高速列车快速切换方法研究

汪淳 杨祖芳 伍彩红

摘 要：随着高速列车时速的不断加快，快速切换问题随之产生，现有移动IP切换机制在切换时延和丢包率方面已无法满足要求，故在未来解决方案中，可以引入路由最优化和位置辅助机制来指导切换，从而改善系统切换性能。

关键词：快速切换；路由最优化；位置辅助机制

中图分类号：TM922.7 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）23-0001-02

在信息发达的今天，高速列车移动用户的带宽需求日趋强烈。而该类用户的无线带宽需求一直没有被标准化组织考虑在内，它们在漫长旅途中依然处于信息的孤岛。我国2013年铁路旅客运送量已高达21亿次，未来还会进一步增长。而且更多的乘客携带了便携式移动网络设备，随时有上网的需求。

无线信道在高速移动环境下会产生多普勒频移和信道衰落，使得高速移动用户实时接入网络的目标实现变得非常困难。随着用户带宽需求的增加，就要求通信系统具有更高的带宽和更低的功率，这就使无线载波频率逐渐升高或转移到射频微波频段上来，从而产生大量的微小区、微微小区。切换是移动通信网络支持终端漫游的基本能力。切换性能的好坏，直接影响通信系统服务质量。

现有的切换技术不能满足高速移动下的多媒体实时业务的无损传输。现有的切换策略，无论是硬切换、软切换、一般切换还是快速切换，均是工作在数据链路层和网络层的两层切换结构。由于两层切换均会产生一定的通信延时，并且为了传输切换信息，会产生大量的信令控制包，占用过度的信道资源，增加了系统内的负担。因此在未来的切换算法的研究中，减少切换时延和精简信令的交互，是值得关注的问题。

而且，高速和微小区的组合带来了频繁切换的问题。对于高速列车的场景，要求切换时间更短和切换成功率更高，其可靠性和有效性都将是一个新的问题。

1 现有移动IP技术的不足

目前，无线接入网采取的切换技术是MIP（Mobile IP）或MIPv6协议，此协议通过引入家乡代理HA（Home Agent）、转交地址CoA（Care-of-Address）、隧道机制等，保证了节点在移动过程中和该节点相连接的通信不会中断。但在越区切换的时候，数据报文需要進行多次隧道封装，使得路由更新的报文开销大，出现切换时延长、丢包率高、信令开销大的问题。因为它本身是一个宏切换协议，适用于接入网与接入网之间的切换。在同一个接入网内部，需要一个基于移动IP技术的微移动切换协议，该协议需要解决在频繁切换的场景下，与移动终端通信的每个主机来得及收到移动主机的地址更新消息，而确保通信的不间断。

IETF工作组提出的切换方案可以分为两大类：一种是应用主机预先转发机制的Cellular IP协议、Hawaii协议；另一种是基于隧道转发的移动Ipv4区域登记协议、分层移动Ipv6（HMIPv6）协议，以上协议均是以接入网的分层结构为前提的。

IST BRAIN项目组提出的BCMP微移动协议不考虑接入网的拓扑类型，能够通过接入网中的固定接入点（Anchor Point）将移动主机连接到网络，并且在新旧接入点之间开通信息缓存管道以减小切换过程中的丢包。

快速移动Ipv6切换协议（FMIPv6）致力于克服网络切换中存在的时延问题，它是由IETF小组提出的，主要针对网络配置时间的优化，采取的办法是通过链路层变化提前预测移动终端位置，做好预切换准备。例如：网络中，某条链路下行信道信号强度减弱，表明切换有可能发生，在移动终端与旧基站还保持通信的同时，网络就已经获取新子网链路信息，提前做好预切换准备。遗憾的是链路层触发方案没有得到标准化组织的认可，由于不同接入网链路层标准不同，因此会存在不同类型接入网难以兼容的问题。

上述MIPv6、HMIPv6和FMIPv6方案均在实验的初级阶段，总之，网络中的切换时延和丢包现象是受移动探测，网络授权和地址转交等一系列开销影响的，目前移动IP小组没有将快速列车的切换问题考虑到亟需解决方案之列。

2 网络拓扑的选择与路由最优化

针对移动IP技术的不足，需要探索新的微移动切换协议，该协议的选择，需要从多方面综合评价，包括使用的网络结构、切换效率和是否满足路由最优化，以及能否有效减小切换延时和丢包率等。

网状拓扑结构的选择在改善链路的鲁棒性和负载平衡方面发挥了作用，Cellular IP与移动Ipv4区域登记协议选择了树状结构以克服延时和丢包率。Hawaii协议选择网状拓扑却付出多级路由，多次切换后点对点高时延的代价。而BCMP协议，不规定任何网络结构，它将移动终端由一个接入点切换到另一个接入点定义为宏移动切换的范畴，从而避免探讨微移动的问题，具体性能比较如表1所示。

最新研究的微移动协议MEHROM是一种支持有效切换和最佳路由的切换方法，它采用主机预先转发机制，首先通过一跳一跳的方式向原始接入点发送切换信息包，交叉节点在接收到该包后，判断下一跳路由是否为最优化路由，若为否，则启动路由优化协议OSPF（开放的最短路径优先）判断下一跳位置，再转发信息包，直至抵达接入网关。

该协议是一种在高频率切换条件下性能比较优越的切换协议。它不受网络拓扑结构（树状、网状、域状或环状）的限制，图1表明MEHROM协议比Cellular IP与移动Ipv4区域登记协议在切换时延和丢包率方面具有良好的改进效果，而比Hawaii协议在路由最佳路径选择上更具优势，如图2所示。

3 位置辅助切换机制

位置辅助切换是切换问题的新切入点，最早是在一种智能路由协议APACHE（主动切换增强协议）中提出的，它将移动终端位置和行程信息作为切换依据，当然，需要GPS技术的支持。在APACHE协议中，位置信息是该路由协议的一个重要组成部分，此有别于现在的移动网络定位技术仅仅在与位置相关的网络服务上或者网络信息采集上关注该信息。在APACHE中移动终端IP地址不发生改变，移动管理工作在网络层，利用管道机制保证切换的连续性。

在该协议中：①切换初始，服务BS根据MS当前位置信息计算和预测切换触发时机。该预测信息直接转交给网络交换机，交换机的作用是在接入网关和新旧BS之间开通无线通信链路，保证MS的接入。②交换机执行切换时，一条连接到新BS的数据链路缓冲区形成并且自动完成路由更新，此后到达的数据包将由该缓冲区转发给新BS。③等待物理层和链路层切换工作完成，网络层已做好预切换准备，数据包已經在新BS等待MS的到达。

由于该协议在网络层完成预切换准备工作，相较于其它切换协议，切换延时得到很大程度的减小，APACHE 协议比其他没有预切换准备的硬切换协议，如Cellular IP，在TCP吞吐量上得到很大提升。此外，APACHE协议相较于Hawaii协议，无需数据包的重新封装，也不像Cellular IP有那么高的掉包率。因此，可以考虑将该协议的思想运用到高速移动用户上。

4 结 语

本文介绍了高速移动用户对宽带网络接入的需求日益迫切，解决方案是提高射频频率和引入微小区和微微小区。该方案下切换机制是研究重点，而现有的移动IP技术又无法完成切换的最优化，故在未来解决方案中，可以引入路由最优化和位置辅助机制来指导切换，从而有效减小切换延时和丢包率，从而解决高速列车的切换问题。

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