基于L2觸發(fā)的異構(gòu)網(wǎng)絡切換研究
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unications System），而移動節(jié)點在不同接入網(wǎng)絡無縫切換是移動性管理研究的重點。異構(gòu)網(wǎng)絡切換劃分為鏈路層切換和網(wǎng)絡層切換兩種類型。在鏈路層切換中，移動節(jié)點切換的目標基站位于同一IP子網(wǎng)內(nèi)，僅僅需要與新基站重新建立鏈路層的連通性，而無需改變IP地址、默認路由、網(wǎng)絡前綴等配置。在網(wǎng)絡層切換中，移動節(jié)點切換的目標基站位于不同子網(wǎng)或不同網(wǎng)絡中，為確保會話的連通性，需要鏈路層的重新建立和網(wǎng)絡層IP地址、默認路由、網(wǎng)絡前綴的重新配置。
因特網(wǎng)工程任務組（IETF）提出了網(wǎng)絡層移動性管理協(xié)議：移動IPv6（MIPv6）及擴展切換FMIPv6，能夠保證移動節(jié)點在移動中的連通性[1]。MIPv6本質(zhì)上為硬切換，移動節(jié)點在切換開始時必須先中斷與當前接入路由器連接，直至網(wǎng)絡層完成移動檢測、地址沖突檢測、綁定更新才能恢復通信,這將產(chǎn)生較高的切換時延和丟包率,導致用戶可察覺的服務質(zhì)量（QoS）降低。IETF RFC5268制定了FMIPv6協(xié)議,有效地降低了MIPv6切換丟包和切換時延。在FMIPv6協(xié)議中定義了L2鏈路層觸發(fā)，移動節(jié)點檢測到移向新接入路由器（NAR）時，在斷開原接入路由器（PAR）連接之前，執(zhí)行移動檢測、地址沖突檢測，從而減少了切換時延和丟包率。然而，F(xiàn)MIPv6并沒有規(guī)定L2觸發(fā)時刻，因此本文結(jié)合IEEE 802.21媒體獨立切換MIH（Media Independent Handover）協(xié)議提出一種基于L2層觸發(fā)的異構(gòu)網(wǎng)絡垂直切換的解決方案[2]。
1 MIH切換模型
IEEE 802.21工作組在L2鏈路層和L3網(wǎng)絡層之間定義了MIH框架，獨立于特定接入網(wǎng)絡技術(shù)，增強了異構(gòu)IEEE 802接入網(wǎng)絡之間的最優(yōu)化切換，同時推動了IEEE 802和非IEEE 802接入網(wǎng)絡（如蜂窩網(wǎng)絡）之間的異構(gòu)網(wǎng)絡切換。MIH定義了三種類型的服務：媒體獨立事件服務（MIES）、媒體獨立命令服務（MICS）和媒體獨立信息服務（MIIS）。MIES檢測和預測物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、邏輯鏈路層的動態(tài)改變,提供底層到高層的單向服務，如Link_Down、Link_Going_Down、Link_Up和Link_Handover_Imminent；MICS用于高層控制和管理切換期間的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、邏輯鏈路層的最佳鏈路重配置和選擇，所有MICS都具有強制性； MIIS通過移動節(jié)點和網(wǎng)絡的MIH功能（MIHF）模塊之間的交互提供與切換相關(guān)的鄰居網(wǎng)絡和服務網(wǎng)絡信息。MIHF提供的這些服務可以保證不同接入技術(shù)不同QoS等級的服務連續(xù)性和自適應性，有助于網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡選擇和切換策略的制定[3]。
圖1描述了MIH在協(xié)議棧的位置及移動節(jié)點和網(wǎng)絡之間的交互。所有MIH用戶具備MIHF實體，MIHF與MIH用戶、MIHF與低層之間的通信依賴于已定義的服務原語，服務接入點（SAP）包含一套服務原語[4]。目前802.21標準定義了3種SAP：MIH_SAP、MIH_LINK_SAP和MIH_NET_SAP。MIH_SAP是MIHF實體與協(xié)議棧高層移動性管理協(xié)議之間的接口，通常保持相同的名字和原語。MIH_LINK_SAP是MIHF實體與協(xié)議棧低層特定接入技術(shù)之間的抽象接口，在特定媒體將重新命名和定義，例如3GPP網(wǎng)絡命名為MIH_3GLINK_SAP；IEEE 802.11成功鑒權(quán)之前使用MSGCF_SAP傳輸MIH信令，鑒權(quán)之后通過LSAP傳播有效負荷；IEEE 802.16在網(wǎng)絡重接入前使用M_SAP和C_SAP提供鏈路服務，網(wǎng)絡重接入后使用CS_SAP在數(shù)據(jù)平臺上提供服務。MIH_NET_SAP是遠程MIHF實體之間信息交互的接口。
2 切換方案
基于L2觸發(fā)的垂直切換通過IEEE 802.21定義的MIH原語獲取相關(guān)的鏈路層信息。假設移動節(jié)點周期性瞬時接收信號強度為RSSinst，加權(quán)平均值為：
無差錯的接收分組的最小功率閾值為RSSLD,即觸發(fā)Link_Down原語；L2觸發(fā)切換的功率閾值為RSSLGD,即觸發(fā)Link_Going_Down原語。預測系數(shù)α為：
其中，α越大，產(chǎn)生Link_Going_Down原語的時間越早，即鏈路層斷開之前提前進行鄰居網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)、IP地址配置的時間越早，越能有效減少切換時延和丟包，但會引起服務網(wǎng)絡使用率的降低。α=1表示沒有提前觸發(fā)網(wǎng)絡層切換，即鏈路層切換完成后再進行網(wǎng)絡層切換，α>1為本文提出的基于L2觸發(fā)的切換方案。此外，α隨著移動節(jié)點速度的增加而增加，詳解見仿真分析。為了避免切換產(chǎn)生乒乓效應，定義自信閾值RSSLHI和自信系數(shù)β，其中自信系數(shù)為：
移動節(jié)點周期性地監(jiān)聽RSSinst，其加權(quán)平均值RSSavgRSSLGD時,預測到服務網(wǎng)絡連接即將斷開,觸發(fā)Link_Going_Down原語，指示在某一時間間隔內(nèi)鏈路斷開及鏈路下降的理由。MIHF從鏈路層接收此觸發(fā)事件，轉(zhuǎn)發(fā)到相應的MIH用戶，MIH用戶通過MIH原語獲取鄰居網(wǎng)絡的鏈路資源、QoS等級、網(wǎng)絡前綴、網(wǎng)絡列表等。通過獲取的鄰居網(wǎng)絡信息在鏈路層切換開始之前配置網(wǎng)絡層轉(zhuǎn)交地址。如果切換預測時間足夠長，移動節(jié)點與服務網(wǎng)絡斷開連接之前完成切換，則可實現(xiàn)是無丟包的平滑切換。
隨著RSSinst持續(xù)降低，當RSSavgRSSLHI時執(zhí)行切換判決，移動節(jié)點依據(jù)用戶喜好、網(wǎng)絡成本和網(wǎng)絡資源等多種切換準則選擇最佳的服務網(wǎng)絡。在RSSinst降低到RSSLD時，指示鏈路層切換斷開。移動節(jié)點移入新網(wǎng)絡開始網(wǎng)絡層切換，更新通信對端（CN）和家鄉(xiāng)代理（HA）的轉(zhuǎn)交地址，同時通知原服務網(wǎng)絡釋放為移動節(jié)點分配的資源，至此切換完成。基于L2觸發(fā)的切換流程如圖2所示。
3 仿真分析
為了評價L2觸發(fā)對切換性能的影響，本文采用NIST提供NS-2.29平臺下的移動性管理模塊[6]，仿真場景以IEEE 802.11無線局域網(wǎng)與UMTS網(wǎng)絡之間切換為例，通信對端（CN）通過帶寬為100 Mb/s有線網(wǎng)絡連接到核心網(wǎng)。UMTS分配384 kb/s的DCH信道，覆蓋整個仿真場景范圍，IEEE 802.11帶寬為54 Mb/s，覆蓋范圍為50 m。移動節(jié)點具有UMTS和無線局域網(wǎng)2個無線端口，最初通過UMTS網(wǎng)絡與CN進行通信，仿真開始以1~20 m/s速度越過IEEE 802.11網(wǎng)絡，切換次數(shù)為兩次。從UMTS切換到IEEE 802.11并非由信號強度降低決定，而是由切換策略決定，是一種軟切換情形，它使切換過程中產(chǎn)生的時延和丟包問題容易解決[7]。本文重點研究IEEE 802.11切換到UMTS，MIPv6移動性管理協(xié)議為無L2觸發(fā)，屬于硬切換，完成L2切換后才能開始L3切換，切換時延和丟包率比較大。因此，本文通過引入MIH輔助的L2觸發(fā)切換，在L3切換開始之前獲取網(wǎng)絡層切換相關(guān)的信息，從而減小切換時延和丟包率。
圖3為有/無L2觸發(fā)的切換中斷時延對比。這里定義切換中斷時延為移動節(jié)點在切換期間任何接口都不能接收任何信息包的時間。移動節(jié)點以1 m/s的速度移動，預測系數(shù)α=1.2，自信系數(shù)β=0.8,無L2觸發(fā)情形下119.99 s發(fā)生切換，切換中斷時延為0.364 s，有L2觸發(fā)情形下119.08 s發(fā)生切換，切換時延為0.164 s，比無L2觸發(fā)的切換時延降低55%。切換時刻稍有差別是因為單位時間內(nèi)接收信號強度RSSavg低于自信閾值RSSLHI將重定向信息流。
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