（通信与信息系统专业论文）ieee80216e中的切换技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 现有的i e e e 8 0 2 1 6 默认的切换方式是硬切换，其缺点就是移动用户在越区的时 候会经历业务的中断，为了改善这一不足，本文在研究蜂窝网软切换算法的基础上 提出了适用于i e e e 8 0 2 1 6 e 的速度自适应软切换算法，主要内容如下： 针对现有c d m a 系统软切换算法的特点，在保留了传统静态门限h _ a d d 和 hd e l 的基础上，采用了绝对门限瓦和相对门限瓦相结合的方式，提出了基于f b s s 和m d h o 切换方式的软切换算法。本文通过对移动模型的建立，详细地介绍了该算法 的触发、判决、执行的过程，并通过修改i e e e 8 0 2 1 6 e 协议中硬切换的信令流程， 详细地描述了该算法执行的信令流程，给出了具体的算法流程图。同时还提出了对 切换定时器乃的改进方案，使得改进后的算法能够根据m s 的移动速度自适应的调 整切换执行的时间，有效地解决了高速移动用户所面临的切换速度过慢的问题。 通过建立业务模型和移动模型分析了不同移动速度条件下的软切换性能，以 及各个参数对切换性能的影响，在业务模型中导出了简化正方形软切换模型中软切 换区域大小、用户移动速度与软切换业务模型参数的关系，并用马尔可夫( m a r k o v ) 链对两种典型越区切换无优先级和信道预留策略进行了分析，通过数值计算对比分 析了在软切换算法中这两种切换策略各自的特点，并导出了两种策略下软切换区域 大小与信道占用数量之间的关系；其次通过建立简化的圆形一六边形小区模型导出了 软切换区域大小与系统负载占用率之间的关系，并给出了相应的硬切换负载表达式， 对两者通过数值计算进行了对比分析；在移动模型中通过采用简化的六边形模型导 出了软切换算法中几个关键参数与软切换性能的数学关系，并通过数值计算描述了 这些参数的取值将如何影响性能，分析了如何设置这些参数，并提出了通过改变软 切换区域大小优化系统性能的结论，数值计算结果还显示了速度自适应软切换算法 带来的性能改善，并通过数值计算对速度自适应因子的设置进行了分析。性能分析 表明：软切换性能受到m s 移动速度，切换区域大小，参数乃，瓦和乃的还有信道 抢占方式的影响较大；软切换占用更多的信道和带来更大的系统负载，但实现了业 务的连续通信，是i e e e 8 0 2 1 6 e 中必不可少的一种切换方式。 关键词：软切换，硬切换，阻塞率，i e e e 8 0 2 1 6 e 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec a p a b i l i t yo fm o b i l i t ym a k e si e e e 8 0 2 1 6 ed i f f e rf r o mt h et r a d i t i o n a lw t m a x s y s t e m ，a n di ta l s om e a l l st h eb e t t e rq o si sr e q u i r e da c c o r d i n g l y i no r d e rt oi n s u r et h e q u a l i t yo fs e r v i c e 。h a n d o f fp l a y sa l li r r e p l a c e a b l er o l ei nt h em o b i l es y s t e ms u c h 鹤 i e e e 8 0 2 16 e h a n d o f fm e a n st h ep r o c e s st h a tm a k e st h ec u r r e n tc o r r e s p o n d e n c ef r o mt h e m st ot h eb sa l w a y sm a i n t a i nw h i l et h em si sm o v i n gf r o mt h ec u r r e n tb st oa n o t h e r b s b a s e do nt h ee x i s t i n gc d m as o f th a n d o f fa r i t h m e t i c t h er e l a t i v et h r e s h o l d p a r a m e t e r s 瓦a n d 瓦w e r ea d o p t e di no r d e rt oc o m b i n ef b s sa n dm d h oh a n d o f f m e c h a n i s m t h ee x a c tp r o c e s so ft r i g g e r i n g ，d e t e c t i n ga sw e l la sh a n d l i n gi n t h i ss o f t h a n d o f fa r i t h m e t i cw a sp r e s e n t e di nd e t a i l ，w i t ht h es i 酬i i 玛p r o c e s sf i g u r e d , r e v i s e d b a s e do nt h eh a r dh a n d o f fs i g n a l i n gp r o c e s s p l u s ，t h et i m e r i si m p r o v e ds o 弱t o m a k et h ea r i t h m e t i ca d a p t i v et ot h em ss p e e d , w h i c hi m p r o v e dt h eh a n d o f fp e r f o r m a n c e i n t h eh i g hs p e e dm o v i n ge n v i r o n m e n t t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e do nt h en e ws p e e d a d a p t i v es o f th a n d o v e ra r i t h m e t i c p r o p o s e db a s e do nt h ee x i s t i n gs o f th a n d o v e ra r i t h r a e t i c ，a n da l s od e p l o y e dt h en e c e s s a r y h a n d o v e rp e r f o r m a n c eo v e rt h ev a r i o u ss p e e do fm s ，a sw e l la st h ep e r f o r m a n c eo u t c o m e o v e rt h ev a r i o u sv a l u eo ft h o s ei m p o r t a n tp a r a m e t e r s h o wt h es i 2 2o ft h es o f th a n d o v e r r e g i o n , a n dt h es p e e do ft h em sw e r er e l a t e dt ot h es o f th a n d o v e rt r a f t f i cm o d e lw a s a n a l y z e dm a t h e m a t i c a l l y m e a n w h i l e ，m a r k o vm o d e lw a sa d o p t e dt oa n a l y z et w ot y p i c a l h a n d o v e rm e c h a n i s m si n v o l v e di n t h es o f th a n d o f fp r o c e s s ，a n dt h e i r r e s p e c t i v e p e r f o r m a n c ew a sc o m p a r e di nt h es i m u l a t i o nf i g u r e h e x a g o nm o d e lw a sa l s ou s e di nt h i s p a p e r , w h i c hb r i d g e dt h eg a pb e t w e e nt h o s ek e yp a r a m e t e r sa n dt h ef i n a lp e r f o r m a n c eo f s o f th a n d o v e r , a n dt h es i m u l a t i o nf i g u r ea l s os h o w e dt h er e s u l t a tt h ee n d , t h ec o n c l u s i o n w a sm a d e ，w h i c hi s ，t h es o f th a n d o v e ri n8 0 2 16 ec a nb eo p t i m i z e db yt h ea d j u s t m e n to f t h es o f th a n d o v e rr e g i o na n dt h o s ek e y p a r a m e t e r s k e yw o r d s ：s o f th a n d o f f , h a r dh a n d o f f , b l o c k i n gp r o b a b i l i t y , i e e e 8 0 2 16 e 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 i e e e8 0 2 主要制定电子工程和计算机领域的标准，又称为l m s c ( l a n m a n s t a n d a r d sc o m m i t t e e ，局域网城域网标准委员会) 。i e e e8 0 2 下设工作组、研究组， 分别就不同的技术领域进行研究，主要开发局域网和城域网的物理层c p h v ) 和媒质 接入控制层( m a c ) 规范i 。 i e e e8 0 2 1 6 标准的正式名称为i e e ew i r e l e s m a n t 空中接口标准，是适用于 2 6 6 g h z 的空中接口规范。由于它所规定的无线接入系统覆盖范围可达5 0 k i n ，因 此，i e e e8 0 2 1 6 系统主要应用于城域网，被视为可与d s l 竞争的“最后一公里 宽带接入解决方案。w f l v l a x 是i e e e 8 0 2 16 技术在市场推广方面采用的名称【。其 物理层和m a c 层技术基于i e e e s 0 2 1 6 工作组开发的无线城域n ( w m a n ) 技术。 w i m a x 在城市领域中的最重要应用是延伸d s l 的接人以及支持移动宽带。 1 2 宽带无线接入技术ie e e 8 0 2 16 e i e e e8 0 2 1 6 标准系列到目前为止包括i e e e8 0 2 1 6 、正e e8 0 2 1 6 a 、i e e e 8 0 2 1 6 c 、i e e e8 0 2 1 6 d 、i e e e s 0 2 1 6 e 、i e e e8 0 2 1 6 f 和i e e e8 0 2 1 6 9 七个标准。 i e e e8 0 2 1 6 e 是i e e e s 0 2 工作组在i e e e8 0 2 1 6 d 的基础上提出来的协议标准， 是i e e e8 0 2 1 6 d 的增补方案，它在2 6 g h z 的特许频段内支持低速的移动终端，提 供了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。 i e e e 8 0 2 1 6 e 向后兼容i e e e s 0 2 1 6 d ，是i e e e8 0 2 16 d 的移动性增强改进。8 0 2 1 6 e 是2 - 6 g h z 支持移动性的宽带无线接入空中接口标准。8 0 2 1 6 e 的目标是能够向下兼 容8 0 2 1 6 ( 1 ，因此8 0 2 1 6 e 的标准化工作基本上是在8 0 2 1 6 d 的基础上进行的【3 】。在 8 0 2 1 6 d 固定无线接入标准研制的基础上，为了支持移动特性，8 0 2 1 6 e 目前正在加 入新的特性，其最主要的特性之一就是加入了对切换的支持。 1 3 切换算法的研究现状 根据切换发生时用户与当前小区和目标小区的不同连接方式，切换主要分为两 类：硬切换和软切换。硬切换“先断开，后建立 ，即用户( m s ) 先与当前服务基站( b s ) 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 断开连接，然后再与目标基站建立连接；软切换“先建立，后断开 ，即m s 先于目 标b s 建立连接，再与服务b s 断开连接，软切换中的m s 可以同时与多个b s 进行 通信，在i e e e 8 0 2 1 6 e 中这个b s 集合叫做分组集( d i v e r s i t ys e t ) 。 越区切换概念提出之后，许多研究人员对其展开了大量研究，主要的研究包括： 提出改进的越区切换算法、越区切换算法的优化和越区切换参数设置对系统的影响。 下面对越区切换的研究做个简要介绍。 1 3 1 硬切换算法 切换判决的参数包括接受信号强度，信噪比，业务负载，移动台速度，新呼叫 和切换的到达特性等。基于信号强度的切换算法往往简单、直接，因此受到广泛的 关注。最简单的基于信号强度算法是相对强度检测法，即m s 总是选择接受信号最 强的b s 作为服务基站。文献【6 】的研究表明，当服务b s 还能满足用户需求时，这 种算法产生了太多不必要的切换。这种由信号强度的快速波动引起的频繁切换称为 “乒乓效应”，可以通过引入滞后余量( h y s t e r e s i sl e v e l ) 而消除。v i j a y a n 和h o l 锄【2 1 j 在衰落环境里对滞后余量切换算法进行建模和分析。他们尝试通过选择合适的滞后 余量h 和适当的平均间隔d a v ( d a v 是用来平滑信号强度的指数滤波器的衰减指数) ， 最小化一对相互矛盾的设计准则：切换延时和平均切换次数，从而优化切换算法的 性能。 文献 1 3 1 将 1 2 1 中的方法发展为滞后余量和门限算法，即切换触发的条件是当前 b s 的信号强度小于门限值t 并且相对信号强度超过滞后余量h 。文献【1 4 】将滞后余 量和门限算法又推广到多个小区的系统。 切换参数h ，d a v 和t 都是以增加切换延时为代价减少平均切换次数。很多学者 都以优化这些参数为目标，寻求切换延时和平均切换次数之间的折中。c o r a z z a 1 5 】 重点研究了平均窗的形状和大小，并通过仿真给出了切换延时和平均切换次数之间 的折中。随后，z o n o o z i 和d a s s a n a y a k e 1 6 】假设切换发生在当路径衰减接近h a 时， 其中a 是路径衰减的标准差，并且给出了由固定长度的平滑窗平滑的微小区和宏小 区的延时表达式。另一种方法是对各种感兴趣的参数用假设检验的方法进行系统仿 真，然后通过曲线拟合得到期望的切换次数和延时的近似表达式。这种方法被文献 【1 7 】和【1 8 】采用，分别用来得到切换次数和切换延时。 以上的方法都采用了一种固定的切换算法，并且尽力的寻找最优的h ，d a v 和t ， 以实现切换次数和切换延时上的优化。文献【1 8 1 【2 0 】提出了一种控制论的方法。 r e z a i i “1 9 z j i ) 马尔克夫过程来建模切换问题并通过最小化无穷时间衰减奖励代价 ( i n f i n i t eh o r i z o nd i s c o u n t e dc o s t ) 得到了一种最优的策略。这种最优决策的特点是根据 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 从不同b s 接收到的功率的差值而设定的门限。接着，a s a v c a 和s t a r k e 2 0 l 与v e e r a v a l l i 和k e l l f 2 1 】把这个问题作为无穷时间最优化问题并通过动态规划的方法求解，而【2 2 】 和 2 3 】分别用自适应得方法给出这个最优化问题的次优解。 1 3 2 软切换算法 软切换算法通常基于三个基本的参数：加入门限死，掉话门限乃和掉话时间乃。 当一个基站的导频信号强度大于乃时，该基站就被加入到激活集，当前激活集中的 基站，如果导频信号强度在时间段乃内都处于乃以下，他就要离开激活集。 对软切换的参数设置和各准则之间的折中的研究，大多是基于仿真的方法，例 如文献 2 8 】- 3 0 】。w a n 9 1 3 0 j 认为更软切换不存在折中的问题，因为在一个小区的各扇 区之间切换的开销很小，而应该把研究重点放在软切换上。 在软切换的各准则之间寻求折中的另一个方法是通过动态规划的方法确定切换 参数。a s a w a 和s t a r k 2 0 1 认为加入门限和掉话门限不足以作为维护激活集的决定因 素。因此，他们把这个问题建模成一个奖励代价最优化问题，奖励代表好的信号质 量，而代价代表软切换的代价。这个方法被p r a k a s h 和v e e r a v a l l i i = 1 发展成一种本地 最优切换算法，该算法在切换频率，平均激活集的大小以及链路质量之间得到近似 最优解。 z h a n g 和h o l t z m a n 8 j 给出了分析软切换的性能折中的工具，把他们的硬切换的 近似方法推广到了软切换的情况。系统性能对切换参数的设置是很敏感的，因此精 确的分析不同参数设置的方法对成功的软切换算法是很重要的。 1 4 切换算法的研究动机和意义 i e e e 8 0 2 1 6 e 系统支持三种切换类型：硬切换( h h o ) ，宏分集切换( m d h o ) 和快 速基站转换( f b s s ) 。其中m d h o 和f b s s 属于软切换。由于通信链路的中断，硬切 换是一种不健全的切换，很容易发生掉话。在宽带无线系统中，所有的基站可以共 享频谱资源，这样的系统通常用软切换来维持通话的连续性。因此，本文将在研究 i e e e 8 0 2 1 6 e 硬切换的基础上重点研究i e e e 8 0 2 1 6 e 系统的m d h o 和f b s s 算法。 现有的软切换算法多数是针对c d m a 系统的，主要是以导频信号的强度作为切 换准则，因此本文的思路就是借鉴已有c d m a 系统的软切换算法，将其进行可行 的改进，然后提出适用于i e e e 8 0 2 1 6 e 系统的新算法，并通过详细的公式推导分析 了其关键参数对切换性能的影响，分析了应该如何设置这些参数。另外，过去的研 究都没有考虑移动用户的移动性和软切换区域的大小对软切换性能的影响，本文针 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 对软切换中移动用户的移动性，研究了信道占用时间和呼叫到达率等参数与移动速 度和软切换区域的大小的数学关系，并对不同速度条件下的软切换性能参数进行了 数值计算。 1 5 本文主要研究内容和结构安排 本文研究了i e e e 8 0 2 1 6 e 系统的切换技术，重点通过改进已有算法，提出了在 i e e e 8 0 2 1 6 e 系统中的速度自适应软切换算法，并且通过数值计算阐明了软切换中 所涉及的参数对各项指标带来的影响，以及速度自适应方式所带来的性能改善，分 析了在软切换中移动用户的速度与业务量参数的关系，对不同速度下的软切换性能 参数进行了数值计算和分析。 从结构上来看，本文由五个章节组成。 第一章介绍了i e e e 8 0 2 1 6 e 技术的相关背景知识，包括发展，标准，和研究现 状，通过突出i e e e 8 0 2 1 6 e 对移动性的支持这一特性，引出了对切换技术研究现状 以及研究意义的描述，也是本文的研究意义。 第二章详细介绍了i e e e 8 0 2 1 6 e 的系统架构，包括其网络结构，各网元节点的 功能特性，对后续的切换部分作了铺垫。 第三章介绍了w i m a x 移动性管理，主要介绍了以a s n g w 为区分的系统内和 系统间切换，突出了其移动性管理的特性，引出了研究切换算法的必要性。 第四章本章重点分析了软切换算法，从硬切换开始，分析了i e e e 8 0 2 1 6 e 中默 认的硬切换存在的主要问题，然后提出研究软切换的必要性，首先分析现有c d m a 的典型的软切换算法，然后通过对i e e e 8 0 2 1 6 e 系统的分析，对c d m a 软切换算法 进行了改进，提出了一个适用于i e e e 8 0 2 1 6 e 的速度自适应的软切换算法，并通过 数值计算的方式导出了m s 移动速度、软切换大小、呼叫业务量与切换性能之间的 关系，其次通过建立简化的圆形一六边形小区模型导出了软切换区域大小与系统负载 占用率之间的关系，并给出了相应的硬切换负载表达式，对两者通过数值计算进行 了对比分析；在移动模型中通过采用简化的六边形模型导出了软切换算法中几个关 键参数与软切换性能的数学关系，并通过数值计算描述了这些参数的取值将如何影 响性能，分析了如何设置这些参数；通过公式建立了速度自适应切换算法与切换性 能的数学关系，为下一章的数值计算与分析作了铺垫。 第五章本章主要是在上一章公式推导的基础上做出的数值计算，并对计算结果 做了相应的分析，得出了结论。 最后对全文作了总结，并指出本文的研究工作的不足之处和进一步的研究方向。 4 重庆邮电大学硕士论文第二章w t m a x 系统架构 第二章w im a x 系统架构 为了使晰m a x 技术在i e e e8 0 2 1 6 标准的基础上实现可运营，w i m a x 论坛正 致力于宽带无线接入系统的需求分析、应用场景探索、w i m a x 网络架构研究等工 作，进一步促进和推动宽带无线接入技术和市场的发展。本章正是基于此，介绍了 w i m a x 端到端的系统架构、参考点，并在此基础上描述了口地址分配和丸a 架 构，从网络的角度分析w i m a x 技术的特点，为后续章节作好铺垫。 2 1 网络参考模型及其功能实体和参考点 w i m a x 网络架构应该可以同时满足多种宽带应用场景的要求，如固定、游牧、 便携、简单移动、全移动等模式并基于全的网络架构，充分利用p 交换、路由 以及其它可以重用的网络功能。w i m a x 网络参考模型如图2 1 所示。 2 1 1 网络实体 w i m a x 网络参考模型由接入业务网络( a s n ) ，连接业务网络( c s n ) ，固定和移 动用户台组成。 n a p 浮协n s p归麓n s p ll 中2 斗r ： a s n i l 。 毋 a s n 霸美 l 一一l r l i 斜i 嚣j l嘲渊 鼬 r ， 叫 然j l l 一上h l lii 畸翻删一关i ia s 抽p m q 囊|l 键黔| 斗r 4 n p l 嘲蟪飧 谴绥囊n s | ，l 鹩络业务鼍供鸯 i 舔h 删嗣笑l ， a s p ；斑用重务提供商 s nt 接人业务辫路 c s n t 连接业务砖珞b 鼠蕾站 s s m s s t 朋户台移葫麓户台 图2 1晰眦网络参考模型 a s n 的功能是管理i e e e 8 0 2 1 6 空中接口，为w i m a x 用户提供无线接入。主要 功能包括如下【3 】。 发现网络，根据策略限制，选择某个基站，获得无线接入服务，在基站； 5 重庆邮电大学硕士论文第二章w i m a x 系统架构 m s s 之间建立二层连接，并进行无线资源管理； 将a a a 控制消息传递给用户的归属n s p ，协助完成鉴权、业务授权和计费 等功能； 协助高层与m s s 建立三层连接，分配p 地址并完成a s n 和c s n 之间的 隧道建立和管理； 根据分级结构进行a s n 内移动性管理，包括所有类型的切换，并进行a s n 内寻呼和位置管理； 存储临时用户信息列表，类似于3 g 网络中v l r 的功能。a s n 由基站和a s n 网关组成。一个a s n 可以连接到多个c s n ，为不同n s p 的c s n 提供无线接入服 务基站用于处理i e e e 8 0 2 1 6 空中接口，完成物理层、心层和调度功能，以及切 换、功率控制和网络接入功能，并更新无线资源管理和m s s 活动状态( 激活和休眠) ， 支持密钥管理和会话管理等功能。a s n 网关主要处理到c s n 的接口功能和a s n 的 管理，由两类逻辑功能组成：a s n 网关决策点和a s n 网关执行点。前者负责承载 平面功能，后者负责控制平面的功能，如无线资源管理。 一个a s n 由基站b s 和接入网关a s ng w 组成，可以连接到多个c s n ，为不 同n s p 的c s n 提供无线接入服务。b s 用于处理i e e e 8 0 2 1 6 空中接口，其功能包 括以下几项例： 8 0 2 1 6 物理层、m a c 、c s 和调度功能，以及切换、功率控制和网络接入功 能； 处理空中接口业务q o s 等级的功能； 更新无线资源管理，更新m s s 活动状态( 激活和休眠) 的功能； 支持多种隧道协议( m p l s ，v l a n ，g r e ，l 2 t p , i p s e c ) 的功能； 密钥管理和会话管理等功能。 a s n g w 网关主要处理到c s n 的接口功能和a s n 的管理【l j ，其功能有如下几 项： a s n 间位置管理和寻呼； 在线无线负载均衡，用于决定切换，以及离线无线统计，用于网络优化； a s n 临时用户信息列表和加密密钥，类似v l r 的功能鉴权密钥产生和分发； 在p m i p 方式下，作为丸姐客户代理，向选定的c s na a a 发送r a d i u s 或 d i a m e t e r 消息： 和b s 协作，建立和管理移动隧道； 会话移动性管理( 客户端) ； q o s 和策略执行； m i p 下的外部代理( f a ) ，路由到选定的c s n 。 6 重庆邮电大学硕士论文第二章w i m a x 系统架构 c s n 定义了一套网络功能的组合，为w l m a x 用户提供连接。c s n 可以由 路由器、a a a 代理或服务器、用户数据库、i n t e r a c t 网关设备等组成。c s n 可以作 为全新的w i m a x 系统的一个新建网络实体，也可以利用部分现有的网络设备实现。 c s n 提供的主要功能如下： 为用户会话建立连接，给终端分配m 地址并进行i n t e m e t 接入，a s n 和c s n 之间的隧道建立和管理； 凡认代理或者服务器，完成用户计费以及结算； 基于用户系统参数的q o s 以及许可控制，完成a s n 之间的移动性管理； w i m a x 服务，如基于位置的服务、点对点服务、多播服务、i m s 和紧急呼 叫等。 c s n 可以由路由器、a 代理或服务器、用户数据库、i n t e m e t 网关设备等组 成，c s n 可以作为全新的w i m a x 系统的一个新建网络实体，也可以利用部分现有 的网络设备实现c s n 功能。 2 1 2 网络参考点 由图2 1 可以看到w i m a x 参考模型中的参考点包括如下。 参考点r 1 ：移动用户台与接入网a s n 之间的接口，与i e e e 8 0 2 1 6 空中接口物 理层和m a c 层一致，可能包含管理平面的功制。 参考点i 也：移动用户台与连接服务网络c s n 之间的逻辑接口，建立在m s s 到 c s n 的物理连接之上，提供鉴权、业务授权和口主机配置等服务。其中，r 2 的鉴 权功能在m s s 和归属n s p 的c s n 之间进行，在漫游模式下，拜访地n s p 的a s n 和c s n 也可能处理部分鉴权流程和机制，p 主机配置管理可以在m s s 和归属地 n s p 或者拜访地的c s n 之间进行。r 2 接口可能还包含管理和承载平面的移动性管 理【l 】o 参考点r 3 ：接入网络a s n 和连接业务网络c s n 之间互操作的接口，包括一系 列控制和承载平面的协议。其中，承载平面由a s n 和c s n 之间的p 隧道构成，m 隧道的粗粒度与不同的q o s 等级有关，也和不同的c s n 相关。控制平面包括p 隧 道建立以及由于终端的移动而产生的隧道释放等控制协议。除此之外，控制平面还 包含丸蛆、a s n 和c s n 之间的策略以及q o s 执行等协议。 参考点r 4 ：处理与a s n 网关间移动性相关的一系列控制和承载平面协议i l j 。 参考点r s - 拜访c s n 与归属c s n 之间互操作的系列控制和承载平面协议。 其中，承载平面由拜访c s n 和归属c s n 之间的口隧道构成。控制平面包括口隧 道建立以及由于终端的移动而产生的隧道释放等控制协议，除此之外，控制平面还 7 重庆邮电大学硕士论文第二章w i m a x 系统架构 包含础蚣、a s n 和c s n 之间的策略以及q o s 执行等协议。 r 6 、r 7 、r 8 参考点都是a s n 内部的参考点，分别由一系列控制和承载平面协 议组成。r 6 参考点是b s 和a s n 网关间的互操作接口；r 7 参考点是a s n 网关的 内部接口，即a s n 网关决策点与a s n 网关执行点之间的控制平面的接口；r 8 参考 点是b s 之间的接口。 2 2 网络功能设计 2 2 1ip 地址分配 m 地址分配功能如图2 2 所示。在固定接入或者游牧场景下，s s m s s 是口网 关，一个附着口地址( p o a 地址) 需要分配给m 网关；当s s m s s 是主机时( 移动 场景下) ，一个p o a 地址需要分配给此口主机，i p 地址的获取采用d h c p 的方式1 1 。 a a a 代理 客户港 d h c p 中继 a s n a a 代理 a 从 酞鹾 麓务嚣 r l 毫址分配 艇务罄 图2 2m 地址分配功能示意图 当p o a 地址由拜访n s p 分配时，拜访c s n 中的地址分配服务器分配p o a 地址。 当p o a 地址由归属n s p 分配时，归属c s n 中的地址分配服务器分配p o a 地址。 2 2 2 从a 架构 a 蚣架构基于a s n 和c s n 中的r a d i u s 和d i - a m e t e r 协议i l j ，如果需要， 会有互通网关与传统的协议进行转换。a a a 架构与传统的方式类似需要三方参与： m s s 作为请求者，认证者为a s n ，还有a a a 服务器位于c s n 中。非漫游丸气a 架 构如图2 3 所示。有3 种方式在a s n 中放置认证者( a u t h e n t i c a t o r ) 和代理 p r o x y ) ：两者都位于基站中；两者都位于a s n 网关中；a a a 客户端位于基站中， 丸认p r o x y 位于a s n 网关中。图2 3 使用了第3 种配置方式，通过位于a s n 网关 中的a a a 代理与a a a 服务器进行通信，b s 与a a a 代理之间通过r 6 参考点通信。 8 - 一 。lro。_ 澎 蕊 重庆邮电大学硕士论文第二章w i m a x 系统架构 2 3 本章小结 图2 3 非漫游a a a 示意图 本文介绍了w i m a x 的一般网络结构，对其个网元节点的功能进行了描述，从 研究中可以看出，w i m a x 的网元主要分为a s n 和s c n 两大部分，a s n 主要负责 m s 的接入工作，而c s n 主要负责向骨干网接入的工作。这一章的分析为下一章的 移动性管理做了铺垫。 9 重庆邮电大学硕士论文 第三章w i m a x 移动性管理 第三章w im a x 移动性管理 一 移动管理主要就是在整个服务网络内有效地支持终端站的漫游和移动，涉及位 置管理和切换管理两部分。其中，位置管理主要是确认合法终端所处网络位置，以 便在业务启动时，迅速建立业务路由；切换管理则是在终端移动状态下，保障激活、 业务的服务和质量，即q o s 7 。因此，w i m a x 的移动性管理对于网络构架及其组 网方式有着重要的作用。 本章首先介绍了w i m a x 网络的构架以及对移动性的构架支持，然后重点探讨 了w i m a x 对移动性方面的管理，主要是系统内和系统间的切换方式和过程。 3 1wim a x 的移动性管理 w i m a x 在移动性管理方面，其网络系统需要考虑以下方面： w i m a x 网络系统需要考虑支持系统内和系统间的切换技术，如与w i f i ， 3 g p p 、3 g p p 2 、d s l 等，这些能力需要多模终端来支持。 g r l m a x 网络系统需要考虑支持以下类型的切换场景：b s s 属于同一b s 范 围内，即i n t r ac e l i ( b s ) ；b s s 属于同一b s s n 范围内的不同b s 范围内，即i n t e r c e u ( b s ) ；b s s 属于不同b s s n 内的不同b s 范围内，即i n t e r b s s n ；b s s 属于不同 系统问，即i n t e rs y s t e m 。其中，b s s 为基站扇区( b ss e c t o r ) ，b s 为一个物理站点， b s s 为b s 的一个m a c & p h y 实体；b s s n 为a s ng a t e w a y 逻辑功能对应的网元实 体，作为网元暂且成为b s s n t 。 g r t m a x 网络系统需要考虑支持m i p v 4 和m i p v 6 ，考虑s s m s 可以同时拥 有多个p 地址。 w i m a x 网络系统需要考虑终端在b s s n 之间的漫游。 w i m a x 网络系统需要考虑支持车速移动的无缝切换。 w i m a x 网络系统在考虑m i p 时需要考虑支持动态和静态家乡地址的配置。 w i m a x 网络系统在考虑m i p 时需要考虑允许家乡代理由服务提供商动态指 配。 3 2 系统内切换 系统内切换也叫层2 ( l 2 ) 的切换，一般是指在同一个a s n - g w 的切换。对于系 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第三章w i m a x 移动性管理 统内的移动性管理方案，主要支持8 0 2 1 6 e 协议中规定的各种切换，主要描述 i n t r a - a s n 切换( 层2 切换) 的触发机制和切换流程。对i n t r a - a s n 切换，采用了r 8 接口来实现b s 间的通讯。切换的主要场景是考虑先连后断的情况。对于i e e e 8 0 2 1 6 e 切换机制，在o f d m a 系统中，m s 或b s 主要是根据c i n r 来决定切换的。为了获 得准确可靠的c 1 n r 值，m s 应该连续测量邻区b s 信号并在一个给定的时间内计算 出c i n r 平均值在各种切换类型中，这种连续的c i n r 测量都是必须的。根据8 0 2 1 6 e 协议规定，可以通过扫描请求和扫描响应消息使m s 周期扫描邻b s 。触发m s 发起 邻区扫描并发起切换的主要原因如下：当m s 处于运动中，为了获得更高强度的 信号( 如c 肌己) 而需要改变( 由于信号衰落、干扰等等) m s 连接到的b s 。当m s 从另一个b s 能够扶得更高级别的q o s 服务时 7 1 。 当m s 在切换区时，应该通过描请求消息申请进行周期扫捕，当然b s 也可以主 动要求m s 进行周期扫描。通过扫描测量，m s 得到邻区b s 的c i n r 和当前服务 b s 的c i n r 值进行比较从而决定是否发起切换。 下面介绍一下i e e e 8 0 2 1 6 e 的切换的一般步骤。 3 2 1 络的拓扑获取 n e i g h t o r m gn e l g h l m g m s s m , , i n gb s b s lb s 2 q l m o b _ n b r _ a d v - - 一m o bs c n r e q i - q i - m o bs c nr s 卜 一 s y n c h r o n i ja f i o nw i t hn e i g h 0 , o 而g b s i c n c c b r e s o l u t i o = l 悄g 一瞄残s u c c ) - - r n g _ r e q ( s e r v i n gb s i d m s m a ca d d r ) - ：u q g _ r s 以s u c c e s s , s v n c h r d a i z a f i o nw i t hi 砖i g i t b c癌撼b s 2 p h y i n f o c b n i m ，c 6 0 nr e l u t i o = l q g j 璐p ( s u c 。嚣s ) u s e r v m gd a i v m a “ a c 洲 d w r ：d c d ，、 一。，、。4 ，l 图3 1网络拓扑取的过程 网络的拓扑获取如图3 1 所示。m s 与s e r v i n gb s 在切换发起之时，通过骨干网 络的帮助可以执行网络拓扑的获取。s e r v i n gb s 通过m o b - n b r - a d v 消息周期性 的公告网络拓扑的有关信息，其中包含了n e i g h b o r i n gb s 的信道状况信息。然后 m s 就可以通过这些信息与n e i g h b o r i n gb s 进行同步操作，而不需要侦听 n e i g h b o r i n gb s 的d c d u c d 广播消息。接下来就是对n e i g h b o r i n gb s 进行扫描， 重庆邮电大学硕士论文第三章w i m a x 移动性管理 m s 可以通过扫描，来选择一些n e i g h b o r i n gb s 作为切换的对象。m s 与s e r v i n gb s 使用m o b s c n r e q m o b s c n r s p 消息对来使m s 每个n e i g h b o r i n gb s 进行下行 链路的同步操作。为了获得更为完备的估计物理信道特征，还需要执行基于竞争的 或者非竞争的测距、在m s 的扫描过程中，向m s 发来的数据存s e r v i n gb s 上被缓 存起来，因为s e r v i n gb s 分配给m s 的扫描间隔与下行数据的传输时间是间隔交替 的【7 】o 最后就是m s 与作为切换对象的t a r g e tb s 进行关联的过程。关联就是在扫描过 程中，根据n e i g h b o r i n gb s 中的一个基站而进行的可选初始测距过程。关联的作用 是确保m s 能够获得并记录测距参数和业务的可用性信息，而测距参数和业务可用 性信息能确保确的选择切换目标，为将来可能的切换尽快找到合适的基站，以加速 切换。记录一个关联基站的测距参数可能用于在将来实际的切换过程的测距中设定 初始测距值。 3 2 2 切换过程 切换过程如图3 2 所示。首先，m s 由从网络获取阶段获得的信息进行小区的再 选择。因为这个过程与网络拓扑获取过程有同样的操作，所以此阶段有可能被省略。 n e l g l t b o l l b b m s s e r v i n g b st a r g e tb s b s l - l _ 一一一 一一j 竺 l o f kt o p o i o g y q u i s h m o b _ m s h o _ r e q 。_ h on o t i f i c a t i o n h on o t i f i c a t i o n h o n o t i f i e m t i o ni【s p h on o t i f i c m t i o nr s p m o b _ m s h o _ r e q m o b h 0 一i n d r e l e a s er l m g i n gs i ct 血ho t h e rn b r - b s d l 。v n cd a r a m e t e ； _ i n i t i a lr a n g mg p r o c e s s c o n n e c t i o nr e s o l u t i o n r n g _ r5 p ( s u c c e s s ) 一 一 r n o r e q ( ：e r r i n gb s i d ) 一【ngr s p ( s u c o e s s ) 图3 2m s 发起切换的决策、发起、测距过程 接下来，就是切换的决策和发起过程。此过程可以由m s 来决策发起，电可以 由s e r v i n gb s 来决策发起，分别通过m o b m s h o r e q 和m o b b s h o r e q 消息 来发起。此时这里存在着一个发起时刻的问题：因为发起时间较晚，链路质量有可 能变化导致切换后的服务质量较低。当切换对象即t a r g e tb s