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關(guān)于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的垂直切換仿真建模及其性能評估
論文摘要：針對無線網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)化趨勢，對WLAN和UMTS形成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展，使其包含WLAN，WiMAX和UMTS3種網(wǎng)絡(luò)。基于介質(zhì)獨立切換對擴(kuò)展后異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的垂直切換進(jìn)行仿真建模。評估切換時延、切換期間的丟包數(shù)目和網(wǎng)絡(luò)使用效率，結(jié)果表明，鏈路即將斷開(LGD)方式的切換時延小于鏈路斷開(LD)方式，且丟包數(shù)較少，網(wǎng)絡(luò)使用效率隨著功率強(qiáng)度門限系數(shù)的增大而降低。
論文關(guān)健詞：介質(zhì)獨立切換；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；垂直切換
l概述
未來無線網(wǎng)絡(luò)將呈現(xiàn)異構(gòu)特點，不同接入技術(shù)之問的切換稱為垂直切換。網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層具有支持垂直切換的相關(guān)協(xié)議，如網(wǎng)絡(luò)層的移動IPv6及其擴(kuò)展協(xié)議、傳輸層的移動流控制傳輸協(xié)議和應(yīng)用層的會話初始協(xié)議。IEEE802．21標(biāo)準(zhǔn)提出介質(zhì)獨立切換(MediaIndependentHandover，MIH)概念。
相關(guān)文獻(xiàn)對MIH進(jìn)行研究，關(guān)注移動期間對服務(wù)需求的滿足以及IEEE 802．21標(biāo)準(zhǔn)如何使無縫技術(shù)問的切換成為可能。提出一個實現(xiàn)IEEE802．21MIH標(biāo)準(zhǔn)的框架，并通過802．11和802．16e的融合試驗評估其性能。評估了IEEE802．21標(biāo)準(zhǔn)提供的移動性支持機(jī)制和算法性能，建立UMTS和IEEE802．11的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景模型。
2相關(guān)工作
移動IPv6中的功能實體包括家鄉(xiāng)代理、接入路由器、對端節(jié)點和移動節(jié)點。當(dāng)移動節(jié)點從一條鏈路移動到另一條鏈路上時，獲取一個轉(zhuǎn)交地址，并向家鄉(xiāng)代理發(fā)送綁定更新消息，以注冊轉(zhuǎn)交地址。家鄉(xiāng)代理收到此消息后，回復(fù)綁定確認(rèn)消息。對端節(jié)點和移動節(jié)點可以采用雙向隧道和路由優(yōu)化2種方式進(jìn)行。介質(zhì)獨立切換的思想是在低層和高層問引入一個新的協(xié)議層，該層具有MIH功能，通過與不同低層間的相互作用以及與遠(yuǎn)端MIH功能的通信來屏蔽介質(zhì)異構(gòu)性，使高層無須了解低層網(wǎng)絡(luò)的差異，從而優(yōu)化了移動節(jié)點在不同類型接入介質(zhì)問的切換。MIH功能通過對低層、高層和對端定義的服務(wù)訪問點(ServiceAccessPoint，SAP)提供3種服務(wù)，即介質(zhì)獨立事件服務(wù)、介質(zhì)獨立命令服務(wù)和介質(zhì)獨立信息服務(wù)。SAP包括MIH—LINK—SAP和MIH—SAP。
3仿真建模與切換流程
3．1仿真建模
為了仿真基于MIH的垂直切換機(jī)制，使用擴(kuò)展的NS一2．29。它具有MIH功能和MAC層對MIH的支持作用，并使移動節(jié)點(MobileNode，MN)具有多接口特點和發(fā)現(xiàn)子網(wǎng)的功能。
實現(xiàn)M1H功能的關(guān)鍵組成部分有MIH代理、MIH接口信息、MIH用戶代理、MIH掃描、mihf-info，sessioninfo，m ih~ending—req。其中，MIH代理實現(xiàn)MIH功能，它負(fù)責(zé)與低層、高層及遠(yuǎn)端M1H功能通信；MIH接口信息是MIH代理的子類，負(fù)責(zé)存儲關(guān)于MAC接口的信息；MIH用戶代理是MIH代理的子類，負(fù)責(zé)接收來自MIH代理的事件消息，并向MIH代理發(fā)送命令，接口(interfaceManagement，IFMNGMT)代理是MIH用戶代理的子類，MIPv6代理是IFMNGMT代理的子類，Handover類是MIPv6代理的子類；MIH掃描是MIH代理的子類，負(fù)責(zé)處理掃描請求；mihfinfo結(jié)構(gòu)體負(fù)責(zé)遠(yuǎn)端MIH功能的信息；session—info結(jié)構(gòu)體負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)端MIH功能的當(dāng)前會話信息；mihpendingreq結(jié)構(gòu)體負(fù)責(zé)存儲等待的請求消息。通過修改MAC層使其具有M IH—LINK—SAP功能，并能處理觸發(fā)事件。MIH—LINK—SAP被添加到MAC類中，實現(xiàn)MAC層對MIH的支持。
將多接口節(jié)點視為結(jié)合不同技術(shù)節(jié)點的虛擬節(jié)點，此類不同技術(shù)的節(jié)點是多接口節(jié)點的接口，稱它們?yōu)榻涌诠?jié)點。位于上述不同技術(shù)節(jié)點的鄰居發(fā)現(xiàn)(NeighborDiscovery，ND)代理具有3層運(yùn)動檢測功能，接入點(AccessPoint，AP)或基站(BaseStation，BS)周期性地發(fā)送路由器通告消息，以通知MN關(guān)于網(wǎng)絡(luò)的前綴信息。MN可以通過發(fā)送路由器請求消息來發(fā)現(xiàn)新網(wǎng)絡(luò)的AP或BS。
3．2切換流穗
MN在由UMTS，WiMAX和WLAN3種網(wǎng)絡(luò)部署的中移動，如圖1所示，
其運(yùn)動場景包括：(1)先從UMTS切換到WiMAX，再從WiMAX切換至WLAN；(2)先從WLAN切換到WiMAX，再從WiMAX切換到UMTS。本文主要考慮場景(2)。
在場景(2)的切換中，當(dāng)MN快移出WLAN的覆蓋范圍時，WLAN接口基于功率強(qiáng)度門限觸發(fā)LGD(LinkGoingDown)事件，具體原理如下：假設(shè)只是第個接收數(shù)據(jù)包的功率，是無錯接收數(shù)據(jù)包的功率強(qiáng)度門限。若以下2個條件滿足：
其中，(≥1)是功率強(qiáng)度門限系數(shù)，則產(chǎn)生LGD事件，并向上依次傳給IFMNGMT代理和Handover代理，當(dāng)產(chǎn)生該事件的概率達(dá)到某個設(shè)定值時，WLAN接口觸發(fā)LD(LinkDown)事件，并向上分別傳給IFMNGMT代理、Handover代理和MIPv6代理。MIPv6代理通過WiMAX接口發(fā)送流重定向消息，MIH代理發(fā)送LinkScan命令，向下傳給WLAN接IZl，WLAN接口發(fā)送探測請求消息，網(wǎng)絡(luò)側(cè)收到此消息后發(fā)送探測應(yīng)答消息。網(wǎng)絡(luò)側(cè)的MIPv6代理發(fā)送流重定向確認(rèn)消息，MN通過WiMAX接31接收數(shù)據(jù)流。當(dāng)MN從WiMAX切換至UMTS時，切換流程與上述過程類似。
4仿真評估
使用仿真軟件NS．2進(jìn)行仿真評估。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示，將所有節(jié)點設(shè)置在2200m~2200m的區(qū)域內(nèi)。UMTS的NodeB是全覆蓋的，BS和AP的覆蓋半徑分別是1000m和50in。在CN和MN之間建立UDP連接，并在其上建立一個恒定比特速率(ConstantBitRate，CBR)數(shù)據(jù)流，每個包的大小是500Byte，該數(shù)據(jù)流從第9S開始產(chǎn)生，在第250S結(jié)束。對場景(2)中MN的切換時延、丟包數(shù)和網(wǎng)絡(luò)使用效率進(jìn)行分析。MN可通過2種方式進(jìn)行切換，即LGD方式和LD方式。前者基于功率強(qiáng)度門限觸發(fā)LGD事件，后者在MN離開當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋范圍，連續(xù)收到錯誤數(shù)據(jù)包的個數(shù)達(dá)到一個門限值時，觸發(fā)LD事件。仿真結(jié)果如表1、圖2和圖3所示。
由圖2可知，對于從WLAN切換到WiMAX的情況，LGD方式的切換時延約為0．12S，LD方式約為0．32S。對于從WiMAX切換到UMTS的情況，LGD方式的切換時延約為0．03S，LD方式約為0．75S。
由表1可知，對于從WLAN切換到WiMAX的情況，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的增加，LGD方式的丟包數(shù)在2-5之間，LD方式在7-10之問。對于從WiMAX切換到UMTS的情況，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的增加，LGD方式和LD方式都未出現(xiàn)丟包現(xiàn)象由圖3可知，隨著功率強(qiáng)度門限系數(shù)變大，MN在2種速度下的網(wǎng)絡(luò)使用效率都降低。對于從WLAN切換到WiMAX的情況，1rn／s時WLAN的使用效率比5m／s時略高對于從WiMAX切換到UMTS的情況，1m／s時WiMAX的使用效率與5m／s時接近，而在功率強(qiáng)度門限系數(shù)為1．2時，1m／時的使用效率大幅度降低，此現(xiàn)象是由仿真的偶然性造成的。
5結(jié)束語
本文基于MIH對WLAN，WiMAX和UMTS3種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署場景下的垂直切換進(jìn)行仿真建模，并對MN從WLAN切換到WiMAX，再從WiMAX切換到UMTS時的性能進(jìn)行評估，為相關(guān)研究提供了參考。
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