摘要 基于IEEE 802.16協(xié)議族的WiMAX網(wǎng)絡(luò)將按照固定、游牧、移動的趨勢發(fā)展,其中802.16e協(xié)議是面向全面移動性的。802.16e對接口物理媒體控制層(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。文中給出了WiMAX的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),詳細描述了WiMAX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中有關(guān)系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間兩種主要的切換方式,介紹了其切換機制,并給出了其切換流程圖和主要切換步驟。
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(luò)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(luò)。WiMAX網(wǎng)絡(luò)具備支持漫游和移動業(yè)務(wù)的能力,其移動性管理對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的影響,移動性管理主要是在整個服務(wù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)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(wù)的服務(wù)質(zhì)量,將對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)等功能實體;WiMAX_CSN為WiMAX用戶提供IP連接服務(wù),包含很多功能實體,例如路由器、AAA代理/服務(wù)器、用戶數(shù)據(jù)庫、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(luò)參考模型。
圖2 網(wǎng)絡(luò)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(yīng)該連續(xù)測量鄰區(qū)BS信號并在一個給定的時間內(nèi)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(yīng)消息使MS周期掃描鄰區(qū)BS。
當MS在切換區(qū)時,應(yīng)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(wù)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(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(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(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(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)MIP注冊消息;(5)HA返回MIP注冊應(yīng)答;(6)FA向MS返回MIP注冊應(yīng)答。
隨著移動IP技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了移動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移動到一個新的子網(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(luò)(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(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,則會轉(zhuǎn)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(luò)入口進程。(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驗證NCoA的合法性,并建立隧道向前傳送內(nèi)部FBU消息給PAR。當NAR知道NCoA已經(jīng)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(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(zhuǎn)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(jié)束語
全面支持移動的WiMAX網(wǎng)絡(luò)不僅需要完善的空中接口,也需要適合移動性的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。本文主要針對WiMAX系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(luò)技術(shù)的快速發(fā)展,怎樣使用戶正在進行的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)在用戶移動過程中不被中斷,使正在進行的服務(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)計一種高效、穩(wěn)定的切換算法將是我們下一步的研究重點。