基于移动IPv6 QoS保证

基于移动IPv6QoS保证的异构无线网络切换摘要：未来的4G移动通信网络不再是由单一空中接口标准构成，而是一组不同标准和技术的融合。蜂窝小区变得越来越小使得异构网络间的切换更加频繁。鉴于4G移动通信网络异构网切换的复杂性，本文提出在MAC层上构建一个通用切换管理平台的思想并且利用链路利用率进行切换判决。引入通用切换管理平台的思想。一方面用于屏蔽不同接入技术对网络层切换所带来的差异，实现网络间的快速切换，另一方面，可以引入ad-hoc的接入方式，实现移动终端的多跳接入，从而降低实时业务的切换时延，维护被切换业务的QoS。下图就是各种无线接入技术和标准的多种网络的融合图：通用切换平台的基本思想：•移动IP技术将切换判决由网络层完成，移动节点在每个路由器通告周期内侦听路由器通告消息以判断移动终端是否发生了移动，然后通过DHCP协议或IPv6地址自动配置机制获得一个新的IP地址，即转交地址，再将该转交地址通过绑定更新消息通知其家乡代理。这种配置和绑定过程使得切换延迟增大并增加了分组丢失率。如果网络间切换完全由网络层完成，应用层业务的切换延迟会很长。•移动IPv6技术对移动IP协议做了改进，增加了快速切换、分层切换等方法，虽然也引入了基于链路层的快速切换算法，但这些方法都依赖于网络结构，特别是依赖移动节点的家乡代理和网关路由器，因此家乡代理和网关路由器容易成为通信的瓶颈。•而且，由于大量使用移动IP的设备将会通过无线链路接入Internet，IP层的QoS参数集应该包含与无线链路有关的QoS参数，以尽可能地利用下层链路特性。移动IP的QoS解决方案也要求能够与链路层交互以支持QoS。鉴于此，本文提出了一种通用切换思想，将网络选择判决由网络层转移到数据链路层，在MAC之上引入一个新的子层——通用切换管理子层GHMSL（GenericHandoverManagementSub-Layer）。•GHMSL旨在更加有效地完成异构无线网络的切换，使得分组丢失率和延迟都控制在容许的范围内，并采用动态分配带宽的方式以最大限度地利用带宽资源。GHMSL利用P2P与QoS相结合的思想，采用ad-hoc辅助中继方式提高网络性能。通用切换管理子层位置示意图：在设计该通用切换管理子层时重点考虑了以下几个要求：•1.快速切换：由于要在网络层切换之前完成网络优选，因此切换算法要求快速。•2.QoS保证：移动终端在越区切换时引入的分组传输延时和分组丢失也是移动IP急需解决的问题，是移动互联网的QoS保证的关键问题。•3.ad-hoc中继方式：为了克服BS或AP可能成为切换或通信瓶颈的问题，GHMSL引入P2P思想以支持ad-hoc方式的辅助切换。当BS/AP繁忙或接收信号不理想时，可以利用一个或多个多模移动终端做中继完成接入切换操作，将传统蜂窝通信中单跳接入改用2跳或多跳的方式实现（如图3示），从而扩大的通信覆盖范围，降低了通信代价。•4.能量控制：由于移动终端也可能作为中继节点，必须考虑节能，甚至要求无线功率能够自动调整。通用切换平台的工作机理（切换判决策略）：•GHMSL设计的重点就是切换判决。判决策略首先要弥补无线介质所带来的信号损耗，提高数据吞吐量，保证能够接受在QoS协商中建立的最大IP分组丢失率；另外，还要保证业务特性，实现链路资源的公平分配，确保稀有带宽资源的有效利用。在完成异构网切换的过程中，切换判决不仅要考虑链路质量，还包括网络特性、服务代价等因素。•切换判决策略通过三个模块完成：网络发现、网络选择和切换。如图4示。其中每个模块都有多种子功能协同合作。•网络发现—根据MAC/LLC提供的链路状态信息如链路接通/断开、带宽资源等，收集、监控移动终端所处的网络，为网络选择和切换模块提供判决参数，以辅助完成网络选择。•网络选择—根据网络发现提供的链路状态信息，在切换过程之前优先选择满足QoS要求的切换网络。这样，一方面尽可能开发利用稀有的网络资源，同时保证IP分组的转发控制在允许的延迟范围内。在切换完成后释放原网络的QoS状态和已分配资源。网络选择不但选择多种接入网络，还可以选择同种网络的最佳接入点。•切换–-通知上下层完成切换。首先，按照移动终端支持业务的时延要求不同，划分了语音、视频流、Web浏览和数据等四个业务级别，相应的QoS要求如表1示。对于不同的业务要求采用相应的切换优先级和判决策略，如对于话音业务，必须保证新接入网络满足一定的带宽。我们还定义了三类切换等级，如表2示。•我们提出了链路可用度（link-usage-degree，LUD）的概念。它是包括可用带宽（BW）、接收信号强度（RSS）等QoS参量的加权值。只有满足条件才进行切换。•采用基于测量值的接入控制机制，即MBAC（Measurement-BasedAdmissionControl），从而使判决选择总是最贴近实际环境。当底层驱动设备在各自的广播周期内检测到适应网络（也即检测到不同的网络接入点AP）后，通过链路信息原语将链路状态传递给网络发现模块。链路信息原语定义如表3示。网络发现模块根据这些链路信息，计算出当前业务所需要的带宽、延迟等QoS参量。采用NAV值计算可用带宽和平均接入延迟。L表示平均帧长，B0表示可获得的总带宽，N表示传输实验的平均次数，T表示一次成功的帧传输的NAV持续时间，T表示一次碰撞的NAV持续时间•网络选择模块中的网络信息库为每种网络维护一张网络信息表，存储各网的可用信息，如支持的QoS类别及其速率带宽要求，系统总可用带宽等。该模块还维护接入业务调度机制，对需要切换的接入业务按照切换等级的不同分入不同的队列，如表4示。然后根据所要求的带宽和QoS类型等参量在激活的网络信息表中选择适当的切换网络。将选择的新网络接入点的信息传递给切换模块以完成切换。由于新切换网络的系统资源不同，因此在进行QoS映射和切换判定时可选择不同的加权变量。。比如，在时延允许的条件下，可以对有效带宽进行加权比较做出切换判决。网络选择模块工作流程如图5示。