移動WiMAX系統(tǒng)中的切換優(yōu)化方案分析

移動WiMAX系統(tǒng)中的切換優(yōu)化方案分析 熊尚坤，王慶揚 （中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州 510630） 摘　要 IEEE和WiMAX論壇相繼針對移動WiMAX系統(tǒng)定義了標準的切換機制。為實現(xiàn)全移動的目標，應盡量減少移動WiMAX系統(tǒng)的切換時延，同時保證切換過程中數(shù)據(jù)的完整性。本文簡單介紹了WiMAX系統(tǒng)基本原理和移動性管理機制，詳細分析了在移動WiMAX系統(tǒng)中如何優(yōu)化切換時延，同時提出了一種合理的保證數(shù)據(jù)完整性的切換方案。 關鍵詞　移動WiMAX；移動性管理；切換優(yōu)化 1　引言 移動多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務需求的高速增長，推動了無線通信技術的快速發(fā)展。移動WiMAX技術是以IEEE 802.16系列標準為基礎的寬帶無線接入技術，近兩年來發(fā)展迅速，逐漸成為城域寬帶無線接入技術的發(fā)展熱點。 移動WiMAX的空中接口標準——IEEE 802.16e，與IEEE 802.16d相比最明顯的區(qū)別就是增加了移動性方面的內容，將固定寬帶無線接入標準增強為移動寬帶無線接入標準。WiMAX論壇也提出了實現(xiàn)支持全移動 （full mobility）的目標，要求支持的移動速度達到120 km/h，保持會話的連續(xù)性，切換時延小于50 ms，切換過程中MAC層的丟包率不超過1%。因此，如何減少切換時延和保證數(shù)據(jù)的完整性成為切換優(yōu)化的兩個關鍵問題。 2　WiMAX系統(tǒng)基本原理 WiMAX技術的主要特點是：無線側采用OFDMA、HARQ、MIMO、AAS等關鍵技術，提高了空中接口的頻譜效率；網(wǎng)絡側采用扁平的、基于IP的網(wǎng)絡架構和開放的接口，有利于減小端到端時延，降低網(wǎng)絡建設成本。 移動WiMAX端到端的網(wǎng)絡系統(tǒng)主要由終端、BS（基站）、ASN-WG（接入網(wǎng)關）和CSN （連接服務網(wǎng)）組成，如圖1所示。 WiMAX終端包括PCMCIA卡、PDA以及智能手持終端等。WiMAX基站向下實現(xiàn)與終端的空中接口通信，實現(xiàn)物理層和MAC層功能以及無線資源管理功能。WiMAX基站向上通過基于IP的開放接口與AGW-GW連接，ASN-GW代替?zhèn)鹘y(tǒng)3G網(wǎng)絡中的RNC、SGSN和GGSN，實現(xiàn)流量管理、計費和QoS控制等功能。CSN由HA （家庭代理）、AAA、DHCP以及計費等服務器組成，分別實現(xiàn)移動IP、用戶管理和鑒權、地址管理和賬單管理等功能。 移動WiMAX系統(tǒng)借鑒了傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡的移動性管理機制，在移動WiMAX系統(tǒng)中完整的移動性管理機制包括狀態(tài)管理、位置和尋呼管理、二層/三層切換管理以及漫游管理，本文重點關注切換過程。 移動WiMAX系統(tǒng)中的切換過程包括IP層切換和MAC層切換兩個部分，IP層切換發(fā)生在跨ASN切換過程中，可由移動IP機制實現(xiàn)，本文不作具體描述，以下重點介紹的是MAC層切換優(yōu)化方案。3　移動WiMAX系統(tǒng)的切換優(yōu)化 在NWG標準中，切換過程分為切換準備和切換執(zhí)行兩個階段，如圖2和圖3實線箭頭所示。對業(yè)務造成影響的主要是切換執(zhí)行階段的時延，其主要是MS在目標基站的重入網(wǎng)時延，在此深入分析如何簡化重入網(wǎng)過程，減少重入網(wǎng)時延，達到減少切換時延的目的。 完整的MS重入網(wǎng)流程如圖4所示，其中實線框表示必須執(zhí)行的步驟，虛線框表示可以通過優(yōu)化省略的步驟。 （1）MS搜索前導序列，實現(xiàn)下行同步，讀取FCH、DL_MAP、UL_MAP等信息。該步驟是必備步驟，但是MS在切換之前可以通過鄰區(qū)廣播獲得目標基站的頻點和BSID，從而加速這個過程。 （2）MS讀取目標基站的DCD和UCD消息。由于MS在切換之前可以通過鄰區(qū)廣播獲得目標基站的DCD和UCD消息，因此該步驟可以省略。 （3）采用傳統(tǒng)的基于競爭機制的CDMA測距方法獲得步驟（4）中的RNG-REQ（測距請求）。優(yōu)化方案中，目標基站從服務基站獲得切換發(fā)生時間，為MS主動分配一個快速測距IE（Fast_Ranging IE），實現(xiàn)快速測距，這樣該步驟可以省略。 （4）MS通過RNG-REQ/ RNG-RSP（測距響應）方式獲取CID等相關參數(shù)。該步驟不可缺少。 （5）~（8）這些步驟都可以省略，其中步驟（5）、（6）、（7）中需要更新的參數(shù)可以通過步驟（4）中RNG-RSP完成，由于切換過程中IP連接沒有發(fā)生中斷，因此無需重新建立。 （9）切換完成。 按照以上的切換優(yōu)化方案，下面從MS側來簡單分析切換的信令面執(zhí)行時間。 （1）MS在服務基站發(fā)送MOB_HO-IND，空中接口時延為5 ms（1幀）。 （2）調整發(fā)射機、接收機的頻點等，搜索目標基站的前導序列，實現(xiàn)下行同步。這個步驟所需的時間不確定，與終端的性能和目標基站的信號質量等因素相關，理想情況下為10~25 ms（2～5幀）。 （3）MS通過快速測距 IE分配的區(qū)域發(fā)送RNG-REQ，目標基站可以在收到RNG-REQ的第3幀回復RNG-RSP，該步驟需要15 ms（3幀）。 由上可見，采用優(yōu)化的切換方案后，理想情況下切換執(zhí)行的信令面時延可以控制在30～45 ms。 在目前標準的切換流程中，暫沒有考慮數(shù)據(jù)完整性保護，當MS在目標基站重入網(wǎng)后，服務基站緩存在SDU的數(shù)據(jù)都被丟棄，MS只能通過目標基站從AnchorASN-WG獲取之后的數(shù)據(jù)單元，這樣勢必會造成數(shù)據(jù)的丟失。下面基于標準的切換流程，提出一種數(shù)據(jù)完整性保護方案。圖2和圖3中實線標注的流程是NWG標準中的切換流程，虛線標注的流程則用于切換過程中的數(shù)據(jù)完整性保護。 如圖2所示，在切換準備階段開始緩存下行的SDU，此時數(shù)據(jù)繼續(xù)下發(fā)給MS。如圖3所示，在切換執(zhí)行階段，當確定了目標基站后，目標基站與服務基站通過中繼ASN-WG建立一個數(shù)據(jù)隧道，服務基站將緩存的SDU通過數(shù)據(jù)隧道轉發(fā)給目標基站。MS在目標基站實現(xiàn)網(wǎng)絡重入之后，MS向目標基站發(fā)送SDU SN報告，報告從服務基站收到的最后一個SDU的SN序列號；同時目標基站已在HO_Cnf消息中獲得MAC層的相關上下文，因此目標基站可以從下一個SDU開始向MS發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣數(shù)據(jù)就不會丟失，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的完整性保護。 4　結束語 移動WiMAX系統(tǒng)相對于固定無線接入系統(tǒng)的主要特征是增強了移動性管理機制，本文介紹了移動WiMAX系統(tǒng)移動性管理機制，詳細分析了移動WiMAX系統(tǒng)切換過程中的重入網(wǎng)優(yōu)化方案，并提出了一種切換的數(shù)據(jù)完整性保護方案，有利于減少切換時延和保證切換中的數(shù)據(jù)完整性，對于移動WiMAX網(wǎng)絡中實時業(yè)務的QoS保證有著重要的意義。 Analysis on Handover Optimization and Realization Mechanism in Mobile WiMAX System Xiong Shangkun, Wang Qingyang (Guangdong Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China) Abstract IEEE and WiMAX forum both defined normative procedure of handover for mobile WiMAX system. In order to achieve “full mobility”, mobile WiMAX system shall minimize handover latency and support data integrity during handover. In this paper, principles of WiMAX system and mechanisms of mobility management are introduced, how to shorten the handover latency is detailed and a data integrity mechanism during handover is proposed. Key words mobile WiMAX, mobility management, handover optimization （收稿日期：2008-04-10）