（通信与信息系统专业论文）移动wimax硬切换时延性能优化研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 一竖 移动w i m a x 是基于i e e e8 0 2 1 6 e 标准的宽带无线接入城域网( b w a m a n ) 技术，具有传输距离远、接入速度高、支持移动性等特点，能够满 足移动、游牧、固定等多种应用场景，可以广泛应用于广域接入、企业宽 带接入、家庭“最后一公里 接入以及数据回传等几乎所有无线宽带接 入市场。该系统网络的切换是支持移动性的关键技术，如果切换时延越大， 会造成m s 在越长的时间内无法与服务b s 交互媒体面数据，从而使网络 服务质量大幅下降。因此，如何降低切换时延是w i m a x 网络研究的热点 问题。 本文在对己有协议结构和信令体系进行研究的条件下，做了如下工 作： 1 提出结合关联级别0 、1 、2 的硬切换概要设计流程并从理论上分析 其时延，设计并编码实现了为配合这三种硬切换机制而加入系统b s 侧的 a s c 子模块。 2 设计了结合关联级别2 且利用r 6 信令交互进行参数协商的硬切换 概要设计流程，对负责维护的h o h 模块的处理流程进行相应的修改，并 且设计了m s 为配合该硬切换机制而进行的处理流程。 3 借助于中兴通讯w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t y f o rm i c r o w a v e a c c e s s ) 产品线的实验平台，对相关模块的代码进行特殊处理，模拟真实实 验环境测试本文提出的几种硬切换机制的时延，结果表明经过优化的几种 硬切换机制的时延优于现有协议中的硬切换机制的时延。 论文的研究对未来网络通信技术的发展和应用具有重要的理论意义和 实际价值。 关键词：移动w i m a x ，切换，扫描，关联 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t m o b i l ew i m a xi saw i d eb a n dw i r e l e s sa c c e s sm a nt e c h n o l o g yb a s e d o ni e e e 8 0 2 1 6 ep r o t o c o l ，i th a sl o n gt r a n s m i td i s t a n c e ，h i g ha c c e s ss p e e d ， s u p p o r t sm o b i l i t ya n ds oo n ，p r o t o c o ls u i te v o l v ef r o mm o b i l e ，p o r t a b l ea n d f i x e do p e r a t i o n ，i tc a nb ew i d e l yu s e di nw i d ea r e aa c c e s s ，e n t e r p r i s eb r o a d b a n da c c e s s ，f a m i l y “l a s to n em i l e a c c e s sa n dd a t ab a c k h a u la n da n yo t h e r w i r e l e s sb r o a db a n da c c e s sm a r k e t t h i ss y s t e m sh a n d o v e ri st h ek e y t e c h n o l o g yt h a ts u p p o r t st h em o b i l i t y , i fh a n d o v e rp r o c e s si sn o tw e l l ，i tw i l l t e nt om a k et h ec e l lo v e r l o a d i n go rm o b i l es t a t i o nd r o p ，w h i c hw i l lg r e a t l y d a m a g e dt h en e t w o r ks e r v i n gq u a l i t y s o ，h o wt o r e d u c et h eh a n d o v e rt i m e d e l a yi st h eh o ti s s u eo fm o b i l ew i m a x n e t w o r kr e s e a r c h b a s e do nt h e8 0 2 16 ep r o t o c o l sr e s e a r c h ，t h i sp a p e rf i n i s h e ds o m e a s s i g n m e n t s ： 1 p u t sf o r w a r dt h eh a r dh a n d o v e ra r i t h m e t i cc o m b i n e da s s o c i a t i o n ， i n c l u d e sh a r dh a n d o v e rf l o w sc o m b i n ea s s o c i a t i o nl e v e l0 、1 、 2 ，i nt h e o r y a n a l y z et h ev a l u eo ft h e i rd e l a y ，d e s i g n e sa n dc o d i n gt h ea s c m o d u l ei no r d e r t oc o o p e r a t et h o s eh a r dh a n d o v e rm e c h a n i s m 2 d e s i g n e san e wh a r dh a n d o v e ra r i t h m e t i cu s i n ga s s o c i a t i o nl e v e l2a n d c r o s sl a y e ri n f o r m a t i o na l t e r n a t i o nt op r o c e s sp a r a m e t e rn e g o t i a t e ，m o d i f yt h e h o hm o d u l e rw h i c ht a k ec h a r g em a i n t e n a n c eb ym y s e l ka n dd e s i g n e st h e d i s p o s a lf l o wo fm si no r d e rt oc o o p e r a t ew i t ht h i sh a r dh a n d o v e rs c h e m e 3 t h ep a p e rt e s t e sa n da n a l y s e st h o s eh a r dh a n d o v e rs c h e m e si nz t e w i m a xp r o d u c tl i n el a b o r a t o r y ，w h i c hc o r r e l a t i o nm o d u l e r sh a v ed o n es o m e s p e c i a ld i s p o s a l ，i no r d e rt os i m u l a t et h er e a l l ye x p e r i m e n te n v i r o n m e n t t ot e s t ， t h er e s u l ts h o w st h o s es c h e m e sa r eo u t g ot h eo n ei ne x i s t e n c e t h er e s e a r c ho ft h ep a p e rh a sg r e a tt h e o r ym e a n i n ga n dp r a c t i c a lw o r t h f o rt h ef u t u r ec o m m u n i c a t i o nd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：m o b i l ew i m a x ，h a n d o v e r ，s c a n n i n g ，a s s o c i a t i o n 缩略语索引表及图索引表 缩略语索引表及图索引表 a g wa c c e s sg a t e w a y接入网关 a m ca u t o m a t i cm o d u l a t i o na n dc o d i n g自动调制和编码 a s na c c e s ss e r v i c en e t w o r k接入服务网 b bb a s eb a n d基带 b r hb e a r e r h a n d l e r承载处理 b c mb r o a d c a s tc o n t r o lm o d u l e多播控制模块 c i n rc a r r i e r t o - i n t e r f e r e n c ep l u sn o i s er a t i o载干比 f b s sf a s tb a s es t a t i o ns w i t c h i n g快速b s 切换 h a r q h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t 混合自动重传请求 h oh a n d o v e r切换 h o hh a n d o v e rh a n d l e r切换处理 m sm o b i l es t a t i o n移动台 m p pm a cp d up r o c e s s i n gm a cp d u 处理 m s pm a cs d up r o c e s s i n gm a cs d u 处理 q o sq u a l i t yo fs e r v i c e 服务业务质量 t l v t y p el o n g t hv a l u e类型长度值 v o sv i r t u a lo p e r a t i n gs y s t e m虚拟操作系统 w i m a xw o r l d w i d e i n t e r o p e r a b i l i y t f o r全球微波存取互通 m i c o r w a v ea c e e s s 图2 1 带关联级别0 的扫描流程图一9 图2 2 带关联级别1 的扫描流程图l0 图2 3 带关联级别2 的扫描流程图l l 图2 4 现有协议设计的硬切换流程图1 4 图2 5 反向m s 响应示意图1 5 图2 6 源侧b s 的h o h 模块处理流程图1 8 图2 7 目标侧b s 的h o h 模块处理流程图2 0 图3 1 结合关联级别0 的硬切换流程图2 6 图3 2 在关联级别0 的硬切换中源侧b s 的a s c 模块处理流程2 7 i i i 重庆邮电大学硕士论文 图3 3 在关联级别0 的硬切换中目标侧b s 的a s c 模块处理流程2 8 图3 4 关联级别0 的硬切换中m s 的处理流程2 9 图3 5 结合关联级别1 的硬切换流程图3 2 图3 - 6 在关联级别l 的硬切换中源侧b s 的a s c 模块的处理流程3 3 图3 7 在关联级别1 的硬切换中目标侧b s 的a s c 模块的处理流程3 4 图3 8 在关联级别1 的硬切换中m s 的处理流程3 7 图3 - 9 结合关联级别2 的硬切换流程图3 9 图3 1 0 在关联级别2 的硬切换中源侧b s 的a s c 模块的处理流程4 0 图3 1 1 在关联级别2 的硬切换中目标侧b s 的a s c 模块的处理流程4 1 图3 12 在关联级别2 的硬切换中m s 的处理流程4 2 图4 1 移动w i m a x 网络架构图及其内部接口4 5 图4 2r 6 控制面协议栈4 6 图4 3 结合关联级别2 且利用r 6 信令交互进行参数协商的硬切换流程 图4 9 图4 - 4 源侧b s 的h o h 模块修改后的处理流程图51 图4 5 在结合关联级别2 且利用r 6 信令交互进行参数协商的硬切换中m s 的处理流程5 3 图5 1 模拟测试环境的构造图5 5 图5 2 模拟测试的切换路线图5 6 i v 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着互联网的普及和对多媒体业务需求的增加，对无线通信系统提出 了新的要求和挑战以满足日益增加的数据带宽需求。目前，宽带用户数量 在全球也己呈现出非常强劲的增长态势。在众多的宽带技术中，支持宽带 无线接入的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 y tf o rm i c o r w a v ea c e e s s ，全 球微波存取互通) 技术受到了业界的普遍关注。w i m a x 技术是基于无线城 域网i e e e 8 0 2 1 6 标准的宽带无线技术，可以在固定和移动的环境提供高速 的数据、语音和视频等业务，兼具了移动、宽带和i p 化的特点，具有广阔 的应用前景，是一种很有发展潜力的无线接入技术。联合国国际电信联盟 ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i e a t i o nu n i o n i t u ) 于2 0 0 7 年10 月19 日正式宣 布，批准w i m a x 技术成为全球范围内的i m t - 2 0 0 0 ( 3 g ) 标准。并且， w i m a x 将有望成为i t u 未来4 g 计划的一部分。 1 1 1 ie e e 8 0 2 16 协议的发展历程 i e e e 8 0 2 1 6 标准又称为i e e ew i e r l e s sm a n 空中接口标准，对工作于 不同频带的无线接入系统空中接口进行了规范。由于它所规定的无线系统 覆盖范围在公里( k m ) 量级，因此8 0 2 1 6 系统主要应用于城域网。根据使用 频带高低的不同，8 0 2 1 6 系统可分为应用于视距和非视距两种，其中使用 2 1 1g h z 频带的系统可应用于非视距( n l o s ) 范围，而使用lo 一6 6 g h z 频 带的系统应用于视距( l o s ) 范围【5 】。根据是否支持移动特性，8 0 2 1 6 标准 又可分为固定宽带无线接入空中接口标准和移动宽带无线接入空中接口 标准。 i e e e 8 0 2 1 6 标准系列主要包括8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 d 、8 0 2 1 6 e 标 准，其中8 0 2 16 、8 0 2 16 a 、8 0 2 16 d 属于固定无线接入空中接口标准，而 8 0 2 1 6 e 属于移动宽带无线接入空中标准 8 】。 2 0 0 1 年1 2 月颁布的8 0 2 1 6 标准，对工作在l o 一6 6 g h z 频段的固定宽 带无线接入系统的空中接口物理层和m a c 层进行了规范，由于其使用的 频段较高，因此仅能应用于视距( l o s ) 传输。 重庆邮电大学硕士论文 2 0 0 3 年1 月颁布的8 0 2 16 a 标准对之前颁布的8 0 2 1 6 标准进行了扩展， 对使用2 一llg h z 许可和免许可频段的固定宽带无线接入系统的空中接口 物理层和m a c 层进行了规范，该频段具有非视距( n l o s ) 传输的特点，覆 盖范围最远可达5 0 公里，通常小区半径为1 0 公里以内【1 2 】。另外，8 0 2 16 a 的m a c 层提供了q o s 保证机制，可支持语音和视频等实时性业务。 8 0 2 1 6 d 标准是8 0 2 1 6 标准系列的一个修订版本，是相对比较成熟且具 有实用性的一个标准版本。8 0 2 1 6 d 对1 0 6 6 g h z 频段和 1 1 g h z 频段的 固定宽带无线接入空中接口物理层和m a c 层进行了详细规定，定义了支 持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的m a c 层和相对应的多个物理 层。该标准对前几个8 0 2 16 标准进行了整合和修订，仍属于固定宽带无线 接入规范。2 0 0 4 年6 月2 3 日，i e e e 正式批准了8 0 2 1 6 d 标准f 2 7 1 。 8 0 2 1 6 e 标准区别于前几个标准的最大区别在于对移动性的支持。该标 准规定了可同时支持固定和移动宽带无线接入的系统，工作在 6 g h z 适宜 于移动性的许可频段，可支持用户终端以车辆速度移动，同时8 0 2 16 d 规 定的固定无线接入用户能力并不因此受到影响。协议主要加强了对移动性 的支持。对切换的支持包括了对切换过程和切换的m a c 层信令的定义， 以及对切换过程中测距( r a n g i n g ) 操作的完善 4 】。另外，对移动终端的支持 包括：确定了省电模式，增加了低复杂度、低延时的l d p c 信道编码。为 了适应多变的移动信道环境，增加的功能包括：支持灵活的带宽使用，增 强了h a r q 、a m c 、智能天线和空时码的功能，增加了t d d 系统的闭环 发送功能。制定8 0 2 16 e 标准的目的，是希望能够提出一种既能提供高速 数据业务又使用户具有移动性的宽带无线接入解决方案。8 0 2 1 6 e 标准已 于2 0 0 5 年1 2 月7 日获i e e e 批准【6 】。 1 1 2 切换在移动w im a x 中的研究现状 网络的无缝切换是支持移动性的关键技术，如果切换过程进行得不好， 很可能造成小区过载或移动台“掉话，如果切换时延越大，会造成m s 在越长的时间内无法与服务b s 交互媒体面数据，使网络服务质量大幅下 降。因此，如何降低切换时延是w i m a x 网络研究的热点问题。 v i n h 2 0 】提出一种现有移动w i m a x 网络还未支持的多跳切换机制，该 文主要思想是：一个m s 同时与两个b s 进行注册，其中主b s 负责与m s 数据的传输，另外一个b s 作为候补b s 专门负责备份数据。当切换发生时， m s 从一个主b s 切换到另一个主b s 这段时间内，所有在切换过程中需要 2 第一章绪论 传输的数据都通过候补b s 发送到m s ，这样切换过程中就不会有丢包的现 象。但是这种切换是属于移动w i m a x 的软切换，移动w i m a x 的软切换 在协议上的提及都十分有限，i e e e8 0 2 1 6 9 工作组仅仅是进行这方面的意 见征集工作。 r o s e 2 1 】通过分析网络构造对切换性能和复杂度的影响，试图找到一 种移动w i m a x 网络结构，使之能够提高系统的切换性能而且还能降低网 络间的消耗。但在文中作者并没有结合所提出的网络结构进行切换时延或 丢包率的性能分析，而且没有相关的仿真或实测数据，因此并不能体现出 该方案的优越性。 d o oh w a nl e e 在【2 2 提出利用c i n r 和a t d 来估算最有可能成为切换 目标的b s ，确定了唯一的目标b s ，可以使服务b s 与目标b s 之间的信息 交互量大量减少；但是这样做有个弊端，确定这个目标b s 之后，m s 就不 会和其它可能成为目标的b s 进行r a n g i n g 测距，从而失去了获取更精确的 邻区b s 参数的机会，而先前确定的目标b s 很有可能并不是最优的目标 b s 。另外该文还提出应该优化切换发起的时机，切换的发起时机既不能太 早，那样会导致分配的r a n g i n g 时隙有时会没被用到；也不能太晚，因为 那样b s 没有足够的时间来分配r a n g i n g 时隙，那样m s 只能进行基于竞争 的r a n g i n g 进程。但文中并没有对如何确定切换发起时机进行详细的阐述， 而是直接给出结果，结果显示结合这两种方案的切换时延与现有的切换方 案相比，并没有特别明显的改善。 s i kc h o i 在 2 3 】通过引入一条自定义的消息f a s td l m a p i e ，该消息 属于一类d lm a pi e ，包含有m s 的m a c 地址和下行资源分配信息；当 切换过程中有紧急的下行数据需要传输到m s ，可以利用f a s td l m a p i e 消息携带这些需要下行数据发送到m s 。这种方法有个缺点，就是只能保 证下行数据在切换时得以正常传输，而没能解决上行数据的正常传输，对 于那些交互性很强的业务( 如v o l p ) 来说，这种方案并不能从根本上解决 问题。 p e n gl i 在 2 4 】里面主要解决了移动w i m a x 切换中存在的丢包的问 题，而在对切换的时延优化这个方面，则仅仅是提出利用预切换的进程可 以减小时延，具体怎么实现文中没有提及，仿真结果中也没有体现切换时 延减小。 s a n gh o o nl e e 在【2 5 】中提出一种切换方案，在b s 设定频率分配，相 当于在频间进行切换，这样切换过程中网络重入流程将可以省略，这样切 换时延将大大减小；但是这种方案不是b s 间的切换，与现在移动w i m a x 重庆邮电大学硕士论文 主流的分布式网络构架不相兼容。 1 1 3 切换时延研究的重要性 影响切换时延最主要的原因是m s 发出切换指示h o i n d 之后，从与 目标b s 进行上下行同步开始，m s 与服务b s 的媒体面连接就中止了【2 9 】。 切换时延越大，m s 就越长时间无法从目标b s 获取原来需要正常发给它的 下行数据，也无法正常上传数据，这样肯定会严重影响到对实时性要求较 高的业务，诸如v o i p 和m p e g 视频点播等。w i m a x 的q o s 可分为5 个 级别，分别是u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e ( u g s ) ，e x t e n d e dr e a l t i m ep o l l i n g s e r v i c e ( e r t p s ) ，r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e ( r t p s ) ，n o n r e a l t i m ep o l i n g s e r v i c e ( n r t p s ) ，b e s te f f o r ts e r v i c e ( b e ) ；其中u g s 业务是b s 在周期 u n s o l i c i t e dg r a n ti n t e r v a l ( g r a n t 间隔) 下给m s 分配固定带宽，不需要m s 申请带宽来发送数据 15 】，一般用于支持v b i p 实时业务；u g s 业务的时延 容忍时间是6 0 m s 2 3 】；e r t p s 和r t p s 业务类型，都是用于支持周期性的带 宽可变的实时业务，前者一般用于支持带静音压缩的v o i p 业务，后者用 于支持m p e g 或者v o d 视频点播等；e r t p s 业务的时延容忍时间是1 0 0 m s ， r t p s 业务的时延容忍度是1 6 0 m s 。 如果切换的时延超过了u g s 、e r t p s 或者r t p s 业务的时延容忍度，这 样会导致用户在使用v o i p 业务的时候发生话音短暂中断，或者是观看视 频点播的时候出现画面和声音的不连贯现象，这些都会影响到移动 w i m a x 的服务质量。因此，优化现有协议的硬切换流程，使之切换时延 有效减小是提高移动w i m a x 服务质量的迫切需求。 在现有的硬切换研究成果里面，主要还是以解决切换时的丢包问题为 主，对时延方面的研究相对较少，即使有相关的研究，都还是基于理论上 的，很少有结合实际产品的案例。本文基于中兴通讯公司移动w i m a x 产 品，从分析现有硬切换流程出发，对其中可改进的步骤做出优化，设计了 结合关联级别o 、1 、2 的硬切换机制以及结合关联级别2 并利用r 6 信令 交互进行参数协商的硬切换机制，并对这几种硬切换机制进行时延分析和 模拟性能测试。 1 2 课题来源和本人主要研发工作 本课题是来源于中兴通讯股份有限公司w i m a x 项目。本课题所涉及 4 第一章绪论 的移动w i m a x 项目，已经成功在某跨国运营商实现商用局的开通，在国 内的实验局中做过各种性能测试，而且各种改进方案也在循序渐进地设计 和实现中。本文作者的主要研发工作包括： 1 结合关联0 、1 、2 的硬切换方案中，本人负责方案的概要设计，并协调 与其他模块的相关接口和结构体定义；负责设计新增的a s c 模块的处 理流程及其编码工作。 2 结合关联2 且利用r 6 信令交互进行参数协商的硬切换方案中，本人负 责方案的概要设计，对负责维护的h o h 模块的处理流程进行相应的修 改，并且设计了m s 为配合该硬切换机制而做的相应流程处理方案。 3 模拟测试切换时延的工作。在测试过程中，本人负责测试方案的制定， 并与同事协同完成了测试工作。 1 3 论文的研究目标及结构安排 本文的组织结构如下： 第二章：本章首先对移动w i m a x 的3 种切换类型进行概述，接着阐述与 移动w i m a x 的切换密切相关的扫描和关联技术，特别对关联级别 0 、1 、2 进行比较；然后详细介绍移动w i m a x 的硬切换流程并对 其进行时延的理论分析，为硬切换时延的性能优化研究做好铺垫， 并介绍了b s 内的切换处理( h o h ) 模块的设计流程；最后简要介 绍了f b s s 切换和宏分集切换。 第三章：首先分析现有硬切换机制的时延可改进之处，然后提出结合关联 0 、l 、2 的硬切换机制，并从设计和实现的角度分别介绍为配合这 三种硬切换机制而加入b s 侧的a s c 子模块的处理流程；简要介 绍m s 在这三种硬切换机制中的处理流程；另外分别对结合关联级 别o 、1 、2 的硬切换的时延进行理论分析。 第四章：首先分析约束前几种硬切换时延优化的主要因素；接着介绍结合 关联2 且利用r 6 信令交互进行参数协商的硬切换机制，然后简要 介绍为配合该硬切换机制，源侧b s 的h o h 子模块处理流程的修 改，以及m s 相应的处理流程，并对该硬切换机制进行时延的理论 分析。 第五章：介绍实验室测试环境及本人设计的测试方案，将外场测试数据进 行统计，并对其进行分析。 第六章：结论与未来工作。 竹 _ 警 巍r 重庆邮电大学硕士论文 6 第二章移动w i m a x 切换机制 第二章移动w i m a x 切换机制 本章第一节简单介绍移动w i m a x 切换的分类。第二节介绍与切换密 切相关的扫描和关联技术，对关联级别0 、1 、2 进行比较：但是在现有的 协议里面，并没有将关联和硬切换很好地结合在一起，只是很简要地介绍 了三种关联机制。第三节结合了中兴现有移动w i m a x 系统的硬切换机制， 对协议中硬切换的流程进行分析，从理论上分析该硬切换的时延；并简要 介绍了本文作者负责维护的h o h 模块的处理流程。第四节简要介绍了 f b s s 切换和宏分集切换，因为协议里面对这两种切换机制的描述还极为 有限，而且这两种切换机制在本文涉及到的系统中暂不支持，所以不在本 文的深入研究范围之内。 2 1 移动w i m a x 切换的分类 在移动通信系统中，当处于连接状态的m s 从一个b s 移动到另一个 b s 时，为了使通信不中断，通信网控制系统通常会启动切换过程来保证 移动台的业务传输。移动台的运动或附近环境的变化，导致了由衰落、障 碍物和干扰引起的信号变化，是启动切换的主要原因【1 1 】。切换过程是蜂 窝移动通信系统最重要的过程之一，它不仅影响着小区边界处的呼叫服务 质量，还与网络的负载情况有着紧密的联系。如果切换过程进行不好的话， 很可能造成b s 的过载或移动台的“掉话”，使网络服务质量大大下降。切 换过程必须快和准确，目标b s 的选择必须是最佳的。 移动w i m a x 系统支持三种切换方式： 硬切换( h h o ) ：硬切换是指通信移动台m s 从当前服务b s 提供的无 线资源接口移动到另外一个目标b s 提供的无线资源接口的处理过程。目 标b s 由于其提供的无线资源的限制或者由于与服务b s 的网络拓扑结构的 限制不能成为服务b s 的分集b s ，而只能对m s 提供硬切换机制来进行切 换。 硬切换的基本过程有：1 m s 通过扫描向服务b s 提供一个或多个邻区 b s 的无线资源测量信息。2 服务b s 利用测量信息、小区可用容量和负载 均衡进行切换判决，从中选择一个或多个目标b s 。3 服务b s 直接向每一 个目标b s 或者通过目标b s 所在的目标系统控制器向每一个目标小区b s 7 重庆邮电大学硕士论文 发送请求消息，请求为其将要成为切换目标而分配一定的连接资源。4 每 一个目标b s 向服务b s 提供资源分配情况。5 服务b s 从中选择最终目标 b s ，提供给m s 。6 m s 准备切换，此时m s 有两种类型选择，一是先断 后连( b r e a k b e f o r e m a k eh o 或b b m ) ，即m s 释放与服务b s 的连接信息， 然后离开服务b s 试图接入目标b s 。另一种是先连后断( m a k e b e f o r e b r e a k h o 或m b b ) ，即m s 首先离开服务b s 试图接入目标b s ，并不立即释放 与服务b s 的连接信息，等m s 在目标b s 接入成功或者服务b s 为m s 设 置的资源预留定时器超时后，才释放与服务b s 的连接信息，相应地服务 b s 释放为此m s 保存的连接信息，本文涉及的系统采用的就是先连后断的 硬切换类型。 快速b s 转换( f b s s ) - 也称为快切换，是指通信移动台m s 从当前 服务b s 提供的无线资源接口向服务b s 的分集b s 提供的无线资源接口移 动的处理过程。快切换过程中m s 只能与分集b s 中的一个b s 进行数据通 信，但每一个分集b s 都为m s 建立了连接资源。邻区b s 在满足一定无线 资源条件和一定的网络拓扑结构的情况下可以成为服务b s 的分集b s 。分 集b s 在满足一定的无线通信信号条件下可以成为服务b s 。分集b s 中当 前的服务b s 又称为a n c h o rb s 。 宏分集切换( m d h o ) ：就是软切换。与快切换一样，主要分为两个 环节，首先分集更新( 或称为有效集更新) ，即邻区b s 更新为宏分集b s 。 其次是a n c h o r 更新，即宏分集b s 更新为当前的主控b s ，而原来的主控 b s 变成宏分集b s 。软切换过程中的分集更新过程和a n c h o r 更新过程与快 切换过程中的这两个过程基本一致。 2 2 扫描和关联 2 2 1 扫描在切换中的作用 类似于c d m a 系统中m s 对导频信道的跟踪，只要m s 处于在网状态， 扫描就是一个持续的m s 跟踪邻区b s 信道质量和下行同步的过程，目的 在于m s 定期地了解服务b s 所有邻区的情况，无论m s 是否处于切换状 态。同频邻区的扫描不需要中断m s 当前的通信，异频邻区的扫描因为接 收机要更换频点，操作时间较长，需要通过m a c 消息的交互分配扫描间 隔以完成扫描。因此异频邻区扫描需要中断m s 当前的通信，但是异频邻 第二章移动w i m a x 切换机制 区扫描的中断时间在2 0 m s 以内【1 3 】，不会对通信造成影响。 m s 从s t a r tf r a m e 开始，在s c a n n i n gd u r a t i o n 对目标b s 进行扫描，这 样m s 可以了解到邻区b s 的c i n r ，r s s i ，a t d 等参数，现在本文涉及 的系统主要通过c l n r 和r s s i 两个参数进行切换判决，假如m s 通过扫描 发现服务b s 的c i n r 和r s s i 其中之一低于切换门限值，则主动发起切换 请求。因此，扫描是切换必不可少的准备过程。 2 2 2 关联在切换中的作用及其分类 关联是可选的包含在扫描过程中对邻区b s 进行初始r a n g i n g 的过程， 其中r a n g i n g ( 测距) 是指获得正确的时间偏移量和功率调整的过程。在 初始接入过程中，m s 和b s 通过s b cr e q r s p 的a s s o c i a t i o nt y p es u p p o r t 字段，来协商关联基本能力。具备对关联能力的支持，才能进行后续的关联 操作，关联操作必须与扫描相结合，不能脱离扫描单独进行。关联需要通 过扫描请求消息来发起。关联的作用是使得m s 获得并且记录邻区b s 的 r a n g i n g 参数和业务可用性信息( s l p ) ：m s 存储一个关联b s 的r a n g i n g 信息。带协调机制或者网络辅助关联报告的关联，还可比较服务b s 与目 标b s 之间基本能力参数和登记参数是否一致。 关联会中断m s 当前的业务通信。服务b s 在s c a n n i n gi n t e r v a l 缓存发 往m s 的下行数据，在i n t e r l e a v i n gi n t e r v a l 恢复发送，或者在退出关联后 发送。业务通信中断时间在3 0 m s 一4 0 m s 之间。因为需要中断m s 与服务 b s 的业务通信，因此关联操作的频率需要找一个折中点，既不能太频密 影响业务连续性，也需要定期保持与信道质量好的邻区的r a n g i n g 信息。 但这个问题不属于本文的研究范围，在文中我们直接引用系统现在所用的 扫描和关联时间间隔。分别是每5 s 扫描一次邻区，每5 0 s 进行一次关联( 假 如初始接入时m s 和b s 协商得知支持关联) 。 关联的作用主要体现在硬切换中( 主要是换频切换) ，因为只有硬切换 会做r a n g i n g ，其他切换类型不做r a n g i n g 。如果硬切换之前做过关联 r a n g i n g ，切换r a n g i n g 的过程就可以简化。但是在现有的协议里面，并没 有将关联和硬切换很好地结合在一起，只是很简要地介绍了三种关联机 制。在本论文的第三章，将详细介绍结合关联0 、l 、2 的硬切换机制。 目前有三种级别的关联： 关联级别o ：不带协调机制的关联； 关联级别1 ：带协调机制的关联； 9 重庆邮电大学硕士论文 关联级别2 ：网络辅助关联报告； 关联级别在m o bs c nr e q 消息中设置扫描类型s c a n n i n gt y p e ( 3b i t s ) 来决定的，o b 0 0 1 表示带关联级别o 的扫描，0 b 0 1 0 表示带关联级别1 的 扫描，0 b 0 11 表示带关联级别2 的扫描。 带关联级别0 的扫描流程如图2 1 所示，服务b s 和m s 协商关联周期 和间隔( m s 在m o bs c n r e q 中设置扫描类型0 b 0 0 1 ，b s 回应 m o bs c nr s p ) ，目标b s 查询数据库获取s l p 并反馈r 6s l pr s p 通知 服务b s 。m s 在关联起始帧开始与目标b s 的关联操作，目标b s 不知道 m s 的情况，并且仅仅提供基于竞争的r a n g i n g 分配。 m s 从目标b s 的初始r a n g i n g 域中选择一个r a n g i n g 码，并且在目标 b s 的基于竞争的r a n g i n g 间隔中进行发送。目标b s 根据接收的参数判断， 接收的r a n g i n g 码质量足够好，则发送r n gr s p ( s t a t u s 为成功) 给m s 。 目标b s 在反馈r n gr s p 消息的同时向m s 发送上行带宽申请 ( c d m aa l l o c a t i o ni e ) ，附带m s 发送r a n g i n g 码的相关参数。 m s 利用分配给它( 通过判断指定的r a n g i n g 码、符号索引、子信道索 引等) 的上行带宽发送r n gr e q ，消息所在的p d uh e a d e r 中的c i d 为 初始c i d ，消息中携带t l v 字段：m a c 地址和s e r v i n gb si d ，目标b s 反馈包含“s u c c e s s 状态的r n gr s p 消息给m s ，消息中携带了目标b s 对m s 当前业务流的s l p 信息，它将提供足够的大小的上行带宽给m s 发 送r n gr e q 消息，消息包含和关联r a n g i n g 相关的t l v 参数。 i 迹 s e r v i n b s a g wt a r g e te l s l m o b s c n r e q。 r 6 s l p r e q。 k 6 s l p r e q。 。 r 6s l p _ r s p 。 r 6s l p r s p 。 m o bs c n j 峪p r a n $ i n gc o d e r n gr s p c d m aa i i o c m i o ni e r n g _ r e q r n gr s p 图2 1 带关联级别0 的扫描流程图 1 0 第二章移动w i m a x 切换机制 带关联级别1 的扫描流程如图2 。2 所示，服务b s 为m s 提供关联参数。 此m s 通过发送m o bs c nr e q ( s c a n n i n gt y p e = 0 b 0 1 0 ) 消息到服务b s 来请求带协调机制的关联。此消息将包含m s 希望进行关联的邻区b s 的 列表。 带关联级别1 的扫描与带关联级别0 的扫描的区别主要有两个： 1 服务b s 收到m o bs c nr e q 消息以后，通过a g w 转发带协调机 制的扫描请求消息，r 6s c nr e q 消息里面包含了服务b s 的基本能力参 数和登记参数。目标b s 收到a g w 转发过来的r 6a s c r e q 消息，将自 己的基本能力参数和登记参数与该消息携带的那两个参数相比较，将比较 的结果通过后续的r n gr s p 消息发往m s 。 2 另外m o bs c nr e q 消息中还携带了m s 的信息，目标b s 借此了 解m s 的情况，可以为m s 分配一个非竞争的r a n g i n g 时隙，m s 从服务 b s 接收的m o bs c nr s p 中获得发送机会偏移量，把这个偏移量应用在 目标b s 的u l m a p 定义的专用r a n g i n g 区域中。m s 可以在指定的r a n g i n g 区域中发送r n gr e q ，后续的r a n g i n g 过程与关联级别0 的类似。如果 m s 不能在紧接着集合时间的第一帧获得u l m a p ，它应终止和当前b s 的级别1 的关联过程，之后，m s 可以执行级别o 的b s 关联。 图2 - 2 带关联级别l 的扫描流程图 带关联级别2 的扫描流程如图2 3 所示，通过发送m o b s c n r e q 消 息( s c a n n i n gt y p e = 0 b 0 11 ) 到服务b s ，m s 可以请求执行带有网络辅助 关联报告的关联操作。这个消息包括了一个m s 希望进行关联的目标b s 的列表。 带关联级别2 的扫描与带关联级别1 的扫描的区别如下： 重庆邮电大学硕士论文 m s 只需要发送r a n g i n g 码给目标b s ，不需要等待来自目标b s 的 r n gr s p 。有关物理层偏移( 同步参数) 的r n gr s p 信息将会被每个目 标b s 发送到服务b s ( 通过骨干网) 。服务b s 汇集所有r a n g i n g 相关的信 息到一个单独的m o ba s cr e p 消息中。 当收到m o b a s cr e p 消息后，m s 更新每个关联b s 的关联数据库 ( 物理同步参数和c i d ) 和关联生命期定时器。如果不存在专用r a n g i n g 指示符设为1 的r a n g i n g 区域，但是一个常规的r a n g i n g 区域被b s 以集 合时间分配，那么m s 可能会使用这个分配来进行协调的过程。在这种情 况下，m s 可以在u i u c = 1 2 的u l m a pi e 定义的区域( 即常规r a n g i n g 区域) 中发送分配的c d m a 码。m s 应忽略关联协商过程( 应该是指分配 单播r a n g i n g 机会的过程) 中从服务b s 接收的m o bs c nr s p 消息中的 发送机会偏移量。邻区b s 如果不提供专用r