GPRS与WLAN网络的融合及其基于adhoc技术的性能改进

1、GPRS与WLAN网络的融合及其基于ad hoc技术的性能改进    文首先介绍了GPRS与WLAN融合的机制和两种不同的解决方案，讨论了两种解决方案的体系结构。然后重点介绍了加入ad hoc技术后对其性能的改进，提出了三种改进的策略。关键词：GPRS ，WLAN，网络融合，异种网络，ad hoc 1 概述随着无线技术的发展，人们可以通过多种方式随时随地的接入因特网，而且希望这种无线接入服务能够提供高数据速率、大的覆盖范围和低的价位。传统2G移动通信蜂窝网络能够提供高移动性、大覆盖范围，但是传输速率低，只有不到9.6kbps，能较好地区性提供传

2、统的话音业务，但很难提供无线数据服务。为此，3G移动通信系统将能够提供更高的300kbps到2Mbps的传输速率。但是由于3G的高投资等原因，使得很多运营商把目光投向了2.5G蜂窝数据技术如GPRS(General Packet Radio Service)。GPRS能提供大覆盖范围但是相对低速的数据服务(最高达171 kbit/s每用户)，但是它无法满足商务和多媒体应用对数据速率的要求，因此其应用潜力有限，不能够满足市场的需要。所以，人们开始考虑一种能够提供高数据速率的无线接入技术WLAN(wireless local area network),它可在较小的范围内提供高速数据服务(802.

3、11b可达11 Mbit/s，802.11a可达54 Mbit/s)，但是其接入点AP有限，主要应用于酒店等热点地区。因此将二者结合起来的异种网络可以较好地解决大覆盖范围和高数据速率的问题。在第二部分我们将具体介绍该融合方案有效地将二者融合起来。我们将 建立GPRS与WLAN 融合网络的两种耦合结构。通过对GPRS、WLAN两种技术的融合，可使用户随时随地接入Internet。但是，GPRS是个相对低速率的网络，WLAN数据速率较高，所以，当用户由WLAN服务切换到GPRS服务时，会感受到明显的服务质量的下降。在第三部分，将重点介绍一种方法，该方法通过使用ad hoc技术，延长异种网络用户使用

4、高服务质量网络的时间【7】。2     WLAN和GPRS网络的融合如前所述，异种网络能够较好结合WLAN和GPRS的优点，为用户在一个广大的范围内提供高速或低速的数据服务。2.1 融合的一般框架WLAN和蜂窝网络的融合有若干种方案，欧洲电信标准组织（ETSI）制定了两种网络互联的方法：松耦合，紧耦合。在松耦合下，WLAN是作为GPRS网络的一个补充，它只利用GPRS网络的用户数据库，而与GPRS的核心网络没有接口。二者的松耦合在Gi参考点进行。此时WLAN旁路GPRS网络，提供到外部信包数据网（PDN）的数据直接接入。而在紧耦合下，WLAN则直接连接到

5、GPRS的核心网，其类似于通用移动通信系统（UMTS）的无线接入网（UTRAN）或GPRS无线接入网（GPRSRAN）等其他的无线接入网。此时WLAN数据流在到达外部PDN之前先要经过GPRS核心网，其耦合点是Gb或Iu-ps参考点。下面分别介绍两种基于不同耦合体系结构的融合方案。             图一  GPRS、WLAN紧耦合系统结构【1】      首先介绍紧耦合体系结构。  

6、60;  图一是相应的紧耦合的系统体系结构。每个WLAN由一个或多个接入点（AP）组成，而这些AP由一个分布式系统（DS）连接。这里，DS是一个遵从IEEE802.3协议的局域网（LAN）。这里WLAN是工作在结构体系模式(infrastructure)下。每个单独的AP及其覆盖范围被称作一个基本服务集(BSS)，所有一个WLAN下的BSS组成一个扩展服务集（ESS），而WLAN就是由很多BSS组成的。      WLAN通过Gb接口连接到GPRS的核心网作为一种可选择的无线接入网（RAN）。对核心网而言，它并不鉴别接入的网络是采用W

7、LAN技术还是GPRS技术，和其他GPRS路由区域相比，WLAN看上去没什么区别。该系统中的关键部分是GIF(GPRS interworking function)，它的一端链接DS，另一端通过Gb接口连接服务GPRS支持节点(SGSN)，其主要功能是向GPRS核心网提供一个标准接口并隐藏WLAN的特点。此时WLAN重用了GPRS的所有协议，它为这些协议提供了无线传输。      当移动节点(MS)不在WLAN区域内时，WLAN接口进入被动搜索模式并在特定的频带搜索新标信号，搜索到后将检索到SSID(service set identifier

8、)并与预先设置的SSID信号进行比较。SSID信号提供WLAN的标识。当确认SSID有效时，MS将进行认证和连接，然后将激活WLAN接口，GRPS信令将从此接口传送。      MS是以无缝的方式同时支持GPRS、WLAN的双模终端。而无缝移动是通过GPRS的核心移动管理过程RA更新（RAU）来实现的，RAU是GPRS的核心管理过程【2】。从上述叙述可以看出，紧耦合体系结构为GPRS和WLAN提供了一种较紧凑的耦合方式。它重用了GPRS的部分规则和资源，节省了运营商的投资。但是，紧耦合很难支持第三方所拥有的WLAN。对于和WLAN相连接的SGS

9、N的性能和容量也有要求。而且，紧耦合对于不支持GPRS协议的WLAN终端是不支持的。这也是紧耦合的不足。2.3 松耦合体系结构            图二 GPRS、WLAN松耦合体系结构【1】 松耦合是GRPS和WLAN融合的另外一种方式，其耦合点是Gi界面。下面我们介绍该结构。如图二是松耦合体系结构图。由图可见，WLAN在运营商的IP网上与GPRS耦合。不同于紧耦合的是，WLAN的数据流不通过GPRS的核心网，而是直接进入运营商的IP网（和/或Internet）。在该体系

10、结构中，WLAN和GPRS都采用了基于SIM卡的身份认证，以接入运营商的服务。此体系结构也支持通过公共计费系统进行联合计费。WLAN可以是第三方拥有，通过特定的WLAN和运营商之间的连接、或通过已有的公用网，如Internet来支持漫游和移动。松耦合利用标准的因特网工程任务组协议(IETF)进行身份的认证、计费以及移动，因此不需要将蜂窝技术引入WLAN。只要通过漫游协议，漫游可以跨越所有类型的WLAN。松耦合对于包含大量的WLAN与蜂窝网运营商的情况是一个好的选择。它主要基于IETF协议，它对WLAN要求最少。但是，它要求运营商添加新的设备，如用于与WLAN融合的AAA服务器以及支持MIP(M

11、obile IP)的设备等等。3 基于ad hoc技术的融合网络的性能改进由前面的叙述可知，通过对GPRS、WLAN两种技术的融合，可使用户随时随地的接入Internet，用户在离开AP的覆盖范围时也可以切换到GPRS网络获得低速率的数据服务。但是，GPRS能提供的数据速率有限，是个相对低速率的网络，WLAN数据速率较高，所以，当用户由WLAN服务切换到GPRS服务时，会感受到明显的服务质量的下降。因此，延长异种网络用户使用高服务质量网络的时间可以很大程度上提高异种网络的服务质量。在这里，通过使用ad hoc技术来解决这一问题。在ad hoc网络中，移动节点为其他节点中继消息，该特性有助于扩大

12、AP的服务范围。采用这种方法延长移动终端在WLAN中的时间有以下几个好处：(1) 移动终端可以更长时间的拥有高的数据传输速率；在异种网络中，不同网络之间往往有着较大的带宽差异，例如，理论上，IEEE 802.11g网络的传输速率可以达到54Mbps,而GPRS网络只有171kbps;由于二者的带宽差异很大，因此，延长用户使用高质量网络的服务时间就显得很有意义;(2) 通过ad hoc的方法由其它节点中继连接到AP时无需更改IP地址，因而，也就无需寻找新的外地代理(FA)、注册新地址和更新映射；它减轻了HA以及FA的负担，并减少了通讯时的额外的信息开销；(3) 公共WLAN的计费要比GPRS便宜

13、地多。这对经常使用该项服务的用户来说也是很重要的一点。下面简述一下ad hoc网络的路由协议。3.1  ad hoc路由协议简介大部分的ad hoc路由协议可以分为平面模式（flat architecture）和分级模式(hierarchical architecture)。在平面模式中，网络中的每一个设备都是一个移动结点，可以和其他结点直接通信，也可以通过别的节点做中继的方式与某一节点通信。该模式比较简单，使用于较小规模的ad hoc网络。在分级模式中，所有的移动结点被分许多的群集，每个群集中将有一个移动终端被选作该群集的头节点。每个移动节点需首先通过该头结点，才能与其他节点建立联

14、系。该模式减少了控制信息开销，但是如果头结点不稳定，将破坏该协议。DSDV(Destination-Sequence Distance Vector)(见文献【3】)是一种平面模式的路由协议。DSDV把最少的跳数作为最短的路径。每个移动结点周期性的广播路由信息并更新自己的路由表。同时移动结点中有另外一个表用于存储路由表变化的部分。如果变化的内容很多，则所有的路由信息将用来生成一个完全转存（full dump）的更新报文，而如果路由信息变化很少，则生成一个递增更新（incremental update）的更新报文。这种机制可以减少信息的传输开销。在DSR（Dynamic Source Routi

15、ng）(见文献【4】)中，源结点会发送一个路由请求数据报（route request packet）去建立一个路径。该路径上的每个结点将把它的ID添加到该路由纪录中，并向邻结点广播该记录。当该数据报到达目的结点后，路径上的所有结点信息将被记录。可能将有不止一条路径，目标结点将选择一条最优的路径并回复一个路由回复数据报（route reply packet）.ZRP(Zone Routing Protocol)(见文献【5】【6】)是一个主要针对稳定性的路由协议。ZRP中的每个结点维护有一张固定的记录有跳数的路由表。当在路由表中无法找到目标结点时，结点将会发送一个路由请求数据报（route re

16、quest packet）给该表中边缘处的结点。该协议更适于扩大网络的规模。在ad hoc网络中，所有的中继节点都是移动的。一旦一个中继节点离开而无法中继，则要立即重新寻找路由，否则，连接将中断。随着路径长度的增长，路径断掉的可能性就会越来越大，可用的带宽也会明显的减少。因此，路径的长度将是衡量ad hoc路由好坏的一个重要的标志。3.2 所采用的融合策略      下面所介绍的异种网络由三种网络融合而成：WLAN、ad hoc WLAN、GPRS网络。在未采用ad hoc WLAN的异种网络中，WLAN是首选，如果无法接入WLAN，则切换至G

17、PRS网络。而在现在的异种网络中，如果无法直接接入AP，用户还有其他的选择，即可以通过ad hoc WLAN。然而，此时可能有不止一个中继节点可以提供到多个AP的中继。移动终端可以选择其中最好的中继节点，或者不使用ad hoc WLAN而使用GPRS网络。有以下三种策略来决定使用哪个中继和那种网络。(1)固定跳数(FHC)该策略规定ad hoc跳数不能多于n跳。移动终端首先寻找接入点(AP)，如果找不到，则移动终端试图寻找另一个终端，该终端到AP的路径的跳数少于n1跳；如果有多个这样的节点，则选择路径最短的节点；如果多个中继节点路径最短，选择与自己有相同IP地址范围的AP节点；如果没有AP与自

18、己有相同的IP范围，则随机选择一个；如果没有中继节点的路径跳数少于n1跳，则试图接入GPRS网络。(2)任何可用路径(AAR)在该策略中，如果没有更好服务质量的网络，移动节点将选择任何的拥有最短的ad hoc路径的节点作为中继节点。如果没有中继节点，将选择GPRS网络。(3) 带宽预估计(BPE)该策略中，在选择网络之前将对网络的状况进行估计。只有在ad hoc网络的服务质量高于GPRS网络时才会选择ad hoc网络进行数字传输。在以上建议的三种策略中，将依次搜索WLAN AP、ad hoc WLAN中继节点、GRPS网络。如果三种网络都不可用，连接将被拒绝。当一个用户离开GPRS蜂

19、窝的范围或WLAN AP的范围，将进行更为复杂的切换。下面分别讨论切换的各种情形：(1)从WLAN中切换将首先试图寻找另一个WLAN AP；如果找不到，则尝试选择ad hoc WLAN；如果ad hoc同样不可用，则连接GPRS网络；最后，如果GPRS也不行，则终止连接。(2)从ad hocWLAN中切换类似于(1)，将按照WLAN AP、ad hoc WLAN、GPRS网络的顺序进行网络的选择，如果所有的都无法连接，则终止连接。(3)从GPRS中切换首先寻找另一个GPRS基站；如果没有，则尝试接入WLAN AP；如果AP找不到，则尝试接入ad hoc WLAN；若ad hoc WLAN接入也

20、失败，则终止连接。4 结束语本文介绍了WLAN与GPRS融合的两种耦合方式，松耦合和紧耦合。两种网络耦合方式有各自的特点和使用情况，但无论选择那种方式，WLAN都将是蜂窝网络的一个重要补充。然而，由于WLAN与GPRS数据速率的差异以及WLAN AP覆盖范围和数目的有限，为了延长用户接入高数据速率的WLAN的时间和提高服务质量，引入了ad hoc WLAN，随后介绍了引入ad hoc网络后该异种网络选择中继、切换网络的三种策略以及网络切换的三种情形。WLAN和ad hoc技术在未来的无线数据网络和IP多媒体服务以及网络融合方面将扮演越来越重要的角色。  参考文献：【1】Sa

21、lkintzis A K. WLAN-GPRS Integration for Next-Generation Mobile Date Networks J. IEEE Wireless Communications, 2002,9(5):112124.【3】C. E. Perkins and P. Bhagwat, “Highly Dynamic Destination-Sequenced Distance-Vector Routing (DSDV) for Mobile Computers,” Proceedings of ACM SIGCOMM94 Conference on Communications