蜂窩IP技術概述

1、蜂窩IP技術概述 摘要：本文首先介紹蜂窩IP技術的協(xié)議機制，接著詳細分析其路由、切換和尋呼等關鍵技術，并通過性能分析，證明蜂窩IP技術能很好地利用MobileIP的全局移動性支持和蜂窩系統(tǒng)的移動切換等功能，支持頻繁切換下的高速分組數(shù)據(jù)傳輸，適應下一代無線分組數(shù)據(jù)通信發(fā)展的需要。 關鍵詞：蜂窩IP；分組數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)通信 隨著移動通信和Internet的迅猛發(fā)展，移動通信和Internet相互融合正逐漸成為研究開發(fā)的熱點。在第三代移動通信系統(tǒng)中，提供高達2Mb/s的無線分組數(shù)據(jù)速率，蜂窩的范圍從宏蜂窩進一步縮小到微蜂窩，甚至是微微蜂窩，對于無線接入Internet而言，要求更高效的無線分組路由機

2、制和快速的無縫移動切換控制技術。傳統(tǒng)的MobileIP協(xié)議只是在較大范圍的蜂窩間簡單地解決Internet主機移動性。本文介紹一種新的Internet移動主機協(xié)議蜂窩IP（CellularIP），它繼承了MobileIP的優(yōu)點，并且充分利用蜂窩移動通信系統(tǒng)的移動性管理功能和移動切換技術，從而支持快速運動的移動主機無線接入Internet。 一、蜂窩IP協(xié)議 蜂窩IP技術充分利用了蜂窩移動通信系統(tǒng)的移動性管理功能和連接切換控制，來實現(xiàn)蜂窩IP網(wǎng)絡內部的路由和切換。蜂窩IP網(wǎng)絡由蜂窩IP基站(BS)和蜂窩IP網(wǎng)關(Gateway)兩大部分組成。蜂窩IP基站，作為網(wǎng)絡的無線接入點，也集成了傳統(tǒng)蜂窩系

3、統(tǒng)的移動交換中心(MSC)和基站控制器(BSC)的功能。它建立在IP分組轉發(fā)的基礎上，其IP路由的功能由蜂窩IP路由和位置管理實體來完成。許多個基站組成一個蜂窩IP網(wǎng)絡，通過蜂窩IP網(wǎng)關接入到Internet，蜂窩IP網(wǎng)關起到路由和網(wǎng)絡互聯(lián)的功能。在蜂窩IP網(wǎng)關之間，網(wǎng)絡的全局移動性由MobileIP協(xié)議來支持，而在蜂窩IP網(wǎng)關內部，采用蜂窩移動系統(tǒng)的移動性管理和切換功能來支持網(wǎng)絡的局部移動性。 蜂窩IP網(wǎng)絡內的移動主機將網(wǎng)關的IP地址作為它的MobileIP轉交地址，當有IP數(shù)據(jù)包發(fā)往移動主機時，首先通過MobileIP協(xié)議原理，到達該主機所在網(wǎng)絡的蜂窩IP網(wǎng)關，在網(wǎng)關處解封裝，并向基站轉發(fā)

4、。在蜂窩IP網(wǎng)絡內，移動主機的地址就是其歸屬地址，數(shù)據(jù)可以直接轉發(fā)給移動主機。當移動主機發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，將分組通過無線方式傳輸?shù)剿诘幕?，然后通過hop-by-hop方式路由到網(wǎng)關，通過該網(wǎng)關發(fā)送到Internet上。在蜂窩IP中，位置管理和切換支持都集成在路由功能中?；径〞r發(fā)送導引信號，其中包含所在網(wǎng)關的IP地址，移動主機通過該導引信號進行定位，支持廣域的移動性。蜂窩IP節(jié)點維護一個路由緩存，存儲移動主機的IP地址和相鄰的下一個節(jié)點，通過hop-by-hop方式，構成一條上行鏈路(基站到網(wǎng)關)的路由。下行鏈路(網(wǎng)關到基站)也可以利用這條路由緩存鏈，將數(shù)據(jù)分組轉發(fā)到移動主機。當主機在基站間

5、移動時，由于上行數(shù)據(jù)分組不斷更新路由緩沖，所以下行分組可以準確轉發(fā)到移動主機處，很好地解決了蜂窩IP網(wǎng)內部的位置更新問題。在有些節(jié)點處還設置尋呼緩存，對路由緩存的起到一定彌補作用。 二、關鍵技術 1.移動主機。在蜂窩IP網(wǎng)絡中，移動主機有兩種狀態(tài)：激活(active)和空閑(idle)。當移動主機收到或準備發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，它的狀態(tài)從空閑轉為激活，而且，只要主機在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)分組，就一直保持激活狀態(tài)。當主機經(jīng)過一段時間沒有收到或發(fā)送任何數(shù)據(jù)分組，激活狀態(tài)超時，主機重新回到空閑狀態(tài)。當移動主機從空閑轉為激活狀態(tài)時，它發(fā)送路由修改分組，同時啟動一個定時器，初始值為路由修改時間。只要主機發(fā)送數(shù)據(jù)分組

6、，定時器就會重新初始化為路由修改時間，這樣就確保了在激活狀態(tài)下，間隔時間不大于路由修改時間的數(shù)據(jù)分組都可以發(fā)送。如果發(fā)送的數(shù)據(jù)分組足夠快，移動主機可以不產(chǎn)生路由修改分組。在空閑狀態(tài)下，移動主機定時發(fā)送尋呼修改分組，間隔為尋呼修改時間。當發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，移動主機就停止發(fā)送尋呼修改分組。當主機移動到一個新的基站或無線信道阻塞的情況下，如果主機處于激活狀態(tài)，就立即發(fā)送路由修改分組，否則就立即發(fā)送尋呼修改分組，保持主機與網(wǎng)絡的連接。 2.路由。在蜂窩IP節(jié)點維護路由緩存和尋呼緩存，存儲移動主機IP地址和相鄰下一節(jié)點的映射表。利用該映射表，通過hop-by-hop方式，構成上行路由；下行路由也利用該映射

7、表轉發(fā)數(shù)據(jù)分組；映射表由傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組創(chuàng)建和更新，因此，路由隨著移動主機位置更新而自動調整，很好地解決主機移動性問題。在上行鏈路方向(基站到網(wǎng)關)，其路由算法為：當分組到達一個節(jié)點時，節(jié)點檢查分組類型，如果是數(shù)據(jù)分組，就創(chuàng)建或修改節(jié)點的路由緩存，然后轉發(fā)到上行鏈路的下一節(jié)點；如果是尋呼修改分組，就創(chuàng)建或修改節(jié)點的尋呼緩存，同樣也轉發(fā)到上行鏈路的下一節(jié)點。在下行鏈路方向(網(wǎng)關到基站)，其路由算法為：節(jié)點首先檢查路由緩存中是否有分組的目的地址，如果存在，則將分組轉發(fā)到下一節(jié)點；如果沒有該地址的映射，則檢查節(jié)點處是否有尋呼緩存，若沒有尋呼緩存，就向所有下行鏈路的節(jié)點廣播該分組；如果存在尋呼緩存，且其

8、中有該分組的目的地址，就將分組轉發(fā)到對應的下一節(jié)點，否則就丟棄該分組。 3切換。蜂窩IP硬切換算法直接來源于蜂窩通信系統(tǒng)，當移動主機進入新的基站時，發(fā)送路由修改分組來改變路由映射表鏈，使其指向新的基站。這種切換造成切換完成后到達原基站的分組被丟棄，對分組丟失率等性能存在較大影響。為提高切換性能，引入新的切換機制準軟切換。準軟切換的具體過程為：準軟切換開始，移動主機向新基站發(fā)送路由修改分組，同時也偵聽原基站；路由修改分組在新基站創(chuàng)建路由緩存和尋呼緩存，當路由修改分組到達新老基站路由交匯節(jié)點時，在其路由緩存中增加新的映射，而不是替代原有的映射；移動主機從原基站和新基站同時接收分組；當移動主機完全進

9、入新基站后，發(fā)送新的路由修改分組，清除路由緩存映射，僅保留到新基站的路由，這樣就切換到新的基站上，完成準軟切換。 4.位置管理和尋呼。在蜂窩IP網(wǎng)絡中，幾個蜂窩組成一個尋呼域，每個尋呼域有唯一的尋呼域標識號?；驹诙〞r發(fā)送的導引信號中傳送尋呼域標識號，使移動主機通過導引信號獲得所在尋呼域的標識號。因此，空閑狀態(tài)移動主機不需要在蜂窩邊界發(fā)送位置修改分組，就可以支持廣域上的漫游。當空閑狀態(tài)主機在尋呼域內移動時，僅在尋呼修改時間超時后發(fā)送尋呼修改分組。當空閑狀態(tài)主機移動到新的尋呼域時，就必須發(fā)送尋呼修改分組。該分組通過基站以hop-by-hop方式路由到網(wǎng)關，在每個通過節(jié)點創(chuàng)建尋呼緩存，指向新的尋呼

10、域。尋呼修改分組到達網(wǎng)關后丟棄。基站選擇性的設置尋呼緩存，尋呼緩存和路由緩存有兩個方面的不同：一是尋呼緩存映射的超時時間更長，二是主機發(fā)送的素有分組都修改尋呼緩存映射，而路由緩存映射只能被數(shù)據(jù)分組和路由修改分組修改。當一個分組發(fā)往空閑狀態(tài)主機，而節(jié)點沒有指向該主機的路由緩存映射時，就發(fā)生尋呼。如果基站沒有尋呼緩存，就將分組轉發(fā)到所有下行基站；否則就利用尋呼緩存的映射，將分組轉發(fā)到下一節(jié)點，直至主機，這就避免了在蜂窩內查找的過程，降低了尋呼的費用。 三、性能分析 將蜂窩IP技術應用到WaveLAN系統(tǒng)中，建立實驗系統(tǒng)，主要分析蜂窩IP協(xié)議的切換性能，分析切換時的分組丟失率?？梢缘贸?，硬切換時，分

11、組丟失率隨著分組速率的上升而增加，也受到發(fā)送緩存器大小的影響；而在軟切換時，分組幾乎不丟失。因為在硬切換條件下，主機切換到新基站后，就立即丟棄原基站的分組，顯然當發(fā)送緩存器越大、分組速率越高時，丟棄的分組越多；而軟切換時，主機保留一段時間同時接收兩個基站的分組，所以幾乎就沒有分組丟失?？梢钥闯?，采用準軟切換的蜂窩IP技術在充分解決Internet主機移動性的基礎上，保證移動主機在頻繁切換下傳輸高速分組數(shù)據(jù)的性能，適用于微蜂窩和微微蜂窩，滿足第三代移動通信系統(tǒng)傳輸高速無線數(shù)據(jù)的需要。 蜂窩IP技術很好的利用了MobileIP和蜂窩移動系統(tǒng)的技術優(yōu)點，采用特有的路由、尋呼和準軟切換技術，適應下一代移動通信發(fā)展的需要。隨著移動通信和下一代Internet的迅猛發(fā)展，人們對于高速無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越迫切，蜂窩IP技術必將進一步發(fā)展和完善，與下一代移動通信系統(tǒng)和Internet完