陸紹飛，周澤輝, 2，秦拯

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一種基于F-HMIPv6的混合無縫切換算法

陸紹飛1，周澤輝1, 2，秦拯1

(1. 湖南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙，410082；2. 長沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙，410300)

切換性能是影響移動WiMAX服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。提出一種混合無縫切換算法(hybrid seamless handover，HSH)。研究結(jié)果表明：HSH在F-HMIPv6算法的基礎(chǔ)上集成MSCTP協(xié)議進(jìn)行子網(wǎng)間快速切換，有效地消除數(shù)據(jù)分組的隧道傳輸及HA綁定更新過程所引起的服務(wù)中斷；采用快速重復(fù)地址檢測(F-DAD)機(jī)制可減少DAD產(chǎn)生的服務(wù)中斷時間；在基站中設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)調(diào)度緩存機(jī)制減少了子網(wǎng)間切換時因快速機(jī)制引起的丟包；結(jié)合CIP協(xié)議實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)內(nèi)鏈路變換的軟切換方式，有效降低了服務(wù)中斷時間和丟包率；與F-HMIPv6相比，HSH的子網(wǎng)間切換延遲降低近30%，子網(wǎng)內(nèi)切換時的丟包數(shù)減少近60%。

移動WiMAX；混合無縫切換；快速重復(fù)地址檢測；緩存機(jī)制

如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)快速、無縫、平滑的切換是移動WiMAX面向?qū)崟r業(yè)務(wù)需求所亟待解決的核心問題之一[1]。在802.16e的MAC層中，定義了3種切換：硬切換(簡稱HHO)、宏分集切換(MDHO)及快速基站切換(FBSS)。HHO是系統(tǒng)必須支持的；MDHO和FBSS為可選項(xiàng)，其通過基站分集(diversity set)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟切換[2]。移動站點(diǎn)(MS)在不同接入子網(wǎng)間的BS(base station)切換時，由于鏈路改變將會伴隨IP地址的變換，不少研究者采用網(wǎng)絡(luò)層的移動IP管理協(xié)議[3]與MAC層切換管理信令相結(jié)合來執(zhí)行移動WiMAX的切換管理。Chen等[4]結(jié)合MAC層切換信令與網(wǎng)絡(luò)層的MIPv6信令來執(zhí)行越區(qū)切換管理，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)全移動的支持。Han等[5]基于MIPv6提出快速切換算法FMIPv6，將MAC層切換信令與FMIPv6協(xié)議有機(jī)結(jié)合，通過鏈路層的移動預(yù)測機(jī)制，在移動站點(diǎn)接入到新子網(wǎng)前配置好新的轉(zhuǎn)交地址以提高切換性能，實(shí)現(xiàn)快速切換。Kim等[6]基于分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提出MIPv6層次切換算法HMIPv6。該算法引入移動代理錨點(diǎn)(MAP)作為本地代理，將MS的移動按域內(nèi)及域間分開處理，通過MAC層切換信令與HMIPv6切換信令的同步機(jī)制優(yōu)化MAP域內(nèi)切換，減少了切換延遲。Koo等[7]改進(jìn)FMIPv6信令機(jī)制并結(jié)合HMIPv6協(xié)議進(jìn)行微移動性管理，提出了IFMIPv6算法。IFMIPv6在切換中使用MAP與新接入路由器(NAR)建立雙向隧道傳遞FMIPv6信令，既節(jié)省了位置綁定的信令開銷，又縮短了切換延遲。另外，Khan等[8]提出結(jié)合蜂窩IP協(xié)議(CIP)和FMIPv6協(xié)議進(jìn)行域內(nèi)及域間切換管理，當(dāng)MS發(fā)生域內(nèi)切換時，執(zhí)行CIP協(xié)議的半軟切換方式，能有效降低切換時的丟包率及服務(wù)中斷時間。切換管理需要維持端到端通信的連續(xù)性，因而不少學(xué)者提出通過傳輸層協(xié)議來優(yōu)化切換機(jī)制。Bchini等[9]將MSCTP用于移動WiMAX接入子網(wǎng)間切換管理，與MIP及代理MIP算法相比，MSCTP因其動態(tài)地址配置(DAC)功能可以同時支持多個IP會話，在子網(wǎng)間切換導(dǎo)致IP地址變換的情況下，該方案能實(shí)現(xiàn)較小的服務(wù)中斷。此外，Cheng等[10]采用一種層次SIP來實(shí)現(xiàn)用戶認(rèn)證、移動定位及切換管理的應(yīng)用層切換管理方案。對于實(shí)時業(yè)務(wù)而言，不管采用哪種切換機(jī)制，需要解決的關(guān)鍵問題是如何保證實(shí)時業(yè)務(wù)在端到端會話切換過程中的延遲、丟包率等符合實(shí)時業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求，保證無線環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)資源利用率。本文作者提出一種混合無縫切換算法即HSH(hybrid seamless handover)。HSH算法在F-HMIPv6切換機(jī)制的基礎(chǔ)上集成MSCTP協(xié)議，能有效消除子網(wǎng)間切換中數(shù)據(jù)分組的隧道傳輸及HA和CN綁定更新過程所引起的服務(wù)中斷并減少信令開銷，保證了端到端通信的服務(wù)質(zhì)量。算法結(jié)合CIP協(xié)議支持并實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)內(nèi)的軟切換方式，有效降低了因鏈路改變而產(chǎn)生的丟包及服務(wù)中斷時間。此外，算法采用快速重復(fù)地址檢測(F-DAD)機(jī)制減小子網(wǎng)間切換時重復(fù)地址檢測(DAD)產(chǎn)生的服務(wù)中斷時間，同時，在基站中設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)調(diào)度緩存機(jī)制以降低子網(wǎng)間切換中快速機(jī)制引起的丟包。HSH算法提高了切換的整體性能，實(shí)現(xiàn)了快速、無縫、平滑的網(wǎng)絡(luò)切換。

1 HSH算法

F-HMIPv6切換算法存在以下不足：1) MS無論執(zhí)行MAP域內(nèi)或是MAP域間切換都需產(chǎn)生新轉(zhuǎn)交地址(NcoA)，對NcoA執(zhí)行DAD必然引起較長時間的服務(wù)中斷；2) MS在切換過程中，需要向MAP及HA進(jìn)行位置綁定更新，這樣既增加網(wǎng)絡(luò)信令開銷，同時也會引起服務(wù)中斷；3) F-HMIPv6算法采用移動代理機(jī)制(HA和MAP分別作為家鄉(xiāng)及本地代理)，數(shù)據(jù)分組須經(jīng)隧道傳輸，不但增加了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)，也增加了數(shù)據(jù)分組的傳輸延遲。針對F-HMIPv6算法切換延遲大和信令開銷大等問題，HSH在F-HMIPv6切換機(jī)制的基礎(chǔ)上結(jié)合MSCTP協(xié)議進(jìn)行子網(wǎng)間切換，確保端到端通信連續(xù)，同時，結(jié)合CIP協(xié)議進(jìn)行子網(wǎng)內(nèi)切換管理，減小服務(wù)中斷時間和丟包。當(dāng)MS發(fā)生子網(wǎng)內(nèi)切換時，因其IP地址不發(fā)生變化，執(zhí)行CIP協(xié)議的半軟切換(semisoft handoff，SSH)，MS與基站分集中的服務(wù)基站及目標(biāo)基站同時進(jìn)行通信以實(shí)現(xiàn)平滑切換。當(dāng)MS發(fā)生子網(wǎng)間切換時，MS的IP地址發(fā)生改變，在這種情況下，通過F-HMIPv6的快速信令機(jī)制，在MS尚未切換到新子網(wǎng)時，為MS預(yù)先配置好新接入子網(wǎng)的NcoA并執(zhí)行F-DAD，并采用MSCTP協(xié)議修改MS與CN的關(guān)聯(lián)地址列表并改變首選地址，實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)間的快速切換。

1.1 HSH網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

HSH采用分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。在HSH中，核心網(wǎng)絡(luò)(Internet骨干網(wǎng))與接入子網(wǎng)通過網(wǎng)關(guān)(GW)相連，MS在移動過程中執(zhí)行子網(wǎng)內(nèi)切換(如圖1中Micro切換)和子網(wǎng)間切換(如圖中macro切換)。CIP協(xié)議負(fù)責(zé)管理某一接入子網(wǎng)內(nèi)BS間的切換(如圖1中的BS1與BS2之間)；F-HMIPv6結(jié)合MSCTP協(xié)議負(fù)責(zé)管理不同子網(wǎng)間BS的切換(如圖1中的BS3與BS4之間的切換)。

1.2 HSH算法執(zhí)行流程

HSH算法在F-HMIPv6切換機(jī)制的基礎(chǔ)上集成MSCTP協(xié)議進(jìn)行子網(wǎng)間切換，消除了數(shù)據(jù)分組的隧道傳輸及HA綁定更新過程引起的延遲，結(jié)合CIP協(xié)議支持并實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)內(nèi)軟切換，有效降低了丟包率和服務(wù)中斷時間。

圖1 HSH的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

1.2.1子網(wǎng)內(nèi)切換流程

子網(wǎng)內(nèi)切換具體執(zhí)行流程如圖2所示。當(dāng)MS在某一接入子網(wǎng)內(nèi)的BS間切換時，執(zhí)行CIP協(xié)議的SSH。

Step 1：MS與服務(wù)基站(Serving_BS)正常通信并接收Serving_BS發(fā)送過來的鄰居廣播消息(MOB-NBR-ADV)，MS根據(jù)門限條件更新其基站分集。MS會在一定時隙通過Serving_BS向上發(fā)送路由刷新數(shù)據(jù)分組，該數(shù)據(jù)分組會到達(dá)路由交匯節(jié)點(diǎn)(Crossover_Node)并最終到達(dá)GW節(jié)點(diǎn)。

Step 2：MS向前移動并檢測到信號最強(qiáng)的目標(biāo)基站(Target_BS)時，MS與Target_BS經(jīng)過初始化、同步、測距等過程建立新連接，并執(zhí)行SSH。

Step 3：MS沿Target_BS向上發(fā)送路由更新數(shù)據(jù)分組(表示為RU)。該數(shù)據(jù)分組中的S標(biāo)識符設(shè)為1，表明執(zhí)行的是SSH。當(dāng)路由更新數(shù)據(jù)分組向上到達(dá)Target_BS與Serving_BS之間的Crossover_Node時，會在該節(jié)點(diǎn)的路由緩存列表中增加新的路由映射，該路由映射標(biāo)識出到達(dá)MS的新路由。此時，Crossover_Node中的新路由映射還不會替換原有的路由映射，MS還會繼續(xù)偵聽Serving_BS并通過它接收數(shù)據(jù)分組。此時，MS能從Serving_BS和Target_BS同時接收數(shù)據(jù)分組。

圖2 HSH的子網(wǎng)內(nèi)切換流程

Step 4：當(dāng)MS繼續(xù)向前移動并完全進(jìn)入Target_BS服務(wù)區(qū)域后，MS沿Target_BS向上發(fā)送路由更改數(shù)據(jù)分組，清除Crossover_Node路由緩存列表中的S標(biāo)識符(S設(shè)為0，SSH結(jié)束)；此后，MS只通過Target_BS接收數(shù)據(jù)分組。MS會在一定時隙經(jīng)Target_BS向Crossover_Node發(fā)送路由刷新數(shù)據(jù)分組來刷新路由緩存，路由刷新數(shù)據(jù)分組會繼續(xù)向上并到達(dá)GW。而對于原Serving_BS，MS則不再發(fā)送路由刷新數(shù)據(jù)分組，原路由映射會因過期而被刪除。

1.2.2 子網(wǎng)間切換

子網(wǎng)間切換具體執(zhí)行流程如圖3所示，該過程是在F-HMIPv6子網(wǎng)間切換機(jī)制的基礎(chǔ)上集成MSCTP協(xié)議來完成的。

圖3 HSH的子網(wǎng)間切換流程

Step 1：MS周期性地接收Serving_BS發(fā)送過來的鄰居廣播消息(MOB-NBR-ADV)，MS通過與Serving_BS交換掃描間隙分配請求(MOB-SCN-REQ)及請求回應(yīng)消息(MOB-SCN-RSP)獲得掃描間隔，MS對鄰近基站進(jìn)行掃描并根據(jù)篩選條件，找到合適的Target_BS。

Step 2：MS的L2層(MAC層)向L3(IP層)觸發(fā)新基站發(fā)現(xiàn)消息(NBF)。

Step 3：MS向原服務(wù)網(wǎng)關(guān)(P_GW)發(fā)送路由代理請求消息(RtSolPr)。

Step 4：當(dāng)P_GW與新網(wǎng)關(guān)(N_GW)及Target_BS分別完成INIT Information傳遞后，P_GW會發(fā)回代理路由通告消息(PrRtAdv)給MS。

Step 5：MS向Serving_BS發(fā)送切換請求(MOB- HO-REQ)，Serving_BS與Target_BS進(jìn)行協(xié)商后，Serving_BS發(fā)回切換請求響應(yīng)消息(MOB-HO-RSP)給MS。

Step 6：MS的L2向L3發(fā)送鏈路斷開消息(LGD)，告知鏈路將要斷開。P_GW與Target_BS通過互相交換切換發(fā)起消息(HI)和切換確認(rèn)消息 (HACK) 建立雙向隧道。在此過程中，新接入子網(wǎng)通過IPv6無狀態(tài)地址配置協(xié)議為MS產(chǎn)生NcoA并執(zhí)行F-DAD。

Step 7：MS獲得新接入子網(wǎng)IP地址后，MS的MSCTP應(yīng)用進(jìn)程會向CN發(fā)送MSCTP關(guān)聯(lián)地址增加消息ASCONF(Add IP)，CN收到該消息后將MS新的IP地址加入到關(guān)聯(lián)地址列表中。此時，MS在當(dāng)前接入子網(wǎng)的IP地址仍然是MSCTP地址關(guān)聯(lián)中的首選地址，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組，新IP地址僅作為備用地址存在。

Step 8：MS的MSCTP進(jìn)程收到CN發(fā)回的關(guān)聯(lián)地址添加確認(rèn)消息ASCONF(Add IP ACK)后，層4(L4)經(jīng)過L3向L2觸發(fā)鏈路切換消息(LSW)；L2層向Serving BS發(fā)送切換執(zhí)行消息 (MOB-HO-IND)，并將斷開與Serving BS的連接。

Step 9：當(dāng)Target_BS信號強(qiáng)于Serving_BS時，MS斷開Serving_BS的連接后，與Target_BS建立連接。與此同時，MS向CN發(fā)送首選地址改換消息ASCONF(Set Primary)觸發(fā)首選地址的更改，MS在新接入子網(wǎng)的IP地址成為MSCTP地址關(guān)聯(lián)列表的首選地址。

Step 10：CN按新地址向MS發(fā)送數(shù)據(jù)分組。

Step 11：MS與Target_BS建立連接及初始業(yè)務(wù)流后，MS的L2層向L3層發(fā)送鏈路建立消息(LUP)，MS隔一定時隙后向Target_BS發(fā)送路由更新數(shù)據(jù)分組(RU)刷新路由。

Step 12：MS在完成子網(wǎng)間切換后向HA發(fā)送位置綁定更新消息，告知HA已接入到新的子網(wǎng)。此后，MS在原接入子網(wǎng)的IP地址已不再作為首選地址使用，處于非激活狀態(tài)，CN把它從MSCTP地址關(guān)聯(lián)列表中刪除。

1.3 HSH中的F-DAD機(jī)制

在HSH算法中，當(dāng)MS從原接入子網(wǎng)基站切換到新接入子網(wǎng)基站的過程中(即執(zhí)行子網(wǎng)間切換)，通過IPv6的地址配置協(xié)議獲得新的IP地址。為了確定新接入子網(wǎng)是否有其他主機(jī)正在使用或申請使用該地址，需要執(zhí)行DAD。在執(zhí)行DAD的過程中，網(wǎng)絡(luò)無法進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)，引起較大延遲。針對這一問題，HSH算法引入F-DAD機(jī)制。F-DAD機(jī)制的重點(diǎn)是在GW中建立DAD檢測表，記錄已在本子網(wǎng)中使用的IP地址信息。檢測表中每個地址表項(xiàng)是唯一的且具有生命周期，地址列表定期清理并刪除過期表 項(xiàng)[11]。當(dāng)MS獲得新IP地址后，F(xiàn)-DAD機(jī)制會檢測GW中的地址列表內(nèi)是否存在有相同的IP地址，若沒有，則MS將該IP地址作為有效地址使用；否則，表明該IP地址已被使用，存在地址沖突，需重新為MS分配新的IP地址。

1.4 HSH中的業(yè)務(wù)調(diào)度緩存機(jī)制

在子網(wǎng)間切換時，HSH通過快速信令機(jī)制預(yù)先為MS配置好新接入子網(wǎng)的轉(zhuǎn)交地址，MS在切換過程中快速應(yīng)用該地址，即修改MSCTP關(guān)聯(lián)首地址與建立新鏈路同步進(jìn)行。為了避免此過程中可能產(chǎn)生的丟包，HSH在BS中加入高速緩存，該高速緩存又分為若干緩存池。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署中，若緩存設(shè)置過大，則會成倍增加成本并加大系統(tǒng)負(fù)載，同時會加大數(shù)據(jù)包的傳輸延遲[12]，因此，HSH采用按MS承載的業(yè)務(wù)類型來調(diào)度及使用緩存的機(jī)制。承載高服務(wù)質(zhì)量業(yè)務(wù)的MS會優(yōu)先獲得緩存池。發(fā)往獲得緩存池MS的數(shù)據(jù)分組在該緩沖池中存放，緩存管理信令嵌入到HSH切換信令中，通過切換信令來控制數(shù)據(jù)分組的緩存和轉(zhuǎn)發(fā)。在切換過程中，MS獲得的緩沖池攔截并存儲發(fā)往該MS的數(shù)據(jù)分組，待MS與Target_BS建立起正常通信鏈路后，緩沖池中暫存的數(shù)據(jù)分組發(fā)送到MS。緩存中所有的數(shù)據(jù)分組都有各自的生存周期，緩存池根據(jù)各數(shù)據(jù)分組的時間戳來判斷該分組是否過期，若過期，則緩存池將其清除。HSH按業(yè)務(wù)類型來調(diào)度和使用緩存的機(jī)制，能很好地保障移動WiMAX的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。

2 算法性能分析

切換延遲、丟包率是衡量切換算法性能的主要指標(biāo)。

2.1 切換延遲

切換延遲定義為MS切換開始到MS可以從Target_BS正常發(fā)送或接收數(shù)據(jù)分組的時間間隔。為了論述方便，用和后綴來分別標(biāo)識F-HMIPv6和HSH的延遲參數(shù)，如F-HMIPv6和HSH總的切換延遲分別記為f和h。F-HMIPv6和HSH的切換過程可分為切換準(zhǔn)備和切換執(zhí)行2個階段，其延遲分別記為pre和ex。切換準(zhǔn)備階段的延遲pre可表示為

pre=adv+scans(1)

其中：adv為通過MOB-NBR-ADV消息來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)所產(chǎn)生的延遲；scans為基站掃描產(chǎn)生的延遲。adv可以通過均勻分布來描述。為準(zhǔn)確表述，將最大廣播時隙記為max，最小廣播時隙記為min，則adv的概率分布函數(shù)可表示為

概率密度可表示為

對某個鄰近基站掃描的時間(scan)，相對于不同速度運(yùn)動的MS來說是不同的。對于相同MS，子網(wǎng)內(nèi)多個鄰居基站掃描所產(chǎn)生的延遲與單個基站掃描產(chǎn)生的延遲呈線性關(guān)系，可表示為

scans=·scan;=1, 2, …,(4)

在對F-HMIPv6和HSH切換性能進(jìn)行比較時，因采用相同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及相同的MS移動速度，故它們的鄰近基站掃描時間scans是相等的。因基站廣播所產(chǎn)生的延遲是一個隨機(jī)變化值，且變化區(qū)間極小，假定兩者基站廣播延遲adv相等，可以得出F-HMIPv6與HSH兩者的切換準(zhǔn)備階段延遲pre相等。

切換執(zhí)行階段的延遲可分子網(wǎng)內(nèi)切換與子網(wǎng)間切換2方面分別進(jìn)行分析。

2.1.1 子網(wǎng)內(nèi)切換執(zhí)行階段延遲分析

F-HMIPv6子網(wǎng)內(nèi)(MAP域內(nèi))切換延遲的主要過程包括鏈路層切換延遲(MS從物理上離開原接入基站到連接到新接入基站所需要的時間)，記為l2，鏈路轉(zhuǎn)交地址DAD延遲，記為ldad，MAP綁定更新產(chǎn)生的延遲，記為reg-map。F-HMIPv6算法子網(wǎng)內(nèi)（MAP域內(nèi)）切換執(zhí)行總延遲ex-f可以表示為

ex-f=l2+ldad+reg-map(5)

其中：reg-map為MS發(fā)送MAP綁定更新消息bu-map與收到綁定確認(rèn)消息map-ack的時間間隔，即

reg-map=map-ack?bu-map

因此，F(xiàn)-HMIPv6算法子網(wǎng)內(nèi)(MAP域內(nèi))切換執(zhí)行產(chǎn)生的延遲為

ex-f=l2+ldad+(map-ack?bu-map) (6)

HSH算法中，MS在原接入基站和新接入基站之間執(zhí)行半軟切換，其切換延遲記為ss。按具體執(zhí)行流程可分為：鏈路同步(其過程與F-HMIPv6子網(wǎng)內(nèi)鏈路層切換過程相同)產(chǎn)生的延遲，記為l2；發(fā)送路由更新分組的延遲記為ru。HSH算法子網(wǎng)內(nèi)切換執(zhí)行產(chǎn)生的延遲ex-h，可表示為

ex-h=ss=l2+ru(7)

式(6)中map-ack?bu-map與式(7)中的ru基本相等，且傳送路由更新數(shù)據(jù)分組不產(chǎn)生服務(wù)中斷。通過比較可知HSH算法的子網(wǎng)內(nèi)切換執(zhí)行階段的延遲ex-h要小于F-HMIPv6算法的延遲ex-f，即ex-h＜ex-f。

2.1.2 子網(wǎng)間切換執(zhí)行階段延遲分析

對于F-HMIPv6算法，子網(wǎng)間(跨MAP域)切換執(zhí)行產(chǎn)生的延遲主要有：新轉(zhuǎn)交地址DAD操作引起的延遲，包括鏈路轉(zhuǎn)交地址DAD操作產(chǎn)生延遲(記為ldad)及區(qū)域轉(zhuǎn)交地址DAD操作產(chǎn)生的延遲(記為rdad)；鏈路層切換延遲(記為l2)；MS位置綁定更新而引起的延遲，包括MAP綁定更新產(chǎn)生的延遲(記為reg-map)，HA綁定更新(記為reg-ha)和CN綁定更新延遲(記為reg-cn)。F-HMIPv6算法子網(wǎng)間(MAP域間)切換執(zhí)行過程的總延遲ex-f表示為

ex-f=ldad+rdad+l2+reg-map+reg-ha+reg-cn(8)

其中：reg-map為MS發(fā)送MAP綁定更新消息與收到綁定確認(rèn)消息的時間間隔，即reg-map=map-ack?bu-map；reg-ha為 MS發(fā)送HA綁定更新消息與收到綁定確認(rèn)消息的時間間隔，即reg-ha=ha-ack?bu-ha；reg-cn為MS發(fā)送CN綁定更新消息與收到綁定確認(rèn)消息的時間間隔，即treg-cn=cn-ack?bu-cn。對于F-HMIPv6算法，HA綁定更新與CN綁定更新可以同步進(jìn)行，可以得出

(reg-ha+reg-cn)=cn-ack?bu-cn(9)

因此，F(xiàn)-HMIPv6算法子網(wǎng)間(MAP域間)切換執(zhí)行產(chǎn)生的延遲可以表示為

ex-f=ldad+rdad+t2+(map-ack?bu-map)+(cn-ack-tbu-cn) (10)

對于HSH算法，子網(wǎng)間切換執(zhí)行階段產(chǎn)生的延遲主要包括：快速DAD產(chǎn)生的延遲(記為fdad)；半軟切換產(chǎn)生延遲ss；處理ASCONF(Add IP)和ASCONF(Set Primary)信令消息產(chǎn)生的延遲，分別記為msctp(add)和msctp(set-pri)。對于HSH，刪除原關(guān)聯(lián)地址ASCONF(Delete IP)操作可以在切換執(zhí)行完后再進(jìn)行，不必計(jì)入切換延遲。另外，因HA不會參與實(shí)際通信及切換管理，所以，HA的位置綁定更新在切換完成后進(jìn)行，此過程也可不計(jì)入切換延遲。HSH算法子網(wǎng)間切換執(zhí)行過程產(chǎn)生的總延遲可以表示為

ex-h=fdad+msctp(add)+msctp(set-pri)+l2+ru(11)

其中：msctp(add)是發(fā)送ASCONF(Add IP)消息(asconf(add))與收到ASCONF(Add IP-ACK)消息(asconf(add-ack))的時間間隔，可表示為：asconf(add-ack)?asconf(add)，msctp(set-pri)是發(fā)送ASCONF(Set Primary)消息(asconf(set-pri))與收到ASCONF(Set Primary -ACK)消息(asconf(setpri-ack))的時間間隔，可表示為：asconf(setpri-ack)?asconf(set-pri)。在HSH算法中，MS會在向CN發(fā)送ASCONF(Set Primary)消息的同時開始與新基站建立鏈路連接，可以得出

max{(asconf(setpri-ack)?asconf(set-pri))，l2} =l2(12)

于是，HSH算法子網(wǎng)間切換執(zhí)行產(chǎn)生的延遲可以表示為

ex-h=fdad+(asconf(add-ack)?asconf(add)) +l2+ru(13)

HSH中，F(xiàn)-DAD采用了查表算法，其延遲比F-HMIPv6算法中DAD延遲要小很多。另外，在相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，HSH發(fā)送ASCONF(Add IP)消息及獲得應(yīng)答消息所用的時間與F-HMIPv6傳輸位置綁定更新消息及獲得應(yīng)答消息所用的時間可假定相等，因此，通過式(10)和式(13)的比較可以得出ex-h＜ex-f，即HSH算法的子網(wǎng)間切換執(zhí)行階段的延遲要小于F-HMIPv6算法的延遲。

由于F-HMIPv6鏈路改變執(zhí)行的是硬切換，而HSH采用的是軟切換，故HSH的服務(wù)中斷時間要小于F-HMIPv6。其次，在F-HMIPv6中，傳輸數(shù)據(jù)分組須使用隧道傳輸(封裝和解封裝過程)，同時還需要使用MAP作為本地代理，這些過程在一定程度上增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，同時也增加了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)。而HSH算法在數(shù)據(jù)分組傳送過程中應(yīng)用MSCTP協(xié)議消除了隧道方式，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)路由，節(jié)約了帶寬資源。

2.2 丟包率

切換過程的丟包率可以由MS發(fā)生切換這段時間內(nèi)總的丟包數(shù)來衡量。對于子網(wǎng)內(nèi)切換，HSH算法中的MS在切換過程中改變鏈路時，執(zhí)行的是SSH方式而非F-HMIPv6算法的HHO方式，因而丟包率明顯降低。對于子網(wǎng)間切換而言，HSH算法在基站中設(shè)計(jì)了業(yè)務(wù)調(diào)度緩存機(jī)制，能有效減少子網(wǎng)間快速切換所引起的丟包，因此，HSH算法的丟包率也要明顯比F-HMIPv6算法的低。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)場景及參數(shù)設(shè)置

切換性能仿真實(shí)驗(yàn)采用OPNET14.5仿真平臺，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了HSH算法所需仿真模塊。仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D4所示，其地理范圍定為10 km×8 km，有線鏈路帶寬為10 Mb/s。MS從Server處接收業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，鏈路層的負(fù)載設(shè)為恒比特率(CBR)500 kb/s。MS的移動速度不超過60 km/h，按選定路徑遷移，基站切換判決采用滯后余量的相對信號強(qiáng)度算法(RSSH)，切換性能的考察指標(biāo)主要考慮切換延遲和丟包率[13]。仿真實(shí)驗(yàn)中MS及BS的仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖4 仿真場景

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

3.2 仿真結(jié)果分析

在仿真實(shí)驗(yàn)中，對HSH及F-HMIPv6的切換過程分子網(wǎng)內(nèi)切換和子網(wǎng)間切換進(jìn)行比較分析。MS執(zhí)行子網(wǎng)間切換時，2種切換算法的延遲與移動速度之間的關(guān)系如圖5所示。從圖5可以得出：當(dāng)MS執(zhí)行子網(wǎng)間切換時，HSH算法產(chǎn)生的延遲比F-HMIPv6算法的延遲縮減了近30%。

MS執(zhí)行子網(wǎng)內(nèi)切換時，2種切換算法的延遲與移動速度之間的關(guān)系如圖6所示。從圖6可以看出：當(dāng)MS發(fā)生子網(wǎng)內(nèi)切換時，HSH與F-HMIPv6的延遲差別不大，但HSH算法的切換延遲還是要稍低于F-HMIPv6算法延遲。

1—HSH; 2—F-HMIPv6

1—HSH; 2—F-HMIPv6

MS執(zhí)行子網(wǎng)間切換時，子網(wǎng)間丟包數(shù)與移動速度之間的關(guān)系如圖7所示。從圖7可以看出：當(dāng)MS發(fā)生子網(wǎng)間切換時，HSH算法與F-HMIPv6算法的丟包數(shù)很接近，但HSH算法丟包數(shù)整體要少于F-HMIPv6算法的平均丟包數(shù)。

1—HSH; 2—F-HMIPv6

MS執(zhí)行子網(wǎng)內(nèi)切換時，丟包與移動速度之間的關(guān)系如圖8所示。從圖8可以看出：當(dāng)MS執(zhí)行子網(wǎng)內(nèi)切換時，HSH算法的丟包數(shù)相當(dāng)少，其平均丟包數(shù)比F-HMIPv6算法減少近60%。

1—HSH; 2—F-HMIPv6

4 結(jié)論

1) 針對移動WiMAX的F-HMIPv6切換算法存在延遲大和信令開銷大等問題，提出一種混合無縫切換算-HSH。HSH算法具有良好的切換性能，能更好地滿足實(shí)時業(yè)務(wù)的需要。

2) HSH在F-HMIPv6切換機(jī)制的基礎(chǔ)上集成MSCTP協(xié)議進(jìn)行子網(wǎng)間快速切換，能有效消除子網(wǎng)間切換中數(shù)據(jù)分組的隧道傳輸及HA和CN綁定更新過程所引起的服務(wù)中斷，保證了端到端通信的服務(wù)質(zhì)量。

3) HSH采用CIP協(xié)議實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)內(nèi)的軟切換，有效降低了因鏈路改變而產(chǎn)生的丟包及服務(wù)中斷時間。HSH為支持軟切換，需在MS和BS中維護(hù)基站分集，也帶來一些額外的系統(tǒng)開銷。

4) HSH采用F-DAD機(jī)制減小子網(wǎng)間切換時DAD過程產(chǎn)生的服務(wù)中斷時間，在BS中設(shè)計(jì)了業(yè)務(wù)調(diào)度緩存機(jī)制有效減少了子網(wǎng)間切換時快速機(jī)制引起的丟包。

[1] Chilagorom I. Qualitative investigation of the performance of real-time application of IEEE 802.16 e standard WiMAX relay networks[J]. Computer Engineering and Intelligent Systems, 2014, 5(11): 29?40.

[2] Yadav J, Mehandia B. Handover performance in mobile WIMAX networks[J]. International Journal of Advanced Research in Computer and Communication Engineering, 2014, 3(8): 7696?7699.

[3] Ashoka B, Eyers D, Huang Z. Handover delay in mobile WiMAX: A simulation study[C]// Parallel and Distributed Computing Applications and Technologies (PDCAT). Gwangju, Korea: IEEE, 2011: 305?312.

[4] Chen Y W, Hsieh F Y. A cross layer design for handoff in 802.16e network with IPv6 mobility[C]// Wireless Communications and Networking Conference. Hongkong, China, IEEE, 2007: 3844?3849.

[5] Han Y H, Jang H, Choi J H, et al. A cross-layering design for IPv6 fast handover support in an IEEE 802.16e wireless MAN[J]. IEEE Network, 2007, 21(6): 54?62.

[6] Kim D G, Shin H J, Shin D R. A network-based handover scheme for hierarchical mobile IPv6 over IEEE 802.16e[C]// International Conference on Advanced Communication Technology. Gangwon-Do, Korea: IEEE, 2008: 468?472.

[7] Koo G, Yu K S, Noh M, et al. Improved fast handover protocol using HMIPv6 based on IEEE 802.16e network[M]// Computational Science and Its Applications–ICCSA 2007. Berlin Heidelberg, Germany: Springer, 2007: 415?423.

[8] Khan I, Karras D A. An efficient cross layer intra and inter domain mobility solution for IEEE 802.16e mobile WiMAX[C]// 16th International Conference on Systems, Signals and Image. Chalkida, Greece: IEEE, 2009: 1?7.

[9] Bchini T, Tabbane N, Tabbane S, et al. Inter-ASN Handover using MSCTP protocol in IEEE 802.16e networks[C]// Communication Networks and Services Research Conference. Moncton, Canada: IEEE, 2009: 133?138.

[10] Cheng Y H, Chang F M, Kao S J. Efficient hierarchical SIP mobility management for WiMAX networks[J]. Computers & Mathematics with Applications, 2012, 64(5): 1522?1531.

[11] MO Linli. Research on mobile IPv6 technology and handover performance optimization[C]// Proceedings of the 2012 International Conference on Communication, Electronics and Automation Engineering. Berlin Heidelberg, Germany: Springer, 2013: 941?946.

[12] Hasan S S, Hassan R, Abdalla F E. A new binding cache management policy for NEMO and MIPV6[J]. Journal of Theoretical and Applied Information Technology, 2012, 36(1): 113?117.

[13] Bhunia S, Misra I S, Sanyal S K, et al. Performance study of mobile WiMAX network with changing scenarios under different modulation and coding[J]. International Journal of Communication Systems, 2011, 24(8): 1087?1104.

(編輯 陳燦華)

A hybrid seamless handover algorithm based on F-HMIPv6

LU Shaofei1, ZHOU Zehui1, 2, QIN Zheng1

(1. College of Computer Science and Electronic Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;2. Changsha Vocational & Technical College, Changsha 410300, China)

The handover performance is one of the key factors affecting the quality of services in mobile WiMAX networks. A hybrid seamless handover scheme named hybrid seamless handover (HSH) was proposed. HSH used MSCTP protocol based on F-HMIPv6 to implement fast handover between subnets, which effectively eliminates the service disruptions during tunnel transmission and HA binding update processing. F-DAD mechanism could be used to reduce the service disruption time caused by DAD. Service scheduling and caching mechanism was designed in base stations to reduce the packet loss caused by the fast handover mechanism between subnet. In addition, Semisoft Handoff in CIP was used for handover within a subnet to reduce handover latency and packet loss. The results show that the proposed scheme (HSH) outperforms F-HMIPv6in terms of handover latency and packet loss. Compared with the F-HMIPv6, the handover latency between subnets and the handover packet loss within a subnet in HSH are reduced by nearly 30% and 60% respectively.

mobile WiMAX; hybrid seamless handover; fast duplicate address detection; caching mechanism

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.09.021

TP393

A

1672?7207(2015)09?3309?08

2014?10?10；

2014?12?16

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(531107040201)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61472131，61272546) (Project(531107040201) supported by the Special Funds for Basic Scientific Research Business of the Central Universities; Projects(61472131, 61272546) supported by the National Natural Science Foundation of China)

周澤輝，講師，從事新一代寬帶移動通信網(wǎng)研究；E-mail: zzhmail@126.com