基于群集移动节点的切换算法

フ 要:无线蜂窝网的信号切换依赖IP层的移动切换，IETF提出的移动IPv6(PMIPv6)协议可以保证移动终端应用IPv6网的快速切换，但是它在切换时延方面仍然无法保证实时通信的服务质量。研究基于PMIPv6协议，提出群集移动节点(CMN)算法，应用媒体无关切换(MIH)技术，减少了大量移动节点，同时提出切换请求时系统时延增大的问题,扩展原始绑定更新消息结构(APBU)。最后模拟网络模型和节点移动模型，从切换时延方面分析算法的有效性。实验结果表明，系统应用CMN算法与原始切换算法相比可以大大降低切换时延。

ス丶词:移动IPv6；媒体无关切换；群集移动节点；扩展绑定更新；切换时延

ブ型挤掷嗪: TP393.4 文献标志码:A

Abstract: Handover procedure of modern cellular wireless networks depends on IPbased technology. IETF Proxy Mobile IPv6 (PMIPv6) protocol guarantees the Quality of Service (Qos) in fast handover moving while it does not support realtime communications between two mobile nodes. Therefore Cluster Mobile Node (CMN) algorithm was proposed to reduce handover delay in the system by applied Media Independent Handover (MIH) Technology. Also, the algorithm extended PMIPv6 protocol with an Aggregated Proxy Binding Update (APBU) scheme in the paper. Finally, the network model and mobile model were simulated and the effectiveness of handover delay was analyzed. Quantitative results show a significant reduction in handover delay compared with the original handover algorithm.

Key words: Proxy Mobile IPv6 (PMIPv6); Media Independent Handover (MIH); Cluster Mobile Node (CMN); Aggregated Proxy Binding Update (APBU); handover delay

0 引言

下一代无线网络中，解决终端设备的大规模移动切换已成为研究趋势。互联网工程任务组(Internet Engineering Task Force，IETF)提出的Moblie IPv6协议支持IPv6网的移动，但是它无法保证低的切换时延。为了解决这一弊端，其相继提出了快速移动 IPv6、层次式移动IPv6, 它们要求终端设备协议栈支持移动IPv6，但相反终端设备并不支持这种服务［1-2］。所以，IETF提出了基于网络移动管理的移动IPv6协议(Proxy Mobile IPv6,PMIPv6)［3］，允许节点本身与家乡(Home Agent,HA)之间不存在移动信令交互，完全由服务器跟踪节点的移动性。目前，3GPP、WiMAX已采用PMIPv6协议进行蜂窝网中单一或混杂模式下的切换［4-5］。

但是PMIPv6协议有自身的局限性，无法保证VoIP及视频会议等实时通信的服务质量。本文采用IEEE 802.21 媒体无关切换(Media Independent Handover,MIH)技术减少第二层切换信道扫描时延。MIH支持不同种类的切换算法，它包含了PMIPv6的预切换，移动节点(Mobile Node,MN)可以事先对目标网进行注册。

当大量节点提出切换请求时，无疑增加了服务器的负担，即使应用MIH技术也无法保证通信切换时延在用户容忍度之内。基于以上问题，本文采用群集移动节点(Cluster Mobile Node,CMN)算法降低切换时延，提高服务质量，保证通信实时性。

1 MIH与PMIPv6

IEEE为了解决异构网络的切换提出了MIH媒体无关切换技术，它是网络体系中第二层移动管理协议，MIH功能(Media Independent Handover Function,MIHF)为移动节点(Mobile Node,MN)提供了获取信息的方法，并能够为候选网络提供可靠信息。MIHF定义了事件、命令、信息服务。底层作为触发器向上层发送事件请求服务，上层向下层发送命令服务，同层次之间可以交互信息。MIH并不能替代原有协议执行切换，但可以提供建立初始连接和预切换的服务［6-7］。

在PMIPv6协议中最重要的两个部分是局域移动锚(Local Mobility Anchor,LMA)和移动接入网关(Mobile Access Gateway,MAG)。LMA是区域网络的父节点，作用相当于家乡，用来创建和更新区域内MN的绑定。MAG负责跟踪MN在区域内的移动，通常情况下，一个区域内存在多个MAG。一个MN可以被多个MAG管理，这样每个MN就有至少一个本地网络前缀(Home Network Prefix,HNP)。区域网络连接管理如图1［3］所示。

应用MIH技术的PMIPv6协议信令流程如图 2所示。协议在初始连接过程中，LMA和MAG为新到达的MN建立唯一的移动会话。

信令流程分为信息查询、资源请求、资源准备、PMIPv6切换以及新的通信信道建立、资源释放6个阶段。MN通过原MAG(oMAG)与LMA接收数据包，oMAG向介质独立信息服务器(Media Independent Information Service，MIIS)发送并接收获取信息请求与响应，取回MN可能切换的现有邻居接入网的信息。MN根据接收到的信息向oMAG发送候选资源查询，oMAG代替MN与每个候选MAG建立连接发送请求查询。MN根据响应的信息决定切换到目标MAG，向oMAG发送切换委托请求，MAG将请求转发给候选MAG1，当MN接收到切换委托响应时表示一切资源准备就绪，开始进行PMIPv6切换。首先oMAG向LMA发送绑定更新(PBU),lifetime字段设置为0，同时LMA建立缓冲区，向oMAG发送绑定确认信息(PBA)，此时MN通过oMAG发送的数据包都会存在缓冲区内。之后MN向MAG1发送路由请求，MAG1封装PBU消息发送给LMA，LMA返回PBU，并更新绑定cache的入口，推送缓冲区内的包。此时MN与LMA间的通信流通过MAG1建立，oMAG向MAG1发送切换完成请求，当返回完成请求时所有切换过程完毕。 オ

2 APBU消息结构及CMN算法设计

在给定的时间内，当区域内大量MN有切换请求时，MAG负担变大，切换时延增加。采用本文提出CMN算法以及APBU结构进行消息绑定，将待切换MN进行绑定、集合，扩展PBU消息结构，使得一个APBU消息可以携带多个待切换的MNHNP信息，减小MAG的负载，降低系统切换时间。它在原始保留字段处增加G字段，标识了是否要进行群集切换，如图3所示。由于原始PBU消息的平均长度较大，而且每个PBU会携带大部分相同的信息，这样扩展后的消息结构可以大大减少通信的信号开销。

APBU减少了区域内大量节点移动时切换时延、信号传输开销的问题，根据PMIPv6协议，MN在和MAG建立连接之后发送路由请求，直到绑定完服务器，才返回路由确认信息。将集合MN的过程放在路由请求及确认的时间戳内，图4为应用APBU结构的PMIPv6协议。

采用APBU模式的信令切换如图 5所示，与原始PMIPv6协议的不同之处始于资源准备阶段，在MN收到oMAG转发的切换委托响应之后，建立MN切换组，这样oMAG向LMA发送APBU消息时携带了所有组内移动节点信息，根据APBU中携带的候选MAG地址，LMA向MAG1发送APBU消息，建立双向信道，最后MAG1向所有MN发送路由广播,广播MNHNP确保本地地址唯一性。随后的过程与原始PMIPv6信令流程相同。

CMN算法采用Ad Hoc模式集合大量移动节点执行信号垂直切换。当MN的信号持续减弱时，MN根据MAG提供的信息探测候选目标网络的信号强度，如果此时存在一个可用切换组，将MN加入其中，如果不存在，则建立一个切换组，当候选切换组的数量大于一个时，MAG根据节点群的移动方向、候选网络连接状况抉择连接当前最优的目标网络MAG，考虑到组内MN数量过载会增大切换时延，所以在集合MN绑定的过程中增加定时器。在定时器时间截止之前群集欲切换的MN，直到定时器超时开始执行移动节点组的切换。每个MAG都实时监测MN的状态信息，包括信号强度的衰减信息，MAG通过维护一个当前可连接AP的状态信息表缩短扫描时间。组内MN的数量依赖两个MAG信号覆盖范围重叠区域的面积，以及MN的密度和活动程度。

3 系统切换性能分析

模拟网络结构是由大量正六边形边重合的细胞组成［8］，每个六边形的外接圆两两交叉的部分即是信号区域重叠部分，每个MAG管理度为2的区域，系统采用流体力学模型模拟大量节点的移动过程，MN的移动方向是在(0,2π)Х段内随机的。由于切换时延会受到群集节点数量的影响，所以要准确算出切换组内MN的数量，同时它也影响了APBU的消息大小。CMN算法与原始算法在信息查询、资源请求、资源准备阶段的过程相同，只在PMIPv6切换阶段产生的时延不同，由于网络传输中的信号处理时间远远小于信号传输时间［9］，切换时延的分析只考虑消息在PMIPv6协议切换阶段的传输时间。定义变量如下：

V┆MNП硎MN的平均移动速度，单位为m/s；R┆cellП硎厩域半径；CaП硎疽桓AMAG管理的面积；PaП硎疽桓AMAG管理的周长；D┆MN表示单位面积内活动MN的密度；CR┆MAGП硎MN穿过每个AMAG的边界速度；P┆hgП硎久扛銮谢蛔橹MN的数量；OL┆DISП硎玖礁MAG的重叠距离；dx_y表示x与y之间的平均跳数；Ri表示路由器i的服务时间；SП硎疽话阆息的平均大小；S┆pbuП硎PBU消息的平均大小；S┆apbuП硎APBU消息的平均大小；BwП硎居邢咄的带宽；B┆wlП硎疚尴咄的带宽；LwП硎居邢咄络中每一跳的平均时延(包括传播和链路层时延)；L┆wlП硎疚尴咄络中每一条的平均时延(包括传播和链路层时延)。

Уn个消息经过路由器时，路由器i的服务时间服从泊松分布，即Ri=1/λi。オ

根据流体力学公式，可以得出

CR┆MAG=D┆MN×Ca×V┆MN×Paπ×Ca(1)

其中Pa=30R┆cell,R┆cell表示一个圆形区域的半径［8］ 。в捎MN穿过每个AMAG的边界概率相同，AMAG管理区域可以看作正六边形，则

CR┆MAG-MAG=CR┆MAG6=D┆MN×V┆MN×5×R┆cellπ(2)

切换组中MN的数量正比于两个MAG管理的重叠区域和穿过重叠区域的时间，

P┆hg=CR┆MAG-MAG×OL┆DISV┆MN(3)

定义Tw(s,dx_y)为一个大小为s的消息从x到y经过有线网络的传输时延:オ

Tw(s,dx_y)=∑ dx_y i=1(sBw+Lw+Ri)=

dx_y×(sBw+Lw)+∑ dx_y i=11λi(4)

定义T┆wl(s)为MN发送的一个大小为s的消息通过无线网络的传输时延:オ

T┆wl(s,dx_y)=sB┆wl+L┆wl(5)

T┆HO(pbu),T┆HO(apbu)Х直鸨硎驹PMIPv6过程中原始算法和CMN算法产生的信号切换时延。

T┆HO(pbu)=Tw(S┆pbu,d┆oMAG_LMA)+2Tw(s,d┆MN_MAG1-1)+

2T┆wl(s)+2Tw(S┆pbu,d┆MAG1_LMA)(6)

T┆HO(apbu)=T┆GROUP+Tw(S┆apbu,d┆oMAG_LMA)+

Tw(S┆apbu,d┆MAG1_LMA)+nTw(s,d┆MN_MAG1-1)+nT┆wl(s)(7)

其中T┆GROUP算法时间复杂度为O(n)。Ы立切换组的时间可以放在当候选MAG确认响应切换委托的时间戳内，那么T┆GROUPЬ褪亲詈笠桓鼋诘慵尤肭谢蛔榈氖奔洹＊

4 实验结果

应用以上模型我们可以比较两种方法在切换时延上的差异。MN与MAG之间的路由跳数为1，MAG与LMA之间的路由跳数为3。表 1给出了参数的设定值以及默认值。为了保证PBU消息大小的可靠性，这里充分考虑了字段中应包含移动节点标识符、家乡网前缀、切换指示标识等。由于CMN算法的切换时延与切换组中节点数量成正比，首先分析组内MN数量与MAG管理区域的面积以及重叠区域面积的关系。

切换组的构建取决于组内MN的活跃程度以及穿越六边形区域同一边的概率。根据式(3)，取三个不同的重叠区域值，分别占一个单元半径的3.3%，6.7%，10%。根据图6数据分析显示，随着单元半径的增大，切换组内MN的数量呈指数函数增长，并且重叠区域越大组内节点数量的增长越显著。

切换时延分析：表2显示了原始算法与CMN算法两种切换方式的时延比较，给定了MN的平均移动速度为5@m/s，每个路由器的平均服务时间为0.2@ms。经分析得出，当集合组内MN的数量指数增加时，CMN算法的切换时间远远小于原始算法切换时延。表3显示了当切换组内MN数量相同时，CMN算法比原始算法在切换时间方面的减少程度。切换组容量越大越凸显了CMN算法的有效性，当节点数量规模达到一定数量之后，有效性达到一个稳定值。

5 结语

移动IPv6协议解决了终端设备协议栈无法支持移动IPv6的弊端，为了减少第二层的切换时延，应用MIH技术，它可以提供终端实时媒体传输的质量保证。当大量移动节点呈现出规律性切换时，本文提出了群集移动节点算法，保证了系统切换的服务质量。应用流体力学模型模拟移动节点穿越MAG管理区域，从切换时延上比较了这种算法较原始方法的优越性。经大量数据分析显示，CMN算法可以大大降低切换延时，提高切换性能。

接下来的工作将设计合适的模型从网络传输的丢包率、服务中断时间方面分析该算法性能，并加以验证。

げ慰嘉南:

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