WiMAX是基于IEEE802.16標準的寬帶無線接入城域網（BWA MAN）技術，具有傳輸距離遠、接入速度高，基于IP的網絡，支持移動性，滿足移動、游牧、固定等不同場景應用的特點，可以廣泛應用于廣域接入、企業寬帶接入、家庭“最后一公里”接入、熱點覆蓋、移動寬帶接入以及數據回傳（Backhaul）、有線基礎設施薄弱的地區等幾乎所有無線寬帶接入市場。

WiMAX支持移動性的關鍵技術是實現網絡的無縫切換，如果切換過程進行不好，很可能造成小區的過載或移動臺的“掉話”，使網絡服務質量大大下降。WiMAX網絡支持VoIP和多媒體通信等時延敏感業務，所以如何快速切換，降低切換時延和丟包率一直是WiMAX網絡研究熱點，關系到WiMAX網絡能否大規模布署問題?？焖僖苿覫Pv6（FMIPv6）是公認的IP網絡中移動性解決方案，已經在多個系統中采用，技術相對成熟，文章正是在研究802.16e標準定義的MAC切換機制和FMIPv6基礎上，按照IEEE802.21工作組提出的草案，在二、三層切換中引入媒質獨立切換（MIH，Media Independence Handover）來獲取底層鏈路信息，達到提前觸發切換的目的，并通過NS-2仿真工具進行了仿真實現和結果分析。

1、引入MIH的WiMAX跨層切換方案

1.1　MIH介紹

IEEE 802.21工作組是在多種網絡的互聯需求下成立的，它的成立旨在為多種無線通信網絡提供規范的無縫切換標準，為運營商和用戶帶來統一的互聯標準，消除因多種網絡底層技術而造成的互聯混亂。IEEE 802.21的一個核心思想就是為了屏蔽底層而為上層提供統一的互聯接口，使上層切換在一個標準的平臺執行，而不用去處理因底層技術的不同帶來的差異。因此，MIH便應運而生。MIH定義了一種方法可以提供鏈路層信息和其他有關網絡信息給上層用于異構網絡間的切換。在這樣一個擁有多種網絡接口的體系中，FMIPv6可以使用事件服務（event service），命令服務（command service）和信息服務（information service）這三種由MIH提供的服務來管理和控制切換時的狀態。在FMIPv6中，網路層必須提前探測鏈路層切換跡象實現無縫切換。所以，需要在FMIPv6中引入MIH服務用于鏈路層觸發。其服務類型共分為三種。

（1）事件服務

事件服務使FMIPv6中切換檢測更容易實現。事件信息提供當前網絡的狀態和二層數據鏈路的傳輸行為，比如MAC、無線資源管理等。FMIPv6使用一組請求/確認信令注冊從MIH層收到的事件。定義的事件包括有：Link Detect、Link Available、Link Up、Link Down、Link Going Down等。

（2）命令服務

命令服務引用高層發送給低層的命令，包括從高層到MIH（比如，高層移動性協議到MIH）以及MIH到底層（比如，MIH到MAC，或者MIH到PHY）的命令。這些命令主要攜帶著高層判決信息給低層，并且控制低層實體的行為。

（3）信息服務

信息服務提供一個框架和通信機制，通過這些MIH的功能實體在一個地理范圍之內可以發現并且獲得現有的網絡信息，從而使切換過程更容易執行。信息服務主要提供一組請求／響應機制用于信息傳送。該信息可以儲存在MIH層內部或者MIH可以到達的信息服務中。該信息服務提供諸如鄰居位置等靜態信息有助于網絡發現，也提供動態信息有助于優化異構網絡中鏈路層的連通性。這包括鏈路層參數，諸如頻道信息、MAC地址、安全信息，等等。

1.2　引入MIH的WiMAX跨層切換方案

1.2.1　FMIPv6上層切換的優化

2001年7月出臺的IETF草案“移動IPv6的快速切換（FMIPv6）”提出了增強移動IPv6節點在Internet上快速改變接入點性能的方案，以降低越區切換時的分組延時和丟包率。它的基本思路有三種：分組緩存、組播和基于L2移動觸發的預先切換。其中第三種思路是研究的熱點。FMIPv6能在二層切換時選定路由器并且完成綁定更新，這樣發給原CoA的包將送到新CoA。此外，當MN仍連接在PAR時，FMIPv6通過使用NAR的鏈路層信息完成CoA配置。為了減少切換的時延，采用2層觸發（L2 Trigger）機制，讓L3層切換在L2層切換發生之前就提前觸發，開始啟動，一旦L2切換完成，那么由于L3切換已經開始準備了相應的三層路由，可以基本無時延的沿著新路徑進行報文的收發，從而降低甚至消除注冊時延。

1.2.2　切換流程

FMIPv6在IP層的切換過程中需要二層觸發來預先獲取鏈路層信息，從而提前開始三層的切換。從這個角度來看，MIH提供的事件服務能夠有效地為三層提供觸發機制，在進行二層切換的同時，觸發三層進行切換，從而實現移動節點在網絡間的無縫切換，以適應各種實時業務的需要。在引入MIH的網絡模型中，通過在WiMAX中結合FMIPv6的預先和快速切換，能更加有效的改善切換性能，減小時延和丟包率，切換流程如圖1所示。

本文引用地址：http://www.j9360.com/article/201706/353706.htm
圖1　引入MIH的FMIPv6切換流程

在link going down階段通過FMIPv6中的RtSolPr和PrRtAdv的信令交互，使MN在沒有斷開連接時就獲取到了Target BS的網絡前綴信息，為三層切換做好了準備。而在二層切換完成時，MN已經與Target BS建立起新的連接后，MN隨即就可以配置新的網絡地址，而不需要再去從新獲取網絡前綴。

與傳統的基于MIPv6的方案相比，該方案主要采用了跨層切換的思想，L2層、L3層聯合切換，整個切換可以分預切換和切換執行兩部分，在預切換過程中，通信鏈路保持連接，通信可以正常進行，在此過程中完成了新接入路由發現，有效的減小了切換時延，同時在切換執行過程中，采用隧道技術由PAR向NAR轉發緩存數據包，服務流能有效的重定向到新的AP，從而有效地減小了丟包率。

2、跨層切換的仿真

2.1　仿真場景建立

利用NIST提供的無縫安全移動性（Seamless and Secure Mobility）協議支持包，按照上面提出的切換仿真方案，修改源代碼中與切換相關的路由發現與網絡地址配置流程。即在Link going down階段就進行三層切換的信令交互，獲取Target BS的網絡地址，省去了鏈路重新建立后獲取新轉交地址的流程，而是在二層切換完成時隨即配置之前獲取到的新的轉交地址。仿真場景如圖2所示。

圖2　WiMAX網間切換仿真場景圖

其中，4是移動節點MN，2和3表示分屬于不同網絡的兩個WiMAX基站，1表示路由器，0表示通信對端。通過從0向4以0.1 s的發包間隔發送Packet Size=4960的cbr（constant bit rate）流量來仿真應用層服務流。服務流仿真時間從10到150，總共發送了5603個包。1負責轉發服務流到基站，當仿真開始時，MN開始初始接入2號基站的網絡中。初始接入完成之后在2號基站的覆蓋范圍內向3號基站的覆蓋區域以2m/s的速度移動，2號基站負責發送從1轉發過來的服務流到移動節點。

2.2　切換時延和丟包率分析

該仿真模擬了一個MN在分屬于不同網絡域的兩個BS之間切換的過程。通過分析移動節點MN接收到的數據包，來考察切換時延和丟包情況。具體數據信息如表1所示。

表1　MN接收數據包ID與仿真時間分析表

由表1中的數據可以看出，在t=106.051318565時MN開始發生切換，此時收到Serving BS發送來的最后一個數據包，其ID號為3843；直到t=106.248973719時切換結束，收到Target BS發送來的ID號為3848的數據包，總共丟了4個包，切換時延約為Thandover=0.19。

2.3　端到端時延與仿真時間的關系

通過分析數據包的端到端時延，可以考察網絡的穩定性。當網絡處于正常工作狀態時，數據包的轉發應該是相對穩定的，端到端時延在一個數量級上平穩波動。但是，當移動節點發生切換時，二層鏈路掃描和路由更新過程會影響數據包的轉發速率，使端到端時延突然增大。當切換完成時，數據包又會恢復平穩的轉發。通過NS-2提供的gnuplot繪圖工具，分別繪制出基于FMIPv6和基于傳統MIPv6下的端到端時延圖，其中實心點表示數據包。

從圖3和圖4中可以看出，在切換開始前和切換結束后，MN分別和兩個不同的基站進行通信，且服務流保持平穩的端到端時延，當切換進行時，由于要進行二層鏈路的重新連接和服務流重定向，導致切換過程中產生的服務流數據包在網絡中滯留時間相對較大，直到服務流重定向完成時才由Target BS發送給MN，從而產生了圖中所示的延時沖擊。

圖3　基于FMIPv6的端到端時延

圖4　基于傳統MIPv6的端到端時延

而比較兩種切換流程可以看出，基于FMIPv6的方案雖然產生了兩次延時沖擊，但是它保證了數據包能完整發送到MN，只是由于在進行二層切換和服務流重定向時，網絡中的數據包滯留時間稍長，且只有少量丟包，因此基于FMIPv6的方案能有效的降低丟包率，但是對于網絡的負荷會響應增加；而基于傳統MIPv6的方案雖然只在進行二層切換時數據包的時延有所增大，但是它并沒有提前獲取新的網絡前綴，因此二層切換完成后MN會與Target BS進行三層切換的信令交互。這時數據包由于找不到路由而產生了大量的丟包情況。而在路由重新建立起來后數據包才由Target BS平穩的發送給MN。因此基于傳統的MIPv6方案是以丟包為代價來獲取網絡的穩定性。仿真結果驗證了上文中對端到端時延的理論分析。

2.4　小結

本次實驗主要考察在同構的WiMAX網絡中二層和三層切換的結合，通過引入MIH來獲取底層鏈路的信息，達到提前觸發切換的目的。通過仿真驗證了MIH子層在WiMAX網間切換時結合FMIPv6的思想進行跨層切換，能有效地降低切換時延和丟包率，對上層服務流特別是對實時性要求較高的語音和視頻業務能夠提供良好的QoS保證。當然，實驗本身也有一定局限性。首先，方案中對切換判決的策略只是單一的信號功率判斷，沒有結合其他的切換策略，這也是今后研究中的一個重點；另外，由于實驗重點放在考察切換時延和丟包率上，因此對于WiMAX的組網和網絡管理以及認證鑒權等處理未作深入考慮，在實際應用中以上因素也是WiMAX商業運營必不可缺少的關鍵。

3、結語

文章在介紹WiMAX的同時重點考察了如何將FMIPv6與WiMAX的底層切換相結合，通過在二三層之間引入MIH子層完成上層與底層之間的交互，為上層提供鏈路信息和切換觸發事件，使得在WiMAX網絡間切換時能更好地支持語音、視頻等實時業務。并通過NS-2網絡仿真工具對切換方案進行了仿真和對比，驗證了方案的可用性和良好性能，對于今后以全IP核心網為基礎的WiMAX網絡互聯有一定的指導意義。另一方面，MIH的提出是為未來豐富多彩的異構網絡互聯提供協議統一性，因此，在本次實驗的基礎上，異構網絡間的切換將成為今后的研究重點。