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Procedia 计算机科学40 ( 2014 ) 26 – 36
在移动和无线网络选择主题2014年的国际会
基于客户端和流量优化的移动设备的Android异构毫微微蜂窝/ Wi-Fi网络跨层*
Norbert Vargaa, Laacute;szloacute; Bokora*, Stephane Bourozb, Benoit Lecroartb, Andraacute;s Takaacute;csc
技术与经济，网络系统和服务部（HIT），多媒体网络的布达佩斯大学服务实验室（MediaNets），匈牙利Tudoacute;sokKRT。 2，H-1117，匈牙利布达佩斯b NEC技术（英国），IMMEUBLE乐国会大厦55香榭丽舍大街pierreux，92000南泰尔，法国科学，计算机 C 匈牙利科学院自动化研究所，肯德ū。 13-17，H-1111，布达佩斯，匈牙利
摘要
用户可以从移动和无线设备访问Internet资源的数量一直在不断增加，因为i-mode的，在1999年的处理和支持移动数据流量的急剧增长，推出了首个移动互联网服务创造网络运营商的严峻挑战。 由于WLAN网络的传播，多接入设备的普及，卸载从3G到的Wi-Fi似乎是朝着解决一个可喜的一步。 为了解决3G / 4G环境下的带宽限制和覆盖问题，毫微微蜂窝基站成为关键球员。 这些事实促使毫微微蜂窝/无线网络连接卸载方案的设计和开发。 旨在支持先进的卸载在异构网络中，本文提出了一种基于客户端的，跨层优化的流移动性的毫微微蜂窝基站中/ Wi-Fi接入环境Android设备架构。 本文介绍了上述机制的设计，执行和评估的细节。
copy;2014年的作者。 发布时间由Elsevier BVcopy;2014年的作者。 发布时间由Elsevier BV这是CC在开放获取文章BY-NC-ND许可证下第四次国际会议的组委会负责选择和/或同行评审选择 （http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。
在移动和无线网络主题（MoWNet2014） 下所选主题中的第四次国际会议的组委会的责任 。 同行评审移动和无线网络（MoWNet2014）
关键词：毫微微蜂窝/无线网络连接卸载，机器人，移动IPv6，流绑定，决策引擎，异构网络，评价
通讯作者。 电话： 36-1-463-2048; 传真： 36-1-463-3263 E-mail地址：bokorl@hit.bme.hu
1877-0509copy;2014年的作者。 发布时间由Elsevier BV这是CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）下的开放获取文章 。
同行审查下的移动和无线网络（MoWNet2014）DOI所选主题举办第四次国际会议的委员的责任：10.1016 / j.procs.2014.10.028
1. 介绍
最近的移动用户访问无线和移动互联网服务的数量一直引人注目日益增加。 整体移动数据流量预计到2013年和2018年间增长近11倍[1]。 网络运营商必须适应这种流量爆炸。 传统的机制，扩大网络的容量需要高成本，大规模的修改; 然而，网络运营商的目标是与低成本投资可用的网络资源的使用的优化。 由于WLAN网络的传播和多址增殖（3G / 4G和Wi-Fi）的移动设备网络运营商能够设计出基于数据卸载从3G / 4G到Wi-Fi具有成本效益的资源管理策略。 如果裁决对用户流量级别进行的基础上，服务质量（QoS）和/或体验质量（QoE）的质量的手段的应用需求，这些策略可能更为有效[2]。 然而，不同的无线接入技术之间正在进行的会话的动态迁移需要特殊的移动性管理方案。 这些机制可分为两大类，即networkbased和基于客户端的方法[3]。 基于客户端的方法，让他们完全保持根据在终端侧提供的上下文信息切换决定和执行的每一个方面提供给用户更高层次的自由度。 与此相反，在基于网络的移动性管理的情况下，整体控制落入经营者的手中：通过在用户侧减小自由选择，网络和流量管理可以从一个完全与操作点来增强。 这项工作考虑了clientbased解决方案。
网络效率可进一步提高通过减少在使用毫微微蜂窝3G宏网络段中的移动数据流量。 毫微微蜂窝基站能够扩大小区覆盖和扩展无线资源。 集成的毫微微蜂窝/ Wi-Fi网络被越来越广泛，毫微微蜂窝/无线网络连接卸载方案也将进入画面。 毫微微蜂窝/无线网络连接卸载能够从小区用无 线接口，Wi-Fi接口以及与此计划的网络运营商移动数据业务能够缓解网络的负载，同时还提供更高的数据传输速率为最终用户[4]。 异构和重叠的无线接入网络需求的增长，以设计和实施上述算法，能够充分利用现有的网络资源。 这些事实促使我们设计和开发了广泛的，clientbased，流量感知，跨层优化的移动性管理方案，以Android智能手机，并在毫微微蜂窝/ Wi-Fi的测试平台环境评估我们建议的机制。
纸其余安排如下。 在第二节，我们提出关于在毫微微蜂窝基站环境而优化的流移动性的跨层的现有解决方案的相关工作。 第3节介绍的细节我们基于客户端的，crosslayer优化卸载方案。 另外，毫微微蜂窝基站的整体测试平台设置所示。 第4节介绍我们的测量方案和绩效评价结果。 在第5节我们总结的文件，并说明我们今后的工作。
2. 背景及相关工作
手机上网流量因多接入的智能手机设备，大量数据的移动娱乐服务，如视频，音乐，游戏和新的应用类型，如社交媒体的普及率大幅增长，M2M（机器对机器）和C -其（协同智能交通系统）[5]。 这一事实迫使标准化机构来设计和开发的无线标准，即3G UMTS，LTE，LTE-A，WiMAX等的802.11n / AC /广告WLANS等上述结构的互补特性促使网络运营商他们在一个整合补充和重叠的方式。 3GPP（第三代合作伙伴计划）的接入网络和WLAN网络之间的数据流量卸载已被确认为一个钥匙机构利用可用的网络资源中的有效方法。 的作者[6]推出3G /无线网络无缝卸载的基本概念和应用层基于交换方案。 在[7]的结构和基于以太网的卸载技术和测试平台环境的协议栈呈现。 还他们的系统的测量结果都在这里引入。 本地IP访问（LIPA）和选定的IP流量卸载（SIPTO）解决方案还可以在网络运营商在实现成本效率卸载技术发挥着重要作用[8]。 在[9]中讨论的两个上述技术，但本文仅介绍的理论结果和不包含实际的实现和测量。 同样地，多用户接入的PDN连接（MAPCON）[10]提供了一种解决方案，它允许移动终端建立到不同的接入网络（3GPP和也非3GPP接入被支持）多个PDN连接。
数据卸载3G / 4G和Wi-Fi之间的机制上面提出建议的文章。 为扩大毫微微蜂窝的变成一个有前途的解决方案，传统的蜂窝移动网络的无线资源。 毫微微小区主题在一些研究已经出版。 绝大多数这些文章的讨论毫微微蜂窝基站的架构和切换的毫微微和宏小区之间的具体机制（例如，[11]，[12]）。Jaehoon卢武铉等人。 [13]提出多个飞蜂窝流量卸载方案，并分析该方案的性能。 然而，我们的这项工作中范围更加接近现有毫微微蜂窝/无线网络连接卸载方案和流程感知决策算法。 [14]被创建在的Rel-10中的IP流移动性和无缝无线局域网卸载（IFOM）标准，以确保细粒度和无缝卸载策略。 IFOM已被设计来定义不同的IP流属于相同PDN连接，并注册到不同的网络接口。 IFOM的好处是可以有效地被利用只有当用户设备（UE）能够经由3GPP接入和WLAN同时进行通信。 这个解决方案是基于要么双栈移动IPv6作为根据3GPP的Rel-8（DSMIPv6）[15]，从而在它们的运动过程中为移动用户的IP地址的保存和会话连续性在UE移动期间保证。 还代理移动IPv6（PMIPv6的）可用于IFOM目的[16]，但它尚未标准化。 进一步优化可以通过使用智能决策引擎，其能够对应用流分配给适当的接口来实现。 在的Rel-8的接入网络发现和选择功能（ANDSF）协助给UE以发现无线接入网络，并提供了路由策略，规则和发现信息以促进在UE的相应网络选择（[17]，[18]） 。
上面介绍的所有机制旨在由网络运营商来管理切换。 相反，我们设计并实现了基于MIP6D-NG [19]，这是一个基于客户端的，多接入移动IPv6与执行各种扩展和先进的跨层通信API基于客户端的移动性管理方案。 无论是网络发现机制和流量流动性的算法是由我们有MIP6D-NG高度定制的Android智能手机集成处理; 的网络运营商的选择和决策过程没有影响。 第一个公开发布流程绑定实现由[20]的作者设计的Linux发行版，但其实施仅支持NEMO [21]的环境中，普通的移动节点都无法注册或更新的网络流量。 大多数受试者的论文讨论在协议级[22]不同流的定义和管理。 在我们的解决方案MIPD6-NG的先进工具所依托的丙二酰CoA [23]和流量绑定[24]的RFC解决所有流动性管理的协议层次的问题，所以我们不会详细介绍它们在本文中。 相反，我们专注于基于内置的决策引擎流量感知卸载方案。 在[25]提出了一种多标准决策引擎基于网络成本，信号强度，分组丢失和流量的预定重量，但是介绍了仅理论结果和基于实际实现中不包含的评价。 弗朗索瓦Hoguet等。 [26]表明UMIP的MIPv6的实施dagger;的基础上的基于Linux的流移动性的环境，并将其移植到的可能性
dagger; UMIP：http：//www.umip.org/
Android智能手机。 虽然他们的介绍一个真实的实现，但它确实提供既无流的移动性管理，也不需要复杂决策引擎。 里卡多·席尔瓦等人。 [27]研究在Android系统的移动性管理。 他们创造了一个定制的Android ROM同时使用3G和Wi-Fi接口。 IEEE 802.21媒体独立切换框架[28]被施加到支持基于IPv6移动性。 从这篇文章还流的流动性和基于流的决策机制相比，我们的建筑是丢失。
3. 跨层优化方案卸载
图。1呈现所提出的高度定制的基于Android系统，其中，跨层信息传递中起重要作用的体系结构。 我们引进了自下而上的方法对系统的每个部分。
我们的结构需要特殊的内核配置扩展了美孚IPv6支持，MIP6D-NG的补丁，也内核模块的修改。为了适用于我们不得不重新编译整个内核源代码系统的内核级别这些变化。 在第4.1节，我们提出详细这项工作。
如图1显示了本土层包含了所有的使用，交叉编译过的原生二进制文件和诸如Lighttpd的，Pingm6和Socat相关的库。 此外MIP6D-NG二进制文件和库位于这一层。
对于多址通信，移动节点（MN）需要通过两（3G和Wi-Fi）网络接口（支持IPv6）同时进行通信的能力，但即使是最新的Android操作系统版本（Android 4.4系统）不允许他们同时使用。 这一事实迫使我们修改应用程序框架层。 整体的Android OS和内核源代码重新编译，需要申请上述修改（详见4.1节详细说明）。
在Java层，我们制定并实施了模块化的Android应用程序，包括三个主要部分。 第一种是所谓的无线电接入网络发现模块（RANDM），其设计用于测量从可用网络（例如，信号强度，延迟和分组丢失）的多个层的不同的参数。 切换判决和执行模块（HDEM）可分为两部分：切换决定（HDM）和切换执行模块（HEM）。 HEM与本地MIP6D-NG守护进程通信，创建并发送流寄存器，通过先进的算法决定引起的流动更新消息[20]。 注册消息分配和初始化一个新的流条目，以所选择的网络接口而更新消息更新由流标识符（FID）的现有流。 对于跨层信息交换的基于Socket通信方案的设计和发展。 HDM决定关于基于所述判定算法的越区切换的必要性（参照在后面更详细地）。 HDM指导下摆流寄存器或update命令发送到MIP6D-NG。 该HDM是架构的模块化，可更换的部分，因此，我们可以很容易地修改卸载决策方案。
图。2给出结合算法决定我们的跨层优化卸载计划的运作。 最重要的输入参数是实际测量数据，在此期间在当前使用的网络中的网络测量获得的静态信息，以及用户偏好。
该算法的第一步骤是检查可用的无线接入网络。 默认接口是3G访问，因此系统寄存器中的数据流使用的应用和网络层之间的跨层通信的3G接口。 之后此步骤，如果有至少一个可用的Wi-Fi网络，算法启动Wi-Fi网络的被动测量的相。 如果没有可用的WLAN，则该算法保持3G接口上的流动和等待的新的Wi-Fi接入点的外观。 否则启动跨层的测量，其中测量从链路层，以及分组丢失，RTT和抖动从网络层的信号强度。 如果我们的决策引擎没有找到适合应用流的QoS配置当前测量网络的参数，该方案开始测量下一个可用的网络。 如果测量的QoS值是合适的，在MN连接到该Wi-Fi网络和相应的流程转移到基于流动的QoS配置文件的Wi-Fi接口。 在这之后，应用程序等待一个随机的时间，以同样避免在[29
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