WiMAX接入核心網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通道技術(shù)

摘要　近年來，無線通信飛速發(fā)展，寬帶技術(shù)無線化是寬帶通信發(fā)展的趨勢。微波存取全球互通（WiMAX），作為一種寬帶無線技術(shù)，由于它傳輸速率快、傳輸距離遠(yuǎn)、有QoS保障、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，在“最后一公里”接入技術(shù)中占據(jù)非常重要的地位。在WiMAX接入核心網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)通道技術(shù)就是完成基站、網(wǎng)關(guān)間的數(shù)據(jù)傳輸，是基站和網(wǎng)關(guān)中一個(gè)不可缺少的功能模塊。文章詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)通道的建立、修改和刪除過程以及在幾種典型場景中的應(yīng)用。

0、引言

近年來，無線通信飛速發(fā)展，寬帶技術(shù)無線化是寬帶通信發(fā)展的趨勢。微波存取全球互通（WiMAX）是最近無線寬帶通信領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。由于它具有傳輸速率快、傳輸距離遠(yuǎn)、有QoS保障、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，作為解決“最后一公里”問題的無線城域網(wǎng)技術(shù)，充分發(fā)揮無線方式的特長，在未來城域網(wǎng)接入應(yīng)用中有替代目前廣為使用的xDSL接入方式的趨勢。在WiMAX終端進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的初始階段，需要建立起始業(yè)務(wù)流、預(yù)配置業(yè)務(wù)流，以及后續(xù)的動態(tài)業(yè)務(wù)流等，這些業(yè)務(wù)流的建立都需要數(shù)據(jù)通道（DP）模塊配合完成。另外，在終端進(jìn)行切換時(shí)，也需要DP模塊配合，以達(dá)到切換丟包率低，無縫、平滑切換的目的�？梢钥闯�，DP是WiMAX接入核心網(wǎng)的基礎(chǔ)模塊，具有重要研究意義。

1、WiMAX網(wǎng)絡(luò)參考模型

WiMAX是基于IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)的無線城域網(wǎng)技術(shù)。它在“最后一公里”接入技術(shù)中占據(jù)重要地位。WiMAX將網(wǎng)絡(luò)分成移動站（MS）、網(wǎng)絡(luò)接入提供商（NAP）和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供商（NSP）3部分。其中，NAP可以由多個(gè)接入業(yè)務(wù)網(wǎng)（ASN）組成，ASN中有基站（BS）和網(wǎng)關(guān)（GW）兩個(gè)基本網(wǎng)元。NSP由連接業(yè)務(wù)網(wǎng)（CSN）組成。

2、WiMAX接入核心網(wǎng)中的數(shù)據(jù)通道技術(shù)

2.1　WiMAX終端從入網(wǎng)到退網(wǎng)流程

WiMAX接入核心網(wǎng)指的就是ASN，它由BS和GW兩個(gè)網(wǎng)元組成。MS開機(jī)后，首先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)與選擇，主要是發(fā)現(xiàn)NAP，選擇NSP以及與NSP相關(guān)的NAP。然后進(jìn)行鑒權(quán)注冊，這個(gè)過程主要是進(jìn)行認(rèn)證以及密鑰的分發(fā)。接著就是初始業(yè)務(wù)流（ISF）與DP建立。之后就是自舉，主要是為了獲取家鄉(xiāng)鏈路的信息。自舉之后，就是MIP注冊了。隨后可能會切換，也有可能進(jìn)入空閑模式，再到關(guān)機(jī)。

2.2　WiMAX接入核心網(wǎng)中的數(shù)據(jù)通道

數(shù)據(jù)通道就是為了完成BS與BS之間、BS與ASN-GW之間以及ASN-GW與ASN-GW之間的數(shù)據(jù)傳輸，通過應(yīng)用層會話，選擇、建立以及管理相應(yīng)的隧道傳輸技術(shù)。為了在切換中保證低時(shí)延的連接，可以選擇性地使用數(shù)據(jù)通道功能來解決。每個(gè)數(shù)據(jù)通道功能負(fù)責(zé)實(shí)例化和管理它與另一個(gè)數(shù)據(jù)通道功能之間的數(shù)據(jù)承載。數(shù)據(jù)通道承載的負(fù)載通常有兩種：一種是IP或Ethernet數(shù)據(jù)包；另一種是IEEE 802.16e MACSDU數(shù)據(jù)包。

數(shù)據(jù)通道（承載）功能按照各部分在切換和初始網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入中扮演的角色可進(jìn)一步劃分為Anchor DP功能、服務(wù)DP功能、目標(biāo)DP功能和中繼DP功能。

扮演Anchor DP功能這個(gè)角色的功能實(shí)體駐留在Anchor GW這個(gè)物理實(shí)體上，是通往CSN的出口。該功能實(shí)體錨定包括切換過程在內(nèi)的與MS相關(guān)的數(shù)據(jù)通道。它使用網(wǎng)絡(luò)層隧道技術(shù)將接收到的數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)DP功能所在網(wǎng)元。對處于切換過程中的MS，該功能為來自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)提供緩沖區(qū)，并保持關(guān)于承載的狀態(tài)信息，降低了丟包率。

扮演服務(wù)DP功能這個(gè)角色的功能實(shí)體通常駐留在服務(wù)BS物理實(shí)體上，它與服務(wù)物理層和MAC層功能關(guān)聯(lián)，負(fù)責(zé)向MS發(fā)送所有消息。該功能通過物理隧道與Anchor DP功能通信，轉(zhuǎn)發(fā)或接收MS數(shù)據(jù)分組。

目標(biāo)DP功能，是在切換過程中提出來的概念，相對服務(wù)DP功能而言的。通俗而言，目標(biāo)DP功能就是可能成為服務(wù)DP功能，是MS切換時(shí)候選的BS上的DP功能實(shí)體。它與Anchor DP功能交互，準(zhǔn)備在切換完成后建立數(shù)據(jù)通道以取代當(dāng)前的數(shù)據(jù)通道。成功切換后，該功能轉(zhuǎn)為服務(wù)DP功能。

中繼DP功能，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)來自于服務(wù)DP功能和Anchor DP間的消息。

2.3　數(shù)據(jù)通道的操作分類

數(shù)據(jù)通道有預(yù)建立、建立、修改以及刪除四種操作，都是網(wǎng)元間對等功能實(shí)體間會話。一般是由觸發(fā)模塊發(fā)送DP觸發(fā)消息，接收該觸發(fā)消息的模塊通常稱為發(fā)送端，再向目的端發(fā)送：DP請求消息。目的端收到請求消息后，回送響應(yīng)消息。發(fā)送端收到響應(yīng)消息后，再發(fā)送確認(rèn)消息。目的端收到確認(rèn)消息后，兩個(gè)對等端就進(jìn)入數(shù)據(jù)通道建立狀態(tài)，它們就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信了。

數(shù)據(jù)通道的預(yù)建立操作用于ASN切換準(zhǔn)備階段，在目標(biāo)BS與Anchor GW間預(yù)先建立數(shù)據(jù)通道。這樣可以減少M(fèi)S切換時(shí)延、降低丟包率，以達(dá)到平滑、無縫切換。

數(shù)據(jù)通道的建立在很多場景下都會出現(xiàn)，如：入網(wǎng)起始業(yè)務(wù)流和數(shù)據(jù)通道的建立、ASN切換執(zhí)行階段的數(shù)據(jù)通道建立、CSN錨點(diǎn)切換以及退出空閑模式建立DP等。

數(shù)據(jù)通道的修改消息通常用于捎帶業(yè)務(wù)流的建立、修改和刪除信息至BS-SFM模塊，輔助完成業(yè)務(wù)流的操作。數(shù)據(jù)通道的刪除操作出現(xiàn)在ASN切換、CSN切換、進(jìn)入idle模式以及退網(wǎng)階段。

3、WiMAX接入核心網(wǎng)中的數(shù)據(jù)通道技術(shù)應(yīng)用的幾種典型場景

3.1　起始業(yè)務(wù)流與數(shù)據(jù)通道的建立

在網(wǎng)絡(luò)接入階段，用戶的QoS Profile被從AAA下載到SFA中。MS完成接入認(rèn)證后，ASN內(nèi)的authenticator觸發(fā)GW中的Anchor SFA進(jìn)行初始業(yè)務(wù)流的建立。ISF是一種特殊的預(yù)定義業(yè)務(wù)流（PSF），在一系列的預(yù)配置單播業(yè)務(wù)流中，第一對業(yè)務(wù)流由SFA初始化的業(yè)務(wù)流稱為ISF。ISF的目的是：MS和ASN使用其傳送delay tolerant控制業(yè)務(wù)，如IP配置管理和IP client應(yīng)用信令（DHCP信令、RA、MIP、SIP等)。在建立初始業(yè)務(wù)流的階段，由于沒有建立DP，故在建立業(yè)務(wù)流的同時(shí)，必須要建立DP。因此，WiMAX提出了一種機(jī)制，可以在建立DP的同時(shí)，也將ISF建立完畢。主要是通過將SF信息附帶在DP建立請求的消息中，捎帶至BS-SFM，完成業(yè)務(wù)流和DP建立。其消息流程圖如圖1所示。

圖1　起始業(yè)務(wù)流與數(shù)據(jù)通道的建立

從圖1可以清楚地看出，QoS模塊是如何利用DP消息捎帶業(yè)務(wù)流信息建立起始業(yè)務(wù)流的整個(gè)過程。

3.2　ASN切換準(zhǔn)備階段的數(shù)據(jù)通道預(yù)建立

在ASN切換準(zhǔn)備階段，成為MS切換的候選BS，也就是目標(biāo)BS，需要與Anchor GW進(jìn)行數(shù)據(jù)通道的預(yù)建立，以便在切換執(zhí)行階段減少信令交互，減少切換時(shí)延。預(yù)建立會讓下行數(shù)據(jù)保留在目標(biāo)BS中，這樣等到MS切換到該BS下時(shí)，就可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到MS，降低了丟包率，以達(dá)到平滑、無縫切換。圖2給出了ASN切換準(zhǔn)備階段的數(shù)據(jù)通道預(yù)建立的消息流程。

圖2　ASN切換準(zhǔn)備階段的數(shù)據(jù)通道預(yù)建立

3.3　退網(wǎng)階段的數(shù)據(jù)通道刪除

WiMAX終端退網(wǎng)時(shí)可以由網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)，也可以由MS觸發(fā)。退網(wǎng)時(shí)需要?jiǎng)h除業(yè)務(wù)流和數(shù)據(jù)通道。圖3給出了消息流圖。

圖3　退網(wǎng)階段的業(yè)務(wù)流刪除以及數(shù)據(jù)通道的刪除

從圖3可以看出，在退網(wǎng)階段，DP的刪除過程是由BS上的16e模塊觸發(fā)，BS上的DP模塊接收到觸發(fā)請求后，發(fā)送數(shù)據(jù)通道刪除請求消息至GW的DP模塊，然后作業(yè)務(wù)流的刪除操作。整個(gè)業(yè)務(wù)流刪除的過程在數(shù)據(jù)通道刪除過程中間。等待業(yè)務(wù)流刪除完畢，繼續(xù)完成DP刪除操作，直至DP刪除完畢。

4、結(jié)束語

由于WiMAX的傳輸速率高，傳輸距離遠(yuǎn)，有QoS保障等各種優(yōu)點(diǎn)，相對其他技術(shù)而言，WiMAX作為一種無線城域網(wǎng)的解決方案更具有優(yōu)勢、更加貼近實(shí)際。

數(shù)據(jù)通道實(shí)際上是為了完成BS與BS之間、BS與ASN-GW之間以及ASN-GW與ASN-GW之間的數(shù)據(jù)傳輸，通過應(yīng)用層會話，選擇、建立以及管理相應(yīng)的隧道傳輸技術(shù)。數(shù)據(jù)通道的預(yù)建立、建立、修改和刪除操作都是通過三次握手完成。在入網(wǎng)起始業(yè)務(wù)流建立、切換、尋呼、退網(wǎng)等各種場景下都將用到DP操作。

綜上所述，數(shù)據(jù)通道不僅僅完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)某休d功能，而且還與業(yè)務(wù)流、切換等息息相關(guān)，因而，數(shù)據(jù)通道技術(shù)是構(gòu)建整個(gè)ASN接入核心網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，是BS和ASN-GW網(wǎng)元中不可缺少的功能模塊。