基于WiMAX網(wǎng)絡的切換管理研究

1、引言

隨著IEEE 802.16e標準的正式通過[1]，無線城域網(wǎng)（Wireless MAN）的發(fā)展進入到一個新階段，即全面支持移動性階段。為支持6GHz以下最高120km/h的移動速度，802.16e對物理層（PHY）做了重大改進，并在媒體接入控制層（MAC）增加了切換流程等新特性。從協(xié)議進展的歷程可以看出，WiMAX網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢為固定→游牧→移動[2]，并將最終成為全面支持移動性的網(wǎng)絡。WiMAX網(wǎng)絡具備支持漫游和移動業(yè)務的能力，其移動性管理對網(wǎng)絡結構產生了較大的影響，移動性管理主要是在整個服務網(wǎng)絡內有效的支持終端的漫游和移動，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狀態(tài)下，保障激活業(yè)務的服務質量，將對WiMAX網(wǎng)絡結構以及組網(wǎng)方式有著重要的影響[3]。

2、WiMAX網(wǎng)絡系統(tǒng)結構

作為WiMAX網(wǎng)絡的參考架構，整個網(wǎng)絡分成接入網(wǎng)（WiMAX_AN）和核心網(wǎng)（WiMAX_CSN）兩大部分，WiMAX網(wǎng)絡系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1　WiMAX網(wǎng)絡系統(tǒng)結構

WiMAX網(wǎng)絡系統(tǒng)結構主要包括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)關等功能實體；WiMAX_CSN為WiMAX用戶提供IP連接服務，包含很多功能實體，例如路由器、AAA代理/服務器、用戶數(shù)據(jù)庫、互聯(lián)網(wǎng)關等。

3、WiMAX網(wǎng)絡的切換管理

切換管理是在終端移動狀態(tài)下，保障激活業(yè)務的服務質量。WiMAX網(wǎng)絡系統(tǒng)的切換主要有系統(tǒng)內切換和系統(tǒng)間的切換。

3.1　系統(tǒng)內切換

L2的移動一般是指在同一個ASN GW下的移動，對于L2的移動性管理方案，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)機制和切換流程，對于intra-ASN切換，采用了R8接口實現(xiàn)BS間的通訊。切換場景主要參考圖2的網(wǎng)絡參考模型。

圖2　網(wǎng)絡參考模型

3.1.1　切換機制

在OFDMA系統(tǒng)中，MS或BS主要根據(jù)CINR來決定切換。為了獲得準確可靠的CINR值，MS應該連續(xù)測量鄰區(qū)BS信號并在一個給定的時間內計算出CINR平均值。在各種切換類型中，這種連續(xù)的CINR測量都是必須的。根據(jù)802.16e協(xié)議規(guī)定，可以通過掃描請求和掃描響應消息使MS周期掃描鄰區(qū)BS。

當MS在切換區(qū)時，應該通過掃描請求消息申請進行周期掃描（BS也可以主動要求MS進行周期掃描）。通過掃描測量，MS得到鄰區(qū)BS的CINR和當前服務BS（s-BS）的CINR值進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BS（t-BS）的決策方既可以是BS也可以是MS：MS經過掃描可能作出決定選取t-BS；MS通過MOB-MSHO-REQ消息反饋測量結果給s-BS，自己不能作決定；然后s-BS作決策選取哪個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拆掉對應MS在s-BS上的業(yè)務流通道（R6隧道）。

MM_Register：該消息從t-BS發(fā)送到ASN GW，告訴ASN GW對應的MS業(yè)務流數(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現(xiàn)：基于標準Mobile IP（簡稱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)絡側發(fā)起的，有兩種切換方式：基本MIP切換和FMIP快速切換?；贛IP的切換流程是標準的MIP流程。這種方式中，MIP客戶端駐留在MS上，MS實現(xiàn)MIP功能，而ASN-GW承擔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標準，MS在收到帶有新CoA轉交地址的FA代理公告后，向HA發(fā)送MIP注冊消息，以保證MS會話連續(xù)性；（4）FA向HA轉發(fā)MIP注冊消息；（5）HA返回MIP注冊應答；（6）FA向MS返回MIP注冊應答。

隨著移動IP技術的發(fā)展，出現(xiàn)了移動IP快速切換（FMIPv6）[4]，在此我們結合WiMAX網(wǎng)絡，給出WiMAX中基于802.16e技術的FMIP的預先切換流程[5]（假設MS移動到一個新的子網(wǎng)）如圖5所示。

圖5　802.16e的FMIP的預先切換流程

（1）s-BS定期廣播MOB-NBR-ADV。如果MS在消息中發(fā)現(xiàn)一個新的鄰居BS，它將執(zhí)行掃描過程。當通過MOB-NBR-ADV消息或者掃描過程發(fā)現(xiàn)新BS時，MS的鏈路層通知它的網(wǎng)絡（FMIP）發(fā)現(xiàn)新的BS。（2）MS通過s-BS的ID找到PAR后進行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MS從s-BS接受到MOB-BSHO-RSP或者MOB-BSHO-REQ消息后，它的鏈路層觸發(fā)LGD消息給它的網(wǎng)絡層，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，則會轉向反映模式。對目標BS執(zhí)行完切換后，MS執(zhí)行802.16e網(wǎng)絡入口進程。（6）一旦完成網(wǎng)絡入口和ISF的設置，MS的鏈路層立即用LUP消息通告它的網(wǎng)絡層，MS發(fā)送封裝FBU的FNA消息給NAR。（7）接收到FNA消息后，NAR驗證NCoA的合法性，并建立隧道向前傳送內部FBU消息給PAR。當NAR知道NCoA已經使用時，它必須丟棄FBU，并通過路由廣播NAACK選項發(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代理實現(xiàn)MIP功能，而MS不需要實現(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會話已經建立。

服務ASN-GW的切換觸發(fā)條件發(fā)生――服務ASN-GW將通知目標ASN-GW建立一個新的MIP會話。

MIP會話更新――目標ASN-GW向HA發(fā)送MIP注冊，其中CoA轉交地址是目標ASN-GW地址。

新MIP會話建立――在MIP成功注冊后，HA將把MS的后續(xù)前向報文發(fā)往目標ASN-GW。

觸發(fā)目標ASN-GW建立與BS的隧道。

目標ASN-GW與BS之間建立新的Intra-ASN隧道。

4、結束語

全面支持移動的WiMAX網(wǎng)絡不僅需要完善的空中接口，也需要適合移動性的網(wǎng)絡體系架構。本文主要針對WiMAX系統(tǒng)網(wǎng)絡的切換進行了討論，給出了詳細的流程圖和主要步驟。

隨著無線網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，怎樣使用戶正在進行的網(wǎng)絡服務在用戶移動過程中不被中斷，使正在進行的服務能夠在基站之間平滑過渡一直受到人們的廣泛關注，設計一種高效、穩(wěn)定的切換算法將是我們下一步的研究重點。