高速列車快速切換方法研究

汪淳 楊祖芳 伍彩紅

摘 要：隨著高速列車時(shí)速的不斷加快，快速切換問(wèn)題隨之產(chǎn)生，現(xiàn)有移動(dòng)IP切換機(jī)制在切換時(shí)延和丟包率方面已無(wú)法滿足要求，故在未來(lái)解決方案中，可以引入路由最優(yōu)化和位置輔助機(jī)制來(lái)指導(dǎo)切換，從而改善系統(tǒng)切換性能。

關(guān)鍵詞：快速切換；路由最優(yōu)化；位置輔助機(jī)制

中圖分類號(hào)：TM922.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2013）23-0001-02

在信息發(fā)達(dá)的今天，高速列車移動(dòng)用戶的帶寬需求日趨強(qiáng)烈。而該類用戶的無(wú)線帶寬需求一直沒(méi)有被標(biāo)準(zhǔn)化組織考慮在內(nèi)，它們?cè)诼L(zhǎng)旅途中依然處于信息的孤島。我國(guó)2013年鐵路旅客運(yùn)送量已高達(dá)21億次，未來(lái)還會(huì)進(jìn)一步增長(zhǎng)。而且更多的乘客攜帶了便攜式移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，隨時(shí)有上網(wǎng)的需求。

無(wú)線信道在高速移動(dòng)環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移和信道衰落，使得高速移動(dòng)用戶實(shí)時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)變得非常困難。隨著用戶帶寬需求的增加，就要求通信系統(tǒng)具有更高的帶寬和更低的功率，這就使無(wú)線載波頻率逐漸升高或轉(zhuǎn)移到射頻微波頻段上來(lái)，從而產(chǎn)生大量的微小區(qū)、微微小區(qū)。切換是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)支持終端漫游的基本能力。切換性能的好壞，直接影響通信系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量。

現(xiàn)有的切換技術(shù)不能滿足高速移動(dòng)下的多媒體實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的無(wú)損傳輸。現(xiàn)有的切換策略，無(wú)論是硬切換、軟切換、一般切換還是快速切換，均是工作在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的兩層切換結(jié)構(gòu)。由于兩層切換均會(huì)產(chǎn)生一定的通信延時(shí)，并且為了傳輸切換信息，會(huì)產(chǎn)生大量的信令控制包，占用過(guò)度的信道資源，增加了系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)擔(dān)。因此在未來(lái)的切換算法的研究中，減少切換時(shí)延和精簡(jiǎn)信令的交互，是值得關(guān)注的問(wèn)題。

而且，高速和微小區(qū)的組合帶來(lái)了頻繁切換的問(wèn)題。對(duì)于高速列車的場(chǎng)景，要求切換時(shí)間更短和切換成功率更高，其可靠性和有效性都將是一個(gè)新的問(wèn)題。

1 現(xiàn)有移動(dòng)IP技術(shù)的不足

目前，無(wú)線接入網(wǎng)采取的切換技術(shù)是MIP（Mobile IP）或MIPv6協(xié)議，此協(xié)議通過(guò)引入家鄉(xiāng)代理HA（Home Agent）、轉(zhuǎn)交地址CoA（Care-of-Address）、隧道機(jī)制等，保證了節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過(guò)程中和該節(jié)點(diǎn)相連接的通信不會(huì)中斷。但在越區(qū)切換的時(shí)候，數(shù)據(jù)報(bào)文需要進(jìn)行多次隧道封裝，使得路由更新的報(bào)文開(kāi)銷大，出現(xiàn)切換時(shí)延長(zhǎng)、丟包率高、信令開(kāi)銷大的問(wèn)題。因?yàn)樗旧硎且粋€(gè)宏切換協(xié)議，適用于接入網(wǎng)與接入網(wǎng)之間的切換。在同一個(gè)接入網(wǎng)內(nèi)部，需要一個(gè)基于移動(dòng)IP技術(shù)的微移動(dòng)切換協(xié)議，該協(xié)議需要解決在頻繁切換的場(chǎng)景下，與移動(dòng)終端通信的每個(gè)主機(jī)來(lái)得及收到移動(dòng)主機(jī)的地址更新消息，而確保通信的不間斷。

IETF工作組提出的切換方案可以分為兩大類：一種是應(yīng)用主機(jī)預(yù)先轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的Cellular IP協(xié)議、Hawaii協(xié)議；另一種是基于隧道轉(zhuǎn)發(fā)的移動(dòng)Ipv4區(qū)域登記協(xié)議、分層移動(dòng)Ipv6（HMIPv6）協(xié)議，以上協(xié)議均是以接入網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)為前提的。

IST BRAIN項(xiàng)目組提出的BCMP微移動(dòng)協(xié)議不考慮接入網(wǎng)的拓?fù)漕愋?，能夠通過(guò)接入網(wǎng)中的固定接入點(diǎn)（Anchor Point）將移動(dòng)主機(jī)連接到網(wǎng)絡(luò)，并且在新舊接入點(diǎn)之間開(kāi)通信息緩存管道以減小切換過(guò)程中的丟包。

快速移動(dòng)Ipv6切換協(xié)議（FMIPv6）致力于克服網(wǎng)絡(luò)切換中存在的時(shí)延問(wèn)題，它是由IETF小組提出的，主要針對(duì)網(wǎng)絡(luò)配置時(shí)間的優(yōu)化，采取的辦法是通過(guò)鏈路層變化提前預(yù)測(cè)移動(dòng)終端位置，做好預(yù)切換準(zhǔn)備。例如：網(wǎng)絡(luò)中，某條鏈路下行信道信號(hào)強(qiáng)度減弱，表明切換有可能發(fā)生，在移動(dòng)終端與舊基站還保持通信的同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)就已經(jīng)獲取新子網(wǎng)鏈路信息，提前做好預(yù)切換準(zhǔn)備。遺憾的是鏈路層觸發(fā)方案沒(méi)有得到標(biāo)準(zhǔn)化組織的認(rèn)可，由于不同接入網(wǎng)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)不同，因此會(huì)存在不同類型接入網(wǎng)難以兼容的問(wèn)題。

上述MIPv6、HMIPv6和FMIPv6方案均在實(shí)驗(yàn)的初級(jí)階段，總之，網(wǎng)絡(luò)中的切換時(shí)延和丟包現(xiàn)象是受移動(dòng)探測(cè)，網(wǎng)絡(luò)授權(quán)和地址轉(zhuǎn)交等一系列開(kāi)銷影響的，目前移動(dòng)IP小組沒(méi)有將快速列車的切換問(wèn)題考慮到亟需解決方案之列。

2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪x擇與路由最優(yōu)化

針對(duì)移動(dòng)IP技術(shù)的不足，需要探索新的微移動(dòng)切換協(xié)議，該協(xié)議的選擇，需要從多方面綜合評(píng)價(jià)，包括使用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、切換效率和是否滿足路由最優(yōu)化，以及能否有效減小切換延時(shí)和丟包率等。

網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇在改善鏈路的魯棒性和負(fù)載平衡方面發(fā)揮了作用，Cellular IP與移動(dòng)Ipv4區(qū)域登記協(xié)議選擇了樹(shù)狀結(jié)構(gòu)以克服延時(shí)和丟包率。Hawaii協(xié)議選擇網(wǎng)狀拓?fù)鋮s付出多級(jí)路由，多次切換后點(diǎn)對(duì)點(diǎn)高時(shí)延的代價(jià)。而B(niǎo)CMP協(xié)議，不規(guī)定任何網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它將移動(dòng)終端由一個(gè)接入點(diǎn)切換到另一個(gè)接入點(diǎn)定義為宏移動(dòng)切換的范疇，從而避免探討微移動(dòng)的問(wèn)題，具體性能比較如表1所示。

最新研究的微移動(dòng)協(xié)議MEHROM是一種支持有效切換和最佳路由的切換方法，它采用主機(jī)預(yù)先轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，首先通過(guò)一跳一跳的方式向原始接入點(diǎn)發(fā)送切換信息包，交叉節(jié)點(diǎn)在接收到該包后，判斷下一跳路由是否為最優(yōu)化路由，若為否，則啟動(dòng)路由優(yōu)化協(xié)議OSPF（開(kāi)放的最短路徑優(yōu)先）判斷下一跳位置，再轉(zhuǎn)發(fā)信息包，直至抵達(dá)接入網(wǎng)關(guān)。

該協(xié)議是一種在高頻率切換條件下性能比較優(yōu)越的切換協(xié)議。它不受網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（樹(shù)狀、網(wǎng)狀、域狀或環(huán)狀）的限制，圖1表明MEHROM協(xié)議比Cellular IP與移動(dòng)Ipv4區(qū)域登記協(xié)議在切換時(shí)延和丟包率方面具有良好的改進(jìn)效果，而比Hawaii協(xié)議在路由最佳路徑選擇上更具優(yōu)勢(shì)，如圖2所示。

3 位置輔助切換機(jī)制

位置輔助切換是切換問(wèn)題的新切入點(diǎn)，最早是在一種智能路由協(xié)議APACHE（主動(dòng)切換增強(qiáng)協(xié)議）中提出的，它將移動(dòng)終端位置和行程信息作為切換依據(jù)，當(dāng)然，需要GPS技術(shù)的支持。在APACHE協(xié)議中，位置信息是該路由協(xié)議的一個(gè)重要組成部分，此有別于現(xiàn)在的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)僅僅在與位置相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)上或者網(wǎng)絡(luò)信息采集上關(guān)注該信息。在APACHE中移動(dòng)終端IP地址不發(fā)生改變，移動(dòng)管理工作在網(wǎng)絡(luò)層，利用管道機(jī)制保證切換的連續(xù)性。

在該協(xié)議中：①切換初始，服務(wù)BS根據(jù)MS當(dāng)前位置信息計(jì)算和預(yù)測(cè)切換觸發(fā)時(shí)機(jī)。該預(yù)測(cè)信息直接轉(zhuǎn)交給網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，交換機(jī)的作用是在接入網(wǎng)關(guān)和新舊BS之間開(kāi)通無(wú)線通信鏈路，保證MS的接入。②交換機(jī)執(zhí)行切換時(shí)，一條連接到新BS的數(shù)據(jù)鏈路緩沖區(qū)形成并且自動(dòng)完成路由更新，此后到達(dá)的數(shù)據(jù)包將由該緩沖區(qū)轉(zhuǎn)發(fā)給新BS。③等待物理層和鏈路層切換工作完成，網(wǎng)絡(luò)層已做好預(yù)切換準(zhǔn)備，數(shù)據(jù)包已經(jīng)在新BS等待MS的到達(dá)。

由于該協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)層完成預(yù)切換準(zhǔn)備工作，相較于其它切換協(xié)議，切換延時(shí)得到很大程度的減小，APACHE 協(xié)議比其他沒(méi)有預(yù)切換準(zhǔn)備的硬切換協(xié)議，如Cellular IP，在TCP吞吐量上得到很大提升。此外，APACHE協(xié)議相較于Hawaii協(xié)議，無(wú)需數(shù)據(jù)包的重新封裝，也不像Cellular IP有那么高的掉包率。因此，可以考慮將該協(xié)議的思想運(yùn)用到高速移動(dòng)用戶上。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了高速移動(dòng)用戶對(duì)寬帶網(wǎng)絡(luò)接入的需求日益迫切，解決方案是提高射頻頻率和引入微小區(qū)和微微小區(qū)。該方案下切換機(jī)制是研究重點(diǎn)，而現(xiàn)有的移動(dòng)IP技術(shù)又無(wú)法完成切換的最優(yōu)化，故在未來(lái)解決方案中，可以引入路由最優(yōu)化和位置輔助機(jī)制來(lái)指導(dǎo)切換，從而有效減小切換延時(shí)和丟包率，從而解決高速列車的切換問(wèn)題。

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