WiMAX跨層切換技術(shù)的研究與仿真

WiMAX是基于IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無(wú)線接入城域網(wǎng)（BWA MAN）技術(shù)，具有傳輸距離遠(yuǎn)、接入速度高，基于IP的網(wǎng)絡(luò)，支持移動(dòng)性，滿足移動(dòng)、游牧、固定等不同場(chǎng)景應(yīng)用的特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于廣域接入、企業(yè)寬帶接入、家庭“最后一公里”接入、熱點(diǎn)覆蓋、移動(dòng)寬帶接入以及數(shù)據(jù)回傳（Backhaul）、有線基礎(chǔ)設(shè)施薄弱的地區(qū)等幾乎所有無(wú)線寬帶接入市場(chǎng)。

WiMAX支持移動(dòng)性的關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)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(qū)的過(guò)載或移動(dòng)臺(tái)的“掉話”，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(guī)模布署問(wèn)題?？焖僖苿?dòng)IPv6（FMIPv6）是公認(rèn)的IP網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)性解決方案，已經(jīng)在多個(gè)系統(tǒng)中采用，技術(shù)相對(duì)成熟，文章正是在研究802.16e標(biāo)準(zhǔn)定義的MAC切換機(jī)制和FMIPv6基礎(chǔ)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(dú)立切換（MIH，Media Independence Handover）來(lái)獲取底層鏈路信息，達(dá)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(xiàn)和結(jié)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)線通信網(wǎng)絡(luò)提供規(guī)范的無(wú)縫切換標(biāo)準(zhǔn)，為運(yùn)營(yíng)商和用戶帶來(lái)統(tǒng)一的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，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(tǒng)一的互聯(lián)接口，使上層切換在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的平臺(tái)執(zhí)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(yīng)運(yùn)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(gòu)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，F(xiàn)MIPv6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(cè)鏈路層切換跡象實(shí)現(xiàn)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)類型共分為三種。

（1）事件服務(wù)

事件服務(wù)使FMIPv6中切換檢測(cè)更容易實(shí)現(xiàn)。事件信息提供當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)和二層數(shù)據(jù)鏈路的傳輸行為，比如MAC、無(wú)線資源管理等。FMIPv6使用一組請(qǐng)求/確認(rèn)信令注冊(cè)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(jī)制，通過(guò)這些MIH的功能實(shí)體在一個(gè)地理范圍之內(nèi)可以發(fā)現(xiàn)并且獲得現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)信息，從而使切換過(guò)程更容易執(zhí)行。信息服務(wù)主要提供一組請(qǐng)求／響應(yīng)機(jī)制用于信息傳送。該信息可以儲(chǔ)存在MIH層內(nèi)部或者M(jìn)IH可以到達(dá)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(xiàn)，也提供動(dòng)態(tài)信息有助于優(yōu)化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中鏈路層的連通性。這包括鏈路層參數(shù)，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(tái)的IETF草案“移動(dòng)IPv6的快速切換（FMIPv6）”提出了增強(qiáng)移動(dòng)IPv6節(jié)點(diǎn)在Internet上快速改變接入點(diǎn)性能的方案，以降低越區(qū)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(yù)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(dāng)MN仍連接在PAR時(shí)，F(xiàn)MIPv6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(jī)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(zhǔn)備了相應(yīng)的三層路由，可以基本無(wú)時(shí)延的沿著新路徑進(jìn)行報(bào)文的收發(fā)，從而降低甚至消除注冊(cè)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(yù)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(jī)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(xiàn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)間的無(wú)縫切換，以適應(yīng)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(jié)合FMIPv6的預(yù)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。

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201706/353706.htm
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(zhǔn)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(tǒng)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(yù)切換和切換執(zhí)行兩部分，在預(yù)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(xiàn)，有效的減小了切換時(shí)延，同時(shí)在切換執(zhí)行過(guò)程中，采用隧道技術(shù)由PAR向NAR轉(zhuǎn)發(fā)緩存數(shù)據(jù)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(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)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(duì)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(yīng)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(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)流到基站，當(dāng)仿真開(kāi)始時(shí)，MN開(kāi)始初始接入2號(hào)基站的網(wǎng)絡(luò)中。初始接入完成之后在2號(hào)基站的覆蓋范圍內(nèi)向3號(hào)基站的覆蓋區(qū)域以2m/s的速度移動(dòng)，2號(hào)基站負(fù)責(zé)發(fā)送從1轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的服務(wù)流到移動(dòng)節(jié)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(jié)點(diǎn)MN接收到的數(shù)據(jù)包，來(lái)考察切換時(shí)延和丟包情況。具體數(shù)據(jù)信息如表1所示。

表1　MN接收數(shù)據(jù)包ID與仿真時(shí)間分析表

由表1中的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包，其ID號(hào)為3843；直到t=106.248973719時(shí)切換結(jié)束，收到Target BS發(fā)送來(lái)的ID號(hào)為3848的數(shù)據(jù)包，總共丟了4個(gè)包，切換時(shí)延約為Thandover=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(shù)據(jù)包的端到端時(shí)延，可以考察網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)該是相對(duì)穩(wěn)定的，端到端時(shí)延在一個(gè)數(shù)量級(jí)上平穩(wěn)波動(dòng)。但是，當(dāng)移動(dòng)節(jié)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(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)速率，使端到端時(shí)延突然增大。當(dāng)切換完成時(shí)，數(shù)據(jù)包又會(huì)恢復(fù)平穩(wěn)的轉(zhuǎn)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(tǒng)MIPv6下的端到端時(shí)延圖，其中實(shí)心點(diǎn)表示數(shù)據(jù)包。

從圖3和圖4中可以看出，在切換開(kāi)始前和切換結(jié)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(wěn)的端到端時(shí)延，當(dāng)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(dǎo)致切換過(guò)程中產(chǎn)生的服務(wù)流數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中滯留時(shí)間相對(duì)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包滯留時(shí)間稍長(zhǎng)，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(duì)于網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷會(huì)響應(yīng)增加；而基于傳統(tǒng)MIPv6的方案雖然只在進(jìn)行二層切換時(shí)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包才由Target BS平穩(wěn)的發(fā)送給MN。因此基于傳統(tǒng)的MIPv6方案是以丟包為代價(jià)來(lái)獲取網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果驗(yàn)證了上文中對(duì)端到端時(shí)延的理論分析。

2.4　小結(jié)

本次實(shí)驗(yàn)主要考察在同構(gòu)的WiMAX網(wǎng)絡(luò)中二層和三層切換的結(jié)合，通過(guò)引入MIH來(lái)獲取底層鏈路的信息，達(dá)到提前觸發(fā)切換的目的。通過(guò)仿真驗(yàn)證了MIH子層在WiMAX網(wǎng)間切換時(shí)結(jié)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(duì)上層服務(wù)流特別是對(duì)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(dāng)然，實(shí)驗(yàn)本身也有一定局限性。首先，方案中對(duì)切換判決的策略只是單一的信號(hào)功率判斷，沒(méi)有結(jié)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(yàn)重點(diǎn)放在考察切換時(shí)延和丟包率上，因此對(duì)于WiMAX的組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)管理以及認(rèn)證鑒權(quán)等處理未作深入考慮，在實(shí)際應(yīng)用中以上因素也是WiMAX商業(yè)運(yùn)營(yíng)必不可缺少的關(guān)鍵。

3、結(jié)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(jié)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(duì)切換方案進(jìn)行了仿真和對(duì)比，驗(yàn)證了方案的可用性和良好性能，對(duì)于今后以全I(xiàn)P核心網(wǎng)為基礎(chǔ)的WiMAX網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)有一定的指導(dǎo)意義。另一方面，MIH的提出是為未來(lái)豐富多彩的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)提供協(xié)議統(tǒng)一性，因此，在本次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的切換將成為今后的研究重點(diǎn)。