基于WiMAX網(wǎng)絡(luò)的切換管理研究

1、引言

隨著IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn)的正式通過[1]，無線城域網(wǎng)（Wireless MAN）的發(fā)展進(jìn)入到一個(gè)新階段，即全面支持移動(dòng)性階段。為支持6GHz以下最高120km/h的移動(dòng)速度，802.16e對(duì)物理層（PHY）做了重大改進(jìn)，并在媒體接入控制層（MAC）增加了切換流程等新特性。從協(xié)議進(jìn)展的歷程可以看出，WiMAX網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)為固定→游牧→移動(dòng)[2]，并將最終成為全面支持移動(dòng)性的網(wǎng)絡(luò)。WiMAX網(wǎng)絡(luò)具備支持漫游和移動(dòng)業(yè)務(wù)的能力，其移動(dòng)性管理對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的影響，移動(dòng)性管理主要是在整個(gè)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有效的支持終端的漫游和移動(dòng)，涉及位置管理和切換管理兩部分。其中切換管理是在終端移動(dòng)狀態(tài)下，保障激活業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，將對(duì)WiMAX網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及組網(wǎng)方式有著重要的影響[3]。

2、WiMAX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

作為WiMAX網(wǎng)絡(luò)的參考架構(gòu)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分成接入網(wǎng)（WiMAX_AN）和核心網(wǎng)（WiMAX_CSN）兩大部分，WiMAX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　WiMAX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

WiMAX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括WiMAX接入網(wǎng)（WiMAX_AN）和WiMAX核心網(wǎng)（WiMAX_CSN）。WiMAX_AN為WiMAX用戶提供無線接入，主要包括基站、基站控制器、接入網(wǎng)關(guān)等功能實(shí)體；WiMAX_CSN為WiMAX用戶提供IP連接服務(wù)，包含很多功能實(shí)體，例如路由器、AAA代理/服務(wù)器、用戶數(shù)據(jù)庫(kù)、互聯(lián)網(wǎng)關(guān)等。

3、WiMAX網(wǎng)絡(luò)的切換管理

切換管理是在終端移動(dòng)狀態(tài)下，保障激活業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。WiMAX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的切換主要有系統(tǒng)內(nèi)切換和系統(tǒng)間的切換。

3.1　系統(tǒng)內(nèi)切換

L2的移動(dòng)一般是指在同一個(gè)ASN GW下的移動(dòng)，對(duì)于L2的移動(dòng)性管理方案，主要支持802.16e協(xié)議中規(guī)定的各種切換，描述intra-ASN切換（層2切換）的觸發(fā)機(jī)制和切換流程，對(duì)于intra-ASN切換，采用了R8接口實(shí)現(xiàn)BS間的通訊。切換場(chǎng)景主要參考圖2的網(wǎng)絡(luò)參考模型。

圖2　網(wǎng)絡(luò)參考模型

3.1.1　切換機(jī)制

在OFDMA系統(tǒng)中，MS或BS主要根據(jù)CINR來決定切換。為了獲得準(zhǔn)確可靠的CINR值，MS應(yīng)該連續(xù)測(cè)量鄰區(qū)BS信號(hào)并在一個(gè)給定的時(shí)間內(nèi)計(jì)算出CINR平均值。在各種切換類型中，這種連續(xù)的CINR測(cè)量都是必須的。根據(jù)802.16e協(xié)議規(guī)定，可以通過掃描請(qǐng)求和掃描響應(yīng)消息使MS周期掃描鄰區(qū)BS。

當(dāng)MS在切換區(qū)時(shí)，應(yīng)該通過掃描請(qǐng)求消息申請(qǐng)進(jìn)行周期掃描（BS也可以主動(dòng)要求MS進(jìn)行周期掃描）。通過掃描測(cè)量，MS得到鄰區(qū)BS的CINR和當(dāng)前服務(wù)BS（s-BS）的CINR值進(jìn)行比較從而決定是否發(fā)起切換。

3.1.2　切換流程

無論發(fā)起方是BS還是MS，目標(biāo)BS（t-BS）的決策方既可以是BS也可以是MS：MS經(jīng)過掃描可能作出決定選取t-BS；MS通過MOB-MSHO-REQ消息反饋測(cè)量結(jié)果給s-BS，自己不能作決定；然后s-BS作決策選取哪個(gè)t-BS。

圖3　MS發(fā)起

MM_UnRegister：該消息從Serving BS發(fā)送到ASN GW，告訴ASN GW拆掉對(duì)應(yīng)MS在s-BS上的業(yè)務(wù)流通道（R6隧道）。

MM_Register：該消息從t-BS發(fā)送到ASN GW，告訴ASN GW對(duì)應(yīng)的MS業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)可以發(fā)送新的s-BS。

3.2　系統(tǒng)間切換

跨ASN-GW切換可采用以下兩種方式實(shí)現(xiàn)：基于標(biāo)準(zhǔn)Mobile IP（簡(jiǎn)稱MIP）方式和基于代理MIP方式。

3.2.1　基于MIP的切換

跨ASN-GW的切換是由網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)起的，有兩種切換方式：基本MIP切換和FMIP快速切換。基于MIP的切換流程是標(biāo)準(zhǔn)的MIP流程。這種方式中，MIP客戶端駐留在MS上，MS實(shí)現(xiàn)MIP功能，而ASN-GW承擔(dān)FA功能，其基本MIP切換流程如圖4所示。

圖4　基本MIP的Inter-ASN GW切換

主要流程步驟：（1）切換的觸發(fā)條件發(fā)生；（2）基于Intra-ASN的移動(dòng)事件或系統(tǒng)的資源優(yōu)化流程，ASN-GW的FA模塊將向MS發(fā)送FA代理公告消息；（3）根據(jù)IETF的MIP標(biāo)準(zhǔn)，MS在收到帶有新CoA轉(zhuǎn)交地址的FA代理公告后，向HA發(fā)送MIP注冊(cè)消息，以保證MS會(huì)話連續(xù)性；（4）FA向HA轉(zhuǎn)發(fā)MIP注冊(cè)消息；（5）HA返回MIP注冊(cè)應(yīng)答；（6）FA向MS返回MIP注冊(cè)應(yīng)答。

隨著移動(dòng)IP技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了移動(dòng)IP快速切換（FMIPv6）[4]，在此我們結(jié)合WiMAX網(wǎng)絡(luò)，給出WiMAX中基于802.16e技術(shù)的FMIP的預(yù)先切換流程[5]（假設(shè)MS移動(dòng)到一個(gè)新的子網(wǎng)）如圖5所示。

圖5　802.16e的FMIP的預(yù)先切換流程

（1）s-BS定期廣播MOB-NBR-ADV。如果MS在消息中發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的鄰居BS，它將執(zhí)行掃描過程。當(dāng)通過MOB-NBR-ADV消息或者掃描過程發(fā)現(xiàn)新BS時(shí)，MS的鏈路層通知它的網(wǎng)絡(luò)（FMIP）發(fā)現(xiàn)新的BS。（2）MS通過s-BS的ID找到PAR后進(jìn)行RtSoIPr和PrRtAdv的交互過程。（3）MS通過給s-BS發(fā)送MOB-MSHO-REQ消息發(fā)起切換，從s-BS接收MOB-BSHO-RSP。s-BS也可以通過發(fā)送MOB-BSHO-REQ給MS發(fā)起切換。（4）當(dāng)MS從s-BS接受到MOB-BSHO-RSP或者M(jìn)OB-BSHO-REQ消息后，它的鏈路層觸發(fā)LGD消息給它的網(wǎng)絡(luò)層，發(fā)送FBU消息。（5）如果MS不能在現(xiàn)在的鏈路上收到FBACK消息，則會(huì)轉(zhuǎn)向反映模式。對(duì)目標(biāo)BS執(zhí)行完切換后，MS執(zhí)行802.16e網(wǎng)絡(luò)入口進(jìn)程。（6）一旦完成網(wǎng)絡(luò)入口和ISF的設(shè)置，MS的鏈路層立即用LUP消息通告它的網(wǎng)絡(luò)層，MS發(fā)送封裝FBU的FNA消息給NAR。（7）接收到FNA消息后，NAR驗(yàn)證NCoA的合法性，并建立隧道向前傳送內(nèi)部FBU消息給PAR。當(dāng)NAR知道NCoA已經(jīng)使用時(shí)，它必須丟棄FBU，并通過路由廣播NAACK選項(xiàng)發(fā)給MS，否則它必須傳輸發(fā)往MS的數(shù)據(jù)包。

3.2.2　基于代理MIP的切換

基于代理MIP的切換是由ASN-GW承擔(dān)代理MIP功能的方式。這種方式下，MIP客戶端駐留在ASN-GW上，ASN-GW為MS代理實(shí)現(xiàn)MIP功能，而MS不需要實(shí)現(xiàn)MIP功能。切換流程為圖6所示。

圖6　代理MIP的Inter-ASN GW切換

主要流程步驟如下：

舊隧道和會(huì)話已建立――在切換發(fā)生之前，BS與ASN-GW間的隧道、MS、ASN-GW與HA間的MIP會(huì)話已經(jīng)建立。

服務(wù)ASN-GW的切換觸發(fā)條件發(fā)生――服務(wù)ASN-GW將通知目標(biāo)ASN-GW建立一個(gè)新的MIP會(huì)話。

MIP會(huì)話更新――目標(biāo)ASN-GW向HA發(fā)送MIP注冊(cè)，其中CoA轉(zhuǎn)交地址是目標(biāo)ASN-GW地址。

新MIP會(huì)話建立――在MIP成功注冊(cè)后，HA將把MS的后續(xù)前向報(bào)文發(fā)往目標(biāo)ASN-GW。

觸發(fā)目標(biāo)ASN-GW建立與BS的隧道。

目標(biāo)ASN-GW與BS之間建立新的Intra-ASN隧道。

4、結(jié)束語

全面支持移動(dòng)的WiMAX網(wǎng)絡(luò)不僅需要完善的空中接口，也需要適合移動(dòng)性的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。本文主要針對(duì)WiMAX系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的切換進(jìn)行了討論，給出了詳細(xì)的流程圖和主要步驟。

隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，怎樣使用戶正在進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)在用戶移動(dòng)過程中不被中斷，使正在進(jìn)行的服務(wù)能夠在基站之間平滑過渡一直受到人們的廣泛關(guān)注，設(shè)計(jì)一種高效、穩(wěn)定的切換算法將是我們下一步的研究重點(diǎn)。