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關于異構網(wǎng)絡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)絡的異構化趨勢，對WLAN和UMTS形成的異構網(wǎng)絡進行擴展，使其包含WLAN，WiMAX和UMTS3種網(wǎng)絡�；诮橘|獨立切換對擴展后異構網(wǎng)絡中的垂直切換進行仿真建模。評估切換時延、切換期間的丟包數(shù)目和網(wǎng)絡使用效率，結果表明，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)絡使用效率隨著功率強度門限系數(shù)的增大而降低。
論文關健詞：介質獨立切換；異構網(wǎng)絡；垂直切換
l概述
未來無線網(wǎng)絡將呈現(xiàn)異構特點，不同接入技術之問的切換稱為垂直切換。網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層具有支持垂直切換的相關協(xié)議，如網(wǎng)絡層的移動IPv6及其擴展協(xié)議、傳輸層的移動流控制傳輸協(xié)議和應用層的會話初始協(xié)議。IEEE802．21標準提出介質獨立切換(MediaIndependentHandover，MIH)概念。
相關文獻對MIH進行研究，關注移動期間對服務需求的滿足以及IEEE 802．21標準如何使無縫技術問的切換成為可能。提出一個實現(xiàn)IEEE802．21MIH標準的框架，并通過802．11和802．16e的融合試驗評估其性能。評估了IEEE802．21標準提供的移動性支持機制和算法性能，建立UMTS和IEEE802．11的異構網(wǎng)絡場景模型。
2相關工作
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，獲取一個轉交地址，并向家鄉(xiāng)代理發(fā)送綁定更新消息，以注冊轉交地址。家鄉(xiāng)代理收到此消息后，回復綁定確認消息。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種方式進行。介質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端MIH功能的通信來屏蔽介質異構性，使高層無須了解低層網(wǎng)絡的差異，從而優(yōu)化了移動節(jié)點在不同類型接入介質問的切換。MIH功能通過對低層、高層和對端定義的服務訪問點(ServiceAccessPoint，SAP)提供3種服務，即介質獨立事件服務、介質獨立命令服務和介質獨立信息服務。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的垂直切換機制，使用擴展的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，它負責與低層、高層及遠端M1H功能通信；MIH接口信息是MIH代理的子類，負責存儲關于MAC接口的信息；MIH用戶代理是MIH代理的子類，負責接收來自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，負責處理掃描請求；mihfinfo結構體負責遠端MIH功能的信息；session—info結構體負責與遠端MIH功能的當前會話信息；mihpendingreq結構體負責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)點視為結合不同技術節(jié)點的虛擬節(jié)點，此類不同技術的節(jié)點是多接口節(jié)點的接口，稱它們?yōu)榻涌诠?jié)點。位于上述不同技術節(jié)點的鄰居發(fā)現(xiàn)(NeighborDiscovery，ND)代理具有3層運動檢測功能，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關于網(wǎng)絡的前綴信息。MN可以通過發(fā)送路由器請求消息來發(fā)現(xiàn)新網(wǎng)絡的AP或BS。
3．2切換流穗
MN在由UMTS，WiMAX和WLAN3種網(wǎng)絡部署的中移動，如圖1所示，
其運動場景包括：(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MN快移出WLAN的覆蓋范圍時，WLAN接口基于功率強度門限觸發(fā)LGD(LinkGoingDown)事件，具體原理如下：假設只是第個接收數(shù)據(jù)包的功率，是無錯接收數(shù)據(jù)包的功率強度門限。若以下2個條件滿足：
其中，(≥1)是功率強度門限系數(shù)，則產(chǎn)生LGD事件，并向上依次傳給IFMNGMT代理和Handover代理，當產(chǎn)生該事件的概率達到某個設定值時，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)絡側收到此消息后發(fā)送探測應答消息。網(wǎng)絡側的MIPv6代理發(fā)送流重定向確認消息，MN通過WiMAX接31接收數(shù)據(jù)流。當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進行仿真評估。網(wǎng)絡拓撲如圖1所示，將所有節(jié)點設置在2200m~2200m的區(qū)域內。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結束。對場景(2)中MN的切換時延、丟包數(shù)和網(wǎng)絡使用效率進行分析。MN可通過2種方式進行切換，即LGD方式和LD方式。前者基于功率強度門限觸發(fā)LGD事件，后者在MN離開當前網(wǎng)絡信號覆蓋范圍，連續(xù)收到錯誤數(shù)據(jù)包的個數(shù)達到一個門限值時，觸發(fā)LD事件。仿真結果如表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)絡負荷的增加，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)絡負荷的增加，LGD方式和LD方式都未出現(xiàn)丟包現(xiàn)象由圖3可知，隨著功率強度門限系數(shù)變大，MN在2種速度下的網(wǎng)絡使用效率都降低。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結束語
本文基于MIH對WLAN，WiMAX和UMTS3種異構網(wǎng)絡部署場景下的垂直切換進行仿真建模，并對MN從WLAN切換到WiMAX，再從WiMAX切換到UMTS時的性能進行評估，為相關研究提供了參考。
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