李群

基于局部越區(qū)切換的無線網(wǎng)絡(luò)無縫訪問控制研究

李群

針對無線網(wǎng)絡(luò)中切換機制的性能問題，提出3種切換方案：基于時間的虛擬切換、局部分簇切換和覆蓋切換方案。第一種方法使用計時器來觸發(fā)移動節(jié)點和頭節(jié)點之間的切換。第二種方法將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇，只有簇頭參與越區(qū)切換過程，從而最小化控制負(fù)載，并通過葉節(jié)點維持拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和連接性。第三種方法中覆蓋結(jié)構(gòu)完全負(fù)責(zé)越區(qū)切換的啟動，減少與附近網(wǎng)絡(luò)相關(guān)聯(lián)的越區(qū)切換過程。實驗結(jié)果表明，這3種方法在存在漫游移動節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)中都能夠很好的實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切換。其中，當(dāng)基站覆蓋區(qū)域較小時，覆蓋切換方案能夠獲得最優(yōu)的切換成功率和延遲；而局部分簇方法能夠獲得最優(yōu)的數(shù)據(jù)包投遞率。

無線網(wǎng)絡(luò)；無縫訪問控制；越區(qū)切換；移動節(jié)點；局部分簇切換

0 引言

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)之間無縫接入技術(shù)成為研究熱點[1,2]，目前，在移動終端和基站上已基本實現(xiàn)無縫切換。切換過程主要由3種方式實現(xiàn)：分層結(jié)構(gòu)、局部計算和動態(tài)覆蓋。分層結(jié)構(gòu)通過收集鄰居節(jié)點接收到的信號強度或信息來完成的切換（GSM 網(wǎng)絡(luò)）[3]。然而當(dāng)基站失效時，系統(tǒng)就需要第二機制，即局部計算，來確保自身能夠繼續(xù)運行。該過程能夠最大限度地控制住負(fù)荷，但也要求切換信息通過交換過程能夠均勻地分布在整個網(wǎng)絡(luò)中。如今，網(wǎng)絡(luò)由不同特性的節(jié)點組成，性能也隨著節(jié)點的尺寸、軟件和數(shù)據(jù)訪問率的變化而不斷變化[4]。因此，若使兩個具有不同帶寬、幀格式和數(shù)據(jù)速率的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無縫訪問就會產(chǎn)生很多問題。

本文針對無線網(wǎng)絡(luò)中切換機制提出了3種切換方案：基于時間的虛擬切換、局部分簇切換和覆蓋切換方案，實驗結(jié)果表明，在存在漫游移動節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)中都能很好的實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切換。

1 相關(guān)研究

目前，學(xué)者們提出了許多切換方法，文獻(xiàn)[5]提出了一種基于馬爾可夫決策過程的切換方法，其中利用鏈路回報函數(shù)來捕獲網(wǎng)絡(luò)資源。進(jìn)行垂直切換時，使用一個信令成本來模擬發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)上的信號和處理負(fù)荷。另外，跨層、基于切換距離的估計方法和虛假切換[6]，都為解決切換問題提供了優(yōu)良方案。然而，在資源受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，切換過程具有不同的必要性，若執(zhí)行不需要的切換將會導(dǎo)致服務(wù)質(zhì)量（Qos）變差。文獻(xiàn)[7]提出了一種媒介無關(guān)切換（MIH）框架來改善移動設(shè)備的用戶體驗。該框架通過鏈路層中的測量和觸發(fā)機制推動異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的交接。異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中的覆蓋架構(gòu)是一種基于反應(yīng)性的垂直切換方案[8]，基于接收信號強度（RSS）和到接入點或基站距離來進(jìn)行垂直切換初始化，以此減少斷線概率和提高系統(tǒng)吞吐量等系統(tǒng)性能。

上述局部切換架構(gòu)能夠為移動用戶提供較高質(zhì)量服務(wù)[9]，然而，電量是無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點的基礎(chǔ)，檢測用戶的功率等級需要消耗大量的資源。為了解決這個問題，本文提出了3個切換方案：基于時間的虛擬切換架構(gòu)、局部分簇切換和覆蓋切換。實驗結(jié)果表明，3種方案都能夠良好的實現(xiàn)切換，分配新的信道或基站，并在切換成功率、吞吐量、延遲等方面進(jìn)行了比較。

2 網(wǎng)絡(luò)模型

未來無線網(wǎng)絡(luò)的用戶需求主要為最小資源下的高帶寬接入，可以通過優(yōu)先級根據(jù)不同的移動模式和用戶需求進(jìn)行分配。然而，目前的無線接入方式都采用一些非實際的理想?yún)?shù)（如低流動性和無線自組織網(wǎng)絡(luò)中簇頭的區(qū)域高覆蓋能力）實現(xiàn)一定程度Qos。為了滿足未來的無線網(wǎng)絡(luò)的要求，本文提出了一種新的越區(qū)切換機制，其中節(jié)點或基站不直接參與越區(qū)切換。

本文構(gòu)建一種虛擬架構(gòu)，保存每個用戶的信息，包括每個節(jié)點切換時間的平均值、停留時間和用戶的通話記錄。假設(shè)N表示網(wǎng)絡(luò)中包含 n個節(jié)點的組合，虛擬切換結(jié)構(gòu)中節(jié)點為Vn（執(zhí)行訪客和歸屬位置寄存器的所有功能）。每個切換持續(xù)時間Hd內(nèi)，節(jié)點信息ni都被保存在Vn中。越區(qū)切換的節(jié)點信息不被保存在Vn的概率為公式（1）：

若n在nV外，即n不在N的區(qū)域中時，公式（1）有效。nV 中增加新到達(dá)節(jié)點的概率是：

若m= 0，則Vn中沒有其它網(wǎng)絡(luò)漫游節(jié)點，ai為新到達(dá)節(jié)點且i= 1,2,...,m。包含有限數(shù)目節(jié)點的虛擬切換架構(gòu)根據(jù)傳輸控制過程情況來啟動越區(qū)切換。只有當(dāng)必須進(jìn)行切換時，這種虛擬架構(gòu)才會啟用。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的目的是以最小的基站和控制傳輸來執(zhí)行越區(qū)切換[10]。在蜂窩結(jié)構(gòu)中，每個六角形單元至少擁有一個基站。本文以最少數(shù)量的信號塔和虛擬簇頭（切換站）開啟切換過程，將整個網(wǎng)絡(luò)被劃分為子虛擬網(wǎng)絡(luò)、覆蓋網(wǎng)絡(luò)和分簇網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 網(wǎng)絡(luò)切換架構(gòu)

覆蓋結(jié)構(gòu)在切換過程中也有重要作用，它把用戶信息暫時保存下來，并在基站或其它子網(wǎng)絡(luò)的虛擬頭節(jié)點之間共享這些用戶信息。

網(wǎng)絡(luò)中可能有新節(jié)點的加入或離開，所以切換管理方案需要能夠適應(yīng)通道或拓?fù)渲械娜魏巫兓?。越區(qū)切換算法中假定節(jié)點或接入點都為協(xié)作狀態(tài)。然而，一個組合的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)可能由非協(xié)作節(jié)點和獨立節(jié)點（即遵循不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的節(jié)點）混合形成[11]。為了實現(xiàn)對分層混合結(jié)構(gòu)中的無縫訪問，本文也考慮了具有足夠節(jié)點度的覆蓋架構(gòu)。

3 提出的切換方案

3.1 基于時間的切換架構(gòu)

基于時間的方法是一種簡單的貪婪策略。為了在虛擬切換體系結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)最少節(jié)點數(shù)量，該方法將具有最多鄰居節(jié)點的節(jié)點選為虛擬頭。為了減少切換數(shù)量，本文將此方法分為3個過程：虛擬頭選舉、反饋收集和基于時間的切換啟動，算法過程如算法1所示：

在頭節(jié)點選擇階段，本文使用貪婪算法（采用Kruskal算法），根據(jù)節(jié)點度選擇頭節(jié)點，并構(gòu)建樹結(jié)構(gòu)。虛擬頭節(jié)點收集用戶信息、切換持續(xù)時間等信息，并存儲在其位置寄存器（與VLR和HLR相同）中。算法依據(jù)平均停留時間來啟動越區(qū)切換。

3.2 局部分簇切換架構(gòu)

在切換過程中，本文提出一種“局部分簇”的分散式近似算法。分簇方法通常是將整個區(qū)域劃分為較小的簇，并選出用于信息交換的簇頭。本文提出了一種替代方法，首先，將整個區(qū)域分為兩個區(qū)域，簇頭在Hello報文隨機選擇的節(jié)點中產(chǎn)生，其中簇的大小由簇頭節(jié)點確定，而不是由網(wǎng)絡(luò)形成時劃分的區(qū)域大小決定。然后，每當(dāng)一個節(jié)點進(jìn)入一個新的區(qū)域時，它就發(fā)送Hello報文，然后等待t秒。如果在這個時間間隔內(nèi)沒有接收到響應(yīng)，它就成為一個簇頭。如果它收到響應(yīng)和一個新的ID，節(jié)點就知道該區(qū)域中已經(jīng)存在簇頭。如果數(shù)據(jù)包之間發(fā)生沖突，始發(fā)節(jié)點將會在另一個t s進(jìn)行相同的過程，過程如算法2所示。：

簇結(jié)構(gòu)構(gòu)建完畢后，每個節(jié)點都將參與到路由和信息處理過程中。由于只有簇頭參與每半個區(qū)域中的越區(qū)切換過程，所以簇頭使用最小化的控制負(fù)荷就能保存該過程中的信息。為了維持拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和連接性，簇頭僅在需要時使用葉節(jié)點。葉節(jié)點（也稱為正常節(jié)點）僅參與信息的交換過程，當(dāng)現(xiàn)有簇頭失效時候，葉節(jié)點會變?yōu)楣歉晒?jié)點。

3.3 基于覆蓋架構(gòu)的切換架構(gòu)

最初的網(wǎng)絡(luò)是由穩(wěn)定的節(jié)點構(gòu)建，基于流量和用戶需求進(jìn)行覆蓋形成[12]。假設(shè)場景中有兩個自組織網(wǎng)絡(luò)的無線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施，每個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都作為覆蓋層來擴展連通性，然后在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)及其它子網(wǎng)絡(luò)中開始切換任務(wù)，過程如算法3所示：

第一階段中，算法構(gòu)造一個結(jié)構(gòu)化的覆蓋層，允許移動節(jié)點連接到上述覆蓋層的頭節(jié)點。其它覆蓋層由鄰居節(jié)點計算獲得，這樣就形成了一個單一的網(wǎng)絡(luò)。每個網(wǎng)絡(luò)都可以通過其它疊加層傳遞消息，并同時執(zhí)行多個切換任務(wù)。移動節(jié)點可以從一個網(wǎng)絡(luò)移動到另一個網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)它們現(xiàn)有的資源加入新的網(wǎng)絡(luò)。所有節(jié)點都可以加入或者離開不同的網(wǎng)絡(luò)。由于本文使用了預(yù)先設(shè)定好的結(jié)構(gòu)，所以拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)維護較為容易。

為了實現(xiàn)切換過程，每個子網(wǎng)頭節(jié)點維持三個寄存器：越區(qū)切換寄存器（HR）、停留時間寄存器（DWR）和切換時間寄存器（HTR）。每個寄存器的功能在下面給出：

1) 越區(qū)切換寄存器（HR）：每個節(jié)點的越區(qū)切換時間的實際值

2) 停留時間寄存器（DWR）：保持連接并不產(chǎn)生新的越區(qū)切換下的節(jié)點數(shù)量。

3) 切換時間寄存器（HTR）：每個節(jié)點的平均切換時間。

為了啟動切換，每個頭節(jié)點都要完成以下四4個步驟：

（1）計算越區(qū)切換時間（HT），即，HT= HT = HTR- HR- TT（TT：行程時間）。

（2）復(fù)位HT，因為該值在每個頭節(jié)點進(jìn)行每次越區(qū)切換后會改變。

（3）子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)越區(qū)切換的持續(xù)時間為2個時間單位（固定值）。

（4）基于HT正值，將剩余時間被分配給其它網(wǎng)絡(luò)越區(qū)切換。

4 實驗分析

本文采用數(shù)值分析和模擬實驗來評估無線網(wǎng)絡(luò)中的切換性能。數(shù)值結(jié)果分析描述了時間寄存器的實時輸入值和每個子網(wǎng)中頭結(jié)點進(jìn)行越區(qū)切換的參數(shù)，用于證明本文算法能夠適用于真實應(yīng)用場景。實驗中使用了4種參數(shù)：

（1）越區(qū)切換的成功率，用于改變停留時間和覆蓋區(qū)域；

（2）吞吐量；

（3）平均切換時延；

（4）數(shù)據(jù)包投遞率。

頭節(jié)點相當(dāng)于基站或子網(wǎng)絡(luò)中的移動站，通過網(wǎng)絡(luò)中的其它頭節(jié)點保持連接。

4.1 數(shù)值分析

在涉及越區(qū)切換過程的3個子網(wǎng)絡(luò)中，虛擬簇頭節(jié)點使用層結(jié)構(gòu)作為第二級越區(qū)切換的引導(dǎo)。基站負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各子網(wǎng)絡(luò)間頭節(jié)點的所有活動。

用于計算每個節(jié)點越區(qū)切換時間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2所示：

圖2 切換時間的計算架構(gòu)

行程時間（TT）被認(rèn)為是每個頭節(jié)點之間的傳輸時間。假設(shè)HTR的平均值為20個時間單位，HR為2個時間單位，切換時間為2個時間單位，行程時間為1個單位（在HT計算中分配給每個參數(shù)的是時間單位）。對于下一級的計算，TT的計算方法如如公式（3）：

本文計算了每個站的越區(qū)切換時間，結(jié)果如表1所示：

表1 子網(wǎng)絡(luò)切換時間分配

從表1中可以看出，每一輪只有一個頭節(jié)點被允許參與到其它站的越區(qū)切換初始化處理中。第1輪中把16個時間單位分配給虛擬頭節(jié)點。第2、3輪分別把8個、16個的時間單位分配給其它兩個頭節(jié)點。這個過程一直持續(xù)進(jìn)行，直到子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點所需的越區(qū)切換過程結(jié)束。

4.2 仿真分析

本節(jié)通過仿真實驗評估了虛擬頭節(jié)點、簇頭節(jié)點和覆蓋頭節(jié)點的切換性能。網(wǎng)絡(luò)配置如圖 2所示。仿真網(wǎng)絡(luò)包含200個節(jié)點，大小為1000× 1000m2部署區(qū)域，并設(shè)定Hello通信間隔為0.50s和隨機點的生成模型。設(shè)定切換分析中仿真運行的持續(xù)時間為200s，暫停時間間隔為 10s，傳輸功率為 0.3W。開始時所有節(jié)點都是黑色；在第一級迭代中，基于該子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造機制，每個網(wǎng)絡(luò)被不同著色（虛擬頭，綠色；覆蓋頭，灰色；簇頭，紅色；網(wǎng)絡(luò)中最大的基站，藍(lán)色）。本文分析了300s內(nèi)不同速度水平（0.25 -1m /s）下的網(wǎng)絡(luò)行為。

3種具有不同停留時間方法的切換成功率，如圖3所示：

圖3 不同停留時間下越區(qū)切換的成功率

切換成功率為越區(qū)切換請求量與越區(qū)切換的成功執(zhí)行量之比。圖3可以看出，覆蓋頭節(jié)點方法的最大值能夠達(dá)到0.75，大約四分之三的切換請求通過覆蓋結(jié)構(gòu)被成功處理。傳統(tǒng)虛擬頭節(jié)點方法主要在頭節(jié)點選舉過程和樹的維護中有較大問題，因此，它的成功率只能達(dá)到0.5。

第二階段的仿真分析集中在以覆蓋區(qū)為基礎(chǔ)的切換上，不同的覆蓋區(qū)域下越區(qū)切換成功率，其中假設(shè)每個移動站的覆蓋區(qū)域在50m至 300m間變化。在初始階段（50m），3種方法的成功率在50%至60%之間，然后開始逐漸升高，其中，局部簇方法達(dá)到最高的 92%。這是因為簇頭節(jié)點的覆蓋面積較大（500m），同一區(qū)域中不同簇之間有很高的切換成功率。如圖4所示：

圖4 不同覆蓋面積下越區(qū)切換的成功率

其中假設(shè)每個移動站的覆蓋區(qū)域在50m至300m間變化。在初始階段（50m），三種方法的成功率在50%至60%之間，然后開始逐漸升高，其中，局部簇方法達(dá)到最高的92%。這是因為簇頭節(jié)點的覆蓋面積較大（500m），同一區(qū)域中不同簇之間有很高的切換成功率。吞吐量定義為每秒傳輸?shù)奈粩?shù)，其直接受信道容量和控制負(fù)荷影響，吞吐量方面的分析。如圖5所示：

圖5 不同模擬時間中的吞吐量

可以看出，吞吐量隨著停頓時間的不同而不同。曲線上升的原因是頭節(jié)點參與了它們自己網(wǎng)絡(luò)的越區(qū)切換過程；下降是因為頭節(jié)點參與其它網(wǎng)絡(luò)中越區(qū)切換過程，這時就需要更多的控制負(fù)載。三種方法中，虛擬頭節(jié)點性能最好，能夠?qū)崿F(xiàn)1.2Mbps的吞吐量。

數(shù)據(jù)包投遞率（PRD）為產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包數(shù)量與成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)量的比值，PRD分析如圖6所示：

圖6 不同仿真時間下數(shù)據(jù)包的投遞率

實驗中從源節(jié)點發(fā)出128字節(jié)的數(shù)據(jù)包。一開始，所有的數(shù)據(jù)包在低密度網(wǎng)絡(luò)中傳輸，三種方法在100s內(nèi)性能都保持在75%以上。覆蓋頭節(jié)點結(jié)構(gòu)在仿真結(jié)束時性能最差，PRD為50%，這是因為有其它子網(wǎng)絡(luò)控制傳輸?shù)慕槿搿?/p>

3種越區(qū)切換方法的延遲。如圖7所示：

圖7 不同仿真時間下的延遲

仿真開始時，由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很小，延遲大約是 0.2s。每個網(wǎng)絡(luò)的越區(qū)切換初始化過程和其它子網(wǎng)絡(luò)頭節(jié)點的參與過程都會形成延遲。由于過高的網(wǎng)絡(luò)控制負(fù)荷，覆蓋頭節(jié)點方法在具有200個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)中具有最大的延遲，在仿真結(jié)束時延遲為1.1s。

5 總結(jié)

切換方案中的子網(wǎng)絡(luò)允許子網(wǎng)絡(luò)頭節(jié)點參與移動性的維護過程，使其能夠更有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源。本文提出 3種切換方案，第一種方法中使用計時器來啟動移動節(jié)點和頭節(jié)點之間的切換。第二種方法將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇，只有簇頭參與越區(qū)切換過程，最小化控制負(fù)載，并通過葉節(jié)點維持拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和連接性。第三種方法中覆蓋結(jié)構(gòu)完全負(fù)責(zé)越區(qū)切換的啟動，減少了與附近網(wǎng)絡(luò)相關(guān)聯(lián)的越區(qū)切換過程。通過模擬和數(shù)值分析，表明本文提出的三種方法在不同的參數(shù)環(huán)境下各有優(yōu)勢，在存在漫游移動節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)中都能夠很好的實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切換。

本文沒有考慮切換閾值和信號強度等因素，同時快速越區(qū)切換過程也需要額外的控制負(fù)載。在今后的工作中，會在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中考慮上述因素，進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)切換方法的實用性。

[1] 劉軍華,凌力.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中新型安全密鑰管理方案的研究[J].微型電腦應(yīng)用,2014, 30(4): 18-21.

[2] 劉勝美,孟慶民,潘甦,等.異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中基于SINR和層次分析法的SAW垂直切換算法研究[J].電子與信息學(xué)報,2011,33(1): 235-239.

[3] Fernandes S, Karmouch A. Vertical mobility management architectures in wireless networks: A comprehensive survey and future directions[J]. Communications Surveys & Tutorials, IEEE,2012,14(1): 45-63.

[4] Zekri M, Jouaber B, Zeghlache D. A review on mobility management and vertical handover solutions over heterogeneous wireless networks[J]. Computer Communications,2012,35(17): 2055-2068.

[5] Stevens-Navarro E, Lin Y, Wong V W S. An MDP-based vertical handoff decision algorithm for heterogeneous wireless networks[J]. Vehicular Technology, IEEE Transactions on, 2008, 57(2): 1243-1254.

[6] 馬飛,楊飛霞,徐光憲.網(wǎng)絡(luò)與終端協(xié)同選擇及切換機制的研究[J].計算機科學(xué),2012,39(1): 77-81.

[7] Wang Y, Zhang P, Zhou Y, et al. Handover management in enhanced MIH framework for heterogeneous wireless networks environment[J]. Wireless Personal Communications, 2010, 52(3): 615-636.

[8] 范存群,王尚廣,孫其博,等.基于認(rèn)知自選擇決策樹的垂直切換方法研究[J].通信學(xué)報,2013,34(11):71-80.

[9] 徐鵬,方旭明,楊俊.基于信號強度和功率損耗的分層網(wǎng)絡(luò)切換算法[J].西南交通大學(xué)學(xué)報, 2011, 46(1): 98-102. [10] 劉軍,李曉楠.基于層次分析法的WLAN/蜂窩網(wǎng)絡(luò)切換判決算法[J].通信學(xué)報,2013,34(2): 65-72.

[11] Mardini W, Al-Ghadi M Q, Ababneh I M. Distance-based scheme for vertical handoff in heterogeneous wireless networks[J]. Journal of Emerging Technologies in Web Intelligence, 2012, 4(1): 67-76.

[12] 李堅,劉志明,王仲貞,等. GSM-R網(wǎng)絡(luò)切換掉話的分析與處理[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2011, 35(5): 38-43.

TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

2015.04.26）

1007-757X(2015)08-0037-06

李 群（1977-），男，碩士，江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，計算機工程系，副教授，研究方向：無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)安全，萍鄉(xiāng)，337055