一種海洋互聯網用戶的移動性管理方法

戴 璐， 姜勝明， 許彬楠， 徐增輝

（上海海事大學信息工程學院，上海 201306）

0 引 言

海洋互聯網的目的是為海洋用戶提供經濟、可靠的海洋互聯網服務［1］。如今，衛星通信系統在海洋通信中占有極其重要的地位。具有延遲長和成本高的缺點［2］。跨太平洋的陸地電話通話每分鐘成本為0.2元，在海洋中類似的電話通話成本可能會高出30多倍［3］。為解此窘境需建立如圖1所示的混合網絡結構，該結構主要由岸基網絡（CLNs）、無線自組網（WANETs）、高空通信平臺（HAPs）和衛星系統（SATs）構成［4］。圖1顯示了海洋互聯網中船舶之間可以建立無線多跳網絡［5］。船舶可以通過兩種方式連接岸基網絡基站，第一種為無線多跳網絡中的船舶通過中繼船舶間接連接到岸基網絡基站；另一種是在低密度船舶的地方通過衛星連接岸基網絡基站［6-8］。

圖1 海洋互聯網網絡結構

海洋互聯網的研究近年來取得了一定的成果，但由于船舶移動較快，會導致船舶的通信鏈路結構變化大易斷開、船舶間頻繁發生切換等。移動性管理源于蜂窩網絡，是地面蜂窩移動通信系統比較成熟的技術之一［9］。在移動通信系統中，網絡系統需要實時記錄移動終端的位置，這樣才能保證用戶在移動過程中的通信得到維持。為使海洋互聯網用戶享受高質量的通信服務，對海洋互聯網用戶的移動性管理成為重中之重。

在海洋互聯網中對用戶進行移動性管理的技術難點：

(1)用戶所連基站具有移動性。海洋互聯網用戶是與船舶基站相連接，船舶基站是移動的。用戶主要通過所在船舶的船舶基站與岸基基站連接，移動性問題隨著用戶所在船舶與岸基之間中繼船舶的移動變得復雜。

(2)船舶自組網結構變化大。由于船舶的高速移動，可能導致船舶在任何時間離開或者重新加入某個網絡，導致網絡結構變化頻繁。

這些原因給海洋互聯網中用戶的移動性管理帶來巨大挑戰。海洋互聯網中船舶進行網絡通信主要包含兩種主要場景：船舶與岸基基站（Ship-to-Base station，S-B）通信的網絡場景和船舶與船舶之間（Ship-to-Ship，S-S）進行通信的場景。

由于S-S和S-B兩種場景的不同，對船舶移動性管理技術也不同。在S-B場景中，船舶基站與岸基基站直接建立通信連接，與傳統的通信場景類似，采用的移動性管理技術基于傳統MIPv6；對于S-S場景，船舶需要連接中繼船舶與岸基基站通信，中繼船舶是動態變化的，在這種情況下使用傳統的方法會導致位置更新開銷過大，容易造成網絡擁塞。本文采取的方法是當多個船舶處于無線傳呼范圍之內形成船舶自組網，每一艘船舶都可以作為路由器進行消息的轉發保證消息經過多跳后仍能準確到達目的節點［10-12］，由于船舶的移動速度較大，為防止移動性管理過程中頻繁切換導致網絡的擁塞，本文采用基于群的移動性管理機制，并提出基于空間依賴度的群首選擇算法。

1 移動性管理策略概述

移動性管理包含位置管理和切換管理［13］。位置管理包括兩個階段。

(1)位置注冊。MT需要周期性位置注冊、更新，使得本地網絡實時掌握MT的網絡位置。

(2)會話傳遞。在數據包到來時，查詢目標MT的位置信息，將數據包發給該終端［14］。切換管理為了使MT移動到新的網絡覆蓋區仍能保持通信連接［15］。

在傳統移動IP技術中，需要使用兩個地址對用戶進行位置的管理。一個是用戶固定的本地地址；另一個是轉交地址（Care of Address，CoA），標記用戶移動到的網絡位置。移動IP技術基于兩種類型的位置數據庫，主位置寄存器（HLR）和訪客位置寄存器（VLR）。HLR是用戶本地寄存器，用于存儲更新注冊用戶的位置信息。VLR是訪客用戶寄存器，用于給到訪用戶終端分配CoA，并且將CoA轉發給這個用戶的HLR［16］。

2 海洋互聯網中用戶的移動性管理

海洋互聯網用戶終端的接入點是船舶基站，在網絡中對用戶的位置進行管理需要：①用戶向船舶基站進行登記注冊；②對用戶所在的船舶進行移動性管理。

2.1 用戶位置注冊

當用戶連接到船舶基站時，用戶終端向該基站進行登記，并獲得該基站分配的、與該基站網絡地址相配的臨時性網絡地址，同時將該臨時性地址及該船舶基站的網絡地址報告給用戶的HLR。

2.2 船舶的位置管理

就S-B場景的通信而言，海洋環境的特殊性，海岸線的岸基基站分布不密集，船舶從一個岸基基站切換到另一個岸基基站并不頻繁，故采用的船舶移動性解決方法是基于MIPv6設計的；針對S-S通信來說，由于船舶移動速度較快導致船舶間切換頻率較高，如果采用傳統的位置管理，中繼船舶的移動性會導致通信鏈路切換頻繁，在網絡中產生大量的位置更新信令［17］，容易導致網絡擁塞，為減少位置管理開銷提高網絡性能，采用分群移動性管理策略，提出基于依賴度的群首選擇算法，保證了群首與群成員間最好的連接性。

場景1S-B場景的移動性管理策略

位置管理的基本過程如圖2所示。船舶從VLR0的位置區域移動到VLR1的新位置區域，會執行位置更新操作：

（1）船舶向VLR1發起注冊請求消息，VLR1收到消息后分配給移動船舶與該網絡相配的CoA；

（2）VLR1將該船舶注冊的CoA發送給本地HLR，HLR更新記錄；

（3）HLR向VLR0發送注銷船舶注冊消息。

圖2 船舶位置更新流程

場景2S-S場景的移動性管理策略

在海洋互聯網中，當船舶無法與岸基基站進行直接信令消息傳輸時，會與基站之間形成多跳網絡［17］。但是需要對多跳網絡進行結構管理，主要目標是提升鏈路和網絡的穩定性，減少冗余鏈路導致的網絡擁塞和丟包［18］。海洋互聯網中船舶的移動速度較快，導致船舶間的切換較頻繁，在網絡中產生大量的位置更新信令，為減少位置管理的開銷，采用分群的方法進行移動性管理。

分群的依據有很多，文獻［19］中介紹將網絡進行網格劃分，每一個網格組成一個群組，網格與網格之間通過基礎設施進行通信，海洋環境無法建設如此多通信設施，這種方法并不適用海洋互聯網的場景［20］。本文采取的方法將那些相對移動差異較小的船舶歸屬為一個群組，保證群組內網絡結構變化減小，通過對群首的位置管理實現對群內所有船舶進行統一的位置管理，為保證群首與群內其他成員之間良好的連通性與穩定性，最重要的是群首的選擇。

選擇群首的方法有很多，常用的方法有根據每個節點的鄰居節點數量，數量最大的作為群首，但該方法沒有考慮移動性的問題，可能會導致船舶剛入群就離群，群組的穩定性不高，仍會引起由于切換頻繁導致的位置更新頻繁；為使群更大概率的形成穩定鏈路，還有選擇移動速率最慢的節點為群首，但該算法并不適用與海洋互聯網中節點移動速率較高的場景，會導致與群首速率差較大的群成員很快脫離群組。針對海洋互聯網獨特的場景，本文采用基于空間依賴度的群首選擇算法。

空間依賴度是描述兩個節點移動特征的相似度。根據船舶間的速度方向夾角和速度差提出新的群首選擇算法，目的是利用船舶間移動的相似性來提高節點間的連接性。根據每艘船舶航行的方向角θ與航行的速度v，可以計算出某一船舶與其所有一跳通信范圍內的鄰居船舶的空間依賴值的總和（Total Spatial Dependence，TSD）以及該船舶的群體關系值（Cluster Relation，CR），具體計算方法如下：

每個船舶將自己的航跡向θ與航行的速度封裝在HELLO內，廣播給一跳通信范圍內的所有鄰居船舶；每個船舶接收到HELLO包后，計算自己與鄰居船舶的相對角度和相對速度。

例如，船舶i與j的相對角度定義為

船舶i與j的相對速度定義為

式中，vmax為船舶的最大速度。

因此，船舶i與j之間的空間依賴度（Spatial Dependence，SD）為

由此可得船舶i的TSD可以定義為船舶i一跳鄰居節點SD的和：

通過TSD可以得到船舶i的CR為：

式中，n為某一船舶的一跳范圍內的船舶個數。

求出船舶的CR值越高，表示該船舶群體關系越強，更能代表群組的移動特征。

分群的移動性管理方法具體步驟如下：

步驟1入群／建群

（1）當船舶想加入群組時，如果在一跳范圍內存在群首，該船舶向群首發送請求加入消息，群首判斷該船舶的群體關系值，如果大于門限值，則允許該船舶加入群組。

（2）如果在一跳范圍內沒有群首，執行建群操作，該船舶向所有鄰居船舶發送請求，鄰居船舶收到請求命令后會進行回復，每個船舶計算自己的群體關系值CR，將篩選出的船舶建立群后，需要選擇群首，比較各船舶CR值，選擇最大的為群首。

步驟2群組位置更新。當船舶進入群組后，群首會將自己IP發送給新入群船舶的HLR，該HLR修改船舶屬性為群內，并將該船舶的位置信息指向群首，如圖3所示。

圖3 群成員位置更新

2.3 會話傳遞

當主叫終端呼叫某海洋互聯網用戶，呼叫信令先到達該用戶HLR，HLR返回被叫用戶臨時網絡號與所在船舶的船舶基站網絡地址。主叫終端根據船舶IP向船舶的HLR發送位置查詢請求命令，具體流程如圖4所示。

圖4 呼叫船舶流程

（1）主叫終端根據船舶B的網絡地址向移動交換中心（MSC）發起呼叫請求。

（2）移動交換中心向船舶B的HLR發起查詢船舶B的信令。

（3）HLR查詢到船舶B屬性為群內成員，位置信息指向群首，通過群首的HLR繼續查詢群首的位置信息；如果船舶B屬于群外成員，HLR保存船舶B的臨時網絡地址，直接可以查詢到船舶B的網絡位置信息。

（4）如果船舶B為群內，向主叫終端返回群首的位置信息。

（5）根據返回的網絡位置信息可以判斷所屬的岸基網絡；實現從岸基網絡到群首到船舶B到用戶的通信路徑。

3 實驗分析與結果對比

3.1 仿真場景的建立

通過EXata仿真平臺來驗證海洋互聯網用戶移動性管理方法的可行性。在平臺中建立海洋互聯網場景，場景范圍為80 km×80 km。為了生成真實的船舶運動模式，根據船訊網中的衛星地圖來部署船舶分布，建立如圖5所示的海洋互聯網仿真場景，該場景由兩個岸基網絡、19艘船舶和路由器和文件服務器組成。場景內船舶移動速度隨機分布，速率分布范圍為12～28 kn；場景的仿真時間為900 s；應用類型為CBR；源節點向目的節點發送數據包的數量為100個。

圖5 海洋互聯網仿真場景

在圖5的仿真場景中，根據船舶的移動相似性組成兩組群。根據式（3）～（5）計算群組的CR值，比較得出群1中11號船舶的CR值最大，群組2中17號船舶CR值最大。群首11、17向陸地文件服務器4發送數據，船舶15按照傳統的方法單獨向服務器發送數據。

3.2 仿真數據分析

該場景下的仿真運行結果如下所述，從圖6綠色箭頭可以看出，群首11、17與各自的群成員完成通信過程，群首代替群成員向陸地文件服務器發送位置更新數據。船舶12、13與15由于CR值太小無法加入或建立群組，將根據路由協議選擇合適的路徑通過中繼船舶與岸基基站進行連接。通過平均時延將分群算法與傳統的移動性管理方法進行對比。

圖6 仿真結果

由圖7可知，基于群的移動性管理方法平均時延明顯低于傳統的移動性管理方法。因為基于群的移動性管理方法中進行位置更新的僅有群首，但傳統的移動性管理方法每艘船舶都需要獨立進行位置更新，這種方法可能會導致網絡擁塞。

圖7 平均時延

根據群組平均生存時間與節點平均切換次數，分別對最小速率（Min-velocity）、最大節點度（Maxdegree）與空間依賴度（CR）3種群首選擇算法進行對比。

在EXata4.1平臺上進行20次仿真實驗，將得出的群組生存時間和各時間段發生切換的次數，取平均值得到3個算法的平均生存時間與平均切換次數。

圖8反映了3個算法群平均生存時間。圖9反映3個算法隨著時間的變化，群內發生切換的變化趨勢。基于CR的群首選擇算法的群生存時間較久且切換次數變化較慢，因為該算法考慮了海洋互聯網中船舶的移動特征，選擇群組中與其余船舶移動相似度最高的為群首，因此被選擇的船舶最能代表整個群的移動特征。

圖8 平均生存時間

圖9 平均切換次數

基于CR值選擇的群首較為準確的代表整個群的移動特性，群組穩定效果最好。

4 結 語

本文以海洋互聯網為研究背景，提出了適用于海洋互聯網的分群移動性管理算法，該算法考慮了海洋場景的特殊性以及船舶的移動特征，根據群體關系值作為群首選擇的依據。由于該算法結合了船舶的移動特性，群組網絡的穩定性得到了提升，提高了群組的生存時間，并且與傳統的移動性管理方法相比，分群算法能有效避免了由于船舶移動速率高導致的頻繁切換、信令開銷大與網絡擁塞現象，提升了用戶體驗，讓用戶得到了高質量的通信服務。