WiMAX跨层切换技术的研究与仿真

WiMAX是基于IEEE802.16标准的宽带无线接入城域网（BWA MAN）技术，具有传输距离远、接入速度高，基于IP的网络，支持移动性，满足移动、游牧、固定等不同场景应用的特点，可以广泛应用于广域接入、企业宽带接入、家庭"最后一公里"接入、热点覆盖、移动宽带接入以及数据回传（Backhaul）、有线基础设施薄弱的地区等几乎所有无线宽带接入市场。

WiMAX支持移动性的关键技术是实现网络的无缝切换，如果切换过程进行不好，很可能造成小区的过载或移动台的"掉话"，使网络服务质量大大下降。WiMAX网络支持VoIP和多媒体通信等时延敏感业务，所以如何快速切换，降低切换时延和丢包率一直是WiMAX网络研究热点，关系到WiMAX网络能否大规模布署问题。快速移动IPv6（FMIPv6）是公认的IP网络中移动性解决方案，已经在多个系统中采用，技术相对成熟，文章正是在研究802.16e标准定义的MAC切换机制和FMIPv6基础上，按照IEEE802.21工作组提出的草案，在二、三层切换中引入媒质独立切换（MIH，Media Independence Handover）来获取底层链路信息，达到提前触发切换的目的，并通过NS-2仿真工具进行了仿真实现和结果分析。

1、引入MIH的WiMAX跨层切换方案

1.1　MIH介绍

IEEE 802.21工作组是在多种网络的互联需求下成立的，它的成立旨在为多种无线通信网络提供规范的无缝切换标准，为运营商和用户带来统一的互联标准，消除因多种网络底层技术而造成的互联混乱。IEEE 802.21的一个核心思想就是为了屏蔽底层而为上层提供统一的互联接口，使上层切换在一个标准的平台执行，而不用去处理因底层技术的不同带来的差异。因此，MIH便应运而生。MIH定义了一种方法可以提供链路层信息和其他有关网络信息给上层用于异构网络间的切换。在这样一个拥有多种网络接口的体系中，FMIPv6可以使用事件服务（event service），命令服务（command service）和信息服务（information service）这三种由MIH提供的服务来管理和控制切换时的状态。在FMIPv6中，网路层必须提前探测链路层切换迹象实现无缝切换。所以，需要在FMIPv6中引入MIH服务用于链路层触发。其服务类型共分为三种。

（1）事件服务

事件服务使FMIPv6中切换检测更容易实现。事件信息提供当前网络的状态和二层数据链路的传输行为，比如MAC、无线资源管理等。FMIPv6使用一组请求/确认信令注册从MIH层收到的事件。定义的事件包括有：Link Detect、Link Available、Link Up、Link Down、Link Going Down等。

（2）命令服务

命令服务引用高层发送给低层的命令，包括从高层到MIH（比如，高层移动性协议到MIH）以及MIH到底层（比如，MIH到MAC，或者MIH到PHY）的命令。这些命令主要携带着高层判决信息给低层，并且控制低层实体的行为。

（3）信息服务

信息服务提供一个框架和通信机制，通过这些MIH的功能实体在一个地理范围之内可以发现并且获得现有的网络信息，从而使切换过程更容易执行。信息服务主要提供一组请求／响应机制用于信息传送。该信息可以储存在MIH层内部或者MIH可以到达的信息服务中。该信息服务提供诸如邻居位置等静态信息有助于网络发现，也提供动态信息有助于优化异构网络中链路层的连通性。这包括链路层参数，诸如频道信息、MAC地址、安全信息，等等。

1.2　引入MIH的WiMAX跨层切换方案

1.2.1　FMIPv6上层切换的优化

2001年7月出台的IETF草案"移动IPv6的快速切换（FMIPv6）"提出了增强移动IPv6节点在Internet上快速改变接入点性能的方案，以降低越区切换时的分组延时和丢包率。它的基本思路有三种：分组缓存、组播和基于L2移动触发的预先切换。其中第三种思路是研究的热点。FMIPv6能在二层切换时选定路由器并且完成绑定更新，这样发给原CoA的包将送到新CoA。此外，当MN仍连接在PAR时，FMIPv6通过使用NAR的链路层信息完成CoA配置。为了减少切换的时延，采用2层触发（L2 Trigger）机制，让L3层切换在L2层切换发生之前就提前触发，开始启动，一旦L2切换完成，那么由于L3切换已经开始准备了相应的三层路由，可以基本无时延的沿着新路径进行报文的收发，从而降低甚至消除注册时延。

1.2.2　切换流程

FMIPv6在IP层的切换过程中需要二层触发来预先获取链路层信息，从而提前开始三层的切换。从这个角度来看，MIH提供的事件服务能够有效地为三层提供触发机制，在进行二层切换的同时，触发三层进行切换，从而实现移动节点在网络间的无缝切换，以适应各种实时业务的需要。在引入MIH的网络模型中，通过在WiMAX中结合FMIPv6的预先和快速切换，能更加有效的改善切换性能，减小时延和丢包率，切换流程如图1所示。