CN103747495B

CN103747495B - 一种适应于移动WiMAX网络的混合式快速切换方法

Info

Publication number: CN103747495B
Application number: CN201410000630.9A
Authority: CN
Inventors: 陆绍飞; 周泽辉
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2014-01-02
Filing date: 2014-01-02
Publication date: 2017-06-27
Anticipated expiration: 2034-01-02
Also published as: CN103747495A

Abstract

本发明公开了一种适应于移动WiMAX网络的混合快速切换方法‑HFH，实现移动站点在子网内与子网间移动时的快速切换。本发明的优点有：在F‑HMIPv6切换基础上，结合蜂窝IP协议（CIP）与移动流控制传输协议（mSCTP），能有效降低家乡代理注册更新与隧道建立时的信令开销与切换时延；采用一种新的F‑DAD机制，能有效减小因重复地址检测所引起的切换时延；引入业务调度缓存机制能有效减少切换过程中的丢包。本发明可应用于移动WiMAX（3G）、LTE（4G）网络。

Description

一种适应于移动WiMAX网络的混合式快速切换方法

技术领域

本发明属于通讯技术领域，涉及一种适应于移动WiMAX(3G)、LTE(4G)网络的混合式快速切换方法。

技术背景

移动WiMAX网络的现有切换技术方案，切换过程中的延时和丢包较大，难以满足一些实时业务的需要。新的混合式快速切换方法—HFH(Hybrid Fast Handover,HFH)在传统的F-HMIPv6切换算法基础上，结合CIP与mSCTP协议优化原算法的链路及区域性的切换管理，保持了端到端通信的连续性，从而很大程序减少切换延时，实现网络的快速切换。HFH还采用一种新的DAD机制(N-DAD)来减少已有重复地址检测方法所产生的时延。此外，HFH在新接入基站或路由器中加入业务调度缓存机制来减少切换过程中的丢包。

发明内容

为克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适应于移动WiMAX网络的混合式快速切换方法—HFH。HFH在传统的快速移动IP层次切换算法(F-HMIPv6)基础上，结合蜂窝IP协议(Cellular IP，CIP)与移动流控制传输协议(Mobile Stream ControlTransmission Proticol,mSCTP)优化链路连接及区域连接上的切换管理，保持了端到端通信的连续性，有效减小了移动节点(Mobile Node,MN)的切换延时，实现网络的快速切换。同时，HFH采用新快速重复地址检测(New Dynamic Address Detection,N-DAD)机制来减少切换过程中重复地址检测引起的切换延时。此外，HFH在新接入基站或路由器中加入业务调度缓存机制来减少切换过程中的丢包。具体方案如下：

一种适应于移动WiMAX网络的混合式快速切换方法—HFH。HFH的切换执行过程分为子网间切换和子网内切换。

所述子网间切换具体为：当移动节点(MN)在服务基站(Serving_BS)向前移动并检测到新基站信号时，即移动到服务基站和候选基站的重叠覆盖区时，移动节点分别发送路由代理服务消息(Router Solicitation For Proxy，RtSolPr)给服务基站和原接入网网关(Prior GateWay,P_GW)，当原接入网网关和新接入网网关(New GateWay,N_GW)以及服务基站与目标基站分别完成初始化消息(INIT Information)传递后，原接入网网关会返回路由代理广播消息(proxy router advertisement，PrRtAdv)给移动节点，移动节点会通过新重复地址检测机制(N-DAD)获得新IP地址和完成有效性检测。移动节点会向通信节点(Communication Node,CN)发送SCTP地址关联配置改变(ASCONF：Addrss ConfigurationChange，Add IP)消息，通信节点收到该消息后会将移动节点新的IP加入到关联地址列表中来。同时，通信节点还会向移动节点发回关联地址添加确认(Add IP-Ack)消息，告之移动节点新地址添加成功，新IP地址被成功加入到mSCTP地址关联中来了。但移动节点在当前接入子网的IP地址仍然是mSCTP关联的首选地址，负责转发数据分组，新IP地址在首选地址改变之前作为备用地址存在。紧接着，移动节点会向目标基站发送路由更新请求消息(RouteUpdate,RU)并接入到目标基站，与此同时，移动节点向通信节点发送消息(ASCONF，SetPrimary)触发首选地址改变。这时，移动节点在新接入子网的IP地址(新IP)已成为移动节点与通信节点的SCTP地址关联中的首选地址。通信节点发送的数据分组会根据新关联地址路由到移动节点。此外，移动节点在完成子网间切换的同时会向家乡代理(Home Agent，HA)发送绑定更新消息，通知家乡代理已接入到新的子网中来。在此后的过程中，移动节点在原接入子网的转交地址已不再作为首选地址使用，处于非激活状态，通信节点会把它从与移动节点的mSCTP会地址关联列表中删除。

子网内切换具体为：若移动节点只在某个接入子网内的基站间切换，则只要执行蜂窝IP的半软切换(Semi-Soft Handoff，SSH)。当移动节点在服务基站向前移动并检测到新基站信号时，半软切换开始。移动节点与新基站完成切换初始化、同步、测距等过程建立起连接。紧接着，移动节点会沿新基站向上发送路由更新分组，该分组中的S标识设1，指示执行的是半软切换。当路由更新分组向上到达新基站与原基站之间的交汇节点(CrossoverNode,C_N)时，会在该交汇节点的路由缓存中增加新的路由映射，该路由映射指明到达移动节点的新路由。新路由映射不会替代原有的映射，移动节点还会同时继续侦听原服务基站并从原服务基站接收数据分组。这样，移动节点能从原服务基站和新服务基站同时接收数据分组。当移动节点继续向前移动完全进入新基站服务区后，移动节点沿新基站向上发送路由修改分组清除交汇节点路由缓存中的S标识。移动节点在新的基站下接收数据后，会定期发送路由更新消息更新路由缓存，而对于原接入基站则不再发送路由更新消息刷新旧路由，于是旧路由会在一定时间后由于过期而被删除。

HFH切换方案为了提高切换性能，使用一种新的重复地址检测机制(New DynamicAddress Detection，N-DAD)。HFH中的N-DAD机制的重点是在接入网关中建立两个DAD列表。其中一个列表会用地址表记录已在本子网中使用的IP地址，记为表A。另外一个列表则记录一定数量的新IP地址，记为表B。新IP地址是在表A的基础上通过动态主机分配协议或IPv6自动地址配置协议产生的。若新产生的IP地址与表A和表B中的IP地址列表没有冲突，则表示新IP地址有效，在表B中添加为新IP。当移动节点从一接入子网切换到新接入子网时，只要从表B中获得一个IP地址即可。N-DAD列表中的地址表项是惟一的且有生命期，列表会定期进行清理以删除过期表项，从而保证地址列表的有效性。

HFH在新接入基站或路由器中加入高速缓存区，该高速缓存区分成多个缓存池。处于切换过程中的移动节点可以单独使用其中一个缓存池，所有发往该移动节点的分组数据都能在缓冲池中存放，缓存管理信令嵌入到HFH切换信令中，能通过切换信令来控制数据的缓存和转发。移动节点发生切换时，接入路由器或基站会检查缓冲池，若其中没有发往该移动节点的相关数据，则按普通路由方式处理数据分组，而对于发往该移动节点的分组，接入路由器或基站会先拦截并把该分组存储到移动节点的绑定缓冲池中。另外，对于所有的数据分组因为都有自己的生存周期，缓存池还会根据各数据分组的时间戳来判断该分组是否过期，如果过期则缓存池会将其删除。由于在路由器或基站中设置过大缓存区会增大系统负载及成倍增加成本，并且可能引起新的延时。因此，在实际工程中，高速缓存区中的缓存池数会远远小于连接的移动节点数。HFH设计按移动节点承载的业务类型来调度和使用缓存池。对于服务于实时业务的移动节点，如：IP语音(VoIP)业务等，会优先分配缓存池。而对于为一些实时性要求不高的普通业务服务的移动节点则使用有空余的缓存池，如：数据传输、网上冲浪等业务。

与现有技术相比，本发明的有益效果：1、在切换过程中保持了端到端通信的连续性，能在一定程序上增加网络带宽的利用率。2、采用层次式网络体系结构，能很好适应移动用户的宏移动(大范围区域)和微移动(大范围区域)3、当切换发生在某一接入子网内时，只需执行链路层上的软切换(Semi-Soft Handoff，SSH)，执行过程简单且比现有的硬切换方式丢包少、延时小。4、当切换发生在接入子网间时，由移动流控制传输协议(mSCTP)结合快速移动IP信令机制，切换过程迅速、信令开销小。5、采用新重复地址检测机制(N-DAD)能有效解决重复地址检测所引起的切换时延问题。6、引入业务调度缓存机制能有效减少切换过程中的丢包。7、以移动WiMAX网络为实验对象，在OPNET平台对HFH切换技术及传统F-HMIPv6切换技术进行对比仿真实验，实验结果表明，HFH相对于F-HIPv6在切换延时，丢包率方面都有了明显改善。如图5所示，当移动节点发生区域间切换(子网间基站切换)时，HFH切换方案的时延比F-HMIPv6方案缩减了30％左右；如图6所示，当移动节点发生区域内切换(子网内基站切换)时，HFH切换方案的丢包数比F-HMIPv6方案减少了将近60％。由此可见，HFH能很好满足移动WiMAX网络中实时业务的服务质量要求。

附图说明

图1是HFH的网络拓扑结构图；

图2是子网间切换流程图；

图3是子网内的切换流程；

图4是业务调度机制缓存示意图；

图5是发生子网间切换，HFH与F-HMIPv6在不同移动速度下的切换延时实验比较图；

图6是发生子网内切换，HFH与F-HMIPv6在不同移动速度下的丢包实验比较图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

HFH采用分级网络体系结构，网络拓扑结构如图1所示。在HFH网络体系结构中核心网络(Internet骨干网)与接入子网通过网关(Gateway,GW)相连，移动节点(MN)的移动分为区域内微移动和跨区域性移动，区域内微移动即接入子网内基站间移动(如图1中的基站1和基站2两个基站之间移动，或基站3和基站4两个基站之间移动)；跨区域性移动即跨越不同接入子网的移动(如图1中的基站2和基站3两个基站之间移动)。

HFH的切换执行过程分为子网间切换和子网内切换。

图2说明了HFH子网间切换过程，包括13个主要步骤：

步骤1：移动节点(MN)周期性地接收服务基站(ServingBS)发送过来的邻近基站广播(Neighbor Advertisement,MOB-NBR-ADV)消息。

步骤2：移动节点通过与服务基站交换扫描请求(MOB-SCN-REQ)和扫描确认(MOB-SCN-RSP)消息获得扫描间隔。

步骤3：移动节点的层2(媒体接入控制层)向层3(IP层)触发新基站发现(New-BS-Found,NBF)消息。

步骤4：移动节点运动到服务基站和候选基站的信号重叠覆盖区时，分别发送路由

代理服务消息(Router Solicitation For Proxy，RtSolPr)给服务基站和原接入网网关(Prior GateWay,P_GW)，当原接入网网关和新接入网网关(New GateWay,N_GW)以及服务基站与目标基站分别完成初始化消息(INIT Information)传递后，原接入网网关会发送路由代理回复消息(proxy router advertisement，PrRtAdv)给移动节点。

步骤5：移动节点向服务基站发送切换请求消息(HO Request,MOB-HO-REQ)，服务基站与目标基站进行信息交互协商后,服务基站发送切换响应消息(HO Response，MOB-HO-RSP)给移动节点。

步骤6：移动节点的层2向层3发送链路断开预通告消息(Link Going Down,LGD)，告知链路将要断开。

步骤7：原接入网关与新接入路由器通过互相交换切换发起消息(HandoverInitiate,HI)和切换确认消息(Handover Acknowledge,Hack)建立起快速信令传输隧道。在这个过程中，移动节点会通过新重复地址检测机制(N-DAD)获得新IP地址并完成有效性检测。移动节点向通信节点发送SCTP地址关联配置改变消息(ASCONF：AddrssConfiguration Change，Add IP)，通信节点收到该消息后会将移动节点新的IP地址加入到关联地址列表中来。

步骤8：移动节点的层3向层2触发链路切换消息(Link-Switch,LSW)与新基站实现链路连接。紧接着，移动节点会沿新基站向上发送路由更新分组，该分组中的S标识设1，指示执行的是半软切换。

步骤9：路由更新分组继续向上传送到新网关。与此同时，通信节点也向移动节点发回关联地址添加确认消息(AddIP-Ack)，告之移动节点新地址添加成功，新IP地址被成功加入到mSCTP地址关联中。但移动节点在当前接入子网的转交地址原IP仍然是mSCTP关联的首选地址，负责转发数据分组，新IP在首选地址改变之前作为备用地址存在。

步骤10：移动节点的层2就向层3触发链路建立(link-Up,LUP)完成消息。

步骤11：移动节点向通信节点发送首选地址改变消息(ASCONF，Set Primary)，这时，新IP地址成为移动节点与通信节点的SCTP地址关联中的首选地址，通信节点的数据分组会根据新关联地址发送到移动节点。

步骤12：移动节点在完成子网间切换的同时会向家乡代理发送绑定更新消息，通知家乡代理已接入到新的子网中来。家乡代理向移动节点回复的绑定确认消息(BU_ACK)。

图3说明了HFH子网内切换过程，包括4个主要步骤：

步骤1：当移动节点在服务基站向前移动并检测到新基站信号时，半软切换开始。移动节点与新基站完成切换初始化、同步、测距等过程建立起连接。

步骤2：移动节点沿新基站向上发送路由更新分组，该分组中的S标识设1，指示执行的是半软切换。当路由更新分组向上到达新基站与原基站之间的交汇节点(CrossoverNode,C_N)时，会在该交汇节点的路由缓存中增加新的路由映射，该路由映射指明到达移动节点的新路由。新路由映射不会替代原有的映射，移动节点还会同时继续侦听原服务基站并从原服务基站接收数据分组。路由更新分组继续向上传送直到接入网关。

步骤3：移动节点能从原服务基站和新服务基站同时接收数据分组。

步骤4：当移动节点继续向前移动完全进入新基站服务区后，移动节点沿新基站向上发送路由修改分组清除交汇节点路由缓存中的S标识。移动节点在新的基站下接收数据后，会定期发送路由更新消息更新路由缓存，而对于原接入基站则不再发送路由更新消息刷新旧路由，于是旧路会在一定时间后由于过期而被删除。

新的重复地址检测机制(New Dynamic Address Detection,N-DAD):HFH中的N-DAD机制的重点是在接入网关中建立两个DAD列表，其中一个列表会用地址表项记录已在本子网中使用的IP地址，记为表A，另外一个列表则记录一定数量的新IP地址，记为表B，表1为N—DAD列表。新IP地址是在表A的基础上通过动态主机分配协议或IPv6自动地址配置协议产生的。若新产生的IP地址与表A和表B中的IP地址列表没有冲突，则表示新IP地址有效，在表B中添加为新IP。当移动节点从接入子网切换到新接入子网时，只要从表B中获得一个IP地址即可。N-DAD列表中的地址表项是惟一的且有生命期，列表会定期进行清理以删除过期表项，从而保证地址列表的有效性。

业务调度缓存机制:图4为业务调度缓存机制示意图。HFH在新接入基站或路由器中加入高速缓存区，该高速缓存区分成多个缓存池。处于切换过程中的移动节点可以单独使用其中一个缓存池，所有发往该移动节点的分组数据都能在缓冲池中存放，缓存管理信令嵌入到HFH切换信令中，能通过切换信令来控制数据的缓存和转发。移动节点发生切换时，接入路由器或基站会检查缓冲池，若其中没有发往该移动节点的相关数据，则按普通路由方式处理数据分组，而对于发往该移动节点的分组，接入路由器或基站会先拦截并把该分组存储到移动节点的绑定缓冲池中。另外，对于所有的数据分组因为都有自己的生存周期，缓存池还会根据各数据分组的时间戳来判断该分组是否过期，如果过期则缓存池会将其删除。由于在路由器或基站中设置过大缓存区会增大系统负载及成倍增加成本，并且可能引起新的延时。因此，在实际工程中，高速缓存区中的缓存池数会远远小于连接的移动节点数。HFH设计按移动节点承载的业务类型来调度和使用缓存池。如图4所示，承载最高优先级业务(VoIP等)的移动节点，被最先获得缓存池，接下来是承载高优先级业务(MPEG视频流等)获得缓存池，再接下来是次高级，而对于承载普通业务(Email等)的移动节点当有空闲缓存池时，该节点可以使用，若没有空闲缓存池时，则不为该类移动节点分配缓存池。

通过图5和图6可见，本发明具有以下优势：

HFH在切换过程中保持了端到端通信的连续性，能在一定程序上增加网络带宽的利用率。

HFH采用层次式网络体系结构，能很好适应移动用户的宏移动(大范围区域)和微移动(大范围区域)

对于HFH，当切换发生在某一接入子网内时，只需执行链路层上的软切换(Semi-Soft Handoff，SSH)，执行过程简单且比现有的硬切换方式丢包少、延时小。

对于HFH，当切换发生在接入子网间时，由移动流控制传输协议(mSCTP)结合快速移动IP信令机制，切换速度快、信令开销小。

HFH的新重复地址检测机制(N-DAD)比现在重复地址检测机制产生的切换延迟小很多。

HFH的业务调度缓存机制能有效减少切换过程中的丢包。

以上所述，仅为本发明最佳实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种适应于移动WiMAX网络的混合式快速切换方法，其特征在于，分为子网间切换和子网内切换：

所述子网间切换流程具体包括以下步骤：

步骤1：移动节点周期性地接收服务基站发送过来的邻近基站广播消息；

步骤2：移动节点通过与服务基站交换扫描请求和扫描确认消息获得扫描间隔；

步骤3：移动节点的层2向层3触发新基站发现消息；

步骤4：移动节点运动到服务基站和候选基站的信号重叠覆盖区时，分别发送路由代理服务消息给服务基站和原接入网网关，当原接入网网关和新接入网网关以及服务基站与目标基站分别完成初始化消息传递后，原接入网网关会发送路由代理回复消息给移动节点；

步骤5：移动节点向服务基站发送切换请求消息，服务基站与目标基站进行信息交互协商后,服务基站发送切换响应消息给移动节点；

步骤6：移动节点的层2向层3发送链路断开预通告消息，告知链路将要断开；

步骤7：原接入网关与新接入路由器通过互相交换切换发起消息和切换确认消息建立起快速信令传输隧道，在这个过程中,移动节点会通过新重复地址检测机制获得新IP地址和完成有效性检测，移动节点会向通信节点发送SCTP地址关联配置改变消息，通信节点收到该消息后会将移动节点新的IP地址加入到关联地址列表中来；

步骤8：移动节点的层3向层2触发链路切换消息，与新基站实现链路连接，紧接着，移动节点会沿新基站向上发送路由更新分组，该分组中的S标识设1，指示执行的是半软切换；

步骤9：路由更新分组继续向上传送到新网关，与此同时，通信节点也向移动节点发回关联地址添加确认消息，告之移动节点新地址添加成功，新IP地址被成功加入到mSCTP地址关联中，但移动节点在当前接入子网的转交地址原IP仍然是mSCTP关联的首选地址，负责转发数据分组，新IP在首选地址改变之前作为备用地址存在；

步骤10：移动节点的层2向层3触发链路建立完成消息；

步骤11：移动节点向通信节点发送首选地址改变消息，这时，新IP地址成为移动节点与通信节点的SCTP地址关联中的首选地址，通信节点的数据分组会根据新关联地址路由到移动节点；

步骤12：移动节点在完成子网间切换的同时会向家乡代理发送绑定更新消息，通知家乡代理已接入到新的子网中来，家乡代理向移动节点回复绑定确认消息；

所述子网内切换流程具体包括以下步骤：

步骤1：当移动节点在服务基站向前移动并检测到新基站信号时，半软切换开始，移动节点与新基站完成切换初始化、同步、测距等过程建立起连接；

步骤2：移动节点沿新基站向上发送路由更新分组，该分组中的S标识设1，指示执行的是半软切换，当路由更新分组向上到达新基站与原基站之间的交汇节点时，会在该交汇节点的路由缓存中增加新的路由映射，该路由映射指明到达移动节点的新路由，新路由映射不会替代原有的映射，移动节点还会同时继续侦听原服务基站并从原服务基站接收数据分组，路由更新分组继续向上传送直到接入网关；

步骤3：移动节点能从原服务基站和新服务基站同时接收数据分组；

步骤4：当移动节点继续向前移动完全进入新基站服务区后，移动节点沿新基站向上发送路由修改分组清除交汇节点路由缓存中的S标识，移动节点在新的基站下接收数据后，会定期发送路由更新消息更新路由缓存，而对于原接入基站则不再发送路由更新消息刷新旧路由，于是旧路由信息会在一定时间后由于过期而被删除。