地鐵站移動通信實現(xiàn)無縫垂直切換的方法

陳 然， 令曉明

（蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點實驗室，甘肅 蘭州730070）

0 引言

當(dāng)前的切換實現(xiàn)主要是基于信號功率[1-3]。以現(xiàn)在廣為流行的通用移動通信系統(tǒng)（UMTS）網(wǎng)絡(luò)及無線局域網(wǎng)（WLAN）網(wǎng)絡(luò)為例，由于UMTS在城市區(qū)域的覆蓋范圍非常大，若依據(jù)這種簡單的切換標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)生由UMTS到WLAN的切換幾率則會非常小。同時，如果UMTS用戶需要有較高的傳輸帶寬那么實現(xiàn)由UMTS到WLAN的切換則可以提供滿足服務(wù)質(zhì)量的傳輸。因此，將覆蓋范圍大、移動性高，但帶寬相對較低的UMTS網(wǎng)絡(luò)與覆蓋范圍小，成本低，具有較高傳輸帶寬的 WLAN網(wǎng)絡(luò)融合在一起，不僅可以實現(xiàn)相應(yīng)的覆蓋范圍，同時還可實現(xiàn)熱點區(qū)域用戶對高速傳輸數(shù)據(jù)的要求。可以說，將WLAN網(wǎng)絡(luò)與UMTS網(wǎng)絡(luò)融合在一起是基于市場的需求并且有很大的發(fā)展空間。

1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計

在設(shè)計UMTS-WLAN融合網(wǎng)絡(luò)時，網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是首先要考慮的。通常有兩種結(jié)構(gòu)：松耦合與緊耦合。在松耦合結(jié)構(gòu)中，WLAN與UMTS是完全分離的。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：熱點區(qū)域可以獨立的優(yōu)化。另外，在松耦合結(jié)構(gòu)下移動節(jié)點在不同網(wǎng)絡(luò)間的切換大多是在Layer 3（網(wǎng)絡(luò)層）進(jìn)行，而完成網(wǎng)絡(luò)層切換的主要是MIP（移動IP）。MIP的最大問題是存在較大的切換時延[4-5]。相應(yīng)的在緊耦合結(jié)構(gòu)中，WLAN網(wǎng)絡(luò)作為UMTS網(wǎng)絡(luò)的一部分可以使用UMTS主干網(wǎng)絡(luò)的資源。如圖1所示，WLAN AP（WLAN接入點）與SGSN（GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點）相連。移動節(jié)點配置了兩種接口：WLAN接口與UMTS接口，使其可以分別連接到兩個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。

這里在緊耦合結(jié)構(gòu)下提出從UMTS到WLAN的切換協(xié)議，并通過OPNET Modeler軟件對切換時延進(jìn)行仿真分析，說明緊耦合結(jié)構(gòu)中無縫垂直切換可以降低切換時延。

圖1 緊耦合結(jié)構(gòu)下的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2 從UMTS到WLAN的切換

2.1 切換場景及過程

以某個地鐵站部署WLAN網(wǎng)絡(luò)為例，考慮其中2個AP（AP1，AP2）。移動節(jié)點的運動軌跡是，地鐵進(jìn)站，停留一段時間后又再度出站。在地鐵站的周邊是UMTS網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)某用戶在乘坐地鐵時使用其移動終端通過無線網(wǎng)絡(luò)連接到因特網(wǎng)。當(dāng)?shù)罔F進(jìn)站時，用戶由最初使用的UMTS網(wǎng)絡(luò)切換到了 WLAN網(wǎng)絡(luò)，在地鐵出站時又從 WLAN網(wǎng)絡(luò)切換回UMTS網(wǎng)絡(luò)。在整個切換過程中，用戶都保持對因特網(wǎng)的連接狀態(tài)。其中UMTS與WLAN這兩個不同網(wǎng)絡(luò)間的切換稱為垂直切換。

圖2 切換場景

具體的切換過程為：首先移動節(jié)點通過Node B（節(jié)點B）經(jīng)過UMTS接入因特網(wǎng)。當(dāng)?shù)罔F進(jìn)站時即由UMTS網(wǎng)絡(luò)切換到WLAN網(wǎng)絡(luò)，移動節(jié)點將執(zhí)行從Node B到WLAN AP1的垂直切換。而后隨著運動軌跡，將執(zhí)行由WLAN AP1到WLAN AP2的水平切換。最后，當(dāng)?shù)罔F出站時則要再次執(zhí)行垂直切換，切換回UMTS網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)考慮地鐵進(jìn)站的情況即從UMTS網(wǎng)絡(luò)到WLAN網(wǎng)絡(luò)的垂直切換。

2.2 垂直切換時的協(xié)議轉(zhuǎn)換

垂直切換的協(xié)議轉(zhuǎn)換過程可劃分為三個部分：連接建立，切換過程及連接釋放[6-7]。如圖 3所示，實線箭頭表示通過UMTS鏈路傳輸，虛線箭頭代表通過WLAN傳輸。首先，當(dāng)要執(zhí)行由UMTS到WLAN的垂直切換時GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點發(fā)出WLAN設(shè)備激活請求到移動節(jié)點。移動節(jié)點向AP1發(fā)送請求信息，AP1注冊移動節(jié)點并確認(rèn)相關(guān)請求。當(dāng)完成這種確認(rèn)后移動節(jié)點發(fā)送PDP（分組數(shù)據(jù)協(xié)議）文本請求信息到GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點，目的是要建立與UMTS主干網(wǎng)的連接。而后GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點發(fā)送PDP文本接收信息到移動節(jié)點，實現(xiàn)WLAN設(shè)備激活，至此完成了連接建立部分。然后，GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點通過UMTS鏈路發(fā)送切換初始化信息到移動節(jié)點，移動節(jié)點通過 WLAN接口發(fā)送切換響應(yīng)信息至 GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點完成切換。最后，釋放 UMTS RAB(UMTS無線接入承載)并關(guān)閉在移動節(jié)點中的 UMTS接口以節(jié)省能量。在本例中，PDP文本不直接由移動節(jié)點取消而是在接收到RAB釋放響應(yīng)時自動取消。

圖3 UMTS到WLAN的切換協(xié)議

3 仿真結(jié)果

UMTS到 WLAN的垂直切換協(xié)議可通過 OPNET Modeler得到仿真驗證。切換時延結(jié)果由圖4所示，總的切換時延低于600 ms，其中包括正常傳輸分組時所需的連接建立和連接釋放時間。連接建立時延大約是230 ms并且不能被降低。但是，與連接無關(guān)的切換時延本身卻僅為100 ms。與MIP的平均切換時延1 219.3 ms[4]相比大大降低。

圖4 UMTS到WLAN的切換時延

4 結(jié)語

這里介紹了在緊耦合結(jié)構(gòu)下實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合（WLAN AP融合進(jìn)UMTS網(wǎng)絡(luò)）的一種無縫垂直切換的方法。通過對切換協(xié)議的仿真，可知在緊耦合結(jié)構(gòu)下的切換時延（約為100 ms）要遠(yuǎn)低于在松耦合結(jié)構(gòu)下MIP的1219.3 ms切換時延。說明網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的耦合度越高，切換時延越小，越可以提供滿足用戶要求的傳輸服務(wù)。

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