基于環(huán)境感知與MIH的無縫切換優(yōu)化研究

李紅亮，宋建新

（南京郵電大學(xué)圖像處理與圖像通信實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210003）

伴隨著人們的各種需求和通信技術(shù)的發(fā)展，下一代的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將是各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)共存和融合的局面，用戶能夠享用到多種終端服務(wù)。接入將會采用多種不同的接入技術(shù)，比如WiFi，WiMAX或者3GPP等，它們之間不僅在技術(shù)上不同，而且在應(yīng)用情境上也會大相徑庭（如在本地、城市、廣域等范圍）。在這種情況下，其中最大的課題是如何在保證用戶各種業(yè)務(wù)QoS前提下，完成在異構(gòu)接入網(wǎng)之間選擇和切換問題［1］。為確保用戶移動(dòng)過程中會話的連續(xù)性，本文提出充分利用用戶自身、所被覆蓋的網(wǎng)絡(luò)信息和業(yè)務(wù)要求等環(huán)境因素來自動(dòng)調(diào)整切換閾值，從而確定何時(shí)觸發(fā)切換，并利用IEEE 802.21框架來完成信息的交互，確保切換到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中能夠提供足夠支持用戶業(yè)務(wù)QoS的網(wǎng)絡(luò)資源。通過最終的切換，確保通信最大限度的連續(xù)性，并通過仿真分析，驗(yàn)證本文所提的方法。

1 IEEE 802.21媒體無關(guān)切換技術(shù)

IEEE 802.21標(biāo)準(zhǔn)定義了MIH的中間架構(gòu)和跨層通信協(xié)議，它的協(xié)議框架目的是為了提出適當(dāng)?shù)姆椒ê瓦^程，使在跨越異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)時(shí)會話保持連續(xù)性。IEEE 802.21的主框架是媒體獨(dú)立功能塊（MIHF），對上層它支持統(tǒng)一的接口。MIHF提供3種業(yè)務(wù)服務(wù)，即媒體獨(dú)立事務(wù)服務(wù)（MIES），媒體獨(dú)立命令服務(wù)（MICS）和媒體獨(dú)立信息服務(wù)（MIIS）。MIES報(bào)告局部和全局事務(wù)到網(wǎng)絡(luò)上層，這些事務(wù)表明鏈路動(dòng)態(tài)變化的特征，例如鏈路質(zhì)量和誤碼率，這些事務(wù)可以是本地或者外地，它們來源于MN或網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的MAC/PHY;MICS能夠使MIH上層控制物理層、數(shù)據(jù)鏈路和邏輯鏈路層，提供從上層傳遞到網(wǎng)絡(luò)下層的命令，去控制和管理鏈路的行為;MIIS為MIHF塊提供框架和機(jī)制，去探測在一定地理區(qū)域內(nèi)可利用的鄰居網(wǎng)絡(luò)信息。這3種事務(wù)的目的就是獲得區(qū)域中所有異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的整體情況，為漫游在這些網(wǎng)絡(luò)時(shí)完成最優(yōu)化的無縫切換。MIH協(xié)議棧和網(wǎng)絡(luò)各層的關(guān)系框圖［2］，如圖1所示。

圖1 MIH協(xié)議棧

假設(shè)在IEEE 802.21框架中，移動(dòng)終端MN有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口。當(dāng)MN所處當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信道質(zhì)量變壞時(shí)，MIES將會發(fā)送包括鏈路和物理層信息的觸發(fā)事件，這些事務(wù)包括Link Parameter Change，Link Down，Link Going Down等，如果通信協(xié)議通過MIES從鏈路層收到Link Going Down事務(wù)后，那么通過MIIS收集到鄰居網(wǎng)絡(luò)的信息，并選擇最合適的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切換操作。接下來，上層將通過MICS事務(wù)發(fā)送命令來完成到選擇網(wǎng)絡(luò)的切換動(dòng)作，通過這個(gè)過程，MN完成了基于IEEE 802.21網(wǎng)絡(luò)框架的切換步驟。

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)的差異，切換閾值單考慮信號的強(qiáng)弱這一項(xiàng)，顯然是不現(xiàn)實(shí)的。必須綜合各種環(huán)境感知因素來確定動(dòng)態(tài)閾值，例如基站覆蓋面積、終端移動(dòng)速度等，確定切換時(shí)刻，從而更加準(zhǔn)確地發(fā)起切換。服務(wù)網(wǎng)絡(luò)和目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行交互時(shí)，必須保證目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)有合理的資源預(yù)留機(jī)制，因?yàn)樵谇袚Q發(fā)起到完成過程時(shí)間差中任何事情都可能發(fā)生，會造成“目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)判斷滿足，切換完成結(jié)束卻無法滿足的情景”。最后釋放原來服務(wù)網(wǎng)絡(luò)資源，完成切換。

2 一種綜合環(huán)境感知的MIH

本文的主要結(jié)構(gòu)，首先是用戶在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中觸發(fā)環(huán)境的探討，提出動(dòng)態(tài)的切換閾值，在發(fā)起觸發(fā)切換同時(shí)，利用一種主動(dòng)資源預(yù)留措施，保證切換完成時(shí)會話連續(xù)性;其次，通過環(huán)境感知得到的切換閾值和預(yù)留資源保證，利用MIH完成最后的切換?；诃h(huán)境感知切換各功能塊關(guān)系如圖2所示。

圖2 基于環(huán)境感知的功能模塊關(guān)系圖

2.1 動(dòng)態(tài)切換閾值判斷

網(wǎng)絡(luò)選擇觸發(fā)取決于信息的搜集和接口的管理，如果選擇之后的接入點(diǎn)不同于正在進(jìn)行服務(wù)的接入點(diǎn)，那么切換將會發(fā)生，相反，如果相同，網(wǎng)絡(luò)選擇不會引起切換的初始化過程。

由低的鏈路質(zhì)量而引發(fā)的切換是必須考慮的情況，但是為了給用戶提供更好的服務(wù)或者滿足某種特別用戶的偏好，同樣也是切換發(fā)生所應(yīng)考慮的。在本文主要考慮發(fā)生網(wǎng)絡(luò)選擇觸發(fā)的必要環(huán)境，當(dāng)必要條件滿足時(shí)，服務(wù)接入點(diǎn)對于連續(xù)性不滿足的這種情況在下一節(jié)給出解決的方案。新的接入網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該滿足會話的暢通，為了實(shí)現(xiàn)無縫切換，在網(wǎng)絡(luò)選擇觸發(fā)環(huán)境必要條件可以從下面這幾方面來考慮:

1）當(dāng)正在使用的網(wǎng)絡(luò)接口關(guān)閉時(shí)（由于節(jié)約電源接口管理），網(wǎng)絡(luò)選擇將被初始化;

2）當(dāng)用戶來選擇目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的切換操作沒有失敗，那么網(wǎng)絡(luò)選擇將會被觸發(fā)選擇別的接入點(diǎn);

3）如果服務(wù)的接入節(jié)點(diǎn)的RSS低于規(guī)定的切換閾值，那么網(wǎng)絡(luò)選擇將被初始化，一個(gè)自適應(yīng)的切換閾值是確保無縫切換的關(guān)鍵。

發(fā)生網(wǎng)絡(luò)選擇可以是由于用戶希望找到更能滿足用戶的QoS需要而發(fā)生，這個(gè)選擇被稱作觸發(fā)環(huán)境的主動(dòng)選擇。在實(shí)際中，當(dāng)新的接入網(wǎng)可以利用或者當(dāng)用戶開啟一個(gè)需要更高QoS業(yè)務(wù)而現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)無法滿足時(shí)同樣會發(fā)生網(wǎng)絡(luò)選擇初始化。再一種情況就是正在運(yùn)行的業(yè)務(wù)的QoS突然下降，在這種發(fā)生自主選擇網(wǎng)絡(luò)情況下是用戶為了提高用戶服務(wù)或者有更好的接入網(wǎng)絡(luò)［3］。

用戶接收到正在服務(wù)的接入網(wǎng)的信號低于切換觸發(fā)閾值，那么網(wǎng)絡(luò)選擇和切換操作將會被初始化。一個(gè)自適應(yīng)的切換閾值是保證無縫切換所必不可少的要素，為了不失一般性，筆者提出當(dāng)用戶在UMTS，WLAN和WiMAX系統(tǒng)下切換時(shí)的閾值計(jì)算方法。

具體分析各個(gè)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn):與UMTS和WiMAX相比，WLAN無線電覆蓋面是非常小的，而UMTS和WiMAX從巨大的覆蓋等級上來講是相近的。UMTS和WiMAX是可以互相彌補(bǔ)的技術(shù)，他們所覆蓋的單元大部分是相互重疊的。為了在系統(tǒng)內(nèi)部獲得無縫切換的目的，兩個(gè)相鄰的接入網(wǎng)重疊的部分按照習(xí)慣思維應(yīng)該足夠大，但實(shí)際上，這個(gè)是必要的，但不是充分條件。無縫切換更為依賴切換閾值，所以如果沒有合適的閾值那么通信連續(xù)性將會受到影響。

為了取得無縫數(shù)據(jù)傳遞（沒有數(shù)據(jù)包的丟失），由CN發(fā)送的最后的數(shù)據(jù)包必須在MN離開重疊區(qū)域到達(dá)終端MN。無縫切換情景可用圖3所示。

圖3 從WLAN到UMTS/WiMAX切換模型

下面是對情景中的主要參數(shù)的具體描述。

ts表示當(dāng)從正在服務(wù)的節(jié)點(diǎn)接收到低于切換閾值的時(shí)刻，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)選擇將會被觸發(fā)，垂直切換到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)將會被執(zhí)行。

Tv表示MN從切換閾值到服務(wù)單元覆蓋邊界這段距離所用的時(shí)間，跨越的距離定義為d0，切換閾值的自適應(yīng)計(jì)算是建立在這個(gè)關(guān)鍵的跨越距離上的。Tv定義如

式（4）中:θborder表示在服務(wù)單元邊界所接收到的信號的強(qiáng)度。例如無線鏈路做能夠允許的最小RSS值，可以看到?jīng)Q定θh值的因素為通過服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的包傳輸延遲、切換到目標(biāo)接入網(wǎng)的延遲、終端速度的估計(jì)和單元半徑的估計(jì)等。實(shí)際上，路徑包丟失因子K2和單元半徑R可以根據(jù)接收到的信號的強(qiáng)度來測量，終端的速度也是可以估計(jì)的值，切換延遲對于特定的網(wǎng)絡(luò)都是一個(gè)固定的值，因此，切換閾值θh能夠由終端自身自適應(yīng)地決定，所推導(dǎo)出的公式對任何成對的網(wǎng)絡(luò)都是有效的。

2.2 基于IEEE 802.21框架的主動(dòng)資源預(yù)留下的切換過程

在IEEE 802.21框架基礎(chǔ)上，這一節(jié)介紹如何在UMTS和IEEE 802.16e之間利用網(wǎng)絡(luò)初始化切換來有效

式中:η∈［0，1］，V是終端的移動(dòng)速度，R是服務(wù)單元的半徑估計(jì)值。

ΔT為切換延時(shí)，它是從ts時(shí)刻到MN接收到HA或者CN發(fā)送的綁定更新確認(rèn)時(shí)刻。一旦CN收到MN的路由更新消息，數(shù)據(jù)包就會按照新建立的路徑路由給MN。

δ表示為了避免由于無線信道損壞或者網(wǎng)絡(luò)帶寬動(dòng)態(tài)性造成的波動(dòng)加入的滯后因子，來優(yōu)化切換延遲。

下面來討論自適應(yīng)的切換閾值的推導(dǎo)過程。

在描述切換情景中，需滿足條件Tv≥ΔT+δ，把它代入公式（1）可得到ηR≥v（ΔT+δ），這意味著切換的初始化必須在服務(wù)基站的（1－η）R處進(jìn)行切換。

根據(jù)文獻(xiàn)［4］提出的信號模型，在（1－η）R處接收到的信號可以用以下公式來表達(dá)

式中:K1表示天線的增益和信號的波長，K2表示路徑的衰落因子，Xδ表示均值為零的統(tǒng)計(jì)高斯隨機(jī)過程模擬陰影衰落。陰影部分可以通過低通濾波在接收方過濾掉，那么重新書寫上面的公式為

把前面公式帶入，整理得到地保證服務(wù)的QoS。

在切換之前，MN的MIHF利用包含Link_Parameter_Report消息頭的信息，周期性地從當(dāng)前信道的狀態(tài)信息，把這些信息傳遞到正為他服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)周期性的報(bào)告過程一直持續(xù)到切換發(fā)生的時(shí)刻［5－6］。

當(dāng)正在服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)決定MN需要進(jìn)行切換的時(shí)候，本文所提到的切換機(jī)制就要發(fā)揮作用了，它包括下面3個(gè)步驟:

1）QoS測量。正在為MN提供服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)會向他自己的鄰居網(wǎng)絡(luò)發(fā)送包含MN的滿足QoS限制的消息，用來檢查候選網(wǎng)絡(luò)中是否滿足這些條件。

2）被動(dòng)資源預(yù)留。正在提供服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，會向目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)申請網(wǎng)絡(luò)資源，以保證MN的QoS達(dá)到要求，直至MN離開目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。

3）切換。在L2連接建立的過程中，MN根據(jù)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)來操作會話初始化過程，從而完成預(yù)留資源的利用目標(biāo)。

可以用把本文所提到的方法用流程方式表示，如圖4所示，下面對流程圖進(jìn)行詳細(xì)描述。

圖4 本文所提方法的切換流程

2.2.1 QoS 測量階段

在這個(gè)階段，服務(wù)網(wǎng)絡(luò)檢查鄰居網(wǎng)絡(luò)是否能夠支持MN想要保障的QoS條件。但是，這個(gè)在已存在的IEEE 802.21框架中，對于有效的衡量有一定的局限性，因此對這個(gè)階段分成兩部分進(jìn)行。

首先考慮在MN和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)之間的特殊QoS信息交換，同樣也要考慮服務(wù)網(wǎng)絡(luò)和鄰居網(wǎng)絡(luò)之間信息交換。盡管要求或支持QoS的信息對于QoS服務(wù)連續(xù)性很重要，但是IEEE 802.21標(biāo)準(zhǔn)僅僅定義了類別的名稱，沒有具體域的名稱。因此，本文定義了具體的QoS消息，它包括3種類型:Query Resource List，Requested Resource List和 A-vailable Resource Set。QoS 信息相應(yīng)的為{class，bandwidth，delay，jitter，BLER}，這個(gè)可以是單流的信息，多種流的綜合信息，或者是鄰居網(wǎng)絡(luò)剩余資源信息。

其次，當(dāng)搜集到要求或支持QoS的信息時(shí)，考慮在UMTS和IEEE 802.16e之間的QoS映射是非常必要的。這是因?yàn)閁MTS和IEEE 802.16e對于區(qū)別服務(wù)質(zhì)量或者優(yōu)先級有著各自的通信量等級，每個(gè)通信量級別有著自己的QoS限制。但是，在IEEE 802.16e和UMTS之間，現(xiàn)在還沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來管理通信中各種流所要求的QoS，本文提出了QoS映射表，如表1所示。

表1 QoS映射圖

基于上述這2部分，QoS測量步驟如下:當(dāng)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)需要MN切換，它會通過MIH_Net_HO_Candidat_Query Request/Response消息中的Query Resource List/Requested Resource List來搜集MN所要求的QoS信息。接下來，服務(wù)網(wǎng)絡(luò)會傳輸搜集到的QoS信息到鄰居網(wǎng)絡(luò)，這是通過MIH_N2N_HO_Query_Resource Request消息來傳遞的。然后，每個(gè)鄰居網(wǎng)絡(luò)的MIHF會把從服務(wù)網(wǎng)絡(luò)接收到的Query Resource Request消息，通過QoS映射表翻譯成自己網(wǎng)絡(luò)QoS的等級和限制。接下來，MIHF把這個(gè)翻譯的信息傳遞給每個(gè)網(wǎng)絡(luò)自己的資源管理功能模塊，在UMTS中一般位于SGSN和GGSN中，而在IEEE 802.16中則是位于RAS或ACR中。最后，資源管理功能模塊把得到的MN的QoS限制和自己可利用的資源相比較，每個(gè)鄰居網(wǎng)絡(luò)通過在MIH_N2N_HO_Resouces Response消息中的Available Resource Set來回復(fù)要求的QoS的支持情況。2.2.2 被動(dòng)資源預(yù)留

在收到鄰居網(wǎng)絡(luò)的回復(fù)后，服務(wù)網(wǎng)絡(luò)也就確定了目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)了，MN完成切換到選擇的鄰居網(wǎng)絡(luò)。但是MN切換執(zhí)行時(shí)間與MN檢測目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)QoS的執(zhí)行時(shí)間是存在差異的，這個(gè)時(shí)間差可大可小，這是因?yàn)樵跓o線網(wǎng)絡(luò)中不確定因素太多了，一個(gè)移動(dòng)點(diǎn)可能有突發(fā)流的出現(xiàn)或者在這個(gè)時(shí)間差中有大量移動(dòng)點(diǎn)進(jìn)入目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。在這種情況下，即使通過QoS測量滿足的情況下，也無法保證MN在到達(dá)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)后的連續(xù)性。這就預(yù)示著交換QoS信息和進(jìn)行QoS測量將變得無效。因此，本文提出被動(dòng)預(yù)留機(jī)制來保障被選網(wǎng)絡(luò)的QoS能力。

服務(wù)網(wǎng)絡(luò)在選中目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)后，它會啟動(dòng)被動(dòng)的資源預(yù)留機(jī)制，為提供被動(dòng)資源預(yù)留機(jī)制，本文定義了稱為MIH_N2N_Passive_Session_Reserve新的MIH消息，這個(gè)消息中包含從MN獲得的QoS要求的信息。服務(wù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送MIH_N2N_Passive_Session_Reserve消息到被選網(wǎng)絡(luò)的MIHF中，用來預(yù)訂MN所要求保障QoS要求的資源。MIHF發(fā)送主動(dòng)DSA－REQ/PDP Context消息，它是利用預(yù)留域修改原始的DSA－REQ/PDP Context產(chǎn)生，MIHF通過發(fā)送消息到RAS/RNC進(jìn)行資源的被動(dòng)預(yù)留。當(dāng)收到被動(dòng)資源預(yù)留消息以后，UMTS/IEEE 802.16e網(wǎng)絡(luò)會以軟狀態(tài)預(yù)留資源，這意味著被動(dòng)預(yù)留資源只能維持特定時(shí)間，如果預(yù)定時(shí)間超過，預(yù)留資源將會被釋放以供其他的MN使用。這就意味著切換發(fā)生在特定的時(shí)間域內(nèi)，能夠保證會話的連續(xù)性。被動(dòng)資源預(yù)留消息結(jié)構(gòu)見表2。

表2 被動(dòng)資源預(yù)留消息結(jié)構(gòu)

2.2.3 切換完成

當(dāng)從被選網(wǎng)絡(luò)中得到MIH_N2N_Passive_Session_Reserver回復(fù)后被動(dòng)資源預(yù)留就完成了，服務(wù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送MIH_Net_HO_Candidate_Commit通知被選網(wǎng)絡(luò)發(fā)送消息到MN。接下來，MN和目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)建立L2的聯(lián)系，在這進(jìn)行的時(shí)候，MN發(fā)送Active DSA－REQ/PDP Context Request消息使這在進(jìn)行的會話能夠使用預(yù)留資源，當(dāng)L2完成連接以后，L3的鏈接同樣開始建立，那么MN接收到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)。在先前的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)和當(dāng)前服務(wù)網(wǎng)絡(luò)之間的MIH_N2N_HO_Complete消息來表明HO階段完成。

3 仿真及分析

本文采用了NS2來對所提到的思想進(jìn)行模擬仿真，并對結(jié)果進(jìn)行分析。仿真所用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，主要包括3部分:一個(gè)是A階段的UMTS網(wǎng)絡(luò);一個(gè)是B階段的RAS1，它模擬沒有足夠資源以確保完全提供QoS保障的802.16e網(wǎng)絡(luò);另一個(gè)C階段是可以提供確保會話連續(xù)的足夠網(wǎng)絡(luò)資源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對VOIP實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包的延遲進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，因?yàn)閷?shí)時(shí)業(yè)務(wù)對包的延遲非常敏感，有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖6所示。

可以看出，在傳統(tǒng)的沒有動(dòng)態(tài)閾值和被動(dòng)資源預(yù)留機(jī)制下，包的延遲變化比較明顯，對流媒體抖動(dòng)比較明顯，尤其是在網(wǎng)絡(luò)資源緊張的RAS1網(wǎng)絡(luò)中更是如此，但是在本文所提出的機(jī)制中，可以很好地保證包的延遲維持不變，更有利于完成無縫切換。

4 小結(jié)

通過對切換過程與各種環(huán)境綜合分析，得出為了保證無縫切換必須考慮切換觸發(fā)環(huán)境下閾值，另外是切換發(fā)起到完成這個(gè)時(shí)間差過程中，目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留問題以防止突發(fā)情況下造成會話的不連續(xù)。文中提出了觸發(fā)環(huán)境下的自動(dòng)切換閾值和目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的被動(dòng)預(yù)留資源兩種方法，保障了切換的準(zhǔn)時(shí)發(fā)起和切換后充分的網(wǎng)絡(luò)資源保證會話服務(wù)的QoS。綜合這兩種方法使得在整個(gè)會話過程的連續(xù)性得到了保障。

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