胡晓军鲍舰南京邮电学院通信工程系
【摘要】本文首先介绍蜂窝IP 技术的协议机制，接着详细分析其路由、切换和寻呼等关键技术，并 通过性能分析，证明蜂窝IP 技术能很好地利用Mobile IP 的全局移动性支持和蜂窝系统的移动切换等功能，支持频繁切换下的高速分组数据传输，适应下一代无线分组数据通信发展的需要。
1 引言
近年来，随着移动通信和Internet 的迅猛发展，移动通信和Internet 相互融合正逐渐成为研究开发的热点。在第三代移动通信系统中，提供高达2Mb/s 的无线分组数据速率，蜂窝的范围从宏蜂窝进一步缩小到微蜂窝，甚至是微微蜂窝，对于无线接入Internet 而言，要求更高效的无线分组路由机制和快速的无缝移动切换控制技术。
传统的Mobile IP 协议只是在较大范围的蜂窝间简单地解决Internet 主机移动性，仅适用于宏蜂窝的情况。在微蜂窝情况下，移动主机在蜂窝间的移动切换更加频繁，无线接入的数据率也显著增加，若仍然采用传统的Mobile IP 协议，网络的运行效率非常低，不适应第三代移动通信系统的要求。
本文介绍一种新的Internet 移动主机协议――蜂窝IP（Cellular IP），它继承了Mobile IP 的优点，并且充分利用蜂窝移动通信系统的移动性管理功能和移动切换技术，从而支持快速运动的移动主机无线接入Internet。
2 蜂窝IP 协议
蜂窝IP 技术建立在Mobile IP 网络基础之上，充分利用了蜂窝移动通信系统的移动性管理功能和连接切换控制，来实现蜂窝IP 网络内部的路由和切换，图1 给出了蜂窝IP 网络的结构和分组路由方式。
图1 蜂窝IP 网络结构和分组路由方式
蜂窝IP 网络由蜂窝IP 基站(BS)和蜂窝IP 网关(Gateway)两大部分组成，基站和网关统称为蜂窝IP节点。蜂窝IP 基站，作为网络的无线接入点，也集成了传统蜂窝系统的移动交换中心(MSC)和基站控制器(BSC)的功能。与蜂窝移动通信方式不同的是，蜂窝IP 基站建立在IP 分组转发的基础上，其IP 路由的功能由蜂窝IP 路由和位置管理实体来完成。许多个基站组成一个蜂窝IP 网络，通过蜂窝IP 网关接入到Internet，蜂窝IP 网关起到路由和网络互联的功能。在蜂窝IP 网关之间，网络的全局移动性由Mobile IP协议来支持，而在蜂窝IP 网关内部，采用蜂窝移动系统的移动性管理和切换功能来支持网络的局部移动性。
蜂窝IP 网络内的移动主机将网关的IP 地址作为它的Mobile IP 转交地址(care-of address)，当有IP 数
据包发往移动主机时，首先通过Mobile IP 协议原理，到达该主机所在网络的蜂窝IP 网关，在网关处解封装，并向基站转发。在蜂窝IP 网络内，移动主机的地址就是其归属地址(home address)，数据分组不用再进行地址转换和采用隧道(Tunnelling)技术，而是可以直接转发给移动主机。当移动主机发送数据分组时，将分组通过无线方式传输到所在的基站，然后通过hop-by-hop 方式路由到网关，通过该网关发送到Internet 上。
在蜂窝IP 中，位置管理和切换支持都集成在路由功能中。基站定时发送导引信号(beacon signal)，导引信号中包含所在网关的IP 地址，移动主机通过该导引信号进行定位，支持广域的移动性。蜂窝IP 节点维护一个路由缓存(Route Cache)，存储移动主机的IP 地址和相邻的下一个节点，通过hop-by-hop 方式，构成一条上行链路(基站到网关)的路由。为减少控制信令，节点处的路由缓存由传输的数据分组创建和修改。下行链路(网关到基站)也可以利用这条路由缓存链，将数据分组转发到移动主机。当主机在基站间移动时，由于上行数据分组不断更新路由缓冲，所以下行分组可以准确转发到移动主机处，很好地解决了蜂窝IP 网内部的位置更新问题。在有些节点处还设置寻呼缓存(Paging Cache)，对路由缓存的起到一定弥补作用。移动主机定时发送一些控制分组，阻止缓存中的映射超时，维持位置信息和路由。下面从路由、切换和寻呼等几个方面，详细介绍蜂窝IP 协议机制。
3．关键技术
3．1 移动主机
在蜂窝IP 网络中，移动主机有两种状态：激活(active)和空闲(idle)。可以将移动主机抽象为一个简单的二状态的状态机模型，如图2 所示。
当移动主机收到或准备发送数据分组时，它的状态从空闲转为激活，而且，只要主机在发送或接收数据分组，就一直保持激活状态。当主机经过一段时间没有收到或发送任何数据分组，激活状态超时，主机重新回到空闲状态。
当移动主机从空闲转为激活状态时，它发送路由修改分组(route-update packet)，同时启动一个定时器，初始值为路由修改时间(route-update-time)。只要主机发送数据分组，定时器就会重新初始化为路由修改时间，这样就确保了在激活状态下，间隔时间不大于路由修改时间的数据分组都可以发送。如果发送的数据分组足够快，移动主机可以不产生路由修改分组。
在空闲状态下，移动主机定时发送寻呼修改分组(paging-update packet)，间隔为寻呼修改时间(paging-update-time)。当发送数据分组时，移动主机就停止发送寻呼修改分组。
当主机移动到一个新的基站或无线信道阻塞的情况下，如果主机处于激活状态，就立即发送路由修改分组，否则就立即发送寻呼修改分组，保持主机与网络的连接。
3．2 路由
前面已经简要介绍了蜂窝IP 技术的路由机制：在蜂窝IP 节点维护路由缓存(Route Cache)和寻呼缓存(Paging Cache)，存储移动主机IP 地址和相邻下一节点的映射表。利用该映射表，通过hop-by-hop 方式，构成上行路由；下行路由也利用该映射表转发数据分组；映射表由传输的数据分组创建和更新，因此，路由随着移动主机位置更新而自动调整，很好地解决主机移动性问题。
在上行链路方向(基站到网关)，其路由算法如图3 所示。当分组到达一个节点时，节点检查分组类型，如果是数据分组，就创建或修改节点的路由缓存，然后转发到上行链路的下一节点；如果是寻呼修改分组，就创建或修改节点的寻呼缓存，同样也转发到上行链路的下一节点。
在下行链路方向(网关到基站)，其路由算法如图4 所示。节点首先检查路由缓存中是否有分组的目的地址，如果存在，则将分组转发到下一节点；如果没有该地址的映射，则检查节点处是否有寻呼缓存，若没有寻呼缓存，就向所有下行链路的节点广播该分组；如果存在寻呼缓存，且其中有该分组的目的地址，就将分组转发到对应的下一节点，否则就丢弃该分组。
3．3 切换
蜂窝IP 硬切换(hard handoff)算法直接来源于蜂窝通信系统，当移动主机进入新的基站时，发送路由修改分组来改变路由映射表链，使其指向新的基站。这种切换造成切换完成后到达原基站的分组被丢弃，从后面的性能分析可以看出，对分组丢失率、TCP 吞吐量等性能存在较大影响。
为提高切换性能，引入新的切换机制――准软切换(semi-soft handoff)。在准软切换中，移动主机保持一段时间同时接受两个基站的分组，可以显著减少分组丢失，保持连接不中断。准软切换的具体过程为：
准软切换开始，移动主机向新基站发送路由修改分组，同时也侦听原基站；
路由修改分组在新基站创建路由缓存和寻呼缓存，当路由修改分组到达新老基站路由交汇节点时，在其路由缓存中增加新的映射，而不是替代原有的映射；
移动主机从原基站和新基站同时接收分组；
当移动主机完全进入新基站后，发送新的路由修改分组，清除路由缓存映射，仅保留到新基站的路由，这样就切换到新的基站上，完成准软切换。
图4 下行链路路由算法
准软切换可以确保主机切换过程中连续接收分组，但并不能完全提供平滑切换。由于网路拓扑和话务条件的影响，从路由交汇点发往新老基站的分组的到达时间并不相同，对性能有一定影响，增加切换复杂度。通过后面的性能分析，证明准软切换是一项可取方案。
3．4 位置管理和寻呼
在蜂窝IP 网络中，几个蜂窝组成一个寻呼域(Paging Area)，每个寻呼域有唯一的寻呼域标识号(PagingArea Identifier)。基站在定时发送的导引信号(beacon signal)中传送寻呼域标识号，使移动主机通过导引信号获得所在寻呼域的标识号。因此，空闲状态移动主机不需要在蜂窝边界发送位置修改分组，就可以支持广域上的漫游。
当空闲状态主机在寻呼域内移动时，仅在寻呼修改时间(paging-update-time)超时后发送寻呼修改分组。当空闲状态主机移动到新的寻呼域时，就必须发送寻呼修改分组。该分组通过基站以hop-by-hop 方式路由到网关，在每个通过节点创建寻呼缓存，指向新的寻呼域。寻呼修改分组到达网关后丢弃。基站选择性的设置寻呼缓存，寻呼缓存和路由缓存有两个方面的不同：一是寻呼缓存映射的超时时间更长，二是主机发送的素有分组都修改寻呼缓存映射，而路由缓存映射只能被数据分组和路由修改分组修改。当一个分组发往空闲状态主机，而节点没有指向该主机的路由缓存映射时，就发生寻呼。如果基站没有寻呼缓存，就将分组转发到所有下行基站；否则就利用寻呼缓存的映射，将分组转发到下一节点，直至主机，就避免了在蜂窝内查找的过程，降低了寻呼的费用。
4 性能分析
将蜂窝IP 技术应用到WaveLAN 系统中，建立实验系统，主要分析蜂窝IP 协议的切换性能。首先分析切换时的分组丢失率。移动主机接收100 byte 的UDP 分组，分组速率分别为25 和50 (pps,个/秒)，每5 秒主机切换一次，得到图5 所示的平均分组丢失曲线。图中横坐标为移动主机到网关的分组往返时间，间接地体现了发送缓存器的大小。从图5 中可以看出，硬切换时，分组丢失率随着分组速率的上升而增加，也受到发送缓存器大小的影响；而在软切换时，分组几乎不丢失。因为在硬切换条件下，主机切换到新基站后，就立即丢弃原基站的分组，显然当发送缓存器越大、分组速率越高时，丢弃的分组越多；而软切换时，主机保留一段时间同时接收两个基站的分组，所以几乎就没有分组丢失。另一项是分析切换对TCP 吞吐量的影响，图6 给出了在不同切换率下的下行TCP 吞吐量。从图中可以看出，无论是硬切换还是准软切换，TCP 吞吐量都随着切换率的上升而下降；硬切换下降得更加明显，当切换率为1 次/秒时，吞吐量下降2/3；准软切换显著提高吞吐量，且受切换率影响较小，若增加发送缓冲器可以进一步保证TCP 性能。
通过以上技术和性能分析可以看出，采用准软切换的蜂窝IP 技术在充分解决Internet 主机移动性的基础上，保证移动主机在频繁切换下传输高速分组数据的性能，适用于微蜂窝和微微蜂窝，满足第三代移动通信系统传输高速无线数据的需要。
5 发展前景
蜂窝IP 技术很好的利用了Mobile IP 和蜂窝移动系统的技术优点，采用特有的路由、寻呼和准软切换技术，适应下一代移动通信发展的需要。目前蜂窝IP 只是作为一个建议提交给IETF，技术上还有一些需要完善的地方。笔者认为，随着移动通信和下一代Internet 的迅猛发展，人们对于高速无线数据通信的需求越来越迫切，蜂窝IP 技术必将进一步发展和完善，与下一代移动通信系统和Internet 完全兼容，真正带入人类进入宽带移动多媒体通信时代。
参考文献
[1] Andrew T Campbell, Javier Gomez, Andras G Valko. An Overview of Cellular IP. IEEE Conf on
Wireless Communications and Networking, 1999.
[2] A T Campbell, J Gomez, C-Y Wan, S Kim, Z Turanyi, A Valko. Cellular IP. Internet Draft,
draft-ietf-mobileip-cellularip-00.txt, Jan, 2000.
[3] A T Campbell, S Kim, J Gomez, C-Y Wan, Z Turanyi, A Valko. Cellular IP Performance. Internet
Draft, draft-gomez-cellularip-perf-00 txt, Oct, 1999.
[4] C. Perkins. IP Mobility Support. IETF RFC 2002, Oct, 1996.
----《移动通信在线》
|
