基于局部越区切换的无线网络无缝访问控制研究

李群

基于局部越区切换的无线网络无缝访问控制研究

李群

针对无线网络中切换机制的性能问题，提出3种切换方案：基于时间的虚拟切换、局部分簇切换和覆盖切换方案。第一种方法使用计时器来触发移动节点和头节点之间的切换。第二种方法将网络进行分簇，只有簇头参与越区切换过程，从而最小化控制负载，并通过叶节点维持拓扑结构和连接性。第三种方法中覆盖结构完全负责越区切换的启动，减少与附近网络相关联的越区切换过程。实验结果表明，这3种方法在存在漫游移动节点的网络中都能够很好的实现网络切换。其中，当基站覆盖区域较小时，覆盖切换方案能够获得最优的切换成功率和延迟；而局部分簇方法能够获得最优的数据包投递率。

无线网络；无缝访问控制；越区切换；移动节点；局部分簇切换

0 引言

随着通信技术的不断发展，异构无线网络之间无缝接入技术成为研究热点[1,2]，目前，在移动终端和基站上已基本实现无缝切换。切换过程主要由3种方式实现：分层结构、局部计算和动态覆盖。分层结构通过收集邻居节点接收到的信号强度或信息来完成的切换（GSM 网络）[3]。然而当基站失效时，系统就需要第二机制，即局部计算，来确保自身能够继续运行。该过程能够最大限度地控制住负荷，但也要求切换信息通过交换过程能够均匀地分布在整个网络中。如今，网络由不同特性的节点组成，性能也随着节点的尺寸、软件和数据访问率的变化而不断变化[4]。因此，若使两个具有不同带宽、帧格式和数据速率的网络进行无缝访问就会产生很多问题。

本文针对无线网络中切换机制提出了3种切换方案：基于时间的虚拟切换、局部分簇切换和覆盖切换方案，实验结果表明，在存在漫游移动节点的网络中都能很好的实现网络切换。

1 相关研究

目前，学者们提出了许多切换方法，文献[5]提出了一种基于马尔可夫决策过程的切换方法，其中利用链路回报函数来捕获网络资源。进行垂直切换时，使用一个信令成本来模拟发生在网络上的信号和处理负荷。另外，跨层、基于切换距离的估计方法和虚假切换[6]，都为解决切换问题提供了优良方案。然而，在资源受限的无线传感器网络中，切换过程具有不同的必要性，若执行不需要的切换将会导致服务质量（Qos）变差。文献[7]提出了一种媒介无关切换（MIH）框架来改善移动设备的用户体验。该框架通过链路层中的测量和触发机制推动异构网络间的交接。异构无线网络中的覆盖架构是一种基于反应性的垂直切换方案[8]，基于接收信号强度（RSS）和到接入点或基站距离来进行垂直切换初始化，以此减少断线概率和提高系统吞吐量等系统性能。

上述局部切换架构能够为移动用户提供较高质量服务[9]，然而，电量是无线网络中的节点的基础，检测用户的功率等级需要消耗大量的资源。为了解决这个问题，本文提出了3个切换方案：基于时间的虚拟切换架构、局部分簇切换和覆盖切换。实验结果表明，3种方案都能够良好的实现切换，分配新的信道或基站，并在切换成功率、吞吐量、延迟等方面进行了比较。

2 网络模型

未来无线网络的用户需求主要为最小资源下的高带宽接入，可以通过优先级根据不同的移动模式和用户需求进行分配。然而，目前的无线接入方式都采用一些非实际的理想参数（如低流动性和无线自组织网络中簇头的区域高覆盖能力）实现一定程度Qos。为了满足未来的无线网络的要求，本文提出了一种新的越区切换机制，其中节点或基站不直接参与越区切换。

本文构建一种虚拟架构，保存每个用户的信息，包括每个节点切换时间的平均值、停留时间和用户的通话记录。假设N表示网络中包含 n个节点的组合，虚拟切换结构中节点为Vn（执行访客和归属位置寄存器的所有功能）。每个切换持续时间Hd内，节点信息ni都被保存在Vn中。越区切换的节点信息不被保存在Vn的概率为公式（1）：

若n在nV外，即n不在N的区域中时，公式（1）有效。nV 中增加新到达节点的概率是：

若m= 0，则Vn中没有其它网络漫游节点，ai为新到达节点且i= 1,2,...,m。包含有限数目节点的虚拟切换架构根据传输控制过程情况来启动越区切换。只有当必须进行切换时，这种虚拟架构才会启用。

网络架构的目的是以最小的基站和控制传输来执行越区切换[10]。在蜂窝结构中，每个六角形单元至少拥有一个基站。本文以最少数量的信号塔和虚拟簇头（切换站）开启切换过程，将整个网络被划分为子虚拟网络、覆盖网络和分簇网络，网络结构如图1所示：

图1 网络切换架构

覆盖结构在切换过程中也有重要作用，它把用户信息暂时保存下来，并在基站或其它子网络的虚拟头节点之间共享这些用户信息。

网络中可能有新节点的加入或离开，所以切换管理方案需要能够适应通道或拓扑中的任何变化。越区切换算法中假定节点或接入点都为协作状态。然而，一个组合的拓扑网络可能由非协作节点和独立节点（即遵循不同的网络结构和参数的节点）混合形成[11]。为了实现对分层混合结构中的无缝访问，本文也考虑了具有足够节点度的覆盖架构。

3 提出的切换方案

3.1 基于时间的切换架构

基于时间的方法是一种简单的贪婪策略。为了在虚拟切换体系结构中实现最少节点数量，该方法将具有最多邻居节点的节点选为虚拟头。为了减少切换数量，本文将此方法分为3个过程：虚拟头选举、反馈收集和基于时间的切换启动，算法过程如算法1所示：

在头节点选择阶段，本文使用贪婪算法（采用Kruskal算法），根据节点度选择头节点，并构建树结构。虚拟头节点收集用户信息、切换持续时间等信息，并存储在其位置寄存器（与VLR和HLR相同）中。算法依据平均停留时间来启动越区切换。

3.2 局部分簇切换架构

在切换过程中，本文提出一种“局部分簇”的分散式近似算法。分簇方法通常是将整个区域划分为较小的簇，并选出用于信息交换的簇头。本文提出了一种替代方法，首先，将整个区域分为两个区域，簇头在Hello报文随机选择的节点中产生，其中簇的大小由簇头节点确定，而不是由网络形成时划分的区域大小决定。然后，每当一个节点进入一个新的区域时，它就发送Hello报文，然后等待t秒。如果在这个时间间隔内没有接收到响应，它就成为一个簇头。如果它收到响应和一个新的ID，节点就知道该区域中已经存在簇头。如果数据包之间发生冲突，始发节点将会在另一个t s进行相同的过程，过程如算法2所示。：

簇结构构建完毕后，每个节点都将参与到路由和信息处理过程中。由于只有簇头参与每半个区域中的越区切换过程，所以簇头使用最小化的控制负荷就能保存该过程中的信息。为了维持拓扑结构和连接性，簇头仅在需要时使用叶节点。叶节点（也称为正常节点）仅参与信息的交换过程，当现有簇头失效时候，叶节点会变为骨干节点。

3.3 基于覆盖架构的切换架构

最初的网络是由稳定的节点构建，基于流量和用户需求进行覆盖形成[12]。假设场景中有两个自组织网络的无线拓扑结构和基础设施，每个拓扑结构都作为覆盖层来扩展连通性，然后在当前网络及其它子网络中开始切换任务，过程如算法3所示：

第一阶段中，算法构造一个结构化的覆盖层，允许移动节点连接到上述覆盖层的头节点。其它覆盖层由邻居节点计算获得，这样就形成了一个单一的网络。每个网络都可以通过其它叠加层传递消息，并同时执行多个切换任务。移动节点可以从一个网络移动到另一个网络，根据它们现有的资源加入新的网络。所有节点都可以加入或者离开不同的网络。由于本文使用了预先设定好的结构，所以拓扑结构维护较为容易。

为了实现切换过程，每个子网头节点维持三个寄存器：越区切换寄存器（HR）、停留时间寄存器（DWR）和切换时间寄存器（HTR）。每个寄存器的功能在下面给出：

1) 越区切换寄存器（HR）：每个节点的越区切换时间的实际值

2) 停留时间寄存器（DWR）：保持连接并不产生新的越区切换下的节点数量。

3) 切换时间寄存器（HTR）：每个节点的平均切换时间。

为了启动切换，每个头节点都要完成以下四4个步骤：

（1）计算越区切换时间（HT），即，HT= HT = HTR- HR- TT（TT：行程时间）。

（2）复位HT，因为该值在每个头节点进行每次越区切换后会改变。

（3）子网络内越区切换的持续时间为2个时间单位（固定值）。

（4）基于HT正值，将剩余时间被分配给其它网络越区切换。

4 实验分析

本文采用数值分析和模拟实验来评估无线网络中的切换性能。数值结果分析描述了时间寄存器的实时输入值和每个子网中头结点进行越区切换的参数，用于证明本文算法能够适用于真实应用场景。实验中使用了4种参数：

（1）越区切换的成功率，用于改变停留时间和覆盖区域；

（2）吞吐量；

（3）平均切换时延；

（4）数据包投递率。

头节点相当于基站或子网络中的移动站，通过网络中的其它头节点保持连接。

4.1 数值分析

在涉及越区切换过程的3个子网络中，虚拟簇头节点使用层结构作为第二级越区切换的引导。基站负责协调各子网络间头节点的所有活动。

用于计算每个节点越区切换时间的拓扑结构如图 2所示：

图2 切换时间的计算架构

行程时间（TT）被认为是每个头节点之间的传输时间。假设HTR的平均值为20个时间单位，HR为2个时间单位，切换时间为2个时间单位，行程时间为1个单位（在HT计算中分配给每个参数的是时间单位）。对于下一级的计算，TT的计算方法如如公式（3）：

本文计算了每个站的越区切换时间，结果如表1所示：

表1 子网络切换时间分配

从表1中可以看出，每一轮只有一个头节点被允许参与到其它站的越区切换初始化处理中。第1轮中把16个时间单位分配给虚拟头节点。第2、3轮分别把8个、16个的时间单位分配给其它两个头节点。这个过程一直持续进行，直到子网络节点所需的越区切换过程结束。

4.2 仿真分析

本节通过仿真实验评估了虚拟头节点、簇头节点和覆盖头节点的切换性能。网络配置如图 2所示。仿真网络包含200个节点，大小为1000× 1000m2部署区域，并设定Hello通信间隔为0.50s和随机点的生成模型。设定切换分析中仿真运行的持续时间为200s，暂停时间间隔为 10s，传输功率为 0.3W。开始时所有节点都是黑色；在第一级迭代中，基于该子网络的构造机制，每个网络被不同着色（虚拟头，绿色；覆盖头，灰色；簇头，红色；网络中最大的基站，蓝色）。本文分析了300s内不同速度水平（0.25 -1m /s）下的网络行为。

3种具有不同停留时间方法的切换成功率，如图3所示：

图3 不同停留时间下越区切换的成功率

切换成功率为越区切换请求量与越区切换的成功执行量之比。图3可以看出，覆盖头节点方法的最大值能够达到0.75，大约四分之三的切换请求通过覆盖结构被成功处理。传统虚拟头节点方法主要在头节点选举过程和树的维护中有较大问题，因此，它的成功率只能达到0.5。

第二阶段的仿真分析集中在以覆盖区为基础的切换上，不同的覆盖区域下越区切换成功率，其中假设每个移动站的覆盖区域在50m至 300m间变化。在初始阶段（50m），3种方法的成功率在50%至60%之间，然后开始逐渐升高，其中，局部簇方法达到最高的 92%。这是因为簇头节点的覆盖面积较大（500m），同一区域中不同簇之间有很高的切换成功率。如图4所示：

图4 不同覆盖面积下越区切换的成功率

其中假设每个移动站的覆盖区域在50m至300m间变化。在初始阶段（50m），三种方法的成功率在50%至60%之间，然后开始逐渐升高，其中，局部簇方法达到最高的92%。这是因为簇头节点的覆盖面积较大（500m），同一区域中不同簇之间有很高的切换成功率。吞吐量定义为每秒传输的位数，其直接受信道容量和控制负荷影响，吞吐量方面的分析。如图5所示：

图5 不同模拟时间中的吞吐量

可以看出，吞吐量随着停顿时间的不同而不同。曲线上升的原因是头节点参与了它们自己网络的越区切换过程；下降是因为头节点参与其它网络中越区切换过程，这时就需要更多的控制负载。三种方法中，虚拟头节点性能最好，能够实现1.2Mbps的吞吐量。

数据包投递率（PRD）为产生的数据包数量与成功传输的数据包数量的比值，PRD分析如图6所示：

图6 不同仿真时间下数据包的投递率

实验中从源节点发出128字节的数据包。一开始，所有的数据包在低密度网络中传输，三种方法在100s内性能都保持在75%以上。覆盖头节点结构在仿真结束时性能最差，PRD为50%，这是因为有其它子网络控制传输的介入。

3种越区切换方法的延迟。如图7所示：

图7 不同仿真时间下的延迟

仿真开始时，由于网络规模很小，延迟大约是 0.2s。每个网络的越区切换初始化过程和其它子网络头节点的参与过程都会形成延迟。由于过高的网络控制负荷，覆盖头节点方法在具有200个节点的网络中具有最大的延迟，在仿真结束时延迟为1.1s。

5 总结

切换方案中的子网络允许子网络头节点参与移动性的维护过程，使其能够更有效地利用网络资源。本文提出 3种切换方案，第一种方法中使用计时器来启动移动节点和头节点之间的切换。第二种方法将网络进行分簇，只有簇头参与越区切换过程，最小化控制负载，并通过叶节点维持拓扑结构和连接性。第三种方法中覆盖结构完全负责越区切换的启动，减少了与附近网络相关联的越区切换过程。通过模拟和数值分析，表明本文提出的三种方法在不同的参数环境下各有优势，在存在漫游移动节点的网络中都能够很好的实现网络切换。

本文没有考虑切换阈值和信号强度等因素，同时快速越区切换过程也需要额外的控制负载。在今后的工作中，会在网络架构中考虑上述因素，进一步提高网络切换方法的实用性。

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TP393 文献标志码：A

2015.04.26）

1007-757X(2015)08-0037-06

李 群（1977-），男，硕士，江西工业工程职业技术学院，计算机工程系，副教授，研究方向：无线网络，网络安全，萍乡，337055