3G-WLAN融合網(wǎng)絡(luò)中一種新的雙模終端設(shè)計

亓海濤,劉 偉

(電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國家級重點實驗室,成都 611731)

3G-WLAN融合網(wǎng)絡(luò)中一種新的雙模終端設(shè)計

亓海濤,劉 偉

(電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國家級重點實驗室,成都 611731)

設(shè)計了一種能夠在3G與WLAN融合網(wǎng)絡(luò)中智能切換的雙模終端模型。為了實現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)之間的無縫切換,提出了網(wǎng)絡(luò)接口選擇算法。該算法通過提前注冊和認證機制減少了垂直切換時延,并采用提前切換的方法減少了垂直切換時數(shù)據(jù)包丟失。仿真結(jié)果驗證了設(shè)計和算法具有良好性能。

融合網(wǎng)絡(luò);雙模終端;無縫切換;網(wǎng)絡(luò)接口選擇

1 引 言

近年來,3G移動通信網(wǎng)絡(luò)和WLAN技術(shù)及應(yīng)用都在飛速發(fā)展。3G無線系統(tǒng)可以為用戶提供無所不在的連接,但3G網(wǎng)絡(luò)投資規(guī)模大,傳輸速率低。WLAN建網(wǎng)價格低廉,傳輸速率高,但覆蓋范圍小,只能適用于賓館、辦公室、機場等地區(qū)。因此,WLAN與3G無線系統(tǒng)具有很強的互補性,可以把WLAN作為一種無線接入方式融入3G無線系統(tǒng)。

當(dāng)前研究[1-3]已經(jīng)提出了很多3G和WLAN網(wǎng)絡(luò)融合的架構(gòu)方案,這些方案都是假設(shè)有能夠在3G和WLAN融合網(wǎng)絡(luò)中漫游的雙模終端,但能夠在兩種網(wǎng)絡(luò)間智能切換的雙模終端[4-5]較少。文獻[4]提出的雙模終端模型需要修改3G網(wǎng)絡(luò)中核心網(wǎng)元GGSN,另外在垂直切換后IP地址改變,可能導(dǎo)致通信中斷。文獻[5]設(shè)計的雙模終端模型沒有提出減少垂直切換時數(shù)據(jù)包丟失的方法,也沒有提出如何防止垂直切換時乒乓效應(yīng)的發(fā)生。本文設(shè)計了一種能夠在3G和WLAN融合網(wǎng)絡(luò)中智能切換的雙模終端模型。這種雙模終端適用于各種網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu),并且在兩種網(wǎng)絡(luò)間切換時對用戶透明,改善了用戶通信體驗。本文提出并詳細討論了網(wǎng)絡(luò)接口選擇算法,通過該算法實現(xiàn)了兩種網(wǎng)絡(luò)之間的自動切換,減少了垂直切換時延和切換時數(shù)據(jù)包丟失,同時防止了乒乓效應(yīng)的發(fā)生。最后,通過仿真對本設(shè)計進行了性能驗證。

2 3G-WLAN網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)

松耦合網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)最大限度的保持了WLAN和3G網(wǎng)絡(luò)各自的獨立性,具有簡單、靈活、安全的特點,應(yīng)用廣泛。因此,本設(shè)計選擇了松耦合網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)作為網(wǎng)絡(luò)融合方案。3GPP已經(jīng)提議了松耦合網(wǎng)絡(luò)融合構(gòu)架[6]和基于移動IP的移動性管理機制[7]。圖1所示為3GPP提議的松耦合網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)。在這種架構(gòu)下,WLAN網(wǎng)絡(luò)和3G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了重疊覆蓋,當(dāng)終端將要從WLAN網(wǎng)絡(luò)切換到3G網(wǎng)絡(luò)時,3G網(wǎng)絡(luò)總是可用的。

圖1 松耦合網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)Fig.1 Loose interworking architecture

3 雙模終端模型

現(xiàn)有的雙模終端大多需要手動切換,這將導(dǎo)致用戶通信中斷,降低用戶通信體驗。即使終端能夠在兩種網(wǎng)絡(luò)之間自動切換,也將產(chǎn)生垂直切換時延[3,8],并可能發(fā)生乒乓效應(yīng)和切換時數(shù)據(jù)包丟失[3]。垂直切換時延主要包括兩方面:一是從3G切換到WLAN網(wǎng)絡(luò)時,進行AAA和移動IP(Mobile IP,MIP)信令交互產(chǎn)生的時延;二是從WLAN網(wǎng)絡(luò)切換到3G網(wǎng)絡(luò)時,PDP上下文激活和移動IP信令交互產(chǎn)生的時延。乒乓效應(yīng)主要是由于用戶頻繁地進出WLAN網(wǎng)絡(luò)熱點區(qū)時,終端在WLAN網(wǎng)絡(luò)和3G網(wǎng)絡(luò)之間頻繁切換造成的。切換時數(shù)據(jù)包丟失主要是由于終端斷開原網(wǎng)絡(luò)切換到另一種網(wǎng)絡(luò)時,從原網(wǎng)絡(luò)返回的數(shù)據(jù)包不能正常接收造成。

為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口之間的自動切換以及解決以上問題,本文設(shè)計了一種新型的雙模終端模型,如圖2所示。終端具備兩個不同的網(wǎng)絡(luò)接口:3G和WLAN,為滿足終端能根據(jù)需要接入不同網(wǎng)絡(luò)的需求,在網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層之間添加了網(wǎng)絡(luò)接口選擇模塊。通過網(wǎng)絡(luò)接口選擇算法,實現(xiàn)了兩種網(wǎng)絡(luò)之間的自動切換,減少了垂直切換時延和數(shù)據(jù)包丟失,并防止了乒乓效應(yīng)發(fā)生。

圖2 雙模終端模型協(xié)議棧Fig.2 The dual-mode terminal model protocol stack

這種終端模型只是增加了網(wǎng)絡(luò)接口選擇模塊,對IP層和數(shù)據(jù)鏈路層改動較小,并沒有修改其他層的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,具有模塊化和靈活性的特點,易于擴展和開發(fā)。另外,這種終端模型不僅適用于松耦合網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu),也適用于其他網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)。

4 網(wǎng)絡(luò)接口選擇算法

本設(shè)計主要在網(wǎng)絡(luò)選擇模塊實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口選擇。網(wǎng)絡(luò)接口選擇模塊接收WLAN接口的接收信號強度報告和信令完成報告、WLAN網(wǎng)絡(luò)的BSSID和SSID以及3G網(wǎng)絡(luò)接口和IP層的信令交互完成報告,然后根據(jù)不同報告做出相應(yīng)的切換決策。這些信令主要包括PDP上下文激活、AAA和移動IP信令。

由于WLAN網(wǎng)絡(luò)帶寬大于 3 G網(wǎng)絡(luò),在3G與WLAN網(wǎng)絡(luò)重疊覆蓋區(qū),用戶優(yōu)先接入WLAN網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)終端進入WLAN熱點區(qū),網(wǎng)絡(luò)接口選擇模塊檢測到WLAN接收信號強度在一定時間內(nèi)滿足條件,并且AAA和移動IP信令交互完成,就通告IP層選擇WLAN網(wǎng)絡(luò)進行通信。同理,當(dāng)終端將要離開WLAN熱點區(qū),網(wǎng)絡(luò)接口選擇模塊檢測到WLAN接收信號強度在一定時間內(nèi)滿足條件,并且PDP上下文激活和移動IP信令交互完成,就通告IP層選擇3G網(wǎng)絡(luò)進行通信。這樣就實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)之間自動切換。

4.1 切換觸發(fā)

在切換到另一種網(wǎng)絡(luò)之前,終端需要判斷網(wǎng)絡(luò)條件是否到達切換標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計選擇終端接收到的信號強度(Received Signal Strength,RSS)作為切換觸發(fā)條件。由于3G網(wǎng)絡(luò)總是可用的,終端只需檢測WLAN網(wǎng)絡(luò)接口的接收信號強度。為了防止垂直切換時乒乓效應(yīng)的發(fā)生,本設(shè)計選擇在接收信號強度達到門限值并保持一段時間再切換的方法。

4.2 切換執(zhí)行

為了減少AAA信令,移動IP信令和PDP上下文激活產(chǎn)生的延遲并防止乒乓效應(yīng)的發(fā)生,本文提出了預(yù)切換的方法。預(yù)切換就是當(dāng)終端將要從一個網(wǎng)絡(luò)接口切換到另一個網(wǎng)絡(luò)接口進行用戶應(yīng)用業(yè)務(wù)通信時,提前進行AAA、移動IP和PDP上下文激活信令等。當(dāng)這些信令交互完成后,終端正式切換到另一個網(wǎng)絡(luò)進行通信。切換時刻和WLAN網(wǎng)絡(luò)接口的接收信號強度關(guān)系如圖3所示。圖中,RSSMin為終端的WLAN網(wǎng)絡(luò)接口與接入點(Access Point,AP)在數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)生關(guān)聯(lián)時的接收信號強度,即終端能夠從WLAN網(wǎng)絡(luò)正確接收數(shù)據(jù)的信號強度下限;RSSUp為終端從3G網(wǎng)絡(luò)切換到WLAN網(wǎng)絡(luò)的接收信號強度門限值;RSSDown為終端從WLAN網(wǎng)絡(luò)切換到3G網(wǎng)絡(luò)的接收信號強度門限值。下面詳細描述切換過程中怎樣減少切換時延和數(shù)據(jù)包丟失,并防止乒乓效應(yīng)發(fā)生。

圖3 切換時刻和WLAN網(wǎng)絡(luò)接口接收信號強度關(guān)系Fig.3 Relationship between switching time and WLAN interface received signal strength

4.2.1 從3G網(wǎng)絡(luò)切換到WLAN網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)用戶從WLAN網(wǎng)絡(luò)熱點區(qū)之外進入WLAN網(wǎng)絡(luò)熱點區(qū),網(wǎng)絡(luò)接口選擇模塊檢測到WLAN接口的RSS大于RSSUp時,進入預(yù)切換階段,網(wǎng)絡(luò)接口選擇模塊開啟一個計時器。如果計時器計時到達Δt1之前,又檢測到RSS小于RSSUp,計時器清零。當(dāng)RSS高于RSSUp,計時器再次開始計時。當(dāng)計時器達到Δt1,開始進行AAA和移動IP信令交互,這些信令從WLAN網(wǎng)絡(luò)接口通過WLAN網(wǎng)絡(luò)傳輸,而用戶應(yīng)用業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)仍然從3G網(wǎng)絡(luò)接口傳輸。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)接口選擇模塊檢測到AAA和移動IP信令交互完成,網(wǎng)絡(luò)接口選擇模塊通告IP層正式切換到WLAN網(wǎng)絡(luò),終端利用WLAN網(wǎng)絡(luò)接口以及從WLAN網(wǎng)絡(luò)獲得的IP地址和默認網(wǎng)關(guān)進行通信。此處的預(yù)切換有兩個作用,一是保證RSS達到切換門限值并保持Δt1,防止了乒乓效應(yīng)的發(fā)生;二是減少了AAA和移動IP信令導(dǎo)致的切換時延。

由于3G網(wǎng)絡(luò)總是可用的,從3G網(wǎng)絡(luò)切換到WLAN網(wǎng)絡(luò)之后,從3G網(wǎng)絡(luò)返回的數(shù)據(jù)包能夠被3G網(wǎng)絡(luò)接口正確接收,不會發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失。

4.2.2 從WLAN網(wǎng)絡(luò)切換到3G網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)用戶要離開WLAN網(wǎng)絡(luò)熱點區(qū)時,網(wǎng)絡(luò)接口選擇模塊檢測到RSS小于RSSDown,進入預(yù)切換階段,網(wǎng)絡(luò)接口選擇模塊開啟一個計時器。如果計時器計時到達Δt2之前,又檢測到RSS大于RSSDown,計時器清零。當(dāng)RSS低于RSSDown,計時器再次開始計時。當(dāng)計時器到達Δt2,開始進行PDP上下文激活和移動IP信令交互,這些信令從3G網(wǎng)絡(luò)接口通過3G網(wǎng)絡(luò)傳輸,而用戶應(yīng)用業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)仍然從WLAN網(wǎng)絡(luò)接口傳輸。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)接口選擇模塊檢測到PDP上下文激活和移動IP信令交互完成,網(wǎng)絡(luò)接口選擇模塊通告IP層正式切換到3G網(wǎng)絡(luò),終端利用3G網(wǎng)絡(luò)接口以及從3G網(wǎng)絡(luò)獲得的IP地址和默認網(wǎng)關(guān)進行通信。此處的預(yù)切換有兩個作用,一是保證RSS達到切換門限值并保持Δt2,防止了乒乓效應(yīng)的發(fā)生;二是減少了PDP上下文激活和移動IP信令導(dǎo)致的切換時延。

從圖3中可以看到,從WLAN網(wǎng)絡(luò)切換到3G網(wǎng)絡(luò)后,WLAN網(wǎng)絡(luò)接口RSS還沒有降到RSSMin,WLAN網(wǎng)絡(luò)接口可以繼續(xù)接收從WLAN網(wǎng)絡(luò)返回的數(shù)據(jù)包,從而減少了數(shù)據(jù)包丟失。

網(wǎng)絡(luò)接口選擇算法如圖4所示。該算法不僅可以減少AAA、移動IP、PDP上下文激活信令導(dǎo)致的時延,也可以減少垂直切換時其他信令導(dǎo)致的時延。另外,該算法思想也適用于多網(wǎng)絡(luò)接口間的切換。

圖4 網(wǎng)絡(luò)接口選擇算法Fig.4Network interface selection algorithm

5 仿真實驗

5.1 仿真場景

本文用Opnet14.5進行了仿真。終端模型如圖5所示。

圖5 雙模終端模型Fig.5 The dual-mode terminal model

為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口選擇算法,在模型中增加了網(wǎng)絡(luò)接口選擇模塊(ISU)。ISU模塊分別與IP模塊、3G和WLAN網(wǎng)絡(luò)接口模塊連接,相互交換信息。IP模塊分別與WLAN網(wǎng)絡(luò)接口的ARP模塊和3G網(wǎng)絡(luò)接口的GMM模塊相連接,進行數(shù)據(jù)傳輸。IP模塊維護兩個IP地址:WLAN網(wǎng)絡(luò)和3G網(wǎng)絡(luò)的IP地址。構(gòu)建的松耦合的網(wǎng)絡(luò)仿真場景如圖6所示,WLAN網(wǎng)絡(luò)由AP組成,3G網(wǎng)絡(luò)由Node-B、RNC、SGSN、GGSN組成。GGSN為移動IP網(wǎng)絡(luò)中的家鄉(xiāng)代理(Home Agent,HA)。

圖6 仿真場景Fig.6 The simulation scenario

5.2 仿真預(yù)設(shè)

本文選擇了不同應(yīng)用業(yè)務(wù)類型對設(shè)計進行性能評估。表1展示了不同的業(yè)務(wù)類型和相應(yīng)的QoS類型、傳輸層協(xié)議以及測量參數(shù)。通過觀察垂直切換時兩個網(wǎng)絡(luò)接口接收數(shù)據(jù)的時間來驗證網(wǎng)絡(luò)接口選擇算法的性能。

表1 仿真參數(shù)Table 1 The simulation parameters

5.3 仿真結(jié)果及分析

圖7所示為終端從3G網(wǎng)絡(luò)切換到WLAN網(wǎng)絡(luò)時兩個網(wǎng)絡(luò)接口接收流量。從圖中可看到流量并沒有中斷,會話是持續(xù)的,驗證了兩種網(wǎng)絡(luò)的無縫切換。從圖中還可以看到,在從3G網(wǎng)絡(luò)切換到WLAN網(wǎng)絡(luò)之前,WLAN網(wǎng)絡(luò)接口已經(jīng)有了很小的流量,這是預(yù)切換階段信令交互產(chǎn)生的流量。從圖中也可以看到,終端能夠從3G網(wǎng)絡(luò)自動切換到WLAN網(wǎng)絡(luò),充分利用WLAN網(wǎng)絡(luò)帶寬。

圖7 3G和WLAN網(wǎng)絡(luò)接口接收流量Fig.7 3G and WLAN interfaces received traffic

圖8和圖9分別為FTP業(yè)務(wù)文件上傳響應(yīng)時間和HTTP業(yè)務(wù)頁響應(yīng)時間。從圖中可以看出WLAN網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間明顯優(yōu)于3G網(wǎng)絡(luò)。圖10所示為語音通信端到端時延,對于語音業(yè)務(wù),WLAN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢并不明顯。

圖8 FTP應(yīng)用上傳響應(yīng)時間Fig.8 FTP application upload response time

圖9 HTTP應(yīng)用頁響應(yīng)時間Fig.9 HTTP application page response time

圖10 語音應(yīng)用端到端時延Fig.10 Voice application end to end delay

以上仿真結(jié)果驗證了所提出的設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)接口選擇算法具有良好性能,同時為用戶根據(jù)不同業(yè)務(wù)接入不同網(wǎng)絡(luò)提供了依據(jù)。對于文件下載業(yè)務(wù)、網(wǎng)頁瀏覽業(yè)務(wù),不論是傳輸帶寬還是響應(yīng)時間,WLAN網(wǎng)絡(luò)明顯優(yōu)于3G網(wǎng)絡(luò),因此應(yīng)優(yōu)先選擇WLAN網(wǎng)絡(luò);對于語音類業(yè)務(wù)可以選擇3G網(wǎng)絡(luò)或WLAN網(wǎng)絡(luò)。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計的終端模型具有模塊化和靈活性的特點,易于擴展和開發(fā),并且能夠適用于各種網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)。提出的網(wǎng)絡(luò)接口選擇算法思想不僅適用于兩種網(wǎng)絡(luò)之間的切換,也適用于多種網(wǎng)絡(luò)之間的切換。另外,通過仿真驗證了本設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)之間的智能切換,改善用戶通信體驗,同時得到了兩種網(wǎng)絡(luò)對各種業(yè)務(wù)類型的支持能力,為用戶根據(jù)不同業(yè)務(wù)接入不同網(wǎng)絡(luò)提供了依據(jù)。在以后的研究中,可以在終端中加入并發(fā)業(yè)務(wù)接入控制算法,根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)對各種業(yè)務(wù)支持能力以及用戶偏好差異選擇接入不同網(wǎng)絡(luò)進行通信。

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QI Hai-tao was born in Laiwu,Shandong Province,in 1987.He received the B.S.degree in 2010.He is now a graduate student.His research interests include wireless communication and wireless network.

Email:haitaoqi@foxmail.com

劉 偉(1971—),男,山東文登人,2004年于電子科技大學(xué)獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為講師,主要研究方向為無線通信與無線網(wǎng)絡(luò)。

LIU Wei was born in Wendeng,Shandong Province,in 1971.He received the M.S.degree from University of Electronic Science of Technology of China in 2004.He is now a lecturer.His research interests include wireless communication andwireless network.

Email:liuwei@uestc.edu.cn

The National Science and Technology Major Project(2008ZX03005)

A Novel Dual-mode Terminal Design for 3G-WLAN Interworking Networks

QI Hai-tao,LIU Wei
(National Key Laboratory of Science and Technology on Communications,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,China)

A dual-mode terminal model that can perform intelligent handoff between 3G and WLAN is designed.In order to realize seamless handoff between the two networks,a network interface selection algorithm is proposed.By pre-registration and pre-authentication in the algorithm,vertical handoff delays are reduced.Moreover,pre-handoff is used in order to reduce packets lossduring the vertical handoff period.A good performance of the design and algorithm is verified through simulation.

interworking networks;dual-mode terminal;seamless switching;network interface selection

TN915;TN802

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.035

1001-893X(2012)06-1003-06

2011-12-21;

2012-02-22

國家科技重大專項(2008ZX03005)

亓海濤(1987—),男,山東萊蕪人,2010年獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為碩士研究生,主要研究方向為無線通信與無線網(wǎng)絡(luò);