基于層次化網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)協(xié)作切換機(jī)制研究

謝燕

摘 要：無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)是基于多種協(xié)議的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)整合產(chǎn)物，為滿足移動(dòng)終端在無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)中的漫游切換，需構(gòu)建完善的切換機(jī)制。文章從無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)切換機(jī)制現(xiàn)狀入手，分析傳統(tǒng)切換機(jī)制的不足，提出基于層次化網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)協(xié)作切換機(jī)制，論述其物理模型與構(gòu)建思路、要點(diǎn)，并實(shí)施仿真模擬，驗(yàn)證該機(jī)制的可行性與可靠性。

關(guān)鍵詞：層次化網(wǎng)絡(luò)編碼;無(wú)線物聯(lián)網(wǎng);協(xié)作切換

0 引言

在無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)踐應(yīng)用中，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的數(shù)量有限，要想使用戶獲得理想的使用效果，需滿足移動(dòng)終端的漫游切換要求。無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)的漫游切換，表現(xiàn)出多路徑、多中繼特點(diǎn)，而傳統(tǒng)切換機(jī)制不支持多跳切換，漫游切換的成功率較低，故需技術(shù)人員提出一種更可靠的切換機(jī)制。

1 無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)切換現(xiàn)狀

為滿足無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)的漫游切換需求，工作者設(shè)計(jì)了多種切換機(jī)制。從是否應(yīng)用第三方協(xié)作而言，可劃分為兩類：? ? （1）不應(yīng)用第三方協(xié)作。該模式下，切換操作由移動(dòng)終端和基站完成，無(wú)需實(shí)施第三方基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)工作，但對(duì)移動(dòng)終端間的距離和無(wú)線傳輸速度有一定要求。（2）應(yīng)用第三方協(xié)作。該模式下，切換操作不受移動(dòng)終端間的距離和無(wú)線傳輸速度影響，但需實(shí)施第三方基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作，并做好升級(jí)改造。從切換協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層次而言，可劃分為4類：（1）基于鏈路層切換協(xié)議的切換機(jī)制。該機(jī)制通常選擇緊耦合框架，包括3G和WLAN兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)。利用3G網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理，實(shí)現(xiàn)無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)切換目標(biāo)。（2）基于網(wǎng)絡(luò)層切換協(xié)議的切換機(jī)制。以移動(dòng)IP協(xié)議為基礎(chǔ)，研發(fā)垂直解決方案，從網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)的有效切換。（3）基于傳輸層切換協(xié)議的切換機(jī)制。通過(guò)多路徑構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)切換解決方案，獲得聚合帶寬。（4）基于應(yīng)用層切換協(xié)議的切換機(jī)制。該機(jī)制以會(huì)議初始協(xié)議為基礎(chǔ)，在一定程度上提高了移動(dòng)終端的移動(dòng)性與靈活性[1]。

在以上模式下的網(wǎng)絡(luò)切換機(jī)制均存在局限性，特別是頻繁移動(dòng)的終端切換成功率較低。為解決該問(wèn)題，本文提出基于層次化網(wǎng)絡(luò)編碼（HNC）的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)協(xié)作切換機(jī)制，以網(wǎng)絡(luò)編碼為基礎(chǔ)，根據(jù)各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)，將其合理劃分至對(duì)應(yīng)的多層中繼圈中，管控切換中數(shù)據(jù)包的傳輸數(shù)量和傳輸方向，降低網(wǎng)絡(luò)切換中的冗余問(wèn)題，顯著提高切換可靠性[2]。

2 基于層次化網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)協(xié)作切換機(jī)制

本文從層次化網(wǎng)絡(luò)編碼入手，設(shè)計(jì)一種無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)協(xié)作切換機(jī)制，闡述協(xié)作切換機(jī)制的基本模型與設(shè)計(jì)思路，改進(jìn)算法，提高協(xié)作切換成功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)切換機(jī)制的優(yōu)化。

2.1 層次化網(wǎng)絡(luò)編碼

網(wǎng)絡(luò)編碼是整合路由與編碼的信息交換技術(shù)。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，應(yīng)用最大流與最小割定理，確保信息傳輸雙方均保持最大通信速率，實(shí)現(xiàn)高效可靠的數(shù)據(jù)通信。在無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)切換中，網(wǎng)絡(luò)編碼的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)多播路由傳輸，顯著提升通信效率，有效節(jié)約帶寬。層次化網(wǎng)絡(luò)編碼是將網(wǎng)絡(luò)編碼劃分為不同層次，在無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)切換中，利用其規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)層次，加強(qiáng)對(duì)切換中的數(shù)據(jù)傳輸控制，避免數(shù)據(jù)傳輸受移動(dòng)終端影響，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)傳輸，提高切換成功率。

2.2 物理模型與基本思路

本文針對(duì)鏈路有衰減工況下的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)實(shí)施切換機(jī)制研究。在該運(yùn)行狀況下，可使用如下公式，分別表示用戶移動(dòng)終端與基站間的鏈路衰減狀況，以及用戶移動(dòng)終端接收的信號(hào)強(qiáng)度[3]。

其中，L（vj）是指鏈路衰減;ω是指鏈路衰減指數(shù);δ（vj）是高斯隨機(jī)變量;RSS是指信號(hào)強(qiáng)度;SE（vj）是指基站的載波發(fā)射功率。本文設(shè)計(jì)的HNC協(xié)作切換機(jī)制以上述公式為物理模型。

在無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)中，以移動(dòng)終端為結(jié)構(gòu)中心，與網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)共同構(gòu)成多層中繼圈。在HNC協(xié)作切換機(jī)制中，引進(jìn)層次化網(wǎng)絡(luò)編碼，優(yōu)化中繼節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作，提高多中繼連接的可靠性，進(jìn)而保障移動(dòng)終端和網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的可靠通信。

2.3 協(xié)作切換算法分析

在HNC機(jī)制中，針對(duì)多層中繼圈結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為各層中繼圈及其下層中繼圈設(shè)定獨(dú)立編碼數(shù)據(jù)包傳輸策略。本機(jī)制采用分布式算法來(lái)滿足移動(dòng)終端切換需求。算法原理如下：將各層次中繼圈的中繼節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)設(shè)定為N，以無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)切換時(shí)不同中繼圈層次網(wǎng)絡(luò)信息量之和最大，即Isum為目標(biāo)，選擇其中（M-1）個(gè)最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)，使不同層次間存在丟包率的運(yùn)行工況下，無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)的容量不會(huì)顯著減少[4]。

2.4 協(xié)作切換數(shù)據(jù)分析

在明確HNC機(jī)制后，應(yīng)確定協(xié)作切換數(shù)據(jù)的分析方法，計(jì)算無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)切換的成功率，為HNC機(jī)制的投入使用奠定基礎(chǔ)。協(xié)作切換數(shù)據(jù)的處理與計(jì)算流程如下：

（1）切換失敗概率計(jì)算。切換失敗概率的計(jì)算應(yīng)在明確無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)切換的工況下進(jìn)行，切換的判定條件：將移動(dòng)終端的移動(dòng)速度設(shè)置為固定值，移動(dòng)終端朝著同個(gè)方向移動(dòng);在此情況下，對(duì)比移動(dòng)終端移動(dòng)距離的預(yù)測(cè)值與設(shè)定距離門限，如果預(yù)測(cè)值超過(guò)設(shè)定距離門限，即可判斷無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)切換?；谏鲜銮袚Q條件，可將移動(dòng)終端位置點(diǎn)接收的信號(hào)強(qiáng)度作為移動(dòng)距離的評(píng)估指標(biāo)，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度和預(yù)設(shè)門限間的關(guān)系，計(jì)算以基站為圓心的蜂窩域發(fā)射半徑;再應(yīng)用速度估計(jì)算法LCR，計(jì)算移動(dòng)終端的瞬時(shí)速度，結(jié)合該速度預(yù)測(cè)移動(dòng)終端在基站蜂窩域內(nèi)的移動(dòng)距離，構(gòu)建移動(dòng)距離的概率分布函數(shù);最后將移動(dòng)距離的概率分布函數(shù)與設(shè)定距離門限對(duì)比，計(jì)算切換失敗概率。

（2）切換偏差概率計(jì)算。在無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)切換中，切換偏差是指編碼數(shù)據(jù)包傳輸至鄰接域的中繼節(jié)點(diǎn)內(nèi)，判定切換偏差的條件為移動(dòng)終端和基站的信號(hào)強(qiáng)度低于設(shè)定閾值。在切換偏差概率計(jì)算時(shí)，技術(shù)人員可以δ（vj）為基礎(chǔ)，設(shè)定信號(hào)強(qiáng)度的計(jì)算函數(shù)。

（3）切換發(fā)動(dòng)成功率計(jì)算。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)切換中，切換發(fā)動(dòng)成功是指除切換失敗與切換偏差兩種狀況以外的切換結(jié)果，概率=1-切換失敗概率-切換偏差概率。

3 基于層次化網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)協(xié)作切換機(jī)制實(shí)踐

在明確基于層次化網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)協(xié)作切換機(jī)制基礎(chǔ)理論與基本內(nèi)容后，本文應(yīng)用OMNet++4.0平臺(tái)，模擬無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境，進(jìn)行無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)切換的仿真分析，驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)協(xié)作切換機(jī)制的可行性與可靠性。

3.1 仿真條件

在OMNet++4.0平臺(tái)中，設(shè)置用戶步行與駕車兩種測(cè)試狀況，測(cè)定傳統(tǒng)無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)（基于實(shí)用編碼PNC的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)切換機(jī)制）、多中繼切換機(jī)制（用“Takeover”表示）、HNC機(jī)制三者的切換結(jié)果。其中，在用戶步行測(cè)試狀況下，移動(dòng)終端的移動(dòng)速度設(shè)置為2 m/s;在用戶駕車測(cè)試狀況下，移動(dòng)終端的移動(dòng)速度設(shè)置為15 m/s。

3.2 仿真結(jié)果

在用戶步行狀況下，無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變差，3種切換機(jī)制的切換成功率均有所減少。Takeover機(jī)制切換成功率下降的幅度最大，PNC機(jī)制次之，HNC機(jī)制最低。在該情況下，可見HNC機(jī)制的切換成功率處于較高水平。說(shuō)明Takeover和PNC機(jī)制在切換中，不能有效支持移動(dòng)終端的移動(dòng)，一旦中繼節(jié)點(diǎn)和原本區(qū)域距離加大，會(huì)影響編碼數(shù)據(jù)包的運(yùn)輸。而HNC機(jī)制通過(guò)多層中繼圈，對(duì)全部中繼節(jié)點(diǎn)實(shí)施層次化界定，為編碼數(shù)據(jù)包指明傳輸方向，確保其傳輸至緯度最低的網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，提高切換成功率。

在用戶駕車狀況下，隨著丟包率的加大，Takeover的切換成功率逐漸下降，甚至可達(dá)到0;但PNC機(jī)制的切換成功率基本穩(wěn)定，普遍超過(guò)50%。而HNC機(jī)制的切換成功率略有下降，但穩(wěn)定在80%以上。在該情況下，HNC機(jī)制的優(yōu)勢(shì)更為顯著。說(shuō)明Takeover和PNC機(jī)制因未劃分中繼節(jié)點(diǎn)，使其處于同等地位，而車輛運(yùn)行速度較快，中繼節(jié)點(diǎn)隨之頻繁移動(dòng)，使傳輸方向出現(xiàn)偏差。HNC機(jī)制可確保編碼數(shù)據(jù)包始終正確運(yùn)輸，車輛運(yùn)行速度對(duì)切換成功率的影響不大。

根據(jù)上述仿真分析可知，HNC機(jī)制的切換成功率顯著高于Takeover機(jī)制和PNC機(jī)制，可在無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)切換中推廣應(yīng)用，提高傳輸可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)切換中，可根據(jù)多層中繼圈的特點(diǎn)，引進(jìn)層次化網(wǎng)絡(luò)編碼，為數(shù)據(jù)包傳輸設(shè)定明確方向，在不顯著增加網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行成本的基礎(chǔ)上，能提升網(wǎng)絡(luò)通信效率，為用戶提供良好的移動(dòng)終端使用體驗(yàn)。

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（編輯 姚 鑫）