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1、移動(dòng)WiMAX系統(tǒng)中的切換優(yōu)化方案分析 熊尚坤，王慶揚(yáng) （中國(guó)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(duì)移動(dòng)WiMAX系統(tǒng)定義了標(biāo)準(zhǔn)的切換機(jī)制。為實(shí)現(xiàn)全移動(dòng)的目標(biāo)，應(yīng)盡量減少移動(dòng)WiMAX系統(tǒng)的切換時(shí)延，同時(shí)保證切換過(guò)程中數(shù)據(jù)的完整性。本文簡(jiǎn)單介紹了WiMAX系統(tǒng)基本原理和移動(dòng)性管理機(jī)制，詳細(xì)分析了在移動(dòng)WiMAX系統(tǒng)中如何優(yōu)化切換時(shí)延，同時(shí)提出了一種合理的保證數(shù)據(jù)完整性的切換方案。 關(guān)鍵詞　移動(dòng)WiMAX；移動(dòng)性管理；切換優(yōu)化 1　引言 移動(dòng)多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的高速增長(zhǎng)，推動(dòng)了無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展。移動(dòng)WiMAX技術(shù)是

2、以IEEE 802.16系列標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的寬帶無(wú)線接入技術(shù)，近兩年來(lái)發(fā)展迅速，逐漸成為城域?qū)拵o(wú)線接入技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)。 移動(dòng)WiMAX的空中接口標(biāo)準(zhǔn)——IEEE 802.16e，與IEEE 802.16d相比最明顯的區(qū)別就是增加了移動(dòng)性方面的內(nèi)容，將固定寬帶無(wú)線接入標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)為移動(dòng)寬帶無(wú)線接入標(biāo)準(zhǔn)。WiMAX論壇也提出了實(shí)現(xiàn)支持全移動(dòng) （full mobility）的目標(biāo)，要求支持的移動(dòng)速度達(dá)到120 km/h，保持會(huì)話的連續(xù)性，切換時(shí)延小于50 ms，切換過(guò)程中MAC層的丟包率不超過(guò)1%。因此，如何減少切換時(shí)延和保證數(shù)據(jù)的完整性成為切換優(yōu)化的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。 2　WiMAX系統(tǒng)基本原理 Wi

3、MAX技術(shù)的主要特點(diǎn)是：無(wú)線側(cè)采用OFDMA、HARQ、MIMO、AAS等關(guān)鍵技術(shù)，提高了空中接口的頻譜效率；網(wǎng)絡(luò)側(cè)采用扁平的、基于IP的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和開放的接口，有利于減小端到端時(shí)延，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。 移動(dòng)WiMAX端到端的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由終端、BS（基站）、ASN-WG（接入網(wǎng)關(guān)）和CSN （連接服務(wù)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(shí)現(xiàn)與終端的空中接口通信，實(shí)現(xiàn)物理層和MAC層功能以及無(wú)線資源管理功能。WiMAX基站向上通過(guò)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(luò)中的RNC、SGSN和GGS

4、N，實(shí)現(xiàn)流量管理、計(jì)費(fèi)和QoS控制等功能。CSN由HA （家庭代理）、AAA、DHCP以及計(jì)費(fèi)等服務(wù)器組成，分別實(shí)現(xiàn)移動(dòng)IP、用戶管理和鑒權(quán)、地址管理和賬單管理等功能。 移動(dòng)WiMAX系統(tǒng)借鑒了傳統(tǒng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理機(jī)制，在移動(dòng)WiMAX系統(tǒng)中完整的移動(dòng)性管理機(jī)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(diǎn)關(guān)注切換過(guò)程。 移動(dòng)WiMAX系統(tǒng)中的切換過(guò)程包括IP層切換和MAC層切換兩個(gè)部分，IP層切換發(fā)生在跨ASN切換過(guò)程中，可由移動(dòng)IP機(jī)制實(shí)現(xiàn)，本文不作具體描述，以下重點(diǎn)介紹的是MAC層切換優(yōu)化方案。3　移動(dòng)WiMAX系統(tǒng)的切換優(yōu)化 在NWG標(biāo)準(zhǔn)中，切換過(guò)

5、程分為切換準(zhǔn)備和切換執(zhí)行兩個(gè)階段，如圖2和圖3實(shí)線箭頭所示。對(duì)業(yè)務(wù)造成影響的主要是切換執(zhí)行階段的時(shí)延，其主要是MS在目標(biāo)基站的重入網(wǎng)時(shí)延，在此深入分析如何簡(jiǎn)化重入網(wǎng)過(guò)程，減少重入網(wǎng)時(shí)延，達(dá)到減少切換時(shí)延的目的。 完整的MS重入網(wǎng)流程如圖4所示，其中實(shí)線框表示必須執(zhí)行的步驟，虛線框表示可以通過(guò)優(yōu)化省略的步驟。 （1）MS搜索前導(dǎo)序列，實(shí)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(guò)鄰區(qū)廣播獲得目標(biāo)基站的頻點(diǎn)和BSID，從而加速這個(gè)過(guò)程。 （2）MS讀取目標(biāo)基站的DCD和UCD消息。由于MS在切換之前可以通過(guò)鄰區(qū)廣播獲得目標(biāo)

6、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(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的CDMA測(cè)距方法獲得步驟（4）中的RNG-REQ（測(cè)距請(qǐng)求）。優(yōu)化方案中，目標(biāo)基站從服務(wù)基站獲得切換發(fā)生時(shí)間，為MS主動(dòng)分配一個(gè)快速測(cè)距IE（Fast_Ranging IE），實(shí)現(xiàn)快速測(cè)距，這樣該步驟可以省略。 （4）MS通過(guò)RNG-REQ/ RNG-RSP（測(cè)距響應(yīng)）方式獲取CID等相關(guān)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(guò)步驟（4）中RNG-RSP完成，由于切換過(guò)程中IP連接沒有發(fā)生中斷，因此無(wú)需重新建立。 （9）切換完成。 按照

7、以上的切換優(yōu)化方案，下面從MS側(cè)來(lái)簡(jiǎn)單分析切換的信令面執(zhí)行時(shí)間。 （1）MS在服務(wù)基站發(fā)送MOB_HO-IND，空中接口時(shí)延為5 ms（1幀）。 （2）調(diào)整發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的頻點(diǎn)等，搜索目標(biāo)基站的前導(dǎo)序列，實(shí)現(xiàn)下行同步。這個(gè)步驟所需的時(shí)間不確定，與終端的性能和目標(biāo)基站的信號(hào)質(zhì)量等因素相關(guān)，理想情況下為10~25 ms（2～5幀）。 （3）MS通過(guò)快速測(cè)距 IE分配的區(qū)域發(fā)送RNG-REQ，目標(biāo)基站可以在收到RNG-REQ的第3幀回復(fù)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(shí)延可以控制在30～45 ms。 在目前標(biāo)準(zhǔn)的切換

8、流程中，暫沒有考慮數(shù)據(jù)完整性保護(hù)，當(dāng)MS在目標(biāo)基站重入網(wǎng)后，服務(wù)基站緩存在SDU的數(shù)據(jù)都被丟棄，MS只能通過(guò)目標(biāo)基站從AnchorASN-WG獲取之后的數(shù)據(jù)單元，這樣勢(shì)必會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失。下面基于標(biāo)準(zhǔn)的切換流程，提出一種數(shù)據(jù)完整性保護(hù)方案。圖2和圖3中實(shí)線標(biāo)注的流程是NWG標(biāo)準(zhǔn)中的切換流程，虛線標(biāo)注的流程則用于切換過(guò)程中的數(shù)據(jù)完整性保護(hù)。 如圖2所示，在切換準(zhǔn)備階段開始緩存下行的SDU，此時(shí)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(dāng)確定了目標(biāo)基站后，目標(biāo)基站與服務(wù)基站通過(guò)中繼ASN-WG建立一個(gè)數(shù)據(jù)隧道，服務(wù)基站將緩存的SDU通過(guò)數(shù)據(jù)隧道轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)基站。MS在目標(biāo)基站實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重入之后

9、，MS向目標(biāo)基站發(fā)送SDU SN報(bào)告，報(bào)告從服務(wù)基站收到的最后一個(gè)SDU的SN序列號(hào)；同時(shí)目標(biāo)基站已在HO_Cnf消息中獲得MAC層的相關(guān)上下文，因此目標(biāo)基站可以從下一個(gè)SDU開始向MS發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣數(shù)據(jù)就不會(huì)丟失，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的完整性保護(hù)。 4　結(jié)束語(yǔ) 移動(dòng)WiMAX系統(tǒng)相對(duì)于固定無(wú)線接入系統(tǒng)的主要特征是增強(qiáng)了移動(dòng)性管理機(jī)制，本文介紹了移動(dòng)WiMAX系統(tǒng)移動(dòng)性管理機(jī)制，詳細(xì)分析了移動(dòng)WiMAX系統(tǒng)切換過(guò)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(hù)方案，有利于減少切換時(shí)延和保證切換中的數(shù)據(jù)完整性，對(duì)于移動(dòng)WiMAX網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的QoS保證有著重要的意義。 Analysis

10、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

11、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）