高速铁路移动通信网移动IPv6应用研究

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2024年5月16日发(作者：)

高速铁路移动通信网移动IPv6应用研究

马宏锋;周越;党建武

【摘 要】针对高速铁路的运行特点,提出一种基于预测的高速铁路移动通信切换方

法,引入列车路径信息表,移动节点切换到新链路前预先指定下一接入路由,准确判断

切换方向,提前完成配置子网前缀和新转交地址过程.通过NS2仿真实验证明,该方

法提高了切换效率,解决了网络资源利用率低和切换延迟大的问题.%Based on

problems in the high-speed railway mobile communication system, the

prediction-based handoff method of mobile high-speed railway has been

ing to the table for train path, mobile nodes designate

the next access routing in advance before switching, judgment for

switching directions is accurate, and configuration of subnet prefix, care-of

address can be accomplished switching efficiency will increase

and problems such as low utilization of network resources and switching

delay can be resolved via NS2 simulation experiments.

【期刊名称】《计算机工程与应用》

【年(卷),期】2011(047)031

【总页数】4页(P79-81,184)

【关键词】高速铁路;移动通信网;移动IPv6;快速切换;预测

【作 者】马宏锋;周越;党建武

【作者单位】兰州工业高等专科学校电子信息工程系,兰州730050;兰州交通大学

电子与信息工程学院,兰州730070;甘肃省计算中心,兰州730000;兰州交通大学电

子与信息工程学院,兰州730070

【正文语种】中 文

【中图分类】TN929.5

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[1]，列

车运行速度提升和无线接入设备增加会产生信道资源不足、地址短缺、越区切换处

理繁琐等问题[2]，目前铁路移动通信网TETRA（Terrestrial Trucked Radio，陆

地集群无线网）系统[3]和GSM-R无法提供很好的移动性[4]。移动IPv6是移动计

算一个重要里程碑，它能够有效改善高速铁路移动通信网络的各种需求[5]，综合

运用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[5]。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，给出适合移动IPv6切换方法，解决了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。

1 移动IPv6技术

移动IPv6满足了迅速发展的移动互联网的应用需求，不仅扩大了IP地址空间，也

让移动设备更易于配置和管理[6]。在移动IPv6网络中，当移动节点正在改变它的

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连接，

提高移动设备的移动支持性[7]。移动IPv6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[8]、动态移动代理发现等全新

特性。

目前，移动IP性能提升的方法主要体现在两个方面[9]：位置管理和切换管理。位

置管理主要研究如何减少位置登记时对网络造成的信令开销，以降低位置登记和绑

定延时。切换管理主要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。造成移动IPv6切换延迟的原因主要有链路层切换延迟、

移动检测延迟、重复地址检测延迟、注册延迟，如图1所示。其中在重复地址检

测过程中，为了避免重复地址检测失败设置了地址自动配置方案，这是造成重复地

址检测过程延迟时间长的主要原因。

图1 移动IPv6切换流程图

目前有两方面的改进方案：（1）层次化移动IPv6（Hierarchical Mobile IPv6，

HMIPv6），HMIPv6在进行地址配置时要进行两次重复地址检测操作，需要对铁

路沿线进行移动锚点的重新部署，增加了路由器负荷和开销，不符合我国高速铁路

地域广、地理环境多变等特点。（2）快速切换移动IPv6（Mobile IPv6 with

Fast Handover，FMIPv6）。FMIPv6需要移动节点准确地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的切换[10]。三种切换机制的优

缺点如表1所示。

表1 三种切换机制的比较标准移动IPv6切换延迟丢包率信令负载复杂度差差差很

好层次化管理HMIPv6一般一般很好一般快速切换FMIPv6很好较好差一般

2 高速铁路移动通信网络的拓扑结构

随着我国铁路事业的发展，客运专线和高速铁路技术迅猛发展，铁路移动通信网具

有如下特点[11]：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；传输信息量大，信息种类多；高可靠性、低误码率及实时性；行驶速

度快，越区频繁。随着列车行驶速度的逐步提高，列车在各个无线网络区域频繁越

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，严重

影响无线网络服务运行。因此，必须针对高速铁路特点制定特定的移动IPv6切换

方案，实现高效、安全、可靠、完善的移动通信服务。

铁路移动通信网络可以利用两类重要信息[12]。一是线路信息，铁路无线网络覆盖

范围沿铁轨覆盖，接入基站固定有序。二是时间信息，可以根据列车运行时间信息

来判断列车移动到哪个位置，进入到哪个无线网络覆盖区域。高速铁路移动通信网

络拓扑如图2所示，其中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。

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，达到资源的充分配置。

图2 高速铁路移动通信网络拓扑结构

3 高速铁路移动通信的快速切换方案

3.1 切换算法

高速列车运行轨迹是固定的，沿轨道布置的基站也是确定的。另外列车的运行时间

与运行位置也存在对应关系，列车将要什么时间到达什么位置进入哪个无线网络区

域这也是确定的。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。

（1）高速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（见表2），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2 路径信息表接入点（AR1）AP1 AP2…（AR2）AP4 AP5…子网前缀前缀1前

缀2…前缀4前缀5…接入点覆盖范围S1 S2…S4 S5…运行时间T1 T2…T4 T5…

（2）假设列车（MN）的起始站是MN的家乡链路（HA），当列车（MN）由起

始站（HA）开始向下一个接入点AP1移动时，列车（MN）会接收到AP1的广

播子网前缀信息，列车（MN）会通过MIPv6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AP1向AP2切换时，当MN临近小区边界时，

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。这样可以省

去MAC层切换中的扫描时间，大幅度减少移动检测时间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1表示返回起始站，列

车（MN）只需逆序读取路径信息表。这样通过设置列车标识符解决了列车往返时

路由接入顺序的不同。

3.2 切换算法的实现

图2中AP1～AP7都在一个区域蜂窝内，列车轨道经过AP1～AP5，也就意味着

只有AP1～AP5为高速铁路列车提供无线的接入服务。高速铁路列车的上行接入

顺序为AP1～AP5。为了方便讨论，假设CN为数据的发送端，MN是数据的接

受者，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AP1行驶时，传输路径为CN～

AR1～AP1～MN。（2）列车在同一路由下发生切换。当列车（MN）从外地链

路AP1向外地链路AP2行驶时，传输路径为CN～AR1～AP1～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。（4）列车驶回始发站。当列车（MN）驶回始发站

时，向HA进行注销，完成沿途所有切换。期间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。

这种切换算法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列车特点，并在快速切换FMIPv6方

案的基础上进行改进，其切换算法流程如图3所示。

图3 切换算法流程图

基于预测的切换方案中引入了列车路径信息表，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了下一接入路由，准确判断了切换方向，提前完成了配

置子网前缀和新转交地址的过程。省去了移动检测、转交地址配置的时间，减少了

重复地址检测时间，提高了切换效率。

4 仿真实验

仿真实验是在Linux RedHat9.0操作系统环境下，基于NS网络仿真软件最新版

本ns-allinone-2.33来构建相应的模拟环境。另外还要在NS仿真模拟器下添加

移动无线网络仿真扩展模块ns-2 wireless extension（NOAH）和移动IPv6扩展

协议补丁f-hmipv6 patch两个软件包。

模拟的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。仿真过程

采用有线链路和无线链路组合的方式。基于预测的切换方案仿真拓扑如图4所示。

设置节点HA、CN、MAP和中转节点N1之间为双向有线链路带宽为100 Mb/s，

节点MAP、PAR、NAR之间为双向有线链路带宽为10 Mb/s，设置节点AR到

AP之间为双向无线链路带宽为1 000 Kb/s。仿真结果如图5和图6所示。

图4 仿真网络拓扑图

图5 切换延迟对比图

图6 切换丢包率对比图

将基于预测的切换方案与FMIPv6切换协议在切换延迟和丢包率这两个重要性能

指标上进行比对分析，从图中可以看出快速切换机制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并且存在

较长时间的丢包现象，在切换完成之后还会出现频繁的短时间内丢包。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，并且整体丢

包率要明显优于快速切换机制FMIPv6，整个切换过程平滑稳定。

5 结论

在铁路移动通信网中，移动IPv6呈现出广阔的应用前景，为建设新一代的铁路移

动通信网提供一个较好的解决方案，以满足未来高速铁路对信息传输的实时性和可

靠性的要求。本文通过对移动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方案的基础上进行改进，提出基于预测的高速铁路移

动切换方法。通过仿真实验证明，由于移动节点切换到新网络前通过预先保存的路

径信息表指定了下一接入路由，完成了配置子网前缀和新转交的地址的过程，省去

了移动检测、转交地址配置的时间，减少了重复地址检测时间，从而改进了切换效

率，减少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。但

是铁路移动通信系统是一个复杂的通信系统，NS2网络仿真模拟器也是在理想网

络状态，如何做到快速无缝切换仍是继续要深入研究的问题。

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本文标签： 移动切换列车信息地址