基于L2触发的异构网络切换研究

 异构无线网络包含多种不同接入技术，如WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access）、WiFi（Wireless Fidelity）和UMTS（Universal Mobile Telecomm-
unications System），而移动节点在不同接入网络无缝切换是移动性管理研究的重点。异构网络切换划分为链路层切换和网络层切换两种类型。在链路层切换中，移动节点切换的目标基站位于同一IP子网内，仅仅需要与新基站重新建立链路层的连通性，而无需改变IP地址、默认路由、网络前缀等配置。在网络层切换中，移动节点切换的目标基站位于不同子网或不同网络中，为确保会话的连通性，需要链路层的重新建立和网络层IP地址、默认路由、网络前缀的重新配置。
    因特网工程任务组（IETF）提出了网络层移动性管理协议：移动IPv6（MIPv6）及扩展切换FMIPv6，能够保证移动节点在移动中的连通性[1]。MIPv6本质上为硬切换，移动节点在切换开始时必须先中断与当前接入路由器连接，直至网络层完成移动检测、地址冲突检测、绑定更新才能恢复通信,这将产生较高的切换时延和丢包率,导致用户可察觉的服务质量（QoS）降低。IETF RFC5268制定了FMIPv6协议,有效地降低了MIPv6切换丢包和切换时延。在FMIPv6协议中定义了L2链路层触发，移动节点检测到移向新接入路由器（NAR）时，在断开原接入路由器（PAR）连接之前，执行移动检测、地址冲突检测，从而减少了切换时延和丢包率。然而，FMIPv6并没有规定L2触发时刻，因此本文结合IEEE 802.21媒体独立切换MIH（Media Independent Handover）协议提出一种基于L2层触发的异构网络垂直切换的解决方案[2]。
1 MIH切换模型
　 IEEE 802.21工作组在L2链路层和L3网络层之间定义了MIH框架，独立于特定接入网络技术，增强了异构IEEE 802接入网络之间的最优化切换，同时推动了IEEE 802和非IEEE 802接入网络（如蜂窝网络）之间的异构网络切换。MIH定义了三种类型的服务：媒体独立事件服务（MIES）、媒体独立命令服务（MICS）和媒体独立信息服务（MIIS）。MIES检测和预测物理层、数据链路层、逻辑链路层的动态改变,提供底层到高层的单向服务，如Link_Down、Link_Going_Down、Link_Up和Link_Handover_Imminent；MICS用于高层控制和管理切换期间的物理层、数据链路层、逻辑链路层的最佳链路重配置和选择，所有MICS都具有强制性； MIIS通过移动节点和网络的MIH功能（MIHF）模块之间的交互提供与切换相关的邻居网络和服务网络信息。MIHF提供的这些服务可以保证不同接入技术不同QoS等级的服务连续性和自适应性，有助于网络发现、网络选择和切换策略的制定[3]。
    图1描述了MIH在协议栈的位置及移动节点和网络之间的交互。所有MIH用户具备MIHF实体，MIHF与MIH用户、MIHF与低层之间的通信依赖于已定义的服务原语，服务接入点（SAP）包含一套服务原语[4]。目前802.21标准定义了3种SAP：MIH_SAP、MIH_LINK_SAP和MIH_NET_SAP。MIH_SAP是MIHF实体与协议栈高层移动性管理协议之间的接口，通常保持相同的名字和原语。MIH_LINK_SAP是MIHF实体与协议栈低层特定接入技术之间的抽象接口，在特定媒体将重新命名和定义，例如3GPP网络命名为MIH_3GLINK_SAP；IEEE 802.11成功鉴权之前使用MSGCF_SAP传输MIH信令，鉴权之后通过LSAP传播有效负荷；IEEE 802.16在网络重接入前使用M_SAP和C_SAP提供链路服务，网络重接入后使用CS_SAP在数据平台上提供服务。MIH_NET_SAP是远程MIHF实体之间信息交互的接口。

2 切换方案
    基于L2触发的垂直切换通过IEEE 802.21定义的MIH原语获取相关的链路层信息。假设移动节点周期性瞬时接收信号强度为RSSinst，加权平均值为：
   

    无差错的接收分组的最小功率阈值为RSSLD,即触发Link_Down原语；L2触发切换的功率阈值为RSSLGD,即触发Link_Going_Down原语。预测系数α为：
   
其中，α越大，产生Link_Going_Down原语的时间越早，即链路层断开之前提前进行邻居网络发现、IP地址配置的时间越早，越能有效减少切换时延和丢包，但会引起服务网络使用率的降低。α=1表示没有提前触发网络层切换，即链路层切换完成后再进行网络层切换，α>1为本文提出的基于L2触发的切换方案。此外，α随着移动节点速度的增加而增加，详解见仿真分析。为了避免切换产生乒乓效应，定义自信阈值RSSLHI和自信系数β，其中自信系数为：

    移动节点周期性地监听RSSinst，其加权平均值RSSavg<RSSLGD时,预测到服务网络连接即将断开,触发Link_Going_Down原语，指示在某一时间间隔内链路断开及链路下降的理由。MIHF从链路层接收此触发事件，转发到相应的MIH用户，MIH用户通过MIH原语获取邻居网络的链路资源、QoS等级、网络前缀、网络列表等。通过获取的邻居网络信息在链路层切换开始之前配置网络层转交地址。如果切换预测时间足够长，移动节点与服务网络断开连接之前完成切换，则可实现是无丢包的平滑切换。
　 随着RSSinst持续降低，当RSSavg<RSSLHI时执行切换判决，移动节点依据用户喜好、网络成本和网络资源等多种切换准则选择最佳的服务网络。在RSSinst降低到RSSLD时，指示链路层切换断开。移动节点移入新网络开始网络层切换，更新通信对端（CN）和家乡代理（HA）的转交地址，同时通知原服务网络释放为移动节点分配的资源，至此切换完成。基于L2触发的切换流程如图2所示。

3 仿真分析
　 为了评价L2触发对切换性能的影响，本文采用NIST提供NS-2.29平台下的移动性管理模块[6]，仿真场景以IEEE 802.11无线局域网与UMTS网络之间切换为例，通信对端（CN）通过带宽为100 Mb/s有线网络连接到核心网。UMTS分配384 kb/s的DCH信道，覆盖整个仿真场景范围，IEEE 802.11带宽为54 Mb/s，覆盖范围为50 m。移动节点具有UMTS和无线局域网2个无线端口，最初通过UMTS网络与CN进行通信，仿真开始以1~20 m/s速度越过IEEE 802.11网络，切换次数为两次。从UMTS切换到IEEE 802.11并非由信号强度降低决定，而是由切换策略决定，是一种软切换情形，它使切换过程中产生的时延和丢包问题容易解决[7]。本文重点研究IEEE 802.11切换到UMTS，MIPv6移动性管理协议为无L2触发，属于硬切换，完成L2切换后才能开始L3切换，切换时延和丢包率比较大。因此，本文通过引入MIH辅助的L2触发切换，在L3切换开始之前获取网络层切换相关的信息，从而减小切换时延和丢包率。
    图3为有/无L2触发的切换中断时延对比。这里定义切换中断时延为移动节点在切换期间任何接口都不能接收任何信息包的时间。移动节点以1 m/s的速度移动，预测系数α=1.2，自信系数β=0.8,无L2触发情形下119.99 s发生切换，切换中断时延为0.364 s，有L2触发情形下119.08 s发生切换，切换时延为0.164 s，比无L2触发的切换时延降低55%。切换时刻稍有差别是因为单位时间内接收信号强度RSSavg低于自信阈值RSSLHI将重定向信息流。

　 图4为不同网络负荷下丢包数目的对比，随着网络负荷增大,丢包的数目急剧增加。例如网络负荷为50 kb/s时无L2触发丢包35，有L2触发丢包15；网络负荷为384 kb/s时，无L2触发丢包307，有L2触发丢包138。由图4计算得知，有L2触发切换比无L2触发的平均丢包降低59%。

    从图3和图4可知，基于MIH协议的L2触发显著地优化了切换期间的时延和丢包。基于L2触发切换方案的预测系数和移动节点速度对切换性能起决定性作用。因此，本文下面分析不同移动速度、不同预测系数对L2触发切换的中断概率、丢包率和网络使用率的影响。
　 图5为移动节点在不同速度下切换中断概率的对比。中断概率定义为：中断概率=，切换时延包括链路层切换时延和网络层移动检测、IP地址配置、绑定更新产生时延总和。如果中断概率为0表示切换是平滑的，移动节点在断开服务网络之前已完成切换过程，中断概率越大表示L2触发切换越类似于无L2切换触发情形。移动节点速度为1 m/s时，不同预测系数α中断概率相差不大；移动速度达到20 m/s时，α=1.4比α=1.1的切换中断概率降低30%。因此，移动速度增大时，α也需相应地增大，从而获取最佳切换性能。

    图6为移动节点在不同速度下切换丢包率的对比，丢包率定义为：丢包率=。显然，相同速度下α越大，提前触发的时间就越早，丢包率就越低。图7为移动节点在不同速度下的网络使用概率，本文指IEEE 802.11网络的使用概率。本文定义网络使用率如下：网络使用率=。网络使用率曲线不平滑的主要原因是本文切换涉及到网络层切换，而FMIPv6协议代理路由器通告（PrRtAdv）消息广播网络层地址有最小时间间隔限制，从而导致移动节点切入或切出IEEE 802.11网络时间具有浮动的特性。因此，同一预测系数α不同速度的网络使用率上下浮动。在相同移动速度下，α越大网络使用率越少，移动节点离开IEEE 802.11网络时间越早。这与IEEE 802.11网络具有较大带宽、较低的接入成本，从而作为UMTS与802.11重叠覆盖时首选网络的切换判决准则相违背，因此综合考虑切换性能选择合适的预测系数α将是异构网络切换的研究方向之一。

　　本文提出了一种异构网络L2触发切换模型，L2触发由MIH协议的Link_Going_Down事件辅助实现。以IEEE 802.11切换到UMTS为例，在NS-2软件平台上有效地验证了有L2触发切换比无L2触发降低55%切换时延和59%丢包率。在基于L2触发的切换模型中，预测系数和移动节点的移动速度对切换性能起着关键性作用，因此本文通过仿真定性地分析了它们对切换中断概率、丢包率和网络使用率的影响。基于L2触发的预测系数与移动节速度的定量分析将是笔者的下一步工作。