基于MIH的WLAN/WiMAX宏移动性研究*

蒋 青，张西腾

(重庆邮电大学 移动通信技术重点实验室，重庆 400065)

1 引言

IEEE802.11的无线局域网能够提供高达1 Gbit/s的传输速度，且使用无授权的频谱，具有较低的成本，主要用于飞机场、购物中心等公共热点区域。但是，无线局域网覆盖范围较低，高速移动用户频繁的切换将导致通信服务质量下降。WiMAX具有较大的覆盖面积，高速移动切换频率低，适合高速移动的用户需求。因此，结合WiMAX和WLAN可满足高速移动、高数据传输的需求[1]。目前，IETF RFC3375[2]定义的移动IP在网络层实现了移动用户的异构网络切换，但在切换中将导致时延大、丢包等引起移动用户可察觉的服务质量的降低，甚至移动用户服务的中断。IETF仅仅考虑了网络层的延迟，并未有效利用底层的信息。因此，笔者采用IEEE802.21工作组提议的介质独立切换 （Media Independent Handover，MIH）服务，屏蔽不同MAC层的差异，实现异构网络的快速、平滑、无缝切换。

2 MIH介质独立切换

IEEE 802.21工作组提议在第2，3层之间定义介质独立切换（MIH）子层，屏蔽不同MAC层的差异，实现IEEE 802和非IEEE 802异构网络的快速、平滑、无缝切换。其次，MIH定义了新的链路层服务访问点（SAP）为链路层提供统一接口，独立于特定的接入技术。再者，MIH定义了一组为高层提供切换的辅助功能，增强了切换执行[3]。MIH功能通过服务访问点SAP提供3种类型的服务：介质独立事件服务 （MIES），介质独立命令服务（MICS）和介质独立信息服务（MIIS）。MIH参考模型如图1所示。

图1 MIH参考模型

MIES负责检测和报道本地接口和远程接口的事件，提供了底层到高层单向服务。这些事件表示物理层和链路层的特征、状态可能发生的变化以及预测即将到来的改变。MIES事件服务划分为2种：LINK事件，在链路层内产生接收于MIH功能 （MIHF）；MIH事件，MIHF发起传输到上层MIH用户。

MICS指参考模型的高层向低层发送的命令，主要用于高层管理和控制本地链路相关的切换操作，获取最佳切换性能及推动最佳切换策略，以及支持询问目标网络的资源状态。

MIIS提供异构邻居网络拓扑、网络特征以及可用服务的信息，其目的是获取移动节点感兴趣区域的所有异构网络信息，促进这些网络之间的无缝切换[4]。

3 WLAN/WiMAX切换方案

IETF MIP为网络层移动性管理协议，仅仅实现异构网络的网络层切换，对于影响无缝切换性能的网络选择和切换初始化并未包含于MIP协议。在IEEE 802.21协议中，本地MIHF和远程MIHF交互消息可以有效得到链路标识、有效链路、链路质量、资源分配、网络拥塞等多属性值，更适合异构网络多准则的网络选择；MIH事件服务可以有效指示链路质量，有效判断是否启动切换。此外，IETF MIPSHOP正在研究不同接入网络之间MIH消息的传输优化MIP切换性能；IEEE 802.11u定义了新的MAC会聚功能，协同IEEE 802.21提供不同协议层之间的服务，IEEE 802.16g扩展服务接入点，将支持MIH相关的原语[1]。因此，笔者以WLAN与WiMAX之间的垂直切换为例，详细描述MIH辅助MIP实现快速、平滑、无缝切换。移动节点MN能够在第一时间从网络接口获取相关信息，移动节点发起、网络辅助切换更适合异构网络，因此切换类型选为移动节点发起、网络辅助。其中，具有MIH功能的MN目前连接到WLAN网络，候选网络为WiMAX网络；MIIS为介质独立信息服务器，存储候选网络信息。基于MIH框架的WLAN/WiMAX切换流程如图2所示，切换信息的描述具体如下：

1）MN最初连接到WLAN网络，周期性监听网络端口。一旦MN接收到包含WiMAX接入点的信标时，询问自身MIHF模块周围候选网络的信息 （消息1），MN MIHF转发询问消息2到网络运营商（或第三方网络）的介质独立信息服务器MIIS。这些询问候选网络信息以消息3和4返回移动节点，包括网络接口、网络性能、网络经济成本、安全性等信息。

2）当移动节点L2预测到连接即将断开时发送消息5和消息6，指示在一段时间间隔内链路断开。此消息包含预测链路断开的时间间隔以及链路下降的原因。MN扫描候选网络状态，发现WiMAX候选网络，获取候选网络 DL_MAP，UL_MAP，DCD，UCD 参数。

3）MN L3使用消息7询问MIHF切换发起的候选网络资源，MIHF通过消息8到服务WLAN网络确定候选网络有效资源状态，服务网络与候选网络交互确定可用资源信息。消息8包含最小QoS资源需求、候选链路列表。消息9和10作为MN的响应信息，包含依次排序的首选候选网络列表。

4）在获得候选网络信息后，移动节点依据候选网络有效资源、用户喜好、成本等判决准则选择最佳的候选网络。移动节点切换到WiMAX接口，建立与WiMAX网络的新L2连接。消息11和12指示新链路可用，移动节点向WiMAX网络进行MIP注册、绑定更新、重定向IP信息流。

5）当切换在高层完成时，MN L3发送切换完成消息到MIHF，MIHF转发至候选网络指示切换的完成 （消息13和14）。消息15和16释放WLAN网络中为MN分配的资源及移动节点相应的通信端口。消息17和18通知MN此次切换过程完成[4-5]。

图2 基于MIH框架的WLAN/WiMAX切换流程

4 切换性能分析

4.1 仿真场景

采用了NIST提供的移动性协议模块，此模块引入了MIH功能能够提供异构网络的垂直切换仿真。仿真场景如图3所示。其中，表示发送端，①表示路由器，③表示WLAN接入点，⑤表示WiMAX基站；②表示多接口移动节点，包含WLAN接口（节点④）和WiMAX接口（节点⑤）。和①、①和③、①和⑤为有线连接，③和④、⑤和⑥为无线连接。节点以0.1 s时间间隔发送分组大小为1 240 byte的固定比特速率CBR流量。在仿真时间5～60 s期间，移动节点以1 m/s速度由WLAN覆盖区移入WiMAX区域。在5 s时，分组传输方向为①，②，③，④。在52.328 145 708 s时，移动节点切换到WiMAX网络，分组传输方向为，①，⑤，⑥。

图3 WLAN/WiMAX切换仿真场景

4.2 切换时延和丢包分析

定义接收时延为移动节点接收第N组与第（N＋1）组所耗时间，发生切换时产生的接收时延为切换时延。表1为移动节点接收分组一览表，分析表中数据计算异构网络切换时延和丢包率。由表可知，在52.328 145 708 s时刻发生切换，切换前节点③发送节点④接收，切换后节点⑤发送节点⑥接收，验证了MN从WLAN网络切换到WiMAX网络。从表中事件产生时间得知，在WLAN网络中接收时延为0.049 s与WiMAX接收时延0.048 s大致相等，传输环境不同可能上下稍有浮动。切换时延为节点⑥接收时间与节点④接收时间之差，即52.328 369 462 s-51.976 468 509 s=0.351 900 953 s。由分组ID知，切换丢包为980-971=9个分组。

分析NS-2生成的trace文件，使用gnuplot画图工具直观地观察仿真过程基于MIH的接收时延（如图4所示）和MN接收的CBR序列号（如图5所示）分别与仿真时间的关系，图中实心点为接收的分组。在图4和图5中，切换前后网络处于正常状态，接收时延和接收分组比较稳定，仅在切换时刻接收时延急剧增加、接收分组丢失。这是因为切换时发生链路交换、IP连通性重新建立和位置更新。其中，链路交换为L2断开和重连接，IP连通性主要为移动检测、IP地址配置和地址冲突检测，位置更新为IP地址绑定更新、完成绑定更新直到接收到第一个分组[6-7]。

表1 移动节点接收分组一览表

图4 基于MIH的接收时延

图5 MN接收的CBR序列号

5 小结

下一代无线网络将是异构IP网络，而异构网络的切换管理将是研究的重中之重。因此，笔者在2，3层之间引入了MIH功能屏蔽不同MAC层技术带来的差异，结合MIPv6实现WLAN/WiMAX异构网络的垂直切换。NS-2引入NIST提供的移动性协议模块，有效地验证了基于MIH的WLAN/WiMAX异构网络切换的可用性，并分析了切换产生的时延和丢包率。但是，从分析结果来看无法满足异构网络的快速、平滑的无缝切换，需要进一步缩短切换时每个步骤产生的时延，优化切换性能。另一方面，结合MIH与FMIPv6验证异构接入网络（如UMTS，CDMA2000，WLAN，WiMAX）垂直切换性能将是未来研究的方向。此外，异构网络切换的多属性切换判决准则、乒乓效应、切换信令开销、不同接入网络之间QoS映射等，也是未来切换管理研究对象。

[1]PONTES A，SILVA D P，JAILTON J.Handover management in integrated WLAN and mobile WiMAX networks[J].IEEE Wireless Commun.，2008，15（5）：86-95.

[2]IETF RFC 3774，Mobility support in IPv6[S].2004.

[3]OLIVE A D，BANCHS A，SOTO I.An overview of IEEE 802.21：media-independent handover services[J].IEEE Wireless Commun.，2008，15（4）：96-103.

[4]IEEE Std 802.21-2008，IEEE standard for local and metropolitan area networks-part 21:media independent handover services[S].2009.

[5]LAMPROPOULOS G，SALKINTZIS A K，PASSAS N.Media-independent handover for seamless service provision in heterogeneous networks[J].IEEE Commun.，2008，46（1）：64-71.

[6]MAKAYA C，PIERRE S.An analytical framework for performance evaluation of IPv6-based mobility management protocols[J]. IEEE Trans.Wireless Commun.，2008，7（3）：972-983.

[7]方路平，刘世华，陈盼，等.NS-2网络模拟基础与应用[M].北京：国防工业出版社，2008.