一種海洋互聯(lián)網(wǎng)用戶的移動性管理方法

戴 璐， 姜勝明， 許彬楠， 徐增輝

（上海海事大學信息工程學院，上海 201306）

0 引 言

海洋互聯(lián)網(wǎng)的目的是為海洋用戶提供經(jīng)濟、可靠的海洋互聯(lián)網(wǎng)服務［1］。如今，衛(wèi)星通信系統(tǒng)在海洋通信中占有極其重要的地位。具有延遲長和成本高的缺點［2］?？缣窖蟮年懙仉娫捦ㄔ捗糠昼姵杀緸?.2元，在海洋中類似的電話通話成本可能會高出30多倍［3］。為解此窘境需建立如圖1所示的混合網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要由岸基網(wǎng)絡（CLNs）、無線自組網(wǎng)（WANETs）、高空通信平臺（HAPs）和衛(wèi)星系統(tǒng)（SATs）構(gòu)成［4］。圖1顯示了海洋互聯(lián)網(wǎng)中船舶之間可以建立無線多跳網(wǎng)絡［5］。船舶可以通過兩種方式連接岸基網(wǎng)絡基站，第一種為無線多跳網(wǎng)絡中的船舶通過中繼船舶間接連接到岸基網(wǎng)絡基站；另一種是在低密度船舶的地方通過衛(wèi)星連接岸基網(wǎng)絡基站［6-8］。

圖1 海洋互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

海洋互聯(lián)網(wǎng)的研究近年來取得了一定的成果，但由于船舶移動較快，會導致船舶的通信鏈路結(jié)構(gòu)變化大易斷開、船舶間頻繁發(fā)生切換等。移動性管理源于蜂窩網(wǎng)絡，是地面蜂窩移動通信系統(tǒng)比較成熟的技術之一［9］。在移動通信系統(tǒng)中，網(wǎng)絡系統(tǒng)需要實時記錄移動終端的位置，這樣才能保證用戶在移動過程中的通信得到維持。為使海洋互聯(lián)網(wǎng)用戶享受高質(zhì)量的通信服務，對海洋互聯(lián)網(wǎng)用戶的移動性管理成為重中之重。

在海洋互聯(lián)網(wǎng)中對用戶進行移動性管理的技術難點：

(1)用戶所連基站具有移動性。海洋互聯(lián)網(wǎng)用戶是與船舶基站相連接，船舶基站是移動的。用戶主要通過所在船舶的船舶基站與岸基基站連接，移動性問題隨著用戶所在船舶與岸基之間中繼船舶的移動變得復雜。

(2)船舶自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化大。由于船舶的高速移動，可能導致船舶在任何時間離開或者重新加入某個網(wǎng)絡，導致網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)變化頻繁。

這些原因給海洋互聯(lián)網(wǎng)中用戶的移動性管理帶來巨大挑戰(zhàn)。海洋互聯(lián)網(wǎng)中船舶進行網(wǎng)絡通信主要包含兩種主要場景：船舶與岸基基站（Ship-to-Base station，S-B）通信的網(wǎng)絡場景和船舶與船舶之間（Ship-to-Ship，S-S）進行通信的場景。

由于S-S和S-B兩種場景的不同，對船舶移動性管理技術也不同。在S-B場景中，船舶基站與岸基基站直接建立通信連接，與傳統(tǒng)的通信場景類似，采用的移動性管理技術基于傳統(tǒng)MIPv6；對于S-S場景，船舶需要連接中繼船舶與岸基基站通信，中繼船舶是動態(tài)變化的，在這種情況下使用傳統(tǒng)的方法會導致位置更新開銷過大，容易造成網(wǎng)絡擁塞。本文采取的方法是當多個船舶處于無線傳呼范圍之內(nèi)形成船舶自組網(wǎng)，每一艘船舶都可以作為路由器進行消息的轉(zhuǎn)發(fā)保證消息經(jīng)過多跳后仍能準確到達目的節(jié)點［10-12］，由于船舶的移動速度較大，為防止移動性管理過程中頻繁切換導致網(wǎng)絡的擁塞，本文采用基于群的移動性管理機制，并提出基于空間依賴度的群首選擇算法。

1 移動性管理策略概述

移動性管理包含位置管理和切換管理［13］。位置管理包括兩個階段。

(1)位置注冊。MT需要周期性位置注冊、更新，使得本地網(wǎng)絡實時掌握MT的網(wǎng)絡位置。

(2)會話傳遞。在數(shù)據(jù)包到來時，查詢目標MT的位置信息，將數(shù)據(jù)包發(fā)給該終端［14］。切換管理為了使MT移動到新的網(wǎng)絡覆蓋區(qū)仍能保持通信連接［15］。

在傳統(tǒng)移動IP技術中，需要使用兩個地址對用戶進行位置的管理。一個是用戶固定的本地地址；另一個是轉(zhuǎn)交地址（Care of Address，CoA），標記用戶移動到的網(wǎng)絡位置。移動IP技術基于兩種類型的位置數(shù)據(jù)庫，主位置寄存器（HLR）和訪客位置寄存器（VLR）。HLR是用戶本地寄存器，用于存儲更新注冊用戶的位置信息。VLR是訪客用戶寄存器，用于給到訪用戶終端分配CoA，并且將CoA轉(zhuǎn)發(fā)給這個用戶的HLR［16］。

2 海洋互聯(lián)網(wǎng)中用戶的移動性管理

海洋互聯(lián)網(wǎng)用戶終端的接入點是船舶基站，在網(wǎng)絡中對用戶的位置進行管理需要：①用戶向船舶基站進行登記注冊；②對用戶所在的船舶進行移動性管理。

2.1 用戶位置注冊

當用戶連接到船舶基站時，用戶終端向該基站進行登記，并獲得該基站分配的、與該基站網(wǎng)絡地址相配的臨時性網(wǎng)絡地址，同時將該臨時性地址及該船舶基站的網(wǎng)絡地址報告給用戶的HLR。

2.2 船舶的位置管理

就S-B場景的通信而言，海洋環(huán)境的特殊性，海岸線的岸基基站分布不密集，船舶從一個岸基基站切換到另一個岸基基站并不頻繁，故采用的船舶移動性解決方法是基于MIPv6設計的；針對S-S通信來說，由于船舶移動速度較快導致船舶間切換頻率較高，如果采用傳統(tǒng)的位置管理，中繼船舶的移動性會導致通信鏈路切換頻繁，在網(wǎng)絡中產(chǎn)生大量的位置更新信令［17］，容易導致網(wǎng)絡擁塞，為減少位置管理開銷提高網(wǎng)絡性能，采用分群移動性管理策略，提出基于依賴度的群首選擇算法，保證了群首與群成員間最好的連接性。

場景1S-B場景的移動性管理策略

位置管理的基本過程如圖2所示。船舶從VLR0的位置區(qū)域移動到VLR1的新位置區(qū)域，會執(zhí)行位置更新操作：

（1）船舶向VLR1發(fā)起注冊請求消息，VLR1收到消息后分配給移動船舶與該網(wǎng)絡相配的CoA；

（2）VLR1將該船舶注冊的CoA發(fā)送給本地HLR，HLR更新記錄；

（3）HLR向VLR0發(fā)送注銷船舶注冊消息。

圖2 船舶位置更新流程

場景2S-S場景的移動性管理策略

在海洋互聯(lián)網(wǎng)中，當船舶無法與岸基基站進行直接信令消息傳輸時，會與基站之間形成多跳網(wǎng)絡［17］。但是需要對多跳網(wǎng)絡進行結(jié)構(gòu)管理，主要目標是提升鏈路和網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，減少冗余鏈路導致的網(wǎng)絡擁塞和丟包［18］。海洋互聯(lián)網(wǎng)中船舶的移動速度較快，導致船舶間的切換較頻繁，在網(wǎng)絡中產(chǎn)生大量的位置更新信令，為減少位置管理的開銷，采用分群的方法進行移動性管理。

分群的依據(jù)有很多，文獻［19］中介紹將網(wǎng)絡進行網(wǎng)格劃分，每一個網(wǎng)格組成一個群組，網(wǎng)格與網(wǎng)格之間通過基礎設施進行通信，海洋環(huán)境無法建設如此多通信設施，這種方法并不適用海洋互聯(lián)網(wǎng)的場景［20］。本文采取的方法將那些相對移動差異較小的船舶歸屬為一個群組，保證群組內(nèi)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)變化減小，通過對群首的位置管理實現(xiàn)對群內(nèi)所有船舶進行統(tǒng)一的位置管理，為保證群首與群內(nèi)其他成員之間良好的連通性與穩(wěn)定性，最重要的是群首的選擇。

選擇群首的方法有很多，常用的方法有根據(jù)每個節(jié)點的鄰居節(jié)點數(shù)量，數(shù)量最大的作為群首，但該方法沒有考慮移動性的問題，可能會導致船舶剛?cè)肴壕碗x群，群組的穩(wěn)定性不高，仍會引起由于切換頻繁導致的位置更新頻繁；為使群更大概率的形成穩(wěn)定鏈路，還有選擇移動速率最慢的節(jié)點為群首，但該算法并不適用與海洋互聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點移動速率較高的場景，會導致與群首速率差較大的群成員很快脫離群組。針對海洋互聯(lián)網(wǎng)獨特的場景，本文采用基于空間依賴度的群首選擇算法。

空間依賴度是描述兩個節(jié)點移動特征的相似度。根據(jù)船舶間的速度方向夾角和速度差提出新的群首選擇算法，目的是利用船舶間移動的相似性來提高節(jié)點間的連接性。根據(jù)每艘船舶航行的方向角θ與航行的速度v，可以計算出某一船舶與其所有一跳通信范圍內(nèi)的鄰居船舶的空間依賴值的總和（Total Spatial Dependence，TSD）以及該船舶的群體關系值（Cluster Relation，CR），具體計算方法如下：

每個船舶將自己的航跡向θ與航行的速度封裝在HELLO內(nèi)，廣播給一跳通信范圍內(nèi)的所有鄰居船舶；每個船舶接收到HELLO包后，計算自己與鄰居船舶的相對角度和相對速度。

例如，船舶i與j的相對角度定義為

船舶i與j的相對速度定義為

式中，vmax為船舶的最大速度。

因此，船舶i與j之間的空間依賴度（Spatial Dependence，SD）為

由此可得船舶i的TSD可以定義為船舶i一跳鄰居節(jié)點SD的和：

通過TSD可以得到船舶i的CR為：

式中，n為某一船舶的一跳范圍內(nèi)的船舶個數(shù)。

求出船舶的CR值越高，表示該船舶群體關系越強，更能代表群組的移動特征。

分群的移動性管理方法具體步驟如下：

步驟1入群／建群

（1）當船舶想加入群組時，如果在一跳范圍內(nèi)存在群首，該船舶向群首發(fā)送請求加入消息，群首判斷該船舶的群體關系值，如果大于門限值，則允許該船舶加入群組。

（2）如果在一跳范圍內(nèi)沒有群首，執(zhí)行建群操作，該船舶向所有鄰居船舶發(fā)送請求，鄰居船舶收到請求命令后會進行回復，每個船舶計算自己的群體關系值CR，將篩選出的船舶建立群后，需要選擇群首，比較各船舶CR值，選擇最大的為群首。

步驟2群組位置更新。當船舶進入群組后，群首會將自己IP發(fā)送給新入群船舶的HLR，該HLR修改船舶屬性為群內(nèi)，并將該船舶的位置信息指向群首，如圖3所示。

圖3 群成員位置更新

2.3 會話傳遞

當主叫終端呼叫某海洋互聯(lián)網(wǎng)用戶，呼叫信令先到達該用戶HLR，HLR返回被叫用戶臨時網(wǎng)絡號與所在船舶的船舶基站網(wǎng)絡地址。主叫終端根據(jù)船舶IP向船舶的HLR發(fā)送位置查詢請求命令，具體流程如圖4所示。

圖4 呼叫船舶流程

（1）主叫終端根據(jù)船舶B的網(wǎng)絡地址向移動交換中心（MSC）發(fā)起呼叫請求。

（2）移動交換中心向船舶B的HLR發(fā)起查詢船舶B的信令。

（3）HLR查詢到船舶B屬性為群內(nèi)成員，位置信息指向群首，通過群首的HLR繼續(xù)查詢?nèi)菏椎奈恢眯畔?；如果船舶B屬于群外成員，HLR保存船舶B的臨時網(wǎng)絡地址，直接可以查詢到船舶B的網(wǎng)絡位置信息。

（4）如果船舶B為群內(nèi)，向主叫終端返回群首的位置信息。

（5）根據(jù)返回的網(wǎng)絡位置信息可以判斷所屬的岸基網(wǎng)絡；實現(xiàn)從岸基網(wǎng)絡到群首到船舶B到用戶的通信路徑。

3 實驗分析與結(jié)果對比

3.1 仿真場景的建立

通過EXata仿真平臺來驗證海洋互聯(lián)網(wǎng)用戶移動性管理方法的可行性。在平臺中建立海洋互聯(lián)網(wǎng)場景，場景范圍為80 km×80 km。為了生成真實的船舶運動模式，根據(jù)船訊網(wǎng)中的衛(wèi)星地圖來部署船舶分布，建立如圖5所示的海洋互聯(lián)網(wǎng)仿真場景，該場景由兩個岸基網(wǎng)絡、19艘船舶和路由器和文件服務器組成。場景內(nèi)船舶移動速度隨機分布，速率分布范圍為12～28 kn；場景的仿真時間為900 s；應用類型為CBR；源節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量為100個。

圖5 海洋互聯(lián)網(wǎng)仿真場景

在圖5的仿真場景中，根據(jù)船舶的移動相似性組成兩組群。根據(jù)式（3）～（5）計算群組的CR值，比較得出群1中11號船舶的CR值最大，群組2中17號船舶CR值最大。群首11、17向陸地文件服務器4發(fā)送數(shù)據(jù)，船舶15按照傳統(tǒng)的方法單獨向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.2 仿真數(shù)據(jù)分析

該場景下的仿真運行結(jié)果如下所述，從圖6綠色箭頭可以看出，群首11、17與各自的群成員完成通信過程，群首代替群成員向陸地文件服務器發(fā)送位置更新數(shù)據(jù)。船舶12、13與15由于CR值太小無法加入或建立群組，將根據(jù)路由協(xié)議選擇合適的路徑通過中繼船舶與岸基基站進行連接。通過平均時延將分群算法與傳統(tǒng)的移動性管理方法進行對比。

圖6 仿真結(jié)果

由圖7可知，基于群的移動性管理方法平均時延明顯低于傳統(tǒng)的移動性管理方法。因為基于群的移動性管理方法中進行位置更新的僅有群首，但傳統(tǒng)的移動性管理方法每艘船舶都需要獨立進行位置更新，這種方法可能會導致網(wǎng)絡擁塞。

圖7 平均時延

根據(jù)群組平均生存時間與節(jié)點平均切換次數(shù)，分別對最小速率（Min-velocity）、最大節(jié)點度（Maxdegree）與空間依賴度（CR）3種群首選擇算法進行對比。

在EXata4.1平臺上進行20次仿真實驗，將得出的群組生存時間和各時間段發(fā)生切換的次數(shù)，取平均值得到3個算法的平均生存時間與平均切換次數(shù)。

圖8反映了3個算法群平均生存時間。圖9反映3個算法隨著時間的變化，群內(nèi)發(fā)生切換的變化趨勢?；贑R的群首選擇算法的群生存時間較久且切換次數(shù)變化較慢，因為該算法考慮了海洋互聯(lián)網(wǎng)中船舶的移動特征，選擇群組中與其余船舶移動相似度最高的為群首，因此被選擇的船舶最能代表整個群的移動特征。

圖8 平均生存時間

圖9 平均切換次數(shù)

基于CR值選擇的群首較為準確的代表整個群的移動特性，群組穩(wěn)定效果最好。

4 結(jié) 語

本文以海洋互聯(lián)網(wǎng)為研究背景，提出了適用于海洋互聯(lián)網(wǎng)的分群移動性管理算法，該算法考慮了海洋場景的特殊性以及船舶的移動特征，根據(jù)群體關系值作為群首選擇的依據(jù)。由于該算法結(jié)合了船舶的移動特性，群組網(wǎng)絡的穩(wěn)定性得到了提升，提高了群組的生存時間，并且與傳統(tǒng)的移動性管理方法相比，分群算法能有效避免了由于船舶移動速率高導致的頻繁切換、信令開銷大與網(wǎng)絡擁塞現(xiàn)象，提升了用戶體驗，讓用戶得到了高質(zhì)量的通信服務。