WiMAX跨层切换技术的研究与仿真

WiMAX是基于IEEE802.16标准的宽带无线接入城域网（BWA MAN）技术，具有传输距离远、接入速度高，基于IP的网络，支持移动性，满足移动、游牧、固定等不同场景应用的特点，可以广泛应用于广域接入、企业宽带接入、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（Backhaul）、有线基础设施薄弱的地区等几乎所有无线宽带接入市场。

WiMAX支持移动性的关键技术是实现网络的无缝切换，如果切换过程进行不好，很可能造成小区的过载或移动台的"掉话"，使网络服务质量大大下降。WiMAX网络支持VoIP和多媒体通信等时延敏感业务，所以如何快速切换，降低切换时延和丢包率一直是WiMAX网络研究热点，关系到WiMAX网络能否大规模布署问题。快速移动IPv6（FMIPv6）是公认的IP网络中移动性解决方案，已经在多个系统中采用，技术相对成熟，文章正是在研究802.16e标准定义的MAC切换机制和FMIPv6基础上，按照IEEE802.21工作组提出的草案，在二、三层切换中引入媒质独立切换（MIH，Media Independence Handover）来获取底层链路信息，达到提前触发切换的目的，并通过NS-2仿真工具进行了仿真实现和结果分析。

1、引入MIH的WiMAX跨层切换方案

1.1　MIH介绍

IEEE 802.21工作组是在多种网络的互联需求下成立的，它的成立旨在为多种无线通信网络提供规范的无缝切换标准，为运营商和用户带来统一的互联标准，消除因多种网络底层技术而造成的互联混乱。IEEE 802.21的一个核心思想就是为了屏蔽底层而为上层提供统一的互联接口，使上层切换在一个标准的平台执行，而不用去处理因底层技术的不同带来的差异。因此，MIH便应运而生。MIH定义了一种方法可以提供链路层信息和其他有关网络信息给上层用于异构网络间的切换。在这样一个拥有多种网络接口的体系中，FMIPv6可以使用事件服务（event service），命令服务（command service）和信息服务（information service）这三种由MIH提供的服务来管理和控制切换时的状态。在FMIPv6中，网路层必须提前探测链路层切换迹象实现无缝切换。所以，需要在FMIPv6中引入MIH服务用于链路层触发。其服务类型共分为三种。

（1）事件服务

事件服务使FMIPv6中切换检测更容易实现。事件信息提供当前网络的状态和二层数据链路的传输行为，比如MAC、无线资源管理等。FMIPv6使用一组请求/确认信令注册从MIH层收到的事件。定义的事件包括有：Link Detect、Link Available、Link Up、Link Down、Link Going Down等。

（2）命令服务

命令服务引用高层发送给低层的命令，包括从高层到MIH（比如，高层移动性协议到MIH）以及MIH到底层（比如，MIH到MAC，或者MIH到PHY）的命令。这些命令主要携带着高层判决信息给低层，并且控制低层实体的行为。

（3）信息服务

信息服务提供一个框架和通信机制，通过这些MIH的功能实体在一个地理范围之内可以发现并且获得现有的网络信息，从而使切换过程更容易执行。信息服务主要提供一组请求／响应机制用于信息传送。该信息可以储存在MIH层内部或者MIH可以到达的信息服务中。该信息服务提供诸如邻居位置等静态信息有助于网络发现，也提供动态信息有助于优化异构网络中链路层的连通性。这包括链路层参数，诸如频道信息、MAC地址、安全信息，等等。

1.2　引入MIH的WiMAX跨层切换方案

1.2.1　FMIPv6上层切换的优化

2001年7月出台的IETF草案"移动IPv6的快速切换（FMIPv6）"提出了增强移动IPv6节点在Internet上快速改变接入点性能的方案，以降低越区切换时的分组延时和丢包率。它的基本思路有三种：分组缓存、组播和基于L2移动触发的预先切换。其中第三种思路是研究的热点。FMIPv6能在二层切换时选定路由器并且完成绑定更新，这样发给原CoA的包将送到新CoA。此外，当MN仍连接在PAR时，FMIPv6通过使用NAR的链路层信息完成CoA配置。为了减少切换的时延，采用2层触发（L2 Trigger）机制，让L3层切换在L2层切换发生之前就提前触发，开始启动，一旦L2切换完成，那么由于L3切换已经开始准备了相应的三层路由，可以基本无时延的沿着新路径进行报文的收发，从而降低甚至消除注册时延。

1.2.2　切换流程

FMIPv6在IP层的切换过程中需要二层触发来预先获取链路层信息，从而提前开始三层的切换。从这个角度来看，MIH提供的事件服务能够有效地为三层提供触发机制，在进行二层切换的同时，触发三层进行切换，从而实现移动节点在网络间的无缝切换，以适应各种实时业务的需要。在引入MIH的网络模型中，通过在WiMAX中结合FMIPv6的预先和快速切换，能更加有效的改善切换性能，减小时延和丢包率，切换流程如图1所示。

图1　引入MIH的FMIPv6切换流程

在link going down阶段通过FMIPv6中的RtSolPr和PrRtAdv的信令交互，使MN在没有断开连接时就获取到了Target BS的网络前缀信息，为三层切换做好了准备。而在二层切换完成时，MN已经与Target BS建立起新的连接后，MN随即就可以配置新的网络地址，而不需要再去从新获取网络前缀。

与传统的基于MIPv6的方案相比，该方案主要采用了跨层切换的思想，L2层、L3层联合切换，整个切换可以分预切换和切换执行两部分，在预切换过程中，通信链路保持连接，通信可以正常进行，在此过程中完成了新接入路由发现，有效的减小了切换时延，同时在切换执行过程中，采用隧道技术由PAR向NAR转发缓存数据包，服务流能有效的重定向到新的AP，从而有效地减小了丢包率。

2、跨层切换的仿真

2.1　仿真场景建立

利用NIST提供的无缝安全移动性（Seamless and Secure Mobility）协议支持包，按照上面提出的切换仿真方案，修改源代码中与切换相关的路由发现与网络地址配置流程。即在Link going down阶段就进行三层切换的信令交互，获取Target BS的网络地址，省去了链路重新建立后获取新转交地址的流程，而是在二层切换完成时随即配置之前获取到的新的转交地址。仿真场景如图2所示。

图2　WiMAX网间切换仿真场景图

其中，4是移动节点MN，2和3表示分属于不同网络的两个WiMAX基站，1表示路由器，0表示通信对端。通过从0向4以0.1 s的发包间隔发送Packet Size=4960的cbr（constant bit rate）流量来仿真应用层服务流。服务流仿真时间从10到150，总共发送了5603个包。1负责转发服务流到基站，当仿真开始时，MN开始初始接入2号基站的网络中。初始接入完成之后在2号基站的覆盖范围内向3号基站的覆盖区域以2m/s的速度移动，2号基站负责发送从1转发过来的服务流到移动节点。

2.2　切换时延和丢包率分析

该仿真模拟了一个MN在分属于不同网络域的两个BS之间切换的过程。通过分析移动节点MN接收到的数据包，来考察切换时延和丢包情况。具体数据信息如表1所示。

表1　MN接收数据包ID与仿真时间分析表

由表1中的数据可以看出，在t=106.051318565时MN开始发生切换，此时收到Serving BS发送来的最后一个数据包，其ID号为3843；直到t=106.248973719时切换结束，收到Target BS发送来的ID号为3848的数据包，总共丢了4个包，切换时延约为Thandover=0.19。

2.3　端到端时延与仿真时间的关系

通过分析数据包的端到端时延，可以考察网络的稳定性。当网络处于正常工作状态时，数据包的转发应该是相对稳定的，端到端时延在一个数量级上平稳波动。但是，当移动节点发生切换时，二层链路扫描和路由更新过程会影响数据包的转发速率，使端到端时延突然增大。当切换完成时，数据包又会恢复平稳的转发。通过NS-2提供的gnuplot绘图工具，分别绘制出基于FMIPv6和基于传统MIPv6下的端到端时延图，其中实心点表示数据包。

从图3和图4中可以看出，在切换开始前和切换结束后，MN分别和两个不同的基站进行通信，且服务流保持平稳的端到端时延，当切换进行时，由于要进行二层链路的重新连接和服务流重定向，导致切换过程中产生的服务流数据包在网络中滞留时间相对较大，直到服务流重定向完成时才由Target BS发送给MN，从而产生了图中所示的延时冲击。

图3　基于FMIPv6的端到端时延

图4　基于传统MIPv6的端到端时延

而比较两种切换流程可以看出，基于FMIPv6的方案虽然产生了两次延时冲击，但是它保证了数据包能完整发送到MN，只是由于在进行二层切换和服务流重定向时，网络中的数据包滞留时间稍长，且只有少量丢包，因此基于FMIPv6的方案能有效的降低丢包率，但是对于网络的负荷会响应增加；而基于传统MIPv6的方案虽然只在进行二层切换时数据包的时延有所增大，但是它并没有提前获取新的网络前缀，因此二层切换完成后MN会与Target BS进行三层切换的信令交互。这时数据包由于找不到路由而产生了大量的丢包情况。而在路由重新建立起来后数据包才由Target BS平稳的发送给MN。因此基于传统的MIPv6方案是以丢包为代价来获取网络的稳定性。仿真结果验证了上文中对端到端时延的理论分析。

2.4　小结

本次实验主要考察在同构的WiMAX网络中二层和三层切换的结合，通过引入MIH来获取底层链路的信息，达到提前触发切换的目的。通过仿真验证了MIH子层在WiMAX网间切换时结合FMIPv6的思想进行跨层切换，能有效地降低切换时延和丢包率，对上层服务流特别是对实时性要求较高的语音和视频业务能够提供良好的QoS保证。当然，实验本身也有一定局限性。首先，方案中对切换判决的策略只是单一的信号功率判断，没有结合其他的切换策略，这也是今后研究中的一个重点；另外，由于实验重点放在考察切换时延和丢包率上，因此对于WiMAX的组网和网络管理以及认证鉴权等处理未作深入考虑，在实际应用中以上因素也是WiMAX商业运营必不可缺少的关键。

3、结语

文章在介绍WiMAX的同时重点考察了如何将FMIPv6与WiMAX的底层切换相结合，通过在二三层之间引入MIH子层完成上层与底层之间的交互，为上层提供链路信息和切换触发事件，使得在WiMAX网络间切换时能更好地支持语音、视频等实时业务。并通过NS-2网络仿真工具对切换方案进行了仿真和对比，验证了方案的可用性和良好性能，对于今后以全IP核心网为基础的WiMAX网络互联有一定的指导意义。另一方面，MIH的提出是为未来丰富多彩的异构网络互联提供协议统一性，因此，在本次实验的基础上，异构网络间的切换将成为今后的研究重点。