（计算机系统结构专业论文）异构无线网络中低时延切换的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着无线网络技术的发展，现在在现实生活中有多种无线网络在同时被使用来为移 动用户提供无线应用服务。在下一代无线网络中，这些不同性质网络组成的异构网络必 将会占据主流地位。如今的无线应用服务大多以一些实时应用为主，例如v o i p 、多媒 体流服务等，为保证实时应用在无线移动网络中的质量，需要为其提供无缝的网络切换 以及网络服务质量保障技术。针对这个问题，现在已经提出的一些移动p v 6 技术对网 络切换做出了优化，然而这些方法不能够针对各种不同的网络场景分别进行最佳的优 化。这篇论文提出了一种基于移动节点运动情况以及节点位置的水平切换方法和基于 w i f i 网络与w i m a x 网络之间的垂直切换方法。在同构网络的水平切换中，移动节点 可以主动检测其当前的位置，并根据多次检测的结果分析其运动情况，对将要发生的水 平切换进行准确预测，这个方法可以减少路由器广播的频率，减小网络负载，最大程度 的利用网络可用带宽。通过动态调整移动节点的检测频率，优化水平切换性能，并减小 移动节点的负担。在异构网络中，垂直切换方法利用移动节点的速度作为设置触发切换 的主要影响因素，这种动态的方法可以在不同的无线网络场景中找到最优化的垂直切换 设置。同时，设置w i f i 网络的接入路由器的黑名单和白名单，避免不需要的垂直切换。 本论文的最后，在仿真平台上进行了不同场景的无线网络切换实验，通过对实验结果的 分析可以看出本文的方法对网络切换性能的优化有较大程度的改进。 关键词：异构无线网络；垂直切换；水平切换；w i - f i ；w i m a x 异构无线网络中低时延切换的研究 al o w l a t e n c yh a n d o f f s c h e m ei nh e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k a b s t r a c t a sn l ed e v e l o p m e i l to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y v a r i o u sw i r e l e s sn e t w o r k s h a v eb e e na p p l i e d h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k sw i l lb ed o m i n a n ti nt h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s s n e t w o r k s p r o v i d i n gas e a m l e s sh a n d o f f a n d q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) g u a r a n t e e si so n e o ft h e k e yi s s u e si nr e a l t i m es e r v i c e s s e v e r a lm o b i l i t yi p v 6s c h e m e sh a v e b e e np r o p o s e da n dc a n p r o v i d eu n i n t e r r u p t e ds e r v i c e h o w e v e r , t h e s es c h e m e sc a nn o th a n d l ea l ls c e n a r i o s t 1 l i sp a p e r p r e s e n t sah o r i z o n t a lh a n d o f fs c h e m et h a tr e d u c e st h eh o r i z o n t a lh a n d o f fl m e n c yb a s e do nt h e l o c a t i o na n dm o v e m e n tp a t t e r no fam o b i l en o d e ( m n ) a n dav e r t i c a lh a n d o f fs c h e m ef o r p r o v i d i n gs e a m l e s ss e r v i c e sb e t w e e nw i f ia n dw i m a xn e t w o r k s i nh o m o g e n e o u sn e t w o r k s a l lm nc a nd e t e c ti t sm o v e m e n ta c t i v e l ya n df o r e c a s tt h eh a n d o i f , w h i c ha l l e v i a t e st h e c o m m u n i c a t i o nc o s tb e t w e e nt h em na n di t sa c c e s sp o i n t ( a p ) f u r t h e r m o r e ，b ys e t t i n gt h e d y n a m i ci n t e r v a li na l la p p r o p r i a t er a n g e t h e 【n sb u r d e nc a na l s ob ea l l e v i a t e d i n h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s 。t h ev e r t i c a lh a n d o f fs c h e m eu s e st h ev e l o c i t yt ob ea ni m p o r t a n t m e t r i ct ot r i g g e rh a n d o f f a n dt h es c h e m ee l a s s i f i e st h e8 0 2 11a pi n t ob l a c k l i s ta n dw h i t e l i s t 1 1 1 es c h e m ec a na v o i du n n e c e s s a r yv e r t i c a lh a n d o f f f i n a l l y , b yp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nu s i n g c o m p u t e rs i m u l a t i o n s ，t h i sp a p e rs h o w st h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ec a nl o w e rt h eh a n d o f f l a t e n c y e f j i c i e n t l y k e yw o r d s ：h e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k ；v e r t i c a lh a n d o f f ；h o r i z o n t a l h a n d o f f ：w i f i ；w i m a x i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：星堑垄垒里丝堡壁堑塑筮笪堑宝 作者签名： 圭堡 日期：兰竺呈! 年竺月三竺日 导师签名：! 釜竺丛日期：兰4 年上二- 月三竺日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景和动机 无线网络技术最近几年有了突飞猛进的发展，越来越多的移动设备要求接入互联 网。人们通过无线技术来连接互联网获得资讯、服务和与他人进行沟通。无线网络的优 点是可以随时随地的接入互联网，这种无处不在的连通性使得无线技术成为网络发展的 必然趋势。由于无线网络中的节点基本上都是移动节点，这种节点不像有线节点那样位 于固定的所属网络中，移动性是他的主要特点。为了实现移动节点不受网络覆盖范围限 制的漫游，互联网工程任务组( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，i e t f ) 提出了移动i p v 6 ( m o b i l ei p v 6 ) 协议，移动i p v 6 自然成为了移动接入互联网的首选方案。现今主要的无线 网络技术都是基于移动口协议的。每一个移动节点总是由其家乡地址标识，而与其当 前连接到的i n t e r n e t 位置无关。当移动节点不在家乡网路时，他会配置一个转交地址， 转交地址提供了其当前接入i n t e r n e t 的位置信息。家乡代理把以该移动节点为目的地址 的数据报通过一个隧道发送到其转交地址，再通过当前网络把数据报传送到移动节点。 当一个移动节点从当前接入网络移动到另外一个网络中，节点与其他主机间的当前 连接由一个接入点转移到另外一个接入点的机制和过程，我们称为“无线网络切换”。 移动节点要连接新的无线网络，就需要从当前连接的网络断开，然后在与新网络进行连 接。在网络切换的过程中，不可避免的会造成网络服务的延时、数据报的丢失等情况。 尤其现在无线实时服务的广泛应用( 例如网络电话v o i p ) ，对网络时延及数据丢包率 都有更加严格的要求。但移动口缺乏快速的切换支持，切换时会引起较多的分组丢失， 难以满足未来移动网络蜂窝小、切换频繁、支持大量用户和多媒体应用的需求。切换性 能的好坏对移动网络的性能和服务质量提供具有至关重要的影响。为了解决这个问题， 降低网络切换时延，为节点在移动过程中提供无缝的网络服务，是这篇文章的研究的起 始动机。目前对移动支持协议切换性能的研究，大量工作集中在通过仿真的方法对移动 支持协议的各项性能指标，如切换时延、切换时的分组丢失和切换对应用层吞吐量的影 响等方面进行比较。 1 2 国内外相关问题的研究及分析 由于下一点无线网络并没有一个统一的标准，出现了不同协议、不同配置的多种无 线网络同时存在的情况。在这种情况下，移动节点在网络切换时会遇到两种情况：同性 质网络之间的水平切换和不同性质网络之间的垂直切换。在进行垂直切换时，不仅仅网 络路径的变化，同时也必须使用对应网络的封包格式才能在不同性质的异构网络之间顺 异构无线网络中低时延切换的研究 利的完成网络切换。所以，必须针对两种不同的切换，分别进行研究，使得移动节点在 复杂的无线网络环境中能够获得无缝的网络服务。 1 2 1 无线网络研究 图1 1 下一代p v 6 无线网络构架 f 迳1 1 n e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sn e t w o r kb a c k b o n e 伴随人们生活水平的提高和便携移动网络接入设备的普及，人们已经不再满足当前 移动通信网络提供的简单的语音通信服务，要求移动服务运营商能够在无线环境下提供 与固定接入通信同样的业务。通过分析近几年技术发展和应用的状况，未来移动应用的 发展的新特点如下【i 】： 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 由用户主导业务、甚至由用户自己创建业务将是未来移动通信网络主要应用之 一。用户想要自己来主动选择业务，甚至是自己创造新的业务并提供给其他人使用，并 能方便的与其他同类用户实现互动，这是网络虚拟社区的高级表现形式。 ( 2 ) 无线宽带网络多媒体应用业务的时代即将到来，这必然会占据大部分的网络传 输带宽。无线网络进入宽带时代会出现更多的宽带应用，无线网络视频、w e b 2 0 应用 和p 2 p 应用标志未来无线网络应用向多媒体应用发展。这些多媒体应用将成为未来无线 网络的主流，而且将会消耗大量的网络资源。 ( 3 ) 不同类型的无线网络将走向融合。得益于科技的进步，现在的移动终端能够支 持各种不同的通信标准，制造商将不同的无线接入技术在一个终端上通过多模多频的形 式整合起来，使得不同类型的无线网络走向融合。 未来无线应用发展的新特点对无线网络研究和设计带来更多的挑战。当进入了以用 户为中心的时代后，无线网络不仅要面对众多的业务需求，还要适应大量移动终端的移 动性和大容量码流，这就要保证无线网络具有鲁棒性和自组织自适应能力。未来无线网 络的特征可以概括为：异构、宽带、融合、移动，其中异构性是其最主要特点。虽然理 论上各种无线网络都可以做到通信的全覆盖，但是没必要也不能这样做。不同的无线网 络技术有其专门适应的领域，例如室内的无线局域网使用了电话线、双绞线、光纤以及 i e e e8 0 2 1 1 等技术，将这些技术与i e e e8 0 2 1 6 技术结合起来共同组网，就没有必要让 针对无线城域网设计的i e e e8 0 2 1 6 技术专门为室内提供服务，从而实现不同通信网络 技术的效率，保证用户可用无线网络带宽的最大化。于是，我们可以通过不同技术的组 合来实现一个最优的无线网络框架，这个新的框架不但可以充分利用了现有的各种网络 基础设备，而且将较复杂的技术转移成新的容易实现的技术，同时根据网络将用户分流， 保证了每个用户享有的可用带宽。图1 1 所示是下一代无线p v 6 网络的框架。 无线局域网中应用最广泛的是i e e e8 0 2 1 1 协议。i e e e 的8 0 2 1 1 工作组是无线局 域网标准的两大主要开发组织之一。经过多年努力，i e e e8 0 2 1 1 已经发展成为了一个 系列标准，其中与1 9 9 7 年6 月公布的i e e e8 0 2 1l 标准被认为是第一代无线局域网标准， 定义了工作在2 4 g h z 开放频段的物理层( p h y ) 和媒体访问控制层( m a c ) 规范，支持 2 m b i t s 的数据传输速率。8 0 2 1 1 标准主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用 户终端的无线接入，其业务范围主要限于数据存取，速率最高只能达到2 m b i t s 。1 9 9 9 年9 月通过的i e e e8 0 2 1 1 b 工作在2 4 - - - 2 4 8 3 g h z 频段，使用带冲突避免的载波检测多 路访f 口- j ( c s m a c a ) 作为路径共享协议，物理层调制方式为补码键控( c c k ) 的直接序列扩 频( d s s s ) 。 异构无线网络中低时延切换的研究 i e e e 又在2 0 0 1 年1 1 月批准了新的8 0 2 1 1 9 标准。8 0 2 1 1 9 既可以工作于2 4 g h z 频率下提供11 m b i t s 的传输速率，也可以在5 g h z 频率下提供最高5 4 m b i t s 的传输速 率。8 0 2 1 1 9 通过规定两种调制方式，不仅达到了用2 4 g h z 频段实现8 0 2 1l a5 4 m b i t s 的数据传输速度，也保证了与8 0 2 1 1 b 产品的兼容性。表1 1 列出了8 0 2 1 1 、8 0 2 1 1 a 、 8 0 2 11 b 和8 0 2 1 1 9 标准的主要技术参数。作为局域网的扩展，基于i e e e8 0 2 1 1 协议的 无线网络已经在很多地方进行使用，例如：办公室、家庭、咖啡馆、商场和机场等。 表1 1i e e e8 0 2 11 系列标准主要技术参数 t a b 1 1m a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fi e e e8 0 2 11 i e e e8 0 2 1 1 最主要的特点就是使用无线信号来替代传统有线网络中的电缆，使网 络结构更加灵活，用户接入互联网更加便捷，因为8 0 2 11 使用的频率不需要授权，任何 的个人、团体或企业都可以利用8 0 2 1 1 建立无线网络。8 0 2 1 l 的优点： ( 1 ) 安装简单。一般来说，建设周期最长和对网络周围环境影响最大的过程就是网 络规划。8 0 2 1 1 最大的优势就在于它避免和减少了此过程的巨大工作量。 ( 2 ) 使用灵活。传统的有线网络中，移动终端设备只能在固定的接入点与互联网连 接。然而在8 0 2 1 1 网络无线信号覆盖范围中移动终端可以在任何位置接入互联网。 ( 3 ) 可扩展性。由于无线网络不使用有线电缆的特点，其网络配置更加灵活，可以 按照不同的需求选择不同的无线网络配置。 ( 4 ) 低消耗。有线网络受接入点位置固定的特点，移动终端在接入时需要消耗大量 线缆和设备，而8 0 2 1 1 网络可以在其信号范围内为多个终端提供服务，节省资源消耗。 w l m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c e e s s ) 是当前信息技术领域最 热门的话题之一【2 】。随着网络应用的发展，传输速率已经成为制约无线网络发展的瓶颈。 i e e e8 0 2 1 6 网络覆盖的范围最大可达5 0 公里，可提供最高达7 0 m b i t s 的传输速率，这 是一项非常具有吸引力的技术，给无线网络应用带来了很大的发展空间。w i m a x 系统 大连理二亡大学硕十学位论文 具有开放协议标准、实施成本低廉、保证q o s 服务等优点，因而受到众多通信设备厂商 和运营商的支持。w i m a x 已成为i e e e8 0 2 1 6 标准的代名词，是一种能提供高速连接 的面向城域网的宽带无线接入技术。w i m a x 推行的i e e e 8 0 2 1 6 标准不仅具有高数据传 输速率优势，而且同时支持大范围的移动性。w i m a x 在部署、配置、安全性、q o s 、 长距离覆盖等方面优势突出，尤其适用于解决城域网建设的“最后一公里接入问题。 w i m a x 的优势主要体现在，这一技术集成了w i f i 无线接入技术的移动性与灵活性， 及x d s l 等基于线缆的传统宽带接入技术的高速率特性，其技术优势如下： ( 1 ) 覆盖范围远、传输速率高。w i m a x 采用正交频分复用技术技术，能有效对抗 多径干扰；同时采用自适应编码调制a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ( a m c ) 技术，可以 实现信号传播范围和传输速率的折衷；此外，还采取自适应功率控制，根据信道情况动 态设置发射功率。从而使得w i m a x 具有更大的传输范围和更高的传输速率。例如，当 信道状态较好时，可以将调制方式设定为6 4 q a m ，同时采用编码效率更高的信道编码， 提高传输速率，w i m a x 最高传输数率可达到7 0 m b 彬s ；相反的，若信道传输状态较差， 基站无法建立基于6 4 q a m 的连接时，可以切换到1 6 q a m 或q p s k 调制，并采用编码 效率较低的信道编码，这样可以提高传输的可靠性、增大信号覆盖范围。 ( 2 ) 没有“最后一公里”的瓶颈，系统容量大。作为一种宽带无线接入技术，w i m a x 接入灵活、系统容量大。服务提供商无需考虑布线、传输等问题，只需要在相应的场所 架设w i m a x 基站。w i m a x 不仅支持固定无线终端，还支持便携式和移动终端，能适 应城区、郊区以及农村等各种地形环境。一个w i m a x 基站可以同时为众多客户提供服 务，为每个客户提供独立带宽请求支持。 ( 3 ) 提供广泛的多媒体通信服务。w i m a x 可以提供面向连接的，具有完善q o s 保 障的服务，满足用户的各种应用需要。 ( 4 ) 提供安全保证。w i m a x 系统安全性较好。w i m a x 无线接1 2 1 专门在m a c 层 上增加了私密子层，不仅可以避免非法用户接入，保证合法用户j i l 页n 接入，而且提供加 密功能，充分保护用户隐私。 ( 5 ) 具有广泛的应用范围。w i m a x 可以应用于广域接入，集团宽带接入，家庭“最 后一公里”接入，热点覆盖，移动宽带接入以及数据回传等所有宽带接入市场。值得提 出的是，在有线基础设施薄弱的地区，尤其是广大农村和山区，w i m a x 更加灵活、成 本低，是首选的宽带接入技术。 由于技术定位的不同，覆盖面积较大的w i m a x 在广范围覆盖上会占有较大的优 势，但w i f i 由于覆盖面积小，覆盖范围内用户数较少，形成w i f i 较快、延迟较小的 特性，同时使用w i f i 的成本较低，这些成为w i f i 市场占有率逐渐升高的主要因素。 异构无线网络中低时延切换的研究 从以上技术和市场分析来看，在未来3 到5 年里，w i f i 并不会因为w i m a x 而消亡， 两者将会长期互补共存。 异构无线网络可以在某一区域内提供一种或多种无线网络接入方式 3 】。当前使用以 及未来将投入使用的移动设备往往拥有多种网络接口，最基本的如w i f i 、g p r s 、蓝牙， 将来还会集成w i m a x 等无线接口。在移动终端中集成多种无线接口使终端能够在任何 网络环境中都能够接入互联网。但是往往某个区域会有一种或多种接入方式，如果能够 根据各种接入方式不同的性能、代价等因素进行合理的调整，选择性价比较高的接入方 式，甚至同时利用多种无线接口接入方式，提供更大的带宽，则可以为移动用户提供更 多的选择。对于移动设备多接口的研究，将为用户带来多种便利，可以归结为： ( 1 ) 提供无所不在的连接。例如，当一个移动节点正在利用w i f i 接入方式进行v o l p 通信，而该w i f i 网络只覆盖了某些热点地区。当移动节点移出当前网络范围后，v o l p 通信可以自动切换到w i m a x ，利用w i m a x 接入方式继续进行通信。从而为用户提供 无所不在的连接。 ( 2 ) 重定向已经建立的会话。当一个移动节点正在进行语音通信，在通信过程中， 用户希望同时进行视频通信。而当前用户使用的接入方式不能提供如此高的带宽，如果 用户同时在w i f i 的覆盖范围内，这时音视频通信就自动切换到更高带宽的w i f i 网络 内。而这一切都不需要用户干预，对用户是完全透明的。 ( 3 ) 根据用户策略使用接口。当一些接入方式上下行链路不对称，如卫星链路只为 普通用户提供了极其便宜的下行链路，a d s l 网络上行链路带宽低于下行链路带宽，或 者在某些时候定期拥挤时，如在工作时段时，w i f i 网络就会出现网络拥塞。这时，用 户可以根据个人需要选择，通过a d s l 链路发送t v 广播的请求和更新命令，而通过卫 星链路来接收这些节目，当工作时段时，主要通过a d s l 传输数据，空闲时段时切换到 w i f i 网络。 ( 4 ) 选择最优的传输方式。当用户同时具有几种不同性质的接入方式时，如只提供 下行链路的卫星链路，速度较低的g p r s 接入。此时，用户需要进行音视频通信，而任 一种接入方式都不能满足需要。这种情况下，可以通过g p r s 网络上传数据，而通过卫 星链路下载数据，这样就可以满足用户需要。 ( 5 ) 将通信在不同的网络分流。当一个移动节点同时使用两种接入方式进行通信， 如覆盖范围广泛的w i m a x 和只覆盖某些区域的w i f i 。，当移动节点经过两种都覆盖的 区域时，就将现有通信在两个网络进行分流；当经过只有w i m a x 覆盖的区域时，就将 所有通信切换至该网络。 大连理工大学硕十学位论文 ( 6 ) 提供可靠性传输。当需要传输对于实时性要求很高的数据时，移动节点可以同 时使用多种接入方式来提供可靠性传输，这样可以防止某一种接入方式出现延时或者失 效。 ( 7 ) 提供高带宽。当移动节点具有多种接入方式时，可以同时利用这些接口以增加 带宽。 1 2 2 水平网络切换研究 在基本的移动口v 6 协议的框架下，移动节点在发生切换过程中无法进行数据包的 传递。切换过程从移动节点从一个接入点断开，直到从下一个接入点获取新的转交地址， 而这样一个过程对于实时业务来说是不允许的。因此，在无线网状网中，如何使得移动 节点在切换的过程中保持流畅的、连续的通信非常重要。只有保证切换中的时延和丢包 率在一个可以接受的水平，才能实现移动多媒体实时服务的广泛部署。而移动i p v 6 协 议中没有说明如何优化移动节点在切换过程中的性能，如何实现无缝切换是当前无线网 状网面临的挑战。为应对这个挑战，i e t f 提出了分级移动口v 6 技术和快速移动i p v 6 技 术。目前国际上通用的对下一代移动通信系统的切换定义包括：水平切换和垂直切换。 采用同一技术的网络之间的切换称为水平切换。水平切换是基于移动节点接收到的 信号强度、新网络的有效资源来确定是否切换，如果信号强度降低到预先设定的某一门 限值时启动切换，从而改变接入网络。在网络控制切换或移动节点辅助切换时，由网络 确定切换；在移动节点控制切换时，移动节点自己测量信号强度，做出切换决策。在执 行切换时，移动节点可先与目标基站建立连接之后再释放原有连接，也可先中断原有连 接后再与新基站建立连接，这两种情况下的切换就是通常所说的硬切换，即移动节点一 次只能通过一个基站的一个信道通信；移动节点也可以同时与多个基站通信，俗称软切 换，即在选择它的接入点之前可同时监听候选基站集。水平切换主要步骤【3 】： ( 1 ) 侦测阶段。移动节点依据系统设计、网络实施和网络用户的需求设置，侦测到 需要进行切换。w i f i 内的切换通常发生在以下两种情况：发现当前的接入路由器负载 过重；从服务质量的角度或价位的角度发现另外一个更合适的连接。 ( 2 ) 寻找阶段。寻找阶段包含移动节点发出的一系列扫描，用来寻找临近的接入点。 移动节点可以在允许传输频段的子集内进行扫描。在每个信道上，具有两种扫描模式： 主动模式和被动模式。在被动扫描中，各接入点以固定的时间间隔广播路由消息，消息 中包含时间戳、容量、信标间隔、e s s i d 和业务指示表等信息。移动节点简单监听所有 可以接收到的路由广播，利用广播中的信息区分不同的接入点，同时把自己和具有最强 广播信号的接入点进行连接。被动扫描将导致较长时间的延迟。在主动扫描中，移动节 异构无线网络中低时延切换的研究 点向所有能收到新的接入点发送探测请求，收到探测的每个接入点发送一个探测响应 帧，所有的探测响应包含的信息除业务指示表外都是相同的信息。移动节点选择路由广 播或探测响应最强的接入点作为新的接入点并发送重新连接请求帧。重新连接请求帧包 含移动节点和以前连接的接入点的相关信息。 ( 3 ) 执行阶段。切换执行阶段分为两步：认证和重新连接。一般在重新连接前，移 动节点需要通过新接入点的认证。移动节点向新接入点发送认证请求，新接入点返回认 证应答。如认证应答为a u t h e n t i c a t i o na c k ，表明移动节点通过新接入点认证，否则节点 没有通过认证，节点选择其它的接入点或重新发送探测请求。如通过认证后，新的接入 点会发送一个重新连接响应帧，响应帧含有该接入点支持的比特率和恢复通信所需的相 关信息( 如信道号) 。此后，移动节点就切换到给定的信道上。 9 图1 2 分级移动口v 6 网络体系 f i g 1 2 h m p v 6w i r e l e s sn e t w o r ks l a - u e t u r e 分级移动i p v 6 ( h m i p v 6 ) 机制引入了一个新的功能节点【4 】：移动锚点( m a p ) ，并对 移动节点的操作做了少量改动，对端节点和家乡代理的操作没有改变。分级移动i p v 6 对移动i p v 6 进行了扩展，修改和定义了新的消息格式：( 1 ) 本地绑定更新( l o c a lb i n d i n g u p d a t e ) ；( 2 ) 邻居发现扩展( n e i g h b o u rd i s c o v e r ye x t e n s i o n ) 。当移动节点进入一个外地 大连理工大学硕十学位论文 网络时，可以根据路由器发送的广播消息来判断是否有移动锚点存在于当前的网络中。 如果没有，则按照移动i p v 6 的方式运行；如果有，则根据路由广播信息生成l c o a 和 r c o a 。生成l c o a 后，接着执行重复地址检；! 贝t j ( d a d ) 来确定地址是否已经存在。然后 生成r c o a ，向移动锚点发送一个绑定更新请求，要求建立一个r c o a 与l c o a 的绑定。 移动锚点收到移动节点的请求后，对r c o a 进行重复地址检测，成功后向移动节点发送 绑定更新的应答。当在移动锚点上成功建立了l c o a 和r c o a 的绑定，移动节点对家乡 代理以及通信对端发送绑定更新消息，建立r c o a 与归属地址的绑定。当家乡代理和通 讯对端发送数据包给移动节点时，可以把数据包直接发送到r c o a ，移动锚点以代理的 方式接受这些数据包后，再通过隧道转发给移动节点的l c o a 。在完成所有绑定更新步 骤后，移动节点如果只在移动锚点的覆盖范围内移动，则只需要对m a p 注册新的l c o a 。 当离开原来的移动锚点覆盖范围的时候，需要同时注册l c o a 和r c o a 。与移动i p v 6 相比，可以减少绑定更新的发送数量，并且减少由于家乡代理较远时由信号传播产生的 延时。分级移动i p v 6 网络结构如图1 2 所示。 快速移动i p v 6f f m i p v 6 ) 技术的设计目标是使移动节点检测到新的链路时尽可能早 的发送数据包，以及在接入路由器检测到移动节点接入后将数据包尽快发送给移动节 点。快速移动i p v 6 是三层切换技术，与底层的链路技术无关。同时，快速移动i p v 6 与 移动i p v 6 完全兼容，可以极大的减少切换导致的延时。快速移动口v 6 增加的消息定义： ( 1 ) 代理公布路由器请求消息( r o u t e rs o l i c i t a t i o nf o rp r o x ya d v e r t i s e m e n t ，r t s o l p r ) ，该消 息是移动节点发给原接入点，用于让路由器发送代理路由器公布消息；( 2 ) 代理路由器 公布消，皂l , ( p r o x yr o u t e ra d v e r t i s e m e n t ，p r r t a d v ) ，该消息有接入路由器发给移动节点， 用来提供邻居路由器的链路层地址、p 地址、子网前缀等信息，是对代理公布路由器请 求消息的回应；( 3 ) 切换发起( h a n d o f f i n i t i a t e ，h i ) ，该消息是原接入路由器发给新接入 点，用来启动一个切换；( 4 ) 切换确认( h a n d o f f a c k n o w l e d g e ，h a c k ) ：( 5 ) 快速绑定更 新( f a s tb i n d i n gu p d a t e ，f b u ) ：( 6 ) 快速绑定确认( f a s tb i n d i n ga c k n o w l e d g m e n t ，f b a c k ) ； ( 7 ) 快速邻居公布( f a s tn e i g h b o ra d v e r t i s e m e n t ，f n a ) ，该消息是移动节点发给新接入点， 用来通知接入路由器已经进入其覆盖范围的消息。快速移动i p v 6 是一种允许和移动节 点在进入新的网络前配置完成转交地址的技术，基本思想是在新的接入点处尽快恢复m 连接，在真正完成在家乡代理和通讯对端的注册前，新的接入点就可以向移动节点传递 口数据包。实现这一功能，需要通过在新的接入路由器和旧的接入路由器之间建立隧道。 实时业务可以在移动口注册之前就得以恢复，由于移动口注册需要耗费较长的时间， 因此，快速移动i p v 6 技术可以明显的缩短切换延时。快速移动i p v 6 链路层切换过程【4 】： 异构无线网络中低时延切换的研究 p a rn a r 图1 3 快速移动i p v 6 切换过程 f i g 1 3 f m i p v 6h a n d o f f p r o c e s s ( 1 ) 移动节点检测到与现有接入点的无线信号发生衰减，需要进行切换。 ( 2 ) 移动节点通过扫描，来寻找可用的一个或多个接入点，移动节点可以获得这些 接入点的物理层信息。 ( 3 ) 移动节点选择一个接入点，与其物理层和m a c 层参数进行同步。 ( 4 ) 节点向新的接入点发送一个认证请求。 ( 5 ) 节点请求进行关联和重关联。重关联请求包括旧接入点的m a c 地址。 ( 6 ) 新的接入点在局域网段上发送二层更新包，更新所连接的以太网网桥上的二层 桥表。 快速分级移动i p v 6 技术( f h m i p v 6 ) 是将h m i p v 6 和f m i p v 6 技术结合起来，进一步 优化切换性能。 大连理t 大学硕士学位论文 1 2 3 垂直网络切换研究 垂直切换：采用不同技术的网络之间的切换，一般可以分为被动切换与用户切换。 被动切换由与网络接口有效性有关的物理事件触发，而用户主动切换由用户策略和喜好 决定。垂直切换也可分为下行垂直切换和上行垂直切换。下行垂直切换是指移动节点从 覆盖范围大的小区切换到覆盖范围小的小区，上行垂直切换是相反的过程。下行垂直切 换对时问不太敏感，而上行垂直切换对时间更为敏感。垂直切换过程主要包括三个步骤 【5 】： ( 1 ) 系统发现：在异构网络中，移动节点具备多种网络接口。节点寻找可达无线网 络最简单的方法就是一直使它的所有网络接口都处在接收发送状态。然而，无论是否接 收发送分组，都会极大地消耗活动接口的能量。因此，需要采用一种高效的网络发现机 制。另外，为了使节点尽快获取新的无线网络的服务，要求能够快速发现网络。能量消 耗和网络发现时间是网络发现最重要的两个因素。网络接口周期性地活动以接收路由公 告，活动频率将直接影响网络的发现时间。活动频繁的网络接口能够快速发现可达的无 线网络，但是它的能量也将很快耗尽。活动不频繁的网络接口可以有效地利用能量，但 它发现可达无线网络的速度会比较慢。所以，能量消耗与网络发现时间之间存在矛盾关 系。 ( 2 ) 切换判断：异构无线网络中各种物理层技术会产生不同的接收信号强度。在同 构网络中，移动节点通常可以根据接收到信号强度决定切换开始的时刻。然而，接受信 号强度作为移动节点在异构网络间的网络侦测判决机制，会引起“乒乓效应( p i n g - p o n g e f f e c t ) ”，乒乓效应是移动节点在不同基站间切换过程中的一种现象。在异构网络中， 如果切换判决仅仅依赖于接受信号强度，那么在两基站重叠区域的边缘就会发生乒乓效 应。同样地，如果判决因素变化很快，而且m t 在发现新无线网络后立即执行垂直切换， 那么在异构网络中就会产生乒乓效应。 ( 3 ) 切换执行：若移动节点决定执行垂直切换，其执行与新无线网络有关的切换过 程。 对于异质网络而言，链路级的切换十分关键【6 】，所以，i e e e 在2 0 0 4 年专门成立了 8 0 2 2 1 工作小组来研究m i h ( m e d i ai n d e p e n d e n th a n d o f f ) ，其目标是开发制定出能够向 高层提供链路层( 包括3 g p p 、3 g p p 2 、i e e e8 0 2 等系列) 智能和其它相关网络信息的 标准规范，来优化在异质网络之间进行的切换。由于移动终端只可以检测其周围的网络 状态信息，而网络基础设施可以知道整个网络的全局信息，包括邻居蜂窝列表等。所以， 智能切换管理需要移动终端和网络基础设施的协作。因此，m m 将整个系统从功能的角 度分为网络侧和终端侧，其思想是引入一个新的协议层m ml a y e r 。它介于高层( 网 异构无线网络中低时延切换的研究 络层) 和低层( 数据链路层) 之间，通过与不同低层介质问的相互作用以及与对等m m 层的通信来屏蔽介质异构性，使高层无须了解低层网络的差异，简化了网络的操作和管 理。 图1 4m m 功能框架 f i g 1 4 i e e e8 0 2 21m mf r a m w o r k 需要说明的是m m 只涉及控制平面和管理平面，本身并不涉及数据传输平面。因 此，对于高层而言，m i h 只需定义统一的服务访问点( m i l ls a p ) 以获得对m i h 功能实 体各种服务的访问。而对于低层而言，则需针对不同的网络定义不同的与介质相关的服 务访问点( m e d i a以获得对各种介质的访问和控制。在切换检测、接入网络_specifics a p ) 选择、切换执行等过程中，m m 功能( m i h f ) 实体通过对其低层和高层定义良好的服务 访问点( s a p ) 以提供异步和同步的服务。这些服务包括事件服务( e v e n ts e r v i c e ，e s ) 、命 大连理t 大学硕十学位论文 令服务( c o m m a n ds e r v i c e ，c s ) 、信息服务( i n f o r m a t i o ns e r v i c e ，i s ) 等。m m 通过提供 这些服务可以帮助第三层移动性协议( l 3 m p ) 以及其他协议维持服务连续性、调整服务以 适应服务质量的变化、电源管理以节省电池能量以及发现和检测网络、选择链路等。 m m 的功能框架如图1 4 。 1 3 研究方向 由于下一点无线网络并没有一个统一的标准，出现了不同协议、不同配置的多种无 线网络同时存在的情况。例如i e e e8 0 2 1 1 无线局域网，i e e e8 0 2 1 6 无线城域网，通用 分组无线业务( g p r s ) ，通用移动通信系统( u m t s ) 。这些异构无线网络需要相互合作来 为用户提供无线服务。在这种情况下，移动节点在网络切换时会遇到两种情况：同性质 网络之间的水平切换和不同性质网络之间的垂直切换。在进行垂直切换时，不仅仅网络 路径的变化，同时也必须使用对应网络的封包格式才能在不同性质的异构网络之间顺利 的完成网络切换。所以，必须针对两种不同的切换，分别进行研究，通过水平切换和垂 直切换使得移动节点在复杂的无线网络环境中获得无缝的网络服务。本论文研究的异构 网络是指无线网络中的以i e e e8 0 2 1 1 为基础的w i f i 网络以及以i e e e8 0 2 1 6 为基础的 w i m a x 网络。 论文首先对无线网络的基础理论进行了深入、全面的研究，分析了课题的理论意义 和应用价值，通过搜索查阅大量无线网络切换的相关协议后，了解国内外研究概况及发 展趋势，并发现当前研究中尚存在的问题。通过对已有协议存在问题的研究，找出一种 能够与现行协议兼容的新方法。在n e t w o r ks i m u l a t o r ( n s 2 ) 平台上进行一系列的模拟仿真 实验，并认真分析了实验结果，完善提出的新协议。 本论文主要解决的问题： ( 1 ) 移动检测时间过长。移动节点通过扫描无线网络的路由广播，检测到周围网络 信息，并根据节点自身状态及周围环境主动预测网络切换的发生，使节点能够主动判断 是否切换到新的网络中。 ( 2 ) 选择网络切换的时机。过早或过晚的切换都会影响切换的效果，找到合适的时 机进行切换是本文要解决的主要问题之一。 ( 3 ) 切换判断的依据。考虑到移动节点自身及网络配置不同对切换造成的影响，必 须选择多样性的参数作为网络切换的依据。在研究移动网络切换时，必须将移动节点的 速度考虑在内，分析不同运动速度对切换造成的影响，比如漫步和乘车时的区别。若不 加以区别，必然不能是切换时机发生在最佳时刻。所以移动节点速度必须要作为一项 主要参数，才能做到切换判断的优化。 异构无线网络中低时延切换的研究 1 4 论文组织结构 本论文共有五个章节。第一章为绪论，包括研究的背景，研究动机，研究的主要方 向，并且在第二节中对无线网络架构以及网络切换的相关概念、内容进行了介绍。之后 详细介绍了水平切换中常用的f m i p v 6 、h m i p v 6 和f h m i p v 6 协议，垂直切换中的m m 协议。剩余部分的组织机构如下： 第二章是提出了一种在无线网络中水平切换的方法。本论文中水平切换是指w i f i 网络之间进行的同性质网络水平切换，这一章详细介绍了水平切换中的无线网络架构， 以及不同的水平切换场景。针对不同的水平切换场景，在本章第二节详细介绍了水平切 换的过程以及切换中移动节点与其他网络设备之间的信令交换。本章最后介绍了水平