（计算机软件与理论专业论文）基于核心网承载的网关切换技术的研究及实现.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学、计算机软件与理论 研究方向：软件技术及其在通信中的应用 作者：2 0 0 7 级研究生陈云 指导教师：陈春玲 中文题目：基于核心网承载的网关切换技术的研究及实现 英文题：r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o n o fg m e w a y sh a n d o f f t e c h n o l o g y b a s e do nc o r en e t w o r kb e a r i n g 主题词：核心网，网关，软切换，硬切换，隧道 k e y w o r d s ：c o nn e t w o r k , g a t e w a y , s o f th a n d o 或h a r dh a n d o 正t u n n e l 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 目前w i m a x 网络存在如何完成跨越网关的快速切换、降低切换时延和丢包率的问 题，针对上述问题，采用m i p 方式实现不同a g w 之间的不同b s 之间的切换，以降低切 换时延和丢包率。 探讨了w i m a x 及切换技术国内外研究现状；研究了基于w i m a x 核心网的网关切 换技术：在深入分析相关理论、技术的基础上，按照w i m a x 网络参考模型，将系统实 现分为链路层切换的实现和网络层切换的实现。切换发生时，核心网需要对用户切换流程 进行处理，主要是核心网a g w 和基站b s 之间的业务数据隧道的建立和删除( r 6 口切 换) 以及不同a g w 之间的切换( r 4 口切换) ，并且实现切换完成后的口数据包路由。 为了对整个切换过程进行完整、合理的测试，将系统测试分为r 6 切换测试和r 4 切换测 试，并对测试结果进行分析。 实验结果表明，采用m i p 方式能很好地实现同一a g w 下的不同b s 之间的切换和不 同a g w 之闻的不同b s 之间的切换，有效降低了切换延时和丢包率，该系统实现了 w f l - l a x 网络的切换并达到了预期的研究目标 关键词：核心网，网关，软切换，硬切换，隧道 南京邮电大学硕士研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i no r d e rt os o l v ep r o b l e m se x i s t i n gi nc u r r e n tw i m a xn e t w o r ko fh o wt oc o m p l e t e f a s t h a n d o f fa m o n gg a t e w a ya n dr e d u c eh a n d o f fd e l a ya n dp a c k e tl o s sr a t e s t of i n da ne f f e c t i v e m e t h o dt or e s o l v et h ep r o b l e m ，t h i sp a p e rp r e s e n t sas c h e m eo fa d o p t i n gm i pw a y st oa c h i e v e h a n d o f fb e t w e e nd i f f e r e n tb si nd i f f e r e n ta g w , w h i c hr e a c h e st h ea i mo fr e d u c i n gh a n d o f f d e l a ya n dp a c k e tl o s sr a t e t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ec u r r e n tr e s e a r c ho ft h ew i m a xa n dh a n d o f ft e c h n o l o g ya th o m e a n da b r o a d t h et h e s i sr e s e a r c h e sg a t e w a yh a n d o f ft e c h n o l o g yb a s i n go nt h ew i m a x c o r e n e t w o r k b a s i n go i lt h ed e e pa n a l y s i so ft h er e l e v a n tt h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e s , a c c o r d a n c e w i t ht h ew i m a xn e t w o r kr e f e r e n c em o d e l ，t h ei m p l e m e n t a t i o no fs y s t e mi sd i v i d e di n t o i m p l e m e n t a t i o no fl i n k - l a y e rh a n d o f fa n di m p l e m e n t a t i o no fn e t w o r k - l a y e rh a n d o f f w h e nl l s 贯 h 翻x k 嚣。阳sd u r i n gt h ed 3 0 v c , t h eo o 佗n c t w o 矗n e e d st od e a lw i t ht h ed s c i h 粼l o f f l x o c c s s 印暇= i i i 媳m a i n 炒i i l d u 摘喀c s t a b l 蛐a n dd d c t 迦o fb u s i n e s sd a t a 加衄1 d sb e t w e e n a g wa n db s ( r 6p o r tl m d o f f ) , a n dh a n d o f fbe | t l j v 啪d i f f e r e n ta g w ( r 4 p o r th a n d o f r ga n d r e a l i z a t i o n 砌妇喀w a yo f 口d a t ap a c k e t sa f t e rt h ec o m p l e t i o no fh a n d o f f b a s i n go i lt h ea b o v e r e s e a r c h i n gp u r p o s e s ，t h ep a p e rd i v i d e st h es y s t e mm a i n l yi n t ot w op a r t s ：l i n kl a y e rh a n d o f f i m p l e m e n t a t i o na n dn e t w o r kl a y e rh a n d o f fi m p l e m e n t a t i o ns ot h a ti tg u a r a n t e e si n t e g r i t ya n d r a t i o n a l i t yo ft h ee n t i r eh a n d o f fp r o c e s st e s t t h i sp a p e ra n a l y z e st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so f s y s t e r r n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e r ma d o p t sp r o x ym i pw a y st oa c h i e v eh a n d o f f b e t w e e nd i f f e r e n tb si na na g wo rd i f f e r e n tb si nd i f f e r e n ta g w , w h i c hr e a c h e st h ea i mo f r e d u c i n gh a n d o f fd e l a ya n dp a c k e tl o s sr a t e t h es y s t e mc a nr e a l i z et h ew i m a x n e t w o r kh a n d o f f t e c h n o l o g ya n dr e a c ht h ee x p e c t e dr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：c o r en e t w o r k ，g a t e w a y , s o f th a n d o f f , h a r dh a n d o f f , t u n n e l 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 目录 摘 要i a b s t r a c t i i 缩略词1 ， 第一章绪论l 1 1 研究背景1 1 2 国内外研究现状l 1 2 1w i m a x 国内外研究现状1 l - 2 2w i m a x 切换技术研究现状3 1 i3 论文工作4 1 4 论文组织结构一5 第二章w i m a x 网络切换关键技术研究6 2 1w i m a x 网络参考模型。6 2 2r 4 参考点切换过程8 2 3 软切换与硬切换。9 2 4 移动i p 概述1 1 2 4 1 移动i p 的功能实体一1 1 2 4 2 移动i p 的常用术语1 2 2 5 刁s 章小结。1 3 第三章链路层切换的实现一14 3 1 分组域基本切换业务1 4 3 1 1 融、r 6 参考点控制消息协议栈一1 4 3 1 2 切换过程中关键算法1 7 3 2 切换流程l8 3 2 1 硬切换流程1 8 3 2 2 软切换流程2 0 3 3 链路层切换的实现2 3 3 3 1 实现原理2 3 3 3 2 状态机驱动流程2 4 3 3 3 业务流程状态机2 6 3 3 4 状态跃迁。2 6 3 3 5 状态处理函数。2 9 3 3 6 关键数据设计2 9 3 4 本章小结3 0 第四章网络层切换的实现3 1 4 1 隧道机制31 4 2 移动i p 的基本操作3 3 4 2 1 代理发现3 3 4 2 2 注册3 4 4 2 3 注销3 5 4 3 心与c n 三种通信情况3 6 4 3 1 三角路由方式3 6 4 3 2 双向隧道方式3 7 4 3 3 优化路由方式3 8 i i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 4 3 4 双向隧道与优化路由的比较3 9 4 4m i p 地址获取实现4 0 4 4 1m i p 地址获取流程4 0 4 4 2 关键数据设计4 2 4 5 本章小结4 4 第五章测试及应用实例4 5 5 1 测试目的4 5 5 2 测试对象4 5 5 3 测试环境4 5 5 4 测试结果4 6 5 4 1r 6 切换及结果分析4 7 5 4 2r 4 切换及结果分析5 l 5 5 本章小结：5 4 第六章总结和展望5 5 6 1 论文的工作总结5 5 6 2 今后的研究展望一5 5 1 致谢5 6 参考文献5 7 攻读硕士阶段发表的论文。5 9 i v 一 南京邮电大学硕士研究生学位论文缩略词 缩略词 缩略词英文全称译文 a a as e r v e r c o m p u t e rs y s t e mp e r f o r m i n g a a as e r v i c e sa a a 服务器 ( a u t h e n t i c a t i o n ，a u t h o r i z a t i o n ，a c c o u n t i n g ) a g w a s n - g a t e w a y 接入网关 a r p a d d r e s sr e s o l u t i o np m t o c o l 地址解析协议 a s na c c e s ss e r v i c en e t w o r k 接入业务网络接入服务网络 b sb a s es t a t i o n 基站 c nc o r en e “v o r l ( 核心网络 c o ac a l eo f a d d r e s s 转交地址 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 连接业务网络，互联性服务网络 d h c p d y n a m i ch o s tc o n f i g u r a t i o np r o t o c o l动态主机配置协议 d s l d 珥t a ls u b s c r i b e rl i n e 数字用户线 f a f o r e i g na g e n t 外地代理 g r eg e n e r i cr o u t i n ge n c a p s u l a t i o n 通用路由封装 g w g a t e w a y 网关 h ah o m ea g e n t 家乡代理 h o ah o m ea d d r c s s 家乡地址 l p v 4i n t e r n c tp r o t o c o lv e r s i o n4 i n t e r a c t 协议版本4 蹦h n 目n e tp r o t o c o lv e r n o n6 i n t e r a c t 协议版本6 眦 l o n gt e r me v o l u t i o n 长期演进 m a cm e d i u ma c c e s sc o n t r o l媒体访目控制 m l m o m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 多输入多输出 m l p m o b i l ei p ( r e f e r st ob o t hm o b i l ei p v 4a n dm o b i l e移动i p i p v 6 ) 【nm o b i l en o d e移动节点 m sm o b i l es t a t i o n 移动台 m s c m o b i l es w i t c h i n gc e n t r e 移动交换中心 n a pn e t w o r ka c g e s sp r o v i d e r 网络接入提供商 n a t n e t w o r ka d d r e s st r a n s l a t i o n 网络地址翻译 o f d m o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 正交频分多路复用 1 a c st 0 t a ja c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 全接入通信系统 v r o i p v o i c eo v e ri p i p 网语音传输 w i f iw i r e l e s sf i d e l i t y 无线保真技术 w i m a xw o r l di 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性 v 南京邮电火学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 w i m a x 意即全球微波接入互操作性【，是基于i e e e 8 0 2 1 6 标准【2 l 的无线城域网技术， 它可作为线缆和d s l 的无线扩展技术，从而实现“最后一公里 宽带接入。w i m a x 最 大传送距离为5 0 公里，每区段最大数据速率是每扇区7 0 m b i t s ，每个基站通常配置6 个 扇区，每个扇区可同时支持6 0 多个采用t 1 的企业用户和数百个采用d s l 的家庭用户。 w i m a x 已经全面超越了目前最为流行的w i f i 无线接入技术【3 】，有望引领新一波无线宽 带接入潮流。经国外商用局的测试，w i m a x 能提供的最高接入速度是7 0 m ，这个速度是 3 g 所能提供宽带速度的3 0 倍1 4 1 。该技术涉及到两个国际组织的工作：i e e e8 0 2 标准委员 会8 0 2 1 6 工作组和w d v l a x 论坛。i e e e8 0 2 1 62 1 2 作组是标准的制定者；w t m a x 论坛是 i e e e8 0 2 1 6 技术的推广者 尽管w d v l a x 的发展前景很明朗，但在关键技术闯题上发展还不是很成熟，特别是 在切换技术上w l m a x 网络系统的切换分为系统内切换和系统间切换【5 1 ，其中系统内切 换是指同一个接入网关内的切换，系统间切换是指不同接入网关间的切换。如果发生切换 的两个小区在同一个接入网关内，则切换主要由媒体接入控制子层( m a c ) 来负责；否则， 切换还涉及到网络层，应保持m s 与相应主机的m 连通性。即在w i m a x 核心网侧，如 果按照涉及到的网元分，切换主要可分为在a g w 网关内不同基站之间的切换( r 6 口切 换) 和不同a g w 网关之间的切换( r 4 口切换) 。 w i m a x 支持移动性的关键技术是实现网络的无缝切换，如果切换过程进行不好，很 可能造成小区的过载或终端的“掉话，使网络服务质量大大下降，所以如何快速切换， 降低切换时延和丢包率一直是w i m a x 网络研究热点，关系到w i m a x 网络能否大规模 布署问题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1w i m a x 国内外研究现状 w i m a x 虽然目前还存在很多问题，诸如标准统一、互联互通、降低成本等。但它的 作为全球最大的w i m a x 运营商，c l e a r w i r e 已在美国的1 4 个市场部署了1 8 万个 w i m a x 基站，且覆盖人口和用户数呈持续上涨势头；除了在国内发展，c l e a r w i r e 也打算 于2 0 1 0 年进军西班牙市场，在欧洲推出w i m a x 业务。当前，借助c l e a r w i r e 的w i m a x 网络，用户可以享受3 - 6 m b i t s 、峰值1 0 m b i t s 的下载速度。其近两年的宏伟目标是：2 0 0 9 年年底覆盖2 5 个市场3 0 0 0 万人口，2 0 1 0 年覆盖8 0 个市场的1 2 亿人口。w i m a x 的正 交频分多路复用o f d m 技术、m i m o 多输入多输出、全i p 架构、良好的移动性等技术优 势和低成本部署要求，使其比l t e 长期演进【6 j 更具吸引力，利用w i m a x 发展移动互联 网业务具有无可比拟的优势。他表示，数据爆炸使得移动互联网正在全球成为一个新的增 长点，而当前的手机每月用于短信等业务的数据流量大约为3 0 m b ，像i p h o n e 这样的智能 手机流量是其3 0 倍，笔记本的流量则是其5 0 倍，未来用户对带宽的需求仍呈上涨势头， 而w i m a x 可为每个用户提供l o 到1 5 g b 的流量 2 0 0 9 年2 月日本提供移动w d o a x 服务试运营通过此服务，用户可以使用高速率、 低成本的移动数据业务2 0 0 9 年7 月，正式商用w i m a x 。日本的有线宽带普及率已超 过7 5 ，这其中5 0 0 , 6 的人群家中都有光纤到户，因此日本全国基本实现了宽带化，但既 便如此，日本的国民更希望能获得无线的宽带服务。到2 0 1 0 年3 月，日本的w i m a x 网 络将覆盖全国各大主要城市，建成超过7 0 0 0 个基站，覆盖全国5 5 的人口；而预计到2 0 1 1 年，将覆盖总人口的9 3 。目前已经有2 0 余家移动虚拟运营商与其达成协议，使用其 w i m a x 网络推出多行业的各种业务，而且为其提供多种接入点和接入模式。 2 国内w i m a x 发展现状和趋势 中国台湾大同电信公司于2 0 0 8 年7 月获得w i m a x 运营牌照，是台湾首家获得 w i m a x 运营执照的运营商。2 0 0 9 年4 月，大同电信在澎湖地区商用w i m a x ，成为台湾 w i m a x 最早商用的运营商。台湾运营w i m a x 的运营商共有6 家，其中各有3 家分别在 台湾南、北两区运营。目前台湾共建设了1 5 0 0 个基站，大同电信占4 0 0 个。未来3 、4 年，整个南区将建设3 0 0 0 个基站，第一期以大城市为主，第二期以乡镇为主，第三期是 网络优化。大同电信目前在澎湖和高雄建设了2 0 0 多个基站，由于这些区域属于城市，用 户上网的流量非常高。大同电信的主营业务横跨移动通信、移动咨询和移动广电三大领域， 服务对象涵盖个人、家庭、企业和政府客户，可提供宽带上网、个人语音服务、多媒体影 2 南京邮电大学硕 j 研究生学位论文第一章绪论 音娱乐、移动即时咨询、企业通信服务及各类移动应用增值服务。 总之，w i m a xj 下在全球范围内得到更多的部署，美国、亚洲等新兴w i m a x 运营商 正不断扩大部署范围，国内的中兴、华为等设备商也j 下获得更多的w i m a x 合同，不断 扩大市场份额。随着w i m a x 在全球范围内对宽带接入、无线城市、行业应用等领域的 持续深入，业界主流w i m a x 运营商f 形成一个共识：2 0 1 0 年或将成为w i m a x 发展的 一个拐点。 i e e e 8 0 2 1 6 e i7 】是移动w i m a x 的技术标准，它是一种宽带无线城域网接入技术，支 持用户以车速移动，并提供多种业务的高速率数据传输，其关键技术是传输链路的无缝切 换。当移动用户m s 跨越不同小区或者服务质量q o s 得不到保证时，切断与当前服务基 站b s 的连接，与相邻b s 建立一条新连接。如何使得切换过程中包丢失和包延迟达到最 小，保证业务的正常传输，成为移动w i m a x 的一项重要研究内容。 目前最新的i e e e 8 0 2 1 6 e 任务组正在紧张地开发移动i e e e 8 0 2 1 6 客户机的支持规范， 这些规范能够支持客户机在i e e e s 0 2 1 6 基站之闻自由切换，从而使用户能够在各个服务 区之闯任意漫游另外，i e e e s 0 2 1 6 工作组内新组建的网状网络特别委员会也正在研究 改进基站覆盖范围的方法。网状网络可使数据从一点跳跃到另一点，绕过高山等障碍只 需少量网格即可带来单个基站覆盖范围的大幅度改进。如果这一小组的提案得以采纳，他 们将成为特别任务组f ，着手i e e e s 0 2 1 6 f 标准的开发。随着这一系列标准组的启动，相 信w i m a x 技术将会越来越成熟，越来越完善。 1 2 2w i m a x 切换技术研究现状 切换是当正在通话中的移动台从一个基站移动到另一个基站时，m s c 自动将呼叫转 移到新基站的信道上。根据切换发生时m s 与原基站及新基站连接的不同，切换可分为硬 切换、软切换和更软切换【引。硬切换采用先断后通的方式，先切断m s 和原基站之间的通 信信道，再接通与新基站之间的通信信道，m s 在硬切换过程中任何时刻都只与一个基站 有业务信道通信；软切换采用先通后断的方式，先接通m s 与新基站之间的通信信道，再 断开与原基站之自j 的通信信道，m s 在软切换过程中可以同时与多个基站进行通信：而更 软切换则发生在同一基站的不同扇区之自j 。 w i m a x 网络系统的切换分为系统内切换和系统间切换。其中，系统内切换是指同 一个接入网关内的切换，系统问切换是指不同接入网关间的切换。如果发生切换的两个小 区在同一个接入网关内，则切换主要由媒体接入控制子层( m a c ) 来负责；否则，切换还涉 3 南京邮电大学硕j j 研究生学位论文第一章绪论 及到网络层，应保持m s 与相应主机的i p 连通性。 1 系统内切换主要由m a c 层负责，也称为l 2 切换，针对的是同一个接入网关下的移 动。切换请求可以由m s 或者服务b s 发起。完整的切换过程分为5 个阶段： ( 1 ) 获取网络拓扑 ( 2 ) 小区重选 ( 3 ) 切换请求 ( 4 ) 切换判 ( 5 ) 切换的执行 2 系统间切换是指跨越网关的切换，它涉及n l 2 切换和l 3 切换。移动i p v 6 网络中包 含归属代理h a 、移动节点m n 、对端节点c n 等实体，m n 通过接入路由器连接至l j i n t e r n e t 上。当m n 在归属网络时，有一个家乡地址，当它移动到外地链路时获得一个转交地址。 m n 将家乡地址与转交地址的映射告知h a 和c n 。这样，c n 与m n 之间就可以直接进行正常 通信。 1 3 论文工作 w i m a x 作为一项新兴的无线宽带技术，受到很多运营商的青睐，其中一个很重要的 原因就是其对移动性的良好支持。移动性包括了对处于空闲休眠模式和连接模式下终端 跨小区移动时的业务处理，空闲休眠模式下的移动性处理包括如寻呼、位置更新、省电 模式等功能，切换功能专指连接模式下的终端在不同层次的移动后，系统通过一定的处理 来保证业务连接的连续性。w i m a x 网络一些简单的切换技术已经实现，比如用户在 w i m a x 网络内的同一个a g w 内不同的基站b s 之间的切换功能已经实现。但在不同 a g w 之间的不同b s 之间的切换还没有真正的实现。本课题的研究主要目标是在目前已 经实现的切换技术上，重点研究不同a g w 之间的不同b s 之间的切换技术。研究的最终 目的是达到网络的无缝隙快速切换，使切换时延减小和丢包率低，实现不同a g w 之间的 不同b s 的切换。 论文主要完成以下几个方面的研究工作： 1 深入理解w i m a x 网络系统架构的工作原理及其特点，探讨了w i m a x 的国内外发展现 状及当前w i m a x 切换存在的问题。 2 详细介绍了w i m a x 网络参考模型及启动切换的条件，在已有切换技术基础上，提出 采用m i p 方式实现不同a g w 之间的不同b s 之间的切换。 4 南京邮l u 人学颂i ：i o f 究生学位论文第一章绪论 3 实现了链路层和网络层切换，分析比较了m n 和c n 之间的三种通信方式，考虑切换 后计费问题，最终在a g w 系统中采用了双向隧道方式来实现切换后的刖和c n 之间的通信。 4 对不同a g w 之间的不同b s 的切换进行了实验，结果表明该技术达到了设计要求； 实践中还发现了一些不足并进行了一部分的改进；满足了实际应用的要求。 1 4 论文组织结构 论文内容共分为六章，安排如下： 第一章绪论。对论文的研究背景及w i m a x 的发展现状进行介绍，并分析阐述了论 文的主要内容。 第二章w i m a x 网络切换关键技术研究。简单介绍了启动切换的条件、切换方式、 切换技术，重点介绍了w i m a x 网络参考模型及同一a g w 网关内不同基站之间的切换过程。 第三章链路层切换的实现。首先介绍链路层基本切换业务及关键算法，并描述了链路 层的两种切换流程，重点介绍了链路层切换的原理及关键数据结构。 第四章网络层切换的实现。介绍了移动口的基本概念和基本操作，详细介绍了隧道 机制，并分析比较了m n 与c n 问三种通信方式 第五章测试及应用实例。设计测试用例，对用户完整的接入流程和切换流程进行测试， 并对r 4 口切换和r 6 口切换流程测试结果进行分析。 第六章总结和展望。对论文进行工作总结，并提出下一步研究的方向。 南京邮电大学硕- i g f g , 生学位论文 第一二章w i m a x 列络切换关键技术研究 第二章w i m a x 网络切换关键技术研究 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m 的网络架构，充分利用i p 交换、路由以及其它 可以重用的m 网络功能。本章将详细介绍w i m a x 网络参考模型以及基于单一a g w 的 a s n 参考模型。 2 1w i g a x 网络参考模型 1 网络参考模型 图2 1 为基于i e e e 8 0 2 1 6 的网络参考模型网，参考模型由固定台移动台( s s m s ) 、 接入业务网络a s n 和连接业务网络c s n 三个逻辑实体组成，逻辑实体之间通过r l 至 r 5 标准参考点( 1 口) 互通每个逻辑实体代表了一组功能实体，每个功能可以在单个物 理或者分布在多个物理设备中实现。在a s n 中，多个功能在物理实体中的组合或分布方 式由具体的j 蟠np r o f i l e 确定。a s n 设备可存在多种功能的物理实现，可以单独或者合并 实现各个功能，但应满足各个功能和参考点互操作要求。 控毒_ 面一一一一一一一一一一一一 图2 1w i g a x 网络总体框架模型 6 南京邮电人学硕1 ：厩j f 究生学位论义第二帝w i m a x 网络切换关键技术研究 2 参考点 参考点位于两组功能之间，两组功能则分别位于参考点两侧的功能实体中。一个参考 点可能与多个功能关联，是这些功能的协议接口。参考点关联的所有功能不一定在相同的 功能实体中终结，即与参考点关联的两个协议可在不同的功能实体发起和终结。参考点两 侧的网络实体通过标准的参考点上的协议实现互操作。w i m a x 端到端参考模型定义了如下 网络接口点： 参考点r l ：s s 峪与a s n 之间的接口，与i e e e8 0 2 1 6 e - 2 0 0 5 或i e e e8 0 2 1 6 d - 2 0 0 4 空中接口的物理层和m a c 层一致。r l 参考点还可包含附加管理平面的协议。 参考点r 2 ：s s m s 与c s n 之间的逻辑接口，建立在s s m s 到c s n 的物理连接之上，进 行鉴权、业务授权和i p 主机配置管理等。其中，r 2 的鉴权功能在m s 和归属网络业务提 供商( h - n s p ) 的c s n 之间进行，在漫游模式下，拜访网络业务提供商( v 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：i p 主机配置管理可以在m s 和归属地n s p 或者拜 访地的c s n 之间进行。 参考点1 1 3 ：a s n 与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，支持 a a a 、策略执行和移动性管理等r 3 也包含a s n 与c s n 之间承载平面数据传输的方法，例 如隧道等l 嘲 参考点r 4 ：由一系列在a s n 内部发起和终结的控制和管理平面协议组成，在多个a s n 和接入网络网关( a s n - g w ) 之间协调m s 移动性相关的功能。r 4 是相同和不同a s np r o f i l e 的a s n 之间互通的唯一参考点【埘。 参考点r 5 ：由拜访c s n 与归属c s n 之间互操作的一系列控制和承载平面协议组成。 参考点r 6 ：b s 和a s n g w 间的互操作接口，属于a s n 内的接口【。 参考点r 7 ：该接口属于a s n - g w 内部接口。 参考点r 8 ：b s 之间的接口，用于快速无缝切换功能，由一系列控制和承载平面协议 组成。 3 接入业务网络a s n a s n 是w i m a x 核心网接入体系中的基础接入部分，功能是管理i e e e 8 0 2 1 6 空中接口， 为w i j a x 用户提供无线接入。它至少由一个基站b s 和一个a s n 网关( a s n g w ) 或多个a s n g w 组成，其中b s 用于处理i e e e 8 0 2 1 6 空中接口，a s n g w 主要处理到c s n 的接口功能和a s n 的管理。a s n 参考模型【如图2 2 所示。 7 南京邮电人学硕i ：研究生学位论文第二章w i b 俄x 网络切换关键技术研究 a s n lr 3 a s n i g a t e w a y & r 1 b s r 6 d e c i s i o n e n f o r c e m e n t。r 4 p o i n t s i 紫骶、j ? j ? r 11 b s_ i| | 。 i ：j ，| ：，： e l2 2a s n 内部结构不慈图 在a s n 内部，b s 提供了r 1 参考点的所有功能，完成和m s 之间的无线空中接口处理。 a g w 提供了承载接入网关的功能【1 2 1 ，并通过r 6 参考点完成b s 和a g w 之间的交互，通过 r 4 参考点完成a g w 之间的交互。同时，a g w 通过r 3 参考点完成c s n 网络的交互。获得用 户的业务能力，并以此来开展用户的各项业务。 4 连接业务网络c s n c s n 是一套网络功能的组合，为l i m a ) 用户提供i p 连接。c s n 由路由器、a a a 代理或 服务器、用户数据库、互联网网关设备等组成a a a 是验证、授权和记费的简称，其主要 目的是管理哪些用户可以访问网络服务器，具有访问权的用户可以得到哪些服务，如何对 正在使用网络资源的用户进行记费【1 3 】。认证、授权和记费一起实现了网络系统对特定用 户的网络资源使用情况的准确记录。这样既在一定程度上有效地保障了合法用户的权益， 又能有效地保障网络系统安全可靠地运行。a 从具有了很多优点：增强了灵活性和可控性， 可以很方便地升级，标准化的认证方法等等。 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 2r 4 参考点切换过程 m s 切换过程如图2 3 所示。如果有一个移动台m s 想连接到w i l v i a x 网络时，它首 先要发起请求消息给它归属的服务基站s b s ，这时这个s b s 会发请求消息给a g w ，a g w 就会把终端的信息发送到鉴权服务器丸蚺，在鉴权服务器上判断m s 是否合法，如果m s 是合法用户，a a a 服务器授权给终端，这时终端就可以接入w i m a x 网络。之后，假定 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章w i m a x 网络切换关键技术研究 这个m s 移出它归属基站s b s 的服务范围，移动到另一个目的基站( t a r g e tb s ) 范围下， 这时t b s 就会感知到有终端移动到它的范围下，因此这个终端就要做切换操作。首先由 t b s 发起切换请求消息给它直接相连的r e l a y 网关，然后由查找邻接_ a g wr e l a y a g w 局a g w 地址，查到之后把切换消息发给a n c h o ra g w 。由a n c h o ra g w 查找s b s 的地 址，把收到的切换消息发送给s b s 。这时t b s 将和r e l a ya g w 之间建立新的r 61 3 用户 隧道，a n c h o ra g w 和r e l a y之间也建立口隧道。而开始由和_agw r 4s b sa n c h o ra g w 之间建立的用户隧道将删除。因此，m s 虽然发生了切换，但还可以和正常情况一样上网， 使用户感觉不到发生了切换。 m sm s 切换l j i 切换后 图2 3m s 切换过程 w i m a x 终端在业务使用过程中移动时，可能会发生服务小区的变更；如果服务小区 归属于不同的a g w ，也会触发不同a g w 、不同外地代理f a 之间的消息和数据交互；如 果服务a s n 和切换的目标a s n 属于不同的网络接入提供商n a p 时，还需通过同一连接 业务网络c s n 部分来进行协调( c o o r d i n a t i o n ) 和传递( r e l a y ) 处理。针对不同a g w 内不同 的基站b s 之间的切换，如何实现网络的无缝隙快速切换，减小切换时延和降低丢包率， 是本文要解决的问题。 2 3 软切换与硬切换 切换从方式上一般可分为硬切换和软切换两种【8 1 。 1 硬切换 硬切换是不同频率的基站或扇区之间的切换，在切换过程中，移动台必须在指定时间 9 南京邮电大学硕i 二研究生学位论文第二章w i m a x 网络切换关键技术研究 内，先中断与原基站的联系，调谐到新的频率上，再与新基站取得联系。因此，硬切换是 “先断开，后切换，切换时，要在原话音信道上送切换指令，移动台需要暂时停止通话， 然后调谐到新的信道频率上。 i ： 现有g s m 系统使用硬切换方式，当切换发生时，因为原基站与新基站的载波频率不 同，移动台必须在接收新基站的信号之前，中断与原基站的通信，而当移动台与原基站链 路切断后，却往往不能立即得到与新基站之间的链路( g s m 有2 0 0 m s 左右的中断时间) ， 因此硬切换在一定程度上会影响通话质量。另外，由于硬切换是“先断开，后切换，如 在中断时间内受到干扰或切换参数设置不合理等因素的影响，会导致切换失败，引起掉话： 当硬切换区域面积狭窄时，会出现新基站与原基站之间来回切换的“乒乓效应 ，影响业 务信道的传输。 2 软切换 软切换是同一频率不同基站之间的切换，在切换过程中，移动台同时与原基站和新基 站都保持着通信链路，一直到进入新基站并测量到新基站的传输质量满足指标要求后，才 断开与原基站的连接。因此，软切换是。先切换，后断开0 在切换过程中，移动台并不 中断与原基站的联系，真正实现了一无缝”切换。现有c d m a 系统使用软切换方式。软 ? 切换由于“先切换，后断开0 移动台只有在取得了与新基站的链接之后，才会中断与原 ：基站的联系，因此在切换过程中没有中断，不会影响通话质量；软切换由于是在频率相同 。 的基站问进行，在两基站(