《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的L2-Trigger研究
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2011年第11期
唐 宏, 姚 勝
(重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信重慶市市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400065)
摘要: 針對(duì)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)存在的切換問題, 結(jié)合Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),介紹了L2-Trigger及其參數(shù)信息,提出了基于運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方法。通過引入移動(dòng)模型并對(duì)L2-Trigger的觸發(fā)時(shí)機(jī)進(jìn)行仿真和分析,結(jié)果表明該方法的準(zhǔn)確度更高。
中圖分類號(hào): TN929.5
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2011)11-0116-04
L2-Trigger study based on Ad hoc network
Tang Hong, Yao Sheng
Chongqing Key Lab of Mobile Communications Technology, Chongqing University of Posts and Communications, Chongqing 400065, China
Abstract: To solve the existing handover problems in Ad hoc network, The definition and its parameter was introduced and the improved method of motion prediction based on movement tendency was proposed in this paper according to the features of Ad hoc network. Introduction of mobile model and the simulation analysis of the L2-Trigger time illustrated that this method has a higher rate of accuracy.
Key words : handover; L2-Trigger;mobile model; motion prediction


    隨著全球無線移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)于移動(dòng)通信的要求也越來越高。TD-SCDMA、WiMAX等移動(dòng)通信技術(shù)能夠滿足人們?nèi)粘5恼Z音、數(shù)據(jù)及多媒體業(yè)務(wù)等各方面的基本要求并得到廣泛應(yīng)用。然而其需要有基礎(chǔ)設(shè)施的支持,用戶終端之間必須通過基站的支持才能完成通信,在某些場(chǎng)合并不適用,如救災(zāi)、臨時(shí)會(huì)議等。因而早期應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)也得到普遍重視和深入研究,并且越來越多地應(yīng)用到民事領(lǐng)域。無線自組織網(wǎng)絡(luò)是一種典型的無線網(wǎng)絡(luò),是一種具有高度動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)任意移動(dòng)的無需固定基礎(chǔ)設(shè)施支持的自組織網(wǎng)絡(luò)。自組織網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)均帶有無線收發(fā)信裝置,可自由進(jìn)行通信。
    當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(MN)在通信過程中從一個(gè)區(qū)域移動(dòng)到另一個(gè)區(qū)域時(shí)(可能同屬一個(gè)子網(wǎng),也可能分屬不同子網(wǎng)),或者因外界干擾而造成通話質(zhì)量下降時(shí),便需要進(jìn)行切換以保持與網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)連接。
    傳統(tǒng)切換中依次進(jìn)行鏈路層切換和網(wǎng)絡(luò)層切換。鏈路層切換,也即L2切換(Layer 2 handover),是指MN斷開當(dāng)前連接的鏈路。網(wǎng)絡(luò)層切換,即L3切換(Layer 3 handover),是指MN的移動(dòng)檢測(cè)和移動(dòng)注冊(cè)等過程。由于這種默認(rèn)等待節(jié)點(diǎn)變化后在二層鏈路建立好的基礎(chǔ)上再進(jìn)行路由重建的切換機(jī)制會(huì)帶來較大的切換時(shí)延[1]。IETF針對(duì)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)提出了快速移動(dòng)IPv6切換方案,當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)漫游到新的外地網(wǎng)絡(luò)之前,通過二層觸發(fā)消息L2-Trigger(以下簡(jiǎn)稱L2T)提前觸發(fā)三層切換進(jìn)行注冊(cè),從而可以在漫游到新的外地網(wǎng)絡(luò)之后便可根據(jù)之前建立的新路由進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的支持。
    目前對(duì)于L2T的研究主要包括其概念及所需參數(shù),很多地方也都是籠統(tǒng)地提出利用L2T來提前觸發(fā)。參考文獻(xiàn)[2]對(duì)二層觸發(fā)消息及其參數(shù)進(jìn)行了一定的研究,但是對(duì)于何時(shí)觸發(fā)L2T消息并未做深入的研究;在IEEE802.16 WiMAX網(wǎng)絡(luò)下提出基于運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)的跨層切換機(jī)制來改進(jìn)切換時(shí)延,通過追蹤移動(dòng)用戶與基站之間的信號(hào)強(qiáng)度來進(jìn)行線性預(yù)測(cè),得出將來的信號(hào)水平,從而提前觸發(fā)三層切換。但是移動(dòng)用戶在進(jìn)入可能的切換區(qū)域后,可能會(huì)停留一段時(shí)間,既不從切換區(qū)域中退回原網(wǎng)絡(luò)中也不入新的網(wǎng)絡(luò)。從而三層的切換過程可能反復(fù)進(jìn)行,這時(shí)L2T會(huì)引起資源的浪費(fèi)。并且該預(yù)測(cè)機(jī)制是在基站保持不動(dòng)的情況下對(duì)移動(dòng)用戶進(jìn)行線性預(yù)測(cè),而在自組織網(wǎng)絡(luò)條件下,用戶及充當(dāng)基站功能的對(duì)端節(jié)點(diǎn)都是移動(dòng)的,因而這種線性預(yù)測(cè)機(jī)制可能因節(jié)點(diǎn)的彼此不相關(guān)運(yùn)動(dòng)及將來時(shí)刻行為的不確定性而發(fā)生很大的改變,致使L2T觸發(fā)不準(zhǔn)確。本文先對(duì)自組織網(wǎng)中L2T的運(yùn)用進(jìn)行描述,并分析提出合適的L2T及其參數(shù),在此基礎(chǔ)上提出對(duì)L2T的觸發(fā)時(shí)機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
1 L2-Trigger
1.1 L2-Trigger簡(jiǎn)介

    L2-Trigger[3]是指一個(gè)特定的事件已經(jīng)發(fā)生或即將發(fā)生,從L2得到的相關(guān)信息(可能包含一些參數(shù)信息)。其描述包括:觸發(fā)器名、觸發(fā)該觸發(fā)器的事件、何種實(shí)體接收該觸發(fā)器名以及必需的參數(shù)信息[4]。觸發(fā)器及其介紹如表1所示。

    可見該L2T的參數(shù)等信息是通過移動(dòng)IP協(xié)議定義的實(shí)體來實(shí)現(xiàn)的,但在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中是沒有基礎(chǔ)設(shè)施支撐的,即沒有AP等實(shí)體。因此在自組織網(wǎng)絡(luò)中需要對(duì)這些參數(shù)信息進(jìn)行修收。自組織網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都可以自由通過一跳或多跳進(jìn)行通信,節(jié)點(diǎn)都可完成路由器功能,因而將網(wǎng)絡(luò)某些節(jié)點(diǎn)視作接入路由器。需要發(fā)起切換的節(jié)點(diǎn)可以是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)自身,也可以接入路由器。由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性,可能在觸發(fā)三層切換后節(jié)點(diǎn)并沒有進(jìn)入新的外地網(wǎng)絡(luò)而是返回原網(wǎng)絡(luò)中,這時(shí)便不再需要進(jìn)行鏈路層切換,可減少信令的交互,節(jié)約資源。上述觸發(fā)器信息中未包含此指示。從切換的發(fā)起和接收者來看,L2T應(yīng)包含以下指示:L2-ST(Source Trigger)、L2-TT(Target Trigger)、L2-CA(Cancel)、L2-CO(Complete)。將原觸發(fā)器列表中的Source Trigger、Target Trigger、Mobile Trigger重設(shè)為L2-ST和L2-TT。若發(fā)起切換是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)本身,則發(fā)送L2-ST消息,若其他情況,則發(fā)送L2-TT消息給相應(yīng)的接收者。在有效觸發(fā)L2T后,可能移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在之后的運(yùn)動(dòng)過程中短期內(nèi)并不需要二層切換,此時(shí)就應(yīng)該取消正在進(jìn)行的或已經(jīng)完成的L3切換。對(duì)此Link UP和Link Down都不能作出明確的指示,故采用L2-CA作指示。而L2-CO可用于新鏈路建立時(shí)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作,如拆除舊鏈路。對(duì)于其觸發(fā)器參數(shù)的信息,同樣可設(shè)置其相應(yīng)的L2地址。
1.2 L2-Trigger觸發(fā)方法
    通過對(duì)實(shí)際切換過程分析發(fā)現(xiàn),在真正切換發(fā)生前有一段時(shí)間需要不停監(jiān)測(cè)當(dāng)前信道和候選信道的質(zhì)量,達(dá)到切換條件才會(huì)發(fā)生L2切換。信道質(zhì)量從監(jiān)控門限下降到切換門限需要一定時(shí)間。因此,觸發(fā)L2-Trigger的時(shí)機(jī)在此時(shí)間段中。可以采用設(shè)定定時(shí)器的方法決定何時(shí)觸發(fā)L2-Trigger,顯然該方法過于簡(jiǎn)單。也可采用信道質(zhì)量預(yù)測(cè)技術(shù)[5],預(yù)測(cè)L2切換的可能時(shí)刻,從而提前觸發(fā)L2-Trigger。其基本思想是從移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入切換區(qū)域的時(shí)刻開始計(jì)時(shí),對(duì)信道質(zhì)量不斷進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定L2切換的信道質(zhì)量門限值,然后將某時(shí)刻的測(cè)量值與門限值進(jìn)行比較,得出發(fā)生L2切換的可能時(shí)刻。
    本文采用運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)的方法,假設(shè)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在自由空間傳播模型中移動(dòng)且具有相同的傳播距離,接收的信號(hào)強(qiáng)度取決于其傳播距離。因此通常認(rèn)為任意時(shí)刻當(dāng)相互通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離低于安全距離時(shí)便觸發(fā)L2T,當(dāng)距離降到閾值時(shí)便啟動(dòng)二層切換。經(jīng)前文分析可知,在某些時(shí)候并不合適。如圖1(a)、圖1(b)所示,兩節(jié)點(diǎn)超出安全距離時(shí)可能會(huì)保持相對(duì)靜止,進(jìn)而可能相互靠近。此時(shí)切換即多余。因而對(duì)此提出基于運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方法。
    假設(shè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)能夠監(jiān)測(cè)相鄰節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度,并能根據(jù)所接收的信號(hào)強(qiáng)度值計(jì)算出兩者之間的距離。
    采用Two-Ray模型作為無線傳播模型,接收到的信號(hào)功率與節(jié)點(diǎn)間的距離關(guān)系為:
  



2.3  仿真結(jié)果及分析
    仿真時(shí)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)每隔3 s改變一次運(yùn)動(dòng)和方向,當(dāng)t時(shí)刻測(cè)量的距離大于Dsafe時(shí),便對(duì)?駐t′進(jìn)行監(jiān)控判斷(本文設(shè)定?駐t′的值在10以內(nèi)才會(huì)觸發(fā)L2T),若其值小于10且下一時(shí)刻該值比當(dāng)前時(shí)刻值小,便觸發(fā)L2T進(jìn)行L3切換。若t時(shí)刻Δt′不足1 s便認(rèn)為發(fā)生不足切換(指某時(shí)刻L3切換還未進(jìn)行二層切換便發(fā)生了。對(duì)于一對(duì)節(jié)點(diǎn)在仿真開始后運(yùn)動(dòng)一次便超出彼此傳播范圍,也認(rèn)為發(fā)生的是不足切換)。觸發(fā)L2T的同時(shí)定時(shí)器開始計(jì)時(shí),一段時(shí)間后若發(fā)生L2切換則對(duì)該節(jié)點(diǎn)仿真結(jié)束,否則定時(shí)器到時(shí)后默認(rèn)發(fā)生L2切換結(jié)束本節(jié)點(diǎn)的仿真。
    將直接根據(jù)切換閾值進(jìn)行切換(標(biāo)示為改進(jìn)前)和達(dá)到切換閾值時(shí)再輔以上述時(shí)間?駐t′進(jìn)行切換判決(標(biāo)示為改進(jìn)后)的仿真統(tǒng)計(jì)次數(shù)加以比較,結(jié)果如圖5所示。

    由以上仿真結(jié)果可見,若根據(jù)超過安全距離即切換,對(duì)于1 000對(duì)彼此都在運(yùn)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)來說,平均每對(duì)節(jié)點(diǎn)在達(dá)到安全距離閾值后都可能發(fā)生兩三次L3切換,也即達(dá)到切換條件后交替發(fā)生相互靠近和相互遠(yuǎn)離,且定時(shí)時(shí)間越長觸發(fā)L2T的次數(shù)增長就越快。采用改進(jìn)的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方法,觸發(fā)的L2T引起三層切換的次數(shù)要比改進(jìn)前要少得多并且相對(duì)穩(wěn)定,也就意味著在進(jìn)入切換區(qū)域后,若移動(dòng)節(jié)點(diǎn)短期內(nèi)不會(huì)移出切換區(qū)域內(nèi)的情況或者反復(fù)進(jìn)入切換區(qū)域,該方法能夠較為準(zhǔn)確地觸發(fā)L2T從而觸發(fā)L3切換。由于該仿真數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)隨機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)有關(guān),因而實(shí)際中若速度方向改變并不劇烈或頻繁時(shí),多余切換及不足切換的次數(shù)會(huì)相對(duì)減少,該方法的效果將更為明顯。
    基于學(xué)者提出的L2-Trigger觸發(fā)可改善切換時(shí)延,本文就L2-Trigger及其觸發(fā)時(shí)機(jī)進(jìn)行研究并提出適合自組織網(wǎng)絡(luò)的二層觸發(fā)器,提出了基于運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)的方法。對(duì)何時(shí)觸發(fā)L2-Trigger做了一些仿真驗(yàn)證工作,通過對(duì)比說明了基于運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的動(dòng)動(dòng)預(yù)測(cè)L2-Trigger方法更加準(zhǔn)確。后續(xù)工作將考慮更加復(fù)雜的情況并對(duì)其作更加深入的研究。
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