32、无线通信网络技术研究：垂直切换与可靠组播协议分析-优快云博客

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无线通信网络技术研究：垂直切换与可靠组播协议分析

1. 垂直切换策略

1.1 切换步骤

垂直切换策略用于集成 WAN - GSM 网络，其步骤如下：
1. 检查用户位置 ：查看用户是否处于某个 WLAN 小区的覆盖范围内。
2. 信号强度比较与切换决策 ：若用户进入 WLAN 小区覆盖范围，将该 WLAN 小区接入点（AP）的接收信号强度（RSS）与 RSSth - edye 进行比较。若 RSS ≥ RSSth - edye，则根据 GSM - to - WLAN 模糊器的输出进行切换。模糊器输出值为 1 - 5 的低水平值时，表示算法鼓励呼叫切换到 WLAN 小区；否则，不进行切换，呼叫继续留在 GSM 小区。

1.2 性能评估

通过 Matlab 进行广泛模拟来评估垂直切换策略的性能，模拟的异构网络包含三个 WLAN 小区和一个 GSM 小区。相关参数及公式如下：
- 接收信号强度模型 ：
[RSS(d)[dBm] = Pt[dBm] - (PL(d_0) + 10n\log(d/d_0) + X_{\sigma})[dB]]
其中，$P_t$ 是发射功率，$PL(d_0)$ 是距离 $d_0$ 处的路径损耗（呈对数正态分布），$n$ 是路径损耗指数，$d_0$ 是近距离参考距离，$d$ 是发射 - 接收分离距离，$X_{\sigma}$ 是零均值高斯分布随机变量（表示阴影衰落，标准差 $\sigma$ 取值在 6 - 12.3 之间，取决于环境）。
- 呼叫生成与系统负载 ：WLAN 和 GSM 中的呼叫生成均遵循泊松过程，新语音和新数据呼叫的平均到达率分别为 $\lambda_{W - nv}$、$\lambda_{W - nd}$ 和 $\lambda_{G - nv}$、$\lambda_{G - nd}$。呼叫持续时间遵循指数分布，均值 $T = 180$ 秒。系统负载定义为：
[P = (\lambda_{W - nv} + \lambda_{W - nd} + \lambda_{G - nv} + \lambda_{G - nd}) \times T]
- 用户移动性 ：用户的平均移动间隔时间 $M$ 呈指数分布，移动性定义为：
[\alpha = (T - M) / M]

1.3 模拟参数

模拟参数详情见表 1：
|参数|详情|
| ---- | ---- |
|接收信号强度模型|$RSS(d)[dBm] = Pt[dBm] - (PL(d_0) + 10n\log(d/d_0) + X_{\sigma})[dB]$|
|呼叫生成|WLAN 和 GSM 遵循泊松过程，新语音和新数据呼叫有不同平均到达率|
|呼叫持续时间|指数分布，均值 $T = 180$ 秒|
|系统负载|$P = (\lambda_{W - nv} + \lambda_{W - nd} + \lambda_{G - nv} + \lambda_{G - nd}) \times T$|
|用户移动性|$\alpha = (T - M) / M$|

1.4 性能评估参数

无线网路的重要性能评估参数包括新呼叫阻塞概率（$P_n$）、切换掉话概率（$P_h$）、利用率和吞吐量。同时，切换方案的设计目标还包括最小化服务等级（GoS）成本函数，其定义为：
[GoS = P_n + k \times P_h]
其中，$k$ 是惩罚因子，通常建议取值为 5 - 20 倍，用于反映切换掉话对新呼叫阻塞的影响。

1.5 模拟结果

新呼叫阻塞概率 ：新呼叫阻塞概率 $P_n$ 随负载增加而上升，仅在高负载时，移动性增加对 $P_n$ 的影响才会显现，这是因为高移动性时分配的切换呼叫数量增多。
切换掉话概率 ：由于未对新呼叫和切换呼叫设置优先级，阻塞和掉话概率的趋势相近，但掉话概率对移动性变化更为敏感，因为高移动性时更多切换呼叫竞争资源。
服务等级 ：除高负载（50 - 60 Erlang）情况外，该算法在不同移动性值下的 GoS 几乎稳定，高负载时 $P_n$ 和 $P_h$ 值的增加导致 GoS 不稳定。
系统利用率 ：系统利用率随负载增加而提高，移动性变化对利用率无影响，表明该垂直切换方案对移动性具有稳定性。
系统吞吐量 ：负载小于 40 Erlang 时，系统吞吐量高且稳定；高负载时，吞吐量降至 0.8，这是由于 $P_n$ 和 $P_h$ 相应增加所致。

1.6 结论

提出的垂直切换方案基于模糊逻辑，能动态调整切换决策，考虑了用户偏好、网络条件、速度、RSS 和不同服务类型等关键因素。该方案在不同移动性值下性能稳定，能适应不同的移动性和负载场景。未来可研究为切换呼叫设置优先级的机制，对不同服务类型应用不同优先级，还可将该模糊切换方案应用于多个重叠网络的互通，并使用其他分布研究方案性能。

2. 可靠组播协议分析

2.1 引言

IP 组播是将相同数据包传输到多个接收者的方法，可减少带宽消耗。但由于反馈控制信息会导致流量拥塞，TCP 端到端控制机制不适用于 IP 组播，因此需要专门的传输层协议来解决端到端可靠性、拥塞、流量控制和可扩展性问题，这些协议被称为可靠组播协议。

2.2 可靠组播协议分类

现有可靠组播协议分为四类：
- NACK - only 协议 ：仅使用否定确认（NACK）请求数据包重传，无需网络基础设施协助。
- Tree - based ACK（TRACK）协议 ：使用肯定确认（ACK），为避免 ACK 爆炸，在树形结构中抑制 ACK。
- Router - assisted 协议 ：利用路由器限制否定确认和重传，使用 NACK 进行数据包恢复。
- Open Loop 协议 ：采用基于发送方的前向纠错（FEC）方法，无需接收方或网络反馈，以确保良好的吞吐量。

具体分类如下表所示：
|分类|协议示例|
| ---- | ---- |
|NACK - only 协议|SRM|
|Tree - based ACK（TRACK）协议|RMTP|
|Router - assisted 协议|PGM|
|Open Loop 协议|ALC、MDP 等|

2.3 相关协议介绍

Reliable Multicast Transport Protocol (RMTP) ：是一种基于树的一对多肯定确认协议，使用 IP 组播通过传输树将数据包发送给所有组成员，通过选择性重传丢失数据包保证可靠性。为避免 ACK 爆炸，将组播划分为多个本地区域，每个区域有指定接收者（DR）协助处理 ACK 和重传数据包。
Scalable Reliable Multicast (SRM) ：是基于 NACK 的可靠组播协议，适用于多对多应用。采用“分散式错误恢复”机制，检测到数据包丢失的节点向整个组播组发送 NACK，拥有该数据包的节点可进行修复重传。为防止重复重传，使用随机延迟（回退）和抑制机制。
Pragmatic General Multicast (PGM) ：是使用路由器协助的可靠组播传输协议，借助支持 PGM 的网络元素（NE）实现可扩展性。发送者通过 IP 组播将有序数据包（ODATA）沿分发树发送给接收者，接收者检测到数据包丢失时，向最近的 NE 发送包含丢失数据包序列号的 NACK，NE 逐跳转发 NACK 至发送者，并在每一跳进行确认。为避免 NACK 爆炸，采用 NACK 消除和抑制机制。

2.4 模拟研究

2.4.1 网络与应用模型

网络拓扑 ：使用拓扑生成工具 Tiers 创建网络，包含一个由 3 个 WAN 节点组成的广域网、4 个各含 2 个 MAN 节点的城域网，每个城域网有 5 个局域网，每个局域网有 5 个终端节点。共 131 个节点，其中 100 个为终端节点，组播组成员从这 100 个终端节点中随机选择。
链路带宽 ：WAN - WAN 链路带宽为 E3 载波（34368 kbps），WAN - MAN 和 MAN - MAN 链路带宽为 E2 载波（8448 kbps），MAN - LAN 链路带宽为 E1 载波（2048 kbps），LAN - LAN 链路带宽为 100 Mbps 以太网。
数据包丢失模拟 ：为模拟实际网络中路由器缓冲区溢出导致的数据包丢失，为每个链路分配用户定义的丢失率，模拟在小和大丢失率（分别代表轻和重背景流量）下重复进行。
模拟方式 ：采用一对多模拟方式，随机选择发送者向随机选择的组播组发送预定大小的文件。SRM 和 PGM 实验中，发送者连接恒定比特率（CBR）流量源，产生 100 kbps 的数据包流量；RMTP 发送者代理根据协议参数自行生成数据流量。

2.4.2 性能指标

为比较所选协议，定义了三个性能指标：
- 分布延迟 ：数据包从发送者传输到接收者所需的时间。
- 恢复延迟 ：检测到数据包丢失到恢复该数据包所需的时间。
- 请求开销 ：路由器或链路上的请求流量开销。

通过改变组播组大小和链路丢失率生成不同测试用例，对 SRM、PGM 和 RMTP 协议进行模拟评估。

2.5 总结

通过对垂直切换策略和可靠组播协议的研究，我们了解到在无线通信网络中，不同的技术方案针对不同的问题有着各自的优势和适用场景。垂直切换方案能有效提高集成网络的性能，适应不同的移动性和负载情况；可靠组播协议则为解决 IP 组播中的可靠性和可扩展性问题提供了多种选择。未来的研究可以进一步优化这些方案，以满足不断发展的无线通信需求。

3. 可靠组播协议性能对比分析

3.1 模拟环境与设置

在本次研究中，使用 Network Simulator - 2（NS - 2）对 SRM、PGM 和 RMTP 这三种可靠组播协议进行模拟。由于 NS - 2 版本 2.27 中没有 RMTP 的实现，因此首先开发了 RMTP 的 NS - 2 模拟代码并添加到该版本中。

模拟的网络拓扑结构如前文所述，组播组成员从 100 个终端节点中随机选取。为了全面评估协议性能，设置了不同的组播组大小和链路丢失率，以模拟不同的网络场景。

3.2 性能指标评估

3.2.1 分布延迟

分布延迟是指数据包从发送者传输到接收者所需的时间。不同协议在不同组播组大小和链路丢失率下的分布延迟表现如下：
|协议|小链路丢失率| |大链路丢失率| |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| |小组播组|大组播组|小组播组|大组播组|
|SRM|相对较低，延迟较稳定|随着组播组增大，延迟略有增加|延迟有所上升|延迟明显增加|
|PGM|延迟相对适中|组播组增大时，延迟增加幅度不大|延迟增加|延迟显著上升|
|RMTP|在小组播组时延迟较低|组播组增大，延迟增加明显|延迟大幅上升|延迟极高|

从上述表格可以看出，SRM 在小组播组和小链路丢失率的情况下，分布延迟表现最佳且较为稳定。随着组播组大小和链路丢失率的增加，各协议的分布延迟都有所上升，但 RMTP 在大组播组和大链路丢失率时延迟极高，这可能是由于其基于树的结构在复杂网络环境下的效率较低。

3.2.2 恢复延迟

恢复延迟是检测到数据包丢失到恢复该数据包所需的时间。以下是不同协议的恢复延迟情况：
|协议|小链路丢失率| |大链路丢失率| |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| |小组播组|大组播组|小组播组|大组播组|
|SRM|恢复较快，延迟较短|组播组增大，恢复延迟略有增加|恢复延迟有所上升|恢复延迟明显变长|
|PGM|恢复延迟适中|组播组变化对恢复延迟影响较小|恢复延迟增加|恢复延迟显著上升|
|RMTP|在小组播组时恢复延迟较低|组播组增大，恢复延迟增加明显|恢复延迟大幅上升|恢复延迟极高|

SRM 在恢复延迟方面表现较好，尤其是在小组播组和小链路丢失率的情况下。PGM 的恢复延迟相对适中，且受组播组大小的影响较小。而 RMTP 在复杂网络条件下的恢复延迟同样较高，这可能是因为其依赖于指定接收者进行重传，在网络状况不佳时效率受到影响。

3.2.3 请求开销

请求开销是指路由器或链路上的请求流量开销。不同协议的请求开销表现如下：
|协议|小链路丢失率| |大链路丢失率| |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| |小组播组|大组播组|小组播组|大组播组|
|SRM|请求开销较低|组播组增大，请求开销有所增加|请求开销上升|请求开销明显增加|
|PGM|请求开销适中|组播组变化对请求开销影响不大|请求开销增加|请求开销显著上升|
|RMTP|在小组播组时请求开销较低|组播组增大，请求开销增加明显|请求开销大幅上升|请求开销极高|

SRM 的请求开销在大多数情况下较低，这得益于其分散式的错误恢复机制，能够减少不必要的请求流量。PGM 的请求开销相对适中，而 RMTP 在大组播组和大链路丢失率时请求开销极高，这可能是由于其树形结构和指定接收者机制导致的额外请求流量。

3.3 综合性能分析

通过对分布延迟、恢复延迟和请求开销这三个性能指标的分析，可以得到以下综合结论：
- SRM ：具有较低的分布延迟、恢复延迟和请求开销，尤其在小组播组和小链路丢失率的情况下表现出色。适用于对延迟敏感、组播组规模较小且网络状况较好的场景。
- PGM ：各项性能指标相对适中，受组播组大小的影响较小。在网络状况较为复杂的情况下，能够保持相对稳定的性能，适用于对可靠性和稳定性要求较高的场景。
- RMTP ：在小组播组和小链路丢失率时性能尚可，但随着组播组大小和链路丢失率的增加，各项性能指标急剧恶化。其基于树的结构在复杂网络环境下的效率较低，不太适合大规模组播和高丢失率的网络场景。

以下是三种协议性能的简单对比流程图：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([开始]):::startend --> B{选择协议}:::decision
    B -->|SRM| C(低分布延迟):::process
    B -->|PGM| D(适中性能):::process
    B -->|RMTP| E(小组播组性能尚可):::process
    C --> F(低恢复延迟):::process
    C --> G(低请求开销):::process
    D --> H(性能稳定):::process
    E --> I(大组播组性能差):::process
    F --> J([结束]):::startend
    G --> J
    H --> J
    I --> J

4. 总结与展望

4.1 研究成果总结

本次研究对无线通信网络中的垂直切换策略和可靠组播协议进行了深入探讨。垂直切换策略基于模糊逻辑，能够根据用户位置、信号强度等因素动态调整切换决策，在不同移动性和负载场景下表现稳定，有效提高了集成 WAN - GSM 网络的性能。

在可靠组播协议方面，对 SRM、PGM 和 RMTP 三种协议进行了详细分析和模拟评估。通过对比分布延迟、恢复延迟和请求开销等性能指标，明确了各协议的优势和适用场景。SRM 在小组播组和小链路丢失率时性能最佳，PGM 性能相对稳定，而 RMTP 在复杂网络环境下表现不佳。

4.2 未来研究方向

垂直切换策略优化 ：可以进一步研究为切换呼叫设置优先级的机制，针对不同服务类型应用不同优先级，以提高切换成功率和服务质量。同时，将该模糊切换方案应用于多个重叠网络的互通，拓展其应用范围。
可靠组播协议改进 ：对现有可靠组播协议进行改进，结合不同协议的优势，设计出更高效、更可靠的组播协议。例如，可以将 SRM 的分散式错误恢复机制和 PGM 的路由器协助机制相结合，提高协议在复杂网络环境下的性能。
多因素综合研究 ：考虑更多因素对无线通信网络性能的影响，如网络带宽、节点移动性、业务类型等。通过综合分析这些因素，优化垂直切换策略和可靠组播协议，以满足不断发展的无线通信需求。

通过不断的研究和优化，有望进一步提高无线通信网络的性能和可靠性，为用户提供更加优质的通信服务。