無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)IP切換方法的探討

摘要　介紹了一種與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的一種解決移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切換中預(yù)先注冊(cè)的方法，并說(shuō)明了這種方法的缺陷和局限性。

一、引言

因特網(wǎng)和移動(dòng)通信已逐漸成為當(dāng)今世界通信領(lǐng)域的兩大潮流，深入到人們生活的各個(gè)領(lǐng)域，引發(fā)了工作和生活模式的巨大變革，越來(lái)越多的人希望在移動(dòng)狀態(tài)下，能夠通過(guò)便攜式計(jì)算機(jī)或移動(dòng)電話接入因特網(wǎng)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。移動(dòng)IP應(yīng)運(yùn)而生。移動(dòng)IP需要支持主機(jī)跨子網(wǎng)的移動(dòng)和蜂窩小區(qū)內(nèi)的頻繁移動(dòng)，并支持移動(dòng)的透明性。主機(jī)移動(dòng)帶來(lái)了一系列問(wèn)題，尤其是越區(qū)切換問(wèn)題。對(duì)該問(wèn)題解決的好壞直接影響到QoS�；�于這種思想，很多人提出了許多移動(dòng)IP的擴(kuò)展方案來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，有名的是蜂窩IP方案、HAWAII方案、TeleMIP方案和EMA方案等。本文提出了一種基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一種解決移動(dòng)主機(jī)切換預(yù)先注冊(cè)的一個(gè)想法。

二、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有有線網(wǎng)絡(luò)無(wú)法比擬的靈活性，不受環(huán)境條件的限制，網(wǎng)絡(luò)的傳輸范圍大大拓寬，最大傳輸范圍可達(dá)到幾十公里。在有線局域網(wǎng)中，兩個(gè)站點(diǎn)的距離在使用銅纜時(shí)被限制在500米，即使采用單模光纖也只能達(dá)到3000米，而無(wú)線局域網(wǎng)中兩個(gè)站點(diǎn)間的距離目前可達(dá)到50公里，距離數(shù)公里的建筑物中的網(wǎng)絡(luò)可以集成為同一個(gè)局域網(wǎng)。同時(shí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的組建、配置和維護(hù)較為容易，一般的計(jì)算機(jī)工作人員都可以勝任網(wǎng)絡(luò)的管理工作。

但是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俾实�、安全�?wèn)題和有限的頻帶是阻礙它更快速發(fā)展的原因。對(duì)于移動(dòng)IP的切換來(lái)講，還有其它許多因素需要考慮。例如無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)基站所覆蓋的具體范圍，相鄰基站之間的干擾問(wèn)題以及移動(dòng)節(jié)點(diǎn)何時(shí)開(kāi)始發(fā)生切換等等。

三、移動(dòng)IP的基本原理

在移動(dòng)IP的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中主要使用了3種功能實(shí)體：移動(dòng)主機(jī)MN（Mobile Node）、歸屬代理HA（Home Agent）和外地代理FA（Foreign Agent）。其中，歸屬代理、外地代理統(tǒng)稱(chēng)為移動(dòng)代理MA（mobility agen1）。

每一個(gè)移動(dòng)主機(jī)都在它的家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)上擁有一個(gè)唯一的IP地址。當(dāng)移動(dòng)主機(jī)MN漫游到某個(gè)外地子網(wǎng)時(shí)，為了完成移動(dòng)主機(jī)的繼續(xù)通信，它需要通過(guò)外地代理（或直接）向家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)的歸屬代理處登記一個(gè)當(dāng)前的轉(zhuǎn)交地址COA（care-of address），以便歸屬代理HA根據(jù)這個(gè)轉(zhuǎn)交地址能夠找到它現(xiàn)在所在的網(wǎng)絡(luò)，并使其它節(jié)點(diǎn)能夠和這個(gè)節(jié)點(diǎn)建立通信（這個(gè)過(guò)程就是向歸屬代理的注冊(cè)過(guò)程）。注冊(cè)過(guò)程完成后，歸屬代理HA把獲得的轉(zhuǎn)交地址COA和這個(gè)移動(dòng)主機(jī)綁定在路由器中。如果移動(dòng)主機(jī)在外地網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)交地址已經(jīng)在歸屬代理中注冊(cè)了，所有與移動(dòng)主機(jī)家鄉(xiāng)地址的通信都將通過(guò)歸屬代理和外地代理之間建立的隧道來(lái)保持通信。

簡(jiǎn)要過(guò)程如下（見(jiàn)圖一）： 

圖一

（1）移動(dòng)主機(jī)通過(guò)捕獲移動(dòng)代理（HA和FA）發(fā)出的代理廣告來(lái)確認(rèn)自己所處的網(wǎng)絡(luò)位置，并從代理廣告中獲得一個(gè)轉(zhuǎn)交地址。如果捕獲不到，移動(dòng)主機(jī)可以主動(dòng)發(fā)出代理請(qǐng)求消息。

（2）移動(dòng)主機(jī)發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)到外地代理，再由外地代理轉(zhuǎn)發(fā)到歸屬代理分別進(jìn)行注冊(cè)綁定。如果注冊(cè)不成功，就更改注冊(cè)數(shù)據(jù)格式，繼續(xù)注冊(cè)。

（3）所有發(fā)往移動(dòng)主機(jī)的數(shù)據(jù)全被本地代理捕獲，并進(jìn)行封裝將數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)隧道發(fā)給移動(dòng)主機(jī)。同樣移動(dòng)主機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)也是封裝后經(jīng)過(guò)隧道發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)。

（4）移動(dòng)主機(jī)在固定時(shí)間間隔向外地代理和歸屬代理發(fā)送代理更新通知。

當(dāng)移動(dòng)主機(jī)離開(kāi)本基站或代理時(shí)就會(huì)產(chǎn)生切換，這樣就不可避免地產(chǎn)生延遲和丟包現(xiàn)象，如果方法得當(dāng)?shù)脑�，就�?huì)最大限度的減少丟包現(xiàn)象。

四、切換中預(yù)先注冊(cè)方法的探討

本文探討的這種方法是利用帶來(lái)不少缺點(diǎn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)本身的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。我們知道移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之所以能夠?qū)�無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中相鄰基站的信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)，主要是因?yàn)橄噜弮苫�站發(fā)送信號(hào)的頻率是可以被區(qū)分的。這種特性對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)來(lái)講造成了很大的干擾，但是這種特性并不是一點(diǎn)作用也沒(méi)有的。本文的所討論的方法就是利用了這個(gè)特性。

預(yù)先注冊(cè)最重要的是讓移動(dòng)節(jié)點(diǎn)知道要向哪里和何時(shí)預(yù)先注冊(cè)。一般情況下只有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)離某個(gè)基站近時(shí)，收到該基站的信號(hào)才會(huì)加強(qiáng)。根據(jù)這種原理，就可以明確知道起著主要干擾作用的基站，就是該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)次靠近的基站，同樣也是最有可能移動(dòng)到的基站。根據(jù)上面的特性我們就可以給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)再增加一個(gè)天線，這個(gè)天線用來(lái)使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接受主要起干擾作用的基站發(fā)布的信號(hào)。首先定義一個(gè)受干擾的極限，當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)受到的干擾達(dá)到一定程度時(shí)就開(kāi)始接受干擾基站的信號(hào)。收到后確定該基站發(fā)送信號(hào)的頻率，并確定向該基站發(fā)送的上行頻率，然后向該基站發(fā)送預(yù)先注冊(cè)。

現(xiàn)將這種方法簡(jiǎn)要介紹如下：假設(shè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上有兩個(gè)天線：天線1接受和發(fā)送主信號(hào)，天線2用來(lái)檢測(cè)最強(qiáng)干擾信號(hào)的頻率。如圖二 

圖二

（1）當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到基站a的邊緣并向基站b移動(dòng)時(shí)，這時(shí)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)其的天線1接受的信號(hào)受干擾的強(qiáng)弱界限來(lái)判斷是不是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將要處于切換狀態(tài)。如果是，就啟用天線2來(lái)接受干擾信號(hào)來(lái)判斷干擾信號(hào)的頻率。見(jiàn)圖二中的圖1。

（2）如果干擾信號(hào)的頻率是已知的相鄰基站b的頻率，就確定了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的方向。這時(shí)，就可以提前向基站b發(fā)送注冊(cè)更新消息。見(jiàn)圖二中的圖2。

（3）基站2收到這個(gè)注冊(cè)消息，就與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)建立鏈接。如果兩個(gè)基站是同一個(gè)外地代理下的不同基站，那么就只需要向基站b建立個(gè)鏈接。如果兩個(gè)基站是不同外地代理下的不同基站，那么這個(gè)時(shí)候，基站b就需要將注冊(cè)消息傳到新的外地代理處，并向歸屬代理進(jìn)行注冊(cè)登記，增加新的隧道和新的轉(zhuǎn)交地址與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的本地地址之間的對(duì)應(yīng)。并不是將原來(lái)的隧道和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)本地地址與舊的轉(zhuǎn)交地址的對(duì)應(yīng)覆蓋。見(jiàn)圖二中的圖3。

（4）當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)受到的基站2的信號(hào)的功率逐漸等于或大于基站1信號(hào)的功率時(shí)，這時(shí)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)就將基站2的信號(hào)作為主信號(hào)，將基站a的信號(hào)當(dāng)為干擾信號(hào)。但這時(shí)并不將到基站a的鏈接斷開(kāi)，這是為了防止移動(dòng)節(jié)點(diǎn)突然又返回原來(lái)的基站a。這樣的話，就會(huì)同時(shí)存在兩條鏈路，又同時(shí)進(jìn)行著（3）里的判斷。這時(shí)將仍在鏈路中的到達(dá)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)由基站a傳到基站b。如果基站a和基站b不在同一個(gè)外地代理，那么就需要通過(guò)與基站b相連的外地代理。見(jiàn)圖二中的圖4。

（5）一定時(shí)間后，基站a的鏈路中不再有到達(dá)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，并且當(dāng)基站a發(fā)送的信號(hào)對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)的干擾小于規(guī)定的界限值時(shí)，就斷開(kāi)基站a與外地代理的鏈路。如果基站a是基站b的不同外地代理下的不同基站，還需要?jiǎng)h除與基站a相連的外地代理和歸屬代理之間的隧道，以及歸屬代理中的舊的轉(zhuǎn)交地址和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)本地地址的對(duì)應(yīng)。見(jiàn)圖二中的圖5。

五、結(jié)束語(yǔ)

雖然這種方法能夠在已有的技術(shù)上提供預(yù)先注冊(cè)的功能，也保持了低延遲和低包丟失率，但是這個(gè)方法是缺陷的。由于這種方法建立在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)之上的，有著一定的局限性，只能在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中使用。這種方法同時(shí)也使現(xiàn)存的許多移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在硬件上需要增加一個(gè)天線才能具有這種功能，使得已經(jīng)生產(chǎn)出來(lái)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)不能具有這種功能。這個(gè)方法的關(guān)鍵就在定義適當(dāng)?shù)母蓴_界限。當(dāng)在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中定義的干擾界限與正常信號(hào)差別較小時(shí)，切換就不能保持平滑和無(wú)丟包率。當(dāng)在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中定義的干擾界限與正常信號(hào)差別較大時(shí)，就會(huì)提前太多時(shí)間就向新的基站注冊(cè)，這樣就會(huì)在很大的范圍內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都會(huì)保持這種雙鏈接，對(duì)資源是一種嚴(yán)重的浪費(fèi)。因而必須選擇合適的干擾界限。并且，當(dāng)非基站的大功率干擾信號(hào)起到主要干擾作用時(shí)，這種方法，就不再那么有效。

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