容易執行。信息服務(wù)主要提供一組請求／響應機制用于信息傳送。該信息可以?xún)Υ嬖贛IH層內部或者M(jìn)IH可以到達的信息服務(wù)中。該信息服務(wù)提供諸如鄰居位置等靜態(tài)信息有助于網(wǎng)絡(luò )發(fā)現，也提供動(dòng)態(tài)信息有助于優(yōu)化異構網(wǎng)絡(luò )中鏈路層的連通性。這包括鏈路層參數，諸如頻道信息、MAC地址、安全信息，等等。
1.2 引入MIH的WiMAX跨層切換方案
1.2.1 FMIPv6上層切換的優(yōu)化
2001年7月出臺的IETF草案“移動(dòng)IPv6的快速切換（FMIPv6）”提出了增強移動(dòng)IPv6節點(diǎn)在Internet上快速改變接入點(diǎn)性能的方案，以降低越區切換時(shí)的分組延時(shí)和丟包率。它的基本思路有三種：分組緩存、組播和基于L2移動(dòng)觸發(fā)的預先切換。其中第三種思路是研究的熱點(diǎn)。FMIPv6能在二層切換時(shí)選定路由器并且完成綁定更新，這樣發(fā)給原CoA的包將送到新CoA。此外，當MN仍連接在PAR時(shí)，FMIPv6通過(guò)使用NAR的鏈路層信息完成CoA配置。為了減少切換的時(shí)延，采用2層觸發(fā)（L2 Trigger）機制，讓L3層切換在L2層切換發(fā)生之前就提前觸發(fā)，開(kāi)始啟動(dòng)，一旦L2切換完成，那么由于L3切換已經(jīng)開(kāi)始準備了相應的三層路由，可以基本無(wú)時(shí)延的沿著(zhù)新路徑進(jìn)行報文的收發(fā)，從而降低甚至消除注冊時(shí)延。
1.2.2 切換流程
FMIPv6在IP層的切換過(guò)程中需要二層觸發(fā)來(lái)預先獲取鏈路層信息，從而提前開(kāi)始三層的切換。從這個(gè)角度來(lái)看，MIH提供的事件服務(wù)能夠有效地為三層提供觸發(fā)機制，在進(jìn)行二層切換的同時(shí)，觸發(fā)三層進(jìn)行切換，從而實(shí)現移動(dòng)節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )間的無(wú)縫切換，以適應各種實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的需要。在引入MIH的網(wǎng)絡(luò )模型中，通過(guò)在WiMAX中結合FMIPv6的預先和快速切換，能更加有效的改善切換性能，減小時(shí)延和丟包率，切換流程如圖1所示。
圖1 引入MIH的FMIPv6切換流程
在link going down階段通過(guò)FMIPv6中的RtSolPr和PrRtAdv的信令交互，使MN在沒(méi)有斷開(kāi)連接時(shí)就獲取到了Target BS的網(wǎng)絡(luò )前綴信息，為三層切換做好了準備。而在二層切換完成時(shí)，MN已經(jīng)與Target BS建立起新的連接后，MN隨即就可以配置新的網(wǎng)絡(luò )地址，而不需要再去從新獲取網(wǎng)絡(luò )前綴。
與傳統的基于MIPv6的方案相比，該方案主要采用了跨層切換的思想，L2層、L3層聯(lián)合切換，整個(gè)切換可以分預切換和切換執行兩部分，在預切換過(guò)程中，通信鏈路保持連接，通信可以正常進(jìn)行，在此過(guò)程中完成了新接入路由發(fā)現，有效的減小了切換時(shí)延，同時(shí)在切換執行過(guò)程中，采用隧道技術(shù)由PAR向NAR轉發(fā)緩存數據包，服務(wù)流能有效的重定向到新的AP，從而有效地減小了丟包率。
2、跨層切換的仿真
2.1 仿真場(chǎng)景建立
利用NIST提供的無(wú)縫安全移動(dòng)性（Seamless and Secure Mobility）協(xié)議支持包，按照上面提出的切換仿真方案，修改源代碼中與切換相關(guān)的路由發(fā)現與網(wǎng)絡(luò )地址配置流程。即在Link going down階段就進(jìn)行三層切換的信令交互，獲取Target BS的網(wǎng)絡(luò )地址，省去了鏈路重新建立后獲取新轉交地址的流程，而是在二層切換完成時(shí)隨即配置之前獲取到的新的轉交地址。仿真場(chǎng)景如圖2所示。
圖2 WiMAX網(wǎng)間切換仿真場(chǎng)景圖
其中，4是移動(dòng)節點(diǎn)MN，2和3表示分屬于不同網(wǎng)絡(luò )的兩個(gè)WiMAX基站，1表示路由器，0表示通信對端。通過(guò)從0向4以0.1 s的發(fā)包間隔發(fā)送Packet Size=4960的cbr（constant bit rate）流量來(lái)仿真應用層服務(wù)流。服務(wù)流仿真時(shí)間從10到150，總共發(fā)送了5603個(gè)包。1負責轉發(fā)服務(wù)流到基站，當仿真開(kāi)始時(shí)，MN開(kāi)始初始接入2號基站的網(wǎng)絡(luò )中。初始接入完成之后在2號基站的覆蓋范圍內向3號基站的覆蓋區域以2m/s的速度移動(dòng)，2號基站負責發(fā)送從1轉發(fā)過(guò)來(lái)的服務(wù)流到移動(dòng)節點(diǎn)。
2.2 切換時(shí)延和丟包率分析
該仿真模擬了一個(gè)MN在分屬于不同網(wǎng)絡(luò )域的兩個(gè)BS之間切換的過(guò)程。通過(guò)分析移動(dòng)節點(diǎn)MN接收到的數據包，來(lái)考察切換時(shí)延和丟包情況。具體數據信息如表1所示。
表1 MN接收數據包ID與仿真時(shí)間分析表
由表1中的數據可以看出，在t=106.051318565時(shí)MN開(kāi)始發(fā)生切換，此時(shí)收到Serving BS發(fā)送來(lái)的最后一個(gè)數據包，其ID號為3843；直到t=106.248973719時(shí)切換結束，收到Target BS發(fā)送來(lái)的ID號為3848的數據包，總共丟了4個(gè)包，切換時(shí)延約為T(mén)handover=0.19。
2.3 端到端時(shí)延與仿真時(shí)間的關(guān)系
通過(guò)分析數據包的端到端時(shí)延，可以考察網(wǎng)絡(luò )的穩定性。當網(wǎng)絡(luò )處于正常工作狀態(tài)時(shí)，數據包的轉發(fā)應該是相對穩定的，端到端時(shí)延在一個(gè)數量級上平穩波動(dòng)。但是，當移動(dòng)節點(diǎn)發(fā)生切換時(shí)，二層鏈路掃描和路由更新過(guò)程會(huì )影響數據包的轉發(fā)速率，使端到端時(shí)延突然增大。當切換完成時(shí)，數據包又會(huì )恢復平穩的轉發(fā)。通過(guò)NS-2提供的gnuplot繪圖工具，分別繪制出基于FMIPv6和基于傳統MIPv6下的端到端時(shí)延圖，其中實(shí)心點(diǎn)表示數據包。
從圖3和圖4中可以看出，在切換開(kāi)始前和切換結束后，MN分別和兩個(gè)不同的基站進(jìn)行通信，且服務(wù)流保持平穩的端到端時(shí)延，當切換進(jìn)行時(shí)，由于要進(jìn)行二層鏈路的重新連接和服務(wù)流重定向，導致切換過(guò)程中產(chǎn)生的服務(wù)流數據包在網(wǎng)絡(luò )中滯留時(shí)間相對較大，直到服務(wù)流重定向完成時(shí)才由Target BS發(fā)送給MN，從而產(chǎn)生了圖中所示的延時(shí)沖擊。
圖3 基于FMIPv6的端到端時(shí)延
圖4 基于傳統MIPv6的端到端時(shí)延
而比較兩種切換流程可以看出，基于FMIPv6的方案雖然產(chǎn)生了兩次延時(shí)沖擊，但是它保證了數據包能完整發(fā)送到MN，只是由于在進(jìn)行二層切換和服務(wù)流重定向時(shí)，網(wǎng)絡(luò )中的數據包滯留時(shí)間稍長(cháng)，且只有少量丟包，因此基于FMIPv6的方案能有效的降低丟包率，但是對于網(wǎng)絡(luò )的負荷會(huì )響應增加；而基于傳統MIPv6的方案雖然只在進(jìn)行二層切換時(shí)數據包的時(shí)延有所增大，但是它并沒(méi)有提前獲取新的網(wǎng)絡(luò )前綴，因此二層切換完成后MN會(huì )與Target BS進(jìn)行三層切換的信令交互。這時(shí)數據包由于找不到路由而產(chǎn)生了大量的丟包情況。而在路由重新建立起來(lái)后數據包才由Target BS平穩的發(fā)送給MN。因此基于傳統的MIPv6方案是以丟包為代價(jià)來(lái)獲取網(wǎng)絡(luò )的穩定性。仿真結果驗證了上文中對端到端時(shí)延的理論分析。
2.4 小結
本次實(shí)驗主要考察在同構的WiMAX網(wǎng)絡(luò )中二層和三層切換的結合，通過(guò)引入MIH來(lái)獲取底層鏈路的信息，達到提前觸發(fā)切換的目的。通過(guò)仿真驗證了MIH子層在WiMAX網(wǎng)間切換時(shí)結合FMIPv6的思想進(jìn)行跨層切換，能有效地降低切換時(shí)延和丟包率，對上層服務(wù)流特別是對實(shí)時(shí)性要求較高的語(yǔ)音和視頻業(yè)務(wù)能夠提供良好的QoS保證。當然，實(shí)驗本身也有一定局限性。首先，方案中對切換判決的策略只是單一的信號功率判斷，沒(méi)有結合其他的切換策略，這也是今后研究中的一個(gè)重點(diǎn)；另外，由于實(shí)驗重點(diǎn)放在考察切換時(shí)延和丟包率上，因此對于WiMAX的組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò )管理以及認證鑒權等處理未作深入考慮，在實(shí)際應用中以上因素也是WiMAX商業(yè)運營(yíng)必不可缺少的關(guān)鍵。
3、結語(yǔ)
文章在介紹WiMAX的同時(shí)重點(diǎn)考察了如何將FMIPv6與WiMAX的底層切換相結合，通過(guò)在二三層之間引入MIH子層完成上層與底層之間的交互，為上層提供鏈路信息和切換觸發(fā)事件，使得在WiMAX網(wǎng)絡(luò )間切換時(shí)能更好地支持語(yǔ)音、視頻等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。并通過(guò)NS-2網(wǎng)絡(luò )仿真工具對切換方案進(jìn)行了仿真和對比，驗證了方案的可用性和良好性能，對于今后以全IP核心網(wǎng)為基礎的WiMAX網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)有一定的指導意義。另一方面，MIH的提出是為未來(lái)豐富多彩的異構網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)提供協(xié)議統一性，因此，在本次實(shí)驗的基礎上，異構網(wǎng)絡(luò )間的切換將成為今后的研究重點(diǎn)。
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