GPRS與WLAN網(wǎng)絡(luò)的融合及其基于ad hoc技術(shù)的性能改進(jìn)

1、GPRS與WLAN網(wǎng)絡(luò)的融合及其基于ad hoc技術(shù)的性能改進(jìn)    文首先介紹了GPRS與WLAN融合的機(jī)制和兩種不同的解決方案，討論了兩種解決方案的體系結(jié)構(gòu)。然后重點(diǎn)介紹了加入ad hoc技術(shù)后對(duì)其性能的改進(jìn)，提出了三種改進(jìn)的策略。關(guān)鍵詞：GPRS ，WLAN，網(wǎng)絡(luò)融合，異種網(wǎng)絡(luò)，ad hoc 1 概述隨著無線技術(shù)的發(fā)展，人們可以通過多種方式隨時(shí)隨地的接入因特網(wǎng)，而且希望這種無線接入服務(wù)能夠提供高數(shù)據(jù)速率、大的覆蓋范圍和低的價(jià)位。傳統(tǒng)2G移動(dòng)通信蜂窩網(wǎng)絡(luò)能夠提供高移動(dòng)性、大覆蓋范圍，但是傳輸速率低，只有不到9.6kbps，能較好地區(qū)性提供傳

2、統(tǒng)的話音業(yè)務(wù)，但很難提供無線數(shù)據(jù)服務(wù)。為此，3G移動(dòng)通信系統(tǒng)將能夠提供更高的300kbps到2Mbps的傳輸速率。但是由于3G的高投資等原因，使得很多運(yùn)營商把目光投向了2.5G蜂窩數(shù)據(jù)技術(shù)如GPRS(General Packet Radio Service)。GPRS能提供大覆蓋范圍但是相對(duì)低速的數(shù)據(jù)服務(wù)(最高達(dá)171 kbit/s每用戶)，但是它無法滿足商務(wù)和多媒體應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)速率的要求，因此其應(yīng)用潛力有限，不能夠滿足市場(chǎng)的需要。所以，人們開始考慮一種能夠提供高數(shù)據(jù)速率的無線接入技術(shù)WLAN(wireless local area network),它可在較小的范圍內(nèi)提供高速數(shù)據(jù)服務(wù)(802.

3、11b可達(dá)11 Mbit/s，802.11a可達(dá)54 Mbit/s)，但是其接入點(diǎn)AP有限，主要應(yīng)用于酒店等熱點(diǎn)地區(qū)。因此將二者結(jié)合起來的異種網(wǎng)絡(luò)可以較好地解決大覆蓋范圍和高數(shù)據(jù)速率的問題。在第二部分我們將具體介紹該融合方案有效地將二者融合起來。我們將 建立GPRS與WLAN 融合網(wǎng)絡(luò)的兩種耦合結(jié)構(gòu)。通過對(duì)GPRS、WLAN兩種技術(shù)的融合，可使用戶隨時(shí)隨地接入Internet。但是，GPRS是個(gè)相對(duì)低速率的網(wǎng)絡(luò)，WLAN數(shù)據(jù)速率較高，所以，當(dāng)用戶由WLAN服務(wù)切換到GPRS服務(wù)時(shí)，會(huì)感受到明顯的服務(wù)質(zhì)量的下降。在第三部分，將重點(diǎn)介紹一種方法，該方法通過使用ad hoc技術(shù)，延長異種網(wǎng)絡(luò)用戶使用

4、高服務(wù)質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間【7】。2     WLAN和GPRS網(wǎng)絡(luò)的融合如前所述，異種網(wǎng)絡(luò)能夠較好結(jié)合WLAN和GPRS的優(yōu)點(diǎn)，為用戶在一個(gè)廣大的范圍內(nèi)提供高速或低速的數(shù)據(jù)服務(wù)。2.1 融合的一般框架WLAN和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的融合有若干種方案，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織（ETSI）制定了兩種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的方法：松耦合，緊耦合。在松耦合下，WLAN是作為GPRS網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)補(bǔ)充，它只利用GPRS網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)據(jù)庫，而與GPRS的核心網(wǎng)絡(luò)沒有接口。二者的松耦合在Gi參考點(diǎn)進(jìn)行。此時(shí)WLAN旁路GPRS網(wǎng)絡(luò)，提供到外部信包數(shù)據(jù)網(wǎng)（PDN）的數(shù)據(jù)直接接入。而在緊耦合下，WLAN則直接連接到

5、GPRS的核心網(wǎng)，其類似于通用移動(dòng)通信系統(tǒng)（UMTS）的無線接入網(wǎng)（UTRAN）或GPRS無線接入網(wǎng)（GPRSRAN）等其他的無線接入網(wǎng)。此時(shí)WLAN數(shù)據(jù)流在到達(dá)外部PDN之前先要經(jīng)過GPRS核心網(wǎng)，其耦合點(diǎn)是Gb或Iu-ps參考點(diǎn)。下面分別介紹兩種基于不同耦合體系結(jié)構(gòu)的融合方案。2.2緊耦合體系結(jié)構(gòu)             圖一  GPRS、WLAN緊耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)【1】      首先介紹緊耦合體系結(jié)構(gòu)。 

6、;    圖一是相應(yīng)的緊耦合的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。每個(gè)WLAN由一個(gè)或多個(gè)接入點(diǎn)（AP）組成，而這些AP由一個(gè)分布式系統(tǒng)（DS）連接。這里，DS是一個(gè)遵從IEEE802.3協(xié)議的局域網(wǎng)（LAN）。這里WLAN是工作在結(jié)構(gòu)體系模式(infrastructure)下。每個(gè)單獨(dú)的AP及其覆蓋范圍被稱作一個(gè)基本服務(wù)集(BSS)，所有一個(gè)WLAN下的BSS組成一個(gè)擴(kuò)展服務(wù)集（ESS），而WLAN就是由很多BSS組成的。      WLAN通過Gb接口連接到GPRS的核心網(wǎng)作為一種可選擇的無線接入網(wǎng)（RAN）。對(duì)核心網(wǎng)而言，它并不鑒

7、別接入的網(wǎng)絡(luò)是采用WLAN技術(shù)還是GPRS技術(shù)，和其他GPRS路由區(qū)域相比，WLAN看上去沒什么區(qū)別。該系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分是GIF(GPRS interworking function)，它的一端鏈接DS，另一端通過Gb接口連接服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)(SGSN)，其主要功能是向GPRS核心網(wǎng)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口并隱藏WLAN的特點(diǎn)。此時(shí)WLAN重用了GPRS的所有協(xié)議，它為這些協(xié)議提供了無線傳輸。      當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(MS)不在WLAN區(qū)域內(nèi)時(shí)，WLAN接口進(jìn)入被動(dòng)搜索模式并在特定的頻帶搜索新標(biāo)信號(hào)，搜索到后將檢索到SSID(service set

8、identifier)并與預(yù)先設(shè)置的SSID信號(hào)進(jìn)行比較。SSID信號(hào)提供WLAN的標(biāo)識(shí)。當(dāng)確認(rèn)SSID有效時(shí)，MS將進(jìn)行認(rèn)證和連接，然后將激活WLAN接口，GRPS信令將從此接口傳送。      MS是以無縫的方式同時(shí)支持GPRS、WLAN的雙模終端。而無縫移動(dòng)是通過GPRS的核心移動(dòng)管理過程RA更新（RAU）來實(shí)現(xiàn)的，RAU是GPRS的核心管理過程【2】。從上述敘述可以看出，緊耦合體系結(jié)構(gòu)為GPRS和WLAN提供了一種較緊湊的耦合方式。它重用了GPRS的部分規(guī)則和資源，節(jié)省了運(yùn)營商的投資。但是，緊耦合很難支持第三方所擁有的WLAN。對(duì)于和W

9、LAN相連接的SGSN的性能和容量也有要求。而且，緊耦合對(duì)于不支持GPRS協(xié)議的WLAN終端是不支持的。這也是緊耦合的不足。2.3 松耦合體系結(jié)構(gòu)            圖二 GPRS、WLAN松耦合體系結(jié)構(gòu)【1】 松耦合是GRPS和WLAN融合的另外一種方式，其耦合點(diǎn)是Gi界面。下面我們介紹該結(jié)構(gòu)。如圖二是松耦合體系結(jié)構(gòu)圖。由圖可見，WLAN在運(yùn)營商的IP網(wǎng)上與GPRS耦合。不同于緊耦合的是，WLAN的數(shù)據(jù)流不通過GPRS的核心網(wǎng)，而是直接進(jìn)入運(yùn)營商的IP網(wǎng)（和/或Inte

10、rnet）。在該體系結(jié)構(gòu)中，WLAN和GPRS都采用了基于SIM卡的身份認(rèn)證，以接入運(yùn)營商的服務(wù)。此體系結(jié)構(gòu)也支持通過公共計(jì)費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合計(jì)費(fèi)。WLAN可以是第三方擁有，通過特定的WLAN和運(yùn)營商之間的連接、或通過已有的公用網(wǎng)，如Internet來支持漫游和移動(dòng)。松耦合利用標(biāo)準(zhǔn)的因特網(wǎng)工程任務(wù)組協(xié)議(IETF)進(jìn)行身份的認(rèn)證、計(jì)費(fèi)以及移動(dòng)，因此不需要將蜂窩技術(shù)引入WLAN。只要通過漫游協(xié)議，漫游可以跨越所有類型的WLAN。松耦合對(duì)于包含大量的WLAN與蜂窩網(wǎng)運(yùn)營商的情況是一個(gè)好的選擇。它主要基于IETF協(xié)議，它對(duì)WLAN要求最少。但是，它要求運(yùn)營商添加新的設(shè)備，如用于與WLAN融合的AAA服務(wù)

11、器以及支持MIP(Mobile IP)的設(shè)備等等。3 基于ad hoc技術(shù)的融合網(wǎng)絡(luò)的性能改進(jìn)由前面的敘述可知，通過對(duì)GPRS、WLAN兩種技術(shù)的融合，可使用戶隨時(shí)隨地的接入Internet，用戶在離開AP的覆蓋范圍時(shí)也可以切換到GPRS網(wǎng)絡(luò)獲得低速率的數(shù)據(jù)服務(wù)。但是，GPRS能提供的數(shù)據(jù)速率有限，是個(gè)相對(duì)低速率的網(wǎng)絡(luò)，WLAN數(shù)據(jù)速率較高，所以，當(dāng)用戶由WLAN服務(wù)切換到GPRS服務(wù)時(shí)，會(huì)感受到明顯的服務(wù)質(zhì)量的下降。因此，延長異種網(wǎng)絡(luò)用戶使用高服務(wù)質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間可以很大程度上提高異種網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。在這里，通過使用ad hoc技術(shù)來解決這一問題。在ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)為其他節(jié)點(diǎn)中繼消

12、息，該特性有助于擴(kuò)大AP的服務(wù)范圍。采用這種方法延長移動(dòng)終端在WLAN中的時(shí)間有以下幾個(gè)好處：(1) 移動(dòng)終端可以更長時(shí)間的擁有高的數(shù)據(jù)傳輸速率；在異種網(wǎng)絡(luò)中，不同網(wǎng)絡(luò)之間往往有著較大的帶寬差異，例如，理論上，IEEE 802.11g網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率可以達(dá)到54Mbps,而GPRS網(wǎng)絡(luò)只有171kbps;由于二者的帶寬差異很大，因此，延長用戶使用高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)時(shí)間就顯得很有意義;(2) 通過ad hoc的方法由其它節(jié)點(diǎn)中繼連接到AP時(shí)無需更改IP地址，因而，也就無需尋找新的外地代理(FA)、注冊(cè)新地址和更新映射；它減輕了HA以及FA的負(fù)擔(dān)，并減少了通訊時(shí)的額外的信息開銷；(3) 公共WLAN的

13、計(jì)費(fèi)要比GPRS便宜地多。這對(duì)經(jīng)常使用該項(xiàng)服務(wù)的用戶來說也是很重要的一點(diǎn)。下面簡(jiǎn)述一下ad hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。3.1  ad hoc路由協(xié)議簡(jiǎn)介大部分的ad hoc路由協(xié)議可以分為平面模式（flat architecture）和分級(jí)模式(hierarchical architecture)。在平面模式中，網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)設(shè)備都是一個(gè)移動(dòng)結(jié)點(diǎn)，可以和其他結(jié)點(diǎn)直接通信，也可以通過別的節(jié)點(diǎn)做中繼的方式與某一節(jié)點(diǎn)通信。該模式比較簡(jiǎn)單，使用于較小規(guī)模的ad hoc網(wǎng)絡(luò)。在分級(jí)模式中，所有的移動(dòng)結(jié)點(diǎn)被分許多的群集，每個(gè)群集中將有一個(gè)移動(dòng)終端被選作該群集的頭節(jié)點(diǎn)。每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需首先通過該頭結(jié)點(diǎn)，

14、才能與其他節(jié)點(diǎn)建立聯(lián)系。該模式減少了控制信息開銷，但是如果頭結(jié)點(diǎn)不穩(wěn)定，將破壞該協(xié)議。DSDV(Destination-Sequence Distance Vector)(見文獻(xiàn)【3】)是一種平面模式的路由協(xié)議。DSDV把最少的跳數(shù)作為最短的路徑。每個(gè)移動(dòng)結(jié)點(diǎn)周期性的廣播路由信息并更新自己的路由表。同時(shí)移動(dòng)結(jié)點(diǎn)中有另外一個(gè)表用于存儲(chǔ)路由表變化的部分。如果變化的內(nèi)容很多，則所有的路由信息將用來生成一個(gè)完全轉(zhuǎn)存（full dump）的更新報(bào)文，而如果路由信息變化很少，則生成一個(gè)遞增更新（incremental update）的更新報(bào)文。這種機(jī)制可以減少信息的傳輸開銷。在DSR（Dynamic So

15、urce Routing）(見文獻(xiàn)【4】)中，源結(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送一個(gè)路由請(qǐng)求數(shù)據(jù)報(bào)（route request packet）去建立一個(gè)路徑。該路徑上的每個(gè)結(jié)點(diǎn)將把它的ID添加到該路由紀(jì)錄中，并向鄰結(jié)點(diǎn)廣播該記錄。當(dāng)該數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)后，路徑上的所有結(jié)點(diǎn)信息將被記錄。可能將有不止一條路徑，目標(biāo)結(jié)點(diǎn)將選擇一條最優(yōu)的路徑并回復(fù)一個(gè)路由回復(fù)數(shù)據(jù)報(bào)（route reply packet）.ZRP(Zone Routing Protocol)(見文獻(xiàn)【5】【6】)是一個(gè)主要針對(duì)穩(wěn)定性的路由協(xié)議。ZRP中的每個(gè)結(jié)點(diǎn)維護(hù)有一張固定的記錄有跳數(shù)的路由表。當(dāng)在路由表中無法找到目標(biāo)結(jié)點(diǎn)時(shí)，結(jié)點(diǎn)將會(huì)發(fā)送一個(gè)路由請(qǐng)求數(shù)據(jù)

16、報(bào)（route request packet）給該表中邊緣處的結(jié)點(diǎn)。該協(xié)議更適于擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。在ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，所有的中繼節(jié)點(diǎn)都是移動(dòng)的。一旦一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)離開而無法中繼，則要立即重新尋找路由，否則，連接將中斷。隨著路徑長度的增長，路徑斷掉的可能性就會(huì)越來越大，可用的帶寬也會(huì)明顯的減少。因此，路徑的長度將是衡量ad hoc路由好壞的一個(gè)重要的標(biāo)志。3.2 所采用的融合策略      下面所介紹的異種網(wǎng)絡(luò)由三種網(wǎng)絡(luò)融合而成：WLAN、ad hoc WLAN、GPRS網(wǎng)絡(luò)。在未采用ad hoc WLAN的異種網(wǎng)絡(luò)中，WLAN是首選，如果無法接入

17、WLAN，則切換至GPRS網(wǎng)絡(luò)。而在現(xiàn)在的異種網(wǎng)絡(luò)中，如果無法直接接入AP，用戶還有其他的選擇，即可以通過ad hoc WLAN。然而，此時(shí)可能有不止一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)可以提供到多個(gè)AP的中繼。移動(dòng)終端可以選擇其中最好的中繼節(jié)點(diǎn)，或者不使用ad hoc WLAN而使用GPRS網(wǎng)絡(luò)。有以下三種策略來決定使用哪個(gè)中繼和那種網(wǎng)絡(luò)。(1)固定跳數(shù)(FHC)該策略規(guī)定ad hoc跳數(shù)不能多于n跳。移動(dòng)終端首先尋找接入點(diǎn)(AP)，如果找不到，則移動(dòng)終端試圖尋找另一個(gè)終端，該終端到AP的路徑的跳數(shù)少于n1跳；如果有多個(gè)這樣的節(jié)點(diǎn)，則選擇路徑最短的節(jié)點(diǎn)；如果多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)路徑最短，選擇與自己有相同IP地址范圍的AP節(jié)

18、點(diǎn)；如果沒有AP與自己有相同的IP范圍，則隨機(jī)選擇一個(gè)；如果沒有中繼節(jié)點(diǎn)的路徑跳數(shù)少于n1跳，則試圖接入GPRS網(wǎng)絡(luò)。(2)任何可用路徑(AAR)在該策略中，如果沒有更好服務(wù)質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將選擇任何的擁有最短的ad hoc路徑的節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)。如果沒有中繼節(jié)點(diǎn)，將選擇GPRS網(wǎng)絡(luò)。(3) 帶寬預(yù)估計(jì)(BPE)該策略中，在選擇網(wǎng)絡(luò)之前將對(duì)網(wǎng)絡(luò)的狀況進(jìn)行估計(jì)。只有在ad hoc網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量高于GPRS網(wǎng)絡(luò)時(shí)才會(huì)選擇ad hoc網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)字傳輸。在以上建議的三種策略中，將依次搜索WLAN AP、ad hoc WLAN中繼節(jié)點(diǎn)、GRPS網(wǎng)絡(luò)。如果三種網(wǎng)絡(luò)都不可用，連接將被拒絕。當(dāng)一

19、個(gè)用戶離開GPRS蜂窩的范圍或WLAN AP的范圍，將進(jìn)行更為復(fù)雜的切換。下面分別討論切換的各種情形：(1)從WLAN中切換將首先試圖尋找另一個(gè)WLAN AP；如果找不到，則嘗試選擇ad hoc WLAN；如果ad hoc同樣不可用，則連接GPRS網(wǎng)絡(luò)；最后，如果GPRS也不行，則終止連接。(2)從ad hocWLAN中切換類似于(1)，將按照WLAN AP、ad hoc WLAN、GPRS網(wǎng)絡(luò)的順序進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的選擇，如果所有的都無法連接，則終止連接。(3)從GPRS中切換首先尋找另一個(gè)GPRS基站；如果沒有，則嘗試接入WLAN AP；如果AP找不到，則嘗試接入ad hoc WLAN；若ad h

20、oc WLAN接入也失敗，則終止連接。4 結(jié)束語本文介紹了WLAN與GPRS融合的兩種耦合方式，松耦合和緊耦合。兩種網(wǎng)絡(luò)耦合方式有各自的特點(diǎn)和使用情況，但無論選擇那種方式，WLAN都將是蜂窩網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要補(bǔ)充。然而，由于WLAN與GPRS數(shù)據(jù)速率的差異以及WLAN AP覆蓋范圍和數(shù)目的有限，為了延長用戶接入高數(shù)據(jù)速率的WLAN的時(shí)間和提高服務(wù)質(zhì)量，引入了ad hoc WLAN，隨后介紹了引入ad hoc網(wǎng)絡(luò)后該異種網(wǎng)絡(luò)選擇中繼、切換網(wǎng)絡(luò)的三種策略以及網(wǎng)絡(luò)切換的三種情形。WLAN和ad hoc技術(shù)在未來的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和IP多媒體服務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)融合方面將扮演越來越重要的角色。  參考文獻(xiàn)：【1】Salkintzis A K. WLAN-GPRS Integration for Next-Generation