下一代寬帶移動因特網(wǎng)若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近年來，隨著正交頻分復(fù)用(OFDM：Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing)和多入多出(MIMO：Multiple Input MultipleOutput)等新一代物理層技術(shù)目益廣泛的應(yīng)用，無線信道的帶寬大幅度增加。采用這些物理層技術(shù)的各種寬帶無線網(wǎng)絡(luò)在不斷改進(jìn)其數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，以便充分利用物理層傳輸能力。IEEE802.11/15/1.6/20等寬帶無線網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，是上述技術(shù)背景的充分

2、體現(xiàn)。隨著帶寬的增大，移動性和服務(wù)質(zhì)量(QoS：Quality ofService)支持能力的增強(qiáng)，這些寬帶無線網(wǎng)絡(luò)相對于3GPP和3GPP2蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性越來越突出。3GPP和3GPP2不得不啟動長期演進(jìn)(LTE：Long Term Evolution)和空口演進(jìn)(AIE：AirInterface Evolution)計劃來應(yīng)對這種沖擊。作為已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的無線局域網(wǎng)(WIAN：Wireless Local Area Netw

3、ork)協(xié)議，IEEE802.11在接入速率、QoS、網(wǎng)狀(Mesh)支持等方面不斷得到增強(qiáng)；而IEEE 802.16協(xié)議以多方面的性能優(yōu)勢，被視為無線城域網(wǎng)(WMAN：Wireless Metropolitan Area Network)的主流協(xié)議。因此，現(xiàn)有的移動無線網(wǎng)絡(luò)正在進(jìn)入一個向4G演進(jìn)過程中的一個特殊形態(tài)——即蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)與IEEE 802系列的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)相互競爭、互為補(bǔ)充并走向融合的一種形態(tài)。本文將處于這一形態(tài)的網(wǎng)絡(luò)稱為

4、下一代寬帶移動因特網(wǎng)(NGBMI：Next GenerationBroadband Mobile Interet)。NGBMI并非4G網(wǎng)絡(luò)，而是現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)朝著4G目標(biāo)演進(jìn)過程中的一個過渡階段。 為用戶提供隨時隨地通過多種方式接入的具有QoS保障的移動多媒體業(yè)務(wù)，是NGBMI的設(shè)計目標(biāo)。本文認(rèn)為，要實現(xiàn)NGBMI的這一目標(biāo)，需要從三個方面入手。第一，NGBMI需要提供高性能的移動性管理來滿足移動多媒體業(yè)務(wù)在切換方面的QoS需求。

5、移動IP協(xié)議是4G網(wǎng)絡(luò)中IP層移動性管理的自然選擇，但是僅適用于宏觀移動管理，在微觀移動管理方面效率不高。因此，需要對移動IP協(xié)議的微觀移動擴(kuò)展進(jìn)行增強(qiáng)。第二，NGBMI必須增強(qiáng)其無線MAC層協(xié)議來滿足移動多媒體業(yè)務(wù)傳輸方面的QoS需求，主要是傳輸時延和時延抖動。由于無線鏈路的帶寬有限性、高誤碼率和時變特性，在無線網(wǎng)絡(luò)中解決OoS問題不像有線網(wǎng)絡(luò)中那樣，從IP層及其以上層次采取措施就可以達(dá)到目的。近年來，通過MAC層機(jī)制來保證無線網(wǎng)絡(luò)中

6、多媒體業(yè)務(wù)的QoS一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點。在無線網(wǎng)絡(luò)MAC層提供QoS保證，是為提供移動多媒體業(yè)務(wù)QoS保證的必然選擇和重要契機(jī)。IEEE 802.11e和IEEE 802.16協(xié)議是MAC層支持QoS保證的兩個典型協(xié)議，也是NGBMI中本文特別關(guān)注的兩個協(xié)議。這兩個協(xié)議的MAC層QoS機(jī)制并不完善，需要進(jìn)一步優(yōu)化。第三，NGBMI需要整合包括3GPP/3GPP2蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)和IEEE 802系列寬帶無線網(wǎng)絡(luò)的多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，以便為異構(gòu)無

7、線環(huán)境下移動多媒體業(yè)務(wù)提供QoS保證。IEEE 802.21工作組提出的媒質(zhì)無關(guān)切換(MIH：MediaIndependent Handover)代表了目前異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)整合的發(fā)展方向，但MIH仍然處于標(biāo)準(zhǔn)制定階段，尚且存在許多空白之處。因此，需要研究MIH在NGBMI中的應(yīng)用方案，借助MIH來提高NGBMI中異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的切換性能。上述三個方面問題的研究，具有很強(qiáng)的學(xué)術(shù)價值和應(yīng)用價值。 本文結(jié)合教育部博士點專項基金“無線互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

8、研究”(編號20040013010)的研究實踐，對NGBMI的微觀移動管理機(jī)制、MAC層QoS機(jī)制以及異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)整合機(jī)制進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，并取得以下三方面的成果： (1)NGBMI微觀移動管理論述了微觀移動管理的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，分析在NGBMI中采用多級層次化移動IPv6協(xié)議(M-HMIPv6：Multi-level Hierarchical Mobile IPv6)的意義以及M-HMIPv6協(xié)議中MAP選擇的研究現(xiàn)狀。針

9、對現(xiàn)有MAP選擇機(jī)制缺乏QoS保證的問題，通過建模來表征M-HMIPv6協(xié)議中MAP選擇對移動多媒體業(yè)務(wù)切換性能的影響，并推導(dǎo)出一個平均切換時延(AHD：Average Handover Delay)估算公式。在此基礎(chǔ)上提出了一種QoS感知的MAP選擇(QMS：QoS-aware MAP Selection)機(jī)制。基于NS-2模擬對AHD估算公式和QMS機(jī)制分別進(jìn)行了有效性驗證和性能評估。結(jié)果表明，所設(shè)計的QMS機(jī)制能夠有效減少NGBM

10、I中移動多媒體業(yè)務(wù)的AHD。 (2)NGBMI MAC層QoS保證機(jī)制論述了NGBMI中MAC層QoS機(jī)制對NGBMI支持移動多媒體業(yè)務(wù)的重要性，并著重對IEEE 802.16e和IEEE 802.11e的MAC協(xié)議進(jìn)行了研究。在IEEE 802.16e MAC協(xié)議的研究方面，提出了一個QoS調(diào)度算法，并通過NS-2模擬進(jìn)行了性能評估，證明了該QoS調(diào)度算法的有效性，并提出了進(jìn)一步優(yōu)化IEEE 802.16e MAC層OoS的方

11、案。在IEEE 802.11e MAC協(xié)議的研究方面，通過NS-2模擬，對IEEE 802.11e在單跳有基礎(chǔ)架構(gòu)模式和多跳ad hoc模式中的多媒體業(yè)務(wù)QoS進(jìn)行了評估，分析了IEEE 802.11e EDCA在多跳ad hoc模式中端到端傳輸性能的缺陷。提出了一種用于IEEE802.11e EDCA模式的支持主動丟棄的自適應(yīng)優(yōu)先(ADAP：ActiveDrop enabled Adaptive Priority)機(jī)制，并通過NS-2

12、模擬證明了ADAP機(jī)制對EDCA的性能改善。 (3)NGBMI異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)整合論述了異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)整合的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。提出了基于鏈路層觸發(fā)的F-HMIPv6切換機(jī)制，并對其在IEEE 802.16e網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用進(jìn)行了NS-2模擬評估。提出了基于MIH的F-HMIPv6協(xié)議，并以WiMAX-WiFi異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)為背景進(jìn)行了NS-2模擬。模擬結(jié)果表明，基于MIH的F-HMIPv6協(xié)議能夠在WiMAX-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中帶來顯著的性能