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隨著移動(dòng)通信和Internet的迅猛發(fā)展，移動(dòng)通信和Internet相互融合正逐漸成為研究開發(fā)的熱點(diǎn)。在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，提供高達(dá)2Mb/s的無線分組數(shù)據(jù)速率，蜂窩的范圍從宏蜂窩進(jìn)一步縮小到微蜂窩，甚至是微微蜂窩，對(duì)于無線接入Internet而言，要求更高效的無線分組路由機(jī)制和快速的無縫移動(dòng)切換控制技術(shù)。傳統(tǒng)的MobileIP協(xié)議只是在較大范圍的蜂窩間簡(jiǎn)單地解決Internet主機(jī)移動(dòng)性。本文介紹一種新的Internet移動(dòng)主機(jī)協(xié)議――蜂窩IP（CellularIP），它繼承了MobileIP的優(yōu)點(diǎn)，并且充分利用蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的移動(dòng)性管理功能和移動(dòng)切換技術(shù)，從而支持快速運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)主機(jī)無線接入Internet。 一、蜂窩IP協(xié)議 蜂窩IP技術(shù)充分利用了蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的移動(dòng)性管理功能和連接切換控制，來實(shí)現(xiàn)蜂窩IP網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的路由和切換。蜂窩IP網(wǎng)絡(luò)由蜂窩IP基站(BS)和蜂窩IP網(wǎng)關(guān)(Gateway)兩大部分組成。蜂窩IP基站，作為網(wǎng)絡(luò)的無線接入點(diǎn)，也集成了傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)的移動(dòng)交換中心(MSC)和基站控制器(BSC)的功能。它建立在IP分組轉(zhuǎn)發(fā)的基礎(chǔ)上，其IP路由的功能由蜂窩IP路由和位置管理實(shí)體來完成。許多個(gè)基站組成一個(gè)蜂窩IP網(wǎng)絡(luò)，通過蜂窩IP網(wǎng)關(guān)接入到Internet，蜂窩IP網(wǎng)關(guān)起到路由和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的功能。在蜂窩IP網(wǎng)關(guān)之間，網(wǎng)絡(luò)的全局移動(dòng)性由MobileIP協(xié)議來支持，而在蜂窩IP網(wǎng)關(guān)內(nèi)部，采用蜂窩移動(dòng)系統(tǒng)的移動(dòng)性管理和切換功能來支持網(wǎng)絡(luò)的局部移動(dòng)性。

蜂窩IP網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的移動(dòng)主機(jī)將網(wǎng)關(guān)的IP地址作為它的MobileIP轉(zhuǎn)交地址，當(dāng)有IP數(shù)據(jù)包發(fā)往移動(dòng)主機(jī)時(shí)，首先通過MobileIP協(xié)議原理，到達(dá)該主機(jī)所在網(wǎng)絡(luò)的蜂窩IP網(wǎng)關(guān)，在網(wǎng)關(guān)處解封裝，并向基站轉(zhuǎn)發(fā)。在蜂窩IP網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，移動(dòng)主機(jī)的地址就是其歸屬地址，數(shù)據(jù)可以直接轉(zhuǎn)發(fā)給移動(dòng)主機(jī)。當(dāng)移動(dòng)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，將分組通過無線方式傳輸?shù)剿诘幕荆缓笸ㄟ^hop-by-hop方式路由到網(wǎng)關(guān)，通過該網(wǎng)關(guān)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(shí)發(fā)送導(dǎo)引信號(hào)，其中包含所在網(wǎng)關(guān)的IP地址，移動(dòng)主機(jī)通過該導(dǎo)引信號(hào)進(jìn)行定位，支持廣域的移動(dòng)性。蜂窩IP節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)路由緩存，存儲(chǔ)移動(dòng)主機(jī)的IP地址和相鄰的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過hop-by-hop方式，構(gòu)成一條上行鏈路(基站到網(wǎng)關(guān))的路由。下行鏈路(網(wǎng)關(guān)到基站)也可以利用這條路由緩存鏈，將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)到移動(dòng)主機(jī)。當(dāng)主機(jī)在基站間移動(dòng)時(shí)，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(zhǔn)確轉(zhuǎn)發(fā)到移動(dòng)主機(jī)處，很好地解決了蜂窩IP網(wǎng)內(nèi)部的位置更新問題。在有些節(jié)點(diǎn)處還設(shè)置尋呼緩存，對(duì)路由緩存的起到一定彌補(bǔ)作用。 二、關(guān)鍵技術(shù) 1.移動(dòng)主機(jī)。 在蜂窩IP網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)主機(jī)有兩種狀態(tài)：激活(active)和空閑(idle)。當(dāng)移動(dòng)主機(jī)收到或準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，它的狀態(tài)從空閑轉(zhuǎn)為激活，而且，只要主機(jī)在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)分組，就一直保持激活狀態(tài)。當(dāng)主機(jī)經(jīng)過一段時(shí)間沒有收到或發(fā)送任何數(shù)據(jù)分組，激活狀態(tài)超時(shí)，主機(jī)重新回到空閑狀態(tài)。當(dāng)移動(dòng)主機(jī)從空閑轉(zhuǎn)為激活狀態(tài)時(shí)，它發(fā)送路由修改分組，同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，初始值為路由修改時(shí)間。只要主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)分組，定時(shí)器就會(huì)重新初始化為路由修改時(shí)間，這樣就確保了在激活狀態(tài)下，間隔時(shí)間不大于路由修改時(shí)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(dòng)主機(jī)可以不產(chǎn)生路由修改分組。在空閑狀態(tài)下，移動(dòng)主機(jī)定時(shí)發(fā)送尋呼修改分組，間隔為尋呼修改時(shí)間。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，移動(dòng)主機(jī)就停止發(fā)送尋呼修改分組。當(dāng)主機(jī)移動(dòng)到一個(gè)新的基站或無線信道阻塞的情況下，如果主機(jī)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(jī)與網(wǎng)絡(luò)的連接。
2.路由。 在蜂窩IP節(jié)點(diǎn)維護(hù)路由緩存和尋呼緩存，存儲(chǔ)移動(dòng)主機(jī)IP地址和相鄰下一節(jié)點(diǎn)的映射表。利用該映射表，通過hop-by-hop方式，構(gòu)成上行路由；下行路由也利用該映射表轉(zhuǎn)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(dòng)主機(jī)位置更新而自動(dòng)調(diào)整，很好地解決主機(jī)移動(dòng)性問題。在上行鏈路方向(基站到網(wǎng)關(guān))，其路由算法為：當(dāng)分組到達(dá)一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的路由緩存，然后轉(zhuǎn)發(fā)到上行鏈路的下一節(jié)點(diǎn)；如果是尋呼修改分組，，就創(chuàng)建或修改節(jié)點(diǎn)的尋呼緩存，同樣也轉(zhuǎn)發(fā)到上行鏈路的下一節(jié)點(diǎn)。在下行鏈路方向(網(wǎng)關(guān)到基站)，其路由算法為：節(jié)點(diǎn)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(zhuǎn)發(fā)到下一節(jié)點(diǎn)；如果沒有該地址的映射，則檢查節(jié)點(diǎn)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(diǎn)廣播該分組；如果存在尋呼緩存，且其中有該分組的目的地址，就將分組轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)的下一節(jié)點(diǎn)，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(dāng)移動(dòng)主機(jī)進(jìn)入新的基站時(shí)，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(dá)原基站的分組被丟棄，對(duì)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(jī)制――準(zhǔn)軟切換。準(zhǔn)軟切換的具體過程為：準(zhǔn)軟切換開始，移動(dòng)主機(jī)向新基站發(fā)送路由修改分組，同時(shí)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(dāng)路由修改分組到達(dá)新老基站路由交匯節(jié)點(diǎn)時(shí)，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(dòng)主機(jī)從原基站和新基站同時(shí)接收分組；當(dāng)移動(dòng)主機(jī)完全進(jìn)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(zhǔn)軟切換。 4.位置管理和尋呼。 在蜂窩IP網(wǎng)絡(luò)中，幾個(gè)蜂窩組成一個(gè)尋呼域，每個(gè)尋呼域有唯一的尋呼域標(biāo)識(shí)號(hào)?；驹诙〞r(shí)發(fā)送的導(dǎo)引信號(hào)中傳送尋呼域標(biāo)識(shí)號(hào)，使移動(dòng)主機(jī)通過導(dǎo)引信號(hào)獲得所在尋呼域的標(biāo)識(shí)號(hào)。因此，空閑狀態(tài)移動(dòng)主機(jī)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(dāng)空閑狀態(tài)主機(jī)在尋呼域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，僅在尋呼修改時(shí)間超時(shí)后發(fā)送尋呼修改分組。當(dāng)空閑狀態(tài)主機(jī)移動(dòng)到新的尋呼域時(shí)，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(guān)，在每個(gè)通過節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建尋呼緩存，指向新的尋呼域。尋呼修改分組到達(dá)網(wǎng)關(guān)后丟棄?；具x擇性的設(shè)置尋呼緩存，尋呼緩存和路由緩存有兩個(gè)方面的不同：一是尋呼緩存映射的超時(shí)時(shí)間更長(zhǎng)，二是主機(jī)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(dāng)一個(gè)分組發(fā)往空閑狀態(tài)主機(jī)，而節(jié)點(diǎn)沒有指向該主機(jī)的路由緩存映射時(shí)，就發(fā)生尋呼。如果基站沒有尋呼緩存，就將分組轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)到下一節(jié)點(diǎn)，直至主機(jī)，這就避免了在蜂窩內(nèi)查找的過程，降低了尋呼的費(fèi)用。 三、性能分析 將蜂窩IP技術(shù)應(yīng)用到WaveLAN系統(tǒng)中，建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要分析蜂窩IP協(xié)議的切換性能，分析切換時(shí)的分組丟失率。可以得出，硬切換時(shí)，分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(shí)，分組幾乎不丟失。因?yàn)樵谟睬袚Q條件下，主機(jī)切換到新基站后，就立即丟棄原基站的分組，顯然當(dāng)發(fā)送緩存器越大、分組速率越高時(shí)，丟棄的分組越多；而軟切換時(shí)，主機(jī)保留一段時(shí)間同時(shí)接收兩個(gè)基站的分組，所以幾乎就沒有分組丟失?？梢钥闯?，采用準(zhǔn)軟切換的蜂窩IP技術(shù)在充分解決Internet主機(jī)移動(dòng)性的基礎(chǔ)上，保證移動(dòng)主機(jī)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(dòng)通信系統(tǒng)傳輸高速無線數(shù)據(jù)的需要。

蜂窩IP技術(shù)很好的利用了MobileIP和蜂窩移動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，采用特有的路由、尋呼和準(zhǔn)軟切換技術(shù)，適應(yīng)下一代移動(dòng)通信發(fā)展的需要。隨著移動(dòng)通信和下一代Internet的迅猛發(fā)展，人們對(duì)于高速無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越迫切，蜂窩IP技術(shù)必將進(jìn)一步發(fā)展和完善，與下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)和Internet完全兼容，真正帶入人類進(jìn)入寬帶移動(dòng)多媒體通信時(shí)代。