CN102325356B - 一种基于mih的快速切换及l2触发时间确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通信领域中异构无线网络中的垂直切换技术，公开了异构网络上行垂直切换中一种IEEE802.21MIH辅助的快速切换机制及L2触发时间的确定方法。基于IEEE802.21MIH实体的信令交互，MIHF模块向高层提供链路层智能及邻居网络信息，辅助移动节点确定切换目标网络，并根据平滑后的接收信号强度，确定快速移动IPL2触发时刻点，在L2切换之前完成相关三层的配置工作，从而有效减小垂直切换中切换时延，改进系统性能。

Description

一种基于MIH的快速切换及L2触发时间确定方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别是异构无线网络中的垂直切换技术。
背景技术
随着信息技术和计算机技术的飞速发展及人类对信息通信需求的增加，用户对移动性的要求越来越高，更高传输速率、更大系统容量、更广业务覆盖，已经成为未来移动通信发展的主流趋势和演进目标。为了适应不同用户需求，下一代无线网络(Next Generation Wireless Network，NGWN)将支持多种无线接入网络技术，如蜂窝技术、无线局域网(WLAN)等。
传统的同构网络中采用的切换为水平切换，是在采用同一类型无线技术的基站/接入点之间的切换，例如，传统的蜂窝移动通信系统中的切换。用户在异构接入网络间进行切换，是在采用不同类型的无线接入技术的基站/接入点之间的切换，称为垂直切换，例如，从蜂窝移动通信系统切换到WLAN。垂直切换又可划分为上行切换和下行切换：上行切换为移动用户从较小覆盖面积、较高传输速率的网络切换到较大覆盖面积、较低传输速率的网络，例如，WLAN到UMTS的切换；下行切换为移动用户从较大覆盖面积、较低传输速率的网络切换到较小覆盖面积、较高传输速率的网络，例如，UMTS到WLAN的切换。下行切换对时间不敏感，类似于蜂窝网络中的软切换。这是因为移动用户仍然处于网络覆盖区域，为了提供更好的服务质量，主动发起切换过程，切换时延和丢包率较小。而上行切换对时间比较敏感，类似于蜂窝网络中的硬切换，这是因为移动用户移出网络覆盖区域，需要快速地连接到目标网络，否则将中断通信服务，切换时延和丢包率较大。本发明主要考虑异构网络中的上行垂直切换。
典型的垂直切换包括链路层切换和网络层切换。在IP网络中，移动节点MN(Mobile Node)通过邻居发现机制事先获得周围邻居网络的资源信息，根据网络性能、用户喜好、应用特性等判决准则选择最佳目标网络。当检测到链路质量下降到一定门限时，MN断开与服务网络的连接，与目标网络建立新的连接，实现链路层切换。
链路层切换完成后，MN通过接收路由器通告RA(Router Advertisement)消息，发现可用接入路由器。MN依据标准IPv6机制采用无状态或有状态的地址自动配置机制形成新转交地址NCoA(New Care of Address)。移动节点接收到RA消息中M比特决定采用何种方式，如果M比特为0，移动节点采用有状态地址自动配置，否则采用无状态地址自动配置。有状态地址自动配置是通过动态主机配置协议DHCPv6(Dynamic Host Configuration Protocol for IPv6)向服务器申请一个地址作为NCoA，无状态自动配置则通过移动节点接口标记和有效网络前缀自动配置NCoA。
为了保证配置的NCoA在新链路中的唯一性，MN需执行重复地址检测DAD(Duplicate Address Detection)机制。MN通过交换邻居请求NS(NeighborSolicitation)和邻居广播NA(Neighbor Advertisement)报文执行DAD机制。在获取一个有效NCoA之后，MN完成新位置的绑定更新：MN发送绑定更新BU(Binding Update)报文到家乡代理HA(Home Agent)进行位置注册，HA为MN绑定家乡地址HoA(Home of Address)和转交地址CoA(Care of Address)。成功绑定之后，HA将绑定确认BAck(Binding Acknowledgement)消息发往MN；MN进行HA和通信对端CN(Correspondence Node)返回路由能力测试(ReturnRoutability)。
根据以上垂直切换过程描述可知，切换时延为链路层时延和网络层时延之和，而网络层切换过程中的移动检测、地址配置、绑定更新导致的切换时延过大，无法满足实时业务和吞吐量敏感业务，甚至可能导致当前服务的中断。图1给出了传统的WLAN到蜂窝网络的切换过程的时序图。
为了实现无缝切换，及时获取网络信息做出最佳切换判决尤其重要。IETFRFC5268制定了FMIPv6协议，其主要思想是在链路层(即L2)断开之前，提前触发网络层切换，获取有效IP地址及IP分组缓存，有效地减少了切换时延和分组丢失率。但FMIPv6协议并未详细规范L2触发机制，未深入讨论网络层触发时间、触发性能指标及触发消息格式等一系列问题。
IEEE 802.21工作组在链路层L2和网络层L3之间定义了介质独立切换MIH(Media Independent Handover)，通过屏蔽各种不同接入技术(如IEEE 802.11、IEEE 802.16、UMTS)的差异，实现移动用户在异构无线网络间的无缝切换。其定义的逻辑实体MIHF(MIH Function)将不同接入网络的不同接口转换为统一接口提供给高层，为高层移动性管理协议提供链路层智能化和相关网络信息，以优化不同接入技术之间的通信。图2为IEEE 802.21辅助的WLAN到蜂窝网络的切换时序图。
发明内容
为了克服异构无线网络上行垂直切换中切换时延过大的问题，本发明提出一种基于IEEE 802.21MIH的快速切换机制，并提出了L2触发时机的确定方法，使得MN在链路层切换之前完成相关L3的配置工作，从而大大减少总的切换时延，达到优化系统性能的目的。
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于IEEE 802.21MIH实体的快速切换机制，基于MIH的信令交互，利用MIHF模块及时获取链路层的相关信息以及邻居网络信息，如RSS和网络类型等，通过确定L2触发时机，在触发L2切换之前完成相关L3的配置工作，从而减少总的切换时延，降低了分组丢失率。
一种基于IEEE 802.21MIH的快速切换机制及链路层L2触发时机的确定方法，移动节点MN获得邻居网络信息；MIH辅助移动节点确定切换目标网络，MN的链路层L2持续检测接收信号强度RSS，对RSS进行平滑，并根据平滑后的接收信号强度，确定快速移动IP链路层L2触发时刻，在L2切换之前完成网络层L3的配置工作，MN检测RSS是否达到切换门限值RSSLD；若低于门限值RSSLD，MN的L2通过Link_Down和Link_Up原语指示链路层切换开始及新链路的建立；链路层切换完成后，MN的L3完成与通信对端的绑定更新；MN和候选网络通过MIH_MN_HO_Complete和MIH_N2N_HO_Complete原语指示MN垂直切换过程完成，MN从原服务网络切换至目标网络，同时释放原服务网络资源。
L2切换之前完成网络层L3的配置工作。MN的L2持续检测接收信号强度RSS，对RSS进行平滑，判断RSS是否达到L2触发门限值RSSLGD；如低于触发门限值，触发Link_Going_Down原语，并通过MIHF模块通知MIH用户，在tL2Trigger时刻开始执行L3的配置工作，配置工作包括移动检测、IP地址配置和重复地址检测；tL2时刻时，L3配置工作完成。
对RSS进行平滑。MN持续检测RSS，并将RSS经指数平均滤波器处理得到平滑后的信号强度RSSsmoothed，指数平均滤波器处理为：RSSsmoothed(t)＝kRSSsmoothed(t-1)+(1-k)RSSraw(t)，其中，RSSsmoothed(t)表示t时刻平滑后的信号强度；RSSraw(t)表示t时刻接收的信号强度，即滤波器的输入值；k表示滤波器的平滑参数。移动主机MN获取移动检测时间DL3MD；移动节点获取IP地址配置时间DL3-CoA；MN检测新转交地址NCoA在新网络中是否合法所需时间DL3-DAD；根据公式：TL3Configure＝DL3-MD+DL3-CoA+DL3DAD计算L3配置工作所需时间。
本发明基于IEEE 802.21MIH实体的信令交互，由MIHF模块向高层提供链路层智能及邻居网络信息，辅助确定移动节点切换目标网络，并根据平滑后的接收信号强度，确定快速移动IP L2触发时刻点，在L2切换之前完成L3层的配置工作，从而有效减小垂直切换时延，改进切换性能。
附图说明
图1传统切换过程时序图
图2IEEE 802.21MIH辅助的切换过程时序图
图3本发明所述切换流程图
图4基于IEEE 802.21MIH的异构无线网络上行垂直切换流程图
具体实施方式
本发明的核心思想是：基于IEEE 802.21MIH提出一种快速切换机制，并给出L2触发时机的确定方法，使得在L2切换之前完成相关L3的配置工作，从而减少异构无线网络上行垂直切换中的切换时延，优化系统性能。
其中，基于IEEE 802.21MIH的快速切换机制是指：在IEEE 802.21原语辅助下，通过MIHF模块为高层提供链路层智能和获取相关网络信息，在L2切换之前触发Link_Going_Down原语，使MN提前完成L3配置工作，包括移动检测、IP地址配置、重复地址检测。L2切换过程中，通过Link_Down原语指示开始L2切换开始，Link_Up原语指示新链路已建立，即L2切换完成。通过MN与通信对端的绑定更新实现L3切换，完成异构网络上行垂直切换。该机制与传统垂直切换方式相比，在L2切换之前提前完成L3配置工作，可有效减少切换时延，优化系统性能。
图3所示为本发明切换流程图。基于IEEE 802.21MIH实体的信令交互，MIHF模块向高层提供链路层智能和邻居网络信息，辅助移动节点确定切换目标网络，并根据平滑后的接收信号强度(RSS)，确定快速移动IP(MIP)L2触发时刻点，在L2切换之前完成相关三层(L3)的配置工作，从而减少异构无线网络上行垂直切换中切换时延。具体步骤如下：
1.移动节点MN通过MIH的信息获取原语MIH_Get_Information和位于运营商网络或第三方网络的MIH信息服务器交换信息从而获得邻居网络信息。
具体地，MN通过介质独立切换MIH信息服务器获得邻居网络信息包括，邻居候选网络列表、网络类型和网络性能等。
2.MN的链路层L2持续检测接收信号强度RSS，对RSS进行平滑，判断RSS是否达到L2触发门限值RSSLGD，如低于门限值，则执行步骤3；否则继续检测RSS；
具体地，可采用指数平均滤波器平滑RSS曲线以正确判断接收信号变化趋势。滤波器模型如下式，根据上一时刻滤波器输出值，以及t时刻接收的信号强度确定当前时刻滤波器输出值。
RSSsmoothed(t)＝kRSSsmoothed(t-1)+(1-k)RSSraw(t)
其中，RSSsmoothed(t)表示t时刻滤波器输出值；RSSraw(t)表示t时刻接收的信号强度，即滤波器的输入值；k表示滤波器的平滑参数，较大k值意味输出曲线越平滑，较小k值意味对突变接收信号强度反映灵敏。
确定L2触发门限值RSSLGD具体可采用如下方法实现：
b1.MN根据终端移动速度及信号衰减模型计算的接收信号强度确定RSS到达L2切换门限值RSSLD的时间tL2；
t时刻的接收信号强度(用功率表示)由下式所示：
RSS ( t ) = P r ( d ) = P r ( d 0 ) ( d 0 d ) γ + X σ
P r ( d 0 ) = P t G t G r λ 2 ( 4 π ) 2 d 0 2 L
其中，Pt为发射功率，Gt为发射机天线增益，Gr为接收机天线增益，λ为电磁波长，d0为参考距离，L为与传输无关的系统衰耗因子，Pr(d0)为在参考距离d0处的接收功率，d为发射机与接收机之间的距离，γ为路径损耗指数，Xσ为均值为零，方差为σ的高斯分布随机变量的噪声功率，Pr(d)为在距离d处的接收功率，RSS(t)为t时刻的接收信号强度。实际系统的参考距离d0在室内环境为1m，室外环境为100m或1km。
由上述两式可知当接收信号强度为门限值RSSLD时，对应MN与基站之间距离为： d LD = d 0 [ 16 π 2 d 0 2 L ( RSS LD - X σ ) P t G t G r λ 2 ] - 1 γ , 假设MN的移动速度为v，则L2触发时间 t L 2 = d LD v .
b2.计算L3配置工作所需时间TL3Configure；
相关L3配置工作所需时间TL3Configure的计算包括以下步骤：
b21.移动检测时间，即移动主机MN发现可用接入路由器的时间，记为DL3-MD。
b22.确定IP地址配置时间DL3-CoA。MN根据RA中M比特选择有状态或无状态地址自动配置。其中，有状态地址配置包含DHCP服务器配置CoA造成消耗的时间；无状态地址自动配置采用MN接口标记和有效网络前缀自动配置NCoA。
b23.确定重复地址检测时间DL3-DAD，即MN检测NCoA在新网络中是否合法所需时间；
b24.L3配置工作所需时间TL3Configure＝DL3MD+DL3-CoA+DL3-DAD。
b3.计算L2触发时间点tL2Trigger＝tL2-TL3Cofigure，根据信号衰减模型计算相应的L2触发门限值RSSLGD，即RSSLGD＝Pr(v·tL2Trigger)。则当MN检测到接收信号强度下降至RSSLGD时，执行步骤3；
3.MN的L2预测链路质量下降，触发链路质量即将下降原语Link_Going_Down，并通过MIHF模块通知MIH用户。此时(即tL2Trigger时刻)开始执行L3的配置工作。
具体地，L3的配置工作包括移动检测、IP地址配置和重复地址检测。
4.到达tL2时刻，L3配置工作完成，此时MN检测RSS是否达到门限值RSSLD，如低于门限值，则执行步骤5；否则继续检测RSS；
5.MN的L2通过链路质量下降原语Link_Down和链路质量提升原语Link_Up指示链路层切换开始及新链路的建立。
6.链路层切换完成后，MN的L3完成与通信对端的绑定更新。
MN和候选网络通过MIH移动节点切换完成原语MIH_MN_HO_Complete以及MIH网络切换完成原语MIH_N2N_HO_Complete指示MN上行垂直切换过程完成，MN从原服务网络切换至目标网络，同时释放原服务网络资源。
其中，L2触发时机(触发Link_Going_Down原语的时刻)将在TL3Configure前完成。
为使本发明的目的、技术方案和优点表达更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
结合图2详细描述在IP网络中WLAN到蜂窝网络的垂直切换过程。
本发明中的所有L2触发是基于本地触发，即由本地链路层向本地网络层发送触发信号。本发明所涉及的移动终端为多模终端，即有多个接口可接入不同的网络。
异构无线网络中的垂直切换具有不对称性特点，如蜂窝网络覆盖区域高达数公里，WLAN覆盖区域仅数百米，通常，WLAN覆盖区域同时具有蜂窝无线网络。当MN移出所连接的WLAN网络，并没有可供接入的其他WLAN网络时，需要切换到覆盖范围广泛的蜂窝网络以保持通信的连续性。图2以蜂窝网为例，认为广域网络是处处可接入的。
MN的L2持续检测链路信息，如WLAN网卡检测当前及相邻WLAN网络的RSS，蜂窝网网卡检测蜂窝网的RSS。
若MN未检测到相邻WLAN网络的信号，且当前WLAN网络的RSS不断减弱，表明MN可能处于网络边缘或信号较弱的区域，并且没有可切换的其它WLAN网络，需要切换至其它网络中。
MN从MIH信息服务器获得周围网络信息，如邻居候选网络列表、网络类型及网络性能等，同时检测当前WLAN网络中的RSS，并通过计算获得L2触发时间点。当MN的MIH用户接收到Link_Going_Down原语后，依据网络资源、RSS等判决准则，选择切换目标网络并确定最佳接入点，然后完成IP地址配置和重复地址检测等L3配置工作。MN的MIHF发送Link_Down原语至用户，触发链路层切换。链路层切换完成后，MIHF发送Link_Up原语，表明此时网络层可以使用新的通信链路。MN建立与通信对端的绑定更新，实现网络层切换。垂直切换完成，MN释放与原WLAN网络的连接。
图4为本发明实施例中基于IEEE 802.21MIH的异构无线网络上行垂直切换流程图。如图4所示，移动终端的切换流程包括：
步骤401：MN处于WLAN和蜂窝网络及其它网络，如WiMAX的重叠区域内，通过当前服务网络WLAN传输无线数据分组；
步骤402：MN的MIH用户周期性发送MIH信息收集请求原语MIH_Get_Information.request至MIHF；
步骤403：MIHF发送原语MIH_Get_Information.request到MIH信息服务器(位于运营商网络或第三方网络)以获取周围网络信息；
步骤404：MIH信息服务器发送MIH信息收集响应原语MIH_Get_Information.response到MN的MIHF模块；
步骤405：MIHF发送MIH_Get_Information.response原语到MN的MIH用户。MN获取网络信息，包括邻居候选网络列表、网络类型和网络性能等；
步骤406：MN持续检测RRS，经过指数平均滤波器对RSS进行平滑；
步骤407：MN根据终端移动速度及信号衰减模型预测RSS到达L2切换门限值RSSLD的时间tL2，并计算L3配置工作所需时间TL3Configure，从而得到L2触发时间点tL2Trigger；
步骤408：tL2Trigger时刻，来自WLAN网络的RSS(平滑后的)到达L2触发门限值RSSLGD，MN  的L2发送链路质量下降指示原语Link_Going_Down.indication原语至MIHF模块。
步骤409：MIHF模块发送MIH链路质量下降指示原语MIH_Link_Going_Down.indication到MIH用户。
步骤410：MN启动候选网络接口。
步骤411：MN的MIH用户发送切换候选网络征询请求原语MIH_MN_HO_Candidate_Query.request到MIHF；
步骤412：MIHF发送MIH_MN_HO_Candidate_Query.request原语到当前服务网络WLAN，为可能的切换询问候选网络；
步骤413：服务网络WLAN向候选蜂窝网络及WiMAX网络发送资源请求原语MIH_N2N_HO_Query_Resources.request；
步骤414：候选蜂窝网络及WiMAX网络向服务网络WLAN发送网络资源响应原语MIH_N2N_HO_Query_Resources.response，通告WLAN其链路状态、资源状态以及IP地址等相关信息；
步骤415：服务网络WLAN通过切换候选网络资源响应原语MIH_N2N_HO_Query_Resources.response将得到的候选网络链路状态、资源状态以及IP地址等相关信息发送至MIHF；
步骤416：MIHF模块发送切换候选网络资源确认原语MIH_MN_HO_Candidate_Query.confirm告知MIH用户；
步骤417：MN根据候选网络资源状态、服务质量、接入成本以及用户喜好等判决准则选择最佳接入网络并确定接入点，以选择蜂窝网络为例；
步骤418：MN做出决策后，配置IP地址及进行重复地址检测以确认IP地址的合法性；
步骤419：tL2时刻时，来自WLAN的RSS到达门限值RSSLD，MN的WLAN接口发送MIH_Link_Down.indication原语到MIHF；
步骤420：MIHF发送Link_Down.indication原语到MIH用户；
步骤421：MN执行L2切换；
步骤422：MN的蜂窝网络接口发送Link_Up.indication原语到MIHF；
步骤423：MIHF发送MIH_Link_Up.indication原语到MIH用户表示新链路的建立；
步骤424：MN完成与蜂窝网络的绑定更新，完成L3切换；
步骤425：MN的MIH用户向MIHF发送切换完成请求原语MIH_MN_HO_Complete.request；
步骤426：MIHF向蜂窝网络发送MIH_MN_HO_Complete.request原语；
步骤427：蜂窝网络向WLAN网络发送切换完成请求原语MIH_N2N_HO_Complete.request；
步骤428：WLAN网络向蜂窝网络发送切换完成响应原语MIH_N2N_HO_Complete.response；
步骤429：蜂窝网络发送MIH_MN_HO_Complete.response原语到MIHF作为切换完成响应；
步骤430：MIHF发送原语MIH_MN_HO_Complete.confirm到MIH用户表示切换过程完成，释放原服务网络WLAN的资源。

Claims (5)

1.一种基于IEEE802.21MIH的快速切换方法，其特征在于，移动节点MN获得邻居网络信息；IEEE802.21介质独立切换MIH辅助移动节点确定切换目标网络，MN的链路层L2持续检测接收信号强度RSS，对RSS进行平滑，并根据平滑后的接收信号强度，确定快速移动IP链路层L2触发时刻，MN根据终端移动速度预测RSS到达L2切换门限值RSSLD的时间tL2，计算L3配置工作所需时间TL3Configure，根据公式tL2Trigger＝tL2-TL3Cofigure计算L2触发时间点tL2Trigger，此刻的接收信号强度为L2触发门限值RSSLGD；在链路层L2切换之前完成网络层L3的配置工作；MN和候选网络通过MIH移动节点切换完成原语MIH_MN_HO_Complete和MIH网络切换完成原语MIH_N2N_HO_Complete原语指示MN上行垂直切换过程完成，MN从原服务网络切换至目标网络，同时释放原服务网络资源。
2.根据权利要求1所述的切换方法，其特征在于，所述在链路层L2切换之前完成网络层L3的配置工作具体包括，MN检测RSS是否达到切换门限值RSSLD；若低于门限值RSSLD，MN的L2通过链路质量下降Link_Down和链路质量提升Link_Up原语指示链路层切换开始及新链路的建立；L2切换完成后，MN的L3完成与通信对端的绑定更新；MN的L2持续检测接收信号强度RSS，对RSS进行平滑，判断RSS是否达到L2触发门限值RSSLGD；如低于触发门限值，触发链路质量即将下降原语Link_Going_Down原语，并通过MIHF模块通知MIH用户，开始执行L3的配置工作，配置工作包括移动检测、IP地址配置和重复地址检测；tL2时刻时，L3配置工作完成。
3.根据权利要求1所述的切换方法，其特征在于，对RSS进行平滑包括：MN持续检测RSS，指数平均滤波器调用公式：RSSsmoothed(t)＝kRSSsmoothed(t-1)+(1-k)RSSraw(t)对RSS处理，得到平滑后的信号强度，其中，RSSsmoothed(t)为t时刻平滑后的信号强度；RSSraw(t)为t时刻接收的信号强度，即滤波器的输入值；k为滤波器的平滑参数。
4.根据权利要求1所述的切换方法，其特征在于，由信号衰减模型
Figure FDA0000390043740000021
令dTrigger＝v·tL2Trigger得到tL2Trigger对应的接收信号强度即为RSS触发门限值RSSLGD＝Pr(dTrigger)，其中，v为MN的移动速度，RSS(t)为t时刻的接收信号强度，Pr(d0)为参考距离d0处的接收功率，d为发射机与接收机之间的距离，λ为电磁波长，γ为路径损耗指数，Xσ为均值为零，方差为σ的高斯分布随机变量的噪声功率。
5.根据权利要求1所述的切换方法，其特征在于，计算L3配置所需时间TL3Configure的方法如下：移动主机MN获取移动检测时间DL3-MD；移动节点获取IP地址配置时间DL3-CoA；MN检测新转交地址NCoA在新网络中是否合法所需时间DL3-DAD；根据公式：TL3Configure＝DL3-MD+DL3-CoA+DL3-DAD计算L3配置工作所需时间。
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