基于層次化網(wǎng)絡(luò)編碼的無線物聯(lián)網(wǎng)協(xié)作切換機制研究

謝燕

摘 要：無線物聯(lián)網(wǎng)是基于多種協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)整合產(chǎn)物，為滿足移動終端在無線物聯(lián)網(wǎng)中的漫游切換，需構(gòu)建完善的切換機制。文章從無線物聯(lián)網(wǎng)切換機制現(xiàn)狀入手，分析傳統(tǒng)切換機制的不足，提出基于層次化網(wǎng)絡(luò)編碼的無線物聯(lián)網(wǎng)協(xié)作切換機制，論述其物理模型與構(gòu)建思路、要點，并實施仿真模擬，驗證該機制的可行性與可靠性。

關(guān)鍵詞：層次化網(wǎng)絡(luò)編碼;無線物聯(lián)網(wǎng);協(xié)作切換

0 引言

在無線物聯(lián)網(wǎng)的實踐應(yīng)用中，各個網(wǎng)絡(luò)接入點的數(shù)量有限，要想使用戶獲得理想的使用效果，需滿足移動終端的漫游切換要求。無線物聯(lián)網(wǎng)的漫游切換，表現(xiàn)出多路徑、多中繼特點，而傳統(tǒng)切換機制不支持多跳切換，漫游切換的成功率較低，故需技術(shù)人員提出一種更可靠的切換機制。

1 無線物聯(lián)網(wǎng)切換現(xiàn)狀

為滿足無線物聯(lián)網(wǎng)的漫游切換需求，工作者設(shè)計了多種切換機制。從是否應(yīng)用第三方協(xié)作而言，可劃分為兩類：? ? （1）不應(yīng)用第三方協(xié)作。該模式下，切換操作由移動終端和基站完成，無需實施第三方基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)工作，但對移動終端間的距離和無線傳輸速度有一定要求。（2）應(yīng)用第三方協(xié)作。該模式下，切換操作不受移動終端間的距離和無線傳輸速度影響，但需實施第三方基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作，并做好升級改造。從切換協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層次而言，可劃分為4類：（1）基于鏈路層切換協(xié)議的切換機制。該機制通常選擇緊耦合框架，包括3G和WLAN兩個網(wǎng)絡(luò)。利用3G網(wǎng)絡(luò)移動性管理，實現(xiàn)無線物聯(lián)網(wǎng)切換目標(biāo)。（2）基于網(wǎng)絡(luò)層切換協(xié)議的切換機制。以移動IP協(xié)議為基礎(chǔ)，研發(fā)垂直解決方案，從網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)無線物聯(lián)網(wǎng)的有效切換。（3）基于傳輸層切換協(xié)議的切換機制。通過多路徑構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)切換解決方案，獲得聚合帶寬。（4）基于應(yīng)用層切換協(xié)議的切換機制。該機制以會議初始協(xié)議為基礎(chǔ)，在一定程度上提高了移動終端的移動性與靈活性[1]。

在以上模式下的網(wǎng)絡(luò)切換機制均存在局限性，特別是頻繁移動的終端切換成功率較低。為解決該問題，本文提出基于層次化網(wǎng)絡(luò)編碼（HNC）的無線聯(lián)網(wǎng)協(xié)作切換機制，以網(wǎng)絡(luò)編碼為基礎(chǔ)，根據(jù)各個中繼節(jié)點的特點，將其合理劃分至對應(yīng)的多層中繼圈中，管控切換中數(shù)據(jù)包的傳輸數(shù)量和傳輸方向，降低網(wǎng)絡(luò)切換中的冗余問題，顯著提高切換可靠性[2]。

2 基于層次化網(wǎng)絡(luò)編碼的無線物聯(lián)網(wǎng)協(xié)作切換機制

本文從層次化網(wǎng)絡(luò)編碼入手，設(shè)計一種無線物聯(lián)網(wǎng)協(xié)作切換機制，闡述協(xié)作切換機制的基本模型與設(shè)計思路，改進算法，提高協(xié)作切換成功率，進而實現(xiàn)無線物聯(lián)網(wǎng)切換機制的優(yōu)化。

2.1 層次化網(wǎng)絡(luò)編碼

網(wǎng)絡(luò)編碼是整合路由與編碼的信息交換技術(shù)。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，應(yīng)用最大流與最小割定理，確保信息傳輸雙方均保持最大通信速率，實現(xiàn)高效可靠的數(shù)據(jù)通信。在無線物聯(lián)網(wǎng)切換中，網(wǎng)絡(luò)編碼的應(yīng)用可實現(xiàn)多播路由傳輸，顯著提升通信效率，有效節(jié)約帶寬。層次化網(wǎng)絡(luò)編碼是將網(wǎng)絡(luò)編碼劃分為不同層次，在無線物聯(lián)網(wǎng)切換中，利用其規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)層次，加強對切換中的數(shù)據(jù)傳輸控制，避免數(shù)據(jù)傳輸受移動終端影響，實現(xiàn)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)傳輸，提高切換成功率。

2.2 物理模型與基本思路

本文針對鏈路有衰減工況下的無線物聯(lián)網(wǎng)實施切換機制研究。在該運行狀況下，可使用如下公式，分別表示用戶移動終端與基站間的鏈路衰減狀況，以及用戶移動終端接收的信號強度[3]。

其中，L（vj）是指鏈路衰減;ω是指鏈路衰減指數(shù);δ（vj）是高斯隨機變量;RSS是指信號強度;SE（vj）是指基站的載波發(fā)射功率。本文設(shè)計的HNC協(xié)作切換機制以上述公式為物理模型。

在無線物聯(lián)網(wǎng)中，以移動終端為結(jié)構(gòu)中心，與網(wǎng)絡(luò)接入點共同構(gòu)成多層中繼圈。在HNC協(xié)作切換機制中，引進層次化網(wǎng)絡(luò)編碼，優(yōu)化中繼節(jié)點間的協(xié)作，提高多中繼連接的可靠性，進而保障移動終端和網(wǎng)絡(luò)接入點的可靠通信。

2.3 協(xié)作切換算法分析

在HNC機制中，針對多層中繼圈結(jié)構(gòu)特點，為各層中繼圈及其下層中繼圈設(shè)定獨立編碼數(shù)據(jù)包傳輸策略。本機制采用分布式算法來滿足移動終端切換需求。算法原理如下：將各層次中繼圈的中繼節(jié)點個數(shù)設(shè)定為N，以無線物聯(lián)網(wǎng)切換時不同中繼圈層次網(wǎng)絡(luò)信息量之和最大，即Isum為目標(biāo)，選擇其中（M-1）個最優(yōu)中繼節(jié)點，使不同層次間存在丟包率的運行工況下，無線物聯(lián)網(wǎng)的容量不會顯著減少[4]。

2.4 協(xié)作切換數(shù)據(jù)分析

在明確HNC機制后，應(yīng)確定協(xié)作切換數(shù)據(jù)的分析方法，計算無線物聯(lián)網(wǎng)切換的成功率，為HNC機制的投入使用奠定基礎(chǔ)。協(xié)作切換數(shù)據(jù)的處理與計算流程如下：

（1）切換失敗概率計算。切換失敗概率的計算應(yīng)在明確無線物聯(lián)網(wǎng)切換的工況下進行，切換的判定條件：將移動終端的移動速度設(shè)置為固定值，移動終端朝著同個方向移動;在此情況下，對比移動終端移動距離的預(yù)測值與設(shè)定距離門限，如果預(yù)測值超過設(shè)定距離門限，即可判斷無線物聯(lián)網(wǎng)切換?；谏鲜銮袚Q條件，可將移動終端位置點接收的信號強度作為移動距離的評估指標(biāo)，根據(jù)信號強度和預(yù)設(shè)門限間的關(guān)系，計算以基站為圓心的蜂窩域發(fā)射半徑;再應(yīng)用速度估計算法LCR，計算移動終端的瞬時速度，結(jié)合該速度預(yù)測移動終端在基站蜂窩域內(nèi)的移動距離，構(gòu)建移動距離的概率分布函數(shù);最后將移動距離的概率分布函數(shù)與設(shè)定距離門限對比，計算切換失敗概率。

（2）切換偏差概率計算。在無線物聯(lián)網(wǎng)切換中，切換偏差是指編碼數(shù)據(jù)包傳輸至鄰接域的中繼節(jié)點內(nèi)，判定切換偏差的條件為移動終端和基站的信號強度低于設(shè)定閾值。在切換偏差概率計算時，技術(shù)人員可以δ（vj）為基礎(chǔ)，設(shè)定信號強度的計算函數(shù)。

（3）切換發(fā)動成功率計算。在無線網(wǎng)絡(luò)切換中，切換發(fā)動成功是指除切換失敗與切換偏差兩種狀況以外的切換結(jié)果，概率=1-切換失敗概率-切換偏差概率。

3 基于層次化網(wǎng)絡(luò)編碼的無線物聯(lián)網(wǎng)協(xié)作切換機制實踐

在明確基于層次化網(wǎng)絡(luò)編碼的無線物聯(lián)網(wǎng)協(xié)作切換機制基礎(chǔ)理論與基本內(nèi)容后，本文應(yīng)用OMNet++4.0平臺，模擬無線物聯(lián)網(wǎng)運行環(huán)境，進行無線物聯(lián)網(wǎng)切換的仿真分析，驗證本文設(shè)計協(xié)作切換機制的可行性與可靠性。

3.1 仿真條件

在OMNet++4.0平臺中，設(shè)置用戶步行與駕車兩種測試狀況，測定傳統(tǒng)無線物聯(lián)網(wǎng)（基于實用編碼PNC的無線物聯(lián)網(wǎng)切換機制）、多中繼切換機制（用“Takeover”表示）、HNC機制三者的切換結(jié)果。其中，在用戶步行測試狀況下，移動終端的移動速度設(shè)置為2 m/s;在用戶駕車測試狀況下，移動終端的移動速度設(shè)置為15 m/s。

3.2 仿真結(jié)果

在用戶步行狀況下，無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變差，3種切換機制的切換成功率均有所減少。Takeover機制切換成功率下降的幅度最大，PNC機制次之，HNC機制最低。在該情況下，可見HNC機制的切換成功率處于較高水平。說明Takeover和PNC機制在切換中，不能有效支持移動終端的移動，一旦中繼節(jié)點和原本區(qū)域距離加大，會影響編碼數(shù)據(jù)包的運輸。而HNC機制通過多層中繼圈，對全部中繼節(jié)點實施層次化界定，為編碼數(shù)據(jù)包指明傳輸方向，確保其傳輸至緯度最低的網(wǎng)絡(luò)接入點，提高切換成功率。

在用戶駕車狀況下，隨著丟包率的加大，Takeover的切換成功率逐漸下降，甚至可達(dá)到0;但PNC機制的切換成功率基本穩(wěn)定，普遍超過50%。而HNC機制的切換成功率略有下降，但穩(wěn)定在80%以上。在該情況下，HNC機制的優(yōu)勢更為顯著。說明Takeover和PNC機制因未劃分中繼節(jié)點，使其處于同等地位，而車輛運行速度較快，中繼節(jié)點隨之頻繁移動，使傳輸方向出現(xiàn)偏差。HNC機制可確保編碼數(shù)據(jù)包始終正確運輸，車輛運行速度對切換成功率的影響不大。

根據(jù)上述仿真分析可知，HNC機制的切換成功率顯著高于Takeover機制和PNC機制，可在無線物聯(lián)網(wǎng)切換中推廣應(yīng)用，提高傳輸可靠性。

4 結(jié)語

綜上所述，在無線物聯(lián)網(wǎng)切換中，可根據(jù)多層中繼圈的特點，引進層次化網(wǎng)絡(luò)編碼，為數(shù)據(jù)包傳輸設(shè)定明確方向，在不顯著增加網(wǎng)絡(luò)運行成本的基礎(chǔ)上，能提升網(wǎng)絡(luò)通信效率，為用戶提供良好的移動終端使用體驗。

[參考文獻]

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（編輯 姚 鑫）