基于MIH的WLAN/WiMAX宏移动性研究*

2010-08-10 07:47张西腾
电视技术 2010年1期
关键词:异构时延链路

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.

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