WiMAX和WiFi?垂直切换的无缝衔接
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摘要：随着网络的发展，下一代无线网络将包括数个重叠的层次，为移动用户提供不间断的通信是一个具有挑战性的任务。在wimax和位于同一基站wifi的情况下，垂直切换延迟将会减少与两个传统的WiMAX、WiFi网络的异构性。然而，协议转换仍然是增加延迟和抖动之间数据交换所需的两种技术。在该文中，为了减少在协议转换中的延迟，提出了一个新的工业设计，在WiMax和WiFi中添加适配层，对这两个标准间互通的实现进行了讨论和评价。结果表明，具有比其他相关工作更好的性能。
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）05-1096-02
The Seamless Connection of the Vertical Handover between the WiMAX and WiFi
LI Shao-feng
（Department of Computer Sciences， Yunyang Teachers’ College， Shiyan 442000， China）
Abstract： With the development of the network， the next generation of the wireless networks will consist of several overlapping tiers. Provision of undisrupted communication to mobile users is a challenging task. In the case of both the WiMAX and the WiFi technologies which are located at the same base station （BS）， the vertical handover （VHO） delay will be less as compared with the two conventional WiMAX/WiFi heterogeneous networks with two different wireless Internet service providers. Nevertheless， protocol conversion is still adding delay and jitter for data exchange between the needed two technologies. In this paper， in order to reduce the delay in the protocol conversion， a new industrial design for WiWi （WiMAX and WiFi） adaptation layer is proposed. The realization of the interworking between these two standards is discussed and evaluated. The results show that the proposed scheme-with the scenario under study- has better performance than other related works.
Key words： WiFi； WiMAX； Heterogeneous Network； The seamless connection
高速互联网接入有线电视、数字用户线（DSL），和其他固定宽带连接到无线热点形成了无线网络，无线网络提高了人们生产力和方便。今天， 数以百万计的办公室、家庭、和公共场所，如酒店、咖啡馆、机场等都在提供几乎无处不在的无线网络。而无线网络接收器已集成到笔记本电脑、手机和消费电子产品等这些设备中。另一方面，WiMAX无线互联网接入到一个新的水平，并随着时间的推移，也可以实现类似的速率作为无线设备。WiMAX可以提供互联网接入最近的WiFi热点形成更大的覆盖面积，无论是都市、郊区或农村，都能每秒多兆比特移动宽带上网。虽然，广域网路连通性提供了3G蜂窝数据移动服务，这些服务为用户提供宽带速度和已经习惯WiMAX服务。在过去的几年中，已经建立了相关的WiMAX网络作为一种替代有线DSL和电缆，提供有竞争力的宽带服务，可以迅速部署和有效的降低成本。
WiMAX和WiFi在一起，是理想合作伙伴，服务供应商在很多的地方提供方便、经济实惠的移动宽带互联网服务。两者都是以互联网协议（IP）为基础建立开放IEEE无线标准的应用程序和服务。IEEE 802.11加速了网络部署在有限的地理范围内提供高传输速率，IEEE 802.16提供了更多的灵活性，同时保持技术数据速率和传输范围。无线网络的覆盖范围是有限的，很难满足未来无所不在的网络需求，而IEEE 802.16可以提供一个更广阔的区域内的接入高速互联网。IEEE 802.16和IEEE 802.11的组合来创建一个完整的无线解决方案给用户提供高速互联网接入是必然的趋势。这两种技术都有自己的优点和缺点，一方面，WiFi可提供高数据速率（500 MB / s的设想），但其功率是限制的，因此在覆盖更密闭。另一方面，尽管WiMAX数据速率限制（70 MB / s固定），它可以提供像蜂窝系统那样广泛的覆盖面。WiFi和WiMAX网络之间的差异是媒体访问控制（MAC）和频谱决定的信道分配的机制。WiFi系无线网络系统是在免授权（无牌）频段操作，而WiMAX系统使用授权频段。因此，WiMAX和WiFi有不同的MAC设计。WiFi的MAC是基于CSMA / CA的争夺，而WiMAX 中定义MAC是基站调度时隙的用户站非竞争。另外，WiMAX采用正交频分多址接入（OFDMA）物理层，这样基站可以分配子载波给每个SS的子集频域。
1 相关工作
WiMAX和WiFi垂直切换技术已经被开发利用。例如，媒体独立切换802.21是一个新兴的IEEE标准，在异质网络类型包括802和非802网络允许越区、蜂窝之间切换和以802为基础的技术，即802.11、802.15和802.16网络。非授权移动接入（UMA）基于IMS（IP多媒体子系统）是欧洲电信标准协会3GPP标准，提供了在IP网络中垂直切换与工作的相互扩展移动语音，数据和多媒体应用。然而，这些标准被设计为独立的工程量，即网关或服务器作为工作装置的两个独立网络可以相互拥有和控制操作。轻量级切换模块的需求，可以工作在移动或小的接入点。完整的网络无线和有线服务及应用程序在移动设备的可移植性是由两者的下一代网络和P2P实现。随着移动IP的发展（MIP）和媒体独立切换（MIH）支持，VoIP复用多播方案在WiMAX基础设施容量增加一倍，达到IEEE802.11。WLAN连接到城域网的语音能力受到无线局域的网严重限制，复用多播方案充分改进VoIP在无线分布系统的延迟、容量和覆盖范围。
网格协调功能是是一种新的方法，可用于802.11网状网络的数据传输。该方法通过将802.16数据包传到802.11广播报文进行填充，使全反式任务可以排列在802.16帧边界。结果表明，该方法显着降低请求应答前固有的开销。对WLAN / WiMAX切换场景，在一个动态的WLAN / WiMAX网络中提出了最大限度地传递信息比特。这样交付的比特数相比传统计划的提高了10%。以IEEE 802.11和IEEE 802.16两者之间的切换管理方案，那么一些网络信息，如带宽、阻塞率、掉线率，以及不同类型的流量都被视为性能矩阵，切换结果由双模式和多接口的设备完成。基于带宽自适应模糊逻辑切换，提出了在IEEE802.16和IEEE802.11的混合网络。这个越区切换算法能够适应本身的动态条件下混合网络基于WLAN的移动速度和无线局域网站的通信。由于该算法是基于WLAN工作站速度，由此看来，它不会在多数WLAN工作站移动或固定情况下工作。为了解决这个问题，所以提出一种基于速度和垂直切换平均接收信号强度估计算法[1]。这种假定一个较高估计功率，表示许多情况下有一个更高的吞吐量。决定架构的无线网状骨干和垂直切换方案在802.11和802.16之间提出了。切换信号过程在不同的场景中讨论，目的是减少主干上的信令开销，提供较低的切换延迟。然而，所提出的垂直切换是在MAC和IP层两个阶段进行， 以避免由于上层的消息交换的延迟。垂直转换网关体系结构提出了为了保证提高传输服务质量。提出了垂直切换方案通过封装WiFi与WiMAX帧发送的数据包传输帧的上行下行[2]。
2 系统模型和场景设置
我们讨论WiFi / WiMAX交互工作模块，提出了建立在笔记本电脑、手机、移动数据率高的无处不在的连接。新模块是一个组合的WiMAX和WiFi协议栈，WiWi模块包括WiFi / WiMAX位于移动WiMAX无线网络层将作为中继节点（在这里我们称之为移动中继节点）。WiWi模块的目的是WiFi设备将收到WiMAX网络WiMAX信号。如图1所示，WiWi模块范围是协议栈是当用户通过使用安装在WiMAX移动的WIWI模块连接WiMAX网络移出的WiFi覆盖，增加了覆盖范围。图1显示，我们研究的两种可能的场景：WiWi内的笔记本电脑和无线网络覆盖范围及笔记本电脑的无线网络覆盖范围。场景（b）很简单的笔记本电脑会看到只有一个WiWi模块提供的网络连接。该设备将直接启动网络登录过程使用安装在移动WiMAX的WIWI模块加入到WiMAX网络。WiWi操作有两种模式，对开放模式的用户获取打开访问他/她的WiMAX移动（WiWi模块），而在关闭模式WiMAX的WiFi设备将只允许访问移动互联网接入。另一方面， WiMAX和WiFi网络从该设备将只选择其中的一个来访问，基于接收信号强度指示的因特网消息[3]。在这种情况下使用传统切换是基于RSSI消息中的网络选择是有问题的，这是因为无线网络设备将检测WIWI模块和WiFi接入点（AP）两个无线信号，与传统的情形之间的差异在于决策标准是不一样的，该技术在于WIWI是WiMAX和WiFi之间的中继的混合体。因为技术的不同WiWi之间的WiMAX和WiFi是一种混合继电器。所以，单独的RSSI值不足以成为决定标准的切换，例如，在关闭模式下RSSI从WIWI信号通常比在AP（WiFi网络）的信号要大。因为电脑是接近WiMAX移动，其结果将是选择WIWI 网络。选择WIWI网络并不总是正确的。通常，WIWI网络的吞吐量比在WiFi吞吐量低，因此，现有的越区切换过程是基于早期启动越区切换。
a） b）
图1
（下转第1114页）
（上接第1097页）
3 仿真结果
计算机仿真是进行网络使用场景，一个新的软件包实现直接给出的计划和参数设置。无缝垂直切换的计划在802.16和802.11之间。切换算法的无线网状路由器，其中3空中接口内置在WMR实现，即802.16 PMP，802.16网，并具有路由功能的三个空中接口之间的通信协调802.11接入点。WiMAX的延迟时间和WiFi的垂直切换方案，表明所提出的方法优于其他两个相关工作的延迟时间。网关的延迟有一个更高的延迟，由于数据包队列来自不同的节点，整体吞吐量降低是网络选择时间。然而，在使用范围只比当吞吐量（RSSI） 降低更大时，我们需要考虑到网络选择时间小于当使用RSSI和网络吞吐量时比， WLAN的切换WiWi是更好使用RSSI，这是由于固定网络（WiFi）吞吐量通常大于移动网络（WiWi）吞吐量。在开放模式下，WiWi模块为所有人开放，WiMAX基站的信号可以经过多次反射整体吞吐量急剧降低是对每一跳的延迟传播。
4 结论
WiMAX的逐渐成熟，需要与其他技术在局域网络工作合作变得尤为重要。该文实现了WiFi和WiMAX的垂直切换的异构网络的垂直切换算法理论，所提出的垂直切换是在逻辑适配层以上的MAC层执行。新算法理论说明用较少的协议转换器时间开销可以保证QoS的探索，实现跨这两个标准之间的工作进行了讨论和评价，实现吞吐量和延迟性能的垂直切换。
参考文献：
[1] 刘敏.一种基于速度感知的垂直切换算法[J].电子学报， 2008（6）.
[2] 陈燕燕.LTE基站MAC-PHY API接口的设计和实现[D].北京：北京邮电大学，2011.
[3] 魏明.WLAN与3G网络的切换模型建模与仿真[D].南昌：南昌大学， 2009.