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隨著移動通信和Internet的迅猛發(fā)展，移動通信和Internet相互融合正逐漸成為研究開發(fā)的熱點。在第三代移動通信系統(tǒng)中，提供高達2Mb/s的無線分組數(shù)據(jù)速率，蜂窩的范圍從宏蜂窩進一步縮小到微蜂窩，甚至是微微蜂窩，對于無線接入Internet而言，要求更高效的無線分組路由機制和快速的無縫移動切換控制技術(shù)。傳統(tǒng)的MobileIP協(xié)議只是在較大范圍的蜂窩間簡單地解決Internet主機移動性。本文介紹一種新的Internet移動主機協(xié)議――蜂窩IP（CellularIP），它繼承了MobileIP的優(yōu)點，并且充分利用蜂窩移動通信系統(tǒng)的移動性管理功能和移動切換技術(shù)，從而支持快速運動的移動主機無線接入Internet。 一、蜂窩IP協(xié)議 蜂窩IP技術(shù)充分利用了蜂窩移動通信系統(tǒng)的移動性管理功能和連接切換控制，來實現(xiàn)蜂窩IP網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的路由和切換。蜂窩IP網(wǎng)絡(luò)由蜂窩IP基站(BS)和蜂窩IP網(wǎng)關(guān)(Gateway)兩大部分組成。蜂窩IP基站，作為網(wǎng)絡(luò)的無線接入點，也集成了傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)的移動交換中心(MSC)和基站控制器(BSC)的功能。它建立在IP分組轉(zhuǎn)發(fā)的基礎(chǔ)上，其IP路由的功能由蜂窩IP路由和位置管理實體來完成。許多個基站組成一個蜂窩IP網(wǎng)絡(luò)，通過蜂窩IP網(wǎng)關(guān)接入到Internet，蜂窩IP網(wǎng)關(guān)起到路由和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的功能。在蜂窩IP網(wǎng)關(guān)之間，網(wǎng)絡(luò)的全局移動性由MobileIP協(xié)議來支持，而在蜂窩IP網(wǎng)關(guān)內(nèi)部，采用蜂窩移動系統(tǒng)的移動性管理和切換功能來支持網(wǎng)絡(luò)的局部移動性。

蜂窩IP網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的移動主機將網(wǎng)關(guān)的IP地址作為它的MobileIP轉(zhuǎn)交地址，當(dāng)有IP數(shù)據(jù)包發(fā)往移動主機時，首先通過MobileIP協(xié)議原理，到達該主機所在網(wǎng)絡(luò)的蜂窩IP網(wǎng)關(guān)，在網(wǎng)關(guān)處解封裝，并向基站轉(zhuǎn)發(fā)。在蜂窩IP網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，移動主機的地址就是其歸屬地址，數(shù)據(jù)可以直接轉(zhuǎn)發(fā)給移動主機。當(dāng)移動主機發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，將分組通過無線方式傳輸?shù)剿诘幕?，然后通過hop-by-hop方式路由到網(wǎng)關(guān)，通過該網(wǎng)關(guān)發(fā)送到Internet上。在蜂窩IP中，位置管理和切換支持都集成在路由功能中?；径〞r發(fā)送導(dǎo)引信號，其中包含所在網(wǎng)關(guān)的IP地址，移動主機通過該導(dǎo)引信號進行定位，支持廣域的移動性。蜂窩IP節(jié)點維護一個路由緩存，存儲移動主機的IP地址和相鄰的下一個節(jié)點，通過hop-by-hop方式，構(gòu)成一條上行鏈路(基站到網(wǎng)關(guān))的路由。下行鏈路(網(wǎng)關(guān)到基站)也可以利用這條路由緩存鏈，將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)到移動主機。當(dāng)主機在基站間移動時，由于上行數(shù)據(jù)分組不斷更新路由緩沖，所以下行分組可以準(zhǔn)確轉(zhuǎn)發(fā)到移動主機處，很好地解決了蜂窩IP網(wǎng)內(nèi)部的位置更新問題。在有些節(jié)點處還設(shè)置尋呼緩存，對路由緩存的起到一定彌補作用。 二、關(guān)鍵技術(shù) 1.移動主機。 在蜂窩IP網(wǎng)絡(luò)中，移動主機有兩種狀態(tài)：激活(active)和空閑(idle)。當(dāng)移動主機收到或準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，它的狀態(tài)從空閑轉(zhuǎn)為激活，而且，只要主機在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)分組，就一直保持激活狀態(tài)。當(dāng)主機經(jīng)過一段時間沒有收到或發(fā)送任何數(shù)據(jù)分組，激活狀態(tài)超時，主機重新回到空閑狀態(tài)。當(dāng)移動主機從空閑轉(zhuǎn)為激活狀態(tài)時，它發(fā)送路由修改分組，同時啟動一個定時器，初始值為路由修改時間。只要主機發(fā)送數(shù)據(jù)分組，定時器就會重新初始化為路由修改時間，這樣就確保了在激活狀態(tài)下，間隔時間不大于路由修改時間的數(shù)據(jù)分組都可以發(fā)送。如果發(fā)送的數(shù)據(jù)分組足夠快，移動主機可以不產(chǎn)生路由修改分組。在空閑狀態(tài)下，移動主機定時發(fā)送尋呼修改分組，間隔為尋呼修改時間。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，移動主機就停止發(fā)送尋呼修改分組。當(dāng)主機移動到一個新的基站或無線信道阻塞的情況下，如果主機處于激活狀態(tài)，就立即發(fā)送路由修改分組，否則就立即發(fā)送尋呼修改分組，保持主機與網(wǎng)絡(luò)的連接。
2.路由。 在蜂窩IP節(jié)點維護路由緩存和尋呼緩存，存儲移動主機IP地址和相鄰下一節(jié)點的映射表。利用該映射表，通過hop-by-hop方式，構(gòu)成上行路由；下行路由也利用該映射表轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組；映射表由傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組創(chuàng)建和更新，因此，路由隨著移動主機位置更新而自動調(diào)整，很好地解決主機移動性問題。在上行鏈路方向(基站到網(wǎng)關(guān))，其路由算法為：當(dāng)分組到達一個節(jié)點時，節(jié)點檢查分組類型，如果是數(shù)據(jù)分組，就創(chuàng)建或修改節(jié)點的路由緩存，然后轉(zhuǎn)發(fā)到上行鏈路的下一節(jié)點；如果是尋呼修改分組，，就創(chuàng)建或修改節(jié)點的尋呼緩存，同樣也轉(zhuǎn)發(fā)到上行鏈路的下一節(jié)點。在下行鏈路方向(網(wǎng)關(guān)到基站)，其路由算法為：節(jié)點首先檢查路由緩存中是否有分組的目的地址，如果存在，則將分組轉(zhuǎn)發(fā)到下一節(jié)點；如果沒有該地址的映射，則檢查節(jié)點處是否有尋呼緩存，若沒有尋呼緩存，就向所有下行鏈路的節(jié)點廣播該分組；如果存在尋呼緩存，且其中有該分組的目的地址，就將分組轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的下一節(jié)點，否則就丟棄該分組。
3．切換。 蜂窩IP硬切換算法直接來源于蜂窩通信系統(tǒng)，當(dāng)移動主機進入新的基站時，發(fā)送路由修改分組來改變路由映射表鏈，使其指向新的基站。這種切換造成切換完成后到達原基站的分組被丟棄，對分組丟失率等性能存在較大影響。為提高切換性能，引入新的切換機制――準(zhǔn)軟切換。準(zhǔn)軟切換的具體過程為：準(zhǔn)軟切換開始，移動主機向新基站發(fā)送路由修改分組，同時也偵聽原基站；路由修改分組在新基站創(chuàng)建路由緩存和尋呼緩存，當(dāng)路由修改分組到達新老基站路由交匯節(jié)點時，在其路由緩存中增加新的映射，而不是替代原有的映射；移動主機從原基站和新基站同時接收分組；當(dāng)移動主機完全進入新基站后，發(fā)送新的路由修改分組，清除路由緩存映射，僅保留到新基站的路由，這樣就切換到新的基站上，完成準(zhǔn)軟切換。 4.位置管理和尋呼。 在蜂窩IP網(wǎng)絡(luò)中，幾個蜂窩組成一個尋呼域，每個尋呼域有唯一的尋呼域標(biāo)識號?；驹诙〞r發(fā)送的導(dǎo)引信號中傳送尋呼域標(biāo)識號，使移動主機通過導(dǎo)引信號獲得所在尋呼域的標(biāo)識號。因此，空閑狀態(tài)移動主機不需要在蜂窩邊界發(fā)送位置修改分組，就可以支持廣域上的漫游。當(dāng)空閑狀態(tài)主機在尋呼域內(nèi)移動時，僅在尋呼修改時間超時后發(fā)送尋呼修改分組。當(dāng)空閑狀態(tài)主機移動到新的尋呼域時，就必須發(fā)送尋呼修改分組。該分組通過基站以hop-by-hop方式路由到網(wǎng)關(guān)，在每個通過節(jié)點創(chuàng)建尋呼緩存，指向新的尋呼域。尋呼修改分組到達網(wǎng)關(guān)后丟棄?；具x擇性的設(shè)置尋呼緩存，尋呼緩存和路由緩存有兩個方面的不同：一是尋呼緩存映射的超時時間更長，二是主機發(fā)送的素有分組都修改尋呼緩存映射，而路由緩存映射只能被數(shù)據(jù)分組和路由修改分組修改。當(dāng)一個分組發(fā)往空閑狀態(tài)主機，而節(jié)點沒有指向該主機的路由緩存映射時，就發(fā)生尋呼。如果基站沒有尋呼緩存，就將分組轉(zhuǎn)發(fā)到所有下行基站；否則就利用尋呼緩存的映射，將分組轉(zhuǎn)發(fā)到下一節(jié)點，直至主機，這就避免了在蜂窩內(nèi)查找的過程，降低了尋呼的費用。 三、性能分析 將蜂窩IP技術(shù)應(yīng)用到WaveLAN系統(tǒng)中，建立實驗系統(tǒng)，主要分析蜂窩IP協(xié)議的切換性能，分析切換時的分組丟失率?？梢缘贸觯睬袚Q時，分組丟失率隨著分組速率的上升而增加，也受到發(fā)送緩存器大小的影響；而在軟切換時，分組幾乎不丟失。因為在硬切換條件下，主機切換到新基站后，就立即丟棄原基站的分組，顯然當(dāng)發(fā)送緩存器越大、分組速率越高時，丟棄的分組越多；而軟切換時，主機保留一段時間同時接收兩個基站的分組，所以幾乎就沒有分組丟失?？梢钥闯觯捎脺?zhǔn)軟切換的蜂窩IP技術(shù)在充分解決Internet主機移動性的基礎(chǔ)上，保證移動主機在頻繁切換下傳輸高速分組數(shù)據(jù)的性能，適用于微蜂窩和微微蜂窩，滿足第三代移動通信系統(tǒng)傳輸高速無線數(shù)據(jù)的需要。

蜂窩IP技術(shù)很好的利用了MobileIP和蜂窩移動系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)點，采用特有的路由、尋呼和準(zhǔn)軟切換技術(shù)，適應(yīng)下一代移動通信發(fā)展的需要。隨著移動通信和下一代Internet的迅猛發(fā)展，人們對于高速無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越迫切，蜂窩IP技術(shù)必將進一步發(fā)展和完善，與下一代移動通信系統(tǒng)和Internet完全兼容，真正帶入人類進入寬帶移動多媒體通信時代。