地鐵站移動通信實現無縫垂直切換的方法

陳 然， 令曉明

（蘭州交通大學 光電技術與智能控制教育部重點實驗室，甘肅 蘭州730070）

0 引言

當前的切換實現主要是基于信號功率[1-3]。以現在廣為流行的通用移動通信系統（UMTS）網絡及無線局域網（WLAN）網絡為例，由于UMTS在城市區域的覆蓋范圍非常大，若依據這種簡單的切換標準，發生由UMTS到WLAN的切換幾率則會非常小。同時，如果UMTS用戶需要有較高的傳輸帶寬那么實現由UMTS到WLAN的切換則可以提供滿足服務質量的傳輸。因此，將覆蓋范圍大、移動性高，但帶寬相對較低的UMTS網絡與覆蓋范圍小，成本低，具有較高傳輸帶寬的 WLAN網絡融合在一起，不僅可以實現相應的覆蓋范圍，同時還可實現熱點區域用戶對高速傳輸數據的要求。可以說，將WLAN網絡與UMTS網絡融合在一起是基于市場的需求并且有很大的發展空間。

1 網絡拓撲結構的設計

在設計UMTS-WLAN融合網絡時，網絡的結構是首先要考慮的。通常有兩種結構：松耦合與緊耦合。在松耦合結構中，WLAN與UMTS是完全分離的。這種結構的優點是：熱點區域可以獨立的優化。另外，在松耦合結構下移動節點在不同網絡間的切換大多是在Layer 3（網絡層）進行，而完成網絡層切換的主要是MIP（移動IP）。MIP的最大問題是存在較大的切換時延[4-5]。相應的在緊耦合結構中，WLAN網絡作為UMTS網絡的一部分可以使用UMTS主干網絡的資源。如圖1所示，WLAN AP（WLAN接入點）與SGSN（GPRS業務支持節點）相連。移動節點配置了兩種接口：WLAN接口與UMTS接口，使其可以分別連接到兩個網絡內。

這里在緊耦合結構下提出從UMTS到WLAN的切換協議，并通過OPNET Modeler軟件對切換時延進行仿真分析，說明緊耦合結構中無縫垂直切換可以降低切換時延。

圖1 緊耦合結構下的網絡拓撲

2 從UMTS到WLAN的切換

2.1 切換場景及過程

以某個地鐵站部署WLAN網絡為例，考慮其中2個AP（AP1，AP2）。移動節點的運動軌跡是，地鐵進站，停留一段時間后又再度出站。在地鐵站的周邊是UMTS網絡。假設某用戶在乘坐地鐵時使用其移動終端通過無線網絡連接到因特網。當地鐵進站時，用戶由最初使用的UMTS網絡切換到了 WLAN網絡，在地鐵出站時又從 WLAN網絡切換回UMTS網絡。在整個切換過程中，用戶都保持對因特網的連接狀態。其中UMTS與WLAN這兩個不同網絡間的切換稱為垂直切換。

圖2 切換場景

具體的切換過程為：首先移動節點通過Node B（節點B）經過UMTS接入因特網。當地鐵進站時即由UMTS網絡切換到WLAN網絡，移動節點將執行從Node B到WLAN AP1的垂直切換。而后隨著運動軌跡，將執行由WLAN AP1到WLAN AP2的水平切換。最后，當地鐵出站時則要再次執行垂直切換，切換回UMTS網絡。現考慮地鐵進站的情況即從UMTS網絡到WLAN網絡的垂直切換。

2.2 垂直切換時的協議轉換

垂直切換的協議轉換過程可劃分為三個部分：連接建立，切換過程及連接釋放[6-7]。如圖 3所示，實線箭頭表示通過UMTS鏈路傳輸，虛線箭頭代表通過WLAN傳輸。首先，當要執行由UMTS到WLAN的垂直切換時GPRS業務支持節點發出WLAN設備激活請求到移動節點。移動節點向AP1發送請求信息，AP1注冊移動節點并確認相關請求。當完成這種確認后移動節點發送PDP（分組數據協議）文本請求信息到GPRS業務支持節點，目的是要建立與UMTS主干網的連接。而后GPRS業務支持節點發送PDP文本接收信息到移動節點，實現WLAN設備激活，至此完成了連接建立部分。然后，GPRS業務支持節點通過UMTS鏈路發送切換初始化信息到移動節點，移動節點通過 WLAN接口發送切換響應信息至 GPRS業務支持節點完成切換。最后，釋放 UMTS RAB(UMTS無線接入承載)并關閉在移動節點中的 UMTS接口以節省能量。在本例中，PDP文本不直接由移動節點取消而是在接收到RAB釋放響應時自動取消。

圖3 UMTS到WLAN的切換協議

3 仿真結果

UMTS到 WLAN的垂直切換協議可通過 OPNET Modeler得到仿真驗證。切換時延結果由圖4所示，總的切換時延低于600 ms，其中包括正常傳輸分組時所需的連接建立和連接釋放時間。連接建立時延大約是230 ms并且不能被降低。但是，與連接無關的切換時延本身卻僅為100 ms。與MIP的平均切換時延1 219.3 ms[4]相比大大降低。

圖4 UMTS到WLAN的切換時延

4 結語

這里介紹了在緊耦合結構下實現網絡融合（WLAN AP融合進UMTS網絡）的一種無縫垂直切換的方法。通過對切換協議的仿真，可知在緊耦合結構下的切換時延（約為100 ms）要遠低于在松耦合結構下MIP的1219.3 ms切換時延。說明網絡結構的耦合度越高，切換時延越小，越可以提供滿足用戶要求的傳輸服務。

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