蜂窩IP技術

2019-11-03 09:08:04

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供稿：網友

胡曉軍鮑艦南京郵電學院通信工程系　　【摘要】本文首先介紹蜂窩ip 技術的協議機制，接著詳細分析其路由、切換和尋呼等關鍵技術，并　　通過性能分析，證明蜂窩IP 技術能很好地利用Mobile IP 的全局移動性支持和蜂窩系統的移動切換等功能，支持頻繁切換下的高速分組數據傳輸，適應下一代無線分組數據通信發展的需要。

1 引言

　　近年來，隨著移動通信和Internet 的迅猛發展，移動通信和Internet 相互融合正逐漸成為研究開發的熱點。在第三代移動通信系統中，提供高達2Mb/s 的無線分組數據速率，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。

　　傳統的Mobile IP 協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，無線接入的數據率也顯著增加，若仍然采用傳統的Mobile IP 協議，網絡的運行效率非常低，不適應第三代移動通信系統的要求。

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

2 蜂窩IP 協議

　　蜂窩IP 技術建立在Mobile IP 網絡基礎之上，充分利用了蜂窩移動通信系統的移動性管理功能和連接切換控制，來實現蜂窩IP 網絡內部的路由和切換，圖1 給出了蜂窩IP 網絡的結構和分組路由方式。

圖1 蜂窩IP 網絡結構和分組路由方式

　　蜂窩IP 網絡由蜂窩IP 基站(BS)和蜂窩IP 網關(Gateway)兩大部分組成，基站和網關統稱為蜂窩IP節點。蜂窩IP 基站，作為網絡的無線接入點，也集成了傳統蜂窩系統的移動交換中心(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 分組轉發的基礎上，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 網絡，通過蜂窩IP 網關接入到Internet，蜂窩IP 網關起到路由和網絡互聯的功能。在蜂窩IP 網關之間，網絡的全局移動性由Mobile IP協議來支持，而在蜂窩IP 網關內部，采用蜂窩移動系統的移動性管理和切換功能來支持網絡的局部移動性。

　　蜂窩IP 網絡內的移動主機將網關的IP 地址作為它的Mobile IP 轉交地址(care-of address)，當有IP 數據包發往移動主機時，首先通過Mobile IP 協議原理，到達該主機所在網絡的蜂窩IP 網關，在網關處解封裝，并向基站轉發。在蜂窩IP 網絡內，移動主機的地址就是其歸屬地址(home address)，數據分組不用再進行地址轉換和采用隧道(Tunnelling)技術，而是可以直接轉發給移動主機。當移動主機發送數據分組時，將分組通過無線方式傳輸到所在的基站，然后通過hop-by-hop 方式路由到網關，通過該網關發送到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發送導引信號(beacon signal)，導引信號中包含所在網關的IP 地址，移動主機通過該導引信號進行定位，支持廣域的移動性。蜂窩IP 節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點，通過hop-by-hop 方式，構成一條上行鏈路(基站到網關)的路由。為減少控制信令，節點處的路由緩存由傳輸的數據分組創建和修改。下行鏈路(網關到基站)也可以利用這條路由緩存鏈，將數據分組轉發到移動主機。當主機在基站間移動時，由于上行數據分組不斷更新路由緩沖，所以下行分組可以準確轉發到移動主機處，很好地解決了蜂窩IP 網內部的位置更新問題。在有些節點處還設置尋呼緩存(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，詳細介紹蜂窩IP 協議機制。

3．關鍵技術

3．1 移動主機

　　在蜂窩IP 網絡中，移動主機有兩種狀態：激活(active)和空閑(idle)?？梢詫⒁苿又鳈C抽象為一個簡單的二狀態的狀態機模型，如圖2 所示。

　　當移動主機收到或準備發送數據分組時，它的狀態從空閑轉為激活，而且，只要主機在發送或接收數據分組，就一直保持激活狀態。當主機經過一段時間沒有收到或發送任何數據分組，激活狀態超時，主機重新回到空閑狀態。

　　當移動主機從空閑轉為激活狀態時，它發送路由修改分組(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)。只要主機發送數據分組，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下，間隔時間不大于路由修改時間的數據分組都可以發送。如果發送的數據分組足夠快，移動主機可以不產生路由修改分組。

　　在空閑狀態下，移動主機定時發送尋呼修改分組(paging-update packet)，間隔為尋呼修改時間(paging-update-time)。當發送數據分組時，移動主機就停止發送尋呼修改分組。

　　當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，就立即發送路由修改分組，否則就立即發送尋呼修改分組，保持主機與網絡的連接。

3．2 路由

　　前面已經簡要介紹了蜂窩IP 技術的路由機制：在蜂窩IP 節點維護路由緩存(Route Cache)和尋呼緩存(Paging Cache)，存儲移動主機IP 地址和相鄰下一節點的映射表。利用該映射表，通過hop-by-hop 方式，構成上行路由；下行路由也利用該映射表轉發數據分組；映射表由傳輸的數據分組創建和更新，因此，路由隨著移動主機位置更新而自動調整，很好地解決主機移動性問題。

　　在上行鏈路方向(基站到網關)，其路由算法如圖3 所示。當分組到達一個節點時，節點檢查分組類型，如果是數據分組，就創建或修改節點的路由緩存，然后轉發到上行鏈路的下一節點；如果是尋呼修改分組，就創建或修改節點的尋呼緩存，同樣也轉發到上行鏈路的下一節點。

　　在下行鏈路方向(網關到基站)，其路由算法如圖4 所示。節點首先檢查路由緩存中是否有分組的目的地址，如果存在，則將分組轉發到下一節點；如果沒有該地址的映射，則檢查節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，就將分組轉發到對應的下一節點，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，當移動主機進入新的基站時，發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――準軟切換(semi-soft handoff)。在準軟切換中，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。準軟切換的具體過程為：

　　準軟切換開始，移動主機向新基站發送路由修改分組，同時也偵聽原基站；

　　路由修改分組在新基站創建路由緩存和尋呼緩存，當路由修改分組到達新老基站路由交匯節點時，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；

　　當移動主機完全進入新基站后，發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，完成準軟切換。

圖4 下行鏈路路由算法

　　準軟切換可以確保主機切換過程中連續接收分組，但并不能完全提供平滑切換。由于網路拓撲和話務條件的影響，從路由交匯點發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，增加切換復雜度。通過后面的性能分析，證明準軟切換是一項可取方案。

3．4 位置管理和尋呼

　　在蜂窩IP 網絡中，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識號(PagingArea Identifier)?；驹诙〞r發送的導引信號(beacon signal)中傳送尋呼域標識號，使移動主機通過導引信號獲得所在尋呼域的標識號。因此，空閑狀態移動主機不需要在蜂窩邊界發送位置修改分組，就可以支持廣域上的漫游。

　　當空閑狀態主機在尋呼域內移動時，僅在尋呼修改時間(paging-update-time)超時后發送尋呼修改分組。當空閑狀態主機移動到新的尋呼域時，就必須發送尋呼修改分組。該分組通過基站以hop-by-hop 方式路由到網關，在每個通過節點創建尋呼緩存，指向新的尋呼域。尋呼修改分組到達網關后丟棄?；具x擇性的設置尋呼緩存，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據分組和路由修改分組修改。當一個分組發往空閑狀態主機，而節點沒有指向該主機的路由緩存映射時，就發生尋呼。如果基站沒有尋呼緩存，就將分組轉發到所有下行基站；否則就利用尋呼緩存的映射，將分組轉發到下一節點，直至主機，就避免了在蜂窩內查找的過程，降低了尋呼的費用。

4 性能分析

　　將蜂窩IP 技術應用到WaveLAN 系統中，建立實驗系統，主要分析蜂窩IP 協議的切換性能。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。圖中橫坐標為移動主機到網關的分組往返時間，間接地體現了發送緩存器的大小。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，顯然當發送緩存器越大、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，當切換率為1 次/秒時，吞吐量下降2/3；準軟切換顯著提高吞吐量，且受切換率影響較小，若增加發送緩沖器可以進一步保證TCP 性能。

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

5 發展前景

　　蜂窩IP 技術很好的利用了Mobile IP 和蜂窩移動系統的技術優點，采用特有的路由、尋呼和準軟切換技術，適應下一代移動通信發展的需要。目前蜂窩IP 只是作為一個建議提交給IETF，技術上還有一些需要完善的地方。筆者認為，隨著移動通信和下一代Internet 的迅猛發展，人們對于高速無線數據通信的需求越來越迫切，蜂窩IP 技術必將進一步發展和完善，與下一代移動通信系統和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》