基于移动漫游组播机制的预注册算法研究

李东旭++王彬++张成文

【摘 要】针对现有宽带无线专网漫游机制存在的延迟较大等问题，提出了一种组播预注册模型，基于高斯-马尔科夫预测算法，通过多参数加权的方式得到预注册的判断标准与切换阈值，可保证移动用户在发生漫游时业务传输的高实时性与不间断需求，并通过OPNET建模仿真证实了这一机制的有效性。

【关键词】预注册 组播漫游 无线专网 高斯-马尔科夫

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2017.02.017 中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2017）02-0082-06

引用格式：李东旭，王彬，张成文. 基于移动漫游组播机制的预注册算法研究[J]. 移动通信， 2017，41（2）： 82-87.

1 引言

无线通信是警务工作的重要组成部分，可以提高处置突发事件和应对自然灾害的反应能力，提高办案效率，在治安巡逻、打击犯罪、交通管制、灾后救援等方面发挥着不可替代的作用[1]。根据我国现阶段专网建设的发展情况，现有专网组播漫游机制多为针对公网进行模块添加后完成组播功能，无法适应专网尤其是军用警用系列网络高可靠性、低延时的要求，所以提出一种新的漫游机制显得较为重要[2]。本文通过对现有漫游机制的模拟，基于现有的警用无线专网的组播漫游机制进行改进，使其关键技术能适用于现有专网用户的需求。

2 专网组播漫游机制的研究

2.1 组播用户无线漫游机制

在专网的使用中，常常对漫游切换的低延迟要求更高。又由于在无线领域中信道稳定性及注册机制等问题的存在，导致原本适用于固定网络的组播机制在无线网络中应用时出现问题，现有宽带无线专网的漫游机制过程复杂繁琐[3]。如图1所示，传统的漫游注册及鉴权机制较为复杂[4]，漫游重连过程的延迟可以达到秒级别，使其无法很好地应对专网需求。

针对专网系统高可靠性、高安全性、低延时性的特点，本文提出了一种预注册漫游机制，即在组播用户的前进方向上，通过分析，判断出最有可能成为漫游下一跳的基站并完成预注册。用户在到达下一基站前，其组播注册功能已经提前完成，相关的（S，G）通道已经被加入基站的组播数据转发列表，用户能够实现无缝切换。

2.2 基于移动性的用户预注册模型及仿真分析

（1）体系结构及网络模型

在进行用户移动性判决时，通常使用远程加入算法[5]或双向隧道算法[6]。由于专网中对低延时要求大于节省路由开销的需求，因此本文中的算法主要基于远程加入模型进行改进。

当移动用户即将通过两个基站共同覆盖的区域时，用户通过内置定位芯片（GPS、GLONASS、北斗）获取自身位置信息（X，Y），并利用自身携带的惯性导航芯片计算出当前的运动速度vt及加速度at，利用IGMPv3协议[7]的保留字段封装于IGMP响应报文中，因此并不会增加额外开销，如图2所示。基站收到报告时，将字段信息取出并计算，即可得到移动预测算法所需的各项参数。

（2）移动预测算法

移动预测算法领域，高斯-马尔科夫移动预测模型[7]曾用于蜂窝网络快速定位，而后被应用于运动仿真，本文对其进行简化，进行二维空间的移动预测。

在图3中，基站0-2的位置分别为（x0， y0）、（x1， y1）、（x2， y2），其有效工作范围半径R相同，目前位置为（xt， yt），运动速度为v（t），运动方向如图3所示，夹角θ（t）为标准方向与运动方向的夹角。参数被封装在IGMP报文中，其发送间隔与报文响应时间相同。在移动设备内部，每隔k个时钟周期更新一次，时钟周期m根据移动速度由用户进行定义。假设用户与基站1、基站2、基站3的距离分别为r0、r1、r2，运动轨迹如图3中虚线所示，经过时间Δt后，用户的位置为（xt+Δt， yt+Δt）。

3 仿真结果与分析

3.1 数据接收判决机制的选择

根据上述切换机制，当用户远离原服务基站时，切换影响因子会改变。下面假定基站A的数据是取值介于2和3之间均匀分布的随机变量，基站B的数据是介于5到6之间均匀分布的随机变量。用户在行走过程中，依据上述准则进行接收通道切换。设判定阈值为0.5，对用户收到的数据进行分析。

从图6可以看出，在行进到两个基站中间位置时，开始进入切换区间，用户一开始稳定接收基站A的信号，然后逐渐在A与B之间跳变，最后再转为稳定接收B的信号。由于变量的随机变化性，因此会出现单次信号跳跃，用户数据接收并不稳定，这将对用户端设备带来极大的开销，不能满足实际应用需求。因此提出一种多次判决机制，用戶从第一次满足判决门限开始计数，只有其连续N次均大于判决门限时，再进行数据切换，仿真结果如图7所示。

仿真中，设切换规则为连续8次λ>0.5。从图8可以看出，由于此规则的设置，接收信号变得相对稳定。但还是会出现连续判决成立次数小于8次的抖动情况。为了解决这个问题，加入门限切换机制，效果如图8所示。

门限切换机制的基本原理是：当用户满足1次连续判决成立时，即将信号源稳定在切换后的基站上，无论信号如何抖动，不再接受来自于原数据源的信号，这样的机制保证了数据源的稳定。如图8所示，用户在完成一次判决条件成立后，数据源从基站A变为基站B，并能稳定接收来自基站B的信号。

3.2 基于OPNET的真实网络业务仿真

将上述漫游机制在OPNET网络中进行模拟[10]，假设主机Roaming在基站A与基站B中间进行漫游并接收组播数据，网络假设在10 km×10 km的范围内，其topo如图9所示：

对主机在漫游过程中的数据接收情况进行仿真，结果如图10所示：

图10表明，在改进前，用户漫游到基站A和基站B的边缘时，发生了数据包的丢失，主机流量下降，此时有一部分流量资源用于完成漫游的注册和组播组的连接。采用了新的漫游模型后，用户在漫游过程中，始终能够保持数据的稳定接收。仿真结果证明，新的组播漫游机制能很好地适应宽带无线专网的需求。

4 结束语

本文首先分析了现有的移动漫游组播机制，指出其造成的数据中断与抖动情形不适用于移动组播专网的需求。然后提出一种基于预注册的漫游机制，首先针对高斯—马尔卡夫算法进行分析，对其进行简化并得出了位置预判断模型。接下来结合用户与基站距离、信噪比、方向性因子提出了一种切换模型，并对模型进行了仿真。最后在OPNET软件中模拟了实际网络topo中用户漫游的情形，加入新的切换机制后，将前后用户接收数据的情况进行比较，证明了新的切换机制能很好适应专网组播移动性的需求。在下一步的工作中，将要对预注册算法进行合理优化，使其各项参数更加科学合理，以及在预注册报文的发送顺序上做以权衡，以避免在基站密集区域产生的大量预注册信息带来的流量激增问题。

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