《高级无线网络—4G技术》——1.3 混合4G无线网络协议

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《高级无线网络—4G技术》——1.3 混合4G无线网络协议

异步社区 2017-05-02 15:31:00 浏览1376
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本节书摘来自异步社区《高级无线网络—4G技术》一书中的第1章,第1.3节,作者: 【芬】Savo G. Glisic 更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看。

1.3 混合4G无线网络协议

如同附录A中所说明的一样,WLAN有两种基本的结构类型。

(1)基础结构式无线局域网—基站主导网络。它是一种单跳(或蜂窝)网,需要固定的基站与有线骨干网的相互连接。

(2)非基础结构式无线局域网—Ad hoc WLAN。不同于基站主导网络那样由基站(BS)来覆盖移动主机(MH),Ad hoc 网络没有常规的集中式管理和支撑服务以便主机接入网络。在Ad hoc中,MH彼此依靠来进行通信。

相比之下,基站主导网络更可靠,性能也更好。然而,Ad hoc网络拓扑结构由于成本低、即插即用、灵活、人与人之间交互需求最小,尤其是其电池消耗小,因而它变得越来越不可或缺。它非常适合在较近的距离内进行通信,例如,校园或建筑物内。

为了能够使它们的优势合并,4G的理念可能会是把BS加到Ad hoc网络中去。为了节省接入带宽、电池功率,并有更快的连接,在一块较小的区域内,MH可以使用Ad hoc无线网来互相通信。当MH移出传输范围,此时BS可以发挥作用,成为一个中继节点。以上所说的方案同时可以解决一些问题,例如基站故障或是Ad hoc网络下的损毁连接。MH可以以一种很灵活的方式彼此进行通信,而且可以实现移动的无缝切换。

如今人们提出很多技术或理论来支持基础结构式和非基础结构式WLAN,例如IEEE802. 11[14]、HIPERLAN[15]和Ad hoc WATM LAN[16]。在IEEE802.11和HIPER LAN标准化的过程中也证实了Ad hoc网络的实用性。IEEE802.11在MH中加强了Ad hoc的功能。HIPERLAN在MH中将两种基础结构结合。与802.11和HIPERLAN相反的是,Ad hoc WATM LAN的概念和基站主导系统的中央无线控制架构一样,但要保证在基站主导系统中设计的MH可以应用于Ad hoc网络。基站主导系统和Ad hoc网络都存在一些缺陷。在基站主导网络中,BS控制小区内的所有MH,并控制切换进程,它在WLAN中扮演一个非常重要的角色。如果基站无法工作,小区内所有MH的通信都将被破坏。在这种情况下,一部分MH仍然可以在没有BS的情况下彼此传送信息。因此,MH与MH之间直接传送信息,可以加强基站主导网络的可靠性和有效性。然而,以上所说的情况被限制在至多两跳以内,以至于这种新的升级并不会过多地增添协议的复杂度。

在Ad hoc 网络中,重新建立或是保持一个连接都是不太容易的。当连接建立之后,只要其中一个MH移出连接区域,该连接就会被破坏。所以,作为一种折中的方案,MH可以通过无线媒质互相通信,并且在信号传输的区域内没有任何来自基础设施网络组件的支持。然而当传输范围小于两个MH之间的距离时,MH可以切换到基站主导系统中。在Ad hoc和基站主导WLAN环境中,MH都将能够正常运行。

两种不同的方案—在基站主导概念中的单跳和双跳直接传输-将会得到人们的关注和研究。第一个方案简单,受到信号强度的控制。第二个方案将包含数据转发和路由表的执行。

1.3.1 控制信息和状态转移表
为了能将基站主导方案和直接传输方案结合在一起,我们定义了如下一些控制信息。

(1)ACK/ACCEPT/REJECT—用来表示承认/接受/拒绝连接或切换请求。

(2)CHANGE—MH用此命令通知发射机初始化切换进程。

(3)DIRECT—MH用此命令通知BS目前处于直接传输模式。

(4)SEARCH—用来寻找目的地,每一个收到这条信息的MH必须检查目的地址作为匹配。

(5)SETUP—用来建立一个新的连接。

(6)TEARDOWN—用来完成从基站主导切换到直接传输的转换,它将使BS释放信道和缓冲器。

(7)AGENT—MH所属的基站没有收到另一个作为传送代理的MH的信息。

(8)BELONG—代理MH用来接受另一个MH的WHOSE-BS-ALIVE请求。

(9)WHOSE-BS-ALIVE—MH所属的基站没有找到代理MH。

由于任意一个移动主机可能处于基站主导单跳直接传输模式,或基站主导双跳直接传输模式,所以了解模式转换的定时就显得很重要。

图1.8所示是状态转移图。其意义和定时解释如下。


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(1)接收机可以直接收到发射机的信号。

(2)接收机是发射机邻居的邻居。

(3)既不是(1),也不是(2)中所描述的情况。

(4)接收机无法再接收到发射机的信号;然而,发射机的邻居可以直接和接收机通信。

(5)接收机发现它可以直接收到发射机的信号。

(6)接收机无法再接收到发射机的信号,而且发射机的任何一个邻居也没法直接和接收机通信。

(7)接收机发现它可以直接收到发射机的 信号。

(8)发射机的任何邻居都不可以直接与接收机通信。

(9)发射机初始的用来中继的邻居停止工作。然而,发射机可以寻找到另一个邻居和接收机直接通信。

(10)从一个基站向另一个基站的切换。在 图1.8中,我们注意到以下两点:①移动主机开始通信时,它可以处在任何一种模式,这取决于接收移动主机的位置;②从基站主导模式到双跳直接传输模式的转换是不可能的,因为通信双方无法知晓第三个移动主机的存在以及其处于通信范围内。

1.3.2 直接传输
直接传输是两个移动主机直接通信,或者不经过基站,使用第三个移动主机作为中继的通信。这种情况要考虑当MH移动时的位置管理和切换进程。这些功能几乎和传统的切换和位置管理是一样的。然而,系统必须确定是应该使用单跳直接传输、双跳直接传输,还是基站主导传输模式。当发射机发出连接请求信息时,处于发射机信号覆盖区域的BS和MH都将收到这个信息。每个收到此信息的MH都会检查目的地的ID。如果目的地的ID与其匹配,传输就使用单跳直接传输方案(如果我们允许两跳直接传输,每一个接收移动主机必须要检查它的邻居的数据库来确定目的地是否就是该邻居本身)。否则,就用基站来做连接。当目的主机移出覆盖区域,BS就必须来接管。另一个方面,当MH移入覆盖区域,接收机可以不通过基站而采用单跳直接传输。

1.3.3 单跳直接传输协议
对于单跳直接传输模式,协议中每一种操作的细节描述如下。

1.3.3.1 单跳直接传输模式
(1)发射机广播SEARCH信号。信号覆盖区域中的每个节点(包括BS)接收到该信息,如图1.9所示。

(2)如果接收机在覆盖范围之内,它将接收到该信号并检测到目的主机就是它自己。它将发送ACK信号给发射机。

(3)同时,BS收到SEARCH信号。它找到MH,并发送SETUP信号到目的主机。对于直接传输,目的主机接收到SETUP信号,并发送DIRECT信号到BS。否则,它将传送ACCEPT信号到BS,通信为基站主导模式。

(4)发射机继续进行直接传输,直到MH移出覆盖区域。

1.3.3.2 基站主导模式
(1)发射机广播SEARCH信号。如果接收机在覆盖范围之外,它将不能收到该信号,如图1.10所示(有可能会使用双跳传输模式,这一点之后再予以解释)。


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(2)然而,发射机的BS 总会收到SEARCH信号。它会询问接收机的位置,发送SETUP信号到目的主机。

(3)当目的主机接收到SETUP信号,它发送ACCEPT信号到基站。

(4)通信采用基站主导模式,直到两个MH之间的距离足够近,或者接收机要切换到直接传输模式。

1.3.3.3 直接传输范围外的切换
在直接传输模式中,当目的主机检测到信号的强度低于一个可以接受的数值时,就执行切换。切换过程如下。

(1)目的主机发送CHANGE信号给发射机。

(2)当发射机接收到CHANGE请求后,它将再次发出SEARCH信号;然后将使用基站主导模式或是两跳直接传输模式,这两种模式后面将予以解释。

1.3.3.4 基站模式到单跳直接传输的切换
如果接收机检测到其处于一个发射机信号覆盖区域之内,而且信号足够强,它可以选择从基站主导模式向单跳直接传输模式的切换。如图1.11所示,具体过程描述如下。


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单跳传输模式的切换

(1)发射机发送SEARCH信号,建立单跳直接传输模式。

(2)发射机接收到接收机的ACCEPT信号之后,它将发送一个TEARDOWN信号到BS,然后沿着路径断开该连接。
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1.3.4 两跳直接传输模式的协议**
两跳直接传输模式比单跳传输模式覆盖的区域大。该模式允许两个移动主机通过第三个作为中继使用的移动主机进行通信。因此,每个移动主机必须有一个邻居数据库来记录它当前邻居。(一个移动主机的邻居就是另一个移动主机,它可以不通过基站直接连接到另外一个移动主机。)而且,我们必须解决在双跳直接传输中由于移动而使连接遭到破坏的问题,比如说,中继MH或目的主机移出覆盖范围。在单跳或两跳直接传输中,由于一些移动主机在它们所属的基站停止工作时仍然可以进行彼此之间的通信,因而使系统的稳定性得到了增强。尽管如此,我们还是把在直接传输中跳跃次数的上限定为2,原因如下。

(1)在三跳或三跳以上的直接传输中,路由选择会变的很复杂。在多跳直接通信中,需要交互大量的路由信息、时间戳、避免路由更新循环等,这将浪费系统带宽。

(2)Ad hoc的问题,比如路由和连接的保持,更容易处理。

(3)三跳直接传输中,不包括路由交换的空中链路数(至少为3)会比基站主导模式(总是2)要多。从长远来考虑,电池功率的消耗大于基站主导模式。

1.3.4.1 邻居数据库
在两跳直接传输模式中,每一个MH都有一个简易的数据库(见表1.1)来存储无线覆盖范围内的邻居MH的信息。每一个移动主机都必须周期性地向邻居MH广播自己的相关信息。例如,图1.12中MH1的邻居数据库写在表1.1中。在表中,BS-down字段表示邻居MH能否检测到一个邻近的基站。若其值为True,则表明移动主机无法连接到基站。


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1.3.4.2 两跳直接传输模式**
这种模式在发射机和目的主机都处于中继主机的覆盖区域时适用。发射机通过一个中继MH向目的主机传输数据。建立连接的过程如图1.13所示。

(1)如果MH在传输范围之内,它可以接收到发射机的信号。有两种情况:①当接收机发现目的主机就是它本身时,它发送ACCEPT信号给发射机,连接是单跳直接传输;②如果目的主机不是它本身,MH将检查邻居的数据库。如果目的主机在数据库中,它会转发SETUP信号与目的主机进行连接。目的主机接受建立连接后,它会向发射机发送ACCEPT信号。


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(2)如果目的主机接收到很多相同的SETUP信号,它只会接受第一个信号。多余的信号则会被丢弃掉。超时后其他的候选中继主机会放弃。

(3)同时,BS接收到SEARCH信号。它会询问MH并发送SETUP信号到目的主机。对于直接传输来说,目的主机接收到SETUP信号后发送DIRECT信号给BS。否则,目的主机将会接受来自基站的连接。

(4)整个通信过程将维持直接传输模式直到传输路径遭到损坏。

1.3.4.3 两跳直接传输模式到两跳直接传输模式、单跳直接传输模式,或基站主导模式的切换
当目的主机或中继节点发现信号的强度低于临界值时需要执行切换。系统试图寻找另一个直接传输路径。如果找不到的话,则由基站主导模式来接管。切换的程序如下。

(1)目的主机或中继节点发送CHANGE信息给发射机要求改变现有连接。

(2)当发射机接收到CHANGE请求后,它将通过发出SEARCH信号来重新初始化连接。之后的几步和初始化连接的建立完全相同。

1.3.4.4 如何解决基站停止工作的问题
以下方案对连接中基站停止工作的问题非常有效。在图1.14中,当MH3发现它的基站BS(BS2)停止工作后,它将执行以下几步直到基站重新工作(有关数据溢出参见图1.15)。


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(1)MH3广播WHOSE-BS-ALIVE信号给邻居。

(2)如果某一个MH,比如说MH2,收到信号而且它的基站也正常运转,它会记录下发射机的ID,并发送BELONG信息给发射机。

(3)MH3接收到BELONG信号并记录下MH2的ID,然后它发送AGENT信号给MH2。

(4)代理主机(MH2)接收到AGENT信号之后,它替代MH3来把自己的位置登记到BS(BS1)。

(5)MH2将把信息转发到MH3,或转发来自MH3的信息。当MH2或者MH3逐渐离开对方的覆盖区域时,MH3放弃当前的代理并重复(1)~(4)步来寻找另外一个代理。MH2则删除在BS1中MH3的记录。

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