3G-WLAN融合網絡中一種新的雙模終端設計

亓海濤,劉 偉

(電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室,成都 611731)

3G-WLAN融合網絡中一種新的雙模終端設計

亓海濤,劉 偉

(電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室,成都 611731)

設計了一種能夠在3G與WLAN融合網絡中智能切換的雙模終端模型。為了實現兩種網絡之間的無縫切換,提出了網絡接口選擇算法。該算法通過提前注冊和認證機制減少了垂直切換時延,并采用提前切換的方法減少了垂直切換時數據包丟失。仿真結果驗證了設計和算法具有良好性能。

融合網絡;雙模終端;無縫切換;網絡接口選擇

1 引 言

近年來,3G移動通信網絡和WLAN技術及應用都在飛速發展。3G無線系統可以為用戶提供無所不在的連接,但3G網絡投資規模大,傳輸速率低。WLAN建網價格低廉,傳輸速率高,但覆蓋范圍小,只能適用于賓館、辦公室、機場等地區。因此,WLAN與3G無線系統具有很強的互補性,可以把WLAN作為一種無線接入方式融入3G無線系統。

當前研究[1-3]已經提出了很多3G和WLAN網絡融合的架構方案,這些方案都是假設有能夠在3G和WLAN融合網絡中漫游的雙模終端,但能夠在兩種網絡間智能切換的雙模終端[4-5]較少。文獻[4]提出的雙模終端模型需要修改3G網絡中核心網元GGSN,另外在垂直切換后IP地址改變,可能導致通信中斷。文獻[5]設計的雙模終端模型沒有提出減少垂直切換時數據包丟失的方法,也沒有提出如何防止垂直切換時乒乓效應的發生。本文設計了一種能夠在3G和WLAN融合網絡中智能切換的雙模終端模型。這種雙模終端適用于各種網絡融合架構,并且在兩種網絡間切換時對用戶透明,改善了用戶通信體驗。本文提出并詳細討論了網絡接口選擇算法,通過該算法實現了兩種網絡之間的自動切換,減少了垂直切換時延和切換時數據包丟失,同時防止了乒乓效應的發生。最后,通過仿真對本設計進行了性能驗證。

2 3G-WLAN網絡融合架構

松耦合網絡融合架構最大限度的保持了WLAN和3G網絡各自的獨立性,具有簡單、靈活、安全的特點,應用廣泛。因此,本設計選擇了松耦合網絡融合架構作為網絡融合方案。3GPP已經提議了松耦合網絡融合構架[6]和基于移動IP的移動性管理機制[7]。圖1所示為3GPP提議的松耦合網絡融合架構。在這種架構下,WLAN網絡和3G網絡實現了重疊覆蓋,當終端將要從WLAN網絡切換到3G網絡時,3G網絡總是可用的。

圖1 松耦合網絡融合架構Fig.1 Loose interworking architecture

3 雙模終端模型

現有的雙模終端大多需要手動切換,這將導致用戶通信中斷,降低用戶通信體驗。即使終端能夠在兩種網絡之間自動切換,也將產生垂直切換時延[3,8],并可能發生乒乓效應和切換時數據包丟失[3]。垂直切換時延主要包括兩方面:一是從3G切換到WLAN網絡時,進行AAA和移動IP(Mobile IP,MIP)信令交互產生的時延;二是從WLAN網絡切換到3G網絡時,PDP上下文激活和移動IP信令交互產生的時延。乒乓效應主要是由于用戶頻繁地進出WLAN網絡熱點區時,終端在WLAN網絡和3G網絡之間頻繁切換造成的。切換時數據包丟失主要是由于終端斷開原網絡切換到另一種網絡時,從原網絡返回的數據包不能正常接收造成。

為了實現網絡接口之間的自動切換以及解決以上問題,本文設計了一種新型的雙模終端模型,如圖2所示。終端具備兩個不同的網絡接口:3G和WLAN,為滿足終端能根據需要接入不同網絡的需求,在網絡層和數據鏈路層之間添加了網絡接口選擇模塊。通過網絡接口選擇算法,實現了兩種網絡之間的自動切換,減少了垂直切換時延和數據包丟失,并防止了乒乓效應發生。

圖2 雙模終端模型協議棧Fig.2 The dual-mode terminal model protocol stack

這種終端模型只是增加了網絡接口選擇模塊,對IP層和數據鏈路層改動較小,并沒有修改其他層的標準協議,具有模塊化和靈活性的特點,易于擴展和開發。另外,這種終端模型不僅適用于松耦合網絡融合架構,也適用于其他網絡融合架構。

4 網絡接口選擇算法

本設計主要在網絡選擇模塊實現網絡接口選擇。網絡接口選擇模塊接收WLAN接口的接收信號強度報告和信令完成報告、WLAN網絡的BSSID和SSID以及3G網絡接口和IP層的信令交互完成報告,然后根據不同報告做出相應的切換決策。這些信令主要包括PDP上下文激活、AAA和移動IP信令。

由于WLAN網絡帶寬大于 3 G網絡,在3G與WLAN網絡重疊覆蓋區,用戶優先接入WLAN網絡。當終端進入WLAN熱點區,網絡接口選擇模塊檢測到WLAN接收信號強度在一定時間內滿足條件,并且AAA和移動IP信令交互完成,就通告IP層選擇WLAN網絡進行通信。同理,當終端將要離開WLAN熱點區,網絡接口選擇模塊檢測到WLAN接收信號強度在一定時間內滿足條件,并且PDP上下文激活和移動IP信令交互完成,就通告IP層選擇3G網絡進行通信。這樣就實現了網絡之間自動切換。

4.1 切換觸發

在切換到另一種網絡之前,終端需要判斷網絡條件是否到達切換標準。本設計選擇終端接收到的信號強度(Received Signal Strength,RSS)作為切換觸發條件。由于3G網絡總是可用的,終端只需檢測WLAN網絡接口的接收信號強度。為了防止垂直切換時乒乓效應的發生,本設計選擇在接收信號強度達到門限值并保持一段時間再切換的方法。

4.2 切換執行

為了減少AAA信令,移動IP信令和PDP上下文激活產生的延遲并防止乒乓效應的發生,本文提出了預切換的方法。預切換就是當終端將要從一個網絡接口切換到另一個網絡接口進行用戶應用業務通信時,提前進行AAA、移動IP和PDP上下文激活信令等。當這些信令交互完成后,終端正式切換到另一個網絡進行通信。切換時刻和WLAN網絡接口的接收信號強度關系如圖3所示。圖中,RSSMin為終端的WLAN網絡接口與接入點(Access Point,AP)在數據鏈路層發生關聯時的接收信號強度,即終端能夠從WLAN網絡正確接收數據的信號強度下限;RSSUp為終端從3G網絡切換到WLAN網絡的接收信號強度門限值;RSSDown為終端從WLAN網絡切換到3G網絡的接收信號強度門限值。下面詳細描述切換過程中怎樣減少切換時延和數據包丟失,并防止乒乓效應發生。

圖3 切換時刻和WLAN網絡接口接收信號強度關系Fig.3 Relationship between switching time and WLAN interface received signal strength

4.2.1 從3G網絡切換到WLAN網絡

當用戶從WLAN網絡熱點區之外進入WLAN網絡熱點區,網絡接口選擇模塊檢測到WLAN接口的RSS大于RSSUp時,進入預切換階段,網絡接口選擇模塊開啟一個計時器。如果計時器計時到達Δt1之前,又檢測到RSS小于RSSUp,計時器清零。當RSS高于RSSUp,計時器再次開始計時。當計時器達到Δt1,開始進行AAA和移動IP信令交互,這些信令從WLAN網絡接口通過WLAN網絡傳輸,而用戶應用業務數據仍然從3G網絡接口傳輸。當網絡接口選擇模塊檢測到AAA和移動IP信令交互完成,網絡接口選擇模塊通告IP層正式切換到WLAN網絡,終端利用WLAN網絡接口以及從WLAN網絡獲得的IP地址和默認網關進行通信。此處的預切換有兩個作用,一是保證RSS達到切換門限值并保持Δt1,防止了乒乓效應的發生;二是減少了AAA和移動IP信令導致的切換時延。

由于3G網絡總是可用的,從3G網絡切換到WLAN網絡之后,從3G網絡返回的數據包能夠被3G網絡接口正確接收,不會發生數據包丟失。

4.2.2 從WLAN網絡切換到3G網絡

當用戶要離開WLAN網絡熱點區時,網絡接口選擇模塊檢測到RSS小于RSSDown,進入預切換階段,網絡接口選擇模塊開啟一個計時器。如果計時器計時到達Δt2之前,又檢測到RSS大于RSSDown,計時器清零。當RSS低于RSSDown,計時器再次開始計時。當計時器到達Δt2,開始進行PDP上下文激活和移動IP信令交互,這些信令從3G網絡接口通過3G網絡傳輸,而用戶應用業務數據仍然從WLAN網絡接口傳輸。當網絡接口選擇模塊檢測到PDP上下文激活和移動IP信令交互完成,網絡接口選擇模塊通告IP層正式切換到3G網絡,終端利用3G網絡接口以及從3G網絡獲得的IP地址和默認網關進行通信。此處的預切換有兩個作用,一是保證RSS達到切換門限值并保持Δt2,防止了乒乓效應的發生;二是減少了PDP上下文激活和移動IP信令導致的切換時延。

從圖3中可以看到,從WLAN網絡切換到3G網絡后,WLAN網絡接口RSS還沒有降到RSSMin,WLAN網絡接口可以繼續接收從WLAN網絡返回的數據包,從而減少了數據包丟失。

網絡接口選擇算法如圖4所示。該算法不僅可以減少AAA、移動IP、PDP上下文激活信令導致的時延,也可以減少垂直切換時其他信令導致的時延。另外,該算法思想也適用于多網絡接口間的切換。

圖4 網絡接口選擇算法Fig.4Network interface selection algorithm

5 仿真實驗

5.1 仿真場景

本文用Opnet14.5進行了仿真。終端模型如圖5所示。

圖5 雙模終端模型Fig.5 The dual-mode terminal model

為了實現網絡接口選擇算法,在模型中增加了網絡接口選擇模塊(ISU)。ISU模塊分別與IP模塊、3G和WLAN網絡接口模塊連接,相互交換信息。IP模塊分別與WLAN網絡接口的ARP模塊和3G網絡接口的GMM模塊相連接,進行數據傳輸。IP模塊維護兩個IP地址:WLAN網絡和3G網絡的IP地址。構建的松耦合的網絡仿真場景如圖6所示,WLAN網絡由AP組成,3G網絡由Node-B、RNC、SGSN、GGSN組成。GGSN為移動IP網絡中的家鄉代理(Home Agent,HA)。

圖6 仿真場景Fig.6 The simulation scenario

5.2 仿真預設

本文選擇了不同應用業務類型對設計進行性能評估。表1展示了不同的業務類型和相應的QoS類型、傳輸層協議以及測量參數。通過觀察垂直切換時兩個網絡接口接收數據的時間來驗證網絡接口選擇算法的性能。

表1 仿真參數Table 1 The simulation parameters

5.3 仿真結果及分析

圖7所示為終端從3G網絡切換到WLAN網絡時兩個網絡接口接收流量。從圖中可看到流量并沒有中斷,會話是持續的,驗證了兩種網絡的無縫切換。從圖中還可以看到,在從3G網絡切換到WLAN網絡之前,WLAN網絡接口已經有了很小的流量,這是預切換階段信令交互產生的流量。從圖中也可以看到,終端能夠從3G網絡自動切換到WLAN網絡,充分利用WLAN網絡帶寬。

圖7 3G和WLAN網絡接口接收流量Fig.7 3G and WLAN interfaces received traffic

圖8和圖9分別為FTP業務文件上傳響應時間和HTTP業務頁響應時間。從圖中可以看出WLAN網絡的響應時間明顯優于3G網絡。圖10所示為語音通信端到端時延,對于語音業務,WLAN網絡的優勢并不明顯。

圖8 FTP應用上傳響應時間Fig.8 FTP application upload response time

圖9 HTTP應用頁響應時間Fig.9 HTTP application page response time

圖10 語音應用端到端時延Fig.10 Voice application end to end delay

以上仿真結果驗證了所提出的設計和網絡接口選擇算法具有良好性能,同時為用戶根據不同業務接入不同網絡提供了依據。對于文件下載業務、網頁瀏覽業務,不論是傳輸帶寬還是響應時間,WLAN網絡明顯優于3G網絡,因此應優先選擇WLAN網絡;對于語音類業務可以選擇3G網絡或WLAN網絡。

6 結束語

本文設計的終端模型具有模塊化和靈活性的特點,易于擴展和開發,并且能夠適用于各種網絡融合架構。提出的網絡接口選擇算法思想不僅適用于兩種網絡之間的切換,也適用于多種網絡之間的切換。另外,通過仿真驗證了本設計能夠實現兩種網絡之間的智能切換,改善用戶通信體驗,同時得到了兩種網絡對各種業務類型的支持能力,為用戶根據不同業務接入不同網絡提供了依據。在以后的研究中,可以在終端中加入并發業務接入控制算法,根據不同網絡對各種業務支持能力以及用戶偏好差異選擇接入不同網絡進行通信。

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QI Hai-tao was born in Laiwu,Shandong Province,in 1987.He received the B.S.degree in 2010.He is now a graduate student.His research interests include wireless communication and wireless network.

Email:haitaoqi@foxmail.com

劉 偉(1971—),男,山東文登人,2004年于電子科技大學獲碩士學位,現為講師,主要研究方向為無線通信與無線網絡。

LIU Wei was born in Wendeng,Shandong Province,in 1971.He received the M.S.degree from University of Electronic Science of Technology of China in 2004.He is now a lecturer.His research interests include wireless communication andwireless network.

Email:liuwei@uestc.edu.cn

The National Science and Technology Major Project(2008ZX03005)

A Novel Dual-mode Terminal Design for 3G-WLAN Interworking Networks

QI Hai-tao,LIU Wei
(National Key Laboratory of Science and Technology on Communications,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,China)

A dual-mode terminal model that can perform intelligent handoff between 3G and WLAN is designed.In order to realize seamless handoff between the two networks,a network interface selection algorithm is proposed.By pre-registration and pre-authentication in the algorithm,vertical handoff delays are reduced.Moreover,pre-handoff is used in order to reduce packets lossduring the vertical handoff period.A good performance of the design and algorithm is verified through simulation.

interworking networks;dual-mode terminal;seamless switching;network interface selection

TN915;TN802

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.035

1001-893X(2012)06-1003-06

2011-12-21;

2012-02-22

國家科技重大專項(2008ZX03005)

亓海濤(1987—),男,山東萊蕪人,2010年獲學士學位,現為碩士研究生,主要研究方向為無線通信與無線網絡;