（信号与信息处理专业论文）基于mac层wlan快速越区切换算法研究.pdf

中文摘要 中文摘要 无线局域网( w l a n ) 是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，目前得到了 广泛应用。由于w l a n 的a p 功率有限导致服务覆盖区域受限，移动站点( s t a ) 需要 在当前a p 覆盖小区移动到另一个a p 小区时进行快速的越区切换。越区切换问题 关系到网络处理的可靠性和安全性，也关系到语音与视频等多媒体实时应用质量 的连续性，是当前w l a n 应用技术热门的关键课题。需要指出的是越区切换首先要 进行m a c 层的切换，另一方面大部分的切换都只要在m a c 层进行即可。因此对基 于m a c 层进行越区切换技术的研究具有重要的理论意义和实用价值。 本文在参阅了国内外已有相关文献的基础上，主要完成了以下工作： 1 分析总结了目前国内外有关w l a n 在m a c 层切换技术的研究现状。简要介绍 和评价了基于选择性的扫描算法( 包括邻居图算法、w s n 算法) 、提前扫描算法、 认证阶段算法( 包括f h r 预测算法、定位算法、邻居图认证算法) 和重关联阶段算 法( 包括预测算法、邻居图重链接算法) 等，指出一个完整的切换过程包括三个阶 段：信道扫描、认证、重关联。其中扫描阶段的时延达到整个切换时延的9 0 左 右，认证及重关联阶段的时延都较短。还对w l a n 与g s m 的切换问题进行了比较。 2 首次把对以邻居图技术为基础在切换过程的不同阶段实施的算法，统一概 括为n g 算法系列( n g a s ) ，并提出可以对n g a s 采取统一的技术合成。 3 提出了基于n g 的m s o 算法，该算法是一种准最小时延算法，它根据不同用 户密度和网络环境提供三种机制的实现方案，即基于邻居a p s 距离选择目标a p 、 基于移动方向选择目标a p 和基于o o s 保障选择目标a p 。此三种机制加上优先级 顺序来处理当前的原始n g ，可有效地精减当前n g 的a p 个数从而能优越地减少切 换时延。 4 针对地铁轻轨项目模型中无线a p 的部署是线性的，s t a 的运动轨迹是确 知的以及轨道沿线的相邻a p 采用同一频点无线网络结构等特点，将m s o 算法应用 于地铁轻轨项目的越区切换里，指出该算法能很好的减少越区切换时延，达到车 地移动通信的应用需要。 5 最后利用网络仿真工具o p n e t 对本文提出的各种算法及其在地铁轻轨项 目中的应用进行了实验仿真，指出文中提出的算法比已有算法在减少切换时延上 的优越性。 关键词：w l a n ：m a c 层；切换；算法；邻居图；o p n e t a b s t r a c r a b s t r a c t w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) i st h ec o m b i n a t i o no fc o m p u t e rn e t w o r ka n d w 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 , w h i c hh a sb e e nw i d e l yu s e da tp r e s e n t b e c a u s eo f t h el i m i t a t i o no fa p sp o w e ri nw l a nl e a dt oar e s t r i c t i o no ft h es e r v i c ec o v e r a g e a r e a ，t h em o b i l es t a t i o n ( s t a ) n e e df a s th a n d o v e rw h e nc r o s s i n gt h ez o n ef r o mt h e c u r r e n tc o v e r a g ec e l lt oa n o t h e rc e l l t h ep r o b l e ma b o u tc r o s s - z o n eh a n d o v e ri st h ek e y i s s u eo ft h ec u r r e n ta p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yi nw l a n ，w h i c hn o to n l yi sr e l a t e dt ot h e r e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo fn e t w o r kp r o c e s s i n g ，b u tt h ec o n t i n u o u sq u a l i t yo fv o i c ea n d v i d e o sr e a l - t i m em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n i ts h o u l db ep o i n t e do u tt h a th a n d o v e r sf i r s t h a v et oo c c u ro nt h em a c l a y e r , o nt h eo t h e rh a n d ，m o s to ft h eh a n d o v e r sa r ej u s to n t h em a cl a y e r t h e r e f o r e , t h e r ea r ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a l v a l u ef o rt h er e s e a r c ho nt h ec r o s s z o n eh a n d o f f t e c h n o l o g yb a s e do nt h em a c l a y e r b a s e do nt h er e l e v a n tl i t e r a t u r e sa th o m ea n da b r o a d ，i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h ew o r k a r ef i n i s h e da sf o l l o w s ： 1 t h es t a t u so fc u r r e n tr e s e a r c h e si nt e r m so fd o m e s t i ca n df o r e i g nh a n d o v e r t e c h n o l o g yb a s e do nt h em a cl a y e ri nw l a na r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e d i ti st h e b r i e fi n t r o d u c t i o na n de v a l u a t i o no ft h es e l e c t i v es c a na l g o r i t h m ( i n c l u d i n gn e i g h b o r g r a p ha l g o r i t h m ，w s na l g o r i t h m ) ，a d v a n c e ds c a na l g o r i t h m ，t h ea u t h e n t i c a t i o ns t a g e a l g o r i t h m ( i n c l u d i n gf h rp r e d i c t i o na l g o r i t h m ，o r i e n t a t i o na l g o r i t h m ，n e i g h b o rg r a p h a u t h e n t i c a t i o na l g o r i t h m ) ，r e a s s o c i a t i o ns t a g ea l g o r i t h m ( i n c l u d i n gp r e d i c t i o na l g o r i t h m ， n e i g h b o rg r a p hr e a s s o c i a t i o na l g o r i t h m ) a n ds oo n t h ec o m p l e t eh a n d o v e rp r o c e s si s i n c l u d e dt h r e es t a g e s ：c h a n n e ls c a n , a u t h e n t i c a t i o na n dr e a s s o c i a t i o n e s p e c i a l l yt h e d e l a yt i m eo fs c a ns t a g ei sa b o u t9 0 ，b u ta u t h e n t i c a t i o na n dr e a s s o c i a t i o na r es h o r t a n di ti sc o m p a r e dw i mt h ew l a na n dg s m sh a n d o v e rp r o b l e m s 2 t h o s ea l g o r i t h m sc o n c e r n i n gt h ev a r i o u ss t a g e si nt h eh a n d o v e rp r o c e s sb a s e d o nn e i g h b o rg r a p ht e c h n o l o g ya r ei ns u m m a r yu n i f i e df o r 一t h en e i g h b o rg r a p h a l g o r i t h ms e r i e s ( n g a s ) ，a n di sp r o p o s e dt ot h et e c h n o l o g ys y n t h e t i cu n i t yt on g a s 3 t h em o b i l es t a t i o no r i e n t a t i o na l g o r i t h mb a s e do nn g ( m s o ) i sp r o p o s e di n t h i sd i s s e r t a t i o n ，w h i c hi saq u a s i m i n i m u mt i m ed e l a y sa l g o r i t h m a c c o r d i n gt oa p p l y t ov a r i o u su s e r si nw l a ne n v i r o n m e n tw i t hd i f f e r e n td e n s i t y ，s t r u c t u r ea n dl a y o u t ， t h r e em e c h a n i s m st oa c h i e v et h ep r o g r a ma r ep r o p o s e d ，i n c l u d i n gs e l e l c t i n gt h et a r g e t a pb a s e do nt h ed i s t a n c ea m o n gn e i g h b o ra p s ，s e l e l c t i n gt h et a r g e ta pb a s e do nt h e m o v e m e n td i r e c t i o na n ds e l e l c t i n gt h et a r g e ta pb a s e do nq o sp r o t e c t i o n t h e s et h r e e 北京交通大学硕士学位论文 m e c h a n i s m sc a nb eu s e db ys e t t i n gt h ep r i o r i t yo r d e r , w h i c hc a nb ed e a l e dw i t ht h e c u r r e n ti n i t i a ln e i g h b o rg r a p h sa n de f f e c t l ys t r e a m l i n e dt h ec u r r e n tn e i g h b o rg r a p h s n u m b e r st or e d u c et h eh a n d o v e r st i m ed e l a ys u p e r i o r l y 4 a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c si nt h es u b w a yo rl i g h tr a i lm o d e la b o u tt h e w i r e l e s sa p ss c h e m ei sl i n e a r , t h es t a sm o b i l et r a j e c t o r yi sa s s u r a n c e ，t h ea d j a c e n t a pa l o n gt h et r a c kl i n ew i t ht h es a m ef r e q u e n c yw i r e l e s sn e t w o r ks t r u c t u r e ，i ti sa p p l i e d t ot h em s o a l g o r i t h mi nt h es u b w a y o rl i g h tr a i lp r o j e c t sc r o s s - z o n eh a n d o v e r s ，w h i c h i sp o i n t e do u tt h ea l g o r i t h mc a r lb er e d u c e dd e l a y sv e r yw e l la n da c h i e v e dt h em o b i l e c o m m u n i c a t i o n sa p p l i c a t i o nn e e d sb e t w e e nt h et r a i na n dg r o u n d 。 5 f i n a l l y , t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti s m a d eb yu s i n gt h eo p n e t sn e t w o r k s i m u l a t i o nt o o l sf o rv a r i o u sa l g o r i t h m si nt h ed i s s e r t a t i o na n dt h es u b w a yo rl i g h tr a i l p r o j e c t sa p p l i c a t i o n ，w h i c h i s p o i n t e do u tt h en e wa l g o r i t h mp r o p o s e d i nt h i s d i s s e r t a t i o nc o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n ga l g o r i t h m si sb e a e rt or e d u c eh a n d o v e rd e l a y s k e yw o r d s ：w l a n ；m a cl a y e r ；h a n d o v e r ；a l g o r i t h m ；n g ；o p n e t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签 名刁签字嘞叩年6 月f 腑 7 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名2 呖 签字日期：多叼年6 月f 跆 致谢 清泉之水源于点点滴滴。查资料、找文献、看书籍，历经艰辛的匆匆数月，论 文终于如期出炉，可以欣喜的摆上案头。 记得开题前拿到毕业课题时，研究领域既无半点基础又理论性很强，不免带着 脾气抱怨起来。而现在回想起这段忙碌论文的日子，无疑是充实和快乐的。对课题 从完全陌生到逐渐理解的过程，需要每个概念独自去钻研，每个疑问独自去思考， 每个难点独自去解答，这段可以独当一面的历程是完全幸福和有成就感的。在此我 要向关心过我的人表示深深的感激之情。 首先，我要感激我的父母，完全是他们造就了我，我的一切都是他们赋予的。 在毕业找工作的人生大事上，父母对我的想法全力支持，使我成功的进入公务员队 伍。我深深的感动，没有他们就没有我现在的一切。其次，我要感激我的导师刘湘 黔副教授，在硕士学习的两年时光里，刘老师非常真诚地待我。他给我宽松环境而 又不放任的原则，使我有机会在这两年时间里，学识和能力得到快速成长。做毕业 论文期间，在他繁忙的时间缝隙里，曾多次给我提出过有创新性的意见，使我受益 匪浅，感谢他对我一切有过的无私帮助。再次，我要感谢同一实验室、同在一屋的 高海娟同学和李晓红学妹，她们没有任何的小家子气，陪我一起走过做毕业设计的 孤独时光。感谢她们每一次与我同去食堂进餐的陪伴，使我不觉任何寂寞。最后我 还要谢谢我的两位室友刘奠和高国栋。每晚回到宿舍里，可以轻松开怀的与他们谈 论当今时事与人生发展等问题，使自己忙完一天课题研究的紧张能得到有效调节。 两年时光与他们结下了深刻友谊，这段友情将终身相伴。 不久我就要离开交大，踏上工作岗位走进职场。临别在即，渐多感怀，越发感 伤。两年交大的学习和生活时光，洒下过拼搏的汗水，也留下过感动的热泪。 再见了，我的同学； 再见了，我的老师； 再见了，我的母校。 饮水思源，爱国荣校。不久我即将离开母校，走进农村基层，服务城乡发展建 设。断乳，长大，成熟，对社会有责任感的人生发展阶段里，自己逐渐在成长。孩 子终将要长大，离开母亲身边，成为主宰自己命运的舵手。自己有幸成为一名交大 的学子，永远不忘母校的恩情。 曾经我为交大而自豪，将来交大因我而骄傲。 绪论 1 1 研究背景介绍 第1 章绪论 目前轨道交通已成为现代化城市理想的交通工具，大量的轨道交通在现代大城 市中起着越来越重要的作用。各种控制和服务系统都用无线局域网w l a n 完成数据 传输，如基于通信的列车控制c b t c 系统、列车视频监控系统、乘客信息系统p i s 、 多媒体服务等。下面对这些系统做简要的介绍【1 3 】： c b t c 系统是用无线通信媒体实现列车和地面双向通信，可以传输的信息量 大，传输的速度快，很容易实现移动自动闭塞系统。c b t c 通过部署在列车上以及 轨道旁的无线设备，实现车地间不中断的双向通信，能够通过无线传输进行频繁的 列车移动权限更新。在c b t c 中，数据通信子系统d c s 是c b t c 的统一数据承载 平台，w l a n 是d c s 的重要组成部分，作为无线传输通道负责在车地间传输列车 状态信息及控制信号。根据c b t c 标准，d c s 子系统传输的是列车状态信息及移动 授权信息，对于行车安全及行车效率至关重要，因此c b t c 对w l a n 要求有高的 安全性和可靠性，同时d c s 数据通信网络应具有极高的故障自愈能力。 最近1 0 年，c b t c 已成为许多地铁轻轨项目中列控系统的解决方案。目前所 有国内新建地铁线均己采用c b t c 系统，如上海地铁六、九、十号线。 乘客信息系统p i s 是智能交通系统中的重要组成部分。p i s 是依托多媒体网 络技术，以计算机系统为核心，在车站和车载显示终端为媒介向乘客提供信息服务 的系统，能为乘客提供各种乘车信息、广告信息等。如何能为乘客提供高品质的多 媒体服务，w l a n 是整个p i s 建设的重中之重，它决定了车载系统与地面之间在列 车高速运行情况下，信息能否安全、稳定和实时的传输。在国内，上海地铁l 、2 、 3 号线已经开通了p i s 系统。 实时视频监控系统可以使轨道交通运营部门随时掌握与了解车厢内的动态， 即时有效地为乘客提供服务和帮助、处置突发事件以保障乘客安全。但实时视频监 控系统的传输需求对w l a n 环境建设和方案设计提出了巨大挑战。 轨道交通在我国已经进入高速发展时期，研发具有自主知识产权c b t c ，已成 为迫切的需要。同时随着轨道交通系统的发展，无论是列车控制c b t c 系统、还是 旅客信息p i s 系统及视频监控系统都在数据平台上进行承载，未来把多个系统统一 的整合在一起成为可能，实现对城市轨道联网系统信息处理的统一调度与一体化管 理。整合后的联网系统要求数据传递为高可靠和低时延，当列车以1 2 0 k m s 行驶时， 数据丢失率不能超过1 ，最高延时不能大于5 0 0 m s 。 北京交通人学硕士学位论文 需要指出的是无线通信的数据传输，容易受到多普勒效应、多径效应和越区切 换三大主要因素的影响【4 j 。 1 ) 多普勒效应是指波源和观察者之间有相对位移运动时，观察者接受到波的频 率与波源发出不同频率的现象。当观察者与波源相互靠近时接收频率变高，变为 甜嗍；当观察者与声源相互远离时接收频率变低，变为仁一砂从，其中假设原有波 源的波长为a ，波速为c ，观察者移动速度为v 。表现在w l a n 中，当站点s t a 移向接入点a p 时，频率变高；远离基站时，频率变低，所以在无线通信中要 充分考虑多普勒效应的影响。特别是站点s t a 在高速移动环境中，技术上必 须加以各种考虑，从而加大了无线通信的复杂性。 2 ) 多径效应是由电波传播信道中的多径传输现象所引起的干涉延时效应。在实 际的无线电波传播信道中( 包括所有波段) ，常有许多时延不同的传输路径，称为多 径现象。多径效应的各条路径的电长度会随时间而变化，故到达接收点各分量场之 间的相位关系也是随时间而变化的，这些分量场的随机干涉，同时干涉效果也因频 率而异，形成总的接收场衰落。表现在w l a n 信号传输中，站点s t a 往来于建筑 物与障碍物之间，其接收信号的强度由接入点a p 的各直射波和反射波叠加合成， 会引起信号衰落，并且不同路径因频率选择性而有不同的时延。 3 ) 当移动台从一个子网移动到另一个子网时，为了保持移动用户的不中断并与 新网络取得连接后进行正常的通信，需要进行的信道切换称为越区切换。 图l - l 重叠覆盖区域 在w l a n 中，无线站点s t a 如图1 1 区域位移运动时，从a p l 纯粹覆盖范围 a 进入到a p i 与a p 2 重叠覆盖范围b ，在进入a p 2 纯粹覆盖范围c 之前，s t a 必 须进切换，终止与a p l 的关联，与a p 2 建立重关联。在该过程中，s t a 有一段时 间处于无关联状态，不能进行数据通信，这段时间就是越区切换时间。有关移动切 换技术的具体内容将在第2 章做相关介绍与阐述。 2 绪论 图i 2 无线局域网在c b t c 系统中的应用 图1 - 2 是w l a n 在c b t c 系统中的应用目前地铁或轻轨列车的运行最高速度 在8 0 1 2 0k m h 。在高速移动中，无线传输受到的多普勒效应、多径效应等的影响 将加剧，导致实际传输速率下降。在c b t c 系统里，高速移动中的无线传输导致更 高的丢包率和更多的重发，报文重发会降低系统运行效率，严重的丢包会使接收方 在一段时间内无法得到完整的信息，影响系统的有效性。文献 5 】的研究表明越区切 换时延到达几百毫秒甚至更长的时间，这远远不能满足移动终端多媒体应用的实时 性要求，越区切换时间应该越小越好，不能影响系统的可靠性，解决w l a n 零丢包 快速切换问题已成为d c s 子系统的一个关键技术。 1 2 研究目的和意义 为了给用户提供更高的通信带宽，在用户密集地区的无线网络内，无线子网的 覆盖范围越来越小。更高的通信带宽使得无线多媒体( 如v 0 i p 、v i d e o 等实时业务) 应用逐步成为可能，但子网覆盖范围的缩小意味着在不同的子网间进行切换的频率 将增加，如果延迟太大时会引起通信的延迟和间断。在移动环境中实现高速多媒体 业务应用的需要，用户移动时发生切换过程所造成的延迟必须足够小。 北京交通大学硕士学位论文 随着站点s t a 所处环境位移速度变化的不断增加，s t a 数据传输速率下降，丢 包率增加，影响整个系统的运行效率。把握好s t a 移动速度和整个系统稳定性之间 的矛盾关系变得很关键，所以对w l a n 技术需要有不断突破性的研究。因此，在当 前无线应用的发展趋势下，研究无线网络，特别是移动无线网络的切换问题，是一 个热门的关键课题。因为无线网络的切换问题关系到网络的质量和可靠性，关系到 网络的安全性，关系到网络的处理，关系到语音、视频等多媒体实时应用的质量。 通常情况下，w l a n 中的切换技术大致可以分为两大类【6 】：同构网络之间的切 换和异构网络之间的切换。而同构网络之间的切换，是指发生在相同类型网络之间 的切换。在w l a n 中，同构网络间切换可以分成两类：同一路由器下不同a p 之间 的链路层切换( 简称m a c 层切换) 和不同路由器间的不同a p s 之间的链路层和网络 层切换( 简称m a c 层和口层切换) 。在切换过程中，为了尽量减小对移动终端上层 业务的影响，需要一个高效合理的移动判决算法，使得用户可以根据当前所处网络 情况和上层应用的需求选择最优的接入方式。近年来，因其对网络资源充分利用和 低成本等优势，以v o l p 为代表的多媒体业务迅速崛起。而多媒体业务对时延和抖动 非常的敏感，实现合理、快速、平滑的切换技术，成为下一代移动通信网络建设中 的重要问题。 根据计算机网络的分层模型可知，一方面m 层的切换首先要进行m a c 层的切 换，另一方面大部分的切换都只要在m a c 层进行就可以了，也就是说大部分移动 节点只是在子网内部切换，网间切换相对较少，子网内部的切换集中在m a c 层。 所以m a c 层切换是其它各层的基础，选择m a c 层进行越区切换技术的研究具有 重要的理论意义和实用价值。 1 3 本文工作和内容结构 本文首先对无线局域网w l a n 的移动切换技术进行介绍，总结了目前国内外有 关w l a n 在m a c 层切换技术的研究现状。分析切换延迟的构成，并分析已有减少 切换延迟的方案。在参阅国内外已有相关文献的基础上，提出了一种基于n g 的移 动站点定位( m s o ) 算法，理论分析与实验仿真都表明该算法能优越的减少切换延 迟，实现快速切换的目的，是一种准最小时延算法。以此将该算法应用于地铁轻轨 项目的越区切换中，指出该算法能很好的减少越区切换时延，达到车地移动通信应 用的需要。 本文的结构安排如下： 第l 章以轨道交通中地铁轻轨项目的各种w l a n 应用系统为背景，引出了 w l a n 的越区切换问题，接着阐述了对切换技术研究的目的和意义。 4 绪论 第2 章详细阐述移动切换相关技术与目前国内外的研究现状。包括移动切换的 环境和准则、m a c 层的切换过程和国内外有关切换算法的研究现状，并对w l a n 与g s m 的切换阀题进行了比较。 第3 章是重点论述基于m a c 层快速切换算法的研究。介绍了n g 系列算法， 然后从整个切换过程统一考虑，提出了基于n g 的m s o 算法。还对地铁及轻轨项 目模型的快速切换技术进行研究，提出了实现方案。 第4 章首先介绍仿真工具o p n e t ，然后建立实验的算法描述和模块实现，在此 基础上建立切换模型。在模型的各种不同结构场景下，得到各种切换算法延迟时间 的实验数据，最后对实验数据进行对比分析。 第5 章是总结全文所做的工作及结论，提出下一步工作的展望。 5 北京交通大学硕七论文 第2 章移动切换技术与目前研究现状 2 。1 移动切换环境和准则 2 1 1 切换的环境i 7 。1 2 1 图2 一lm e e 8 0 2 1 lw l a n 的b s s 和e s s 在现实的w l a n 数据通信中，是有固定基础设施的w l a n 。在8 0 2 1 1 标准中， 基本服务集b s s 里面的基站叫做接入点a p ，但其作用和网桥相似。一个b s s 可以 是孤立的，也可通过接入点a p 连接到一个主干分配系统d s ，然后再接入到另一个 b s s ，这样就构成了一个扩展服务集e s s ，如上图2 1 所示。分配系统d s 的作用就 是使e s s 对上层的表现就像一个b s s 一样。d s 可以使用以太网( 这是最常用的) ， 点对点链路或其他无线网络。e s s 还可为无线用户提供到非8 0 2 1 1 w l a n ( 例如，到 有线连接的i n t c n l c t ) 的接入。这种接入是通过叫做门桥( p o r t a l ) 的设备来实现的，其 实它的作用就相当于一个网桥。在一个e s s 内的几个不同b s s 也可能相交的部分。 在图2 1 中还给出了移动站b 进行通信，当然a 在不同的b s s 所使用的接入点a p 并不相同。b s s 的服务范围是由移动设备所发射电磁波的辐射范围确定的。在图2 1 中是用一个椭圆来表示b s s 的服务范围，当然实际上的服务范围可能是很不规则的 几何形状。 6 移动切换技术与目前研究现状 图2 - 2 移动快速切换的环境 对图2 - 1 简化为如图2 2 所示的网络结构环境。在基站模式下，移动s t a 在a p 2 与a p 3 之间移动切换时，必须发生网络层的切换。而在a p 3 与a p 4 之间切换时， 根据8 0 21 1 协议，通过s w i t c h 构成了一个分布式系统( d s ) ，形成一个扩展服务集区 域( e s s a ) ，切换对网络层是透明的，即不会发生网络层切换。 本文着重研究移动s t a 在a p 3 、a p 4 之间的m a c 层切换，这种切换对网络层 来说影响较小但是切换的次数比在a p 2 、a p 3 之间的网问切换要多得多。即使是 在a p 2 、a p 3 的网间切换，现在也可以通过两种技术使得它相似于在a p i 、a p 2 之 间的网络内m a c 层切换。第一种是采用虚拟a p 技术，即把一个物理a p 逻辑上 分为两个，如图3 - 3 上的a p 2 、a p 3 将是在一个物理a p 内。当移动s t a 在子网1 内从a p l 切换到了a p 2 后，s t a 将同时虚拟切换到a p 3 ，与了网2 建立了联系； s t a 切换到a p 4 时，闻已经虚拟切换到了予网2 ，h 作m a c 层的切换即可，所以 整个过程相当于只作m a c 层的切换。另。种足采用虚拟子网( v l a n ) 技术，即把子 网1 和2 虚拟为一个l a n 从而切换逻辑上也是m a c 层的切换。 2 1 2 切换的准则 切换算法都有其4 l i j 的切换准则 1 31 4 ，这些算法根据不同的准则来选择各种参 数作为切换判决的输入。判决参数主要包括接收信号强度、信噪比、世务负载、移 动节点速度、新呼叫和切换的到达特性等。 n 北京交通大学硕士论文 基于信号强度的切换准则简单、直接，已被许多算法广泛采用。许多系统都 是干扰受限，信号强度在一定程度上体现了通信质量，并且能大致估计基站与移动 台的距离。基于信号强度的准则可以细分为相对信号强度、具有门限规定的相对信 号强度、具有滞后余量的相对信号强度等多种准则。相对信强度准则总是选择具有 最强接收信号的基站。具有门限的相对信号强度准则在移动站当前基站的信号足够 弱且新基站的信号强于本基站的信号情况下才进行切换。具有滞后余量的相对信号 强度准则仅允许移动台在新基站的信号强度比原基站信号强度强很多的情况才进行 切换。具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则仅允许移动台在当前服务基站 的信号低于规定门限，并且新基站的信号强度高于当前基站给定的滞后余量时，才 进行切换。信号概率统计准则预测两个基站下一次信号强度小于指定阈值的概率， 当服务基站下一次信号测量数据小于指定阈值的概率比新基站相应的概率大很多 时，进行切换。 其次是基于信噪比的切换准则。在通信系统中信噪比是评价通信质量、系统 容量和业务特性等方面的重要参数，基于信噪比更能体现切换的连续性q o s 保证。 一般根据误码率b e r ( 或误块率b l e r ) 来确定目标信噪比，该准则缺点是信噪比有 可能随着无线环境的改变而来回抖动。 基于网络负载的切换能平衡小区之间的业务，与负载控制等算法防止小区出 现过载，这在小区出现热点时很有效。 基于距离、速度等切换准则。基于距离的切换能维持小区的边界特性，能快 速准确的把移动台切换到目标小区，大大提高了切换性能。可以根据信号衰减和信 号时延估算距离，但这要求基站之间保持同步，并且保证一定的计算精度也很困难。 引入智能天线等多种技术有助于移动台的定位，有可能实现这种( 接力) 切换。速度 是切换中很重要的一个参数。在分层小区系统中移动站利用速度驻留合适的层，在 一些参数自调整算法中利用速度来修改切换算法的变量。 实际上，在通话过程中测量信噪比是有一定的困难，而用距离和速度判定时， 则精度有时很难保证。所以，最常用的切换技术判断准则还是第一种。 2 2m a c 层切换过程分析 w l a n 中的无缝切换就是指当一个移动s t a 从一个无线a p 的服务范围移动到 另一个a p 的服务范围时，为保证通信的连续性，w l a n 必须提供一种机制，使移 动s t a 能够在不同的a p 之间进行快速切换。 移动切换技术与目前研究现状 2 2 1 切换的逻辑过程 根据8 0 2 1 1 协议规范中定义了一些满足切换功能的基本工具，一个s t a 切换 过程在逻辑上可以分为三个阶段【1 5 - 1 6 1 ，即扫描发现阶段( d i s c o v e r y ) 、认证阶段 ( r c a u t h e n t i c a t i o n ) 、重新关联阶段( r e a s s o c i a t i o n ) 。如图2 3 用消息的方式描述了整个 m a c 层切换的逻辑过程，分别简要介绍如下： 图2 - 38 0 2 1 1m a c 层切换的逻辑过程 第一步是扫描阶段。 由于用户的移动性，当站点移动到a p 覆盖的边缘位置，站点连接的当前a p 的信号强度会减小，信噪比会增大，导致和当前a p 通信中断，这样就引发了切换 的开始。s t a 需要在当前的范围内发现新的潜在的a p 与之关联，发现a p 的阶段 也就是探测在当前范围可能存在的a p 阶段。这是通过m a c 层扫描( s c a n ) 的功能来 完成。这又有被动扫描和主动扫描两种方式。被动扫描是通过移动站点s t a 靠接收 基站a p 周期性广播的信标帧( b e a c o n ) 信息来实现。即8 0 2 1 1 协议下规定a p 周期 性地在本身工作的频道广播自身的情况，而当s t a 被动触发切换后，会依次在各个 频道间等待特定长时间接收周围a p 的信标帧。主动扫描是由移动站点s t a 主动发 起的，当s t a 发现连接质量越来越差且低于某一阈值时，就发送频道的扫描请求， 等待a p 的应答确定周围a p 的信息，并且基于一定策略选择允许接入的a p 来切换。 9 北京交通大学硕士论文 所以，站点主动扫描时所发送的探测消息，或被动扫描时等待信标帧的广播消 息，这个过程的延迟称为探测延迟。本文是基于主动扫描方式进行的研究工作。 更具体的主动扫描步骤如下： ( 1 ) 标准的频道竞争过程，用c s m a c a 获取无线信道的占用权； ( 2 ) 当s t a 信号低于某一设定阈值时，发送一个包含自身m a c 地址广播的探 测帧； ( 3 ) 探测定时器启动； ( 4 ) s t a 等待回复； ( 5 ) 如果再m i n c h a n n e l t i m e 时间内没回复，就扫描下一帧： ( 6 ) 如果再m i n c h a n n e l t i m e 内有一个或多个回复，s t a 则再到m a x c h a n n e l t i m e 时停止接收探测回复，同时处理探测时间内接收到的所有回复； ( 7 ) 在下一个频道重复1 6 步直到频道扫描完。 第二步是认证阶段。 移动s t a 成功同步到所发现的b s s 后，必须通过a p 的认证，才能进行网络交 互。无论是何种方式，必要的步骤是站点先向a p 发送认证请求信息，a p 经过认 证后向站点发送认证成功或失败的响应。 认证过程中的延迟包括两个认证帧的交换，即发生在移动s t a 和a p 之间的单 播帧交换。认证包含的帧个数取决于a p 的认证方式。 第三步是重关联阶段。 完成上面两个步骤后，s t a 向新连接a p 发送重关联的请求帧，告知d s 正从 一个a p 移动另一个a p ，a p 向站点发送回重关联的响应帧。这样s t a 和新a p 完 成了关联过程，s t a 才可以在网络间进行数据的传输。 重关联过程的延迟是重关联帧的交换过程，站点收到成功认证的消息后，向a p 发送重关联的请求消息，接受到a p 得重关联相应帧后完成了切换。而在这个过程 中补充的i a p p 消息，也增加这部分消息的交换延迟。 2 2 2 实际的交互过程 实际的切换主要分为两个部分，即移动s t a 与a p 之间的，以及新旧接入点 a p l 与a p 2 之间的交互过程【1 7 1 。 ( 1 ) s t a 与a p 的交互过程 w l an 的特点，是在网络底层，通过无线链路实现数据传输，在切换过程中必 须合理进行无线链路资源的管理。这一功能需要s t a 与a p 之间，包括原a p 和目 的a p 间通过信令来实现。 1 0 移动切换技术与目前研究现状 s t a 和a p i 之间的交互过程是判断目前系统需要进行切换时，移动站启动切 换。如果s t a 搜寻到新的合适的服务接入点a p 2 ，则s t a 向a p i 发出切换提示信 号，从而启动一次切换过程。 当a p l 收到s t a 的请求之后，需要立即停止对s t a 传输数据，并设置一个 系统时钟。在时钟规定的时间内，a p l 将保留与s t a 的连接信息，若时钟超时，a p l 释放该链接资源，断开与s t a 的连接。 $ t a 分析是否切换和何时切换的算法是比较复杂的，因为它必须保证所检测信 号电平的下降不是因为瞬间的衰减，而是由于正在离开当前接入点。为此，s t a 在 切换之前需要先对信号监视一段时间。但这段时间不能过长，否则在完成必要的切 换操作之前，s t a 与a p 之间的通信由于信号太弱而中断，从而影响数据传输的服 务质量。a p 2 与s t a 之间链路建立过程如下： 1 ) s t a 向a p 2 提出请求切换信号； 2 ) a p 2 接受请求； 3 ) s t a 与a p 2 协商链路特性； 4 ) s t a 与a p 2 执行相关切换过程。 当s t a 确定向a p 2 切换后，向a p 2 发出请求切换信号，同时把与a p i 连接的 基本信息作为请求切换信号的参数传给a p 2 。a p 2 收到后，查看是否存在空闲的无 线资源标识号，这是a p 用来标识其目前正在服务的s t a 的，该标识号在不同a p 中可以相同，但在一个a p 中是唯一的。a p 2 如果有空闲的m a c 和m ，就分配给 s t a ，并作为a p 2 对请求切换的应答信息传给s t a ；s t a 收到a p 2 应答信息后，需 向a p 2 提出链路协商请求。a p 2 完成了上述的所有过程之后，向s t a 发送切换完 成消息，$ t a 与a p 2 之间的切换完成。 ( 2 ) a p 问的交互过程 当s t a 与a p 2 建立连接后，a p 2 需根据s t a 提供的a p i 的信息，通过有 线网找到a p i ，请求a p i 将其与指定的s t a 之间通信的状态信息传递给a p 2 ，从 而a p 2 能够尽最大可能保证s t a 与整个网络之间通信的连续性。 a p 2 通知子网上的二层设备更新转发表中s t a 的相应记录。 a p 之间信息和数据的交换过程就是a p 2 镜像a p i 的状态过程。a p 2 与s t a 的 连接建立之后，a p 2 组播a p t 的网络信息，该信息是由s t a 向a p 2 发出切换请求 时提供的。a p i 收到此消息后，则向a p 2 发送自己保存有关s t a 的全部状态信息， 即a p 2 将a p i 与s t a 通信储存的所有信息，包括a p i 的发送、接收状态、缓冲区 中所有的数据报及其序号原封不动地继承过来。这是i e e e8 0 2 1 l f 的主要工作，并 形成a p 间的协议，即l a p p 标准。这样的好处是，当a p 2 与s t a 进行通信时，s t a 北京