WiMAX跨层切换技术的研究与仿真

图1　引入MIH的FMIPv6切换流程

在link going down阶段通过FMIPv6中的RtSolPr和PrRtAdv的信令交互，使MN在没有断开连接时就获取到了Target BS的网络前缀信息，为三层切换做好了准备。而在二层切换完成时，MN已经与Target BS建立起新的连接后，MN随即就可以配置新的网络地址，而不需要再去从新获取网络前缀。

与传统的基于MIPv6的方案相比，该方案主要采用了跨层切换的思想，L2层、L3层联合切换，整个切换可以分预切换和切换执行两部分，在预切换过程中，通信链路保持连接，通信可以正常进行，在此过程中完成了新接入路由发现，有效的减小了切换时延，同时在切换执行过程中，采用隧道技术由PAR向NAR转发缓存数据包，服务流能有效的重定向到新的AP，从而有效地减小了丢包率。

2、跨层切换的仿真

2.1　仿真场景建立

利用NIST提供的无缝安全移动性（Seamless and Secure Mobility）协议支持包，按照上面提出的切换仿真方案，修改源代码中与切换相关的路由发现与网络地址配置流程。即在Link going down阶段就进行三层切换的信令交互，获取Target BS的网络地址，省去了链路重新建立后获取新转交地址的流程，而是在二层切换完成时随即配置之前获取到的新的转交地址。仿真场景如图2所示。

图2　WiMAX网间切换仿真场景图

其中，4是移动节点MN，2和3表示分属于不同网络的两个WiMAX基站，1表示路由器，0表示通信对端。通过从0向4以0.1 s的发包间隔发送Packet Size=4960的cbr（constant bit rate）流量来仿真应用层服务流。服务流仿真时间从10到150，总共发送了5603个包。1负责转发服务流到基站，当仿真开始时，MN开始初始接入2号基站的网络中。初始接入完成之后在2号基站的覆盖范围内向3号基站的覆盖区域以2m/s的速度移动，2号基站负责发送从1转发过来的服务流到移动节点。

2.2　切换时延和丢包率分析

该仿真模拟了一个MN在分属于不同网络域的两个BS之间切换的过程。通过分析移动节点MN接收到的数据包，来考察切换时延和丢包情况。具体数据信息如表1所示。

表1　MN接收数据包ID与仿真时间分析表

由表1中的数据可以看出，在t=106.051318565时MN开始发生切换，此时收到Serving BS发送来的最后一个数据包，其ID号为3843；直到t=106.248973719时切换结束，收到Target BS发送来的ID号为3848的数据包，总共丢了4个包，切换时延约为Thandover=0.19。

2.3　端到端时延与仿真时间的关系

通过分析数据包的端到端时延，可以考察网络的稳定性。当网络处于正常工作状态时，数据包的转发应该是相对稳定的，端到端时延在一个数量级上平稳波动。但是，当移动节点发生切换时，二层链路扫描和路由更新过程会影响数据包的转发速率，使端到端时延突然增大。当切换完成时，数据包又会恢复平稳的转发。通过NS-2提供的gnuplot绘图工具，分别绘制出基于FMIPv6和基于传统MIPv6下的端到端时延图，其中实心点表示数据包。

从图3和图4中可以看出，在切换开始前和切换结束后，MN分别和两个不同的基站进行通信，且服务流保持平稳的端到端时延，当切换进行时，由于要进行二层链路的重新连接和服务流重定向，导致切换过程中产生的服务流数据包在网络中滞留时间相对较大，直到服务流重定向完成时才由Target BS发送给MN，从而产生了图中所示的延时冲击。

图3　基于FMIPv6的端到端时延

图4　基于传统MIPv6的端到端时延

而比较两种切换流程可以看出，基于FMIPv6的方案虽然产生了两次延时冲击，但是它保证了数据包能完整发送到MN，只是由于在进行二层切换和服务流重定向时，网络中的数据包滞留时间稍长，且只有少量丢包，因此基于FMIPv6的方案能有效的降低丢包率，但是对于网络的负荷会响应增加；而基于传统MIPv6的方案虽然只在进行二层切换时数据包的时延有所增大，但是它并没有提前获取新的网络前缀，因此二层切换完成后MN会与Target BS进行三层切换的信令交互。这时数据包由于找不到路由而产生了大量的丢包情况。而在路由重新建立起来后数据包才由Target BS平稳的发送给MN。因此基于传统的MIPv6方案是以丢包为代价来获取网络的稳定性。仿真结果验证了上文中对端到端时延的理论分析。

2.4　小结

本次实验主要考察在同构的WiMAX网络中二层和三层切换的结合，通过引入MIH来获取底层链路的信息，达到提前触发切换的目的。通过仿真验证了MIH子层在WiMAX网间切换时结合FMIPv6的思想进行跨层切换，能有效地降低切换时延和丢包率，对上层服务流特别是对实时性要求较高的语音和视频业务能够提供良好的QoS保证。当然，实验本身也有一定局限性。首先，方案中对切换判决的策略只是单一的信号功率判断，没有结合其他的切换策略，这也是今后研究中的一个重点；另外，由于实验重点放在考察切换时延和丢包率上，因此对于WiMAX的组网和网络管理以及认证鉴权等处理未作深入考虑，在实际应用中以上因素也是WiMAX商业运营必不可缺少的关键。