L2觸發的異構網絡切換研究

?異構無線網絡包含多種不同接入技術，如WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access）、WiFi（Wireless Fidelity）和UMTS（Universal Mobile Telecomm-
unications System），而移動節點在不同接入網絡無縫切換是移動性管理研究的重點。異構網絡切換劃分為鏈路層切換和網絡層切換兩種類型。在鏈路層切換中，移動節點切換的目標基站位于同一IP子網內，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、網絡前綴等配置。在網絡層切換中，移動節點切換的目標基站位于不同子網或不同網絡中，為確保會話的連通性，需要鏈路層的重新建立和網絡層IP地址、默認路由、網絡前綴的重新配置。
??? 因特網工程任務組（IETF）提出了網絡層移動性管理協議：移動IPv6（MIPv6）及擴展切換FMIPv6，能夠保證移動節點在移動中的連通性[1]。MIPv6本質上為硬切換，移動節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,這將產生較高的切換時延和丟包率,導致用戶可察覺的服務質量（QoS）降低。IETF RFC5268制定了FMIPv6協議,有效地降低了MIPv6切換丟包和切換時延。在FMIPv6協議中定義了L2鏈路層觸發，移動節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，FMIPv6并沒有規定L2觸發時刻，因此本文結合IEEE 802.21媒體獨立切換MIH（Media Independent Handover）協議提出一種基于L2層觸發的異構網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網絡層之間定義了MIH框架，獨立于特定接入網絡技術，增強了異構IEEE 802接入網絡之間的最優化切換，同時推動了IEEE 802和非IEEE 802接入網絡（如蜂窩網絡）之間的異構網絡切換。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、數據鏈路層、邏輯鏈路層的動態改變,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、數據鏈路層、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通過移動節點和網絡的MIH功能（MIHF）模塊之間的交互提供與切換相關的鄰居網絡和服務網絡信息。MIHF提供的這些服務可以保證不同接入技術不同QoS等級的服務連續性和自適應性，有助于網絡發現、網絡選擇和切換策略的制定[3]。
??? 圖1描述了MIH在協議棧的位置及移動節點和網絡之間的交互。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實體與協議棧高層移動性管理協議之間的接口，通常保持相同的名字和原語。MIH_LINK_SAP是MIHF實體與協議棧低層特定接入技術之間的抽象接口，在特定媒體將重新命名和定義，例如3GPP網絡命名為MIH_3GLINK_SAP；IEEE 802.11成功鑒權之前使用MSGCF_SAP傳輸MIH信令，鑒權之后通過LSAP傳播有效負荷；IEEE 802.16在網絡重接入前使用M_SAP和C_SAP提供鏈路服務，網絡重接入后使用CS_SAP在數據平臺上提供服務。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觸發的垂直切換通過IEEE 802.21定義的MIH原語獲取相關的鏈路層信息。假設移動節點周期性瞬時接收信號強度為RSSinst，加權平均值為：
???

??? 無差錯的接收分組的最小功率閾值為RSSLD,即觸發Link_Down原語；L2觸發切換的功率閾值為RSSLGD,即觸發Link_Going_Down原語。預測系數α為：
???
其中，α越大，產生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絡發現、IP地址配置的時間越早，越能有效減少切換時延和丟包，但會引起服務網絡使用率的降低。α=1表示沒有提前觸發網絡層切換，即鏈路層切換完成后再進行網絡層切換，α>1為本文提出的基于L2觸發的切換方案。此外，α隨著移動節點速度的增加而增加，詳解見仿真分析。為了避免切換產生乒乓效應，定義自信閾值RSSLHI和自信系數β，其中自信系數為：

??? 移動節點周期性地監聽RSSinst，其加權平均值RSSavg　 隨著RSSinst持續降低，當RSSavg

3 仿真分析
　 為了評價L2觸發對切換性能的影響，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無線局域網與UMTS網絡之間切換為例，通信對端（CN）通過帶寬為100 Mb/s有線網絡連接到核心網。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。移動節點具有UMTS和無線局域網2個無線端口，最初通過UMTS網絡與CN進行通信，仿真開始以1~20 m/s速度越過IEEE 802.11網絡，切換次數為兩次。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移動性管理協議為無L2觸發，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觸發切換，在L3切換開始之前獲取網絡層切換相關的信息，從而減小切換時延和丟包率。
??? 圖3為有/無L2觸發的切換中斷時延對比。這里定義切換中斷時延為移動節點在切換期間任何接口都不能接收任何信息包的時間。移動節點以1 m/s的速度移動，預測系數α=1.2，自信系數β=0.8,無L2觸發情形下119.99 s發生切換，切換中斷時延為0.364 s，有L2觸發情形下119.08 s發生切換，切換時延為0.164 s，比無L2觸發的切換時延降低55%。切換時刻稍有差別是因為單位時間內接收信號強度RSSavg低于自信閾值RSSLHI將重定向信息流。

　 圖4為不同網絡負荷下丟包數目的對比，隨著網絡負荷增大,丟包的數目急劇增加。例如網絡負荷為50 kb/s時無L2觸發丟包35，有L2觸發丟包15；網絡負荷為384 kb/s時，無L2觸發丟包307，有L2觸發丟包138。由圖4計算得知，有L2觸發切換比無L2觸發的平均丟包降低59%。

??? 從圖3和圖4可知，基于MIH協議的L2觸發顯著地優化了切換期間的時延和丟包。基于L2觸發切換方案的預測系數和移動節點速度對切換性能起決定性作用。因此，本文下面分析不同移動速度、不同預測系數對L2觸發切換的中斷概率、丟包率和網絡使用率的影響。
　 圖5為移動節點在不同速度下切換中斷概率的對比。中斷概率定義為：中斷概率=，切換時延包括鏈路層切換時延和網絡層移動檢測、IP地址配置、綁定更新產生時延總和。如果中斷概率為0表示切換是平滑的，移動節點在斷開服務網絡之前已完成切換過程，中斷概率越大表示L2觸發切換越類似于無L2切換觸發情形。移動節點速度為1 m/s時，不同預測系數α中斷概率相差不大；移動速度達到20 m/s時，α=1.4比α=1.1的切換中斷概率降低30%。因此，移動速度增大時，α也需相應地增大，從而獲取最佳切換性能。

?? ?圖6為移動節點在不同速度下切換丟包率的對比，丟包率定義為：丟包率=。顯然，相同速度下α越大，提前觸發的時間就越早，丟包率就越低。圖7為移動節點在不同速度下的網絡使用概率，本文指IEEE 802.11網絡的使用概率。本文定義網絡使用率如下：網絡使用率=。網絡使用率曲線不平滑的主要原因是本文切換涉及到網絡層切換，而FMIPv6協議代理路由器通告（PrRtAdv）消息廣播網絡層地址有最小時間間隔限制，從而導致移動節點切入或切出IEEE 802.11網絡時間具有浮動的特性。因此，同一預測系數α不同速度的網絡使用率上下浮動。在相同移動速度下，α越大網絡使用率越少，移動節點離開IEEE 802.11網絡時間越早。這與IEEE 802.11網絡具有較大帶寬、較低的接入成本，從而作為UMTS與802.11重疊覆蓋時首選網絡的切換判決準則相違背，因此綜合考慮切換性能選擇合適的預測系數α將是異構網絡切換的研究方向之一。

　　本文提出了一種異構網絡L2觸發切換模型，L2觸發由MIH協議的Link_Going_Down事件輔助實現。以IEEE 802.11切換到UMTS為例，在NS-2軟件平臺上有效地驗證了有L2觸發切換比無L2觸發降低55%切換時延和59%丟包率。在基于L2觸發的切換模型中，預測系數和移動節點的移動速度對切換性能起著關鍵性作用，因此本文通過仿真定性地分析了它們對切換中斷概率、丟包率和網絡使用率的影響。基于L2觸發的預測系數與移動節速度的定量分析將是筆者的下一步工作。