WiMAX切换实现和对业务影响的评估

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WiMAX作为一种新兴的无线宽带技术，对移动性的良好支持使其受到了众多运营商的青睐。移动性功能主要包括对处于空闲/休眠模式和连接模式下终端跨小区移动时的业务处理。切换功能是指连接模式下的终端经过不同层次的移动后，系统通过一定的处理来保证业务连接的连续性。下面从WiMAX网络结构入手，分析不同类型的切换处理流程和实现，结合业务需求提出评估切换性能的通用指标。
WiMAX切换的实现和分析
    WiMAX论坛网络工作组NWG定义的WiMAX端到端网络系统结构（版本1.0）对WiMAX的系统结构和网元之间的接口有如下描述：WiMAX终端通过空中接口R1与ASN部分进行信令和数据交互，ASN通过R3和R4接口与CSN、相邻的ASN进行消息沟通和数据传递。当WiMAX终端在移动时会发生小区、ASN甚至CSN不同层次的更迭。切换过程被触发后，ASN等网元会进行相应的数据、信令承载的变化处理来保证数据业务连接的连续性，尽可能地降低对最终用户使用感受的影响。
    结合切换过程中网络侧有关IP层的不同处理，可将切换类型归纳为二层切换（Intra-ASN/FA）和三层切换（Inter-ASN/FA）。
    首先是二层切换过程和实现。二层切换的过程可以细化为网络拓扑的获取和测量、切换判决和发生、网络重入和承载前转。
    ——网络拓扑的获取和测量基站BS会根据系统的邻区配置信息通过MOB_NBR_ADV消息来广播网络的拓扑信息，为终端MS提供邻近BS和小区的情况。MS得到这些消息后，会通过MOB_SCN-REQ消息请求系统分配一组扫描时隙，BS会回复以MOB_SCN_RSP消息明确地给MS分配扫描间隙和其他与扫描相关的信息，然后MS会根据此消息中的内容对邻区的无线情况进行测量并上报。
    ——切换判决和发生。MS和BS会根据系统设定的切换门限等数据进行切换判决，当决定MS要从服务小区切换到目标小区时，切换开始发生。MS或服务BS都可以作HO判决。判决完成后MS将开始切换，此时服务BS会给目标BS发送HO_Pre_Notifica－tion消息，目标BS会准备一些资源并与ASN_GW交互来获取一些必要的信息，最后与源服务BS确认准备完成。然后服务小区会发送MOB_BSHO_RSP消息给MS，指示MS切换的发生，MS会发送MOB_BSHO_IND消息给服务小区以切换确认。
    ——网络重入和承载前转。在目标BS开始数据传输前，MS应与目标BS下行同步，并获取其上下行的传输参数。不论以前是否从服务BS收到过MS的信息，目标BS都可能通过传输网请求MS的信息。如果目标BS能够从传输网获得MS的信息，则网络重进入过程将会缩短。重入完成后，系统开始恢复数据连接。在切换的过程中，源服务小区可能会缓存一些发往MS的数据，此时源服务BS可能会将这部分数据转发给目标BS，这样可以极大地减少数据损失，改善上层的业务连接性能。
    其次是三层切换过程和实现。如果切换过程涉及到了ASN_GW/FA的变更，则系统在完成MAC层、物理层的连接处理后（如二层切换的处理过程），会触发移动IP的处理过程来保证IP层连接的连续性。
    当MS移动到新小区使用不同的外部网关时，系统必须进行一定的处理才能避免将上层发送给该MS（或该IP地址）的数据包仍发往旧的网关设备，从而屏蔽上层业务连接对底层路由的依赖。在WiMAX系统中，采用IETF规定的MobileIP（MIP）技术来实现三层切换的平滑处理。当服务MS的网关发生变更后，MIP客户端会发起MIP注册过程，通知归属代理HA（HomeAgent）变更客户端和转交地址CoA的绑定关系，并建立HA到FA的隧道，以后上层再发往切换终端的数据便会有效地转发到终端侧。
    根据完成MIP客户端功能网元的不同，WiMAX论坛定义了两种MIP的实现方式：CMIP（ClientMIP）和PMIP（ProxyMIP）。CMIP指MIP的客户端功能由WiMAX终端来实现，这样终端侧复杂性会有一定的增加；PMIP指MIP客户端的功能由系统内某个网元代替终端来完成，这样简化了对WiMAX终端的要求，但要求ASN内部进行一些特定的处理。不同厂家实现MIP客户端的位置会有所不同，但MobileIP流程是相同的。
WiMAX不同业务场景和切换对业务的影响评估
    WiMAX论坛网络工作组NWG将WiMAX终端的使用场景或移动级别分为四类：固定模式、游牧模式、简单移动模式和全移动模式。固定模式是指终端设备固定在某个地方，在业务连接过程中不会发生移动，主要应用于WiMAX提供固定接入的应用场景，终端类型主要为CPE设备；游牧模式是指终端位置可以发生变化，每次业务连接不固定在某个地方，终端类型为PCMCIA卡等设备；简单移动和全移动模式与传统的蜂窝网络应用场景一样，终端可以随处移动，包括空闲模式和连接模式，主要终端类型是手机等设备。后两种模式在业务性能的要求上有所不同。
    基于以上的使用场景和不同的业务性能需求，参照传统蜂窝网络系统对移动性能的评估，可以对评估WiMAX网络切换对业务影响的关键指标做如下定义：
    1.切换成功率。指切换成功次数与切换请求次数的比值，用来整体评估切换成功执行的情况。
    2.切换过程中业务中断时间。指业务在切换过程中中断的时长，用来评估切换执行对业务的影响情况。
    3.切换过程中的丢包率。指数据业务在切换过程中数据丢包的比率，用来评估切换过程对数据传输可靠性的影响。
    4.切换过程中数据包单向延迟。指上下行数据业务在切换过程中在各个传输方向的延迟。
    5.切换过程中数据包时延抖动性。指上下行数据业务在切换过程中在各个传输方向延迟的变化程度。
Motorola WiMAX系统切换性能现状
    Motorola作为WiMAX业界的领导者，已经向市场投放了完全符合标准的端到端WiMAX商用产品，同时储备了大量的工程技术人员，根据运营商的实际情况（如频率资源、站点分布等）来规划和部署高质量的网络。在目前的商用版本中，Motorola产品支持包括全移动在内的全部使用场景。系统从开始就支持小区间、基站间的切换功能和移动IP功能，并在多个商用、试验网络中验证了其提供网络的优越性能。
    在美国某运营商搭建的多基站外场试验网中，收集了大量的路测数据，对Motorola系统的切换质量进行了全面评估，涵盖了不同业务场景、移动速度和业务类型等多方面的内容。测试结果显示，MotorolaWiMAX系统的切换性能可与现有蜂窝网络相媲美。可以做到切换前后服务质量QoS的保证，切换时延完全满足不同业务的要求，验证了切换对上层业务的影响，系统做到了切换过程中Ping包没有丢失、流媒体业务流畅、VoIP话音清晰，得到了客户的高度评价，为即将推行的大规模商用部署建立了极大的信心。