高速列車快速切換方法研究

汪淳 楊祖芳 伍彩紅

摘 要：隨著高速列車時速的不斷加快，快速切換問題隨之產生，現有移動IP切換機制在切換時延和丟包率方面已無法滿足要求，故在未來解決方案中，可以引入路由最優化和位置輔助機制來指導切換，從而改善系統切換性能。

關鍵詞：快速切換；路由最優化；位置輔助機制

中圖分類號：TM922.7 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）23-0001-02

在信息發達的今天，高速列車移動用戶的帶寬需求日趨強烈。而該類用戶的無線帶寬需求一直沒有被標準化組織考慮在內，它們在漫長旅途中依然處于信息的孤島。我國2013年鐵路旅客運送量已高達21億次，未來還會進一步增長。而且更多的乘客攜帶了便攜式移動網絡設備，隨時有上網的需求。

無線信道在高速移動環境下會產生多普勒頻移和信道衰落，使得高速移動用戶實時接入網絡的目標實現變得非常困難。隨著用戶帶寬需求的增加，就要求通信系統具有更高的帶寬和更低的功率，這就使無線載波頻率逐漸升高或轉移到射頻微波頻段上來，從而產生大量的微小區、微微小區。切換是移動通信網絡支持終端漫游的基本能力。切換性能的好壞，直接影響通信系統服務質量。

現有的切換技術不能滿足高速移動下的多媒體實時業務的無損傳輸。現有的切換策略，無論是硬切換、軟切換、一般切換還是快速切換，均是工作在數據鏈路層和網絡層的兩層切換結構。由于兩層切換均會產生一定的通信延時，并且為了傳輸切換信息，會產生大量的信令控制包，占用過度的信道資源，增加了系統內的負擔。因此在未來的切換算法的研究中，減少切換時延和精簡信令的交互，是值得關注的問題。

而且，高速和微小區的組合帶來了頻繁切換的問題。對于高速列車的場景，要求切換時間更短和切換成功率更高，其可靠性和有效性都將是一個新的問題。

1 現有移動IP技術的不足

目前，無線接入網采取的切換技術是MIP（Mobile IP）或MIPv6協議，此協議通過引入家鄉代理HA（Home Agent）、轉交地址CoA（Care-of-Address）、隧道機制等，保證了節點在移動過程中和該節點相連接的通信不會中斷。但在越區切換的時候，數據報文需要進行多次隧道封裝，使得路由更新的報文開銷大，出現切換時延長、丟包率高、信令開銷大的問題。因為它本身是一個宏切換協議，適用于接入網與接入網之間的切換。在同一個接入網內部，需要一個基于移動IP技術的微移動切換協議，該協議需要解決在頻繁切換的場景下，與移動終端通信的每個主機來得及收到移動主機的地址更新消息，而確保通信的不間斷。

IETF工作組提出的切換方案可以分為兩大類：一種是應用主機預先轉發機制的Cellular IP協議、Hawaii協議；另一種是基于隧道轉發的移動Ipv4區域登記協議、分層移動Ipv6（HMIPv6）協議，以上協議均是以接入網的分層結構為前提的。

IST BRAIN項目組提出的BCMP微移動協議不考慮接入網的拓撲類型，能夠通過接入網中的固定接入點（Anchor Point）將移動主機連接到網絡，并且在新舊接入點之間開通信息緩存管道以減小切換過程中的丟包。

快速移動Ipv6切換協議（FMIPv6）致力于克服網絡切換中存在的時延問題，它是由IETF小組提出的，主要針對網絡配置時間的優化，采取的辦法是通過鏈路層變化提前預測移動終端位置，做好預切換準備。例如：網絡中，某條鏈路下行信道信號強度減弱，表明切換有可能發生，在移動終端與舊基站還保持通信的同時，網絡就已經獲取新子網鏈路信息，提前做好預切換準備。遺憾的是鏈路層觸發方案沒有得到標準化組織的認可，由于不同接入網鏈路層標準不同，因此會存在不同類型接入網難以兼容的問題。

上述MIPv6、HMIPv6和FMIPv6方案均在實驗的初級階段，總之，網絡中的切換時延和丟包現象是受移動探測，網絡授權和地址轉交等一系列開銷影響的，目前移動IP小組沒有將快速列車的切換問題考慮到亟需解決方案之列。

2 網絡拓撲的選擇與路由最優化

針對移動IP技術的不足，需要探索新的微移動切換協議，該協議的選擇，需要從多方面綜合評價，包括使用的網絡結構、切換效率和是否滿足路由最優化，以及能否有效減小切換延時和丟包率等。

網狀拓撲結構的選擇在改善鏈路的魯棒性和負載平衡方面發揮了作用，Cellular IP與移動Ipv4區域登記協議選擇了樹狀結構以克服延時和丟包率。Hawaii協議選擇網狀拓撲卻付出多級路由，多次切換后點對點高時延的代價。而BCMP協議，不規定任何網絡結構，它將移動終端由一個接入點切換到另一個接入點定義為宏移動切換的范疇，從而避免探討微移動的問題，具體性能比較如表1所示。

最新研究的微移動協議MEHROM是一種支持有效切換和最佳路由的切換方法，它采用主機預先轉發機制，首先通過一跳一跳的方式向原始接入點發送切換信息包，交叉節點在接收到該包后，判斷下一跳路由是否為最優化路由，若為否，則啟動路由優化協議OSPF（開放的最短路徑優先）判斷下一跳位置，再轉發信息包，直至抵達接入網關。

該協議是一種在高頻率切換條件下性能比較優越的切換協議。它不受網絡拓撲結構（樹狀、網狀、域狀或環狀）的限制，圖1表明MEHROM協議比Cellular IP與移動Ipv4區域登記協議在切換時延和丟包率方面具有良好的改進效果，而比Hawaii協議在路由最佳路徑選擇上更具優勢，如圖2所示。

3 位置輔助切換機制

位置輔助切換是切換問題的新切入點，最早是在一種智能路由協議APACHE（主動切換增強協議）中提出的，它將移動終端位置和行程信息作為切換依據，當然，需要GPS技術的支持。在APACHE協議中，位置信息是該路由協議的一個重要組成部分，此有別于現在的移動網絡定位技術僅僅在與位置相關的網絡服務上或者網絡信息采集上關注該信息。在APACHE中移動終端IP地址不發生改變，移動管理工作在網絡層，利用管道機制保證切換的連續性。

在該協議中：①切換初始，服務BS根據MS當前位置信息計算和預測切換觸發時機。該預測信息直接轉交給網絡交換機，交換機的作用是在接入網關和新舊BS之間開通無線通信鏈路，保證MS的接入。②交換機執行切換時，一條連接到新BS的數據鏈路緩沖區形成并且自動完成路由更新，此后到達的數據包將由該緩沖區轉發給新BS。③等待物理層和鏈路層切換工作完成，網絡層已做好預切換準備，數據包已經在新BS等待MS的到達。

由于該協議在網絡層完成預切換準備工作，相較于其它切換協議，切換延時得到很大程度的減小，APACHE 協議比其他沒有預切換準備的硬切換協議，如Cellular IP，在TCP吞吐量上得到很大提升。此外，APACHE協議相較于Hawaii協議，無需數據包的重新封裝，也不像Cellular IP有那么高的掉包率。因此，可以考慮將該協議的思想運用到高速移動用戶上。

4 結 語

本文介紹了高速移動用戶對寬帶網絡接入的需求日益迫切，解決方案是提高射頻頻率和引入微小區和微微小區。該方案下切換機制是研究重點，而現有的移動IP技術又無法完成切換的最優化，故在未來解決方案中，可以引入路由最優化和位置輔助機制來指導切換，從而有效減小切換延時和丟包率，從而解決高速列車的切換問題。

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