（通信与信息系统专业论文）wimax移动切换技术研究.pdf

摘要 基于w i m a x 移动切换的性能分析，本文采用了一种改进的移动切换方案。 本文首先阐述w i m a x 的切换机制和切换模型，重点分析硬切换方案的过程， 并指出其不足之处：切换触发准则以及目标基站选择准则效率不高。因此本文在 原有硬切换机制的基础上，采用绝对+ 相对门限值的c s s t h 算法触发切换请求。 要求下行信号的载波干扰噪声比( c i n r ) 的测量值同时满足切换门限和滞后量， 这样可以保证切换过程中兼顾服务质量的同时，避免了“乒乓效应 的发生：另 外，在切换目标基站的选择准则h t b s 上，加入对于切换重入网优化指标的考察， 使m s 在目标基站处入网简化，缩短由硬切换带来的中断时间。 为了评估改进后的切换机制，本文使用网络仿真软件o p n e t 进行仿真。仿 真结果表明，相比于i e e e 8 0 2 1 6 e 标准算法和单一的c s s t h 算法，结合后的 c s s t h & h t b s 算法使m s 的切换时延、下行丢包率明显下降；同时，在切换过 程中，m s 的通信流量提高。 关键词：w i m a xm a c移动切换 a b s t r a c t b a s e do nt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so fm o b i l eh a n d o v e ri nw i m a x ，a ni m p r o v e d h a n d o v e rm e c h a n i s mi sp r o p o s e di nt h i st h e s i s a tt h eb e g i n n i n g ，t h eh a n d o v e rm e c h a n i s ma n dm o d e l si nw i m a xa r ed i s c u s s e d i nd e t a i li nt h i st h e s i s ，e s p e c i a l l yt h eh a r dh a n d o v e rp r o c e s s a n dt h ed i s a d v a n t a g e so f h a n d o v e rp e r f o r m a n c ea r ei n d i c a t e d ，e g ，t h el o we f f i c i e n c yo fh a n d o v e rt r i g g e rr u l e a n d t a r g e tb sc h o i c er u l e s o ，b a s e do nt h eh a r dh a n d o v e rm e c h a n i s m ，a na b s o l u t e & r e l a t i v et h r e s h o l dh a n d o v e rt r i g g e rr u l en a m e dc s s t hi s p r o p o s e d t h ec s s t h r e q u i r e st h a tt h ed o w n l i n kc a r t i e ri n t e r f e r e n c en o i s er a t i oc i n rm u s tm e e tt h e h a n d o v e rt h r e s h o l da n dt h eh y s t e r e s i s i tc a l la v o i dt h e p i n g p o n g e f f e c ta sw e l la s s a t i s f yq o sr e q u i r e m e n t sd u r i n gt h eh a n d o v e rp r o c e s s m e a n w h i l e ，i nh t b s ，a m o d i f i e da l g o r i t h m ，t h eh o _ p r o c e s s _ o p t i m i z a t i o nf i e l di sc h e c k e dd u r i n gc h o o s i n gt h e t a r g e tb s t h i sc a l ls h o r t e nt h er e - e n t r yp r o c e s sa tt h et a r g e tb s ，a n dr e d u c et h e h a n d o v e rd e l a yi n t r o d u c e db yh a r dh a n d o v e r - t oe v a l u a t et h ei m p r o v e dh a n d o v e rm e c h a n i s m ，t h es i m u l a t i o n sa r em a d e 谢t l l n e t w o r ks i m u l a t o rs o f t w a r e o p n e t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，c o m p a r e d 、) l ，i 血 t h ei e e e 8 0 2 16 es t a n d a r da l g o r i t h ma n ds i n g l ec s s t h a l g o r i t h m c s s t h & h t b s c a l lo b v i o u s l yr e d u c et h eh a n d o v e rd e l a ya n dd o w n l i n kp a c k e t sd r o p p e do fm s ，a n d i m p r o v et h em s st o t a ld a t at r a f f i cd u r i n gt h eh a n d o v e rp r o c e s s k e y w o r d s ：w i m a x m a c h a n d o v e r 西安电子科技大学 学位论文创新- l 生声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：壅堑童援日期坦芝：! ! ! 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名：日期一f 望：芗? 笸。 第一章绪论 第一章绪论 w i m a x 又称为8 0 2 1 6 无线城域网，是一项新兴的宽带无线接入技术，能够 在比w i f i 更广阔的地域范围内提供“最后一公里宽带连接性。 1 1 课题研究背景 随着通信技术和新业务的部署，以及市场与技术的相互作用，未来通信领域 一些新的特点逐渐显现出来。一方面，传统宽带固定接入用户已经不满足于仅仅 在家庭和办公室等固定环境内使用宽带业务，他们希望能使用宽带接入的移动服 务。另一方面，传统的移动用户也不满足于简单的话音、短信和低速数据业务， 他们希望能使用例如v o i p ，多媒体等更高数据速率的业务，这样固定宽带接入 服务和移动服务在技术和业务上呈现融合的趋势。宽带移动化和移动宽带化逐渐 成为两个领域技术发展的趋势，并互为补充互相促进。由于无线网络的方便和快 捷，使用无线网络的用户越来越多，并一直保持着快速增长的势头。因此，在最 近几年里，无线网络逐渐成为当前网络技术发展的热点。 在移动宽带化发展方向上，3 g p p 3 g p p 2 已经制定了h s d p a h s u p a 等技术 标准，在移动环境下实现宽带数据传输，以及出现的l t e 和a l e 技术更是直接与 w i m a x 技术正面竞争。 在宽带移动化发展方向上，i e e e 8 0 2 工作组先后制定了无线局域网( w l a n ) 和无线城域网( m 4 a n ) 等系列技术规范，意图能沿着固定、游牧、移动这样的 演进路线逐步实现宽带移动化。从2 0 0 1 年1 2 月最早发布的i e e e8 0 2 1 6 标准开 始，连续有多个修订版和新版本被推出。2 0 0 4 年1 0 月正式推出的i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准( 8 0 2 1 6 d ) 和2 0 0 5 年1 2 月7 日发布的i e e e8 0 2 1 6 e 2 0 0 5 标准( 8 0 2 1 6 e ) 。 i e e e8 0 2 1 6 标准定义了无线m a n ( 城域网) 空中接口规范，它的提出就是 要建立一个全球统一的宽带无线城域网的接入标准。w i m a x 论坛( w i m a x f o r u m ) 是由众多无线通信设备和器件供应商于2 0 0 1 年6 月发起成立的，其目标 是促进i e e e8 0 2 1 6 标准规定的宽带无线网络的应用推广，保证采用相同标准的 不同厂家宽带无线接入设备之间的互通性和互操作性。w i m a x 论坛的成立很快 得到了厂商和运营商的关注，很好地促进了i e e e8 0 2 1 6 标准的推广。 目前，i e e e8 0 2 1 6 e 标准提供了对于移动性支持。移动性管理主要分为切换 管理和位置管理两个方面。切换是无线移动网络的重要特性，它是用户改变当前 连接时保持通话连续性的一种手段，切换可以发生在用户跨越小区边缘时或者当 w i m a x 移动切换技术研究 前通信链路的信号质量退化时。切换不仅影响小区边缘处的呼叫服务质量，还与 网络的负载、资源的利用率等系统性能有着密切的联系，因此，切换机制对系统 的整体性能是至关重要的。切换算法的首要任务是降低切换中断概率和切换时延， 但是低的掉话率和时延常常以高的切换率作为代价，没有一个完美的算法可以保 证所有的性能都达到最佳状态，因此，一个有效的切换算法必须在系统的各项性 能之间求折中。 1 2w i m a x 技术简介 1 2 1 晰m a x 标准的提出 宽带无线接入技术从2 0 世纪9 0 年代开始快速地发展起来，但一直没有统一 的全球性标准。i e e e8 0 2 1 6 最初被设计用于固定无线视距通信，提供点到点的连 接，采用t d d f d d 体制，使用1 1 6 6 g h z 频段，速率最高可以达到1 5 5m b s 。i e e e 8 0 2 1 6 标准于2 0 0 1 年1 2 月发布，2 0 0 2 年1 2 月发布了i e e e8 0 2 1 6 互用性标准。 为了满足固定宽带无线接入的需求，需要提供点到多点的非视距通信能力。 为此，i e e e 进一步发展了i e e e 8 0 2 1 6 a 标准。i e e e8 0 2 1 6 a 使用2 1 1 g h z 频段， 占用2 0 m h z 带宽时速率可达7 5 m b s ，采用s c o f d m o f d m a 物理层体制；点 对多点大蜂窝工作时主要采用o f d m o f d m a 体制。i e e e8 0 2 1 6 a 是按照支持互 联网业务需求设计的，采用快速调度、自适应编码调制和自动重发技术实现无线 链路的分组化。 i e e e 8 0 2 1 6 d 是i e e e 8 0 2 1 6 的一个修订版本，也是相对比较成熟并且最具有 实用性的一个标准版本，也被称为i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 。 i e e e 8 0 2 1 6 d 对2 - - - 6 6 g h z 频段的空中接口的物理层和m a c 层做了详细的规 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。该标准对前几个标准进行了整合和修订，但仍属于固定宽带无线接入 规范。 在市场对移动宽带无线接入需求的推动下，2 0 0 2 年i e e e 8 0 2 设立了固定移动 宽带无线接入( f m b w a ) 研究组，在i e e e 8 0 2 1 6 的基础上增加移动能力，将b w a 变为f m b w a ，形成i e e e 8 0 2 1 6 e 。i e e e 8 0 2 1 6 e 使用2 - - 6 6 g h z 频段，支持车速 移动( 通常认为是1 2 0 k m h ) 。在物理层技术方面，8 0 2 1 6 e 除了支持单载波方式、 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 正交频分复用) 方式、o f d m a ( 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 ea c c e s s 正交频分多址接入) 方式以外， 还对o f d m a 方式进行了扩展。8 0 2 1 6 d 只规定了2 0 4 8 点的o f d m a ，而在8 0 2 1 6 e 第一章绪论 中可以支持2 0 4 8 点、1 0 2 4 点、5 1 2 点、1 2 8 点的o f d m a ，以适应不同的信道带 宽。在m a c 层功能上，增加了对切换，漫游等移动性的支持。为了支持移动性， 8 0 2 1 6 e 还加入了一些新功能，例如移动台( m s ) 的睡眠模式、空闲模式等。i e e e 8 0 2 1 6 e 的第一个版本于2 0 0 5 年底发布，因此也被称为i e e e8 0 2 1 6 e 2 0 0 5 。 i e e e8 0 2 1 6 e 标准也一直在修改完善中，到2 0 0 9 年1 月份发布的修正版本 p 8 0 2 1 6 r e v 2 d 9 ，该协议是8 0 2 1 6 的合并版协议，包括8 0 2 1 6 d e e g ，并且修正 了之前版本中的_ 些错误。可以肯定，移动性的加入将使i e e e s 0 2 1 6 标准具有更 大的技术优势，拥有更广阔的市场前景。 2 0 0 9 年1 0 月召开的德国国际电联会议上，日本和韩国的标准化组织所提出 的8 0 2 1 6 w i m a x 2 建议书比较完整，已经得到了全球5 0 多家公司和厂商的批准。 会议已经基本上批准了这个建议书，并且正在等待外部的验证。w i m a x 2 主要围 绕移动性的提升和频谱效率的提升。 1 2 2w i m a x 技术特点与发展 w i 技术具有覆盖面广、带宽高、部署有效和维护成本低等优点，适用 于w i f i 热点回传、延伸或替代电缆和d s l 等应用，己成为解决接入“最后一公 里”问题的重要手段。目前，i e e e8 0 2 1 6 工作组的目标是实现支持数据传输速率 达2 m b ，移动速度达1 2 0 k m h 的基于蜂窝的宽带无线网络。 ( 1 ) 实现长距离的下的高容量传输。w i m a x 中采用m e s h ，m i m o 等先进技 术改善非视距性能，出众的系统增益提供更强的远距离穿透阻挡物能力。w i m a x 基站可以提供最高每扇区7 5 m b s 的吞吐量。 ( 2 ) 支持可变带宽。w i m a x 的信道带宽可以根据实际需要在1 2 5 - 2 0 m h z 的范围内进行调整，因而提供了包括灵活的信道规划在内的部署与配置伸缩性。 ( 3 ) 物理层采用o f d m 技术。上下行都采用o f d m 技术，上行可以采用 o f d m a 的多址接入方式，下行则可以采用t d m 方式的o f d m ，从而有效地抵 抗符号间干扰，实现高速数据传输。 ( 4 ) 提供优良的最后一公里网络接入服务。作为一种无线城域网技术，它可 以将w i f i 热点连接到互联网，也可作为d s l 等有线接入方式的无线扩展，实现 最后一公里的宽带接入。w i m a x 可为5 0 公里线性区域内提供服务，用户无需线 缆即可与基站建立宽带连接。 ( 5 ) 提供多媒体通信服务。由于w i m a x 较之、斩f i 具有更好的可扩展性和 安全性，从而能够实现电信级的多媒体通信服务。 从2 0 0 6 年年初以来，全球范围的w i m a x 部署发展迅速。进行w i m a x 试 验和提供商用的全球运营商已超过1 7 5 个，遍及美洲、欧洲、亚洲、非洲和大洋 w i m a x 移动切换技术研究 洲。在印度、韩国、日本、美国、英国、法国、意大利、西班牙、新西兰、阿根 廷和瑞典等国有超过2 4 个网进入商用阶段。2 0 0 9 年下半年，w i m a x 开始大规 模商用，预计2 0 1 0 年到2 0 1 3 年将是w i m a x 井喷时期。在标准方面，w i m a x 2 通过了批准，为w i m a x 后续商用化发展拓宽了道路。商用化的展开和标准的突 破推动w i m a x 进入高速发展成熟期。w i m a x 技术加速了宽带无线设备的投放 和“最后一英里”的部署，推动了全球宽带无线网络的发展，成为继w i f i 之后 最受业界关注的宽带无线接入技术。 1 3 课题研究现状 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 两种：硬切换和软切换。文献 1 1 1 2 对i e e e 8 0 2 1 6 e 的切换机制进行了详细的介绍。 硬切换“先断开，后建立 ，即用户先与当前服务基站断开连接，然后再与目标基 站建立连接；软切换“先建立，后断开”，即先与目标建立连接，再与服务断开连 接，软切换中的m s ( 移动台) 可以同时与多个b s ( 基站) 进行通信，在i e e e 8 0 2 1 6 e 中这些b s 的集合叫分集组。硬切换算法是i e e e 8 0 2 1 6 e 的必选模式，软切换是 其可选模式。目前对i e e e 8 0 2 1 6 e 切换算法的研究，主要集中在切换性能方面， 主要研究如何通过改进切换流程来实现快速切换和无缝切换。 文献【1 1 1 8 】详细介绍了切换的基本知识和切换管理涉及到的问题，提出目前 下一代切换管理研究中需要解决的热点问题有下面几个方面： ( 1 ) 切换触发：考虑用哪些指标启动切换及评估这些指标有效性的代价函数。 ( 2 ) 切换策略：研究确定切换的新指标，根据标准来确定什么时候需要切换。 ( 3 ) 切换协议：规范不同网络间的用户切换。 ( 4 ) 切换性能：切换管理的主要目标是减少数据丢失和避免端对端传输延时。 同时在无线网络在切换方面做了大量的研究，主要集中在m a c 和i p 层上。 最近，通过不同的切换策略和触发条件能够实现快速切换以减小硬切换过程中的 服务中断方面的研究引起了广泛的关注。 文献 9 基于传统的根据下行链路信号或者上行链路信号s i n r 判决的算法提 出上下行链路信号联合判决算法来决定切换方向。并且该算法采用上下行链路联 合延滞值代替单独考虑上行链路延滞值和下行链路延滞值的方法。算法在呼叫损 耗率和乒乓效应方面性能得到优化。 文献 1 7 】通过选择一个目标基站来同时完成重入网过程中的同步和下行 d lm a p 消息获取从而减少切换时延。但是这种算法需要建立在服务基站和目标 基站可以在同一个r f 信道上进行传输的假设基础上。在实际应用的无线网络中， 这种假设很难做到。 第一章绪论 文献 1 9 】针对切换过程中，数据停止传输而对实时业务造成丢包现象，提出 了一种加强的链路层切换算法。该算法定义了一种新的消息f a s td lm a pi e ， 使得切换过程中，移动台在完成下行链路同步后，可以在上行链路同步、网络重 注册之前就接收下行链路数据，减少实时服务的包丢失率和包传输延时。这种增 加一个新的管理消息，势必要增加网络的负担，并且没有明确设计如何选择目标 基站。 1 4 论文结构安排 第一章简要介绍w i m a x 技术背景与特点，标准演进，以及移动性发展现状。 第二章将重心集中在i e e e 8 0 2 1 6 em a c 协议上。首先阐述了网络架构，协议 模型，以及m a c 层的工作机制。包括网络初始化，m a cp d u ，q o s 机制等。 第三章主要介绍w i m a x 技术所支持的切换机制。首先介绍了切换模型的网 络架构，不同的切换模式，以及无线网络支持的三种切换方式。重点介绍w i m a x 技术的硬切换实现机制。 第四章重点研究w i m a x 的硬切换机制算法性能。针对现有协议中切换机制 的不足之处，从切换触发和目标基站选择上分别进行分析和改善。 第五章首先简要介绍了o p n e t 网络仿真软件，描述了仿真的建模过程。然 后基于第四章改进的切换算法，通过仿真比较不同算法的切换性能并进行分析。 第六章对本文在课题中的工作进行总结，指出了研究中存在的不足以及有待 改进的地方。 第二章i e e e8 0 2 1 6 e 协议标准 第二章i e e e8 0 2 1 6 e 协议标准 i e e e8 0 2 1 6 又称为i e e ew i r e l e s s m a n 空中接口标准，是适用于2 - - 6 6 g h z 频段的空中接口规范。由于它所规定的无线接入系统覆盖范围可达5 0 k m ，每个 基站提供的总数据速率最高可达2 8 0 m b p s ，因此8 0 2 1 6 系统主要应用于城域网。 符合8 0 2 1 6 标准的设备可以在“最后一公里 宽带接入领域替代c a b l em o d e m 、 d s l 和t 1 e 1 ，也可以为8 0 2 1 1 热点提供回传。在用户终端和基站之间允许非视 距( n l o s ) 的宽带连接。一个基站可支持数百甚至上千个用户。 i e e e8 0 2 1 6 标准定义了宽带无线接入系统的无线空中接口部分，最终制定的 8 0 2 1 6 系列标准协议栈按照两层体系结构组织，主要对网络的低层，即m a c 层 和物理层进行了规范。包括以下几方面内容：m a c 层，物理层，毫米波频率范 围，点到多点( p m p ) 拓扑结构，网格网( m e s h ) 拓扑结构，用户站( s s ) ，基 站( b s ) 。 8 0 2 1 6 e 标准在8 0 2 1 6 d 标准中增加了对用户移动性的支持。8 0 2 1 6 e 前向兼 顾8 0 2 1 6 d 。它的物理层实现方式与8 0 2 1 6 d 基本一致，主要差别是对o f d m a 进 行了扩展，以适应不同载波宽带的需要。物理层核心技术为o f d m 和o f d m a 。 8 0 2 1 6 e 网络具备车速移动( 通常认为是1 2 0 k m h ) 的能力，从目前的发展来看， 主要应用将集中在静止或低速移动状态下的宽带数据接入。 2 1i e e e8 0 2 1 6 e 系统结构及协议模型 i e e e8 0 2 1 6 e 协议标准【l 】1 1 2 】中定义了两种网络结构：点到多点( p m p ) 结构 和网格( m e s h ) 结构。点到多点结构如图2 1 ( a ) 所示，即一个基站为多个用户 站提供服务，从基站到用户站的链路称为下行链路，从用户站到基站的链路称为 上行链路，业务仅在基站和用户站之间传送。而网格结构与点到多点结构最主要 的不同在于，在网格结构中业务可以通过其他用户站转发，也就是说在网格结构 中业务可以不通过基站直接在用户站之间传送，如图2 1 ( b ) 所示。 滁罄 ( a ) p m 咿( b ) m e s h 图2 1 网络拓扑结构 8 w i m a x 移动切换技术研究 协议规定的b s 和s s 的协议模型如图2 2 所示。协议栈模型横向可以分为数 据控制平面和管理平面。系统在数据控制平面实现的功能主要是保证数据的正 常传输，因此，数据控制平面在定义必要的传输功能之外，还需要定义一些控制 机制来保障传输的顺利进行。而管理平面中定义的管理实体，分别与数据腔制平 面的功能实体相对应。通过与数据控制平面中实体的交互，管理实体可以协助外 部的网络管理系统完成有关的管理功能。i e e e 8 0 2 1 6 e 协议只规定了数据控制平 面部分。协议栈纵向则分为m a c 层和物理层，协议对这两层的功能做了详细规 定。 协议定义范围 l 一一一一一一一一一一一一一一一1 r c d 、 一一1 ， 1 簪，立债 i ：一 y 、： i 特定服务汇聚子层 i i 特定最葬茫菜子层tl ； 7； ，j ( c s ) i i c 管理实体 i 舟一 - phy s y n c h r o n i z a t i o n ：物理层同步域的设置和具体的物理层技术相关； dcdc o u n t ：与d c d 消息中的配置改变次数参数相匹配，d c d 是指应 用于当前d lm a p 消息的下行突发描述。 b a s es t a t i o ni d ：4 8 比特的基站i d ，用于标识发送该消息的b s 。 dlm a pi e ：包含了下行子帧中各个突发的相关信息，包括每个突发 所使用的下行间隔使用码( d i u c ) ，该突发在帧中的位置，以及突发所 对应的c i d 。 ( 2 ) u lm a p 根据突发相对于分配开始时间( a l l o c a t i o ns t a r tt i m e ) 的偏移 定义了上行传输间隔的访问方式，即描述了各m s 对上行信道访问的相 关信息。u lm a p 消息包含如下参数： u p l i n kc h a n n e li d ：与该u lm a p 对应的上行信道标识符。 ucdc o u n t ：与u c d 消息中的配置改变次数参数相匹配，u c d 是指应 用于当前u lm a p 消息的上行突发描述。 a l l o c a t i o ns t a r tt i m e ：u lm a p 所定义的上行分配的有效开始时间。 ulm a pi e ：包含了上行子帧中各个突发的相关信息，包括每个突发 所使用的上行间隔使用码( u c ) ，突发所对应的c i d ，以及突发相对 于分配开始时间的偏移。 ( 3 ) d c d 消息定义了下行物理信道的特征。包括d c d 消息所对应的下行信 道标识、下行突发的调制方式、f e c 编码类型以及相关的编码参数、链 路自适应调整过程需要使用的门限值等参数。 ( 4 ) u c d 消息定义了上行物理信道的特征。包括初始调整竞争窗口的大小、 带宽请求竞争窗口的大小、上行突发的调制方式、f e c 编码类型以及相 关编码参数。 第二章i e e e8 0 2 1 6 e 协议标准 7 网络的初始接入 为了与网络进行通信，m s 必须完成与所属b s 的网络初始接入过程。网络的 初始接入过程如图2 9 所示，分为以下几个步骤：扫描下行信道与基站建立同步、 获取上行传输参数、初始测距、基本能力协商、认证鉴权和密钥交换、注册、i p 连接建立、初始化时间和传送操作数以及服务流的建立等。下面分别介绍初始接 入过程的各个步骤： 图2 9 网络初始接入 ( 1 ) 扫描下行信道与基站建立同步 b s 周期性地产生u lm a p 、d lm a p 、u c d 、d c d 消息，这些消息都以广 播的方式发送给所有的m s 。当需要接入网络时，m s 将在下行信道上连续地扫描 可能的下行信道，直到能找到一个合适的下行信道。一旦物理层获得了同步，根 据物理层的指示，m a c 层应该努力获得上行和下行信道的链路参数。m s 的m a c 层应该寻找下行链路映射消息d lm a p 。当收到一个可解码的d lm a p 消息时， m s 将获得m a c 层同步。只要能持续收到d l m a p 和d c d 消息，则认为处于 下行同步保持状态。 ( 2 ) 获取上行链路参数 一旦同步之后，m s 等待来自b s 的u c d 消息，以便获取上行信道的发送参 数集。b s 周期性地广播发送所有可用的上行信道u c d 消息，由m s 决定是否可 以使用信道描述符中的上行信道。m s 从信道描述符中选择可以使用的上行信道。 如果信道不可用，就尝试下一个信道标识( c h a n n e li d ) ，直到找到一个可用的信 道为止：如果信道可用，m s 就从u c d 中抽取该上行链路的参数。然后等待该信 道的上行链路映射管理消息u l，从该消息中获取初始测距机会。只要_mapm s 连续成功地接收到u l m a p 和u c d 消息，就认为获得了有效的上行链路参数， w i m a x 移动切换技术研究 即该上行链路是可用的。 ( 3 ) 初始测距 测距是指获得正确的时间偏移量和功率调整的过程。m s 首先同步下行链路， 然后通过u c d 管理消息得到上行链路信道参数特性。然后，m s 扫描u lm a p 消息找到初始测距间隔。在初始测距间隔中，m s 把有将要发送的数据放在一个 r n gr e q ( 调整请求) 消息中进行发送，c i d 设置为0 ，即表示未被初始化的 m s 。对于o f d m a 物理层，将通过在上行链路专门指定的分配中发送初始测距 c d m a 码字启动初始测距过程，而不是在竞争时隙中发送r n gr e q 消息。 一旦b s 成功接收到r n gr e q 消息，就使用初始测距c i d 发送r n gr s p ( 调整响应) 消息来回应。在r n gr s p 消息中，包括分配给该m s 的基本连接 c i d 和第一管理连接c i d ，也包括射频功率电平调整、频偏调整和时偏校正。之 后，b s 给该m s 基本连接c i d 分配初始测距间隔，完成此次测距过程。除非 r n gr s p 的消息状态是成功，才表示初始化测距程序结束。如果消息状态是继 续，m s 将等待一个分配给它的基本c i d 的初始测距间隔。m s 使用这个间隔， 在基本连接c i d 上发送另一个r n gr e q 消息。然后，b s 给m s 返回另一个 r n gr s p 消息，此消息包括更好的调整参数。测距请求响应步骤将一直重复， 直到响应消息包含测距成功指示或b s 退出测距指示。旦测距成功，m s 将在上 行链路上进行正常的数据传输。图2 1 0c d m a 初始化测距和自动调整列表。 基站用户站 发送c d m a 初始化测距的时间 在广播c i d 上发送包含c d - i a 初始化测距信息元素的i nm a p 收到测距码 发送带有时间功率矫正和原始 测距码和测距时隙的r n g _ r s p 状态为继续 发送c d w a 初始化测距的时间 在广播c i d 上发送包含c d 姒 初始化测距信息元素的l r l _ i u p 收到测距码 发送带有时间功率矫正和原始 测距码和测距时隙的r l 惦r s p 状态为成功 发送下一个i j l m a p 消息的时间 发送包含带有原始的测距码 和测距时隙的带宽分配 旦帅 ，哕哆一 巡脚 、- 迫 缈哆夕 逸脚 、 i j l 姒p i 粥r e q 在从可用的测距域中 随机选择的测距时隙上， 发送随机选择的初始化测距码 接收到r n g _ r s p 消息， 此消息携带有测距码和测距时隙， 并调整时间按功率参数 在从可用的测距域中 随机选择的测距时隙上， 发送随机选择的初始化测距码 接收到r n g r s p 消息， 此消息携带有测距码和测距时隙， 并调整时问按功率参数 发送r n g r e q ， 继续进行常规的网络初始化程序 图2 1 0c d m a 初始化测距和自动调整列表 ( 4 ) 基本能力协商 第二章i e e e8 0 2 1 6 e 协议标准 测距一完成，m s 就发送基本能力协商请求消息( s b cr e q ) 告知b s 它的 基本能力，其相应的能力属性值设置为“o n 。b s 通过基本能力协商响应消息 ( s b cr s p ) 响应这一请求，并将b s 和m s 的交叉能力集部分设置为“o n ”， 如图2 1 1 所示。协商的能力包括物理层能力( 如m s 能支持的调制和解调方式， 例如q p s k 、1 6q a m 、6 4q a m ，物理层上下行链路的f e c 编码方式等) 、认证 鉴权能力和安全策略支持能力等。 图2 1 1 基本能力协商 ( 5 ) 认证鉴权和密钥交换 如果在能力协商中指示m s 和b s 支持密钥管理协议( p l 删协议) ，b s 将和 m s 执行鉴权和密钥交换过程。请参考文献 1 】，本文不在此详述。 ( 6 ) 注册 注册是允许m s 接入到网络的过程，被管理的m s 接收第二管理c i d ，从而 变成可被管理的m s 。为了注册到b s ，m s 给b s 发送注册请求消息( r e g ，_req) b s 用注册响应消息( i 汪gr s p ) 来响应。注册消息的交互内容还包括i p 协议版 本、可管理的m s 或非可管理的m s 、支持的a r q 参数、切换能力支持和睡眠模 式参数等。 ( 7 ) i p 连接建立 如果m s 为可管理的，在这个阶段，m s 需要通过d h c p 机制来获取d 地址 以及其它一些用于建立连接所需要的参数，应该在m s 的第二管理连接上建立 i p 连接。 ( 8 ) 初始化时间和传送操作数 m s 和b s 需要知道当前的日期和时间，从而使管理系统可以检索与时间相关 的日志事件。取得日期时间的协议在i e t fr f c8 6 8 中定义。请求和响应使用u d p 传送。 ( 9 ) 服务流建立 可管理的m s 运行参数传送完成后或处于非可管理的m s 注册之后，向b s 发送d s a (动态服务流建立请求)消息，为指定的业务流建立连接。bs用_req d s ar s p ( 动态服务流建立响应) 消息进行响应，如图2 1 2 所示。m s 通过向基 站发送d s a消息建立上行或下行服务流。 检查消息的完整性，如果消息r e q b s 是完整的，基站向用户站发送d s x r v d ( 动态服务流消息收到) 消息响应。b s 将对所请求的服务流进行可行性判断，判断该请求是否可以通过认证，判断系统 1 8 w i m a x 移动切换技术研究 当前资源是否满足所请求服务流的q o s 要求。b s 根据处理结果生成响应消息 d s a r s p ，并回送给m s ，如果被接受，则消息中包括s f i d ( 服务流标识) 。m s 从d s a r s p 消息中可以知道，该请求是被接受或者拒绝。m s 发送确认d s a c k 结束整个事务。 图2 1 2m s 发起的动态服务流建立过程 8 m a c 层的切换流程 w i m a x 8 0 2 1 6 e 最显著的特点是增加了移动性管理方面，在m a c 层上，增 加了对切换、漫游等移动性的支持。具体内容详见第三章。 2 2 4 安全子层 w i m a x 8 0 2 1 6 e 的m a c 层还包含一个独立的安全子层，具备鉴权，安全的 密钥交互以及加密等功能。该子层主要有数据包的加密打包协议和密钥管理协议 两部分组成。 ( 1 ) 加密协议：该协议用来对w i m a x 网络中传输的分组数据进行加密。主 要定义系统所支持的加密与鉴权算法集合，以及将这些算法应用于m a cp d u 净 荷的规则。 ( 2 ) 密钥管理协议( p r i v a c yk e ym a n a g e m e n tp k m ) ：该协议使得b s 可以将 密钥的信息分发给所有的m s 。并使m s 和b s 之间的密钥数据能保持同步。此外， b s 通过密钥管理协议来进行策略控制，只有满足条件的m s ，才可以使用网络提 供的服务。 2 3 本章小结 本章首先简要介绍了i e e e s 0 2 1 6 e 协议的体系结构，然后详细介绍了w i m a x m a c 层协议，包括汇聚子层，公共部分子层和安全子层等三部分内容。在公共 部分子层中，重点研究m a c 层的初始接入过程，这是研究w i m a x 网络切换问 题的基础。 第三章w i m a x 切换机制 1 9 第三章w i m a x 切换机制 3 1 宽带无线网络结构 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、简单移动及全移动等模式，并基于全i p 的网络架构，充分利用口交换、路 由以及其他可以重用的m 网络功能。 移动w i m a x 网络结构【1o 】主要由三部分逻辑实体构成：m s s ( 移动终端系统) ， a s n ( 接入服务网络) 和c s n ( 连接服务网络) 。作为w i m a x 网络的参考架构， 整个网络分成接入网( a s n ) 和核心网( c s n ) 两大部分，支持漫游的网络架构 如下图3 1 所示： ? + 。+ 。一： ：。1 。： ：+ 。+ 。： r 2v i s i t e dn s p ； h o m e n s p n a p ：一 图3 1w - u m a x 网络参考架构 3 1 1 网络实体功能 w i m a x 网络结构主要包括接入业务网络( a s n ) 和连接业务网络( c s n ) 。 ( 1 ) 接入业务网络( a s n ) w i m a xa s n 即w i m a xa c c e s sn e t w o r k ，它是w i m a x 系统的接入网，为 w i m a x 用户提供无线接入。 主要包含以下功能：建立和维护w i m a x 基站与用户的层2 连接；作为 a a a ( 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 ) 代理，协同钆蛆服务器一起完成用 户的鉴权，授权以及计费；网络发现和选择；协助核心网与w i m a x 终端建立层3 连接，例如p 地址管理；无线资源管理，接入网内的移动性管理，寻呼和位置管 w i m a x 移动切换技术研究 理，接入网和核心网隧道建立和维护。 a s n 主要包括基站，基站控制器，接入网关等功能实体。一个a s n 可以包含 多个基站，它们被同一个a s n 网关控制。同时，一个接入网可以连接到多个w i m a x c s n 。a s n 的内部架构如图3 2 所示： 图3 2 a s n 内部架构 ( 2 ) 连接业务网络( c s n ) w i m a xc s n 即w i m a x c o n n e c t i v i t ys e r v i c en e t w o r k ，它是w i m a x 核心网， 为w i m a x 用户提供i p 连接服务。 主要包含以下功能：m 地址分配；i n t e m e t 接入；a a a 代理或者服务器；基于 用户属性的能力控制和管理；接入网和核心网隧道建立和维护；w i m a x 用户计费； 满足漫游需要的c s n 之间隧道建立和维护，接入网之间移动性管理；为用户提供 w i m a x 业务( 例如基于位置的服务，点对点业务，多媒体多播组播业务，p 多媒 体业务等等) 。 c s n 包含很多功能实体，例如：路由器，a a a 代理服务器，用户数据库，互 联网关等等。在w i m a x 单独建网时，作为独立的网络进行建设，与3 g 互连混合 组网时，可以与3 g 核心网共用一些功能实体。 3 1 2 网络参考点定义 m s s 、a s n 、c s n 三部分实体支持如下功能参考点： r 1 参考点：m s 和a s n 之间的空中接口部分，与i e e e8 0 2 1 6 e 协议定义的空 中接口包括物理层和媒体接入层一致，可以根据需要增加管理面的功能。 i 也参考点：m s 和c s n 之间的逻辑接口，提供鉴权、业务授权及主机的m 配置等功能；该接口仅仅是一个逻辑的接口，通过其他的物理接口提供实质的连 接。 r 3 参考点：a s n 和c s n 之间的互操作接口，包括控制面和承载面的协议栈， 满足a s n 与c s n 之间的互联要求。承载面由a s n 和c s n 之间的口隧道构成。 i p 隧道的粗细与不同的q o s 类别以及不同的c s n 相关。控制面包括i p 隧道建立 第三章w i m a x 切换机制 以及由于终端的移动而产生的隧道释放等控制协议，还包括a a a 策略以及q o s 执行等协议。 r 4 参考点：主要定义与a s n 之间移动性有关的控制面和承载面协议。 1 t 5 参考点：包括控制面和承载面的协议栈，用于漫游情况，拜访c s n 和归属 c s n 之间的互操作接口。在漫游情况下，拜访c s n 充当a a a 代理功能；其