GPRS與WLAN網絡融合論文

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摘要：該文首先介紹了gprs與wlan融合的機制和兩種不同的解決方案，討論了兩種解決方案的體系結構。然后重點介紹了加入adhoc技術后對其性能的改進，提出了三種改進的策略。關鍵詞：GPRS，WLAN，網絡融合，異種網絡，adhoc1概述隨著無線技術的發(fā)展，人們可以通過多種方式隨時隨地的接入因特網，而且希望這種無線接入服務能夠提供高數據速率、大的覆蓋范圍和低的價位。傳統(tǒng)2G移動通信蜂窩網絡能夠提供高移動性、大覆蓋范圍，但是傳輸速率低，只有不到9.6kbps，能較好地區(qū)性提供傳統(tǒng)的話音業(yè)務，但很難提供無線數據服務。為此，3G移動通信系統(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，使得很多運營商把目光投向了2.5G蜂窩數據技術如GPRS(GeneralPacketRadioService)。GPRS能提供大覆蓋范圍但是相對低速的數據服務(最高達171kbit/s每用戶)，但是它無法滿足商務和多媒體應用對數據速率的要求，因此其應用潛力有限，不能夠滿足市場的需要。所以，人們開始考慮一種能夠提供高數據速率的無線接入技術WLAN(wirelesslocalareanetwork),它可在較小的范圍內提供高速數據服務(802.11b可達11Mbit/s，802.11a可達54Mbit/s)，但是其接入點AP有限，主要應用于酒店等熱點地區(qū)。因此將二者結合起來的異種網絡可以較好地解決大覆蓋范圍和高數據速率的問題。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融合網絡的兩種耦合結構。通過對GPRS、WLAN兩種技術的融合，可使用戶隨時隨地接入Internet。但是，GPRS是個相對低速率的網絡，WLAN數據速率較高，所以，當用戶由WLAN服務切換到GPRS服務時，會感受到明顯的服務質量的下降。在第三部分，將重點介紹一種方法，該方法通過使用adhoc技術，延長異種網絡用戶使用高服務質量網絡的時間【7】。2WLAN和GPRS網絡的融合如前所述，異種網絡能夠較好結合WLAN和GPRS的優(yōu)點，為用戶在一個廣大的范圍內提供高速或低速的數據服務。2.1融合的一般框架WLAN和蜂窩網絡的融合有若干種方案，歐洲電信標準組織（ETSI）制定了兩種網絡互聯的方法：松耦合，緊耦合。在松耦合下，WLAN是作為GPRS網絡的一個補充，它只利用GPRS網絡的用戶數據庫，而與GPRS的核心網絡沒有接口。二者的松耦合在Gi參考點進行。此時WLAN旁路GPRS網絡，提供到外部信包數據網（PDN）的數據直接接入。而在緊耦合下，WLAN則直接連接到GPRS的核心網，其類似于通用移動通信系統(tǒng)（UMTS）的無線接入網（UTRAN）或GPRS無線接入網（GPRSRAN）等其他的無線接入網。此時WLAN數據流在到達外部PDN之前先要經過GPRS核心網，其耦合點是Gb或Iu-ps參考點。下面分別介紹兩種基于不同耦合體系結構的融合方案。2.2緊耦合體系結構圖一GPRS、WLAN緊耦合系統(tǒng)結構【1】首先介紹緊耦合體系結構。圖一是相應的緊耦合的系統(tǒng)體系結構。每個WLAN由一個或多個接入點（AP）組成，而這些AP由一個分布式系統(tǒng)（DS）連接。這里，DS是一個遵從IEEE802.3協(xié)議的局域網（LAN）。這里WLAN是工作在結構體系模式(infrastructure)下。每個單獨的AP及其覆蓋范圍被稱作一個基本服務集(BSS)，所有一個WLAN下的BSS組成一個擴展服務集（ESS），而WLAN就是由很多BSS組成的。WLAN通過Gb接口連接到GPRS的核心網作為一種可選擇的無線接入網（RAN）。對核心網而言，它并不鑒別接入的網絡是采用WLAN技術還是GPRS技術，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)中的關鍵部分是GIF(GPRSinterworkingfunction)，它的一端鏈接DS，另一端通過Gb接口連接服務GPRS支持節(jié)點(SGSN)，其主要功能是向GPRS核心網提供一個標準接口并隱藏WLAN的特點。此時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。當移動節(jié)點(MS)不在WLAN區(qū)域內時，WLAN接口進入被動搜索模式并在特定的頻帶搜索新標信號，搜索到后將檢索到SSID(servicesetidentifier)并與預先設置的SSID信號進行比較。SSID信號提供WLAN的標識。當確認SSID有效時，MS將進行認證和連接，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支持GPRS、WLAN的雙模終端。而無縫移動是通過GPRS的核心移動管理過程RA更新（RAU）來實現的，RAU是GPRS的核心管理過程【2】。從上述敘述可以看出，緊耦合體系結構為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)省了運營商的投資。但是，緊耦合很難支持第三方所擁有的WLAN。對于和WLAN相連接的SGSN的性能和容量也有要求。而且，緊耦合對于不支持GPRS協(xié)議的WLAN終端是不支持的。這也是緊耦合的不足。2.3松耦合體系結構圖二GPRS、WLAN松耦合體系結構【1】松耦合是GRPS和WLAN融合的另外一種方式，其耦合點是Gi界面。下面我們介紹該結構。如圖二是松耦合體系結構圖。由圖可見，WLAN在運營商的IP網上與GPRS耦合。不同于緊耦合的是，WLAN的數據流不通過GPRS的核心網，而是直接進入運營商的IP網（和/或Internet）。在該體系結構中，WLAN和GPRS都采用了基于SIM卡的身份認證，以接入運營商的服務。此體系結構也支持通過公共計費系統(tǒng)進行聯合計費。WLAN可以是第三方擁有，通過特定的WLAN和運營商之間的連接、或通過已有的公用網，如Internet來支持漫游和移動。松耦合利用標準的因特網工程任務組協(xié)議(IETF)進行身份的認證、計費以及移動，因此不需要將蜂窩技術引入WLAN。只要通過漫游協(xié)議，漫游可以跨越所有類型的WLAN。松耦合對于包含大量的WLAN與蜂窩網運營商的情況是一個好的選擇。它主要基于IETF協(xié)議，它對WLAN要求最少。但是，它要求運營商添加新的設備，如用于與WLAN融合的AAA服務器以及支持MIP(MobileIP)的設備等等。3基于adhoc技術的融合網絡的性能改進由前面的敘述可知，通過對GPRS、WLAN兩種技術的融合，可使用戶隨時隨地的接入Internet，用戶在離開AP的覆蓋范圍時也可以切換到GPRS網絡獲得低速率的數據服務。但是，GPRS能提供的數據速率有限，是個相對低速率的網絡，WLAN數據速率較高，所以，當用戶由WLAN服務切換到GPRS服務時，會感受到明顯的服務質量的下降。因此，延長異種網絡用戶使用高服務質量網絡的時間可以很大程度上提高異種網絡的服務質量。在這里，通過使用adhoc技術來解決這一問題。在adhoc網絡中，移動節(jié)點為其他節(jié)點中繼消息，該特性有助于擴大AP的服務范圍。采用這種方法延長移動終端在WLAN中的時間有以下幾個好處：(1)移動終端可以更長時間的擁有高的數據傳輸速率；在異種網絡中，不同網絡之間往往有著較大的帶寬差異，例如，理論上，IEEE802.11g網絡的傳輸速率可以達到54Mbps,而GPRS網絡只有171kbps;由于二者的帶寬差異很大，因此，延長用戶使用高質量網絡的服務時間就顯得很有意義;(2)通過adhoc的方法由其它節(jié)點中繼連接到AP時無需更改IP地址，因而，也就無需尋找新的外地(FA)、注冊新地址和更新映射；它減輕了HA以及FA的負擔，并減少了通訊時的額外的信息開銷；(3)公共WLAN的計費要比GPRS便宜地多。這對經常使用該項服務的用戶來說也是很重要的一點。下面簡述一下adhoc網絡的路由協(xié)議。3.1adhoc路由協(xié)議簡介大部分的adhoc路由協(xié)議可以分為平面模式（flatarchitecture）和分級模式(hierarchicalarchitecture)。在平面模式中，網絡中的每一個設備都是一個移動結點，可以和其他結點直接通信，也可以通過別的節(jié)點做中繼的方式與某一節(jié)點通信。該模式比較簡單，使用于較小規(guī)模的adhoc網絡。在分級模式中，所有的移動結點被分許多的群集，每個群集中將有一個移動終端被選作該群集的頭節(jié)點。每個移動節(jié)點需首先通過該頭結點，才能與其他節(jié)點建立聯系。該模式減少了控制信息開銷，但是如果頭結點不穩(wěn)定，將破壞該協(xié)議。DSDV(Destination-SequenceDistanceVector)(見文獻【3】)是一種平面模式的路由協(xié)議。DSDV把最少的跳數作為最短的路徑。每個移動結點周期性的廣播路由信息并更新自己的路由表。同時移動結點中有另外一個表用于存儲路由表變化的部分。如果變化的內容很多，則所有的路由信息將用來生成一個完全轉存（fulldump）的更新報文，而如果路由信息變化很少，則生成一個遞增更新（incrementalupdate）的更新報文。這種機制可以減少信息的傳輸開銷。在DSR（DynamicSourceRouting）(見文獻【4】)中，源結點會發(fā)送一個路由請求數據報（routerequestpacket）去建立一個路徑。該路徑上的每個結點將把它的ID添加到該路由紀錄中，并向鄰結點廣播該記錄。當該數據報到達目的結點后，路徑上的所有結點信息將被記錄。可能將有不止一條路徑，目標結點將選擇一條最優(yōu)的路徑并回復一個路由回復數據報（routereplypacket）.ZRP(ZoneRoutingProtocol)(見文獻【5】【6】)是一個主要針對穩(wěn)定性的路由協(xié)議。ZRP中的每個結點維護有一張固定的記錄有跳數的路由表。當在路由表中無法找到目標結點時，結點將會發(fā)送一個路由請求數據報（routerequestpacket）給該表中邊緣處的結點。該協(xié)議更適于擴大網絡的規(guī)模。在adhoc網絡中，所有的中繼節(jié)點都是移動的。一旦一個中繼節(jié)點離開而無法中繼，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越來越大，可用的帶寬也會明顯的減少。因此，路徑的長度將是衡量adhoc路由好壞的一個重要的標志。3.2所采用的融合策略下面所介紹的異種網絡由三種網絡融合而成：WLAN、adhocWLAN、GPRS網絡。在未采用adhocWLAN的異種網絡中，WLAN是首選，如果無法接入WLAN，則切換至GPRS網絡。而在現在的異種網絡中，如果無法直接接入AP，用戶還有其他的選擇，即可以通過adhocWLAN。然而，此時可能有不止一個中繼節(jié)點可以提供到多個AP的中繼。移動終端可以選擇其中最好的中繼節(jié)點，或者不使用adhocWLAN而使用GPRS網絡。有以下三種策略來決定使用哪個中繼和那種網絡。(1)固定跳數(FHC)該策略規(guī)定adhoc跳數不能多于n跳。移動終端首先尋找接入點(AP)，如果找不到，則移動終端試圖尋找另一個終端，該終端到AP的路徑的跳數少于n－1跳；如果有多個這樣的節(jié)點，則選擇路徑最短的節(jié)點；如果多個中繼節(jié)點路徑最短，選擇與自己有相同IP地址范圍的AP節(jié)點；如果沒有AP與自己有相同的IP范圍，則隨機選擇一個；如果沒有中繼節(jié)點的路徑跳數少于n－1跳，則試圖接入GPRS網絡。(2)任何可用路徑(AAR)在該策略中，如果沒有更好服務質量的網絡，移動節(jié)點將選擇任何的擁有最短的adhoc路徑的節(jié)點作為中繼節(jié)點。如果沒有中繼節(jié)點，將選擇GPRS網絡。(3)帶寬預估計(BPE)該策略中，在選擇網絡之前將對網絡的狀況進行估計。只有在adhoc網絡的服務質量高于GPRS網絡時才會選擇adhoc網絡進行數字傳輸。在以上建議的三種策略中，將依次搜索WLANAP、adhocWLAN中繼節(jié)點、GRPS網絡。如果三種網絡都不可用，連接將被拒絕。當一個用戶離開GPRS蜂窩的范圍或WLANAP的范圍，將進行更為復雜的切換。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WLANAP；如果找不到，則嘗試選擇adhocWLAN；如果adhoc同樣不可用，則連接GPRS網絡；最后，如果GPRS也不行，則終止連接。(2)從adhocWLAN中切換類似于(1)，將按照WLANAP、adhocWLAN、GPRS網絡的順序進行網絡的選擇，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GPRS基站；如果沒有，則嘗試接入WLANAP；如果AP找不到，則嘗試接入adhocWLAN；若adhocWLAN接入也失敗，則終止連接。4結束語本文介紹了WLAN與GPRS融合的兩種耦合方式，松耦合和緊耦合。兩種網絡耦合方式有各自的特點和使用情況，但無論選擇那種方式，WLAN都將是蜂窩網絡的一個重要補充。然而，由于WLAN與GPRS數據速率的差異以及WLANAP覆蓋范圍和數目的有限，為了延長用戶接入高數據速率的WLAN的時間和提高服務質量，引入了adhocWLAN，隨后介紹了引入adhoc網絡后該異種網絡選擇中繼、切換網絡的三種策略以及網絡切換的三種情形。WLAN和adhoc技術在未來的無線數據網絡和IP多媒體服務以及網絡融合方面將扮演越來越重要的角色。參考文獻：【1】SalkintzisAK.WLAN-GPRSIntegrationforNext-GenerationMobileDateNetworks[J].IEEEWirelessCommunications,2002,9(5):112—124.【2】3GPP,“GeneralPacketRadioService(GPRS);ServiceDescription,”Tech.spec.3GPPTS23.060v3.12.0,June2002;/ftp/specs/2002-06/R1999/23_series/23060-3c0.zip【3】C.E.PerkinsandP.Bhagwat,“HighlyDynamicDestination-SequencedDistance-VectorRouting(DSDV)forMobileComputers,”ProceedingsofACMSIGCOMM’94ConferenceonCommunicationsArchitectures,ProtocolsandApplications,vol.24,no.4,Page(s):234-244,Oct.1994.【4】D.B.Johnson,D.A.Maltz,Y.-C.HuandJ.G.Jetcheva,“TheDynamicSourceRoutinginAdHocWirelessNetworks,”InternetDraft,/internet-drafts/draft-ietf-manet-dsr-05.txt,Mar.2001.【5】Z.J.Haas,M.R.PearlmanandP.Samar,“TheInterzoneRoutingProtocol(IERP)forAdHocNetworks,”InternetDraft,/internet-drafts/draft-ietfmanet-zone-ierp-00.txt,Jan.2001.【6】M.R.PearlmanandZ.J.Hass,“DeterminingtheOptimalConfigurationfortheZoneRoutingProtocol,”IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,vol.17,no.8,Page(s):1395-1414,Aug.1999【7】Jui-MingChen,Li-DerChou.PerformanceImprovementforGPRS,WLANIntergrationusingAdHocNetworks。AdvancedInformationNetworkingandApplications,2004.AINA2004.18thInternationalConferenceonVolume2,2004Page(s):432-436Vol.2DigitalObjectIdentifier10.1109/AINA.2004.1283838