基于WiMAX網絡的切換管理研究
基于IEEE 802.16協議族的WiMAX網絡將按照固定、游牧、移動的趨勢發展，其中802.16e協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的網絡系統結構，詳細描述了WiMAX網絡系統結構中有關系統內和系統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（Wireless MAN）的發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。從協議進展的歷程可以看出，WiMAX網絡的發展趨勢為固定→游牧→移動[2]，并將最終成為全面支持移動性的網絡。WiMAX網絡具備支持漫游和移動業務的能力，其移動性管理對網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下，保障激活業務的服務質量，將對WiMAX網絡結構以及組網方式有著重要的影響[3]。
2、WiMAX網絡系統結構
作為WiMAX網絡的參考架構，整個網絡分成接入網（WiMAX_AN）和核心網（WiMAX_CSN）兩大部分，WiMAX網絡系統結構如圖1所示。
圖1 WiMAX網絡系統結構
WiMAX網絡系統結構主要包括WiMAX接入網（WiMAX_AN）和WiMAX核心網（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、用戶數據庫、互聯網關等。 #p#
3、WiMAX網絡的切換管理
切換管理是在終端移動狀態下，保障激活業務的服務質量。WiMAX網絡系統的切換主要有系統內切換和系統間的切換。
3.1 系統內切換
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協議中規定的各種切換，描述intra-ASN切換（層2切換）的觸發機制和切換流程，對于intra-ASN切換，采用了R8接口實現BS間的通訊。切換場景主要參考圖2的網絡參考模型。
圖2 網絡參考模型
3.1.1 切換機制
在OFDMA系統中，MS或BS主要根據CINR來決定切換。為了獲得準確可靠的CINR值，MS應該連續測量鄰區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，這種連續的CINR測量都是必須的。根據802.16e協議規定，可以通過掃描請求和掃描響應消息使MS周期掃描鄰區BS。
當MS在切換區時，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起切換。
3.1.2 切換流程
無論發起方是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發起
MM_UnRegister：該消息從Serving BS發送到ASN GW，告訴ASN GW拆掉對應MS在s-BS上的業務流通道（R6隧道）。
MM_Register：該消息從t-BS發送到ASN GW，告訴ASN GW對應的MS業務流數據可以發送新的s-BS。 #p#
3.2 系統間切換
跨ASN-GW切換可采用以下兩種方式實現：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的切換是由網絡側發起的，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）切換的觸發條件發生；（2）基于Intra-ASN的移動事件或系統的資源優化流程，ASN-GW的FA模塊將向MS發送FA代理公告消息；（3）根據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發送MIP注冊消息，以保證MS會話連續性；（4）FA向HA轉發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技術的發展，出現了移動IP快速切換（FMIPv6）[4]，在此我們結合WiMAX網絡，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）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在消息中發現一個新的鄰居BS，它將執行掃描過程。當通過MOB-NBR-ADV消息或者掃描過程發現新BS時，MS的鏈路層通知它的網絡（FMIP）發現新的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發送MOB-MSHO-REQ消息發起切換，從s-BS接收MOB-BSHO-RSP。s-BS也可以通過發送MOB-BSHO-REQ給MS發起切換。（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LGD消息給它的網絡層，發送FBU消息。（5）如果MS不能在現在的鏈路上收到FBACK消息，則會轉向反映模式。對目標BS執行完切換后，MS執行802.16e網絡入口進程。（6）一旦完成網絡入口和ISF的設置，MS的鏈路層立即用LUP消息通告它的網絡層，MS發送封裝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選項發給MS，否則它必須傳輸發往MS的數據包。
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MIP功能，而MS不需要實現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的切換觸發條件發生——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的后續前向報文發往目標ASN-GW。
觸發目標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網絡不僅需要完善的空中接口，也需要適合移動性的網絡體系架構。本文主要針對WiMAX系統網絡的切換進行了討論，給出了詳細的流程圖和主要步驟。
隨著無線網絡技術的快速發展，怎樣使用戶正在進行的網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、穩定的切換算法將是我們下一步的研究重點。
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