基于WiMAX网络的切换管理研究

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摘要  基于IEEE 802.16协议族的WiMAX网络将按照固定、游牧、移动的趋势发展，其中802.16e协议是面向全面移动性的。802.16e对接口物理媒体控制层（PHY）做了重大改进，并在媒体接入控制层（MAC）增加了切换流程等新特性。文中给出了WiMAX的网络系统结构，详细描述了WiMAX网络系统结构中有关系统内和系统间两种主要的切换方式，介绍了其切换机制，并给出了其切换流程图和主要切换步骤。
1、引言
随着IEEE 802.16e标准的正式通过[1]，无线城域网（Wireless MAN）的发展进入到一个新阶段，即全面支持移动性阶段。为支持6GHz以下最高120km/h的移动速度，802.16e对物理层（PHY）做了重大改进，并在媒体接入控制层（MAC）增加了切换流程等新特性。从协议进展的历程可以看出，WiMAX网络的发展趋势为固定→游牧→移动[2]，并将最终成为全面支持移动性的网络。WiMAX网络具备支持漫游和移动业务的能力，其移动性管理对网络结构产生了较大的影响，移动性管理主要是在整个服务网络内有效的支持终端的漫游和移动，涉及位置管理和切换管理两部分。其中切换管理是在终端移动状态下，保障激活业务的服务质量，将对WiMAX网络结构以及组网方式有着重要的影响[3]。
2、WiMAX网络系统结构
作为WiMAX网络的参考架构，整个网络分成接入网（WiMAX_AN）和核心网（WiMAX_CSN）两大部分，WiMAX网络系统结构如图1所示。

图1　WiMAX网络系统结构

WiMAX网络系统结构主要包括WiMAX接入网（WiMAX_AN）和WiMAX核心网（WiMAX_CSN）。WiMAX_AN为WiMAX用户提供无线接入，主要包括基站、基站控制器、接入网关等功能实体；WiMAX_CSN为WiMAX用户提供IP连接服务，包含很多功能实体，例如路由器、AAA代理/服务器、用户数据库、互联网关等。
3、WiMAX网络的切换管理
切换管理是在终端移动状态下，保障激活业务的服务质量。WiMAX网络系统的切换主要有系统内切换和系统间的切换。
3.1　系统内切换
L2的移动一般是指在同一个ASN GW下的移动，对于L2的移动性管理方案，主要支持802.16e协议中规定的各种切换，描述intra-ASN切换（层2切换）的触发机制和切换流程，对于intra-ASN切换，采用了R8接口实现BS间的通讯。切换场景主要参考图2的网络参考模型。

图2　网络参考模型

3.1.1　切换机制
在OFDMA系统中，MS或BS主要根据CINR来决定切换。为了获得准确可靠的CINR值，MS应该连续测量邻区BS信号并在一个给定的时间内计算出CINR平均值。在各种切换类型中，这种连续的CINR测量都是必须的。根据802.16e协议规定，可以通过扫描请求和扫描响应消息使MS周期扫描邻区BS。
当MS在切换区时，应该通过扫描请求消息申请进行周期扫描（BS也可以主动要求MS进行周期扫描）。通过扫描测量，MS得到邻区BS的CINR和当前服务BS（s-BS）的CINR值进行比较从而决定是否发起切换。
3.1.2　切换流程
无论发起方是BS还是MS，目标BS（t-BS）的决策方既可以是BS也可以是MS：MS经过扫描可能作出决定选取t-BS；MS通过MOB-MSHO-REQ消息反馈测量结果给s-BS，自己不能作决定；然后s-BS作决策选取哪个t-BS。

图3　MS发起

MM_UnRegister：该消息从Serving BS发送到ASN GW，告诉ASN GW拆掉对应MS在s-BS上的业务流通道（R6隧道）。
MM_Register：该消息从t-BS发送到ASN GW，告诉ASN GW对应的MS业务流数据可以发送新的s-BS。
3.2　系统间切换
跨ASN-GW切换可采用以下两种方式实现：基于标准Mobile IP（简称MIP）方式和基于代理MIP方式。
3.2.1　基于MIP的切换
跨ASN-GW的切换是由网络侧发起的，有两种切换方式：基本MIP切换和FMIP快速切换。基于MIP的切换流程是标准的MIP流程。这种方式中，MIP客户端驻留在MS上，MS实现MIP功能，而ASN-GW承担FA功能，其基本MIP切换流程如图4所示。

图4　基本MIP的Inter-ASN GW切换

主要流程步骤：（1）切换的触发条件发生；（2）基于Intra-ASN的移动事件或系统的资源优化流程，ASN-GW的FA模块将向MS发送FA代理公告消息；（3）根据IETF的MIP标准，MS在收到带有新CoA转交地址的FA代理公告后，向HA发送MIP注册消息，以保证MS会话连续性；（4）FA向HA转发MIP注册消息；（5）HA返回MIP注册应答；（6）FA向MS返回MIP注册应答。
随着移动IP技术的发展，出现了移动IP快速切换（FMIPv6）[4]，在此我们结合WiMAX网络，给出WiMAX中基于802.16e技术的FMIP的预先切换流程[5]（假设MS移动到一个新的子网）如图5所示。

图5　802.16e的FMIP的预先切换流程

（1）s-BS定期广播MOB-NBR-ADV。如果MS在消息中发现一个新的邻居BS，它将执行扫描过程。当通过MOB-NBR-ADV消息或者扫描过程发现新BS时，MS的链路层通知它的网络（FMIP）发现新的BS。（2）MS通过s-BS的ID找到PAR后进行RtSoIPr和PrRtAdv的交互过程。（3）MS通过给s-BS发送MOB-MSHO-REQ消息发起切换，从s-BS接收MOB-BSHO-RSP。s-BS也可以通过发送MOB-BSHO-REQ给MS发起切换。（4）当MS从s-BS接受到MOB-BSHO-RSP或者MOB-BSHO-REQ消息后，它的链路层触发LGD消息给它的网络层，发送FBU消息。（5）如果MS不能在现在的链路上收到FBACK消息，则会转向反映模式。对目标BS执行完切换后，MS执行802.16e网络入口进程。（6）一旦完成网络入口和ISF的设置，MS的链路层立即用LUP消息通告它的网络层，MS发送封装FBU的FNA消息给NAR。（7）接收到FNA消息后，NAR验证NCoA的合法性，并建立隧道向前传送内部FBU消息给PAR。当NAR知道NCoA已经使用时，它必须丢弃FBU，并通过路由广播NAACK选项发给MS，否则它必须传输发往MS的数据包。
3.2.2　基于代理MIP的切换
基于代理MIP的切换是由ASN-GW承担代理MIP功能的方式。这种方式下，MIP客户端驻留在ASN-GW上，ASN-GW为MS代理实现MIP功能，而MS不需要实现MIP功能。切换流程为图6所示。

图6　代理MIP的Inter-ASN GW切换

主要流程步骤如下：
旧隧道和会话已建立——在切换发生之前，BS与ASN-GW间的隧道、MS、ASN-GW与HA间的MIP会话已经建立。
服务ASN-GW的切换触发条件发生——服务ASN-GW将通知目标ASN-GW建立一个新的MIP会话。
MIP会话更新——目标ASN-GW向HA发送MIP注册，其中CoA转交地址是目标ASN-GW地址。
新MIP会话建立——在MIP成功注册后，HA将把MS的后续前向报文发往目标ASN-GW。
触发目标ASN-GW建立与BS的隧道。
目标ASN-GW与BS之间建立新的Intra-ASN隧道。
4、结束语
全面支持移动的WiMAX网络不仅需要完善的空中接口，也需要适合移动性的网络体系架构。本文主要针对WiMAX系统网络的切换进行了讨论，给出了详细的流程图和主要步骤。
随着无线网络技术的快速发展，怎样使用户正在进行的网络服务在用户移动过程中不被中断，使正在进行的服务能够在基站之间平滑过渡一直受到人们的广泛关注，设计一种高效、稳定的切换算法将是我们下一步的研究重点。