专利名称：移动ip中一种二层消息触发时机的确定方法
技术领域：
本发明涉及通信领域中的移动IP技术，尤其涉及移动IP技术中的切换技术。
背景技术：
移动IP(Basavaraj Patil，Phil Roberts，Charles Edgar Perkins.“IP MobilitySupport for IPv4”[S].IETF RFC 3344，2002年8月)技术的出现，使得移动用户可以随时，随地的访问Internet。该技术支持主机在不变更IP地址的情况下任意移动，当移动主机移动到一个新域时，首先要与新的外地代理建立二层连接，在接收到新外地代理的代理广播后发起注册请求，向归属代理注册新的转交地址。归属代理拦截到达移动主机的分组，通过隧道的方式将其转发到移动主机当前的转交地址，然后转发到移动主机。
在移动IP网络中，移动主机MN为了维持原有的通信会话，或者为了让通信对端CN能及时和它进行通信，必须通过外地代理FA申请与外地网络相容的转交地址CoA，并及时地通过移动IP注册过程更新家乡代理的转交地址绑定信息。在MN发现它移动到一个新的外地网络时，它必须向新的外地代理nFA申请一个新的CoA，并立即再次更新家乡代理的注册绑定信息，这就是所谓的网络层切换，又称三层切换。
实际上，三层切换是在二层切换的基础上完成的，通常移动IP的这种注册切换过程如图3a所示。首先，移动主机会通过信号监测或误码率等，首先检测到一个新的可用网络，并在适当的时候进行二层切换，在二层切换完成之后才开始三层的切换过程，这样实际的切换时延是两层切换的时延之和，再加上其他的处理时延，因此大大增加了移动用户的切换时延，并造成大量丢包。
为了改善这种情况，IETF提出了快速低时延切换(Gustafsson，AnnikaJonsson，Charles Edgar Perkins.“Mobile IP Regional Registration”，IETF draft，draft-ietf-mobileip-reg-tunnel-04.txt，2001年3月)。本发明针对的提前注册切换机制正是其中的一种，其整个切换过程如图3b所示。与图3a不同，三层切换不是在二层切换完成之后开始，而是在二层切换开始之前发起，从而把二层切换和三层切换的过程部分的并行进行，从而缩短三层切换的延时，可以获得一定的延迟降低效果，加速整体的切换过程。
图1给出了移动IP中基于二层触发的快速低延迟切换流程。移动主机MN在通过旧外地代理oFA和通信主机CN通信过程中会收到来自新外地代理的代理广播，或者主动发起外地代理请求来获取附近外地代理的相关配置信息。同时移动主机不断的检测通信状态，并在适当时候触发二层触发消息，提前触发三层切换过程，即通过旧外地代理oFA发起向新外地代理nFA的注册请求，并向归属代理HA或外地代理网关GFA更新注册绑定信息；或者发起nFA和oFA间的隧道建立请求，并触发滞后注册机制，注册消息由新外地代理转发(后面将只涉及提前切换机制，尽管本方面的二层触发时机可以用于滞后注册机制)。
通过提前向新的外地移动代理请求代理广播，使得移动用户能够通过旧外地代理向新外地代理注册，进而向归属代理注册，即把二层切换和三层切换的过程尽量重叠在一起，从而可以明显减小整体切换的时间，从而也减小了对移动用户的影响。然而由于对于二层、三层的协作机制和二层消息的触发时机缺乏足够的研究，使得整个切换过程不够稳定，有时不仅不能达到降低切换延迟和丢包率的目的，反而使得三层切换失败，从而大大增加了丢包率。
发明内容
为了克服现有技术中移动主机在越区切换过程中的不稳定性，本发明给出预测二层触发最佳时机的方法，并给出二层和三层切换的协作方法，使得三层切换和二层切换将几乎在同一时刻完成，从而达到二层和三层同步平滑切换的目的，降低系统的整体网络时延和丢包率，使得转发性能和整个切换过程稳定。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是在移动主机(MN)或无线网络接入点(AP)中添加二、三层的参数测量模块以及控制三层切换的判断模块，或利用已有的移动通信中的检测模块，通过对物理层(PHY)或介质访问控制层(MAC)的参数的测量或监测，来决定发起二层触发消息的条件和时机。
MN进入两个AP的重叠区后，该模块根据该AP的二层切换最小功率值等性能参数以及网络当前的情况，预测何时将要发生二层切换，以及是否在二层切换的条件下需要进行三层切换，如果同时需要二层和三层切换，则根据二层和三层切换的相关测量参数值确定二层切换与三层切换的时间间隔Δt和三层切换的发起时机，即二层消息的触发时机。其中三层切换启动相对二层切换所需的提前量Δt的计算依赖于纯二层切换所需时间和纯三层切换所需时间，如前所述，通常应在发生二层切换的某个时刻Δt之前触发二层消息以启动三层切换过程。
根据二层触发消息及二层、三层的协作机制确定二层、三层切换时间的具体过程包括如下步骤a.移动主机持续地检测二层状态、三层状态，根据检测到的状态预测是否将要发生二层切换，是则转到b，否则停留在a阶段；b.根据二层所得的状态参数和三层状态，判断是否会在此二层切换的前提下进行三层切换，是则转到c，否则回到a；
c.确定二层消息参数值和二层消息的触发时机，从而在指定的触发时机到来时触发二层触发消息；d.二层触发消息的接收者将启动移动IP的三层提前注册过程，利用已有方法和机制及时地在二层切换即将结束时完成移动IP的注册更新，即同时完成了三层切换。
其中对二层、三层状态的检测进一步包括如下步骤连续的检测并统计纯三层切换所需时间和纯二层切换所需时间；系统根据三层和二层的传输质量以及物理层的信号质量和信号强度预测二层链路的断开时刻tLD和链路重新启用时刻tLU，即二层切换的发起时刻和完成时刻，以及当前的三层状态参数(如相邻代理的IP地址等)，确定是否有必要进行三层切换；当需要进行三层切换时，计算三层切换的发起时刻相对二层切换发起时刻的提前量Δt，从而使得在二层切换发起时刻的Δt之前进行二层触发，发起三层切换，从而使得二层切换和三层切换几乎同时完成。
在正确地预测出二层切换时刻和三层切换所需时间等相关参数条件下，三层切换和二层切换将几乎在同一时刻完成，从而达到二层和三层同步平滑切换的目的，降低系统的整体网络时延和丢包率，从而使得分组转发性能和整个切换过程稳定。
图1显示了现有技术中提前注册切换机制的基本过程图2显示了本发明对触发时机的确定过程图3显示了基于二层触发的切换过程与传统切换过程的对照图4显示了提前注册的基本时序5显示了一个拓扑示例以及MN在该拓扑下的移动情形图6显示了同一拓扑和系统配置下，选择不同的触发时机情况下MN的丢包情况图7显示了在本发明选择的最佳时机下MN的丢包情况(无丢包)具体实施方式
我们将提前注册切换过程分解为以下事件a.MN在oFA区域内收到nFA的地址识别码b.MN向oFA发代理请求c.MN获得nFA的代理广播，向归属代理(或网关外地代理)发nFA的注册请求d.MN与nFA建立二层连接e.注册请求到达归属代理f.注册应答到达nFAg.MN收到注册应答用Ti表示i事件发生的时刻。在不考虑网络动态的理想条件下，MN从min{Td，Te}开始接收不到分组，从Tg后又开始接收分组(或缓存的注册应答)；分组丢失时间持续Tg-min{Td，Te}。其中，Td与Te的关系决定了分组是从oFA上丢弃还是从nFA上丢弃。若Td＜Te，则从Td开始到Te，转发到oFA上的分组会因为MN与oFA的二层链路断开了而被丢弃。若Td＞Te，则从Te开始，发送到MN的分组(包括注册应答)被转发到nFA。若Td＜Tf，则不用在nFA上缓存注册应答，后继分组也都会被发往MN，不会被丢弃。若Td＞Tf，则必须在nFA上缓存应答，在Tf到Td之间，到达nFA的分组会因为MN与nFA的二层链路没有建立起来而被丢弃。由此可见，二层消息的触发时机会影响提前注册切换的性能。
移动主机连续检测到邻近的无限接入点的信号质量(包括功率值及网络标识等)以及当前的传输状态，移动主机同时连续测量三层传输的特征参数，统计分组的传输时延，根据所测量的参数值判断是否需进行二层切换，并判断在二层切换的条件下是否需进行三层切换。计算二层切换和三层切换间的时间间隔Δt，并决定三层触发的正确时机以发起三层切换。
确定二层消息触发时机为了获得可以确定的恰当的二层触发时机，从时序的角度分析提前注册切换过程如图4所示。设MN与oFA间的链路时延为DM-o，oFA与nFA间的链路时延为Do-n，nFA到GFA或HA间的链路时延为Dn-G。其中的链路时延包括传播时延和结点的处理时间。可得三层切换与二层切换间的发起时间间隔为Δt＝Do-n+Dn-G+3*DM-o，这是前面所述的提前量的另一种表达(Δt＝T三层切换-T二层切换)。Do-n是可以根据邻居代理广播等消息的传输获得，DM-o可以根据无线链路特性获得，而Dn-G也可以由网络获得，因此Δt在切换发起前是可以确定的。
下面描述本发明所述的二层与三层间协作机制。
(1)切换协作功能实体连续监测二层信号质量和传输性能参数，同时搜索相邻的外地代理的网络层和链路层参数。当该实体预测出某个时刻相应的二层切换必须切换到某个nFA对应的小区下时，确定二层切换所需的信息参数，如新小区的网络地址，所使用的频率等等。并根据统计或前述方法所提之预测得到的三层切换所需时间，确定二层切换与三层切换的时间提前量，即二层、三层切换启动的间隔Δt＝T三层切换启动-T二层切换启动。
(2)二层切换启动时刻可根据当前基站和移动主机间的传输质量参数，如误码性能BER、信号强度P或者信号质量SNR(信噪比)联合确定，或者单就其中某个参数进行预测，如预测到原小区的功率强度在某个时刻t低于某个值PL2时，就认为二层必须在时刻t进行切换。其中PL2可以不同于MN最小信号功率Pmin；这些参数的测量方法依据系统的不同将有所不同，可以参照2G或3G的物理层等相关协议层提供的方法执行。
(3)二层切换完成时刻则由移动主机和新基站的相关参数(不包括误码率参数，因为此时移动主机还未与新基站开始通信)进行预测，如根据接收到的新基站的信号功率是否在某个时刻将大于某个门限来判断该时刻是否能建立和新基站的二层链路。
(4)然后，用这些时刻的性能参数预测值与系统预订的参数最低门限值进行对照就可以知道在该时刻是否需要进行切换，即可以估计出二层切换的启动时间，同时根据前面监测统计参数可以得出二层切换所需的时间和三层切换所需时间，借此选择最佳的二层触发时机。
附图2所示为上述基于二层触发消息的二层及三层切换协作工作过程和二层触发消息的触发时机的确定方案，包括如下步骤a.移动主机MN持续地监测MN与旧外地代理的链路质量，包括信号强度，信噪比，以及误码率和重传次数等信息，同时定期地检测邻近的无线接入点即新外地代理的存在及其信号强度、信噪比等参数。
b.当主机检测到原有链路的通信质量下降到容许的容限附近，或者新的链路质量比旧链路质量高到一定容限时，它将记录新链路的网络层地址和物理层地址等信息，并计算二层触发的最佳时机以在必要的时候形成二层触发消息，触发三层的切换过程。
c.在最佳的二层触发时机情况下，三层切换和二层切换几乎同时完成，从而从总体上减小了切换时延，降低了丢包概率，从而减小了系统的分组缓冲区大小，提供系统的整体性能。
在上述过程的步骤b中，确定二层触发的最佳时机的方法，其步骤如下b1.在系统初始化时，通过向家乡代理的注册过程，利用现有的环路时延检测方法统计移动主机MN到归属代理(HA)的消息延迟T三层注册，以及注册应答消息的返回时从HA到MN的消息延迟T三层应答。从而确定三层切换所需时间T三层切换＝T三层注册+T三层应答。
b2.同时利用MAC层和物理层接口测量二层链路切换所需的时间T二层切换，它包括MN向nFA发起的二层链路建立请求的传输时间T二层请求，nFA对二层链路请求的处理延时T二层请求处理，nFA向MN发送链路建立应答消息传输延迟T二层应答。从而确定二层切换所需时间T二层切换＝T二层请求+T二层请求处理+T二层应答。
b3.系统根据当前的三层传输质量以及二层通信链路状态及相关参数预测将要发生的二层和三层切换。首先通过上述参数预测到可能发生的二层切换事件和发生时刻，再根据二层切换的特征参数(如新小区的网络地址等)决定是否应该进行三层切换，如果是则由下述的方法计算三层切换启动时刻，并在该时刻启动三层切换，值得注意的是，由于系统一直以一定时间间隔在进行检测和预测，下一次的预测结果将有可能调整本次的预测结果，从而也可能三层切换的启动时刻进行调整。设二层切换的发起时刻即t二层切换启动，三层切换的发起时刻为t三层切换启动，则t三层切换启动≤t二层切换启动+(T二层请求+T二层请求处理+T二层应答)-(T三层注册+T三层请求处理+T三层应答)＝t二层切换启动-Δt其中Δt＝T三层切换-T二层切换＝T三层切换启动-T二层切换启动为提前量。
b4.在步骤b3中，系统根据三层和二层的传输质量以及物理层的信号质量和信号强度预测二层链路的断开时刻tLD和链路重新启用时刻tLU。上述的二层切换发起时刻t二层切换启动，还必须满足如下条件t二层切换启动≤tLD≤tLU。
二层切换启动与tLD的差值通常是与实际系统有关的可测量或可推算的常数，主要影响因素包括物理层的信道切换过程等。
b5.MN中设有相应的寄存器保存至少两次的通过物理层和链路层接口获得误码性能、功率/信噪比的测量值，BERk、Pk和SNRk，k＝-2，-1，0，在此基础上系统可以预测下一时刻或更远的将来的可能值BERj、Pj和SNRj，j≥1，从而反推这些参数劣化到相应门限的剩余时间分别为TBER，TP，TSNR，t二层切换启动可以由下式给出t二层切换启动＝t当前时刻+min(TBER，TP，TSNR)于是正如前述，三层切换启动时刻t三层切换启动由下式给出t三层切换启动＝t二层切换启动-Δt令T切换富裕量＝min(TBER，TP，TSNR)，则当T切换富裕量-Δt≤0时，则应立即触发二层消息以启动移动IP的三层切换进程，否则延迟(T切换富裕量-Δt)再产生二层触发消息启动三层切换。
b6.步骤b5中的关于BERj、Pj和SNRj的预测方法如下BERj=BER0+j·[hBER0(BER0-BER-1)+hBER-1(BER-1-BER-2)]]]>Pj=P0+j·[hP0(P0-P-1)+hP-1(P-1-P-2)]]]>SNRj=SNR0+j·[hSNR0(SNR0-SNR-1)+hSNR-1(SNR-1-SNR-2)]]]>其中的hNi(i＝0，-1，N＝BER，P，SNR)是预测系数，需要根据实际情况而定，甚至需要动态调整，当hN-1=0]]>时则为简单的一阶线性预测。其中测量时间间隔Ts也需要根据实际的MAC机制和物理层接口特性进行调整。
b7.其中二层触发消息的格式可以参照(C2003)，本实施方案采用如下的消息格式0 1 2 30 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+0| 二层触发器类型| 消息长度| 随机标识 |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+1|旧外地代理IP地址 |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+2|新外地代理IP地址 |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+3| MN的转交地址 |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+4| 认证信息等 |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+.| |.+ +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+.| |必要的填充字段 |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+其中，二层触发器类型表明触发消息的功能类型，本发明只涉及三种L2-MT、L2-LU、L2-LD，分别赋值为1，2，3。
消息长度表示该二层触发消息以16比特为单位计的长度(不包括填充字段)。随机标识16比特的随机数，用于标识唯一的二层触发消息，以便在需要时对二层触发消息进行应答时标志二层触发会话。
MN的转交地址MN当前的转交地址，与旧外地代理相关联。
认证信息字段具体结构和大小由选用的认证方法有关。
必要的填充字段根据需要填充，以使得整个消息长度为32比特整数倍。
图4给出了基于二层触发消息的各个相关节点上的事件和消息时序图。图中给出了上述事件中在时序上的对应时刻和发生位置，如b、c、d、e、f分别对应t1-t7时刻发生的事件，以便对照。
为了说明不同的二层触发时机的效果，这里给出一个简单的仿真结果。图5是仿真的网络拓扑结构图，该拓扑中包含一个用于区域管理以简化注册过程的外地代理网关GFA，它可以扮演HA的作用。其中相关标记代表含意如下CN通信对端，Ri路由器，GFA网关外地代理，Fai外地代理，MN移动主机。
图6和图7分别给出图5的网络拓扑下选取移动主机触发消息(MT)的不同触发时机时移动主机移动过程中的系统切换时延和丢包率性能。图6显示了任意选取的MT触发时机下的情形。其中横坐标是仿真时间，纵坐标是MN接收到的通信对端的分组序列号，小竖线分别代表上述切换过程中d、e、f、g事件在仿真中的发生时刻。由图6可以看出，触发消息的时刻不同，提前注册切换的时延和丢弃分组数(通过序号差获得)都会有很大的差异。进一步，当提前注册发起注册请求后，g事件发生的时刻就由网络的拓扑结构、链路带宽和负载等因素基本确定。针对具体的网络状态和移动主机移动所带来的信号强度、信噪比变化等参量估算出一个可能的二层切换时刻，从而根据前面所述的方法获得一个较优的MT触发时刻，使得提前注册切换能够成功进行，并且性能稳定性得到保证。
图7给出了简单的无拥塞网路中，不同的网络状态下较优二层触发时机的性能。从图7可以看出，整个切换过程没有分组被丢弃，分组的时延也没有受影响。几乎达到了平滑无缝切换的性能。由此可知，提前注册切换机制中最佳二层触发时机应满足Td≥Te。当Td＝Tf时，三层和二层的切换吻合最好；当Td＞Tf时，可以通过在nF设置缓冲的方式来减少切换中的分组丢失。
权利要求
1.一种基于二层触发消息的二层、三层协作切换方法，其特征在于包括如下步骤a.移动主机持续地检测二层状态、三层状态，预测是否将要发生的二层切换，是则转到步骤b，否则停留在步骤a阶段；b.根据检测二层所得的状态参数和三层状态，统计纯三层切换所需时间和纯二层切换所需时间，并判断是否会在二层切换的前提下进行三层切换，是则转到步骤c，否则回到步骤a；c.确定二层消息参数值和二层消息的触发时机，从而在指定的触发时机到来时触发二层触发消息；d.计算三层切换相对二层切换的提前时间Δt；e.二层触发消息的接收者将启动移动IP的三层提前注册过程，在二层切换发起时刻的Δt之前进行二层触发，及时地在二层切换即将结束时完成移动IP的注册更新，即同时完成了三层切换。
2.根据权利要求1所述的切换方法，其特征在于所检测的二层状态、三层状态指移动主机当前的传输状态，所述状态参数指邻近无线接入点的信号质量，包括信号功率P，信噪比SNR，误码率BER。
3.根据权利要求1或2所述的切换方法，其特征在于在步骤b中连续的检测并统计纯三层切换所需时间和纯二层切换所需时间，其具体实施方法如下b1.在系统初始化时，通过向归属代理注册，测量从移动主机MN到归属代理HA的注册消息的发送延迟T三层注册，以及从归属代理到移动主机返回注册应答消息的延迟T注册应答。从而得到三层切换所需时间T三层切换＝T三层注册+T注 册应答；b2.同时利用MAC层和物理层接口测量二层链路切换所需的时间T二层，它包括MN向新外地代理nFA发起的二层链路建立请求的传输时间T二层请求，新外地代理对二层链路请求的处理延时T二层请求处理，新外地代理向MN发送链路建立应答消息传输延迟T二层应答，即二层切换所需时间为T二层切换＝T二层请求+T二层请求处理+T二层应答；
4.根据权利要求1所述的切换方法，其特征在于计算三层切换相对二层切换的提前时间Δt及三层切换发起时刻的方法如下f.系统根据三层和二层的传输质量以及物理层的信号质量和信号强度预测二层链路的断开时刻tLD和链路重新启用时刻tLU，以及二层切换和三层切换从发起到完成所需的时间T二层切换和T三层切换，由式Δt＝T三层切换-T二层切换＝T三层切换启动-T二层切换启动计算三层切换相对二层切换的提前时间，由公式t三层切换启动＝tLD-Δt计算三层切换发起时刻；g.移动主机MN将在t三层切换启动时在旧外地代理oFA上发出三层切换请求。
5.根据权利要求4所述的切换方法，其中二层链路断开时刻tLD和链路重新启用时刻tLU由如下方法预测MN中相应的寄存器保存至少两次的通过物理层和链路层接口获得的移动主机MN所测量的新旧外地代理的功率和信噪比测量值，在此基础上系统预测下一时刻或更远的将来功率和信噪比的可能值，从而得到oFA的参数劣化到相应门限的剩余时间分别为TPO，TSNRO，以及nFA的参数逐渐达到相应门限的剩余时间TPN，TSNRN，于是tLU和tLD由如下线性预测公式给出tLU=(pPLU,pSNRLU)·(TPN,TSNRN)pPLU+pSNRLU=1]]>tLD=(pPLD,pSNRLD)·(TPO,TSNRO)pPLD+pSNRLD=1]]>其中pPLU，pSNRLU，pPLD，pSNRLD为与物理层和MAC层相关的加权系数。
全文摘要
本发明涉及通信领域中的移动IP技术，公开了移动IP网络中，一种基于二层触发的提前注册切换方法和二层、三层切换的协作机制中利用二层触发消息的特性，本发明给出预测二层触发最佳时机的方法，并给出二层和三层切换的协作方法，使得三层切换和二层切换将几乎在同一时刻完成，从而达到二层和三层同步平滑切换的目的，能够大幅度减小移动用户的切换时延和切换中的数据包丢失，使得转发性能和整个切换过程稳定，从而提高移动用户在移动中的服务质量。
文档编号H04W36/00GK1645966SQ20051002019
公开日2005年7月27日 申请日期2005年1月14日 优先权日2005年1月14日
发明者邝育军, 陈前斌, 李云, 隆克平, 刘蕾, 刘兴潜 申请人:重庆邮电学院