一种基于无线局域网的移动检测优化方案

　　无线局域网采用移动IP实现移动性管理。移动IP切换存在切换时延大，数据包易丢失的问题。切换时延由移动检测时延和注册时延组成，而移动检测时延在其中占主要部分。文章提出了一种移动检测优化方案，采用了自适应绑定的算法，同时充分考虑了域内小范围高频度切换的情况，使移动节点在无线局域网环境中进行快速有效的切换。

　　一、引言

　　目前，无线局域网（WLAN）正在以其方便灵活的特性以及日益低廉的价格成为通信领域发展最快的分支之一。无线局域网在热点地区（机场，宾馆，企业）提供宽带高速无线接入方面有其独特优势，将在下一代移动通信系统中将占据重要地位。IEEE802.11协议制定了无线局域网媒体访问控制（MAC）层和物理层的规范及其基本结构。为了保证移动站点在各个子网之间的漫游，需要在其MAC层之上引入移动IP技术。

　　移动IP协议是一种在Internet上提供移动功能的网络层方案，使节点在切换链路时不中断正在进行的通信。切换问题是移动IP网络研究的重点，它包含移动检测和网络注册等一系列的过程。移动节点在进行切换过程时，会产生切换时延和数据包丢失，从而降低通信业务（尤其是实时通信业务）的服务质量。在移动IP切换过程中，移动检测时间是随机的，而且是秒级的，它是移动IP切换的主要耗时。

　　本文首先介绍了802.11移动IP切换的过程，其次介绍了常用的移动检测算法，最后提出了一种在802.11无线局域网移动检测的优化方案。

　　二、移动IP切换

　　2.1IEEE802.11链路层切换

　　图1描述了IEEE802.11在基础（Infrastructure）模式下的实体结构。支持一个或多个移动节点MN（MobileNode）的单个无线AP（AccessPoint）称为一个基础服务集BSS（BasicService Set），它是无线局域网的基本单元，每个BSS可以通过AP连接到主干分配系统DS（Distribution System）。DS相当于一个有线主干局域网。两个或更多的基本服务集组成扩展服务集ESS（Extended Service Set），而这些基本服务集通过分配系统连接在一起。一个ESS是单个逻辑网段（也称为一个子网），并通过它的服务集标识符（Extended Service Set Identifier，ESSID）来识别。

　　

　　图1 IEEE802.11的基本服务集和扩展服务集

　　在ESS中，决定移动节点从一个AP向另一个AP切换的核心参数是测量当前关联的AP所能提供的SNR质量，它代表了物理信道的可用信号质量和噪音幅度。当无线链路的SNR质量降低到一定的程度，这时就会产生链路层切换，其步骤如下：首先移动节点向各个通道发送探测请求；其次根据信号强度选择最优AP并向新AP鉴权；最后移动节点向新AP发送请求并接入。

　　2.2移动IP切换过程

　　当移动节点从一个网络移动到另一个网络时，它就要执行移动IP切换。一个完整的移动IP切换过程大致可分为下列3个阶段：

　　（1）链路层切换（第2层切换）；

　　移动节点由一个AP换到另一个AP时，会马上进行链路层切换。由于一个移动节点在一个时刻只能接入一个AP，因此链路层切换属于硬切换。802.11无线局域网中链路层切换如上所述。

　　（2）移动检测；

　　当移动节点通过链路层切换建立新链路后，根据移动检测算法决定是否启动移动IP切换。

　　（3）移动节点位置注册（第3层切换）。

　　移动节点决定启动移动IP切换，配置新的转交地址，并向归属代理和通信对端发送绑定更新。注册新的转交地址，其时间长短取决于移动节点到归属代理的距离。

　　三、移动检测算法

　　在移动IP中，移动检测算法可以分为两类：基于代理广播消息的移动检测算法与基于链路层暗示的移动检测算法。

　　3.1基于代理广播消息的移动检测算法

　　在802.11无线局域网内，本地代理和外地代理需要频繁地发送广播消息以免广播消息的丢失，特别是在较容易出错的无线链路上。代理广播消息中ICMP路由器广播部分的生存时间域表示移动节点接收同一代理的广播消息的最大等待时间。当移动节点注册到某代理上时，如果在生存时间域规定的时间内没有收到来自该代理的广播消息，那么说明该移动节点已移动到另一链路上或者该代理已经不可用了。此时移动节点向下一个发来代理广播消息的外地代理注册。如果移动节点没有收到任何广播消息，它就发出一个代理请求消息去询问。

　　基于代理广播消息的检测算法有LCS（LazycellSwitching）和ECS（EagerCell Switching）两种算法：

　　LCS算法的主要思想是：只有在生存时间域规定的时间内没有收到当前代理的广播消息时，才会向发来广播消息的新代理注册。

　　ECS算法的主要思想是：移动节点只要收到新代理发送的广播消息，不必等候旧代理，直接向新代理进行注册。

　　采用LCS算法，会尽可能推迟第3层切换，避免不必要的切换发生，但是LCS算法会引起较大的时延。而ECS算法缩短了代理发现的时间，减小了时延，但是会引起不必要的切换。

　　3.2基于链路层暗示的移动检测算法

　　上述基于代理广播消息的检测算法有一个局限性，为了减小切换时延，需要提高代理广告的发送频率，然而频繁的发送代理广告消息会占用无线链路的带宽，从而降低链路利用率。

　　基于链路层暗示的方案将移动IP的网络层切换与链路层切换过程相结合，利用来自链路层的触发信息通知网络层提前切换。在进行链路层切换时，链路层将新代理的2层标识符递交给当前代理及移动节点，当前代理可以将标识符映射为IP地址。这样移动节点与当前代理保持连接的同时可以与新代理通信，从而在与新代理建立链路层连接之前就可以进行位置注册。这种方案基于链路层信息，而非代理广告消息，来决定是否执行IP切换，将第3层切换提前进行，大大减小了切换时延。

　　四、基于暗示的混合移动检测方案

　　移动节点在同一子网中不同AP间移动的过程中每次都会产生链路层的切换，而这些链路层的切换并不会引起网络层切换。因此，采用基于链路层暗示的移动检测算法，当移动节点不断在子网内频繁的来回移动而产生位置更新时，就会在代理之间进行频繁的IP切换，从而导致网络中产生大量的注册报文，严重影响网络性能。

　　我们将基于链路层暗示的思想同基于代理广播消息的移动检测算法结合起来，提出一种混合移动检测方案。该方案通过移动节点对无线链路的SNR质量进行监测，采用了一种自适应绑定的算法。算法的具体实现如下：

　　（1）为无线链路的SNR质量设定一个阀值。

　　（2）移动节点监控当前链路的SNR质量。如果当前关联的AP所能提供的SNR值大于阀值，则选择LCS算法进行移动检测；否则，选择ECS算法进行移动检测。

　　（3）当链路层切换结束，移动节点重新接收到第一个代理广告消息时，移动节点使用LCS算法进行移动检测。

　　该方案的思想是以无线链路的SNR质量作为判断移动节点是否会在域内小范围频繁移动的判断标准。若当前链路的SNR质量较强，则采用LCS算法推迟第3层切换，以防进行不必要的切换。否则应采取ECS算法，减小切换产生的时延。移动节点可以依据这种自适应主动预测算法，适时地选择切换时机，实现快速平滑的切换。

　　五、结束语

　　在IEEE802.11无线局域网中，移动节点漫游时，需要在不同链路之间切换，切换将带来时延并可能造成服务中断。采用优化的切换技术可以尽量减小切换对通信过程的影响。本文提出了一种基于链路层触发的自适应移动检测算法，可以加快切换的速度，同时解决了域内小范围频繁切换的问题。但本文没有给出算法的性能分析结果，这一问题是作者以后要研究的工作。此外，在此算法的基础上进行优化，如增加对链路监控的参数（误比特率，帧差错率等），减小数据包丢失率，从而进一步提高无线网络的性能。这也是以后研究工作的重点。