所謂異構網絡(Heterogeneous Network）是一種類型的網絡，其是由不同制造商生產的計算機,網絡設備和系統(tǒng)組成的，大部分情況下運行在不同的協(xié)議上支持不同的功能或應用。

因特網工程任務組（IETF）提出了網絡層移動性管理協(xié)議：移動IPv6（MIPv6）及擴展切換FMIPv6，能夠保證移動節(jié)點在移動中的連通性[1]。MIPv6本質上為硬切換，移動節(jié)點在切換開始時必須先中斷與當前接入路由器連接，直至網絡層完成移動檢測、地址沖突檢測、綁定更新才能恢復通信,這將產生較高的切換時延和丟包率,導致用戶可察覺的服務質量（QoS）降低。IETF RFC5268制定了FMIPv6協(xié)議,有效地降低了MIPv6切換丟包和切換時延。在FMIPv6協(xié)議中定義了L2鏈路層觸發(fā)，移動節(jié)點檢測到移向新接入路由器（NAR）時，在斷開原接入路由器（PAR）連接之前，執(zhí)行移動檢測、地址沖突檢測，從而減少了切換時延和丟包率。然而，F(xiàn)MIPv6并沒有規(guī)定L2觸發(fā)時刻，因此本文結合IEEE 802.21媒體獨立切換MIH（Media Independent Handover）協(xié)議提出一種基于L2層觸發(fā)的異構網絡垂直切換的解決方案[2]。

1 MIH切換模型

MIH集團，很多關心互聯(lián)網的中國用戶，應該對這個名字不陌生。從2001年到2002年，在互聯(lián)網產業(yè)最低迷的時候，MIH先后從電訊盈科、 IDG和騰訊主要創(chuàng)始人手中購得騰訊46.5%的股權，成為騰訊最大的單一股東，也成為MIH集團在海外迄今最成功的一筆投資。目前，MIH持有的騰訊股權為34.47%(數據摘自騰訊公司公布的截至2010年4月30日的股份信息.)，價值數十億美元。

圖1描述了MIH在協(xié)議棧的位置及移動節(jié)點和網絡之間的交互。所有MIH用戶具備MIHF實體，MIHF與MIH用戶、MIHF與低層之間的通信依賴于已定義的服務原語，服務接入點（SAP）包含一套服務原語[4]。目前802.21標準定義了3種SAP：MIH_SAP、MIH_LINK_SAP和MIH_NET_SAP。MIH_SAP是MIHF實體與協(xié)議棧高層移動性管理協(xié)議之間的接口，通常保持相同的名字和原語。MIH_LINK_SAP是MIHF實體與協(xié)議棧低層特定接入技術之間的抽象接口，在特定媒體將重新命名和定義，例如3GPP網絡命名為MIH_3GLINK_SAP；IEEE 802.11成功鑒權之前使用MSGCF_SAP傳輸MIH信令，鑒權之后通過LSAP傳播有效負荷；IEEE 802.16在網絡重接入前使用M_SAP和C_SAP提供鏈路服務，網絡重接入后使用CS_SAP在數據平臺上提供服務。MIH_NET_SAP是遠程MIHF實體之間信息交互的接口。

2 切換方案

基于L2觸發(fā)的垂直切換通過IEEE 802.21定義的MIH原語獲取相關的鏈路層信息。假設移動節(jié)點周期性瞬時接收信號強度為RSSiNSt，加權平均值為：

無差錯的接收分組的最小功率閾值為RSSLD,即觸發(fā)Link_Down原語；L2觸發(fā)切換的功率閾值為RSSLGD,即觸發(fā)Link_Going_Down原語。預測系數α為：

其中，α越大，產生Link_Going_Down原語的時間越早，即鏈路層斷開之前提前進行鄰居網絡發(fā)現(xiàn)、IP地址配置的時間越早，越能有效減少切換時延和丟包，但會引起服務網絡使用率的降低。α=1表示沒有提前觸發(fā)網絡層切換，即鏈路層切換完成后再進行網絡層切換，α>1為本文提出的基于L2觸發(fā)的切換方案。此外，α隨著移動節(jié)點速度的增加而增加，詳解見仿真分析。為了避免切換產生乒乓效應，定義自信閾值RSSLHI和自信系數β，其中自信系數為：

移動節(jié)點周期性地監(jiān)聽RSSinST，其加權平均值RSSavg

隨著RSSinst持續(xù)降低，當RSSavg

3 仿真分析

為了評價L2觸發(fā)對切換性能的影響，本文采用NIST提供NS-2.29平臺下的移動性管理模塊[6]，仿真場景以IEEE 802.11無線局域網與UMTS網絡之間切換為例，通信對端（CN）通過帶寬為100 Mb/s有線網絡連接到核心網。因此，本文通過引入MIH輔助的L2觸發(fā)切換，在L3切換開始之前獲取網絡層切換相關的信息，從而減小切換時延和丟包率。

圖3為有/無L2觸發(fā)的切換中斷時延對比。這里定義切換中斷時延為移動節(jié)點在切換期間任何接口都不能接收任何信息包的時間。移動節(jié)點以1 m/s的速度移動，預測系數α=1.2，自信系數β=0.8,無L2觸發(fā)情形下119.99 s發(fā)生切換，切換中斷時延為0.364 s，有L2觸發(fā)情形下119.08 s發(fā)生切換，切換時延為0.164 s，比無L2觸發(fā)的切換時延降低55%。切換時刻稍有差別是因為單位時間內接收信號強度RSSavg低于自信閾值RSSLHI將重定向信息流。

圖4為不同網絡負荷下丟包數目的對比，隨著網絡負荷增大,丟包的數目急劇增加。例如網絡負荷為50 kb/s時無L2觸發(fā)丟包35，有L2觸發(fā)丟包15；網絡負荷為384 kb/s時，無L2觸發(fā)丟包307，有L2觸發(fā)丟包138。由圖4計算得知，有L2觸發(fā)切換比無L2觸發(fā)的平均丟包降低59%。

從圖3和圖4可知，基于MIH協(xié)議的L2觸發(fā)顯著地優(yōu)化了切換期間的時延和丟包。基于L2觸發(fā)切換方案的預測系數和移動節(jié)點速度對切換性能起決定性作用。因此，本文下面分析不同移動速度、不同預測系數對L2觸發(fā)切換的中斷概率、丟包率和網絡使用率的影響。

圖5為移動節(jié)點在不同速度下切換中斷概率的對比。中斷概率定義為：中斷概率=，切換時延包括鏈路層切換時延和網絡層移動檢測、IP地址配置、綁定更新產生時延總和。如果中斷概率為0表示切換是平滑的，移動節(jié)點在斷開服務網絡之前已完成切換過程，中斷概率越大表示L2觸發(fā)切換越類似于無L2切換觸發(fā)情形。移動節(jié)點速度為1 m/s時，不同預測系數α中斷概率相差不大；移動速度達到20 m/s時，α=1.4比α=1.1的切換中斷概率降低30%。因此，移動速度增大時，α也需相應地增大，從而獲取最佳切換性能。

圖6為移動節(jié)點在不同速度下切換丟包率的對比，丟包率定義為：丟包率=。顯然，相同速度下α越大，提前觸發(fā)的時間就越早，丟包率就越低。圖7為移動節(jié)點在不同速度下的網絡使用概率，本文指IEEE 802.11網絡的使用概率。本文定義網絡使用率如下：網絡使用率=。網絡使用率曲線不平滑的主要原因是本文切換涉及到網絡層切換，從而作為UMTS與802.11重疊覆蓋時首選網絡的切換判決準則相違背，因此綜合考慮切換性能選擇合適的預測系數α將是異構網絡切換的研究方向之一。

本文提出了一種異構網絡L2觸發(fā)切換模型，L2觸發(fā)由MIH協(xié)議的Link_Going_Down事件輔助實現(xiàn)。以IEEE 802.11切換到UMTS為例，在NS-2軟件平臺上有效地驗證了有L2觸發(fā)切換比無L2觸發(fā)降低55%切換時延和59%丟包率。在基于L2觸發(fā)的切換模型中，預測系數和移動節(jié)點的移動速度對切換性能起著關鍵性作用，因此本文通過仿真定性地分析了它們對切換中斷概率、丟包率和網絡使用率的影響。基于L2觸發(fā)的預測系數與移動節(jié)速度的定量分析將是筆者的下一步工作。

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