蜂窩IP技術(shù)

2019-11-03 09:08:04

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供稿：網(wǎng)友

胡曉軍鮑艦?zāi)暇┼]電學(xué)院通信工程系　　【摘要】本文首先介紹蜂窩ip 技術(shù)的協(xié)議機制，接著詳細(xì)分析其路由、切換和尋呼等關(guān)鍵技術(shù)，并　　通過性能分析，證明蜂窩IP 技術(shù)能很好地利用Mobile IP 的全局移動性支持和蜂窩系統(tǒng)的移動切換等功能，支持頻繁切換下的高速分組數(shù)據(jù)傳輸，適應(yīng)下一代無線分組數(shù)據(jù)通信發(fā)展的需要。

1 引言

　　近年來，隨著移動通信和Internet 的迅猛發(fā)展，移動通信和Internet 相互融合正逐漸成為研究開發(fā)的熱點。在第三代移動通信系統(tǒng)中，提供高達2Mb/s 的無線分組數(shù)據(jù)速率，蜂窩的范圍從宏蜂窩進一步縮小到微蜂窩，甚至是微微蜂窩，對于無線接入Internet 而言，要求更高效的無線分組路由機制和快速的無縫移動切換控制技術(shù)。

　　傳統(tǒng)的Mobile IP 協(xié)議只是在較大范圍的蜂窩間簡單地解決Internet 主機移動性，僅適用于宏蜂窩的情況。在微蜂窩情況下，移動主機在蜂窩間的移動切換更加頻繁，無線接入的數(shù)據(jù)率也顯著增加，若仍然采用傳統(tǒng)的Mobile IP 協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)的運行效率非常低，不適應(yīng)第三代移動通信系統(tǒng)的要求。

　　本文介紹一種新的Internet 移動主機協(xié)議――蜂窩IP（Cellular IP），它繼承了Mobile IP 的優(yōu)點，并且充分利用蜂窩移動通信系統(tǒng)的移動性管理功能和移動切換技術(shù)，從而支持快速運動的移動主機無線接入Internet。

2 蜂窩IP 協(xié)議

　　蜂窩IP 技術(shù)建立在Mobile IP 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上，充分利用了蜂窩移動通信系統(tǒng)的移動性管理功能和連接切換控制，來實現(xiàn)蜂窩IP 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的路由和切換，圖1 給出了蜂窩IP 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和分組路由方式。

圖1 蜂窩IP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和分組路由方式

　　蜂窩IP 網(wǎng)絡(luò)由蜂窩IP 基站(BS)和蜂窩IP 網(wǎng)關(guān)(Gateway)兩大部分組成，基站和網(wǎng)關(guān)統(tǒng)稱為蜂窩IP節(jié)點。蜂窩IP 基站，作為網(wǎng)絡(luò)的無線接入點，也集成了傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)的移動交換中心(MSC)和基站控制器(BSC)的功能。與蜂窩移動通信方式不同的是，蜂窩IP 基站建立在IP 分組轉(zhuǎn)發(fā)的基礎(chǔ)上，其IP 路由的功能由蜂窩IP 路由和位置管理實體來完成。許多個基站組成一個蜂窩IP 網(wǎng)絡(luò)，通過蜂窩IP 網(wǎng)關(guān)接入到Internet，蜂窩IP 網(wǎng)關(guān)起到路由和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的功能。在蜂窩IP 網(wǎng)關(guān)之間，網(wǎng)絡(luò)的全局移動性由Mobile IP協(xié)議來支持，而在蜂窩IP 網(wǎng)關(guān)內(nèi)部，采用蜂窩移動系統(tǒng)的移動性管理和切換功能來支持網(wǎng)絡(luò)的局部移動性。

　　蜂窩IP 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的移動主機將網(wǎng)關(guān)的IP 地址作為它的Mobile IP 轉(zhuǎn)交地址(care-of address)，當(dāng)有IP 數(shù)據(jù)包發(fā)往移動主機時，首先通過Mobile IP 協(xié)議原理，到達該主機所在網(wǎng)絡(luò)的蜂窩IP 網(wǎng)關(guān)，在網(wǎng)關(guān)處解封裝，并向基站轉(zhuǎn)發(fā)。在蜂窩IP 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，移動主機的地址就是其歸屬地址(home address)，數(shù)據(jù)分組不用再進行地址轉(zhuǎn)換和采用隧道(Tunnelling)技術(shù)，而是可以直接轉(zhuǎn)發(fā)給移動主機。當(dāng)移動主機發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，將分組通過無線方式傳輸?shù)剿诘幕?，然后通過hop-by-hop 方式路由到網(wǎng)關(guān)，通過該網(wǎng)關(guān)發(fā)送到Internet 上。

　　在蜂窩IP 中，位置管理和切換支持都集成在路由功能中?；径〞r發(fā)送導(dǎo)引信號(beacon signal)，導(dǎo)引信號中包含所在網(wǎng)關(guān)的IP 地址，移動主機通過該導(dǎo)引信號進行定位，支持廣域的移動性。蜂窩IP 節(jié)點維護一個路由緩存(Route Cache)，存儲移動主機的IP 地址和相鄰的下一個節(jié)點，通過hop-by-hop 方式，構(gòu)成一條上行鏈路(基站到網(wǎng)關(guān))的路由。為減少控制信令，節(jié)點處的路由緩存由傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組創(chuàng)建和修改。下行鏈路(網(wǎng)關(guān)到基站)也可以利用這條路由緩存鏈，將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)到移動主機。當(dāng)主機在基站間移動時，由于上行數(shù)據(jù)分組不斷更新路由緩沖，所以下行分組可以準(zhǔn)確轉(zhuǎn)發(fā)到移動主機處，很好地解決了蜂窩IP 網(wǎng)內(nèi)部的位置更新問題。在有些節(jié)點處還設(shè)置尋呼緩存(Paging Cache)，對路由緩存的起到一定彌補作用。移動主機定時發(fā)送一些控制分組，阻止緩存中的映射超時，維持位置信息和路由。下面從路由、切換和尋呼等幾個方面，詳細(xì)介紹蜂窩IP 協(xié)議機制。

3．關(guān)鍵技術(shù)

3．1 移動主機

　　在蜂窩IP 網(wǎng)絡(luò)中，移動主機有兩種狀態(tài)：激活(active)和空閑(idle)。可以將移動主機抽象為一個簡單的二狀態(tài)的狀態(tài)機模型，如圖2 所示。

　　當(dāng)移動主機收到或準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，它的狀態(tài)從空閑轉(zhuǎn)為激活，而且，只要主機在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)分組，就一直保持激活狀態(tài)。當(dāng)主機經(jīng)過一段時間沒有收到或發(fā)送任何數(shù)據(jù)分組，激活狀態(tài)超時，主機重新回到空閑狀態(tài)。

　　當(dāng)移動主機從空閑轉(zhuǎn)為激活狀態(tài)時，它發(fā)送路由修改分組(route-update packet)，同時啟動一個定時器，初始值為路由修改時間(route-update-time)。只要主機發(fā)送數(shù)據(jù)分組，定時器就會重新初始化為路由修改時間，這樣就確保了在激活狀態(tài)下，間隔時間不大于路由修改時間的數(shù)據(jù)分組都可以發(fā)送。如果發(fā)送的數(shù)據(jù)分組足夠快，移動主機可以不產(chǎn)生路由修改分組。

　　在空閑狀態(tài)下，移動主機定時發(fā)送尋呼修改分組(paging-update packet)，間隔為尋呼修改時間(paging-update-time)。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，移動主機就停止發(fā)送尋呼修改分組。

　　當(dāng)主機移動到一個新的基站或無線信道阻塞的情況下，如果主機處于激活狀態(tài)，就立即發(fā)送路由修改分組，否則就立即發(fā)送尋呼修改分組，保持主機與網(wǎng)絡(luò)的連接。

3．2 路由

　　前面已經(jīng)簡要介紹了蜂窩IP 技術(shù)的路由機制：在蜂窩IP 節(jié)點維護路由緩存(Route Cache)和尋呼緩存(Paging Cache)，存儲移動主機IP 地址和相鄰下一節(jié)點的映射表。利用該映射表，通過hop-by-hop 方式，構(gòu)成上行路由；下行路由也利用該映射表轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組；映射表由傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組創(chuàng)建和更新，因此，路由隨著移動主機位置更新而自動調(diào)整，很好地解決主機移動性問題。

　　在上行鏈路方向(基站到網(wǎng)關(guān))，其路由算法如圖3 所示。當(dāng)分組到達一個節(jié)點時，節(jié)點檢查分組類型，如果是數(shù)據(jù)分組，就創(chuàng)建或修改節(jié)點的路由緩存，然后轉(zhuǎn)發(fā)到上行鏈路的下一節(jié)點；如果是尋呼修改分組，就創(chuàng)建或修改節(jié)點的尋呼緩存，同樣也轉(zhuǎn)發(fā)到上行鏈路的下一節(jié)點。

　　在下行鏈路方向(網(wǎng)關(guān)到基站)，其路由算法如圖4 所示。節(jié)點首先檢查路由緩存中是否有分組的目的地址，如果存在，則將分組轉(zhuǎn)發(fā)到下一節(jié)點；如果沒有該地址的映射，則檢查節(jié)點處是否有尋呼緩存，若沒有尋呼緩存，就向所有下行鏈路的節(jié)點廣播該分組；如果存在尋呼緩存，且其中有該分組的目的地址，就將分組轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的下一節(jié)點，否則就丟棄該分組。

3．3 切換

　　蜂窩IP 硬切換(hard handoff)算法直接來源于蜂窩通信系統(tǒng)，當(dāng)移動主機進入新的基站時，發(fā)送路由修改分組來改變路由映射表鏈，使其指向新的基站。這種切換造成切換完成后到達原基站的分組被丟棄，從后面的性能分析可以看出，對分組丟失率、TCP 吞吐量等性能存在較大影響。

　　為提高切換性能，引入新的切換機制――準(zhǔn)軟切換(semi-soft handoff)。在準(zhǔn)軟切換中，移動主機保持一段時間同時接受兩個基站的分組，可以顯著減少分組丟失，保持連接不中斷。準(zhǔn)軟切換的具體過程為：

　　準(zhǔn)軟切換開始，移動主機向新基站發(fā)送路由修改分組，同時也偵聽原基站；

　　路由修改分組在新基站創(chuàng)建路由緩存和尋呼緩存，當(dāng)路由修改分組到達新老基站路由交匯節(jié)點時，在其路由緩存中增加新的映射，而不是替代原有的映射；

　　移動主機從原基站和新基站同時接收分組；

　　當(dāng)移動主機完全進入新基站后，發(fā)送新的路由修改分組，清除路由緩存映射，僅保留到新基站的路由，這樣就切換到新的基站上，完成準(zhǔn)軟切換。

圖4 下行鏈路路由算法

　　準(zhǔn)軟切換可以確保主機切換過程中連續(xù)接收分組，但并不能完全提供平滑切換。由于網(wǎng)路拓?fù)浜驮拕?wù)條件的影響，從路由交匯點發(fā)往新老基站的分組的到達時間并不相同，對性能有一定影響，增加切換復(fù)雜度。通過后面的性能分析，證明準(zhǔn)軟切換是一項可取方案。

3．4 位置管理和尋呼

　　在蜂窩IP 網(wǎng)絡(luò)中，幾個蜂窩組成一個尋呼域(Paging Area)，每個尋呼域有唯一的尋呼域標(biāo)識號(PagingArea Identifier)?；驹诙〞r發(fā)送的導(dǎo)引信號(beacon signal)中傳送尋呼域標(biāo)識號，使移動主機通過導(dǎo)引信號獲得所在尋呼域的標(biāo)識號。因此，空閑狀態(tài)移動主機不需要在蜂窩邊界發(fā)送位置修改分組，就可以支持廣域上的漫游。

　　當(dāng)空閑狀態(tài)主機在尋呼域內(nèi)移動時，僅在尋呼修改時間(paging-update-time)超時后發(fā)送尋呼修改分組。當(dāng)空閑狀態(tài)主機移動到新的尋呼域時，就必須發(fā)送尋呼修改分組。該分組通過基站以hop-by-hop 方式路由到網(wǎng)關(guān)，在每個通過節(jié)點創(chuàng)建尋呼緩存，指向新的尋呼域。尋呼修改分組到達網(wǎng)關(guān)后丟棄?；具x擇性的設(shè)置尋呼緩存，尋呼緩存和路由緩存有兩個方面的不同：一是尋呼緩存映射的超時時間更長，二是主機發(fā)送的素有分組都修改尋呼緩存映射，而路由緩存映射只能被數(shù)據(jù)分組和路由修改分組修改。當(dāng)一個分組發(fā)往空閑狀態(tài)主機，而節(jié)點沒有指向該主機的路由緩存映射時，就發(fā)生尋呼。如果基站沒有尋呼緩存，就將分組轉(zhuǎn)發(fā)到所有下行基站；否則就利用尋呼緩存的映射，將分組轉(zhuǎn)發(fā)到下一節(jié)點，直至主機，就避免了在蜂窩內(nèi)查找的過程，降低了尋呼的費用。

4 性能分析

　　將蜂窩IP 技術(shù)應(yīng)用到WaveLAN 系統(tǒng)中，建立實驗系統(tǒng)，主要分析蜂窩IP 協(xié)議的切換性能。首先分析切換時的分組丟失率。移動主機接收100 byte 的UDP 分組，分組速率分別為25 和50 (pps,個/秒)，每5 秒主機切換一次，得到圖5 所示的平均分組丟失曲線。圖中橫坐標(biāo)為移動主機到網(wǎng)關(guān)的分組往返時間，間接地體現(xiàn)了發(fā)送緩存器的大小。從圖5 中可以看出，硬切換時，分組丟失率隨著分組速率的上升而增加，也受到發(fā)送緩存器大小的影響；而在軟切換時，分組幾乎不丟失。因為在硬切換條件下，主機切換到新基站后，就立即丟棄原基站的分組，顯然當(dāng)發(fā)送緩存器越大、分組速率越高時，丟棄的分組越多；而軟切換時，主機保留一段時間同時接收兩個基站的分組，所以幾乎就沒有分組丟失。另一項是分析切換對TCP 吞吐量的影響，圖6 給出了在不同切換率下的下行TCP 吞吐量。從圖中可以看出，無論是硬切換還是準(zhǔn)軟切換，TCP 吞吐量都隨著切換率的上升而下降；硬切換下降得更加明顯，當(dāng)切換率為1 次/秒時，吞吐量下降2/3；準(zhǔn)軟切換顯著提高吞吐量，且受切換率影響較小，若增加發(fā)送緩沖器可以進一步保證TCP 性能。

　　通過以上技術(shù)和性能分析可以看出，采用準(zhǔn)軟切換的蜂窩IP 技術(shù)在充分解決Internet 主機移動性的基礎(chǔ)上，保證移動主機在頻繁切換下傳輸高速分組數(shù)據(jù)的性能，適用于微蜂窩和微微蜂窩，滿足第三代移動通信系統(tǒng)傳輸高速無線數(shù)據(jù)的需要。

5 發(fā)展前景

　　蜂窩IP 技術(shù)很好的利用了Mobile IP 和蜂窩移動系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)點，采用特有的路由、尋呼和準(zhǔn)軟切換技術(shù)，適應(yīng)下一代移動通信發(fā)展的需要。目前蜂窩IP 只是作為一個建議提交給IETF，技術(shù)上還有一些需要完善的地方。筆者認(rèn)為，隨著移動通信和下一代Internet 的迅猛發(fā)展，人們對于高速無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越迫切，蜂窩IP 技術(shù)必將進一步發(fā)展和完善，與下一代移動通信系統(tǒng)和Internet 完全兼容，真正帶入人類進入寬帶移動多媒體通信時代。

參考文獻

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----《移動通信在線》