（通信与信息系统专业论文）移动互联网中的切换技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 随着移动互联网在全球范围内的迅速发展，无线网络与互联网相承接的新业 务和新应用不断涌现，同时由于移动终端在移动速度、移动范围等方面存在越来 越高的需求，使移动互联网中的移动性管理技术，尤其是保持移动终端在移动过 程中连通性的切换管理技术成为移动互联网中的技术研究热点。 切换管理通过控制接入点的改变来保持终端在移动过程中的通信连通性，目 前的研究主要集中在提出更为有效的切换算法，优化切换流程，减少切换开销和 系统切换时延等方面。本论文以移动互联网中切换技术为重点，开展了一系列研 究工作，主要包括以下几个方面： 首先简要介绍了移动互联网的发展，阐述了切换管理在移动互联网中发挥的 重要作用，并针对链路层和网络层的切换策略和切换流程进行了详细的分析。 其次针对i e e e 8 0 2 1 6 j 中继网络接入互联网的跨子网切换方法进行了重点研 究，根据i e e e 8 0 2 1 6 j 中继网络的特点和优势，提出两种适用于i e e e 8 0 2 1 6 j 中继 网络的快速移动i p v 6 ( f m d v 6 ，f a s tm o b i l el l v 6 ) 切换方案，方案一在链路层切 换请求信令交互过程中增加新的信息，提前进行跨子网切换的判断以及避免重复 地址检测( d a d ，d u p l i c a t ea d d r e s sd e t e c t i o n ) 过程；方案二不改变链路层切换请求 过程的信令消息格式，减少了链路层的信令交互，降低切换信令开销。理论分析 和仿真验证表明，两种方案均可以在不同程度上减小系统切换信令开销，降低系 统进入f m i p v 6 反应模式的可能性并减小反应模式的切换时延。 另外，在基于资源预留的切换判决算法中，当移动终端到达资源预留门限时， 基站便为其预留资源，从而为即将到来的切换做准备，这会造成部分预留的资源 为空预留，即移动终端达到资源预留门限但最终未切换到该基站的情况。针对这 种不足，我们提出一种改进的资源预留切换判决算法，通过监测移动终端是否在 规定时间内到达资源预留门限，从来判断是否为其预留资源，提高资源预留的准 确性，减少空预留的情况。仿真验证了改进算法可以减少资源预留错误的次数， 提高系统的资源利用率。 关键词：移动互联网，切换，i e e e 8 0 2 1 6 j ，f m i p v 6 ，资源预留 重庆邮电大学硕士论文目录 a b s t r a c t 、i t l lt h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to ft h em o b i l en e t w o r k si nw o r l d w i d e ，i t sv e r y i m p o r t a n tt od e v e l o pn e ws e r v i c ea n dn e wa p p l i c a t i o n s w h i c hw o u l ds u i tf o rt h e c o m b i n a t i o no fw i r e l e s sn e t w o r ka n dt h ei n t e m e t a tt h es a m et i m e ，f o rt h ei n c r e a s i n g d e m a n d i n go fm o b i l et e r m i n a l si nm o v i n gs p e e da n dm o v i n gr a n g e ，m o r ea n dm o r e r e s e a r c h e r sf o c u st h e i ra t t e n t i o no nm o b i l i t ym a n a g e m e n tt e c h n o l o g yi nm o b i l e n e t w o r k s ，p a r t i c u l a r l yi nh a n d o v e rm a n a g e m e n tt e c h n o l o g yw h i c hc o u l dm a i n t a i n c o n n e c t i o nw i t ht h ei n t e m e td u r i n gt h em o v e m e n to fm o b i l et e r m i n a l s h a n d o v e rm a n a g e m e n tt e c h n o l o g yw a su s e df o rm a i n t a i n i n gc o n n e c t i o nt h o u g h c h a n g i n gt h ea c c e s sp o i n t sw h i l et e r m i n a l sm o v i n g c u r r e n tr e s e a r c h e r sf o c u s e dt h e i r a t t e n t i o nm a i n l yo l lp r o p o s i n gm o r ea c c u r a t ea n de f f e c t i v eh a n d o v e rd e c i s i o na l g o r i t h m ， o p t i m i z i n gh a n d o v e rp r o c e s s ，d e e r e s i n gh a n d o v e rs i g n a l i n go v e r h e a d i n g ，h a n d o v e r d e l a ya n ds oo n i nt h i sp a p e r , w ew i l lp a y o u ra t t e n t i o no nt h eh a n d o v e rt e c h n o l o g yi n m o b i l en e t w o r k s ，a n dc a r r yo u tas e r i e so fr e s e a r c hw o r k ，m a i n l yi n c l u d i n gt h e f o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s t l y , w ei n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n to fm o b i l en e t w o r k s ，e x p o u n d e dt h e i m p o r t a n tr o l ew h i c hh a n d o v e rm a n a g e m e n tp l a y e di nt h em o b i l en e t w o r k s ，a n a l y s i st h e l i n kl a y e ra n d n e t w o r kl a y e rh a n d o v e rs t r a t e g ya n dt h eh a n d o v e rp r o c e s si nd e t a i l s e c o n d l y , w ed i di n - d e p t hr e s e a r c ho nc r o s s - s u b n e th a n d o v e rm e t h o di nm o b i l e n e t w o r k sw h o s ea c c e s sn e t w o r ki si e e e 8 0 2 16 j r e l a yn e t w o r k s b a s e d0 1 1t h e c h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g e so fr e l a yn e t w o r k s ，w ep r o p o s e dt w on e wf m i p v 6 ( f a s t m o b i l ei p v 6 ) h a n d o v e rm e t h o dw h i c h c o u l ds u i tf o ri e e e 8 0 2 16 jr e l a yn e t w o r k s t h e f i r s tm e t h o da d d e dn e wi n f o r m a t i o ni nl i n kl a y e rh a n d o v e rr e q u e s tp r o c e s s ，r e d u s e dl i n k l a y e ri n f o r m a t i o ni n t e r a c t i o n s ，m e a n w h i l ed i dd a n ( i ) u p l i c a t ea d d r e s sd e t e c t i o n ) i n a d v a n c e t h es e c o n dm e t h o dd i d n tc h a n g el i n kl a y e rh a n d o v e rr e q u e s tp r o c e s s ，r e d u c e d l i n kl a y e ri n f o r m a t i o ni n t e r a c t i o n s ，s oa st or e d u c eh a n d o v e rs i g n a l i n go v e r h e a d i n g t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h et w om e t h o d sc a l lr e d u c e h a n d o v e rs i g n a l i n go v e r h e a d i n g , d e c r e a s et h ep o s s i b i l i t yo fs y s t e mt u m e di n t of m i p v 6 r e a c t i v em o d ea sw e l la sh a n d o v e rd e l a yi nf m i p v 6r e a c t i v em o d e i na d d i t i o n , w h e nm o b i l et e r m i n a lm o v et or e s o u r c er e s e r v a t i o nt h r e s h o l d ，t h eb a s e s t a t i o n sw i l ls e tr e s o i l r c ef o rt h eu p c o m i n gh a n d o v e ri nh a n d o v e rd e c i s i o na l g o r i t h m w h i c hb a s e do nr e s o u r c er e s e r v a t i o ns t r a t e g y , t h i sw i l lr e s u l ti ns o m ee m p t yr e s o u r c e 重庆邮电大学硕士论文目录 s e t t i n g ，t h a ti st os a y , t h em o b i l et e r m i n a lm o v e d t or e s o u r c er e s e r v a t i o nt h r e s h o l do ft h e b a e ds t a t i o nb u th a v en o td oh a n o v e rt ot h eb a s es t a t i o n f o rt h i sd e f i c i e n c y , w e p r o p o s e da ni m p r o v e dr e s o u r c er e s e r v a t i o nd e c i s i o na l g o r i t h m ，t h i sa l g o r i t h me s t i m a t e d w h e t h e rt os e tr e s o u r c ef o rm o b i l et m n i n a lb ym o n i t o r i n gt h ea r r i v a lt i m et h a tm o b i l e t e r m i n a lm o v e dt or e s o u l c er e s e r v a t i o nt h r e s h o l d t h i sa l g o r i t h mc o u l de n h a n c et h e a c c u r a c yo fr e s o u r c e r e s e r v a t i o n d u r i n g h a n d o v e ra n dr e d u c e e m p t yr e s o u r c e s r e s e r v a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ei m p r o v e da l g o r i t h mc o u l dr e d u c et h en u m b e r o fr e s o u r c er e s e r v a t i o ne r r o r sa n di m p r o v et h es y s t e mr e s o u r c eu t i l i z a t i o n k e y w o r d s ：m o b i l en e t w o r k s ，h a n d o v c r , i e e e s 0 2 1 6 j ，f m i p v 6 ，r e s o u r c er e s e r v a t i o n i i i 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 移动互联网概述 第一章绪论 回顾传统电信网的发展，经历了从有线传输到无线传输，再到现在的无线、 移动传输这样一个过程。不难想象，互联网也必然经历这样一个过程，即从固定、 有线互联网络到无线互联网络，再到移动互联网络的过程。 移动互联网的接入终端是移动的，包括手机、p d a 以及其它便携式手持设备。 接入终端使用无形媒介( 无线电波) 作为承载传输信息的物理媒介进行传输，不 需要通过有形线缆进行连接。 随着无线网络在全球范围内的迅猛发展，无线个域网( w p a n ) ，如i e e e 8 0 2 1 5 ； 无线局域网( w u 蝌) ，如i e e e 8 0 2 1 1 ；无线城域网( 帆n ) ，如i e e e 8 0 2 1 6 ： 无线广域网，如2 g 、3 g 等多种无线网络相互并存，多种无线网络与互联网逐渐走 向融合，使移动互联网呈现出日新月异的变化，移动互联网作为新媒体的作用和 影响力日益显现。 1 2 移动互联网的体系结构 移动互联网的总体设计目标是使移动终端可以在任意地方以任意方式接入到 互联网，同时保持通信的不间断。实现这一总体目标需要考虑的问题主要有： 如何保证移动终端在移动过程中维持连续的通信终端的移动性对诸多方面的影 响，如快速切换、路由协议的变化、安全等。 根据上述移动互联网的设计目标，移动互联网的体系结构可以分为两个层面： 一个是宏观层面，一个微观层面，分别如图1 1 和1 2 所示。 妒 一 图1 1 宏观层面的移动互联网体系结构 由图1 1 可以看出，从宏观角度看，移动互联网中的运动主体，即移动终端通 过无线链路连接到接入网上，通过接入网再连接到核心网。核心网负责维护互联 网主干网络的拓扑结构和路由信息，为接入网的各种数据提供统一的交换路由： 接入网主要是为异质异构的移动终端提供统一的接入服务，并对核心网屏蔽这些 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 移动终端的介质特征；移动终端则是移动互联网中的运动主体。 。一 r “ ? 移动终端的+ 二 j j 家乡子网 ? j + 至外地子网 一，f 图1 2 微观层面的移动互联网体系结构 图1 2 表示了移动互联网的微观体系结构，该图描述了移动终端离开家乡网络 移动到外地网络的情形。可以看出，移动互联网中的功能实体除移动终端，还包 括移动终端各自的家乡代理，外地子网的接入路由器等，移动终端通过连接到接 入网与互联网互联。 与移动i p v 6 功能实体相似，移动互联网的功能实体【l 】【2 】包括以下部分： 移动终端( m n ，m o b i l en o d e ) ，独立的移动体，可以自由的在互联网上运 动，类似于m i p v 6 中的移动节点( m s ，m o b i l en o d e ) ： 外地子网( f o r e i g nn e t w o r k ) ，即心在外地接入到互联网时所连接的网络； 家乡子网( h o m en e t w o r k ) ，即m n 最初所在的网络； 家乡代理( h a ，h o m e a g e n t ) ，位于家乡网络上，当m n 网离开家乡网络时， 为其提供数据转发功能，并负责维护m n 的位置信息； 外地接入路由器( a g ，a c c e s sr o u t e r ) ，在外地网络上为m n 或提供互联网接 入服务的路由器； 家乡地址( h o a ，h o m ea d d r e s s ) ，家乡子网为m n 配置的地址，一般来说，该 地址在m n 移动的过程中一直保持不变( 即作为m n 的身份标识) 。 转交地址( c o a ，c a r eo f a d d r e s s ) ，由a r 分配给m n 的临时地址，用于标识 m n 的当前位置； 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 通信节点( c n ，c o r r e s p o n d e n tn o d e ) ，与m n 进行通信的节点。 1 3 移动互联网存在的问题 随着移动互联网业务需求的不断增长，终端移动性的增强以及无线接入环境 的复杂状况，都使得传统互联网的的各方面技术难以支持移动互联网的需求。目 前移动互联网络理论与技术方面还存在的问题主要有以下几方面【3 】： 现有固定互联网络拓扑结构的理论与协议根本不能满足新型移动互联网络 的需要。传统互联网络最初是为数据通信设计的，而网络理论与协议仅仅适应于 网络拓扑结构相对的固定互联网络。移动互联网络对切换理论与协议在适应变化 性、服务质量等方面提出了更高的要求。 移动互联网对终端使用不同无线接入技术的支持。无线接入技术的不断进 步使得研究移动互联网络理论与协议成为可能，在设计移动互联网络时，首先要 考虑的是连接移动终端到互联网的无线接入技术。目前新一代蜂窝移动无线接入 技术、i e e e 8 0 2 1 6 以及i e e e 8 0 2 2 0 等接入技术的迅速发展，尤其是以i e e e8 0 2 1 6 协议为基础的w i m a x 4 】技术作为“最后一公里接入的最佳方案，集成了w i f i 无 线接入技术的移动性与灵活性以及x d s l 等基于线缆的传统宽带接入技术的高带宽 特性，在移动互联网的发展中发挥了巨大的作用。这将使移动互联网组网方式和 协议更加多样和复杂。 对移动终端高度移动性的支持。为支持移动互联网节点的高度移动性，i e t f 给出了基于口v 4 网络的m i p v 4 习( m o b i l ep v 4 ) 协议。由于m i p v 4 在地址资源、安全 性和切换性能等方面存在着很多缺陷，i e t f 又基于i p v 6 协议设计t m i p v 6 6 1 ，并相 继提出了一系列的草案与标准。这两个版本统称为m i p ( m o b i l ei p 协议，是比较典 型的面向终端运动的解决方案。m p 作为网络层移动性管理解决方案，存在切换时 延较大，丢包率较高的问题，由于m p 对链路层使用何种接入技术并没有定义，因 此针对不同的接入网的优势和特点，设计适用的m d 解决方案提高m p 的性能是亟 待解决的问题。 移动互联网的无线资源管理问题。移动互联网终端的高度移动性，使移动 互联网的切换过程十分频繁，如何解决移动互联网的切换过程中有限的资源分配 问题，也成为目前研究的热点。 在这种形势下，急需突破传统互联网的原始设计思想，研究新一代移动互联 网络的机理、理论与关键技术，特别是研究支持移动终端移动性的切换管理技术， 在移动互联网的发展中起着关键的作用。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 4 本文研究工作 与其它网络相比，移动互联网络对终端的移动性有了更高的要求，它要求移 动终端在移动过程中仍1 日能够使用已有的资源，传统互联网的最初的设计是为了 适用于拓扑相对固定的互联网，而现有互联网的理论和协议大部分都不符合移动 互联网发展的需求，比如对移动性支持的不足，对移动终端使用不同接入技术的 切换机制研究不足，对移动终端切换中的无线资源分配问题研究不足等。因此， 根据移动互联网的特点和用户的需求，研究移动互联网中的移动性管理技术，尤 其是保持移动终端在移动过程中连通性的切换管理技术成为具有挑战性的研究课 题。 本论文在对移动互联网的概念，存在的问题做了简要介绍之后，着重介绍了 移动互联网中的切换管理技术，并对终端通过i e e e 8 0 2 1 6 j 继网络接入互联网的 跨子网切换方法进行了分析，提出了两种适用于i e e e 8 0 2 1 6 j 继网络的f m i p v 6 快 速切换方案。 其次，通过对移动互联网无线资源管理策略的研究，结合资源预留的思想， 提出一种改进的资源预留切换判决算法，该算法通过利用移动终端监测其到达资 源预留门限的时间，来判断是否为本次切换预留资源。 1 5 文章结构安排 本文主要分为五个部分。 第一章绪论，介绍了移动互联网的概念、存在的问题，对当前移动互联网需 要解决的技术进行了探讨，进而提出了本论文的主要研究内容。 第二章着重关注移动互联网的切换管理技术。介绍了i e e e 8 0 2 1 6 j 中继网络接 入互联网的组网方式，并对该网络的链路层切换技术，以及基于移动口的网络层 切换技术进行详细介绍；同时对目前移动互联网无线资源管理策略进行介绍，明 确了移动终端在移动互联网中的研究现状和待解决的问题。 第三章根据i e e e 8 0 2 1 6 j 中继网络接入互联网的特点和优势，基于快速移动 i p v 6 预先切换的思想，提出了两种适用于i e e e 8 0 2 1 6 j 中继网络的跨子网切换方 案。方案通过在链路层切换信令交互中添加新的信息，提前进行跨子网切换的判 断并提前进行新的转交地址的配置，并使用移动终端的服务多跳基站代替移动终 端触发网络层切换，理论分析和仿真表明两种新的机制均利用中继网络的特点， 可以加速整个系统的切换速度，减小系统切换信令开销，同时能够在不同程度上 对系统进入反应模式的情况进行改善。 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第四章根据移动互联网的无线管理策略，结合资源预留的思想，提出一种改 进资源预留切换判决算法，该算法利用移动终端监测其到达资源预留门限的时间， 来判断是否需要为本次切换提前预留资源。通过仿真证明该策略能减少资源预留 算法中的资源预留错误次数。 最后，给出了本文的总结和未来工作。 重庆邮电大学硕士论文第二章移动互联网的切换管理技术 第二章移动互联网的切换管理技术 切换管理属于移动性管理所要着重研究的范畴之一，切换管理指的是移动终 端在无线网络中移动的时候，网络或者终端通过控制接入点的改变保证移动终端 在移动过程中的通信连通性，从而使网络持续为移动终端提供通信服务。随着移 动互联网各种应用的不断出现，尤其是近年来针对实时性业务的需求，使移动终 端对切换时延和切换质量有了越来越高的要求。 2 1 切换管理技术介绍 切换管理【7 】分为切换触发、路由重建、分组转发三步。切换触发，即根据一 些状态的变化产生切换过程，如信号强度的降低、负荷过载、带宽降低或缺乏、 新的更好的可用连接、代价和质量的折中、网络拓扑的改变等；路由重建，主要 涉及资源的发现和分配，为切换分配新的资源并完成附加的路由操作：分组转发， 改变后续分组的传送路径，根据q o s 要求从旧链接向新链接发送数据。切换时延 是衡量切换对业务性能影响的主要度量指标，切换时延等于断开旧链接到重新转 发分组到移动用户的新位置之间的时间，包括三部分：无线信道建立时延、子网 配置时延和绑定更新时延。提高切换性能的主要途径有减少切换信令开销、优化 切换流程以及移动探测和预测切换控制等。 目前切换主要研究方向是保证通信的要求，做到快速切换、无缝切换，保证 路由的有效性，提高切换的性能和速度。切换触发又可以分成三个连贯的过程：测 量，对目前通信的信号强度的监测以及对候选目标信号的检测：判决，根据测量 的结果决定是否进行切换以及如何进行切换，选择哪个目标切换过去；执行，新链 路的建立和旧链路的断开，这一过程根据链路建立和断开的时间顺序又可分为硬 切换、半软切换( 在切换实际发生之前先在新接入点建立路由缓冲的影射) 、软切 换等，而根据新旧链路的建立方式又区分为前向切换和后向切换，其中前向切换 是指由新接入点产生信令去断开旧接入点链路的切换方式，后向切换则是由旧接 入点产生信令去建立新的链路并进行切换。切换触发主要是和网络使用的具体接 入技术和链路层协议相关，由不同的实体控制切换的过程产生了不同的切换触发 方式，目前主要的有4 种方式，移动终端产生的切换；移动终端评估的切换；网 络产生的切换；移动终端辅助的切换。当移动终端在相同的无线接入网间移动时， 为了获得最合适的服务进行的切换为水平切换，而由于不同网络的接入点所采用 的接入技术的差异所进行的切换则为垂直切换。 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动互联网的切换管理技术 2 2 移动互联网中支持切换的协议 目前的无线接入技术，如蜂窝移动通信技术、i e e e 8 0 2 1 1 以及i e e e 8 0 2 1 6 等接 入技术的迅速发展，尤其是以i e e e8 0 2 1 6 协议为基础的w i m a x 系统作为“最后一 公里接入 的最佳宽带接入方案，集成了w i f i 无线接入技术的移动性与灵活性以 及x d s l 等基于线缆的传统宽带接入技术的高带宽特性，在移动互联网的发展中发 挥了巨大的作用。通常，终端在移动过程中会产生两种切换：链路层( l a y e r2 ， l 2 ) 切换和网络层( l a y e r3 ，”) 切换。链路层( l 2 ) 切换是指移动终端从当前 链路断开，与目标基站建立新的链路层链接的过程，这是由移动终端链路层使用 何种接入技术决定的。而当所要切换到的目标基站和当前服务基站在不同子网或 者不同网络中时，除了建立新的链路层链接外还要进行网络层( l 3 ) 切换，进行 新的口相关配置，如转交地址、默认路由、网络前缀等以保持连接，网络层切换功 能主要是由移动来完成的。 移动终端的。 ? 家乡子网 。 图2 1 移动互联网切换示意图 图2 1 表示了移动终端移动到外地子网所产生的子网内切换和跨子网切换。显 然，移动终端( 心) 由位置1 移动到位置2 所的子网内切换属于链路层( l 2 ) 切换， 只需要在链路层建立新的链接就可以完成，l 2 切换对网络层是透明的，也就是说 子网1 的接入路由器a r i 并不能感知此次的切换的发生，这部分切换功能是由链路 层切换功能所完成的。移动终端( m n ) 由位置2 移动到位置3 所产生跨子网的切换 不仅需要进行链路层切换建立新的链接，还需要触发网络层( l 3 ) 切换进行新的 转交地址的配置并与子网2 的接入路由器a r 2 建立新的路由，网络层切换功能通常 由移动d 完成。下面我们对链路层的切换管理技术和网络层切换管理技术分别进行 介绍。 7 重庆邮电大学硕士论文第二章移动互联网的切换管理技术 2 2 1 链路层接入技术对切换的支持 移动互联网链路层切换方案是由链路层所使用的接入技术所决定的，下面我 们针对i e e e 8 0 2 i1 ，i e e e 8 0 2 1 6 e 以及i e e e 8 0 2 1 6 j 的无线接入技术对链路层切换 方案进行详细介绍。 o i e e e 8 0 2 1 1 链路层切换 基于i e e e8 0 2 1 1 的无线局域网( w l 技术发展很快，并且在很多领域( 如宾 馆、机场、学校和大型商场等) 得到了广泛应用，基于8 0 2 1 l w l a n 系统可以提供 l l m b 甚至更高的网络访问速度，可使用便携式移动设备如p d a 、笔记本等随时 随地进行网络交互。然而目前的w l a n 应用还只限于数据的传输和简单的w e b 网页浏览，很多在有线口网络下的多媒体应用如v o l p 、音视频等在w l a n 下效 果并不是很理想，特别是在用户移动和跨接入点( a p ，a c c e s sp o i n t ) 切换时对传 输的服务质l ( q o s ) 涨大【8 1 。 图2 2 基于i e e e 8 0 2 1 1 的移动互联网网络架构 如图2 2 所示，在基于i e e e 8 0 2 1 1 的移动互联网网络结构中，移动终端m n 通过无线接入点( a p ) 接入互联网，移动终端在同一个子网的不同a p 间切换属 于l 2 切换。根据i e e e 8 0 2 1 1 协议【9 1 ，移动终端( m n ) 的链路层切换主要有三个 阶段，即发现接入点阶段、认证阶段和重连阶段，如图2 3 所示，每一个阶段都占 用一定的切换时延。 1 ) 在第一阶段( p r o b e ) ，m n 有两种方式对a p 进行搜索，即主动搜索和被动搜 索。当m n 由于某种原因失去和原a p 的联系或收到a p 信号的信躁比低于其预先 设定的门限值时就发起主动搜索模式；相反，a p 也定期发送信标( b e a c o n ) 信号表 明自己的存在，当m n 收到该信号时发现其信号强度高于目前正在连接的a p ，这 种情况即为被动搜索模式。 重庆邮电大学硕士论文第二章移动互联网的切换管理技术 2 ) 第二阶段即认证阶段( a u t h e n t i c a t e ) ，i e e e 8 0 2 1 1 协议规定只有通过认证以 后移动终端才能进行与网络的信息交互。目前商业化的w l a n 都有专门的a a a 服务器，提供认证、计费和账户管理等功能，一般情况下，a a a 服务器距离a p 很远，如果每次切换的时候，认证处理过程都经过a a a 服务器，势必增加切换的 延迟。为了缩短每次切换时的认证时间，s a n g h e o np a c k 等人提出了一种提前认证 的( p r e a u t h e n t i c a t e ) 快速切换模型【l 们，即m n 进入一个a p 的访问区域时，不但 和当前的a p 执行认证过程，而且邻近的a p 也执行和该m n 有关的认证。这样， 当m h 切换到一个新的a p 时，与该a p 有关的认证信息已经存在，省去了再与认 证服务器进行认证处理的时间，相应的切换延迟也进一步缩短。然而基于认证服 务器的方法不是很通用，很多用户在自己的网络内并不希望增加新的网络实体， 只要求在m n 和a p 之间执行该过程。 3 ) 重新连接( r e a s s o c i a t e ) ，前两步通过以后，便进入重新链接阶段继续数据 的传送。 a r c n 图2 3i e e e 8 0 2 11 链路层切换过程 然而，尽管i e e e 8 0 2 1 1 的切换过程有上面的三个阶段，但它并没有定义一种 a p 之问的无缝漫游协议。由于在新、1 日a p 之间的信息交换处理需要一定的时间， 切换的时延比较大。 ( 室) i e e e 8 0 2 1 6 e 链路层切换 i e e e8 0 2 1 1 的无线局域网实现了低价值、高速率的任意地方接入互联网，然 而，w l a n 却受限于有限的覆盖范围和较差的可扩展性。基于i e e e8 0 2 1 6 的宽带 无线城域网w m a n ( w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na c c e s sn e t w o r k ) 的引入为全球提供了可 扩展的最后一公里宽带接入。尤其借助于3 0 英里的覆盖范围和非视距的正交波分 复用( o f d m ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ，可以构建一个任何地 方都能接入的无线城域网。目前i e e e8 0 2 1 6 e 为宽带无线接入网络制定了支持移动 9 重庆邮电大学硕士论文第二章移动互联网的切换管理技术 的空中接口标准，使i e e e8 0 2 1 6 的基站可同时支持固定和移动的无线宽带接入。 i e e e8 0 2 1 6 e 支持终端以车载速度移动，i e e e8 0 2 1 6 e 技术主要应用于2 1 l g h z 的非 视距传播的点对多点( p m p ) 系统，单载波带宽可以提供约3 0 m b i t s 的有效接入速 率。 r - 图2 4 基于i e e e 8 0 2 1 6 e 的移动互联网网络架构 如图2 4 所示，在基于i e e e 8 0 2 1 6 e 的移动互联网网络结构中，移动终端m n 通 过w i m a x 基站( b s ) 接入互联网，移动终端在同一个子网的不同b s 间切换属于 l 2 切换。根据i e e e 8 0 2 1 6 e 协议，移动终端( m n ) 的链路层切换过程图2 5 所示。 切换过程如下： 1 ) 小区选择 当一个移动终端( m n ) 停留在一个子网中时，它周期的监听到服务基站 ( s e r v i n gb s ) 发送的邻居通告消息m o bn b r - a d v 来获得相邻基站的信道信息， 包括相邻基站标识号( b s d ) ，有利于与相邻基站建立同步，得到相邻基站的各种 频率、信噪比等链路信息。m n 可以通过解码m o bn b r - a d v 和m o bs c n r e p 消息，获得邻近b s 的信息，测量邻近的b s 的信号强度，从而为评估m n 切换到目 标b s ( t a r g e tb s ) 条件。 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动互联网的切换管理技术 m o b - n b r a d v m o bs c n r e q 。 r m o bs c n r s p 一 一 m o bm s h o - r e oh on o t i f l c a t i o n r h nn n t if ，a t a nk r h on o t i f i c a t i o nfs p m o b _ b s h o - r s p 。h0一not 【f i c a t i o nr s p _ rr a p e r o m a n r | a r ir s 牡1 m o bh 0 一i n dlm o bh o i n dl ( t a r g e tr s # 1 ) 7( t a r g e tr s # 1 ) 7 h t e e e8 0 2 1 6 n e t w n r kp n t r vn r n 伸h r 鼻 q p p a c k e t s 图2 5i e e e 8 0 2 1 6 e 链路层切换过程 2 ) 切换请求过程 服务b s 收集相应的测量信息和m n 报告的相关信息，通过m o bb s h o r e q 和 m o b _ b s h o r s p 的交互进行判决是否需要发生切换，服务基站( s e r v i n gb s ) 由 h o n o t i f i c a t i o n 消息发送请求的带宽、所需要的q o s 保证等信息给目标基站。目 标切换基站( t a r g ei t s ) 判断其能否满足m n 的服务要求，并给当前服务b s 回复 h o _ n o t i f i c a t i o n r s p 消息，报告自己能提供的q o s 等级。服务b s 根据收到的回应信 息，选择最优的切换目标基站。 3 ) 切换的执行 切换请求过程之后，m n 开始发切换起始消息m o bd d ，断开与服务b s 的连接。 h o 4 ) 网络的重进入过程 m n 通过测距( r a n g i n g ) 过程获取了所需要的参数后，那么网络的重新接入 过程就可以开始了。网络的重新接入包括了对m n 的授权、m n 基本能力协商以及 与新的服务r s 的注册过程。 i e e e 8 0 2 1 6 e 切换过程，通过链路层的信令交互，进行了目标基站的选择，增 强了切换的q o s 。另外由于基于i e e e s 0 2 1 6 e 的w i m a x 基站在市区覆盖半径仅为几 公里，而且数据传输速率随着与基站距离增加而递减，尤其处于基站覆盖边缘的 用户信号较差，影响了该系统商用的普及。i e e e 8 0 2 1 6 j 正是为解决此类问题制定 的标准，下面对基于i e e e 8 0 2 1 6 j 中继网络的链路层切换方案进行介绍。 i e e e 8 0 2 16 j 链路层切换 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动互联网的切换管理技术 以i e e e 8 0 2 1 6 j 标准为基础的中继网络【1 1 1 ，在i e e e 8 0 2 1 6 系统中采用中继技 术，使用中继站在基站与移动台之间转发信号，这样可以扩大i e e e 8 0 2 1 6 j 网络基 站的覆盖范围和系统容量，使系统性能得到提升并且付出的代价较小，从而可以 使建设w i m a x 网络的成本降低，系统的柔韧性提高。i e e e 8 0 2 1 6 j 标准继承了 i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的切换协议，并引入了中继站( r s ) ，当移动终端( m n ) 进入 不同的r s 覆盖范围内时，也会发生切换，这使得i e e e 8 0 2 1 6 j 网络的链路层( l 2 ) 切换更加频繁和复杂。 ? m r b s r s 3 r s 4 1 一 j 一。勾勺。： 1 | 子网1 r s 6 r s 5 子网2 ，。 图2 6 基于i e e e 8 0 2 1 6 j 的移动互联网网络架构 图2 6 表示了i e e e 8 0 2 1 6 j 网路接入移动互联网的网络结构，每个路由器( a r ) 对应一个或多个多跳中继基站( m 艮b s ) 。多跳中继基站( m r - b s ) 集中式管理着 自己服务区域内的中继站( r s ) ，中继站( i 峪) 负责在多跳中继基站( m r - b s ) 和移动终端( m n ) 之间转发数据( 在这里中继站是固定的) 。如图2 7 所示，链路 层切换切换过程【l 卜1 5 】有网络拓扑通知、扫描相邻基站、关联、切换发生、网络的 重进入等过程，切换流程如图2 7 所示。 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动互联网的切换管理技术 s e r v i n g r s s e r v i n g m r - b s t a r g e tm r b st a r g e tm r k s ( r s # 1 )( r s # 2 ) 图2 7i e e e 8 0 2 1 6 j 链路层切换过程 1 ) 网络拓扑通知 当一个移动终端( m n ) 停留在一个子网中时，它周期的监听到服务多跳中继 基站( s e r v i n gm r - b s ) 和中继站( r s ) 发送的邻居通告消息m o b _ n b r - a d v 来 获得相邻基站的信道信息，包括相邻基站标识号( b s d ) ，有利于与相邻基站建立 同步，得到相邻基站的各种频率、信噪比等链路信息。通常多跳中继基站( m r - b s ) 向它所管理的中继站( r s ) 发送邻居通告消息m o b，中继站(rs)收_nbr-adv 到它的服务多跳中继基站( m r - b s ) 发来的邻居通告消息m o b _ n b r - a d v 后，可 以将自己扫描或测量得来的信息添加到m o 啪r - a d v 消息中以适合自己的服务 区域。 2 ) 扫描和关联过程【l o j 在多跳中继网络中，由m r - b s 控制心的扫描，r s 负责在m r - b s 和m n 之间中 继转发相邻基站扫描消息( m o b _ s c n r e q 和m o b s c n - r s p ) 。服务m r - b s 给m n 分配一个时间段用于搜寻和扫描相邻基站( 可以是r s ，也可以是m r - b s ) ，从而选 择和监测适合作为m n 切换目标的基站。m n 根据相邻基站的d ，在分配的扫描时 间内与相邻基站的上下行链路进行同步，测量相应基站的接受信号强度( r s s i ) 和 载波干扰噪声比( c i n r ) ，并将这些测量值记录。在扫描时间内，服务基站暂停发 送指向该m n 的数据，将这些信息缓存，在分配的扫描间隔时间内再向m n 传输。 在扫描间隙中如果m n 测得某