基于移动IPv6的高速铁路通信快速切换方法

计算机工程与ComputerEngineeringandDesign201l，V01．32，No．2393 基于移动IPv6的高速铁路通信快速切换方法 马宏锋他， 党建武1， 周 越3 (1．兰州交通大学电子与信息工程学院，甘肃兰州730070；2．兰州工业高等专科学校电子信息工程系， 甘肃兰州730050；3．甘肃省计算中心，甘肃兰州730000) 摘要：针对高速铁路移动通信系统中越区频繁，切换速度快、丢包延时等问，根据高速铁路列车运行的自身特点，将移 动IPv6切换技术与高速铁路移动通信网络相结合，在快速切换的基础上进行改进，提出了一种基于预测的高速铁路移 动通信切换方法，为高速铁路安全高效运行提供了可靠优质的移动通信服务．实验结果表明，谈方法缩减了移动、转 交地址配王和重复地址检测的时间，提高了切换效率，解决了由于快速频繁切换而导致的网络资源利用率低和切换延迟大 的问题． 关键词：高速铁路；移动IPv6；移动切换；预测；协议 中图法分类号：TN929．5文献标识码：A 文章编号：1000．7024(2011)02．0393．04 Fast··handoffmethodinhigh·-speedrailwaymobilecommunicationsystem basedonmobileIPv6 MAHong-feng似，DANGJian-wul，ZHOUYue3 (I．SchoolofElectronicandInformationEngineering，LanzhouJiaotongUniversity．Lanzhou730070，China； 2．DepartmentofElectronicsandInformationEngineering，LanzhouPolytechnicalCollege，Lanzhou730050，China； 3．GansuComputingCenter,Lanzhou730000，China) Abstract：Basedontheproblemssuchasfrequentcross-disa'ict,fastswitching，packetlossandsooninthehigh-speedrailwaymobile communicationsystem．theprediction-basedhandoffmethodofmobilehigh·speedrailwayisproposed,whichisbased0nfastswitching andcombinedwithIPv6switchingtechnologyandrailwaymobilecommunicationnetwork．Accordingtothecharacteristicsofhiigtl- speedtrain。thismethodcarlprovideareliableandefficientmobilecommunicationservicestoensurethesafetyrailwayrunning．The experimentalanalysisshowsthatthemethodcanreducethetimeofmovementdetection,addressconfigurationandduplicateaddressde- tectionandimprovetheswitchingefficiency．Duetotherapidandfrequentswitching'itshouldalsosolvetheproblemsuchaslowutili· zationofnetworkreSOUreCSandswitchingdelay． Keywords：high-speedrailway；mobilelPv6；mobilehandoff；prediction；protocol O引 言 我国高速铁路具有地域广、速度快、频繁越区切换、地 理环境多变等特点，现有铁路移动通信系统在数据传输的 实时性、可靠性和带宽等方面已无法满足高速铁路列车的 通信要求Ⅲ。因此，迫切需要建立一个功能完善的移动通信 网。由于列车运行速度的提升和无线接入设备的不断增加， 带来信道资源不足、地址短缺、越区切换处理繁琐等问题“I， 铁路移动通信网TETRA(terrestrialtruckedradio，陆地集群无 线网)系统和GSM·R都无法提供很好的移动性“】。移动IPv6 技术的出现能够有效改善高速铁路移动通信网络的各种需 求“J，它综合运用了移动宽带无线网络技术与下一代互联网 络技术，为高速列车的安全高效运行提供可靠优质的通信服 务。使用移动lPv6协议可以在lP层融合各种不同的无线技 术．构成异构无线网络，为用户提供广泛的通信服务“I。本 文根据我国高速铁路运行特点，对现有移动IPv6协议进行 改进和优化。解决高速铁路移动通信系统存在的越区频繁、 切换速度快、丢包延时等问题，给出了适合高速铁路的移动 收稿日期：2010-09．08：修订日期：2010-11．08． 基金项目；高等学校博士学科点专项科研基金项目(20060732002)l甘肃省自然科学基金项目(096lUZA084)；甘肃省教育厅研究生导师科研计 划肇金项目(0814．-4)． 作者简介：马宏锋(1971一)。男．甘肃庆阳入．博士研究皂．副教授．研究方向为钾能信息处理和交通信息控制：党建武(1963一)，男，陕西 富平人．博士．教授，博士生导师．研究方向为智能信息处理和交通信息控制l 周越(1984一)，男．辽宁开原人，硕士，工程师，研究方向为 交通信息控制．E-nmihrahf418@tom．corn 万方数据 394 2011，V01．32，No．2 计算机工程与设计ComputerEngineeringandDesign IPv6快速切换方法，能够为高速铁路安全高效运行提供可靠 优质的服务。 1移动IPv6切换技术 移动IPv6的出现是移动计算一个重要罩程碑，其特性对 于未来移动无线网络的发展至关重要。移动tPv6的应用，满 足了移动互联网的应用需求，不仪扩大了IP地址空间，也让 移动设备更易于配置和管理。它的突出优点在于具有近乎 无限的地址空间、更高的安全性、地址自动配置、三角路由优 化、动态移动代理发现等全新特性M。在移动lPv6网络中， 当移动节点正在改变位置和地址时，移动IPv6机制会保持移 动节点与之前链路进行通信的所有链接．提高移动设备的移 动支持性”l。 移动IPv6组成包括移动节点、家乡代理和通信对端节点嗍。 移动节点是从一个链路移动到另一个链路的主机。家乡代理 是移动节点在本地网络上连接Internet的路由器，负责维护移 动节点当前的位置信息，并把发送给处在外部网络的移动节 点的分组通过隧道转发给移动节点。通信对端节点可以是固 定的，也可以是移动的，是与移动节点进行通信的对等实体。 移动IPv6的组成和结构如图l所示。 图I移动IPv6的组成结构 目前，移动IP性能提升的方法主要体现在位置管理和切 换管理两个方面例。位置管理是研究如何减少位置登记时对 网络造成的信令开销，以降低位置琶记和绑定延时。切换管 理是研究移动终端不断移动时如何维持当前连接的问题，尽 量减少延时且不影响当前通信。互联网工程攻坚组织提出两 方面的改进方案： (1)层次化移动IPv6(hierarchicalmobile11％6，HMIP、，6)。它 是一种网络层移动性管理技术，主要引入了移动锚点(mobility anchorpoint。MAP)，将整个网络分成若干个管理域，同时将移 动节点的切换过程分为宏观移动(域外)和微观移动(域内y⋯。 当移动节点进入MAP域后，得到区域转交地址RcoA和链路 转交地址LeoA。如果该切换过程是微观移动时，移动节点只 需向MAP进行本地注册，减少了注册时间，缩短了切换时延： 若该切换过程是宏观移动时，新的RCoA将向家乡代理和通 信对端节点进行注册。切换过程的影响将控制在子网范围内． 解决协议绑定更新消息的信令负荷和延迟问题。但是，HMIPv6 在进行地址配置时要进行两次重复地址检测操作．在高速铁 路环境下必然会影响切换效率。 (2)快速切换移动Iihl6(mobileIPv6withfasthandover， FMlPv6)。它通过链路层检测机制，在移动节点切换到新链路 之前，获得新链路信息，包括即将要接入AP和接入路由器的 子网前缀““。在发生切换之前，就完成了移动检测、转交地址 配置过程，缩减了切换时延，提高切换速度。同时新旧路由器 间隧道的建迂，降低了因为切换而产生的数据包的丢失率。但 是，FMIPv6需要移动节点准确的判断切换方向，才能预先产 生转交地址，如果出现错误判断将会造成错误切换。 2高速铁路的移动通信网络切换模型 高速铁路移动通信网具有如下特点：①对列车运行管理 与控制需要传送大量数据与控制指令，数据传输占很大比 重；②传输信息量大，信息种类多：⑧高可靠性、低误码率及 实时性；④行驶速度快，越区频繁““。但是，随着列车行驶速 度的逐步提高，列车在各个无线网络区域问繁的越区切换， 造成移动通信的延迟大、信道吞吐性能下降和信令开销过大 等问题，严蘑影响了无线阿络服务运行。移动lPv6切换协议 和两种扩展协议都存在着信令开销大、实时性不足等缺点。 因此，必须针对高速铁路列车的实际运行特点制定符合高速 铁路列车的移动IPv6切换方案，实现高效、安全、可靠、完善 的铁路移动通信。 在高速铁路移动通信网络的切换模型中，可以利用铁路 列车运行的两类重要信息“”。 (1)线路信息。由于铁路无线网络覆盖范围是沿铁轨覆盖 的，并且接入基站是固定有序的，可以根据列车的运行方向判 断当前无线接入的路由器信息，并提前预测到下一个无线接 入路由器的信息。 (2)时间信息。由于高速铁路列车运行是有时间规定的， 可以根据列车运行时间信息来判断列车移动位置，进入到哪 个无线网络覆盖区域。可以根据列车运行时间信息，并结合 线路信息来辅助基于预测的切换方案，实现合理的接入方案， 达到资源充分配置。 由于列车运行于既定轨道，而轨道通常呈线性，并且轨道 沿线的基站也是固定不变的，因此高速铁路列车的基站连接 方式可以简化为线性结构。高速铁路移动通信网络拓扑如图 2所示。 图2高速铁路移动通信网络拓扑 万方数据 马宏锋，党建武，周越：基于移动IPv6的高速铁路通信快速切换方法 201l，V01．32，No．2395 图2中MN代表高速列车，A．G代表列车运行区间，T代 表列车在每个区间的运行时间，1．9表示列车在固定轨道上途 经的无线网络接入点AP。如果能将线路信息和时间信息有 效的结合起来，可以为高速铁路列车提供很好的切换方案。使 列车在发生切换之前进行预测，准确地判断切换方向预先产 生子网前缀和转交地址，实现预切换处理，减少切换延时和数 据丢包率，提高无线信道的吞吐效率。 3基于预测的移动通信切换方案 3．1基本思想 高速铁路列车的运行轨迹是固定的，沿轨道分布的基站 也是确定的。另外列车的运行时间与运行位置也存在对应关 系，列车将在什么时间到达什么位置，进入哪个无线网络区域 也是确定的。因此，利用时间信息可以对整个切换过程进行 动态调整，增强系统的可靠性。根据以上铁路列车的运行特 性，并借鉴FMlPv6方案进行改进移动切换过程“‘J。 (1)由于高速铁路列车是顺序访问铁路沿线的接入基站， 在接入点中为列车(MN)建立路径信息表(如表l所示)，这些 信息都事先保存在接入点信息文件中，并设置定时器和路径 指针来指示下一个接入子网。 表l路径信息 接入点 f嘲J；1『缀 接入点覆盖范围 运jj时问 (ARI)APl前缀I Sl Tl AP2 前缀2 S2 1"2 ●●● ⋯ (AR2)AP4前缀4 84 1"4 AP5 前缀5 S5 1"5 ⋯ ●●● (2)当列车(MN)由起始站(即HA)开始向下一个接入点 API移动时，列车(MN)会接收到API的广播子网前缀信息，列 车(MN)会通过MlPv6地址自动配置功能获得自己新的转交地 址，并与家乡代理(HA)和通信对端(CN)进行注册绑定。 (3)当列车(MN)由接入点API向AP2切换时，当MN临近 小区边界时，由于信号功率低于预定的门限值，MN会自动执 行信道扫描。这时将触发定时器。定时器会将路径指针指向 预先保存好的路径信息表中的下一个接入点AP2，此时AP2 会在该小区内广播本小区的子网前缀。MN获得新的CoA并 完成注册绑定．建立新的传输路径。可以省去MAC层切换扫 描时间，大幅度减少移动枪测时问开销，从而达到减少切换延 时。提高切换性能的目的。 (4)引入一个列车动作标识符．由列车设置。当标识符为 0表示列车(MN)离开起始站。列车(MN)顺序读取路径信息表。 当标识符为l表示返州起始站，列车(MN)只需逆序读取路径 信息表。通过设置列车标识符解决列车往返时路由接入顺序 的不同。 3．2切换方案的实现 高速铁路列车具体路f}j接入如图2所示。API—AP7部在 ～个区域蜂窝内，列车轨道经过APl⋯AP5．也就意味着只有 APl⋯AP5为高速列车提供无线的接入服务。高速列车的上 行接入顺序为APl⋯AP5。为方便讨论，假设CN为数据的发 送端，MN是数据的接收端，列车按照上行接入顺序行驶。 列车运行发生切换有4种情况： (1)列车从始发站即家乡链路向外地链路行驶。当列车 (MN)从始发站即家乡链路向外地链路API行驶时，传输路径 为CN⋯ARl—APl⋯MN，如图3所示。 图3家乡链路向外地链路移动 (2)列车在同一路由下发生切换。当列车(MN)从外地链 路APl向外地链路AP2行驶时，传输路径为CN⋯ARl— APl—MN。 (3)列车在不同路由下发生切换。当列车(MN)从外地链 路AP3向AP4行驶时，传输路径为CN⋯AR2⋯AP4-～MN，如 图4所示。 图4外地链路之间切换 (4)列车返回始发站。当列车(MN)返同始发站时。向HA 进行注销，完成沿途所有切换。MN根据线路信息按事先定义 好的切换顺序自动地在各个外地链路之间进行切换。 这种基于预测的切换方案是根据高速铁路列车的线路固 定性、轨道沿线基站固定性、列车行驶时间与行驶位置存在对 应关系这些高速铁路特点，并在快速切换FMIPv6方案的基础 上进行改进的。由于移动节点切换到新链路前通过预先保存 的路径信息表指定下一接入路由，能够准确判断切换方向．提 前完成配簧子网前缀和新转交地址的过程。这种切换方法省 去了移动枪测、转交地址配置的时间，减少重复地址检测时 间，提高了切换效率。 万方数据 396 2011，V01．32，No．2 计算机工程与设计ComputerEngineeringandDesign 4仿真实验结果 仿真实验是在NS2环境中进行n蝴，模拟场景是高速列车 从旧接入路由向下一个接入路由移动切换的过程。在NS2中 创建路由协议类为： classRTEntryAgent{／／RTEntry类是路由表项类 public： RTEntry(nsaddrtid)：／／构造函数 voidrecv(Packer*p，Handler*)；／／接收上层协议送下来 的数据并处理 protected： ／ntoammand(intconstchar*const*)；／／命令处理函数 inlineintinitialized0{returnI&&target；}／／查询路径信 息表 voidrtyesolvdPacker*p)； viodforward(RTEntry‘rt,Packer*P,doubledelay)；／／转发 函数 maddrtindex；／／本节点的1PAddress RTabelrtable；／／路径信息表 private： u_int32_tmyseq；，，自己的序号，用于重复包检测 ) 仿真结果如图5所示，将基于预测的切换方案与FMIPv6 切换协议在切换延迟上进行比对““。可看出，快速切换机 制FMIPv6虽然采用了链路层检测技术，但是仍需要进行移动 检测来判断哪个是正确接入点，加上进行重复地址检测所需 要的时间，当发生切换时FMIPv6的延迟时间会有明显的增 加。而基于预测的切换方案由于路径信息表的使用，明显地 减少了移动检测时间和重复地址检测时间，整个切换过程的 延迟要小于快速切换机制FMIPv6的延迟时间，并且整个切换 过程平滑稳定。 董 三 {} 望 2 釜 Time／s —--FMlPv6；—-_--F-FMIPv6 图5切换延迟对比 5结束语 通过对移动IPv6切换协议和高速铁路移动网络拓扑结构 的分析，根据高速铁路列车运行的自身特点，将移动IPv6技术 与高速铁路移动通信网络相结合，在快速切换FMIPv6方案的 基础七进行改进，提出一种基于移动IPv6的高速铁路通信快 速切换方法。通过实验结果证明，该切换方法将移动节点切 换到新网络前根据预先保存的路径信息表指定了下一接入路 由，完成配置子网前缀和新转交地址的过程，省去移动枪测、 转交地址配置的时间，减少了重复地址检测时间，切实提高了 切换效率，解决了由于快速频繁切换而导致的网络资源利用 率低和切换延迟大的问题。 参考文献： 【l】 蒋新华，邹复民，林漳希．旅客列车Intcmet应用的现状及研究 进展【J1．铁道学报，2007，29(5)：30—33． 【2】 薄宜勇．铁路通信信号一体化技术的发展【J】．铁道运营技术， 2007，13(1)：24-25． 【31 李兵．GSM．R系统越区切换技术研究【D】．成都：西南交通大学， 2009． 【4】 李昂．旅客列车车载移动网络关键技术研究【D1．北京：北京交 通大学-2006． 【5】 罗立军．面向旅客列车Intemet应用的移动IPv6切换性能研 究fD】．{∈沙：中南大学，2007． 【6】 张华生．移动IPv6在3G通信网络中的应用【J】．通信技术， 2008。4l(7)：147·149． 【7】 高天寒．基于MAP框架的移动IPv6关键技术研究【D】．沈阳： 东北大学，2005． 【8】 王相林．IPv6核心技术【M】．北京：科学出版社，2009． 【9】 瞿玮．移动IPv6快速切换的性能分析与实现【D】．北京：北京交 通大学，2007． 【lO】胡斯捷．移动IPv6越区切换技术的研究【D】．汕头：汕头大学， 2005． 【ll】陈晓华．基于IPv6的移动子网路由原理及关键技术研究【D】． 北京：北京交通大学。2008． 【12】陈永，胡晓辉．基于GSM．R铁路无线通信系统的越区切换分 析研究【J】．计算机工程与设计．2009，30(18)：4342-4345． 【13】FazioM，VillariM，PIIlia劬A皿诎嚼龇咖I丘glⅡ：嘶m缸Adhoc network：Design,impmaenmionandn埒趟柚呛嗍豳【J】．Joumalof Compum-andTeleconmlmficafionsNctwofldn92006,50(7)：898-920． 【14】王婷．移动IPv6切换技术的研究与性能分析【D】．兰州：兰州交 通大学-2008． 【15】王铮．基于NS_2的移动IPv6的安全机制研究【D】．北京：北京 化工大学-2008． 【16】贾宗璞．移动IPV6切换优化技术研究【D】．吉林：吉林大学-2008． 万方数据 基于移动IPv6的高速铁路通信快速切换方法 作者： 马宏锋， 党建武， 周越， MA Hong-feng， DANG Jian-wu， ZHOU Yue 作者单位： 马宏锋,MA Hong-feng(兰州交通大学电子与信息工程学院,甘肃,兰州,730070;兰州工业高等 专科学校电子信息工程系,甘肃,兰州,730050)， 党建武,周越,DANG Jian-wu,ZHOU Yue(兰 州交通大学电子与信息工程学院,甘肃,兰州,730070) 刊名： 计算机工程与设计 英文刊名： COMPUTER ENGINEERING AND DESIGN 年，卷(期)： 2011,32(2) 参考文献(16条) 1.贾宗璞 移动IPV6切换优化技术研究 2008 2.王铮 基于NS_2的移动IPv6的安全机制研究 2008 3.王婷 移动IPv6切换技术的研究与性能分析 2008 4.Fazio M;Villari M;Puliafito A IP address autoconfiguration Ad hoc network:Design,implementation and measurements 2006(07) 5.陈永;胡晓辉 基于GSM-R铁路无线通信系统的越区切换分析研究[期刊论文]-计算机工程与设计 2009(18) 6.陈晓华 基于IPv6的移动子网路由原理及关键技术研究 2008 7.胡斯捷 移动IPv6越区切换技术的研究 2005 8.瞿玮 移动IPv6快速切换的性能分析与实现 2007 9.王相林 IPv6核心技术 2009 10.高天寒 基于MAP框架的移动IPv6关键技术研究 2005 11.张华生 移动IPv6在3G通信网络中的应用[期刊论文]-通信技术 2008(07) 12.罗立军 面向旅客列车Internet应用的移动IPv6切换性能研究 2007 13.李昂 旅客列车车载移动网络关键技术研究 2006 14.李兵 GSM-R系统越区切换技术研究 2009 15.薄宜勇 铁路通信信号一体化技术的发展[期刊论文]-铁道运营技术 2007(01) 16.蒋新华;邹复民;林漳希 旅客列车Interact应用的现状及研究进展 2007(05) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jsjgcysj201102004.aspx