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WiMAX跨層切換技術(shù)的研究與仿真
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發(fā)表于 2009-04-13 09:27:09  只看樓主 
關(guān)鍵字: WIMAX18, 寬帶1, 無線接入1, 城域網(wǎng)1, IP4, 網(wǎng)絡(luò)41, 寬帶接入3, 最后一公里1, VoIP1, 多媒體通信1, IPV63, IEEE2, 無線通信1, 運營商1, 信令4, 路由器2, 基站7, Qos1

WiMAX是基于IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無線接入城域網(wǎng)(BWA MAN)技術(shù),具有傳輸距離遠、接入速度高,基于IP網(wǎng)絡(luò),支持移動性,滿足移動、游牧、固定等不同場景應(yīng)用的特點,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、熱點覆蓋、移動寬帶接入以及數(shù)據(jù)回傳(Backhaul)、有線基礎(chǔ)設(shè)施薄弱的地區(qū)等幾乎所有無線寬帶接入市場。
WiMAX支持移動性的關(guān)鍵技術(shù)是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無縫切換,如果切換過程進行不好,很可能造成小區(qū)的過載或移動臺的“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多媒體通信等時延敏感業(yè)務(wù),所以如何快速切換,降低切換時延和丟包率一直是WiMAX網(wǎng)絡(luò)研究熱點,關(guān)系到WiMAX網(wǎng)絡(luò)能否大規(guī)模布署問題�?焖僖苿�IPv6(FMIPv6)是公認(rèn)的IP網(wǎng)絡(luò)中移動性解決方案,已經(jīng)在多個系統(tǒng)中采用,技術(shù)相對成熟,文章正是在研究802.16e標(biāo)準(zhǔn)定義的MAC切換機制和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)獨立切換(MIH,Media Independence Handover)來獲取底層鏈路信息,達到提前觸發(fā)切換的目的,并通過NS-2仿真工具進行了仿真實現(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線通信網(wǎng)絡(luò)提供規(guī)范的無縫切換標(biāo)準(zhǔn),為運營商和用戶帶來統(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,使上層切換在一個標(biāo)準(zhǔn)的平臺執(zhí)行,而不用去處理因底層技術(shù)的不同帶來的差異。因此,MIH便應(yīng)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(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的切換。在這樣一個擁有多種網(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)來管理和控制切換時的狀態(tài)。在FMIPv6中,網(wǎng)路層必須提前探測鏈路層切換跡象實現(xiàn)無縫切換。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中切換檢測更容易實現(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、無線資源管理等。FMIPv6使用一組請求/確認(rèn)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,高層移動性協(xié)議到MIH)以及MIH到底層(比如,MIH到MAC,或者MIH到PHY)的命令。這些命令主要攜帶著高層判決信息給低層,并且控制低層實體的行為。
(3)信息服務(wù)
信息服務(wù)提供一個框架和通信機制,通過這些MIH的功能實體在一個地理范圍之內(nèi)可以發(fā)現(xiàn)并且獲得現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)信息,從而使切換過程更容易執(zhí)行。信息服務(wù)主要提供一組請求/響應(yīng)機制用于信息傳送。該信息可以儲存在MIH層內(nèi)部或者MIH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(xiàn),也提供動態(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月出臺的IETF草案“移動IPv6的快速切換(FMIPv6)”提出了增強移動IPv6節(jié)點在Internet上快速改變接入點性能的方案,以降低越區(qū)切換時的分組延時和丟包率。它的基本思路有三種:分組緩存、組播和基于L2移動觸發(fā)的預(yù)先切換。其中第三種思路是研究的熱點。FMIPv6能在二層切換時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,F(xiàn)MIPv6通過使用NAR的鏈路層信息完成CoA配置。為了減少切換的時延,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),開始啟動,一旦L2切換完成,那么由于L3切換已經(jīng)開始準(zhǔn)備了相應(yīng)的三層路由,可以基本無時延的沿著新路徑進行報文的收發(fā),從而降低甚至消除注冊時延。
1.2.2 切換流程
FMIPv6在IP層的切換過程中需要二層觸發(fā)來預(yù)先獲取鏈路層信息,從而提前開始三層的切換。從這個角度來看,MIH提供的事件服務(wù)能夠有效地為三層提供觸發(fā)機制,在進行二層切換的同時,觸發(fā)三層進行切換,從而實現(xiàn)移動節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)間的無縫切換,以適應(yīng)各種實時業(yè)務(wù)的需要。在引入MIH的網(wǎng)絡(luò)模型中,通過在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FMIPv6中的RtSolPr和PrRtAdv的信令交互,使MN在沒有斷開連接時就獲取到了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,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,整個切換可以分預(yù)切換和切換執(zhí)行兩部分,在預(yù)切換過程中,通信鏈路保持連接,通信可以正常進行,在此過程中完成了新接入路由發(fā)現(xiàn),有效的減小了切換時延,同時在切換執(zhí)行過程中,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 仿真場景建立
利用NIST提供的無縫安全移動性(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隨即配置之前獲取到的新的轉(zhuǎn)交地址。仿真場景如圖2所示。

圖2 WiMAX網(wǎng)間切換仿真場景圖

其中,4是移動節(jié)點MN,2和3表示分屬于不同網(wǎng)絡(luò)的兩個WiMAX基站,1表示路由器,0表示通信對端。通過從0向4以0.1 s的發(fā)包間隔發(fā)送Packet Size=4960的cbr(constant bit rate)流量來仿真應(yīng)用層服務(wù)流。服務(wù)流仿真時間從10到150,總共發(fā)送了5603個包。1負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)流到基站,當(dāng)仿真開始時,MN開始初始接入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(nèi)向3號基站的覆蓋區(qū)域以2m/s的速度移動,2號基站負(fù)責(zé)發(fā)送從1轉(zhuǎn)發(fā)過來的服務(wù)流到移動節(jié)點。
2.2 切換時延和丟包率分析
該仿真模擬了一個MN在分屬于不同網(wǎng)絡(luò)域的兩個BS之間切換的過程。通過分析移動節(jié)點MN接收到的數(shù)據(jù)包,來考察切換時延和丟包情況。具體數(shù)據(jù)信息如表1所示。

表1 MN接收數(shù)據(jù)包ID與仿真時間分析表

由表1中的數(shù)據(jù)可以看出,在t=106.051318565時MN開始發(fā)生切換,此時收到Serving BS發(fā)送來的最后一個數(shù)據(jù)包,其ID號為3843;直到t=106.248973719時切換結(jié)束,收到Target BS發(fā)送來的ID號為3848的數(shù)據(jù)包,總共丟了4個包,切換時延約為Thandover=0.19。
2.3 端到端時延與仿真時間的關(guān)系
通過分析數(shù)據(jù)包的端到端時延,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,數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)該是相對穩(wěn)定的,端到端時延在一個數(shù)量級上平穩(wěn)波動。但是,當(dāng)移動節(jié)點發(fā)生切換時,二層鏈路掃描和路由更新過程會影響數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)速率,使端到端時延突然增大。當(dāng)切換完成時,數(shù)據(jù)包又會恢復(fù)平穩(wěn)的轉(zhuǎn)發(fā)。通過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下的端到端時延圖,其中實心點表示數(shù)據(jù)包。
從圖3和圖4中可以看出,在切換開始前和切換結(jié)束后,MN分別和兩個不同的基站進行通信,且服務(wù)流保持平穩(wěn)的端到端時延,當(dāng)切換進行時,由于要進行二層鏈路的重新連接和服務(wù)流重定向,導(dǎo)致切換過程中產(chǎn)生的服務(wù)流數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中滯留時間相對較大,直到服務(wù)流重定向完成時才由Target BS發(fā)送給MN,從而產(chǎn)生了圖中所示的延時沖擊。

圖3 基于FMIPv6的端到端時延

圖4 基于傳統(tǒng)MIPv6的端到端時延

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,只是由于在進行二層切換和服務(wù)流重定向時,網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包滯留時間稍長,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(fù)荷會響應(yīng)增加;而基于傳統(tǒng)MIPv6的方案雖然只在進行二層切換時數(shù)據(jù)包的時延有所增大,但是它并沒有提前獲取新的網(wǎng)絡(luò)前綴,因此二層切換完成后MN會與Target BS進行三層切換的信令交互。這時數(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來獲取網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果驗證了上文中對端到端時延的理論分析。
2.4 小結(jié)
本次實驗主要考察在同構(gòu)的WiMAX網(wǎng)絡(luò)中二層和三層切換的結(jié)合,通過引入MIH來獲取底層鏈路的信息,達到提前觸發(fā)切換的目的。通過仿真驗證了MIH子層在WiMAX網(wǎng)間切換時結(jié)合FMIPv6的思想進行跨層切換,能有效地降低切換時延和丟包率,對上層服務(wù)流特別是對實時性要求較高的語音和視頻業(yè)務(wù)能夠提供良好的QoS保證。當(dāng)然,實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,沒有結(jié)合其他的切換策略,這也是今后研究中的一個重點;另外,由于實驗重點放在考察切換時延和丟包率上,因此對于WiMAX的組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)管理以及認(rèn)證鑒權(quán)等處理未作深入考慮,在實際應(yīng)用中以上因素也是WiMAX商業(yè)運營必不可缺少的關(guān)鍵。
3、結(jié)語
文章在介紹WiMAX的同時重點考察了如何將FMIPv6與WiMAX的底層切換相結(jié)合,通過在二三層之間引入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)間切換時能更好地支持語音、視頻等實時業(yè)務(wù)。并通過NS-2網(wǎng)絡(luò)仿真工具對切換方案進行了仿真和對比,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(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,在本次實驗的基礎(chǔ)上,異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的切換將成為今后的研究重點。
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