一种海洋互联网用户的移动性管理方法

戴 璐， 姜胜明， 许彬楠， 徐增辉

（上海海事大学信息工程学院，上海 201306）

0 引 言

海洋互联网的目的是为海洋用户提供经济、可靠的海洋互联网服务［1］。如今，卫星通信系统在海洋通信中占有极其重要的地位。具有延迟长和成本高的缺点［2］。跨太平洋的陆地电话通话每分钟成本为0.2元，在海洋中类似的电话通话成本可能会高出30多倍［3］。为解此窘境需建立如图1所示的混合网络结构，该结构主要由岸基网络（CLNs）、无线自组网（WANETs）、高空通信平台（HAPs）和卫星系统（SATs）构成［4］。图1显示了海洋互联网中船舶之间可以建立无线多跳网络［5］。船舶可以通过两种方式连接岸基网络基站，第一种为无线多跳网络中的船舶通过中继船舶间接连接到岸基网络基站；另一种是在低密度船舶的地方通过卫星连接岸基网络基站［6-8］。

图1 海洋互联网网络结构

海洋互联网的研究近年来取得了一定的成果，但由于船舶移动较快，会导致船舶的通信链路结构变化大易断开、船舶间频繁发生切换等。移动性管理源于蜂窝网络，是地面蜂窝移动通信系统比较成熟的技术之一［9］。在移动通信系统中，网络系统需要实时记录移动终端的位置，这样才能保证用户在移动过程中的通信得到维持。为使海洋互联网用户享受高质量的通信服务，对海洋互联网用户的移动性管理成为重中之重。

在海洋互联网中对用户进行移动性管理的技术难点：

(1)用户所连基站具有移动性。海洋互联网用户是与船舶基站相连接，船舶基站是移动的。用户主要通过所在船舶的船舶基站与岸基基站连接，移动性问题随着用户所在船舶与岸基之间中继船舶的移动变得复杂。

(2)船舶自组网结构变化大。由于船舶的高速移动，可能导致船舶在任何时间离开或者重新加入某个网络，导致网络结构变化频繁。

这些原因给海洋互联网中用户的移动性管理带来巨大挑战。海洋互联网中船舶进行网络通信主要包含两种主要场景：船舶与岸基基站（Ship-to-Base station，S-B）通信的网络场景和船舶与船舶之间（Ship-to-Ship，S-S）进行通信的场景。

由于S-S和S-B两种场景的不同，对船舶移动性管理技术也不同。在S-B场景中，船舶基站与岸基基站直接建立通信连接，与传统的通信场景类似，采用的移动性管理技术基于传统MIPv6；对于S-S场景，船舶需要连接中继船舶与岸基基站通信，中继船舶是动态变化的，在这种情况下使用传统的方法会导致位置更新开销过大，容易造成网络拥塞。本文采取的方法是当多个船舶处于无线传呼范围之内形成船舶自组网，每一艘船舶都可以作为路由器进行消息的转发保证消息经过多跳后仍能准确到达目的节点［10-12］，由于船舶的移动速度较大，为防止移动性管理过程中频繁切换导致网络的拥塞，本文采用基于群的移动性管理机制，并提出基于空间依赖度的群首选择算法。

1 移动性管理策略概述

移动性管理包含位置管理和切换管理［13］。位置管理包括两个阶段。

(1)位置注册。MT需要周期性位置注册、更新，使得本地网络实时掌握MT的网络位置。

(2)会话传递。在数据包到来时，查询目标MT的位置信息，将数据包发给该终端［14］。切换管理为了使MT移动到新的网络覆盖区仍能保持通信连接［15］。

在传统移动IP技术中，需要使用两个地址对用户进行位置的管理。一个是用户固定的本地地址；另一个是转交地址（Care of Address，CoA），标记用户移动到的网络位置。移动IP技术基于两种类型的位置数据库，主位置寄存器（HLR）和访客位置寄存器（VLR）。HLR是用户本地寄存器，用于存储更新注册用户的位置信息。VLR是访客用户寄存器，用于给到访用户终端分配CoA，并且将CoA转发给这个用户的HLR［16］。

2 海洋互联网中用户的移动性管理

海洋互联网用户终端的接入点是船舶基站，在网络中对用户的位置进行管理需要：①用户向船舶基站进行登记注册；②对用户所在的船舶进行移动性管理。

2.1 用户位置注册

当用户连接到船舶基站时，用户终端向该基站进行登记，并获得该基站分配的、与该基站网络地址相配的临时性网络地址，同时将该临时性地址及该船舶基站的网络地址报告给用户的HLR。

2.2 船舶的位置管理

就S-B场景的通信而言，海洋环境的特殊性，海岸线的岸基基站分布不密集，船舶从一个岸基基站切换到另一个岸基基站并不频繁，故采用的船舶移动性解决方法是基于MIPv6设计的；针对S-S通信来说，由于船舶移动速度较快导致船舶间切换频率较高，如果采用传统的位置管理，中继船舶的移动性会导致通信链路切换频繁，在网络中产生大量的位置更新信令［17］，容易导致网络拥塞，为减少位置管理开销提高网络性能，采用分群移动性管理策略，提出基于依赖度的群首选择算法，保证了群首与群成员间最好的连接性。

场景1S-B场景的移动性管理策略

位置管理的基本过程如图2所示。船舶从VLR0的位置区域移动到VLR1的新位置区域，会执行位置更新操作：

（1）船舶向VLR1发起注册请求消息，VLR1收到消息后分配给移动船舶与该网络相配的CoA；

（2）VLR1将该船舶注册的CoA发送给本地HLR，HLR更新记录；

（3）HLR向VLR0发送注销船舶注册消息。

图2 船舶位置更新流程

场景2S-S场景的移动性管理策略

在海洋互联网中，当船舶无法与岸基基站进行直接信令消息传输时，会与基站之间形成多跳网络［17］。但是需要对多跳网络进行结构管理，主要目标是提升链路和网络的稳定性，减少冗余链路导致的网络拥塞和丢包［18］。海洋互联网中船舶的移动速度较快，导致船舶间的切换较频繁，在网络中产生大量的位置更新信令，为减少位置管理的开销，采用分群的方法进行移动性管理。

分群的依据有很多，文献［19］中介绍将网络进行网格划分，每一个网格组成一个群组，网格与网格之间通过基础设施进行通信，海洋环境无法建设如此多通信设施，这种方法并不适用海洋互联网的场景［20］。本文采取的方法将那些相对移动差异较小的船舶归属为一个群组，保证群组内网络结构变化减小，通过对群首的位置管理实现对群内所有船舶进行统一的位置管理，为保证群首与群内其他成员之间良好的连通性与稳定性，最重要的是群首的选择。

选择群首的方法有很多，常用的方法有根据每个节点的邻居节点数量，数量最大的作为群首，但该方法没有考虑移动性的问题，可能会导致船舶刚入群就离群，群组的稳定性不高，仍会引起由于切换频繁导致的位置更新频繁；为使群更大概率的形成稳定链路，还有选择移动速率最慢的节点为群首，但该算法并不适用与海洋互联网中节点移动速率较高的场景，会导致与群首速率差较大的群成员很快脱离群组。针对海洋互联网独特的场景，本文采用基于空间依赖度的群首选择算法。

空间依赖度是描述两个节点移动特征的相似度。根据船舶间的速度方向夹角和速度差提出新的群首选择算法，目的是利用船舶间移动的相似性来提高节点间的连接性。根据每艘船舶航行的方向角θ与航行的速度v，可以计算出某一船舶与其所有一跳通信范围内的邻居船舶的空间依赖值的总和（Total Spatial Dependence，TSD）以及该船舶的群体关系值（Cluster Relation，CR），具体计算方法如下：

每个船舶将自己的航迹向θ与航行的速度封装在HELLO内，广播给一跳通信范围内的所有邻居船舶；每个船舶接收到HELLO包后，计算自己与邻居船舶的相对角度和相对速度。

例如，船舶i与j的相对角度定义为

船舶i与j的相对速度定义为

式中，vmax为船舶的最大速度。

因此，船舶i与j之间的空间依赖度（Spatial Dependence，SD）为

由此可得船舶i的TSD可以定义为船舶i一跳邻居节点SD的和：

通过TSD可以得到船舶i的CR为：

式中，n为某一船舶的一跳范围内的船舶个数。

求出船舶的CR值越高，表示该船舶群体关系越强，更能代表群组的移动特征。

分群的移动性管理方法具体步骤如下：

步骤1入群／建群

（1）当船舶想加入群组时，如果在一跳范围内存在群首，该船舶向群首发送请求加入消息，群首判断该船舶的群体关系值，如果大于门限值，则允许该船舶加入群组。

（2）如果在一跳范围内没有群首，执行建群操作，该船舶向所有邻居船舶发送请求，邻居船舶收到请求命令后会进行回复，每个船舶计算自己的群体关系值CR，将筛选出的船舶建立群后，需要选择群首，比较各船舶CR值，选择最大的为群首。

步骤2群组位置更新。当船舶进入群组后，群首会将自己IP发送给新入群船舶的HLR，该HLR修改船舶属性为群内，并将该船舶的位置信息指向群首，如图3所示。

图3 群成员位置更新

2.3 会话传递

当主叫终端呼叫某海洋互联网用户，呼叫信令先到达该用户HLR，HLR返回被叫用户临时网络号与所在船舶的船舶基站网络地址。主叫终端根据船舶IP向船舶的HLR发送位置查询请求命令，具体流程如图4所示。

图4 呼叫船舶流程

（1）主叫终端根据船舶B的网络地址向移动交换中心（MSC）发起呼叫请求。

（2）移动交换中心向船舶B的HLR发起查询船舶B的信令。

（3）HLR查询到船舶B属性为群内成员，位置信息指向群首，通过群首的HLR继续查询群首的位置信息；如果船舶B属于群外成员，HLR保存船舶B的临时网络地址，直接可以查询到船舶B的网络位置信息。

（4）如果船舶B为群内，向主叫终端返回群首的位置信息。

（5）根据返回的网络位置信息可以判断所属的岸基网络；实现从岸基网络到群首到船舶B到用户的通信路径。

3 实验分析与结果对比

3.1 仿真场景的建立

通过EXata仿真平台来验证海洋互联网用户移动性管理方法的可行性。在平台中建立海洋互联网场景，场景范围为80 km×80 km。为了生成真实的船舶运动模式，根据船讯网中的卫星地图来部署船舶分布，建立如图5所示的海洋互联网仿真场景，该场景由两个岸基网络、19艘船舶和路由器和文件服务器组成。场景内船舶移动速度随机分布，速率分布范围为12～28 kn；场景的仿真时间为900 s；应用类型为CBR；源节点向目的节点发送数据包的数量为100个。

图5 海洋互联网仿真场景

在图5的仿真场景中，根据船舶的移动相似性组成两组群。根据式（3）～（5）计算群组的CR值，比较得出群1中11号船舶的CR值最大，群组2中17号船舶CR值最大。群首11、17向陆地文件服务器4发送数据，船舶15按照传统的方法单独向服务器发送数据。

3.2 仿真数据分析

该场景下的仿真运行结果如下所述，从图6绿色箭头可以看出，群首11、17与各自的群成员完成通信过程，群首代替群成员向陆地文件服务器发送位置更新数据。船舶12、13与15由于CR值太小无法加入或建立群组，将根据路由协议选择合适的路径通过中继船舶与岸基基站进行连接。通过平均时延将分群算法与传统的移动性管理方法进行对比。

图6 仿真结果

由图7可知，基于群的移动性管理方法平均时延明显低于传统的移动性管理方法。因为基于群的移动性管理方法中进行位置更新的仅有群首，但传统的移动性管理方法每艘船舶都需要独立进行位置更新，这种方法可能会导致网络拥塞。

图7 平均时延

根据群组平均生存时间与节点平均切换次数，分别对最小速率（Min-velocity）、最大节点度（Maxdegree）与空间依赖度（CR）3种群首选择算法进行对比。

在EXata4.1平台上进行20次仿真实验，将得出的群组生存时间和各时间段发生切换的次数，取平均值得到3个算法的平均生存时间与平均切换次数。

图8反映了3个算法群平均生存时间。图9反映3个算法随着时间的变化，群内发生切换的变化趋势。基于CR的群首选择算法的群生存时间较久且切换次数变化较慢，因为该算法考虑了海洋互联网中船舶的移动特征，选择群组中与其余船舶移动相似度最高的为群首，因此被选择的船舶最能代表整个群的移动特征。

图8 平均生存时间

图9 平均切换次数

基于CR值选择的群首较为准确的代表整个群的移动特性，群组稳定效果最好。

4 结 语

本文以海洋互联网为研究背景，提出了适用于海洋互联网的分群移动性管理算法，该算法考虑了海洋场景的特殊性以及船舶的移动特征，根据群体关系值作为群首选择的依据。由于该算法结合了船舶的移动特性，群组网络的稳定性得到了提升，提高了群组的生存时间，并且与传统的移动性管理方法相比，分群算法能有效避免了由于船舶移动速率高导致的频繁切换、信令开销大与网络拥塞现象，提升了用户体验，让用户得到了高质量的通信服务。