基于移動漫游組播機制的預注冊算法研究

李東旭++王彬++張成文

【摘 要】針對現(xiàn)有寬帶無線專網(wǎng)漫游機制存在的延遲較大等問題，提出了一種組播預注冊模型，基于高斯-馬爾科夫預測算法，通過多參數(shù)加權(quán)的方式得到預注冊的判斷標準與切換閾值，可保證移動用戶在發(fā)生漫游時業(yè)務傳輸?shù)母邔崟r性與不間斷需求，并通過OPNET建模仿真證實了這一機制的有效性。

【關(guān)鍵詞】預注冊 組播漫游 無線專網(wǎng) 高斯-馬爾科夫

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2017.02.017 中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010（2017）02-0082-06

引用格式：李東旭，王彬，張成文. 基于移動漫游組播機制的預注冊算法研究[J]. 移動通信， 2017，41（2）： 82-87.

1 引言

無線通信是警務工作的重要組成部分，可以提高處置突發(fā)事件和應對自然災害的反應能力，提高辦案效率，在治安巡邏、打擊犯罪、交通管制、災后救援等方面發(fā)揮著不可替代的作用[1]。根據(jù)我國現(xiàn)階段專網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展情況，現(xiàn)有專網(wǎng)組播漫游機制多為針對公網(wǎng)進行模塊添加后完成組播功能，無法適應專網(wǎng)尤其是軍用警用系列網(wǎng)絡(luò)高可靠性、低延時的要求，所以提出一種新的漫游機制顯得較為重要[2]。本文通過對現(xiàn)有漫游機制的模擬，基于現(xiàn)有的警用無線專網(wǎng)的組播漫游機制進行改進，使其關(guān)鍵技術(shù)能適用于現(xiàn)有專網(wǎng)用戶的需求。

2 專網(wǎng)組播漫游機制的研究

2.1 組播用戶無線漫游機制

在專網(wǎng)的使用中，常常對漫游切換的低延遲要求更高。又由于在無線領(lǐng)域中信道穩(wěn)定性及注冊機制等問題的存在，導致原本適用于固定網(wǎng)絡(luò)的組播機制在無線網(wǎng)絡(luò)中應用時出現(xiàn)問題，現(xiàn)有寬帶無線專網(wǎng)的漫游機制過程復雜繁瑣[3]。如圖1所示，傳統(tǒng)的漫游注冊及鑒權(quán)機制較為復雜[4]，漫游重連過程的延遲可以達到秒級別，使其無法很好地應對專網(wǎng)需求。

針對專網(wǎng)系統(tǒng)高可靠性、高安全性、低延時性的特點，本文提出了一種預注冊漫游機制，即在組播用戶的前進方向上，通過分析，判斷出最有可能成為漫游下一跳的基站并完成預注冊。用戶在到達下一基站前，其組播注冊功能已經(jīng)提前完成，相關(guān)的（S，G）通道已經(jīng)被加入基站的組播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)列表，用戶能夠?qū)崿F(xiàn)無縫切換。

2.2 基于移動性的用戶預注冊模型及仿真分析

（1）體系結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)模型

在進行用戶移動性判決時，通常使用遠程加入算法[5]或雙向隧道算法[6]。由于專網(wǎng)中對低延時要求大于節(jié)省路由開銷的需求，因此本文中的算法主要基于遠程加入模型進行改進。

當移動用戶即將通過兩個基站共同覆蓋的區(qū)域時，用戶通過內(nèi)置定位芯片（GPS、GLONASS、北斗）獲取自身位置信息（X，Y），并利用自身攜帶的慣性導航芯片計算出當前的運動速度vt及加速度at，利用IGMPv3協(xié)議[7]的保留字段封裝于IGMP響應報文中，因此并不會增加額外開銷，如圖2所示。基站收到報告時，將字段信息取出并計算，即可得到移動預測算法所需的各項參數(shù)。

（2）移動預測算法

移動預測算法領(lǐng)域，高斯-馬爾科夫移動預測模型[7]曾用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)快速定位，而后被應用于運動仿真，本文對其進行簡化，進行二維空間的移動預測。

在圖3中，基站0-2的位置分別為（x0， y0）、（x1， y1）、（x2， y2），其有效工作范圍半徑R相同，目前位置為（xt， yt），運動速度為v（t），運動方向如圖3所示，夾角θ（t）為標準方向與運動方向的夾角。參數(shù)被封裝在IGMP報文中，其發(fā)送間隔與報文響應時間相同。在移動設(shè)備內(nèi)部，每隔k個時鐘周期更新一次，時鐘周期m根據(jù)移動速度由用戶進行定義。假設(shè)用戶與基站1、基站2、基站3的距離分別為r0、r1、r2，運動軌跡如圖3中虛線所示，經(jīng)過時間Δt后，用戶的位置為（xt+Δt， yt+Δt）。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)接收判決機制的選擇

根據(jù)上述切換機制，當用戶遠離原服務基站時，切換影響因子會改變。下面假定基站A的數(shù)據(jù)是取值介于2和3之間均勻分布的隨機變量，基站B的數(shù)據(jù)是介于5到6之間均勻分布的隨機變量。用戶在行走過程中，依據(jù)上述準則進行接收通道切換。設(shè)判定閾值為0.5，對用戶收到的數(shù)據(jù)進行分析。

從圖6可以看出，在行進到兩個基站中間位置時，開始進入切換區(qū)間，用戶一開始穩(wěn)定接收基站A的信號，然后逐漸在A與B之間跳變，最后再轉(zhuǎn)為穩(wěn)定接收B的信號。由于變量的隨機變化性，因此會出現(xiàn)單次信號跳躍，用戶數(shù)據(jù)接收并不穩(wěn)定，這將對用戶端設(shè)備帶來極大的開銷，不能滿足實際應用需求。因此提出一種多次判決機制，用戶從第一次滿足判決門限開始計數(shù)，只有其連續(xù)N次均大于判決門限時，再進行數(shù)據(jù)切換，仿真結(jié)果如圖7所示。

仿真中，設(shè)切換規(guī)則為連續(xù)8次λ>0.5。從圖8可以看出，由于此規(guī)則的設(shè)置，接收信號變得相對穩(wěn)定。但還是會出現(xiàn)連續(xù)判決成立次數(shù)小于8次的抖動情況。為了解決這個問題，加入門限切換機制，效果如圖8所示。

門限切換機制的基本原理是：當用戶滿足1次連續(xù)判決成立時，即將信號源穩(wěn)定在切換后的基站上，無論信號如何抖動，不再接受來自于原數(shù)據(jù)源的信號，這樣的機制保證了數(shù)據(jù)源的穩(wěn)定。如圖8所示，用戶在完成一次判決條件成立后，數(shù)據(jù)源從基站A變?yōu)榛綛，并能穩(wěn)定接收來自基站B的信號。

3.2 基于OPNET的真實網(wǎng)絡(luò)業(yè)務仿真

將上述漫游機制在OPNET網(wǎng)絡(luò)中進行模擬[10]，假設(shè)主機Roaming在基站A與基站B中間進行漫游并接收組播數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)假設(shè)在10 km×10 km的范圍內(nèi)，其topo如圖9所示：

對主機在漫游過程中的數(shù)據(jù)接收情況進行仿真，結(jié)果如圖10所示：

圖10表明，在改進前，用戶漫游到基站A和基站B的邊緣時，發(fā)生了數(shù)據(jù)包的丟失，主機流量下降，此時有一部分流量資源用于完成漫游的注冊和組播組的連接。采用了新的漫游模型后，用戶在漫游過程中，始終能夠保持數(shù)據(jù)的穩(wěn)定接收。仿真結(jié)果證明，新的組播漫游機制能很好地適應寬帶無線專網(wǎng)的需求。

4 結(jié)束語

本文首先分析了現(xiàn)有的移動漫游組播機制，指出其造成的數(shù)據(jù)中斷與抖動情形不適用于移動組播專網(wǎng)的需求。然后提出一種基于預注冊的漫游機制，首先針對高斯—馬爾卡夫算法進行分析，對其進行簡化并得出了位置預判斷模型。接下來結(jié)合用戶與基站距離、信噪比、方向性因子提出了一種切換模型，并對模型進行了仿真。最后在OPNET軟件中模擬了實際網(wǎng)絡(luò)topo中用戶漫游的情形，加入新的切換機制后，將前后用戶接收數(shù)據(jù)的情況進行比較，證明了新的切換機制能很好適應專網(wǎng)組播移動性的需求。在下一步的工作中，將要對預注冊算法進行合理優(yōu)化，使其各項參數(shù)更加科學合理，以及在預注冊報文的發(fā)送順序上做以權(quán)衡，以避免在基站密集區(qū)域產(chǎn)生的大量預注冊信息帶來的流量激增問題。

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