基于環境感知與MIH的無縫切換優化研究

李紅亮，宋建新

（南京郵電大學圖像處理與圖像通信實驗室，江蘇南京 210003）

伴隨著人們的各種需求和通信技術的發展，下一代的移動網絡將是各種網絡技術共存和融合的局面，用戶能夠享用到多種終端服務。接入將會采用多種不同的接入技術，比如WiFi，WiMAX或者3GPP等，它們之間不僅在技術上不同，而且在應用情境上也會大相徑庭（如在本地、城市、廣域等范圍）。在這種情況下，其中最大的課題是如何在保證用戶各種業務QoS前提下，完成在異構接入網之間選擇和切換問題［1］。為確保用戶移動過程中會話的連續性，本文提出充分利用用戶自身、所被覆蓋的網絡信息和業務要求等環境因素來自動調整切換閾值，從而確定何時觸發切換，并利用IEEE 802.21框架來完成信息的交互，確保切換到目標網絡中能夠提供足夠支持用戶業務QoS的網絡資源。通過最終的切換，確保通信最大限度的連續性，并通過仿真分析，驗證本文所提的方法。

1 IEEE 802.21媒體無關切換技術

IEEE 802.21標準定義了MIH的中間架構和跨層通信協議，它的協議框架目的是為了提出適當的方法和過程，使在跨越異構網絡時會話保持連續性。IEEE 802.21的主框架是媒體獨立功能塊（MIHF），對上層它支持統一的接口。MIHF提供3種業務服務，即媒體獨立事務服務（MIES），媒體獨立命令服務（MICS）和媒體獨立信息服務（MIIS）。MIES報告局部和全局事務到網絡上層，這些事務表明鏈路動態變化的特征，例如鏈路質量和誤碼率，這些事務可以是本地或者外地，它們來源于MN或網絡接入點的MAC/PHY;MICS能夠使MIH上層控制物理層、數據鏈路和邏輯鏈路層，提供從上層傳遞到網絡下層的命令，去控制和管理鏈路的行為;MIIS為MIHF塊提供框架和機制，去探測在一定地理區域內可利用的鄰居網絡信息。這3種事務的目的就是獲得區域中所有異構網絡的整體情況，為漫游在這些網絡時完成最優化的無縫切換。MIH協議棧和網絡各層的關系框圖［2］，如圖1所示。

圖1 MIH協議棧

假設在IEEE 802.21框架中，移動終端MN有多個網絡接口。當MN所處當前網絡信道質量變壞時，MIES將會發送包括鏈路和物理層信息的觸發事件，這些事務包括Link Parameter Change，Link Down，Link Going Down等，如果通信協議通過MIES從鏈路層收到Link Going Down事務后，那么通過MIIS收集到鄰居網絡的信息，并選擇最合適的網絡進行切換操作。接下來，上層將通過MICS事務發送命令來完成到選擇網絡的切換動作，通過這個過程，MN完成了基于IEEE 802.21網絡框架的切換步驟。

在異構網絡中，由于網絡的差異，切換閾值單考慮信號的強弱這一項，顯然是不現實的。必須綜合各種環境感知因素來確定動態閾值，例如基站覆蓋面積、終端移動速度等，確定切換時刻，從而更加準確地發起切換。服務網絡和目標網絡在進行交互時，必須保證目標網絡有合理的資源預留機制，因為在切換發起到完成過程時間差中任何事情都可能發生，會造成“目標網絡判斷滿足，切換完成結束卻無法滿足的情景”。最后釋放原來服務網絡資源，完成切換。

2 一種綜合環境感知的MIH

本文的主要結構，首先是用戶在異構網絡中觸發環境的探討，提出動態的切換閾值，在發起觸發切換同時，利用一種主動資源預留措施，保證切換完成時會話連續性;其次，通過環境感知得到的切換閾值和預留資源保證，利用MIH完成最后的切換。基于環境感知切換各功能塊關系如圖2所示。

圖2 基于環境感知的功能模塊關系圖

2.1 動態切換閾值判斷

網絡選擇觸發取決于信息的搜集和接口的管理，如果選擇之后的接入點不同于正在進行服務的接入點，那么切換將會發生，相反，如果相同，網絡選擇不會引起切換的初始化過程。

由低的鏈路質量而引發的切換是必須考慮的情況，但是為了給用戶提供更好的服務或者滿足某種特別用戶的偏好，同樣也是切換發生所應考慮的。在本文主要考慮發生網絡選擇觸發的必要環境，當必要條件滿足時，服務接入點對于連續性不滿足的這種情況在下一節給出解決的方案。新的接入網絡應該滿足會話的暢通，為了實現無縫切換，在網絡選擇觸發環境必要條件可以從下面這幾方面來考慮:

1）當正在使用的網絡接口關閉時（由于節約電源接口管理），網絡選擇將被初始化;

2）當用戶來選擇目標網絡節點的切換操作沒有失敗，那么網絡選擇將會被觸發選擇別的接入點;

3）如果服務的接入節點的RSS低于規定的切換閾值，那么網絡選擇將被初始化，一個自適應的切換閾值是確保無縫切換的關鍵。

發生網絡選擇可以是由于用戶希望找到更能滿足用戶的QoS需要而發生，這個選擇被稱作觸發環境的主動選擇。在實際中，當新的接入網可以利用或者當用戶開啟一個需要更高QoS業務而現行網絡無法滿足時同樣會發生網絡選擇初始化。再一種情況就是正在運行的業務的QoS突然下降，在這種發生自主選擇網絡情況下是用戶為了提高用戶服務或者有更好的接入網絡［3］。

用戶接收到正在服務的接入網的信號低于切換觸發閾值，那么網絡選擇和切換操作將會被初始化。一個自適應的切換閾值是保證無縫切換所必不可少的要素，為了不失一般性，筆者提出當用戶在UMTS，WLAN和WiMAX系統下切換時的閾值計算方法。

具體分析各個網絡特點:與UMTS和WiMAX相比，WLAN無線電覆蓋面是非常小的，而UMTS和WiMAX從巨大的覆蓋等級上來講是相近的。UMTS和WiMAX是可以互相彌補的技術，他們所覆蓋的單元大部分是相互重疊的。為了在系統內部獲得無縫切換的目的，兩個相鄰的接入網重疊的部分按照習慣思維應該足夠大，但實際上，這個是必要的，但不是充分條件。無縫切換更為依賴切換閾值，所以如果沒有合適的閾值那么通信連續性將會受到影響。

為了取得無縫數據傳遞（沒有數據包的丟失），由CN發送的最后的數據包必須在MN離開重疊區域到達終端MN。無縫切換情景可用圖3所示。

圖3 從WLAN到UMTS/WiMAX切換模型

下面是對情景中的主要參數的具體描述。

ts表示當從正在服務的節點接收到低于切換閾值的時刻，此時網絡選擇將會被觸發，垂直切換到目標網絡將會被執行。

Tv表示MN從切換閾值到服務單元覆蓋邊界這段距離所用的時間，跨越的距離定義為d0，切換閾值的自適應計算是建立在這個關鍵的跨越距離上的。Tv定義如

式（4）中:θborder表示在服務單元邊界所接收到的信號的強度。例如無線鏈路做能夠允許的最小RSS值，可以看到決定θh值的因素為通過服務網絡的包傳輸延遲、切換到目標接入網的延遲、終端速度的估計和單元半徑的估計等。實際上，路徑包丟失因子K2和單元半徑R可以根據接收到的信號的強度來測量，終端的速度也是可以估計的值，切換延遲對于特定的網絡都是一個固定的值，因此，切換閾值θh能夠由終端自身自適應地決定，所推導出的公式對任何成對的網絡都是有效的。

2.2 基于IEEE 802.21框架的主動資源預留下的切換過程

在IEEE 802.21框架基礎上，這一節介紹如何在UMTS和IEEE 802.16e之間利用網絡初始化切換來有效

式中:η∈［0，1］，V是終端的移動速度，R是服務單元的半徑估計值。

ΔT為切換延時，它是從ts時刻到MN接收到HA或者CN發送的綁定更新確認時刻。一旦CN收到MN的路由更新消息，數據包就會按照新建立的路徑路由給MN。

δ表示為了避免由于無線信道損壞或者網絡帶寬動態性造成的波動加入的滯后因子，來優化切換延遲。

下面來討論自適應的切換閾值的推導過程。

在描述切換情景中，需滿足條件Tv≥ΔT+δ，把它代入公式（1）可得到ηR≥v（ΔT+δ），這意味著切換的初始化必須在服務基站的（1－η）R處進行切換。

根據文獻［4］提出的信號模型，在（1－η）R處接收到的信號可以用以下公式來表達

式中:K1表示天線的增益和信號的波長，K2表示路徑的衰落因子，Xδ表示均值為零的統計高斯隨機過程模擬陰影衰落。陰影部分可以通過低通濾波在接收方過濾掉，那么重新書寫上面的公式為

把前面公式帶入，整理得到地保證服務的QoS。

在切換之前，MN的MIHF利用包含Link_Parameter_Report消息頭的信息，周期性地從當前信道的狀態信息，把這些信息傳遞到正為他服務的網絡，這個周期性的報告過程一直持續到切換發生的時刻［5－6］。

當正在服務的網絡決定MN需要進行切換的時候，本文所提到的切換機制就要發揮作用了，它包括下面3個步驟:

1）QoS測量。正在為MN提供服務的網絡會向他自己的鄰居網絡發送包含MN的滿足QoS限制的消息，用來檢查候選網絡中是否滿足這些條件。

2）被動資源預留。正在提供服務的網絡，會向目標網絡申請網絡資源，以保證MN的QoS達到要求，直至MN離開目標網絡。

3）切換。在L2連接建立的過程中，MN根據目標網絡特點來操作會話初始化過程，從而完成預留資源的利用目標。

可以用把本文所提到的方法用流程方式表示，如圖4所示，下面對流程圖進行詳細描述。

圖4 本文所提方法的切換流程

2.2.1 QoS 測量階段

在這個階段，服務網絡檢查鄰居網絡是否能夠支持MN想要保障的QoS條件。但是，這個在已存在的IEEE 802.21框架中，對于有效的衡量有一定的局限性，因此對這個階段分成兩部分進行。

首先考慮在MN和服務網絡之間的特殊QoS信息交換，同樣也要考慮服務網絡和鄰居網絡之間信息交換。盡管要求或支持QoS的信息對于QoS服務連續性很重要，但是IEEE 802.21標準僅僅定義了類別的名稱，沒有具體域的名稱。因此，本文定義了具體的QoS消息，它包括3種類型:Query Resource List，Requested Resource List和 A-vailable Resource Set。QoS 信息相應的為{class，bandwidth，delay，jitter，BLER}，這個可以是單流的信息，多種流的綜合信息，或者是鄰居網絡剩余資源信息。

其次，當搜集到要求或支持QoS的信息時，考慮在UMTS和IEEE 802.16e之間的QoS映射是非常必要的。這是因為UMTS和IEEE 802.16e對于區別服務質量或者優先級有著各自的通信量等級，每個通信量級別有著自己的QoS限制。但是，在IEEE 802.16e和UMTS之間，現在還沒有一個標準來管理通信中各種流所要求的QoS，本文提出了QoS映射表，如表1所示。

表1 QoS映射圖

基于上述這2部分，QoS測量步驟如下:當服務網絡需要MN切換，它會通過MIH_Net_HO_Candidat_Query Request/Response消息中的Query Resource List/Requested Resource List來搜集MN所要求的QoS信息。接下來，服務網絡會傳輸搜集到的QoS信息到鄰居網絡，這是通過MIH_N2N_HO_Query_Resource Request消息來傳遞的。然后，每個鄰居網絡的MIHF會把從服務網絡接收到的Query Resource Request消息，通過QoS映射表翻譯成自己網絡QoS的等級和限制。接下來，MIHF把這個翻譯的信息傳遞給每個網絡自己的資源管理功能模塊，在UMTS中一般位于SGSN和GGSN中，而在IEEE 802.16中則是位于RAS或ACR中。最后，資源管理功能模塊把得到的MN的QoS限制和自己可利用的資源相比較，每個鄰居網絡通過在MIH_N2N_HO_Resouces Response消息中的Available Resource Set來回復要求的QoS的支持情況。2.2.2 被動資源預留

在收到鄰居網絡的回復后，服務網絡也就確定了目標網絡了，MN完成切換到選擇的鄰居網絡。但是MN切換執行時間與MN檢測目標網絡QoS的執行時間是存在差異的，這個時間差可大可小，這是因為在無線網絡中不確定因素太多了，一個移動點可能有突發流的出現或者在這個時間差中有大量移動點進入目標網絡當中。在這種情況下，即使通過QoS測量滿足的情況下，也無法保證MN在到達目標網絡后的連續性。這就預示著交換QoS信息和進行QoS測量將變得無效。因此，本文提出被動預留機制來保障被選網絡的QoS能力。

服務網絡在選中目標網絡后，它會啟動被動的資源預留機制，為提供被動資源預留機制，本文定義了稱為MIH_N2N_Passive_Session_Reserve新的MIH消息，這個消息中包含從MN獲得的QoS要求的信息。服務網絡發送MIH_N2N_Passive_Session_Reserve消息到被選網絡的MIHF中，用來預訂MN所要求保障QoS要求的資源。MIHF發送主動DSA－REQ/PDP Context消息，它是利用預留域修改原始的DSA－REQ/PDP Context產生，MIHF通過發送消息到RAS/RNC進行資源的被動預留。當收到被動資源預留消息以后，UMTS/IEEE 802.16e網絡會以軟狀態預留資源，這意味著被動預留資源只能維持特定時間，如果預定時間超過，預留資源將會被釋放以供其他的MN使用。這就意味著切換發生在特定的時間域內，能夠保證會話的連續性。被動資源預留消息結構見表2。

表2 被動資源預留消息結構

2.2.3 切換完成

當從被選網絡中得到MIH_N2N_Passive_Session_Reserver回復后被動資源預留就完成了，服務網絡發送MIH_Net_HO_Candidate_Commit通知被選網絡發送消息到MN。接下來，MN和目標網絡建立L2的聯系，在這進行的時候，MN發送Active DSA－REQ/PDP Context Request消息使這在進行的會話能夠使用預留資源，當L2完成連接以后，L3的鏈接同樣開始建立，那么MN接收到目標網絡的服務。在先前的服務網絡和當前服務網絡之間的MIH_N2N_HO_Complete消息來表明HO階段完成。

3 仿真及分析

本文采用了NS2來對所提到的思想進行模擬仿真，并對結果進行分析。仿真所用的拓撲結構如圖5所示，主要包括3部分:一個是A階段的UMTS網絡;一個是B階段的RAS1，它模擬沒有足夠資源以確保完全提供QoS保障的802.16e網絡;另一個C階段是可以提供確保會話連續的足夠網絡資源。實驗結果對VOIP實時數據包的延遲進行了統計，因為實時業務對包的延遲非常敏感，有統計數據如圖6所示。

可以看出，在傳統的沒有動態閾值和被動資源預留機制下，包的延遲變化比較明顯，對流媒體抖動比較明顯，尤其是在網絡資源緊張的RAS1網絡中更是如此，但是在本文所提出的機制中，可以很好地保證包的延遲維持不變，更有利于完成無縫切換。

4 小結

通過對切換過程與各種環境綜合分析，得出為了保證無縫切換必須考慮切換觸發環境下閾值，另外是切換發起到完成這個時間差過程中，目標網絡資源預留問題以防止突發情況下造成會話的不連續。文中提出了觸發環境下的自動切換閾值和目標網絡中的被動預留資源兩種方法，保障了切換的準時發起和切換后充分的網絡資源保證會話服務的QoS。綜合這兩種方法使得在整個會話過程的連續性得到了保障。

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