关于异构网络的垂直切换仿真建模及其性能评估

作者：赵宜升　李云　刘占军　刘期烈

　　论文摘要：针对无线网络的异构化趋势，对wlan和umts形成的异构网络进行扩展，使其包含wlan，wimax和umts3种网络。基于介质独立切换对扩展后异构网络中的垂直切换进行仿真建模。评估切换时延、切换期间的丢包数目和网络使用效率，结果表明，链路即将断开(lgd)方式的切换时延小于链路断开(ld)方式，且丢包数较少，网络使用效率随着功率强度门限系数的增大而降低。
　　论文关健词：介质独立切换；异构网络；垂直切换
　　l概述
　　未来无线网络将呈现异构特点，不同接入技术之问的切换称为垂直切换。网络层、传输层和应用层具有支持垂直切换的相关协议，如网络层的移动ipv6及其扩展协议、传输层的移动流控制传输协议和应用层的会话初始协议。ieee802．21标准提出介质独立切换(mediaindependenthandover，mih)概念。
　　相关文献对mih进行研究，关注移动期间对服务需求的满足以及ieee802．21标准如何使无缝技术问的切换成为可能。提出一个实现ieee802．21mih标准的框架，并通过802．11和802．16e的融合试验评估其性能。评估了ieee802．21标准提供的移动性支持机制和算法性能，建立umts和ieee802．11的异构网络场景模型。
　　2相关工作
　　移动ipv6中的功能实体包括家乡代理、接入路由器、对端节点和移动节点。当移动节点从一条链路移动到另一条链路上时，获取一个转交地址，并向家乡代理发送绑定更新消息，以注册转交地址。家乡代理收到此消息后，回复绑定确认消息。对端节点和移动节点可以采用双向隧道和路由优化2种方式进行通信。介质独立切换的思想是在低层和高层问引入一个新的协议层，该层具有mih功能，通过与不同低层间的相互作用以及与远端mih功能的通信来屏蔽介质异构性，使高层无须了解低层网络的差异，从而优化了移动节点在不同类型接入介质问的切换。mih功能通过对低层、高层和对端定义的服务访问点(serviceaccesspoint，sap)提供3种服务，即介质独立事件服务、介质独立命令服务和介质独立信息服务。sap包括mih—link—sap和mih—sap。
　　3仿真建模与切换流程
　　3．1仿真建模
　　为了仿真基于mih的垂直切换机制，使用扩展的ns一2．29。它具有mih功能和mac层对mih的支持作用，并使移动节点(mobilenode，mn)具有多接口特点和发现子网的功能。
　　实现m1h功能的关键组成部分有mih代理、mih接口信息、mih用户代理、mih扫描、mihf-info，sessioninfo，mih~ending—req。其中，mih代理实现mih功能，它负责与低层、高层及远端m1h功能通信；mih接口信息是mih代理的子类，负责存储关于mac接口的信息；mih用户代理是mih代理的子类，负责接收来自mih代理的事件消息，并向mih代理发送命令，接口管理(interfacemanagement，ifmngmt)代理是mih用户代理的子类，mipv6代理是ifmngmt代理的子类，handover类是mipv6代理的子类；mih扫描是mih代理的子类，负责处理扫描请求；mihfinfo结构体负责远端mih功能的信息；session—info结构体负责与远端mih功能的当前会话信息；mihpendingreq结构体负责存储等待的请求消息。通过修改mac层使其具有mih—link—sap功能，并能处理触发事件。mih—link—sap被添加到mac类中，实现mac层对mih的支持。
　　将多接口节点视为结合不同技术节点的虚拟节点，此类不同技术的节点是多接口节点的接口，称它们为接口节点。位于上述不同技术节点的邻居发现(neighbordiscovery，nd)代理具有3层运动检测功能，接入点(accesspoint，ap)或基站(basestation，bs)周期性地发送路由器通告消息，以通知mn关于网络的前缀信息。mn可以通过发送路由器请求消息来发现新网络的ap或bs。

其运动场景包括：(1)先从umts切换到wimax，再从wimax切换至wlan；(2)先从wlan切换到wimax，再从wimax切换到umts。本文主要考虑场景(2)。
　　在场景(2)的切换中，当mn快移出wlan的覆盖范围时，wlan接口基于功率强度门限触发lgd(linkgoingdown)事件，具体原理如下：假设只是第个接收数据包的功率，是无错接收数据包的功率强度门限。若以下2个条件满足：

　　其中，(≥1)是功率强度门限系数，则产生lgd事件，并向上依次传给ifmngmt代理和handover代理，当产生该事件的概率达到某个设定值时，wlan接口触发ld(linkdown)事件，并向上分别传给ifmngmt代理、handover代理和mipv6代理。mipv6代理通过wimax接口发送流重定向消息，mih代理发送linkscan命令，向下传给wlan接izl，wlan接口发送探测请求消息，网络侧收到此消息后发送探测应答消息。网络侧的mipv6代理发送流重定向确认消息，mn通过wimax接31接收数据流。当mn从wimax切换至umts时，切换流程与上述过程类似。
　　4仿真评估
　　使用仿真软件ns．2进行仿真评估。网络拓扑如图1所示，将所有节点设置在2200m~2200m的区域内。umts的nodeb是全覆盖的，bs和ap的覆盖半径分别是1000m和50in。在cn和mn之间建立udp连接，并在其上建立一个恒定比特速率(constantbitrate，cbr)数据流，每个包的大小是500byte，该数据流从第9s开始产生，在第250s结束。对场景(2)中mn的切换时延、丢包数和网络使用效率进行分析。mn可通过2种方式进行切换，即lgd方式和ld方式。前者基于功率强度门限触发lgd事件，后者在mn离开当前网络信号覆盖范围，连续收到错误数据包的个数达到一个门限值时，触发ld事件。仿真结果如表1、图2和图3所示。

　　由图2可知，对于从wlan切换到wimax的情况，lgd方式的切换时延约为0．12s，ld方式约为0．32s。对于从wimax切换到umts的情况，lgd方式的切换时延约为0．03s，ld方式约为0．75s。
　　由表1可知，对于从wlan切换到wimax的情况，随着网络负荷的增加，lgd方式的丢包数在2-5之间，ld方式在7-10之问。对于从wimax切换到umts的情况，随着网络负荷的增加，lgd方式和ld方式都未出现丢包现象由图3可知，随着功率强度门限系数变大，mn在2种速度下的网络使用效率都降低。对于从wlan切换到wimax的情况，1rn／s时wlan的使用效率比5m／s时略高对于从wimax切换到umts的情况，1m／s时wimax的使用效率与5m／s时接近，而在功率强度门限系数为1．2时，1m／时的使用效率大幅度降低，此现象是由仿真的偶然性造成的。
　　5结束语
　　本文基于mih对wlan，wimax和umts3种异构网络部署场景下的垂直切换进行仿真建模，并对mn从wlan切换到wimax，再从wimax切换到umts时的性能进行评估，为相关研究提供了参考。