（通信与信息系统专业论文）wimax快速切换策略研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着人们对无线宽带接入的需求日益增长，目前的移动通信网络已无法满足逐年递 增的移动宽带用户对数据速率、业务能力、服务多样化的要求。无论是在现有的3 g 移 动通信技术基础上不断进化的b 3 g 技术，还是在传统局域网标准8 0 2 1 1 系列基础上改 进的8 0 2 11 n ，都在为满足用户需求而改进。与b 3 g 和8 0 2 1 1 n 两种技术相比，不断发 展的w m l a x 拥有与其相似的设计目标，但是其组网的灵活性更大。目前8 0 2 1 6 工作 组最新版本协议8 0 2 1 6 m 已经推出，更多新技术应用其中，通信性能的提高可与现有 的最新的商用通信技术媲美。 但目前使用的8 0 2 1 6 e 标准在对移动性的支持方面尚不完善，尤其在切换时延方面 还有很大的提升空间。由于大数据量传输下要保持通信质量要求切换时延( 包括l 3 切 换在内) 在2 0 0 m s 以内，否则服务质量将无法保证。所以，切换策略对于下一代w i m a x 投入市场有很大的影响，快速有效的切换策略会使得其在移动通信领域更有竞争力。 本文首先针对用户带宽需求设计出一种考虑用户传输所需带宽的w i 燃切换方 案，该切换方案由于只对满足带宽需求的基站进行扫描，因而减少了不必要的扫描时 间，降低了切换时延。接下来，在分析现有的w i m a x 能量检测方式的基础上，提出 了利用8 0 2 1 6 e 扫描信令实现w i m a x 能量检测，基于该检测方式设计了基于能量检测 的w i m a x 切换方案，并在不同场景下对其性能进行仿真分析。仿真结果表明：采用 基于能量检测的算法性能优于原8 0 2 1 6 e 切换流程。论文最后设计实现了一种基于移动 方向预测的w i 切换方案，探讨了基于不同移动方向预测算法的w i 删切换方 案的性能。仿真分析表明：采用移动方向预测的切换方案比原8 0 2 1 6 e 切换流程性能更 优越。 关键词：w i ，8 0 2 1 6 e ，切换，扫描，能量检测，移动方向预测 a b s t r a c t a sd e m 吼d sf o rw i r e l e s sb r o a d b a l l da c c e s si sg r o w i n g ，c u r r e n tm o b i l ec o m m u l l i c a t i o n n e t 、) 旧r ki sd i f j f i c u l tt om e e tu s e r s r e q u i r e m e mf o rm g hd a t ar a t e ，g o o d 叩e r a t i o na b i l i t ) ，a n d s e n ，i c ed i v e r s 埘s on o w a d a y sm a i l yt e c l l l l 0 1 0 9 i e sa r ed e v e l 叩e d ，s u c ha st h ee v 0 1 v i i l gb 3 g t e c l l i l 0 1 0 9 yb a s e do nt l l ee x i s t e d3 gm o b i l ec o m m u i l i c a t i o nt e c h n o l o g y ，a 1 1 dt l l e8 0 2 1 1n w h j c hi si m p r o v e di i lt h et r a d i t i o n a ll a ns t a i l d a r d8 0 2 1 1s e r i e s c o m p a r e dw i 廿lb 3 ga 1 1 d 8 0 2 1 1 ，w i m a xh a sf a m i l i a rt a 玛e t ，b u ti sm o r en e x i b l e b yf 打，廿l e1 a t e s tv e r s i o no f8 0 2 16 f 锄1 i l y 一8 0 2 16 ml l a 略b e e nr e l e a s e d ，“c o m p r i s e sm o r eu p - t o - d a t et e c l l l l o l o g ya s p e c t s ， w 1 1 i c hm a l ( e si t sp e r f b 髓a n c eo fc o m m u m c a t i o na sg o o da st l l ee x i s t i n gl a t e s tc o m m e r c i a l c o m m 砌c a t i o nt e c l l n 0 1 0 9 y h o 、e v e r ，也ec u r r e n t8 0 2 16 es t a n d a r di s n 、p e r f e c to ns u p p o r t i n gm o b i l i 够y e t ， e s p e c i a l l yh a i l d o v e rd e l a yn e n ，a ls t i l lc a nb es h o r t e ni 1 1s o m ed e 铲e e d a t a 仃a i l s m i s s i o ni n l 甜g ea m o u n tw i t hg o o dc o m m l m i c a t i o nq u a l i 够r e q u i r e sm a th a n d o v e rd e l a y ( i n c l u d i i l gl 3 h a n d o v e r ) s h o u l db el e s st 1 1 a 1 12 0 0m s ，o t h e 刑i s es e r v i c eq u a l 时c a n tb eg u a r a n t e e d n l u s h a n d o v e rs 仃a t e g yl l a sa 伊e a ti n f l u e n c eo nm a r k e tp l a l lo ft h en e x tg e n e r a t i o nw i ma x ，a n d f 如te f f e c t i v eh a j l d o v e rs 仃a t e g ym a k e sw i m l 气xm o r e c o m p e t i t i v e i 1 1廿l em o b i l e c o m m u l l i c a t i o nf i e l d 1 1 1t h i sp a p e r ，ah a n d o v e rs c h e m ec o n s i d e r i l l gl l s e r sb a n d 、) l ，i d t hr e q u i r e m e n ti s d e s i g n e d a tf i r s t b e c a u s eo m yb a s es t a t i o i l s 廿1 a tm l f i l lu s e r sb a n d 晰d t hn e e da r es c a n e d ，s o m e u n n e s s e s a 巧s c a ni se x c l u d e d ， a n ds c a nt i i n ei sr e d u c e d n e x t ，ap o w e rd e t e c t i o nu s i n g 8 0 2 16 es c a nm e s s a g e si sp r e s e n t e db a s e do na 1 1e x i s t e dp o 、v e rd e t e c t i o ns c h e m e t 1 1 r o u 曲 也es i m m a t i o no f 也eh a r l d o v e rs h c e m ew h j c ht a k e su s eo ft h i sp o w e rd e t e c t i o ns 0 1 u t i o n ，i t s h o w st 1 1 a tt 1 1 ek m d o v e rs h c e m ei sb e t t e rt h a nt l l eo r i g i l l a l8 0 2 16 eh a n d o v e rs o l m i o n a t1 a s t ， aw i m a xh a l l d o v e rs c h e m eb a s e d0 nm o v i n gd i r e c t i o np r e d i c t i o ni s p r e s e n t e d ，a i l dt 1 1 i s h a n d o v e rs c h e m e谢n 1d i f r e r e m m o b i l i 够p r e d i c t i o na l g o r i t h n i s a n a l y s e dt 1 1 r o u 曲 s i m u l a t i o n s t h er e s l l l t ss h o wt 1 1 a tt 1 1 eh a j l d o v e rs c h e m eb a s e do nm o b i l i t ) ，p r e d i c t i o ni s b e t t e rt l l a nt l l eo r i g i n a l8 0 2 16 eh a l l d o v e rs o l u t i o n k e y 、 ，0 r d s ：w i m a x ， 8 0 2 16 e ，h a n d o v e r ，s c a n ，p o 、v e rd e t e c t i o n ，m o b i l i t yp r e d i c t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 近几年，随着人们对网络服务和多媒体应用的无线接入方式的兴趣越来越大，现有 无线网络的带宽和硬件水平已经无法满足与日俱增的无线宽带用户的需求。这迫使运 营商和研究人员开始研究能够提供更大带宽、支持更高移动速率、较低成本的无线移 动接入技术。w i m a x 正是在这样的背景下产生，并且紧随社会需求而不断发展。 1 1 选题依据及课题意义 ?由w 谢i l 】引导的全口无线局域网技术的普遍应用启发了运营商和研究人员，更多 的运营商和厂商开始联合推动8 0 2 1 6 【2 j 工作组和w i m a x 论坛的工作，从而研发出一 种全新的端到端解决方案，进而解决日渐增大的无线移动宽带需求。于是，8 0 2 1 6 协 议系列成为全i p 无线城域网技术的代表技术，与传统无线蜂窝网技术相辅相成。以 8 0 2 1 6 e 【3 】协议为基础的w i 技术因为其出色的表现在社会生活中得到了广泛的应 用，并和w c d m a 一样成为i t u 认可的3 g 技术之一1 4 j 。 8 0 2 1 6 工作组由正e e 标准委员会于1 9 9 9 年创立【5 j ，已经研究和发布了多个版本 的无线城域网协议。这些协议主要集中在m a c 层和物理层。最初的协议版本8 0 2 1 6 d 发布于2 0 0 4 年，该协议版本不支持移动性。次年，8 0 2 1 6 e 协议发布，该协议增加了 对移动台移动性的支持，使得以8 0 2 1 6 e 协议为基础的w i m a x 技术在市场上迅速发展 起来。2 0 1 1 年最新版本的协议标准8 0 2 1 6 m 1 6 儿7 】正式发布，其支持更高的移动速度、更 大的带宽，能够更大限度的满足人们对无线移动接入的需求。 8 0 2 1 6 工作组定义了物理层和m a c 层的链路操作，但是上层的信令交互以及网络 结构等问题在协议中并未提及，而且未对物理层和m a c 层管理面的操作进行说明，如 果交由各个运营商和厂商自行定义，可能会造成各厂商设备的兼容性问题。w i 心论 坛正是为实现8 0 2 1 6 协议的商业化和社会化而出现的，它成立于2 0 0 3 年，旨在推动 w i 心技术的标准化进程，对将上市的新技术进行测试，保证各厂商设备的兼容性， 提供有指导意义的技术参数。w i 心论坛提出了多个有关w i m a x 系统的网络架构 模型，以适应不同厂商的应用需求，解决与其他网络技术兼容性问题。 作为下一代无线通信技术的候选方案之一，w 面临着其他技术标准的挑战。 8 0 2 1 1 n 作为无线局域网技术标准的最新成果，在系统性能上有很大提升。但是其协议 中涉及到的一些专利问题可能并不会使运营商感到满意。另外，作为与8 0 2 1 6 协议相 互弥补的一项技术，其应用前景和w i m a x 可以在不冲突的前提下同时应用。8 0 2 2 0 1 8 】 协议在很多方面和8 0 2 1 6 协议相似，但是其应用普遍程度不如8 0 2 1 6 ，这使得更多的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 运营商会选择相对应用更广泛的w i 技术。作为w 最大的市场竞争者，l t e 【9 】 技术的推出是对w i 眦最大的威胁。l t e 拥有更好的覆盖范围、更高的系统吞吐率、 更大的系统容量和更小的延迟性要求。由于l t e 系统中的基站可以相互直接通信，那 么切换决定也可以在l t e 基站系统内部进行，这是与w i m a x 系统基站明显不同的地 方。同时l t e 支持宏分集软切换，使得其可以支持3 5 0 5 0 0 千米j 、时速度下的数据传 输。l t e 和w i 心在未来的发展更像是一种融合的关系，而不是一种竞争的关系， 毕竟两者所采用的通信技术是相近的，它们都支持高移动性、高吞吐率、更大的带宽 等等。在8 0 2 1 6 m 版本的w i m a x 也会看到l t e 中某些技术的应用。所以两种技术标 准在市场中各自应用的同时，相互的兼容性才是最关键的因素。表1 1 展示了w i m a x 与l t e 参数对比情况。 表1 1w i m a x 与l t e 参数对比 1 0 l 参数w i m a x l t e 支持的切换类型硬切换和软切换软切换 移动性8 0 2 1 6 e ：1 2 0 ； 3 5 0 5 0 0 k m l l 8 0 2 16 m ：3 5 0 k i n m 以上 网络结构全p 网络结构支持p ，传统蜂窝电话网 络结构 服务报文数据和v o 口报文数据和v o i p 接入技术 o f d m l 上链路：o f d m a ；下链 路：s c f d m - a 预期的切换延迟8 0 2 16 e ：3 5 - 5 0 m s ；8 0 2 16 m 小于小于5 0 m s 3 0 m s 【l l 】 向下兼容性完全兼容完全兼容 漫游支持w i m a x 区域系统之间全球漫游 小区半径 2 7 i m l5 k m 切换启动方移动台和服务基站e n b 目前8 0 2 1 6 协议系列中最新的版本为8 0 2 1 6 m 。该版本于2 0 1 1 年刚刚发布，作为 8 0 2 1 6 协议系列中表现最为优越的协议，该协议将应用于最新版本的w i m a x 系统中。 但是就l t e 技术最近发展的态势来看，8 0 2 1 6 m 在无线蜂窝城域网的应用前景尚未明 朗。现在市场中广泛应用的还是以8 0 3 1 6 e 为基础的第一代w i m a x 系统。 1 2 国内外研究现状 和其他的蜂窝式移动网络相似，w i m a x 的切换技术处理移动终端从一个蜂窝小区 移动到另一个蜂窝小区时的基站控制转换。切换从基础技术上大体可以分为两种类型： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 水平切换和纵向切换。水平切换是w 网络之间的切换，属同构网络间切换：而 纵向切换则涉及到w i 燃网络和其他异构网络间的互操作，例如w i m a x 和w l a n 、 3 g 等网络间的切换。本文主要集中在w i 燃网络内的切换。 目前的w i 基础架构定义了三种切换流程：硬切换、宏分集切换、快速基站 转换。其中硬切换是w i m a x 默认的切换流程，另外两个是可选的。8 0 2 1 6 e 给出了一 个灵活性很强的m a c 层切换准则，即切换发起方可以是移动端也可以是基站，同时移 动端、基站、或者是后备网络都可以按照8 0 2 1 6 e 的切换优化说明进行相应的优化。已 经存在的w i 心切换机制在信道资源浪费、切换延迟、数据丢失方面有很大的缺陷。 w i m a x 预期可以支持移动端速度为1 2 0 千米每小时的情况下，时延少于1 0 0 毫秒( 包 括l 3 层切换) 的切捌1 2 】【1 3 】。然而要达到这个预期，仍有一些切换相关的研究问题要 解决。 在8 0 2 1 6 e 定义的三种切换中，硬切换是最简单的一种。它是一个先断开再连接的 过程，移动端先断开与服务基站的连接，然后再与目标基站连接。因此，移动端在切 换过程中将经历一段通信空白期。另外两种切换方式一宏分集切换和快速基站转换则 都属软切换类型，在切换过程中仍与服务基站保持通信，切换成功后才与服务基站断 开连接，所以不会有通信中断的时间，但其复杂性是很大的一个缺点。本文主要围绕 硬切换展开研究，下面是针对硬切换的国内外研究现状的分析。 w i m a x 硬切换技术最主要的一个优势在于加入了网络拓扑广播和邻居基站扫描 过程。通过这些部分，移动端可以获得邻居基站的信道信号质量信息，为筛选出最终 的目标基站做准备。但是8 0 2 1 6 e 协议中并没有说明移动端在选出目标基站之前需要扫 描多少个基站，这可能导致扫描过多的邻居基站，从而浪费信道资源，降低网络的整 体表现。在这种情况下，与邻居基站扫描过程相应的测距和关联过程更增加了扫描的 时间，增加了预扫描过程带来的时延。对于时延敏感的像v o 口等服务，这种冗余扫描 带来的传输时延是无法接受的。针对这个问题，已经研究出一系列的方法，试图减少 扫描时间，缩短传输时延，提高网络整体表现。文献 1 4 】提出移动端从广播的移动邻居 广播消息中获得基于前导的平均信千噪比及相比于服务基站的下链路信号到达时差， 根据这两个指标选出平均信干噪比最大并且下链路信号到达时差最小的一个邻居基站 作为扫描对象，之后的扫描及可选的关联过程只针对这个基站进行。这样固然可以减 少扫描时间，从而提高预切换速度。但是只考虑下链路信号到达时差而不考虑移动端 移动方向可能会造成错误的切换动作。切换后移动端如果发现服务基站已经不适合将 再次切换，这种连续切换最后会趋于乒乓效应。文献 1 5 】认为在扫描之前通过移动端的 移动方向、邻居基站相对服务基站的位置和距离、不同邻居基站的不同负载等参数信 息可以选出一个目标基站，同样邻居基站扫描可以只针对该目标基站进行，从而减少 了邻居基站扫描时间。文献 1 6 】中作者在移动邻居广播消息中加入了与邻居基站的链路 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 质量参数有关的动态信息，基于这些动态信息也可以减少待扫描的邻居基站数目。另 外，文献【1 7 】【1 8 【1 9 】通过q o s 、激活的服务流、移动端的带宽请求进行候选扫描基站 选择也是减少切换扫描时间的可行的合理方案。以上的切换策略中缺乏一个合理安排 的统一策略，以达到减小预切换扫描时间，同时保证其他性能方面没有明显负面影响 的目的。 一 在8 0 2 1 6 e 协议中的硬切换过程中，移动端对邻居基站的扫描是不可避免的。尽管 不能够完全去除预切换中的邻居基站扫描时间，但是对该时间进行一定的缩减是有可 能的。在移动端对邻居基站进行扫描时，基站和移动端的数据传输暂时停止，导致一 定程度地服务质量降低。因此，设计一种技术使得用于邻居基站扫描的时间和频谱都 最小化是有助于提高网络性能的。文献【2 0 提出一种自适应信道扫描算法。该算法依靠 各个邻居小区间的构造参数信息的交互共享，计算出针对不同邻居基站的最优的扫描 时间。这种扫描时间的最小化当然可以有利于保证q o s ，但是过多的利用基站的信道 缓存会导致网络的信道资源浪费，降低网络整体表现。文献 1 4 】研究出了一种在进行 邻居基站扫描的过程中可以同时传输数据的方法。作者利用基站i d 的唯一性，在邻居 基站扫描过程中通过基站d 区分服务基站和邻居基站的上行或下行数据，这样也就区 分了服务基站的数据信息与邻居基站在扫描期间的同步和关联信息，因此可以同时传 输两类信息。而且通过分配给移动端专属的测距机会，减少了数据冲突的发生。但是 这个策略没有考虑到不同运营商的网络可能同时存在，这个策略对不同运营商网络小 区间的切换这个策略将不再奏效。 移动端在移动过程中上行信号和下行信号强弱往往不一致。由于服务基站和移动 端之间距离不断变化的原因，在移动端测量的来自服务基站的下行信号强度和在服务 基站测量的来自移动端的上行信号会产生不一致，这种差别对于能否保证q o s 至关重 要。在切换中利用这种差别可以保证各种类型的服务在移动端快速移动的情况下得到 服务质量的提升。文献【2 1 】利用了这种上下行信号强度的差别，设计出一种联合参考上 下行信号强度的切换判决算法。作者规定，当在服务基站测量的上行信号强度和在移 动端测量的下行信号强度同时低于一个预设的阈值时才触发切换的执行。而且作者认 为移动端可以在上下行信号都达到一定信号强度时发送扫描请求，这样可以减少不必 要的扫描时间，节省信道资源。这个策略可以减少乒乓效应的发生，减少非必须的切 换，是个合理的解决方案。 在移动端发起的切换流程中，移动端在网络拓扑获取阶段保存了一个候选的邻居 基站的列表，这个候选邻居基站列表中的基站为移动端分配了测距时隙，当移动端选 择了某个基站作为目标基站后将只保留相应于该目标基站的测距时隙信息，其余基站 分配的测距时隙自动舍弃，这就造成网络资源的浪费。文献【1 4 ”5 】设定服务基站在分配 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 测距机会之前首先确定移动端是否决定了目标基站，如果是将不再占用其余邻居基站 的测距时隙，这就节约了网络资源，提高了系统的资源利用效率。 作为先断开再连接类型的硬切换方式，在切换执行阶段会经历一段没有数据传输 的时期，这个不可避免的时间如果过长，将导致数据丢失、掉话、视频中断等用户无 法忍受的故障频烦发生，那么w i 心网络的易用性将大打折扣。当这个断开链接的 时间过长时，就会影响到正常的流媒体业务。8 0 2 1 6 e 协议定义的另外两种切换方式一 宏分集切换和快速基站转换一就是为了解决时延敏感业务的正常数据传输而设计的。 但是这两种切换方式的复杂性使得研究人员不得不考虑其他可行的切换策略。文献【2 2 】 提出了一种在硬切换的基础上改进的比较合理的策略，可以使包丢失率大大降低，切 换中断明显缩短。该策略通过增加快速下链路信息单元这个m a c 层管理消息，使移动 端在与目标基站刚刚完成下链路同步后便可以接收下链路数据，从而保证了时延敏感 业务的q o s 。文献【2 3 】也提出了相似的策略。移动端在与目标基站完成网络认证之前便 可以继续下链路数据接收，只是作者使用了服务基站和目标基站的d 。上述两个策略 都减小了切换时延，但是考虑到移动端极有可能在网络重接入过程中失败，这种情况 下的下链路数据快速续传策略将不适宜。针对可能的切换失败情况，利用对移动端的 运动轨迹、位置、平均切换时延的研究，在很大程度上可以保证切换的成功率，这体 现在【2 4 】的策略中。该作者认为在确定了目标基站后可以通过后备网络把移动端需要的 认证参数提前传送给目标基站，这样也缩短了切换时延。另外，测距结果保留一定时 间，当移动端在链路断开的情况下可以快速的重接入网络，但这个保留时间的长短还 需要一个标准时长。利用后备网络提供的便利性并不是万全之策，尤其是在网络负载 比较大时，是否必须使用后备网络，如何最小化网络负载，也是一个未来研究的方向。 在移动端接入目标基站的过程中，网络重接入占据了大部分切换阶段的时间，这 包括认证、安全鉴定、重建链路等系列内容。下面这种情况说明了网络重接入导致 的切换问题。移动端正要接入目标基站，切换正在进行中，由于信号质量问题移动端 突然又转回接入原来的基站。这又需要进行一次网络重接入过程，因此整个切换过程 的时间浪费是灾难性的。文献【2 5 】提出在移动端离开服务基站后，在一定时间内应该有 能力恢复移动端的连接信息，但移动端因为乒乓效应又回到原来的基站时，基站为移 动端分配专属的非竞争测距机会，帮助移动端快速恢复数据传输。但是如果基站恢复 不出该移动端的连接信息，不仅会浪费传输时间，也会浪费一次非竞争的测距时隙。 文献【2 6 】通过研究建议了一个服务基站保存移动端的连接信息的最佳门限时间，超过这 个时间服务基站舍弃对应移动端的连接信息，这样便为移动端重回原服务基站的快速 接入提供了保障。但是通过数据预测的最佳时间门限终究无法保证移动端因乒乓效应 重回原基站一定可以快速恢复连接，进一步的研究仍需考量各种切换场景。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 从整个网络的角度看，各个小区的负载量不均衡也会导致不必要的切换，从而增 加切换总时延。这种情况在业务量过大的状态下会频繁发生。文献【2 7 】使用基站发起的 切换策略，促使移动端切换到负载比较轻的小区，这种简单的方式解决了小区负载不 均的问题，保证了每个小区的q o s 。一个更加科学的策略在文献【2 8 】中提出，该文献提 出各个基站间通过后备网络广播一份容量报告，使得每个邻居基站知道彼此的负载状 况。依赖这份报告，服务基站将邻居基站分为不同的负载等级，当移动端切换时这个 重要的参数将决定移动端的目标切换基站。 综上所述，w i 系统硬切换过程中存在一些固有的问题，如何解决这些问题而 不带来协议本身过多的修改和复杂的信令设计成为改善w i m a x 系统表现的关键。 w i 心随着物理层通信技术的改变在不断改善其通信能力，配合这种物理层技术的改 进相应的m a c 层移动切换管理也应作出改进，使得采用新技术的系统性能能够得到更 大程度的提升。 1 3 本文的主要研究内容 能否保持无线连接的稳定性、持续性对一个切换方案来说至关重要。因此，本文 针对w i 切换的几个主要方面，分别提出几个切换方案，并在不同场景下对其性 能进行仿真分析，为w i m a x 切换性能的改进提供参考。 本课题研究内容如下： 8 0 2 1 6 e 协议定义的硬切换流程中，预切换阶段中邻居基站扫描过程的优化。该扫 描过程的优化细分为：单个基站的扫描时间的研究，候选扫描基站数目的研究，扫描 时机和触发条件的研究。扫描邻居基站的个数由于协议中没有明确说明，所以这部分 的改进空间很大，但是提出的策略必须保持原协议的简单性，过分的增加信令开销来 确定扫描基站的个数有可能得不偿失。 针对上述问题，本文首先分析了小区负载和带宽需求对移动台切换判断的影响， 提出了一种基于带宽需求的切换算法，以减小潜在的多余扫描和切换失败的可能性。 随后，分析了8 0 2 1 6 e 协议中的扫描信令流程，发现在不增加新消息的情况下，利 用8 0 2 1 6 e 协议中的扫描消息可以实现一种新的能量检测方式。把这个能量检测方式应 用到基于能量检测的切换算法里，既保证了能量检测时间的充分性，又保证了测量结 果的准确性，并且减少了信令设计上的开销。 最后，本文利用移动台的移动方向信息，设计出一种基于移动方向预测的w i m a x 切换方案。该方案在扫描基站列表中利用移动方向信息对邻居基站进行筛选，减少扫 描邻居基站的个数。同时，在分析不同移动方向预测算法的基础上，将这些算法应用 到基于移动方向预测的w i m a x 切换方案中，分析各自的切换性能。 本文的结构安排如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第一章绪论，介绍了8 0 2 1 6 协议的发展状况，以及以8 0 2 1 6 协议为根基的w i m a x 技术的发展历程，并且将w i 燃和l t e 等主流无线接入技术做了相应比较，接着对 w i 心网络切换技术的研究现状和历史做了阐述，最后叙述本文的主要研究工作内容 和本文的结构安排。 第二章对8 0 2 1 6 e 协议进行了整体描述，对w i m a x 系统以及与切换有关方面进行 介绍。 第三章介绍了0 p n e t 仿真软件、仿真平台的设计，以及为实现该仿真平台而对 o p n e t 所做的扩充，搭建了仿真场景，最后用一个基于带宽请求的切换方案对仿真平 台进行验证。 第四章给出了利用8 0 2 。1 6 e 协议中扫描信令完成w i m a x 能量检测的过程及信令流 程，并设计出一种基于该能量检测的w i m a x 切换方案，通过仿真分析研究了该方案 的切换性能。 第五章实现了一种基于移动方向预测的w i 切换方案。在对移动方向预测算 法分析的基础上，对比研究在采用不同移动方向预测算法辅助切换的情形下，以移动 台移动方向为扫描判断标准的切换方案的性能。 第六章对本文工作进行了总结。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章i e e e8 0 2 1 6 e 协议及w i 删体系结构 2 1i e e e8 0 2 1 6 e 协议总体结构 i e e e8 0 2 1 6 e 协议的空中接口规范包括了不同的频段，其中有短波视距范围的 1 0 6 6 g h z 频段、1 1 g h z 以下授权频段、1 1 g h z 以下授权频段以外的频段。针对应用的 场景不同频段也会相应不同，本文研究1 1 g h z 以下授权频段。 i e e e8 0 2 1 6 e 协议包括物理层和m a c 层两层协议。物理层的协议依赖于所使用的 频段不同而有所不同。本文的研究主要关注m a c 层协议。m a c 层包含三个子层，即 服务汇聚子层、公共子层、加密子层。服务汇聚子层提供对在服务汇聚子层接入点接 收到的上层外部网络数据的转换和映射。其包括把外部网络的数据分类，然后把它们 关联到对应的服务流标识和连接标识上。服务汇聚子层也包括对载荷头压缩的功能。 公共子层提供系统接入、带宽分配、连接建立和保持等m c 层核心功能。它从服务汇 聚子层接收数据，把数据映射到对应的m a c 层连接上。加密子层的功能有认证、密匙 交换、加密等功能。 i e e e8 0 2 1 6 e 将协议标准横向分为两个独立的面，参见图2 1 ：数据控制面和管理 面。其中数据控制面是协议标准范围内的，而管理面是由网络管理实体组成的区别于 协议标准的。数据控制面包含了协议中提到的数据处理、带宽分配、竞争处理等关键 环节，管理面则主要由开发商和运营商自行定义和规定，包括计费、核算、加密等功 能的实现。本文主要关注数据控制面。 ：。前l j r 赫赫a 一。： 。 图2 1i e e e8 0 2 1 6 e 协议结构图【2 】 曩 努 蔷 黾 要 营 差 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2i e e e8 0 2 1 6 em a c 层协议 如上节所述，正e e8 0 2 1 6 e c 层可以细分为三个子层：服务汇聚子层、公共子 层、加密子层。数据从外部网络进入服务汇聚子层，服务汇聚子层将数据映射到公共 子层的相应连接上，公共子层处理完成后由加密子层处理，最后数据交由物理层处理。 2 2 1 服务汇聚子层 这层的功能是将所有从汇聚层服务接入点接收到的外部网络数据转化映射成 m a c 服务数据单元，通过m a c 服务接入点发送给m a c 公共子层。服务汇聚子层的 功能包括：分类外部网络的服务数据，把这些服务数据关联到正确的m a c 服务流 ( s f i d ) 及连接( c i d ) 上。同时可能包括负荷头压缩功能( p h s ) 。 服务汇聚子层有两种：a t m 汇聚子层及包汇聚子层。其中，包汇聚子层的作用是 传输所有基于包的协议，如8 0 2 3 、疋、p p p 。 高层协议数据应该被封装成m c 服务数据单元格式，如图2 2 。每一个数据包包 含一个8 位的p h s i 域，其后是负荷数据区域。如果p h s i 为零，就表示没有负荷头 压缩( p h s ) ；如果不为零，那么该值就表示压缩规则的索引，该索引在基站及终端 所对应的规则是相同的。 图2 - 2m a cs d u 组成 分类的作用是把m a c 服务数据单元映射到合适的连接，然后传送到对等m a c 实 体。映射的过程将一个m a c 层服务数据单元( s d u ) 与一个连接( c d ) 关联，同时一个 与该连接的服务流特性的关联将被创建。分类器包含一系列的匹配标准，所有进入 8 0 2 1 6 网络的数据包都会被分类器处理。其组成包括一些协议相关的数据包匹配标准、 分类器优先级、c i d 。如果一个数据包和某个匹配标准成功匹配，那么该数据包被分 发到由c d 定义的连接上发送。这个数据包的q o s 会由该连接的服务流特性提供。有 些情况下，多个分类器可能对同一个服务流进行分类，这时分类器对数据包的作用顺 序根据分类器的优先级进行排序。分类器的分类方法也会重叠，因而必须要有一个明 确的排序。下行分类器由基站控制，上行分类器由移动台控制。图2 3 是分类及c d 映 射图示( 基站到移动台) ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 3 分类及c i d 映射图 负荷头压缩( p h s ) 是指对负荷头中存在的重复部分进行压缩。压缩后在对等实体 端压缩部分可以被恢复。每一个m a c 服务数据单元( s d u ) 都包含一个p h s i 前缀， 用来代表相应的p h s f 。发送实体通过分类器把数据包映射到相应的服务流，它同时将 数据包映射到相应的负荷头压缩规则。接收实体用连接及p h s i 恢复相应的p h s f ， 这样一个p h s f 与p h s i 相关联后，就不能再被改变。一个服务流的p h s f 如果需要 改变，要先定义一个新的负荷头压缩规则，旧规从服务流中删除，然后添加新规则。 当一个分类器删除后，所有关联的负荷头压缩规则也会被取消。 2 2 2 公共子层 公共子层包含了m a c 层的核心功能，包括连接维护，带宽请求，连接建立。该层 从m a c 层服务接入点接收数据，按连接进行分类。 首先介绍一下8 0 2 1 6 e 的上下行数据发送。在一个频点及扇区内，只有基站在下行 方向发送数据，因而不需要与其它基站同步。终端在下行链路上监听其频段内的所有 信号，并检查接收到的协议数据单元( p d u ) 的c i d ，最终只保留发送给本终端的协 议数据单元( p d u ) 。在上行方向，移动台要首先请求带宽，请求完成后和其他移动 台共享与基站之间的链路。根据服务类型的不同，移动台可能被基站授权持续进行发 送，或者在基站收到移动台的带宽请求且允许之后才能发送。 m a c 协议数据单元( p d u ) 包含一个固定长度的m a c 头，后面紧跟的是m a c 协议数据单元( p d u ) 负荷。负荷中可能包含不定数目的子头和m c 服务数据单元的 数据和分段，如图2 4 。下面分别介绍m a c 头和m a c 子头。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 8 0 2 1 6 e 中规定了两种m a cp d u 头格式，即通用m a c 头格式和带宽请求头格 式。通用m a c 头格式由m a c 管理消息或服务汇聚子层数据组成，而带宽请求头包 含额外的带宽请求信息。 i g e n e 洲枷e a 曲r ， p a y i o a d ( o p i b n a i )c r c ( o p t i o n a l ： 图2 4m a cp d u 组成 以上两种头格式根据h e a d e rt y p e ( h t ) 位来区分。0 代表通用头，参见图2 5 ，1 代 表带宽请求头，参见图2 6 。 j 一 l e n m s b 3 ) 、 e k s 芷 - 一 oj 、 _ i l 一 t y p e 。6 i _ - 一 。， - 。一 - f 2 -o 一 工山篮o l e nl s b ( 8 )c i dm s b ( 8 ) c i dl s b 8 ) h c sf 8 l 图2 5 通用m a c 头格式 图2 6 带宽请求m a c 头格式 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 8 0 2 1 6 e 中有五种m a c 子头：授权管理子头、快速反馈子头( f a s t f e e d b a c k ) 、 分段子头、组包子头、s h 子头。其中，分段子头和组包子头在同一个m a c 协议 数据单元( p d u ) 中是互斥的。m a c 子头在m a c 协议数据单元( p d u ) 头的之后， 而且在m a c 头中必须标明存在m a c 子头。 接下来介绍8 0 2 1 6 e 中连接和服务流的概念。8 0 2 1 6 e 的m a c 层是面向连接的， 每个连接都对应有一个服务流。在一个终端接入到系统中的时候，服务流就可以被指 派到对应的连接。当终端注册到服务基站后，连接关联到一个服务流。一个连接既定 义了与服务汇聚子层之间的映射，又定义了与服务流之间的关联，这个服务流决定了 在该连接上传输的协议数据单元( p d u ) 的q o s 。服务流给出了一种上下行链路的q o s 管理机制。移动台在不同的连接上请求带宽，而不同的连接对应了不同的服务流，从 而决定了移动台在不同的连接上有不同的q o s 参数。连接依照终端和基站的要求动态 的建立、修改及终止。 在移动台初始接入基站的过程中，因为管理消息具有不同q o s ，基站和终端会建立 三对双向管理连接。这三对连接是基本连接、主管理连接和第二管理连接。其中，基 本连接和主管理连接是默认的，第二管理连接是可选的。基本连接用作基站与终端的 m a c 层之间实时的、较短的m a c 层管理信息的交互。主管理连接用作基站与终端的 m a c 层之间较长的、可以容忍更多时延的m a c 层管理信息的交互。第二类管理连接 用来在基站与终端之间传输基于标准的、可允许时延的管理消息。基本连接与主管理 连接是在基站接收到移动台的初始测距请求后为移动台分配的，是移动台完成接入过 程中必须得到的连接。这两个连接用作基本的接入控制连接，因而比不可少。而第二 管理连接只是用来传输基于其他协议的管理消息，因为其他协议都处在m a c 层的上 面，8 0 2 1 6 e 解析不到这些协议，所以在没有第二连接的情况下，移动台和基站仍然可 以正常通信。 8 0 2 1 6 e 的上行链路调度机制有主动授权( u g s ) ，实时轮询( n p s ) ，非实时轮 询( 1 1 r t p s ) 及尽力而为服务( b e ) 。主动授权服务用来传输实时数据流，此类数据流 的数据包长度固定，如没有静音压缩的v o d 。主动授权服务强制的q o s 参数有最大 时延，最大持续带宽，最小保留带宽，请求传输策略，容忍的抖动及服务数据单元大 小。实时轮询主要是用来传输固定间隔的变长数据包，如w m v 。其强制的q o s 服务 流参数有最大时延，最大持续带宽，最小保留带宽，请求传输策略，容忍的抖动及服 务数据单元大小。非实时轮询用来传输可以容忍一定时延的变长数据包，例如f t p 服 务。其强制的q o s 服务流参数有最大持续带宽，最小保留带宽，请求传输策略及服务 优先级。尽力而为服务用来传输没有最小服务级别要求的数据流。其强制的q o s 参数 有服务优先级，最大持续带宽，请求传输策略。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 基站实现上行链路的请求准许调度，该调度为属于该服务基站管辖范围内的移动 台提供请求上行链路带宽的机会。表2 1 总结了调度服务和轮询准许选项。 表2 1 调度服务和轮询准许选项 调度类型捎带的带宽请求带宽借用轮询 u g s不允许不允许p m 位可用来请求对非 u g s 连接的带宽需求的单 播轮询 r t p s允许允许仅允许单播轮询 1 1 1 心s允许允许可能限制一个服务流仅允 许单播轮询，除此之外允许 所有类型的轮询 b e允许允许允许所有类型的轮询 下面以图为例介绍移动台的初始化过程，如图2 7 所示。该图展示了移动台在初始 接入基站的过程中经历的所有的阶段。移动台的初始化过程包括以下阶段：1 扫描下行 信道信号，与基站同步；2 接收上链路信道描述消息( u c d ) ，从上链路信道描述消 息中获取发送参数；3 测距；4 基本能力协商；5 移动台进行鉴权和密钥交换；6 注册； 7 建立p 连接；8 获取网络时间；9 交换操作参数；1 0 建立服务连接。 图2 7 移动台初始化接入过程 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 2 2 3 安全子层 安全子层的功能包括认证、密钥交换及加密。安全机制保证了移动台在与服务基站 通信的过程中其数据传输不被外来通信设备或网络窃取。8 0 2 1 6 e 的安全机制是通过移 动台与基站之间的加密连接实现的。加密机制采用的是带鉴权的服务器客户端密钥管 理协议，在该协议中，基站作为服务器，负责控制对客户终端的加密信息的分发。另 外，通过在密钥管理协议中增加终端的数字证书认证，很大程度上加强了基本加密机 制。 安全子层主要包括两个协议，即加密封装协议和密钥管理协议。加密封装协议对固 定宽带网络中的数据包进行加密处理。其实现由以下两部分完成：第一，一组双方都 支持的加密算法组件，也就是双方的数据加密算法和鉴权算法；第二，将加密算法运 用到m a c 协议数据单元( p d u ) 负荷的规则。密钥管理协议针对密钥数据提供了从 基站到终端的安全分发机制。通过密钥管理协议，基站和终端可以同步密钥参数。 2 3i e e e8 0 2 1 6 e 切换流程 i e e e8 0 2 1 6 工作组规定在以下情况发生切换：1