WiMAX和WiFi?垂直切換的無縫銜接

摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，下一代無線網(wǎng)絡(luò)將包括數(shù)個(gè)重疊的層次，為移動(dòng)用戶提供不間斷的通信是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在WiMAX和位于同一基站W(wǎng)iFi的情況下，垂直切換延遲將會(huì)減少與兩個(gè)傳統(tǒng)的WiMAX、WiFi網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性。然而，協(xié)議轉(zhuǎn)換仍然是增加延遲和抖動(dòng)之間數(shù)據(jù)交換所需的兩種技術(shù)。在該文中，為了減少在協(xié)議轉(zhuǎn)換中的延遲，提出了一個(gè)新的工業(yè)設(shè)計(jì)，在WiMax和WiFi中添加適配層，對這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)間互通的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了討論和評價(jià)。結(jié)果表明，具有比其他相關(guān)工作更好的性能。

關(guān)鍵詞：WiFi；WiMAX；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；無縫銜接

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）05-1096-02

The Seamless Connection of the Vertical Handover between the WiMAX and WiFi

LI Shao-feng

（Department of Computer Sciences， Yunyang Teachers College， Shiyan 442000， China）

Abstract： With the development of the network， the next generation of the wireless networks will consist of several overlapping tiers. Provision of undisrupted communication to mobile users is a challenging task. In the case of both the WiMAX and the WiFi technologies which are located at the same base station （BS）， the vertical handover （VHO） delay will be less as compared with the two conventional WiMAX/WiFi heterogeneous networks with two different wireless Internet service providers. Nevertheless， protocol conversion is still adding delay and jitter for data exchange between the needed two technologies. In this paper， in order to reduce the delay in the protocol conversion， a new industrial design for WiWi （WiMAX and WiFi） adaptation layer is proposed. The realization of the interworking between these two standards is discussed and evaluated. The results show that the proposed scheme-with the scenario under study- has better performance than other related works.

Key words： WiFi； WiMAX； Heterogeneous Network； The seamless connection

高速互聯(lián)網(wǎng)接入有線電視、數(shù)字用戶線（DSL），和其他固定寬帶連接到無線熱點(diǎn)形成了無線網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)提高了人們生產(chǎn)力和方便。今天， 數(shù)以百萬計(jì)的辦公室、家庭、和公共場所，如酒店、咖啡館、機(jī)場等都在提供幾乎無處不在的無線網(wǎng)絡(luò)。而無線網(wǎng)絡(luò)接收器已集成到筆記本電腦、手機(jī)和消費(fèi)電子產(chǎn)品等這些設(shè)備中。另一方面，WiMAX無線互聯(lián)網(wǎng)接入到一個(gè)新的水平，并隨著時(shí)間的推移，也可以實(shí)現(xiàn)類似的速率作為無線設(shè)備。WiMAX可以提供互聯(lián)網(wǎng)接入最近的WiFi熱點(diǎn)形成更大的覆蓋面積，無論是都市、郊區(qū)或農(nóng)村，都能每秒多兆比特移動(dòng)寬帶上網(wǎng)。雖然，廣域網(wǎng)路連通性提供了3G蜂窩數(shù)據(jù)移動(dòng)服務(wù)，這些服務(wù)為用戶提供寬帶速度和已經(jīng)習(xí)慣WiMAX服務(wù)。在過去的幾年中，已經(jīng)建立了相關(guān)的WiMAX網(wǎng)絡(luò)作為一種替代有線DSL和電纜，提供有競爭力的寬帶服務(wù)，可以迅速部署和有效的降低成本。

WiMAX和WiFi在一起，是理想合作伙伴，服務(wù)供應(yīng)商在很多的地方提供方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的移動(dòng)寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。兩者都是以互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）為基礎(chǔ)建立開放IEEE無線標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序和服務(wù)。IEEE 802.11加速了網(wǎng)絡(luò)部署在有限的地理范圍內(nèi)提供高傳輸速率，IEEE 802.16提供了更多的靈活性，同時(shí)保持技術(shù)數(shù)據(jù)速率和傳輸范圍。無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍是有限的，很難滿足未來無所不在的網(wǎng)絡(luò)需求，而IEEE 802.16可以提供一個(gè)更廣闊的區(qū)域內(nèi)的接入高速互聯(lián)網(wǎng)。IEEE 802.16和IEEE 802.11的組合來創(chuàng)建一個(gè)完整的無線解決方案給用戶提供高速互聯(lián)網(wǎng)接入是必然的趨勢。這兩種技術(shù)都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，一方面，WiFi可提供高數(shù)據(jù)速率（500 MB / s的設(shè)想），但其功率是限制的，因此在覆蓋更密閉。另一方面，盡管WiMAX數(shù)據(jù)速率限制（70 MB / s固定），它可以提供像蜂窩系統(tǒng)那樣廣泛的覆蓋面。WiFi和WiMAX網(wǎng)絡(luò)之間的差異是媒體訪問控制（MAC）和頻譜決定的信道分配的機(jī)制。WiFi系無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是在免授權(quán)（無牌）頻段操作，而WiMAX系統(tǒng)使用授權(quán)頻段。因此，WiMAX和WiFi有不同的MAC設(shè)計(jì)。WiFi的MAC是基于CSMA / CA的爭奪，而WiMAX 中定義MAC是基站調(diào)度時(shí)隙的用戶站非競爭。另外，WiMAX采用正交頻分多址接入（OFDMA）物理層，這樣基站可以分配子載波給每個(gè)SS的子集頻域。

1 相關(guān)工作

WiMAX和WiFi垂直切換技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)利用。例如，媒體獨(dú)立切換802.21是一個(gè)新興的IEEE標(biāo)準(zhǔn)，在異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)類型包括802和非802網(wǎng)絡(luò)允許越區(qū)、蜂窩之間切換和以802為基礎(chǔ)的技術(shù)，即802.11、802.15和802.16網(wǎng)絡(luò)。非授權(quán)移動(dòng)接入（UMA）基于IMS（IP多媒體子系統(tǒng)）是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)3GPP標(biāo)準(zhǔn)，提供了在IP網(wǎng)絡(luò)中垂直切換與工作的相互擴(kuò)展移動(dòng)語音，數(shù)據(jù)和多媒體應(yīng)用。然而，這些標(biāo)準(zhǔn)被設(shè)計(jì)為獨(dú)立的工程量，即網(wǎng)關(guān)或服務(wù)器作為工作裝置的兩個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)可以相互擁有和控制操作。輕量級切換模塊的需求，可以工作在移動(dòng)或小的接入點(diǎn)。完整的網(wǎng)絡(luò)無線和有線服務(wù)及應(yīng)用程序在移動(dòng)設(shè)備的可移植性是由兩者的下一代網(wǎng)絡(luò)和P2P實(shí)現(xiàn)。隨著移動(dòng)IP的發(fā)展（MIP）和媒體獨(dú)立切換（MIH）支持，VoIP復(fù)用多播方案在WiMAX基礎(chǔ)設(shè)施容量增加一倍，達(dá)到IEEE802.11。WLAN連接到城域網(wǎng)的語音能力受到無線局域的網(wǎng)嚴(yán)重限制，復(fù)用多播方案充分改進(jìn)VoIP在無線分布系統(tǒng)的延遲、容量和覆蓋范圍。

網(wǎng)格協(xié)調(diào)功能是是一種新的方法，可用于802.11網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。該方法通過將802.16數(shù)據(jù)包傳到802.11廣播報(bào)文進(jìn)行填充，使全反式任務(wù)可以排列在802.16幀邊界。結(jié)果表明，該方法顯著降低請求應(yīng)答前固有的開銷。對WLAN / WiMAX切換場景，在一個(gè)動(dòng)態(tài)的WLAN / WiMAX網(wǎng)絡(luò)中提出了最大限度地傳遞信息比特。這樣交付的比特?cái)?shù)相比傳統(tǒng)計(jì)劃的提高了10%。以IEEE 802.11和IEEE 802.16兩者之間的切換管理方案，那么一些網(wǎng)絡(luò)信息，如帶寬、阻塞率、掉線率，以及不同類型的流量都被視為性能矩陣，切換結(jié)果由雙模式和多接口的設(shè)備完成?；趲捵赃m應(yīng)模糊邏輯切換，提出了在IEEE802.16和IEEE802.11的混合網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)越區(qū)切換算法能夠適應(yīng)本身的動(dòng)態(tài)條件下混合網(wǎng)絡(luò)基于WLAN的移動(dòng)速度和無線局域網(wǎng)站的通信。由于該算法是基于WLAN工作站速度，由此看來，它不會(huì)在多數(shù)WLAN工作站移動(dòng)或固定情況下工作。為了解決這個(gè)問題，所以提出一種基于速度和垂直切換平均接收信號強(qiáng)度估計(jì)算法[1]。這種假定一個(gè)較高估計(jì)功率，表示許多情況下有一個(gè)更高的吞吐量。決定架構(gòu)的無線網(wǎng)狀骨干和垂直切換方案在802.11和802.16之間提出了。切換信號過程在不同的場景中討論，目的是減少主干上的信令開銷，提供較低的切換延遲。然而，所提出的垂直切換是在MAC和IP層兩個(gè)階段進(jìn)行， 以避免由于上層的消息交換的延遲。垂直轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)體系結(jié)構(gòu)提出了為了保證提高傳輸服務(wù)質(zhì)量。提出了垂直切換方案通過封裝WiFi與WiMAX幀發(fā)送的數(shù)據(jù)包傳輸幀的上行下行[2]。

2 系統(tǒng)模型和場景設(shè)置

我們討論WiFi / WiMAX交互工作模塊，提出了建立在筆記本電腦、手機(jī)、移動(dòng)數(shù)據(jù)率高的無處不在的連接。新模塊是一個(gè)組合的WiMAX和WiFi協(xié)議棧，WiWi模塊包括WiFi / WiMAX位于移動(dòng)WiMAX無線網(wǎng)絡(luò)層將作為中繼節(jié)點(diǎn)（在這里我們稱之為移動(dòng)中繼節(jié)點(diǎn)）。WiWi模塊的目的是WiFi設(shè)備將收到WiMAX網(wǎng)絡(luò)WiMAX信號。如圖1所示，WiWi模塊范圍是協(xié)議棧是當(dāng)用戶通過使用安裝在WiMAX移動(dòng)的WIWI模塊連接WiMAX網(wǎng)絡(luò)移出的WiFi覆蓋，增加了覆蓋范圍。圖1顯示，我們研究的兩種可能的場景：WiWi內(nèi)的筆記本電腦和無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍及筆記本電腦的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。場景（b）很簡單的筆記本電腦會(huì)看到只有一個(gè)WiWi模塊提供的網(wǎng)絡(luò)連接。該設(shè)備將直接啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)登錄過程使用安裝在移動(dòng)WiMAX的WIWI模塊加入到WiMAX網(wǎng)絡(luò)。WiWi操作有兩種模式，對開放模式的用戶獲取打開訪問他/她的WiMAX移動(dòng)（WiWi模塊），而在關(guān)閉模式WiMAX的WiFi設(shè)備將只允許訪問移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入。另一方面， WiMAX和WiFi網(wǎng)絡(luò)從該設(shè)備將只選擇其中的一個(gè)來訪問，基于接收信號強(qiáng)度指示的因特網(wǎng)消息[3]。在這種情況下使用傳統(tǒng)切換是基于RSSI消息中的網(wǎng)絡(luò)選擇是有問題的，這是因?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將檢測WIWI模塊和WiFi接入點(diǎn)（AP）兩個(gè)無線信號，與傳統(tǒng)的情形之間的差異在于決策標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的，該技術(shù)在于WIWI是WiMAX和WiFi之間的中繼的混合體。因?yàn)榧夹g(shù)的不同WiWi之間的WiMAX和WiFi是一種混合繼電器。所以，單獨(dú)的RSSI值不足以成為決定標(biāo)準(zhǔn)的切換，例如，在關(guān)閉模式下RSSI從WIWI信號通常比在AP（WiFi網(wǎng)絡(luò)）的信號要大。因?yàn)殡娔X是接近WiMAX移動(dòng)，其結(jié)果將是選擇WIWI 網(wǎng)絡(luò)。選擇WIWI網(wǎng)絡(luò)并不總是正確的。通常，WIWI網(wǎng)絡(luò)的吞吐量比在WiFi吞吐量低，因此，現(xiàn)有的越區(qū)切換過程是基于早期啟動(dòng)越區(qū)切換。

a） b）

圖1

（下轉(zhuǎn)第1114頁）

（上接第1097頁）

3 仿真結(jié)果

計(jì)算機(jī)仿真是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)使用場景，一個(gè)新的軟件包實(shí)現(xiàn)直接給出的計(jì)劃和參數(shù)設(shè)置。無縫垂直切換的計(jì)劃在802.16和802.11之間。切換算法的無線網(wǎng)狀路由器，其中3空中接口內(nèi)置在WMR實(shí)現(xiàn)，即802.16 PMP，802.16網(wǎng)，并具有路由功能的三個(gè)空中接口之間的通信協(xié)調(diào)802.11接入點(diǎn)。WiMAX的延遲時(shí)間和WiFi的垂直切換方案，表明所提出的方法優(yōu)于其他兩個(gè)相關(guān)工作的延遲時(shí)間。網(wǎng)關(guān)的延遲有一個(gè)更高的延遲，由于數(shù)據(jù)包隊(duì)列來自不同的節(jié)點(diǎn)，整體吞吐量降低是網(wǎng)絡(luò)選擇時(shí)間。然而，在使用范圍只比當(dāng)吞吐量（RSSI） 降低更大時(shí)，我們需要考慮到網(wǎng)絡(luò)選擇時(shí)間小于當(dāng)使用RSSI和網(wǎng)絡(luò)吞吐量時(shí)比， WLAN的切換WiWi是更好使用RSSI，這是由于固定網(wǎng)絡(luò)（WiFi）吞吐量通常大于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（WiWi）吞吐量。在開放模式下，WiWi模塊為所有人開放，WiMAX基站的信號可以經(jīng)過多次反射整體吞吐量急劇降低是對每一跳的延遲傳播。

4 結(jié)論

WiMAX的逐漸成熟，需要與其他技術(shù)在局域網(wǎng)絡(luò)工作合作變得尤為重要。該文實(shí)現(xiàn)了WiFi和WiMAX的垂直切換的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的垂直切換算法理論，所提出的垂直切換是在邏輯適配層以上的MAC層執(zhí)行。新算法理論說明用較少的協(xié)議轉(zhuǎn)換器時(shí)間開銷可以保證QoS的探索，實(shí)現(xiàn)跨這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間的工作進(jìn)行了討論和評價(jià)，實(shí)現(xiàn)吞吐量和延遲性能的垂直切換。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉敏.一種基于速度感知的垂直切換算法[J].電子學(xué)報(bào)， 2008（6）.

[2] 陳燕燕.LTE基站MAC-PHY API接口的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2011.

[3] 魏明.WLAN與3G網(wǎng)絡(luò)的切換模型建模與仿真[D].南昌：南昌大學(xué)， 2009.