（通信与信息系统专业论文）wimax网络数据通道技术的研究及实现.pdf

南京邮电大学硕士毕业论文摘要 摘要 2 0 世纪末，接入技术朝着宽带化、无线化两个方向发展。到了本世纪初，接入技术开 始从两个分支融合到宽带和无线这个方向上。从最初的模拟通信系统发展到现在的3 g 、b 3 g 技术，从固定无线接入到全移动无线接入，从窄带无线接入到宽带无线接入，可以说，无 线接入技术无处不在，无时不有，给人们的生产和生活带来极大方便的同时，也推动了整 个通信技术的发展。w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，全球 微波接入互操作) 是基于8 0 2 1 6 协议族的一种宽带无线技术，于2 0 0 7 年被列入3 g 标准， 在“最后一公里接入技术中占有重要的地位，是实现无线城域网的一种切实可行的方案。 论文基于作者参与w i m a x 移动i p t v & v o i p 原型系统开发项目的研究心得，参照w i m a x 论坛网络工作组的w i m a x 标准规范，系统地分析了w i m a x 网络的架构、系统功能和工作流 程，深入研究了w i m a x 网络中数据通道技术。 论文首先回顾了w i m a x 的发展历史，并对比与分析几种典型的无线接入技术。在系统 地描述了w i m a x 的网络架构与系统功能的基础上，着重阐述了w i m a x 网络中的数据通道相 关基础技术。接着论文对w i m a x 网络中的数据通道关键技术进行了深入的研究，重点讨论 了w i m a x 网络中的数据通道的管理。随后，根据笔者参与w i m a x 移动i p t v & v o i p 原型系统 项目的开发实践，详细论述了在l i n u x 操作系统下开发w i m a x 网络中数据通道的实现技术。 最后，论文对本课题做了总结和进一步展望。 笔者根据课题研究的要求，使用c 语言在l i n u x 操作系统上开发了w i m a x 网络中的数 据通道实现软件。该软件通过功能测试，符合系统要求。 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业： 工学通信与信息系统 研究方向： i p 与宽带网络技术 作者：2 0 0 5 级研究生徐相胜指导教师孟旭东 题目：w i m a x 网络数据通道技术的研究及实现 英文题目：t h er e s e a r c ha n dc o m p l e m e n to fd a t ap a t ht e c h n o l o g y i nw i m a xn e t w o r k 主题词： k e y w o r d s ： w i m a x w i m a x 数据通道 d a t ap a t h 隧道切换 t u n n e lh a n d o v e r 南京邮电大学硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a tt h ee n do ft h e2 0 t hc e n t u r y , t h e r ew e r et w ot r e n d so fa c c e s st e c h n o l o g y , w h i c hw e r e b r o a d b a n da n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g y , w h i l et h e s et w ob r a n c h e sb e g a nt oi n t e g r a t ea tt h e b e g i n n i n go ft h i sc e n t u r y w i m a x ，w h i c hi s b a s e do nt h e8 0 2 16p r o t o c o lf a m i l y , i so n eo f b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g i e s i tw a sa p p r o v e da sam e m b e ro f3 gs t a n d a r di n2 0 0 7 ， a n dp l a y e dap r o m i n e n tr o l ei nt h el a s tm i l ea c c e s st e c h n o l o g y , w h i c hc a na p p l yi nw i r e l e s s m a n b a s e do nt h ee x p e r i e n c eo fd e v e l o p i n gw i m a xm o b i l ei p t v & v o i pp r o t o t y p es y s t e m ， t h i sp a p e ra n a l y s e st h en e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，s y s t e mf u n c t i o na n dw o r kf l o ws y s t e m a t i c a l l yw i t h t h er e f e r e n c eo ft h ew i m a xs t a n d a r ds p e c i f i c a t i o n s ，a n dm a k e sf u r t h e rr e s e a r c h e so nd a t ap a t h t e c h n o l o g ye s p e c i a l l y f i r s t l yt h ep a p e rr e v i e w st h eh i s t o r yo f t h ew i m a x ，a n a l y s e ss o m et y p i c a lw i r e l e s sa c c e s s t e c h n o l o g i e sa n dm a k e sac o m p a r i s o no ft h e m o nt h eb a s i so fd e s c r i b i n gn e t w o r ka r c h i t e c t u r e a n df u n c t i o no fw i m a xs y s t e m a t i c a l l y ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h er e l a t e db a s i ct e c h n o l o g i e so f d a t ap a t hi nw i m a xn e t w o r k t h e n ，t h ep a p e rd o e sf u r t h e rr e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g i e so f d a t ap a t hi nw i m a x ，e s p e c i a l l yt h em a n a g e m e n to fd a t ap a t h s u b s e q u e n t l y ，a c c o r d i n gt ot h e p r o j e c tm e n t i o n e da b o v e ，t h ep a p e rd i s c u s s e sh o wt or e a l i z et h ed a t ap a t hf u n c t i o nu n d e r t h e e n v i r o n m e n to fl i n u xi nd e t a i l f i n a l l y ，t h ep a p e rm a k e sas u m m e r i z a t i o na n df u r t h e rs t u d yo f t h es u b j e c t a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fs u b j e c t ，t h ea u t h o ri m p l e m e n t st h ed a t ap a t hf u n c t i o n i n w i m a xo nl i n u xw i t hcl a n g u a g e t h es o f t w a r ea p p l i e sw i t ht h es y s t e mr e q u i r e m e n t st h r o u g h t h ef u n c t i o nt e s t i i 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业： 工学通信与信息系统 研究方向： i p 与宽带网络技术 作者：2 0 0 5 级研究生徐相胜指导教师孟旭东 题目：w i m a x 网络数据通道技术的研究及实现 英文题目：t h er e s e a r c ha n dc o m p l e m e n to fd a t ap a t ht e c h n o l o g y i nw i m a xn e t w o r k 主题词： k e y w o r d s ： w i m a x w i m a x 数据通道 d a t ap a t h 隧道切换 t u n n e lh a n d o v e r 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：主盒茎塾是皇日期：至! 塑：生! ! ! 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：琏! 壹咝一 导师签名：由赡 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第一章绪论 第一章绪论 上个世纪末到本世纪初，接入技术经历宽带化和无线化两个发展历程后，开始出现两 个方向融合的迹象。这是市场的一致要求，也将是接入技术的发展方向。w i m a x ( 全球微波 接入互操作) 是一项基于8 0 2 1 6 系列标准协议族的宽带无线接入技术。由于它传输距离远、 高带宽、服务质量有保障等特点，使得它在“最后一公里 技术中发挥了重要的作用。w i m a x 技术预期将用于笔记本电脑和p d a ，从而使城区以及城区之间形成“城域地带 ，为用户提 供便携的室外宽带无线接入服务。 1 1w i m a x 技术背景 1 1 1wim a x 发展历史和动态n 2 儿3 1 w i m a x 技术是基于i e e e s 0 2 1 6 协议簇的一种宽带无线接入技术，支持固定到全移动等 多种应用模式。既然w i m a x 技术与8 0 2 1 6 协议簇有着密切关系，当然它的发展也就离不 开8 0 2 1 6 协议簇。 i e e e 8 0 2 1 6 又被称为i e e ew i r e l e s sm a n ( 无线城域网) 空中接口标准，它对2 - 6 6 h z 频率范围内无线接入系统的底层标准做出了规范。8 0 2 1 6 系统主要应用于城域网范围，以 解决高速接入家庭和企业的“最后一英里 问题。i e e e8 0 2 1 6 标准委员会于1 9 9 9 年成立 工作组专门研究宽带无线接入技术规范，制定了一些宽带无线接入标准，主要包括8 0 2 1 6 、 8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 c 、8 0 2 1 6 d 、8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1 6 f 、8 0 2 1 6 9 等。 i e e e 8 0 2 1 6 工作组主要针对w i r e l e s sm a n 的物理层和m a c 层制定规范和标准。为了 形成一个可运营的网络，i e e e s 0 2 1 6 技术必然需要其他部分的支撑，所以w i m a x 论坛应运 而生。w i m a x 论坛成立于2 0 0 1 年4 月，最初该组织旨在对基于i e e e 8 0 2 1 6 标准和e t s i h i p e r m a n 标准的宽带无线接入产品进行一致性和互操作性认证，通过w i m a x 认证的产品会 拥有“w i m a x ( r ) c e r t i f i e d 标识。随着8 0 2 1 6 e 技术和规范的进展，该组织的目标也 逐渐扩展，不仅要建立一整套基于i e e e 8 0 2 1 6 标准和e t s i ( 欧洲电信标准化协会) h i p e r m a n ( 超级城域网) 标准的认证体系，同时还致力于可运营的宽带无线接入系统的研 l 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第一荦绪论 究，需求的分析，应用模式的探索，市场的拓展等一系列大力促进宽带无线接入市场发展 的工作以大力推广w i m a x 技术。自从w i m a x 论坛成立以来，成员不断增加，包括英特尔、 微软、摩托罗拉、华为、中兴等。这些成员涵盖了运营商、芯片和设备厂商，遍及w i m a x 产业链的每个环节。通常认为，i e e e 8 0 2 1 6 工作组是i e e e 8 0 2 1 6w i m a x 空中接口规范的 制造者，而w i m a x 论坛是技术和产业链的推动者。目前w i m a x 几乎成了i e e e 8 0 2 1 6 技术 的代名词，其空中接口规范涵盖了i e e e 8 0 2 1 6 d e 标准。自从2 0 0 1 年包括诺基亚、因特 尔等在内的世界著名供应商发起成立w i m a x 论坛以后，w i m a x 受到业界的高度关注，甚至 被评选为未来最重要的十大技术之一。 2 0 0 7 年1 0 月1 9 日，国际电信联盟( i t u ) 世界无线电通信全会决定将w i m a x 纳入 i m t 一2 0 0 0 标准系列中，使其成为与w c d m a 、c o m a 2 0 0 0 和t d - s c d m a 并列的3 g 标准。w i m a x 大体上可以分为固定w i m a x 和移动w i m a x 两大类。移动w i m h x 在发展过程中，一直受到频 段资源的困扰而导致产业化缓慢。除了希望能在适合移动性能的3 g h z 频段以下得到频率 资源外，w i l a x 论坛还希望能在全球得到统一的频率资源。所以目前整个业内都致力于实 现w i m a x 频段的统一化，最起码形成几个有限的选择，以避免出现传统无线宽带市场各种 频谱、各样结构充斥的局面，从而影响w i m a x 应用的普及。这次w i m a x 阵营努力加入3 g 阵营，就是为了分享i t u 分配给3 g 的频谱资源，实现全球漫游等目标，成为真正意义上 的移动通信技术。 1 1 2 几种无线技术的比较n 町n 刀n 阳 + 当前无线通信技术的快速发展，形成了移动通信宽带数据化和数据通信无线移动化两 大趋势。各种宽带无线网络技术正促成这两大趋势不断地发展，并且开始出现融合现象。 从带宽这个方面看，无线通信技术可以划分为窄带移动通信和宽带无线通信。 从覆盖范围这个角度来看，目前的无线接入系统可以划分为w p a n ( 无线个人域网) 、 w l a n ( 无线局域网) 、w m a n ( 无线城域网) 和w w a n ( 无线广域网) 。如图1 - 1 所示。 2 南京邮电大学硕士研究生毕业论文 第一章绪论 图1 - 1 各种无线接入技术比较 i e e e 和e t s i 两个世界范围内最具影响力的标准化组织分别制定了相应的无线接入系 列标准。 i e e e 8 0 2 1 5 和h i p e r p a n 构成了p a n 的无线接入标准。个人域网用于解决同一地点的 终端和终端间的连接，通常形象描述为“最后1 0 米的通信需求，如手机蓝牙设备与蓝 牙耳机间的无线连接。 i e e e 8 0 2 1 l 和h i p e r l a n 构成了l a n 的无线接入标准。局域网用于解决用户群内部信 息交流和网际接入，形象描述为“最后一百米 的通信需求，如企业网和驻地网。由大批 业内顶尖制造商参加的w i - f i 联盟，其目标正是为了推广i e e e 8 0 2 1 1 系列标准的应用。 i e e e 8 0 2 1 6 和h i p e r a c c e s s 构成了m a n 的无线接入标准，城域网用于大都市范围内的 业务点与信息汇聚点之间的信息交流和网际接入，形象描述为“最后1 英里”的通信需求。 由一些主要的通信部件及设备制造商结成的w i m a x 组织，其目标是促进i e e e 8 0 2 1 6 的应 用。 i e e e 8 0 2 2 0 和2 g 、3 g 蜂窝移动通信系统构成了w a n 的无线接入标准，广域网用于解 决超出一个城市范围的信息交流和网际接入需求，主要提供语音业务和一些中速的。 目前用于宽带无线网络接入的主要技术有2 g 3 g 电信网络，8 0 2 1 1 协议族( w i f i ) ， 8 0 2 1 6 协议族( w i m a x ) 。3 g 技术主要应用于广域网，它提供的接入速度还是不能满足用 户的要求。而w i - f i 限制着用户的物理位置，不能出现较大范围的移动。w i m a x 接入技术 是针对无线城域网而设计的，在高带宽和移动性方面等方面满足众多用户的需求。无线技 术呈现向宽带移动化方向发展，市场需求驱动着“最后一公里 接入技术飞速发展，这使 得w i m a x 技术的重要性更为突出。 3 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第一章绪论 1 2 论文研究背景和意义 在过去的几年里，我们目睹了许多无线通信技术的成功发展，现在无线网络已经在时 间和空间上渗透人们的日常生活。从过去的g s m 网络发展到现在的3 g 网络以及4 g 网络中， 我们可以看出，无线接入网络逐渐向宽带移动化发展。各种接入技术在“最后一公里 接 入技术中各显神通。w i m a x 作为其中一种宽带无线接入技术，扮演极其重要的角色。 w i m a x 是基于i e e e 8 0 2 1 6 标准的一种无线城域网技术。它是当前比较先进的无线技术， 其最大传输速度可达7 5 m b i t 秒、最大传输距离可达5 0 k m ，可实现高速远距离传输的无线 通信技术。其网络架构主要分为n a p ( n e t w o r ka c c e s sp r o v i d e r ) 、n s p ( n e t w o r ks e r v i c e p r o v i d e r ) 和a s p ( a p p l i c a t i o ns e r v i c ep r o v i d e r ) 三个部分。而n a p 由一个或多个 a s n ( a c c e s ss e r v i c en e t w o r k ) 组成；n s p 由一个或多个c s n ( c o n n e c t i v i t ys e r v i c en e t w o r k ) 组成。a s p 为n s p 提供各种应用服务。其中以a s n 在w i m a x 网络中的地位十分关键。 a s n 作为w i m a x 网络的重要组成部分，理所当然成为研究的热点和重点。它主要由b s 和a s n g w 两个网元组成。而d p ( d a t ap a t h ，数据通道) 就是为了完成b s 和b s 之间、b s 和a s n - g w 之间以及a s n - g w 和a s n - g w 之间的数据传输，通过应用层会话，选择、建立以 及管理相应的隧道传输技术。在w i m a x 网络中，通常有3 种隧道可选i pi ni p 隧道、 g r e 隧道和8 0 2 1 q v l a n 。 目前，w i m a x 网络工作组投入相当一部分精力相继推出了w l m a x 网络侧的技术文档， 无线侧的8 0 2 1 6 工作组也在不断推出新的文档，进一步完善整个w i m a x 技术标准。但在 实现w l m a x 网络组网方面j 真正的完整w i m a x 网络系统还并不多见。因此，有必要从这个 角度切入，研究具体如何实现，发现和解决一些软件实现方面的问题。 w i m a x 终端进入网络的初始阶段，需要建立起始业务流和预配置业务流，以及后续建 立动态业务流等，它们都需要d p 模块配合完成。另外，在终端进行切换时，也需要d p 模 块配合，以达到切换丢包率低，无缝、平滑切换的目的。 从上述说明可以看出，d p 与o o s 、切换等息息相关，因而，数据通道技术是构建整个 a s n 网络的基础，是b s 和a s n - g w 网元中不可缺少的功能模块。本课题来源于与华为合作 的项目w i m a x 移动i p t v & v o i p 原型系统项目系统设计，整个原型系统实现对未来真正 的w i m a x 组网具有非常重要的实践指导意义。 4 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第一章绪论 1 3 论文主要内容和本人所做的工作 论文第一章绪论总结了w i m a x 技术的发展动态并且比较了几种典型的宽带无线接入技 术。第二章从网络与接口、工作过程、系统功能和网络标准四个方面更详细地描述了w i m a x 接入网络，从整体的角度去了解w i m a x 。第三章总结了数据通道相关基础技术，包括隧道 传输技术、切换技术和o o s 技术。第四章详细讲解w i m a x 网络数据通道关键技术，包括 数据通道的模型、数据通道的管理和w i b i a x 业务流管理。论文第五章详尽描述了d p 模块 软件实现技术，给出了d p 模块结构和接口设计、模块有限状态机设计以及d p 功能线程实 现。在论文的最后，总结了本课题的研究成果并给出了进一步研究方向。 本课题来源于与华为合作项目w i m a x 移动i p t v & v o i p 原型系统项目系统设计。在 参与这个项目的过程中，本人做了如下工作： 首先，认真阅读并深入了解w i m a x 规范和相关技术文档，宏观上全面掌握整个w i m a x 组网系统； 其次，深入钻研数据通道涉及的一些基础技术，比如隧道技术，切换技术和o o s 技术； 然后，全面理解和掌握w i m a x 网络中的数据通道技术，深入剖析数据通道的功能，阐 述了它跟其他模块的接口； 最后，结合w i m a x 原型系统项目，完成该功能模块的概要设计及详细设计，并在这个 基础上用c 语言编写出d p 功能模块的源程序，并成功通过测试。 1 4 本章小结 近些年来，我们目睹无线接入技术的飞速发展。w i m a x 接入技术的传输距离远、高带 宽、服务质量有保障等特点，使得它在“最后一公里”的接入技术中占据非常重要的地位。 w i m a x 技术是基于i e e e 8 0 2 1 6 标准的一项宽带无线技术。本章首先初步介绍了w i m a x 的技术背景，并比较了几种无线接入技术。接着给出了课题的研究背景和意义：最后总结 了论文的内容和本人所做的工作。 5 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章w i m a x 网络架构 第二章w i m a x 网络架构 w i m a x 论坛给出了w i m a x 接入网络架构，定义了各个网元间的接口，并归纳了多种应 用场景以便运营商根据具体情况予以采纳。w i m a x 网络更多地关注网络侧的问题和应用， 对于空口无线侧主要由8 0 2 1 6 工作组负责，当然它们之间是有联系的。用户所有业务必 然有终端的参与，数据要么从网络流向终端，要么从终端流向网络。整个系统如何为用户 各种不同业务也是w i m a x 所关注的问题。随着时间的推移，w i m a x 标准将不断完善。 2 1w i m a x 网络模型及接口 小州脚 w i m a x 网络工作组提出了w i m a x 网络参考模型，如图2 1 所示。 数据平面 一一一一控制平面 图2 1w i m a x 网络参考模型 从图2 - 1 所示的网络参考模型中，我们可以看出，w i m a x 网络分为3 个逻辑部分 m s 、n a p ( n e t w o r ka c c e s sp r o v i d e r ，网络接入提供商) 、n s p ( n e t w o r ks e r v i c ep r o v i d e r ， 网络服务提供商) 。其中，n a p 由多个a s n ( a c c e s ss e r v i c en e t w o r k ，接入服务网) 组成， 为用户提供w i m a x 无线接入服务。n s p 由c s n ( c o n n e c t i v i t ys e r v i c en e t w o r k ，连接服 务网) 组成，为用户提供i p 接入和w i m a x 业务。惦与a s n 以及c s n 的接口参考点在图中 6 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章w i l v 似网络架构 也已经标出。为了达到端到端通信，m s 、a s n 与c s n 间的互通都是基于这些参考点的接口。 每个参考点的定义都与通信双方实体内的不同功能实体协议密切相关。 参考点r 1 接口：m s 与a s n 间的协议接口。它主要是空口方面的协议规范( i e e e8 0 2 1 6 物理层和媒体访问控制层) ，还包括管理平面的协议。 参考点r 2 接口：m s 与c s n 间的协议接口。主要包含与认证、业务流授权以及i p 主机 配置管理相关的协议，它是个逻辑的接口，并非m s 与c s n 间直接的协议接口。该参考点 中认证部分是m s 与家乡n s p 运营的c s n 间的协议接口，然而访问的a s n 与c s n 只是参与 这个过程。参考点r 2 接口可以支持i p 主机配置管理，这个过程发生在m s 与c s n ( 家乡 n s p 或者访问n s p 运营) 之间。 参考点r 3 接口：a s n 与c s n 间的协议接口。主要包含控制平面的一系列协议。这些协 议能支持a a a 、策略执行和移动管理。它还包括用于传输a s n 与c s n 间用户数据的承载平 面方法( 如隧道技术) 。 参考点r 4 接口：a s n 间及同一a s n 内部g w 之间的协议接口。包括一系列控制平面和 承载平面的协议。这些协议过程都是在同一个a s n 内部g w 间或者是不同a s n 间进行。 参考点r 5 接口：c s n 间的协议接口。包含一系列控制平面和承载平面协议，目的在于 将家乡n s p 运营的c s n 与访问n s p 运营的c s n 互联起来。 从图2 - 1 中，我们可以清楚地看出，n a p 有一个或者多个a s n 组成。w i m a x 网络工作 组对a s n 作出了明确规定，并给出了参考模型。如图2 2 所示。 数据平面 控制平面 图2 - 2a s n 参考模型 在a s n 内部，有b s 和a s n - g w 两个网元。其中b s 与b s 、g w 以及g w 与g w 间的接口在 图中也己明确标识。a s n 的外部接口有r 1 、r 3 和r 4 接口，内部接口有r 6 和r 8 接口。r l 、 7 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章w i m a x 网络架构 r 3 和r 4 接口在前面已经做出说明，这里不再赘述。r 6 接口描述的是a s n 中b s 与g w 间的 协议接口，包括b s 与a s n - g w 间一系列的控制和承载平面协议。承载平面的协议主要指的 是a s n 内部b s 与a s n g w 间的数据通道，而控制平面的协议包括数据通道建立、修改和释 放控制。r 8 接口描述的是a s n 中的b s 与b s 间的协议接口，主要指的是为了确保m s 在不 同b s 间作快速无缝切换b s 必须支持的一系列控制平面和一些可选的数据平面协议。 b s 是a s n 中一个非常重要的网元。它包含8 0 2 1 6 物理层和m a c 层的内容，处理与m s 的空口交互以及转发来自m s 或者a s n - g w 的数据。当然还包括管理平面的协议，比如无线 资源管理，空口q o s 管理等。它同时还包含认证、切换、数据通道、业务流等方面的功能。 它是网络与终端用户的中继。 a s n g w 是a s n 中一个核心的网元。它是m s 的接入网关，位于i p 网络边缘，具有强大 的业务处理能力，向用户提供增值业务和新业务。它包括认证、切换、数据通道、业务流、 d h c p 等功能。 w i m a x 网络参考模型将整个网络分为m s 、n a p 和n s p 三个部分。其三个部分的商业关 系如图2 3 所示。 图2 - 3w i m a x 用户、n a p 及n s p 间的商业关系图 从图2 - 3 中，可以清楚地看出，w i m a x 用户与家乡n s p 签订服务协议书，为用户提供 w i m a x 接入、业务和计费服务。n s p 只能提供i p 服务和w i m a x 业务，但不能提供接入功能， 8 南京邮电大学硕士研究生毕业论文 第二章w i i v l a x 网络架构 提供接入功能的是n a p ，所以n s p 与n a p 间必须签订合约，为用户提供w i m l a x 接入。当用 户漫游到异地w i m a x 网络，为了保持用户正常通信，家乡n s p 与访问n s p 间必须签订漫游 协议，为用户提供漫游服务。 2 2w i m a x 组网配置n 儿住1 为了更清楚地了解w i m a x 的组网，下面将简单介绍七种组网配置： 1 一个n a p 接入多个不同类型的家乡n s p 。 2 一个n s p 与多个n a p 连接提供w i k 4 x 接入服务。 3 n a p 与n s p 由一个运营商管理，构成一个“绿色地带 。 4 n a p 与n s p 由一个运营商管理，同时n a p 还能接入其他n s p 。 5 n a p 与n s p 由一个运营商管理，构成一个“绿色地带 ，并且与其他n s p 签订 了合约，提供漫游服务。 6 在提供漫游服务时，终端可以直接通过外地的n s p 接入因特网或者其他网络。 7 在提供漫游服务时，终端通过家乡n s p 接入因特网或者其他网络。 2 3w i m a ) 【网络的工作过程和系统功能嘲晰h 埘 w i m a x 接入核心网络指的是a s n ，它由b s 和g w 两个网元组成。为了更好地理解接入 核心网络，图2 - 4 简要描述了从开机到关机整个流程。 司咯几 关机 墨- p 卜、网络发现ph 鉴权r 又i s f - 与d p - 形与选择- 叫注册p 7 建立 翎鬻翎切换镯旦 图2 - 4w i m a x 终端进入网络到退出网络的过程 m s 开机后，首先进行网络发现与选择，主要是发现n a p ，选择n s p 以及与n s p 相关的 n a p 。然后进行鉴权注册，这个过程主要是进行认证以及密钥的分发。接着就是i s f ( i n i t i a l s e r v i c ef l o w ，起始业务流) 与d p ( d a t ap a t h ，数据通道) 建立。之后就是自举，主 9 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章w i l v i a x 网络架构 要是为了获取家乡链路的信息，配置自己的接入地址，如果是m i p 用户，还需要向h a 注 册。随后可能会切换，也有可能进入空闲模式，再到关机。 2 3 1 网络发现与选择 m s 开机后进行典型的n a p 、n s p 发现和选择过程，是在第一次使用网络、初始网络进 入、网络重进入、或当m s 穿越n a p 覆盖区域的时候执行。此过程包括选择网络，获取d l 、 u l 信道参数和m a c 同步，基本能力协商等。 网络发现与选择的过程中，主要做以下4 个方面的工作： 1 ) 扫描下行信道，与b s 建立同步 2 ) 从u c d 消息中获得发射参数 3 ) 进行测距，以获得正确的时间偏置和功率调整 4 ) 协商基本能力 注册启动，m s 选择网络，获取d l 信道、m a c 同步和获取u l 信道参数。m s 获得b s 广 播的m a c 管理消息，从管理消息中获取同步相关的信息，实现时间同步，并获取发射信号 的参数。 m s 通过r n g - r e q u e s t 和r n g r e s p o n s e 消息交互完成测距流程，获知基站信号的强弱。 m s 发送s b c - r e q 消息给b s 启动s b c ( s sb a s i cc a p a b i l i t i e s ) 基本能力协商，主要 协商p k m 协议版本、认证策略( 包括认证模式、安全策略等) 。 收到m s 发送s b c - r e o 消息后，b s 发送m sp r e - a t t a c h m e n tr e q u e s t 消息给它默认的 a s n g w 通知它新m s 进入网络注册。 2 3 2 鉴权认证与密钥分发 鉴权认证是对接入网络的m s 进行认证，如果是合法用户，网络授权m s 接入网络，并 为其分配密钥。 鉴权认证与密钥分发过程主要包括以下几个方面： 1 ) m s 的e a p 过程完成m s 的接入认证； 2 ) m s 的e a p 过程同是也完成了m s 的合法授权： 3 ) 为m s 分发密钥，主要是为了加密空口数据； 1 0 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章、) l ，i m a x 网络架构 4 ) 进行8 0 2 1 6 注册，通过注册过程，m s 被允许进入网络，并且被管理的m s 接收到 第二管理c i d 。 w i m a x 共定义了4 种网络接入认证模式： 1 ) 用户认证模式( 模式1 ) ：利用e a p 方法对用户的身份进行认证，e a p 中的i d e n t i f i e r 为用户的i d e n t i f i e r ，l t c ( l o n gt e r mc r e d e n t i a l ) 为s b c ( 一般为p s k ) ，验证在h c s n 上进行； 2 ) 设备认证模式( 模式2 ) ：对设备进行认证，e a p 中的i d e n t i f i e r 为设备的 i d e n t i f i e r ，l t c 为p s k 或基于x 5 0 9 的证书，验证在h c s n 上进行； 3 ) 用户、设备双重认证：先进行设备认证，设备认证在v c s n 上进行，丢弃设备认证 所产生的e m s k ，从设备认证所产生的m s k 中衍生出e i k ，利用e i k 对后续的用户认证 进行保护，用户认证在h c s n 上进行。 4 ) 用户、设备联合认证( 模式3 ) ：在同一个e a p 认证中同时验证用户和设备，认证在 家乡c s n 上进行。 2 3 3is f 与d p 建立 数据通道( d p ) 功能在两个对端之间管理承载平面的建立，包括处理承载平面所需的 任何隧道或附加功能的建立。数据通道功能可用于基站之间、a s n g w 之间或者基站和 a s n - g w 之间建立承载平面，也可处理多播或广播。为了在切换中保证低时延的连接，可以 可选的使用数据通道功能来解决。 当一个用户终端登记到w i m a x 网络，开始i p 数据传输之前，可以按照默认方式创建、 接纳以及激活一套业务流。我们称最初建立的业务流为起始业务流( i s f ) ，建立i s f 的目 的是传送控制信令，如i p 配置管理和i p 客户端应用信令( i p ，m i p ，s i p 等) 。 2 3 4 自举 w i m a x 网络支持i p 网络。当州开机时，它必须从网络获得到足够的信息才能被允许 连接到网络及运行移动i p 。这些信息就是通过自举这一过程获得的。自举的过程需要完成 以下三件事情： 南京邮电大学硕士研究生毕业论文 第二章w i m a x 网络架构 1 获取接入i p 地址。 2 获取h a 的地址。得知h a 的地址后，m s 才能进行移动i p 的注册。 3 获取心的h o a 。 4 如果支持移动i p ，需要进行移动i p 的注册过程，并建立m n 与h a 之间的安全联 盟。 2 3 5 切换 w i m a x 中的切换可以分为两个层次：一个是二层( l 2 ) 切换，也就是链路层上移动性 管理；另一个则是三层( l 3 ) 切换，即网络层移动性管理。 1 、a s n 锚点移动性管理 由于m s 位置的移动，导致从一个b s 移动到一个b s ，在这个过程中链路层发生了变化， 即二层切换。这个过程中不涉及网络层，因此没有引起网络层地址的改变，a s n 锚点没有 改变，故又称之a s n 切换，相应的管理过程成为a s n 锚点移动性管理。为了更清楚地理解 这个概念，下面用图的方式解释这个问题。 图2 5a s n 锚点移动性管理示意图 从图2 5 中可以看到，在发生a s n 锚点切换前，数据是沿着m s b s l 川w 1 这条路径 1 2 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章w i m a x 网络架构 传输，g w l 就是m s 的a s n 锚点。然而在发生a s n 锚点切换后，数据可能是沿着m s 川s 2 一 g w 2 川w 1 这条路径传输。不难发现，g w l 依旧是m s 的a s n 锚点，没有改变。 2 、c s n 锚点移动性管理 c s n 锚点移动性管理，又称c s n 切换，指的就是m s 发生a s n 切换后，由于某种原因， 需要改变a s n 锚点，也就是r 3 接口发生改变，因此也称为r 3 移动性管理。在这个过程 中，由于锚定的a s n - g w 发生改变，数据锚点也就随着发生改变。m s 的接入网关，也就是 接入路由器发生迁移，从而带来三层地址的改变，必然需要三层移动性管理。为了清楚地 展示c s n 移动性管理，图2 - 6 更直观地说明了这个问题。 图2 - 6c s n 锚点切换示意图 从图2 6 中可以看到，在发生c s n 锚点切换前，数据是沿着m s b s 2 g w 2 g w l 这条 路径传输，g w l 就是m s 的h s n 锚点。在发生c s n 锚点切换后，数据可能是沿着m s b s 2 一 g w 2 这条路径传输。不难发现，g w 2 成为m s 的a s n 锚点，而不是先前的g w l 。 2 3 6 寻呼 为了节省用户终端的电源，当用户没有任何业务运行时，可以关闭不使用的应用进程， 只保留接收下行链路的广播信道数据的进程。当外部有数据到来或者用户想主动发送数据 时，立即唤醒终端，进入正常工作状态。这就是寻呼的主要思想。它包括三个方面的功能： 1 从正常通信状态进入空闲模式； 1 3 p一一匆 m m 南京邮电大学硕士研究生毕业论文 第二章w i m a x 网络架构 2 退出空闲模式进入正常通信状态； 3 在空闲模式下的位置更新。 2 3 7 退网 m s 退网通常由正常关机、或发生了某种m s 的网络服务被撤销并且上下文被删除时的 错误情况导致发生的。 以下三种实体可发起m s 退网操作： m s ，它可以发起正常关机退出网络； a s n ，当发生正常关机，或网络侧发生失败情况触发退网； c s n 内的家乡a a a j 艮务器也可触发m s 退网。 m s 退出网络包含m i p 隧道释放、d h c p 释放( 如果m s 的h o a 或c o a 采用d h c p 地址配 置方式) 、业务流删除、w i m a x 数据通道的释放和a 从中的上下文删除及计费信息的计算。 2 4 本章小结 w i m a x 论坛给出了w i m a x 接入网络参考模型，并定义了各个网元间的接口。从参考模 型中，可以清楚地看出，w i m a x 网络分为3 个逻辑部分叫s 、n a p 和n s p 。n a p 是一个商 业实体，它由多个a s n 组成，为用户提供w i m a x 无线接入服务。n s p 也是一个商业实体， 由c s n 构成，为用户提供i p 接入和w i m a x 业务。w i m a x 是一种宽带无线接入技术，主要聚 焦于接入网络的设计，也就是a s n 的设计。 本章的第二部分介绍了7 种w i m a x 组网配置。 w i m a x 用户终端从开机入网到退网，一般需要经历网络发现与选择、认证、i s f 与d p 建立、自举和退网等过程。当然，如果终端发生位置移动，可能会进行切换。为了节省终 端的电源寿命，在用户没用任何业务运行的时候，会进入空闲模式，这就关系到寻呼功能。 1 4 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第三章数据通道相关基础技术 第三章数据通道相关基础技术 数据通道是w i m a x 接入网络中一个非常重要的功能实体。它用于管理a s n 中两个不同 物理网元间的数据通信。数据的传输是通过网络层的隧道实现，因此，隧道技术是数据通 道技术的基础技术。同时它与切换、o o s 技术也相关联。 3 1 隧道传输技术 网络隧道技术指的是利用一种网络协议来传输另一种网络协议，它主要利用网络隧道 协议来实现这种功能。网络隧道技术涉及三