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862010年第03期,第43卷通信技术Vol.43,No.03,2010总第219期CommunicationsTechnologyNo.219,Totally使用IEEE802.21的WLAN与WiMAX网的融合与切换徐大庆(长沙大学,湖南长沙410003)【摘要】为了给移动用户提供最好的无所不在的无线宽带接入,不同无线网的融合是当前通信领域的热点研究。而切换管理又是解决无线网无缝融合的最具挑战性的问题。文中讨论了IEEE802.11WLAN与IEEE802.16e移动WiMAX网的融合与切换管理。描述其结构和应用场景,介绍了IEEE802.21,它为介质独立的异类网切换提供了一个信令框架,提出了如何使用IEEE802.21解决WLAN与移动WiMAX网之间的切换,并给出了详细的切换过程。说明了使用IEEE802.21解决WLAN与移动WiMAX网之间的切换是可行有效的。【关键词】IEEE802.21;WLAN;WiMAX;融合;无缝切换【中图分类号】TP393.04【文献标识码】A【文章编号】1002-0802(2010)03-0086-04HandoverinIntegratedWLANandMobileWiMAXNetworksUsingIEEE802.21XUDa-qing(ChangshaUniversity,ChangshaHunan410003,China)【Abstract】ThispaperaddressesonthehandoverofWLANandmobileWiMAXnetwork.ItfirsttellsofWLANandWiMAX,thendescribesIEEE802.21,finally,discussesthathowIEEE802.21couldhelphandovermanagementoftheheterogeneousnetwork,andgivesthedetailedhandoverprocedure.AllthisindicatesthattheuseofIEEE802.21couldeffectivelyrealizethehandoverbetweenWLANandmobileWiMAX.【Keywords】IEEE802.21;WLAN;WiMAX;integration;seamlesshandover0引言所谓4G网的主要目的之一是通过一些无线技术与网络,为移动用户提供最好的连接ABC(AlwaysBestConnection),无线设备将配备多个异类接口。无线局域网WLAN(IEEE802.11)与无线城域网WMAN(IEEE802.16),也称作WiMAX是两种不同的无线网络技术,都能支持很高的数据传送率并具有较好的服务质量。这两种网的融合能给移动用户提供最好的连接服务。并且IEEE802.21标准提出了介质独立的切换(MIH)框架,便于实现异类网的融合。1WLAN与WiMAX网在IEEE802.11WLAN中[1],几个移动终端(MT)连接到一个接入点AP(AccessPoint),这些MT和这个AP在同一个无线覆盖区域内(如图1所示)。另外,802.11s可以实现网状连接,MT与AP成为网状节点,能通过多跳(Multihop)网相互通信。802.11b和802.11a/g分别以11Mb/s和54Mb/s操作,并且802.11n能达到600Mb/s,未来的802.11为低移动用户提供惊人的速率1Gb/s.在公司学校或公共场所(如,火车站,商场中心)的无线局域网使用免执照的频带,提供免费或低价的高速的Internet连接。在IEEE802.16WiMAX中[1]也有两种操作模式,如下页图1所示。点对多点模式与网状模式。在点对多点模式中,一个基站BS(BaseStation)服务多个移动终端MT(MobileTerminal),MT直接与BS通信。在网状模式中,MT可作为路由器通过多跳网相互通信。另一方面,WiMAX也提供高数据速率(当前标准为75Mb/s)和大的覆盖范围(视距,50km;非视距,2~5km),未来的802.16m将为高移动用户(250km/h)提供100Mb/s的数据速率。WiMAX操作在要执照与免执照的频带,主要用在点对多点通信,最后一英里接入和回程连接(把WLAN热点区域连接到Internet),如下页图1所示。2IEEE802.21标准为了在穿过异类网时,能提供透明的连续的服务,IEEE收稿日期:2009-04-23。作者简介:徐大庆(1964-),副教授,主要研究方向为移动通信的移动管理与无线宽带网络技术。87802.21辅助异类网之间的切换与互操作[2],如图2所示。802.21也被称之为介质独立切换MIH(MediaIndependentHandover),它由一个信令框架和一些触发事件组成。触发事件从低层(数据链路层与物理层)获得现有信息并加工传给高层(网络层到应用层)。MIHF(MIHFunction)负责使第二层不同的特定的技术信息统一化,用于切换决定算法。切换决定必须考虑通过MIH框架从网络与用户端收集来的信息。切换决定基于多种因素,比如,经济开销、覆盖范围、传送速率、服务质量(QoS)、安全和用户意愿。MIHF通过一些服务接入点SAP(ServiceAccessPoint),提供多种服务。如图2中,数据链路层,MIHF层和MIH_USER层在一个整体MT内。图1WLAN与移动WiMAX网的融合图2MIH框架MIHF给独立于下面接入技术的上层提供统一的接口(如图2),这要通过下面三种服务来完成:介质独立事件服务MIES(MediaIndependentEventService,介质独立信息服务MIIS(MediaIndependentInformationService)和介质独立命令服务MICS(MediaIndependentCommandService)。MIES通过报告本地和远程事件,提供服务给上层。这些事件与链路特性,链路质量,链路状态的动态改变一致。在IEEE802.21中,本地或远程的第二层接口给MIHF层传送事件和触发(如图2)。这些事件通过MIH_Link_SAP,MIH_Net_SAP传给上层。下面描述一些MIH事件:MIH_Link_Up(MIH_链接_建立)表示连接被建立,现有链路可用;MIH_Link_Going_Down(MIH_链接_变差)表示链路条件降级,连接将紧急丢失;MIH_Link_Detected(MIH_链路_检测)表示检测到新的链路。MICS通过提供命令给低层(如现有网络扫描),收集连接链路的状态信息和到低层的连接决定信息。MICS命令控制、管理与发送信息给低层,这些命令由本地或远程MIH用户发出。在MIH框架中,一个MIH用户是使用MIH服务的实体,比如,一个MIH用户可以是一个移动管理协议MIPv6,也可以是切换决定模块。最后为了优化切换,MIIS提供相应机制来搜索现有邻居网络的信息,如图1所示。MIIS通过一套所谓的信息元素,提供静态信息(MT当前邻居网络的名字与服务提供者)与动态信息(比如,MAC地址,信道信息和上层信息)。不同技术的信息的公用描述采用标准格式(XML,ASN.1)。在IEEE802.21术语中,网络BS/AP的第二层连接被看作为附着点PoA(PointofAttachment),其上的服务点PoS(PointofService)实现MIH功能。网络边的MIH实体与MT边的MIH实体交换MIH信息。如下页图3所示。IEEE802.21好像是粘贴剂能被用来穿过异类网,提供无缝切换。它可以与不同层和不同网络结构的移动管理协议联结。IEEE802.11与IEEE802.16都在它们的MAC层集成了MIH功能。IETF当前也广泛传播采用IEEE802.21。为了MIH消息能在不同的接入网之间可靠传递,IETF在着重改进MIPv6性能,信令与切换优化。3使用MIH框架的WiMAX网和WLAN之间的切换在描述WiMAX网到WLAN的切换信令时,一般有两个场景。第一个场景是一个双模客户(装备了两个接口WiMAX和WLAN的移动终端)在重叠区域(WiMAXBS和WLANAP)内,能选择便宜的高速连接WLAN。如图1所示,双模终端MT2从WiMAX网移入WLANAP3重叠区域。第二个场景是终端被强制执行切换,因为它移动进入了隧道或地下铁道,它的当前连MIH_USER(FMIPv6,SCTP,SIP…)MIISMICSMIES802.11802.16…3GPP2802.3MICSMIESMIISMIH_Net_SAPMIH功能(MIHF)与远程MIHF交换MIH信息MIH_Link_SAPMIH_SAPWiMAX主干网本地代理AAADHCP服务器802.21信息服务器(MIIS)AP2WLANMT1’AP1WLANMT2’AP3WiMAX基站MT1MT2地下道因特网接入业务网关网络管理系统88接将丢失。如图3所示,双模终端MT1从WiMAX移入地下道的WLANAP1范围。本节针对场景2的切换作详细分析。场景1的切换包含在场景2切换之中。IEEE802.21中的切换包括三个阶段:初始化阶段、准备阶段与切换执行阶段。切换执行除了在第二层(数据链路层)运作以外,其它的操作被大大委托给高层移动管理协议(如,MIP,SCTP,SIP)。这篇文章指定FMIPv6(FastMIPv6)为第三层的移动管理协议。图3使用MIH框架的WLAN与WiMAX之间的切换如图3和如图2所示[5],MT有下面三层:接口链路层(802.11,802.16e等),MIH功能层(MIHF)和MIH用户层。MT起初连接在WiMAX网,切换初始化阶段包括对无线设备的配置,和告知网络链路质量的重要改变。WiMAXBS发送一个MIH的链路配置请求消息给MT定义其需求的门限值(消息1、消息2),当链路质量通过定义的门限值时(如场景1),MT周围各网的信令强度等的测量报告(消息3)被周期性地送到WiMAXBS。然而当链路质量降级到不能接受时(如场景2),另一种类型的消息MIH的链路条件降级指示被送到WiMAXBS(消息8),以指明切换的必要。上面这些都属于切换的初始化阶段。如图3所示[5],MT的层与层之间传送消息用服务原语,MT对外发出请求先从本地服务原语开始(如消息4)。MT频繁请求查询MIIS服务器有关附近现有接入网的信息(现有带宽,经济开销与安全等),MT通过MIH的获取信息请求来查找这些信息(消息4、消息5),随后MT收到MIIS(如图1所示)的响应消息6。当消息6中包含WLAN时,MT打开WLAN接口[3],并发出对其扫描的请求(消息9、消息10),并开始MTMIHMIHF802.11用户2.MIH_配置_链路.确认5.MIH_获取_信息.请求6.MIH_获取_信息.响应11.链路-检测.指示12.MIH-链路-检测.指示14.MIH_MN_HO_候选_查询.请求17.MIH-N2N-HO-查询-资源.响应33.(FMIPv6),HAck33.(FMIPv6)PrRtAdv34.(WLAN)关联过程35.(WiMAX)解除关联过程36.(FMIPv6)FBU,FBAck38.MIH-HO-完成.请求39.MIH_MN_切换_完成..请求40MIH_N2N_切换_完成.请求41MIH_N2N_切换_完成..响应42MIH_MN_切换_完成.响应43.MIH_HO_完成.确认候选的WLANAP24.MIH_获取_信息.请求7.MIH_获取_信息.响应13.MIH_候选_查询.请求15.MIH_N2N_HO_查询_资源.请求18.MIH_N2N_HO_查询_资源.响应20.MIH-候选-查询.响应9.MIH-扫描.请求10.MIH_扫描.确认.16.MIH_N2N_HO_查询_资源.请求19.MIH-MN-HO-候选-查询.响应MIPHA1.MIH_配置_链路.请求当前WiMAXBS31.(FMIPv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