摘 要:基于IEEE 802.16的WiMAX網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用正成為業(yè)界的討論熱點(diǎn)，IEEE 802.16m更被選為下一代無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)(IMT-advanced)的候選方案之一。在此深入探討構(gòu)建基于IP技術(shù)的WiMAX應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。首先分析IEEE 802.16e規(guī)范為支持移動(dòng)性在物理層和媒質(zhì)接入層引入的增強(qiáng)技術(shù)。隨后基于移動(dòng)IP技術(shù)和WiMAX網(wǎng)絡(luò)參考模型給出基于IP的移動(dòng)WiMAX網(wǎng)絡(luò)的可行的應(yīng)用模型。該應(yīng)用方案可為基于IEEE 802.16技術(shù)的應(yīng)用提供一個(gè)參考。

關(guān)鍵詞: WiMAX; 移動(dòng)IP; 切換; 漫游

中圖分類號(hào):TP393.02 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)10-0136-04

Study of IP-based WiMAX Mobile Network

LIAO Jing-ping

(Xi’an Insititute of Posts and Telecommunications， Xi’an 710120， China)

Abstract: The application of WiMAX network based on the IEEE 802.16 technology is a hotspot topic. The IEEE 802.16m is even selected as one of the candidate solutions for IMT-advanced. The structure of WiMAX application network based on IP techniques is disscussed. The enhanced technologies introduced in PHY and MAC layers to support the mobile performance by IEEE 802.16e specification and the WiMAX network architecture are firstly studied. And then， an efficient application model of the mobile WiMAX network technologies based on mobile IP and WiMAX network reference model is proposed. This application solution can proride a reference for applications of IEEE 802.16.

Keywords: WiMAX; mobile IP; handoff; roaming

IEEE 802.16工作組近期發(fā)布了支持固定和移動(dòng)寬帶無(wú)線接入的無(wú)線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16e[1-2]。IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16e均為物理層和媒質(zhì)接入層的規(guī)范，其中無(wú)線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.16-2004是IEEE 802制定的固定寬帶無(wú)線接入規(guī)范，IEEE 802.16e是對(duì)IEEE 802.16-2004的補(bǔ)充和修正版本，以期望在IEEE 802.16-2004基礎(chǔ)上提供用戶站可達(dá)到車速移動(dòng)的功能和服務(wù)。為了加速基于IEEE 802.16技術(shù)的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)鏈的形成，通過(guò)對(duì)IEEE 802.16技術(shù)應(yīng)用的頻段、應(yīng)用場(chǎng)景和互操作進(jìn)行定義，工業(yè)化組織WiMAX論壇[3-4]進(jìn)一步提供了基于IEEE 802.16技術(shù)的互聯(lián)互操作的能力，以及網(wǎng)絡(luò)資源管理和控制的功能和測(cè)試等規(guī)范。

由于IEEE 802.16e潛在地支持無(wú)線寬帶的移動(dòng)能力，以及WiMAX論壇的積極推動(dòng)，基于IEEE 802.16的WiMAX移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用正成為業(yè)界討論的熱點(diǎn)。IEEE 802.16m被選為下一代無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)(IMT-advanced)的候選方案之一[3，5]，對(duì)比IEEE 802.16e，為適合IMT-2000和IMT-advanced 的性能需求，IEEE 802.16m更強(qiáng)調(diào)了加入了增強(qiáng)型的一些物理層功能，如Relay、多播、功率控制和多天線技術(shù)等[6]，但從支持移動(dòng)性以及和IP技術(shù)的互聯(lián)互通方面，基于IEEE 802.16m和IEEE 802.16e的WiMAX網(wǎng)絡(luò)并無(wú)明顯的差別。本文將首先研究IEEE 802.16e的移動(dòng)服務(wù)能力，然后著重研究基于IP的移動(dòng)WiMAX的網(wǎng)絡(luò)方案，這種網(wǎng)絡(luò)方案也可作為基于IEEE 802.16m技術(shù)的未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方案。

1 IEEE 802.16e支持移動(dòng)性服務(wù)能力

在IEEE 802.16-2004基礎(chǔ)上，IEEE 802.16e主要在物理層和媒質(zhì)接入層擴(kuò)展以支持多用戶通信和網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性服務(wù)能力。下面分別對(duì)其基于物理層、MAC層的增強(qiáng)功能進(jìn)行分析。

1.1 IEEE 802.16e的物理層增強(qiáng)功能和特點(diǎn)

正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)技術(shù)是在信道中進(jìn)行有效信息傳輸?shù)莫┮环N健全的通信技術(shù)。該技術(shù)利用多個(gè)并行的、傳輸?shù)退俾蕯?shù)據(jù)的子載波(子載頻)來(lái)實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率的通信。OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)還在于其便于簡(jiǎn)化信道均衡過(guò)程，并且支持在時(shí)域和頻域進(jìn)行多用戶信道分配和鏈路自適應(yīng)，從而更進(jìn)一步提高OFDM系統(tǒng)的頻譜利用率。相對(duì)OFDM，OFDMA的使用可以帶來(lái)更多的靈活性，也即按照不同信道特點(diǎn)和數(shù)據(jù)量的需求，通過(guò)子信道分集化分配信道和功率資源，從而更有效地提高資源分配效力。

IEEE 802.16e更進(jìn)一步采用可擴(kuò)展OFDMA(scalable orthogonal frequency division multiplexing access，SOFDMA)，在恒定子載波頻率下，通過(guò)延展FFT尺寸，使系統(tǒng)可以方便地適應(yīng)不同的信道帶寬。如設(shè)定子載波頻率為10.94 kHz，通過(guò)調(diào)整FFT大小，可以靈活支持1.25～20 MHz帶寬。

可擴(kuò)展OFDMA系統(tǒng)采用分集化和鄰近化方式實(shí)現(xiàn)子信道中的子載波置換或散布。其中，分集化的目的是將子載波隨機(jī)組合成子信道，以提供頻率分集并平均化小區(qū)間干擾。典型的分集化置換方式有下行FUSC(fully used subcarrier)，下行PUSC(partially used subcarrier)和上行PUSC。圖1(a)和圖1(b)分別列舉了下行PUSC和上行PUSC的子載波分布方式。下行PUSC采用串(cluster)結(jié)構(gòu)，即由下行PUSC每對(duì)OFDM碼元中合適的子載波組成串，各OFDM碼元中包括14個(gè)用于數(shù)據(jù)和導(dǎo)頻的連續(xù)子載波。而上行PUSC采用片(tile)結(jié)構(gòu)，12個(gè)子載波組成片，6片被重組和置換以形成一個(gè)時(shí)隙。也即一個(gè)時(shí)隙包括分布在3個(gè)OFDM碼元中的48個(gè)數(shù)據(jù)和24個(gè)導(dǎo)頻子載波。其中，數(shù)據(jù)子載波用于數(shù)據(jù)傳輸，導(dǎo)頻(pilot)子載波用于估計(jì)和同步。

圖1 分集化子載波置換或分布方式

鄰近化置換包括下行AMC和上行AMC，可以在OFDM(A)系統(tǒng)中支持多用戶分集，更便于鏈路自適應(yīng)處理。其中來(lái)自同一OFDM碼元的連續(xù)的子載波組成箱(bin)，AMC的一個(gè)時(shí)隙被定義為多個(gè)bin的組合，組合方式有:[6個(gè)bin，1個(gè)碼元]，[3個(gè)bin，2個(gè)碼元]，[2個(gè)bin，3個(gè)碼元]，[1個(gè)bin，6個(gè)碼元]。AMC置換模式子載波分集置換對(duì)于移動(dòng)系統(tǒng)更適合，而連續(xù)置換模式對(duì)于固定、游牧和低速移動(dòng)環(huán)境適合[4，7]。

1.2 IEEE 802.16e的MAC層增強(qiáng)功能和特點(diǎn)

IEEE 802.16e的移動(dòng)性服務(wù)能力更多地體現(xiàn)在對(duì)MAC層的改進(jìn)上。提供的關(guān)鍵MAC層技術(shù)包括移動(dòng)性服務(wù)的支持、切換和節(jié)電模式等。

1.2.1802.16e的移動(dòng)性支持

為支持切換和其他移動(dòng)性服務(wù)，IEEE 802.16在MAC層提供了諸如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞墨@得、對(duì)目標(biāo)基站的掃描、關(guān)聯(lián)化，測(cè)距(ranging)、小區(qū)重選等功能。其中移動(dòng)站掃描鄰居基站以確定新的分集集合。掃描步驟包括:識(shí)別合適的基站;與其下行傳輸同步，并且估計(jì)其信道質(zhì)量;測(cè)距使移動(dòng)站完成和某個(gè)基站的同步過(guò)程。測(cè)距可以是基于沖突和非沖突的?；诜菦_突的測(cè)距提供更快和可信的同步方法，但是以耗費(fèi)資源為代價(jià);關(guān)聯(lián)化使移動(dòng)站得以記錄對(duì)分集集合的基站成功掃描和測(cè)距的次數(shù)，加速轉(zhuǎn)移該移動(dòng)站的業(yè)務(wù)到目標(biāo)基站;而鄰居列表廣播使得基站借助于網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)回程(backhaul)產(chǎn)生鄰居列表，支持移動(dòng)站的切換服務(wù)。其中列表信息在MOBNBRADV的消息元素“handoff Neighbor preference”中?；局芷诎l(fā)送鄰居列表，每個(gè)基站維持鄰居基站的MAC地址映射表和其索引。

1.2.2 MAC層切換能力

硬切換是IEEE 802.16e中必須支持的模式。在硬切換下，高層連接和MAC層的匯聚子層數(shù)據(jù)可以緩沖并隨后無(wú)縫地轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基站。宏分集切換(MDHO)和快速基站切換(FBSS)是增強(qiáng)的可選的切換模式。MDHO對(duì)于上行和下行傳輸都是可支持的，它允許移動(dòng)站同時(shí)和在分集集合內(nèi)的多個(gè)基站進(jìn)行收發(fā)傳輸。FBSS與MDHO的區(qū)別在于，在FBSS中移動(dòng)站雖然和所有的候選基站進(jìn)行同步，但它只和一個(gè)中心基站進(jìn)行通信。硬切換、MDHO和FBSS技術(shù)提供了不同應(yīng)用層面的移動(dòng)支持，其中MDHO和FBSS可減少切換時(shí)延，并支持有效的資源和網(wǎng)絡(luò)管理。

2 WiMAX網(wǎng)絡(luò)參考模型

基于IEEE 802.16技術(shù)，WiMAX論壇提供了支持移動(dòng)性的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，以支持對(duì)MAC層之上的移動(dòng)服務(wù)，并支持在不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的漫游和切換服務(wù)。

圖2中所示的網(wǎng)絡(luò)參考模型(NRM)包括了接入服務(wù)網(wǎng)絡(luò)(ASN)和連接服務(wù)網(wǎng)絡(luò)(CSN)的各邏輯功能實(shí)體。ASN由一個(gè)或多個(gè)基站，一個(gè)或多個(gè)ASN-GW(ASN網(wǎng)關(guān))組成，它是一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)功能集合，提供諸如無(wú)線資源管理(RRM)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)完整性、密鑰分配等關(guān)鍵功能，向WiMAX用戶提供無(wú)線接入服務(wù)。其中，RRM功能可以在基站或ASN-GW完成。完成該功能的某節(jié)點(diǎn)可以請(qǐng)求其他基站以得到所需的信息，利用此信息幫助確定候選的基站以滿足切換和負(fù)載平衡等處理的需要。在密匙分配中，一個(gè)成對(duì)的主密鑰(pairwise master key，PMK)在移動(dòng)站側(cè)計(jì)算得到并轉(zhuǎn)發(fā)至在ASN-GW中的中心授權(quán)機(jī)構(gòu)。PMK和基站標(biāo)識(shí)符一起用于產(chǎn)生認(rèn)證密碼(authentication key，AK)。當(dāng)切換到目標(biāo)基站需要新的AK。采用分布計(jì)算支持在ASN-GW中產(chǎn)生新的用于對(duì)應(yīng)目標(biāo)基站的AK，并作為切換信息發(fā)送給目標(biāo)基站。這種處理方法可以避免在每次切換時(shí)執(zhí)行用戶認(rèn)證過(guò)程，從而減少處理延遲。CSN需向WiMAX用戶提供如AAA和DHCP服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)等的核心業(yè)務(wù)能力。不同的邏輯實(shí)體間通過(guò)各參考點(diǎn)(R1，R4和R5等)完成互操作。

圖2 WiMAX網(wǎng)絡(luò)參考模型 (NRM)

3 基于IP的移動(dòng)WiMAX網(wǎng)絡(luò)

由以上分析可以看出，IEEE 802.16e提供了在物理層和MAC層中支持移動(dòng)性的能力，WiMAX論壇則提供了MAC層之上的網(wǎng)絡(luò)接口和互聯(lián)模型，更包括了提供移動(dòng)性管理、資源管理和AAA服務(wù)能力。以下研究基于移動(dòng)IP和WiMAX技術(shù)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

3.1 基于IP的移動(dòng)WiMAX應(yīng)用模型

圖3所示為基于IP的移動(dòng)WiMAX應(yīng)用模型。模型包括有如下功能:提供邏輯分割上述步驟的能力和基于IP的選路和連接管理以支持在孤島和互聯(lián)模式下的不同應(yīng)用場(chǎng)景;支持多個(gè)NSP共享1個(gè)NAP的ASN網(wǎng)絡(luò);支持1個(gè)NSP向多個(gè)ASN提供服務(wù)以管理1個(gè)或多個(gè)NAP;支持移動(dòng)站或SS發(fā)現(xiàn)和選擇接入的NSP;支持NAP采用1個(gè)或多個(gè)ASN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?支持通過(guò)互聯(lián)接入不同運(yùn)營(yíng)商的服務(wù);提供在不同組的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體開(kāi)放參考點(diǎn)，使不同運(yùn)營(yíng)商基于不同實(shí)體實(shí)現(xiàn)不同功能組合。為實(shí)現(xiàn)IP移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)管理，該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)支持移動(dòng)IP技術(shù)，也即CSN需向WiMAX用戶提供包括IP連接服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)切換和系統(tǒng)漫游的能力。

圖3 基于IP的WiMAX系統(tǒng)

3.2 移動(dòng)IP技術(shù)

移動(dòng)IP允許移動(dòng)站在不改變其IP地址的情況下變更其接入Internet的接入點(diǎn)，也即允許移動(dòng)站在執(zhí)行切換時(shí)保持傳輸和高層的連接。指向移動(dòng)站的分組包首先被選路至家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)站的家鄉(xiāng)代理截獲該分組并將其隧道化給該移動(dòng)站常報(bào)告的當(dāng)前地址。WiMAX論壇的NWG組允許2種移動(dòng)解決方案時(shí)。利用用戶MIP(Client MIP)解決方案，可利用傳統(tǒng)的移動(dòng)IP信令完成移動(dòng)管理[4]。在代理MIP(proxy MIP)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)可以初始化一個(gè)移動(dòng) IP客戶端過(guò)程，由該虛擬客戶完成移動(dòng)IP信令過(guò)程[8-10]。

3.3 WiMAX網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模型的系統(tǒng)切換和漫游服務(wù)

WiMAX應(yīng)用模型可以支持在同網(wǎng)關(guān)(ASN-GW)內(nèi)的系統(tǒng)內(nèi)切換，不同網(wǎng)關(guān)間的切換以及漫游服務(wù)，以下結(jié)合IEEE 802.16e協(xié)議進(jìn)行進(jìn)一步分析。

3.3.1 Intra-ASN系統(tǒng)內(nèi)切換

根據(jù)IEEE 802.16e提供的物理層和MAC層能力以及WiMAX 網(wǎng)絡(luò)參考模型完成Intra-ASN 系統(tǒng)內(nèi)切換。其中可采用R8接口(圖3未示出)實(shí)現(xiàn)基站間的通信。在OFDMA系統(tǒng)中，可根據(jù)載干比(CINR)參數(shù)來(lái)決定切換。在各種切換類型中，連續(xù)的CINR測(cè)量都是必須的。遵照IEEE 802.16e協(xié)議的相關(guān)規(guī)定，系統(tǒng)可以通過(guò)掃描請(qǐng)求和響應(yīng)消息使移動(dòng)站周期掃描鄰區(qū)基站，觸發(fā)鄰區(qū)掃描并發(fā)起切換。包括如下步驟:

(1) 當(dāng)移動(dòng)站檢測(cè)到服務(wù)基站的CINR信號(hào)低于剔除門限(HDeleteThreshold)，則可發(fā)起鄰區(qū)掃描，測(cè)量鄰區(qū)基站的CINR值。當(dāng)移動(dòng)站檢測(cè)到某個(gè)鄰區(qū)基站的CINR值高于服務(wù)基站信號(hào)的增加門限(HAdd Threshold)時(shí)，則發(fā)起切換請(qǐng)求。

(2) 基站和移動(dòng)站均可決定選取目標(biāo)基站的過(guò)程。移動(dòng)站可經(jīng)過(guò)掃描選取目標(biāo)基站完成切換過(guò)程;移動(dòng)站也可通過(guò)MOB移動(dòng)站SHOREQ消息反饋測(cè)量結(jié)果給服務(wù)基站，由服務(wù)基站決定最終選取的目標(biāo)基站。

3.3.2 Inter-ASN系統(tǒng)間切換

借助移動(dòng)IP技術(shù)、基于MIP和基于代理MIP移動(dòng)性管理方式完成跨ASN-GW切換。在基于MIP的切換模式下，MIP客戶端駐留在移動(dòng)站，由移動(dòng)站實(shí)現(xiàn)MIP功能，跨ASN-GW的切換由網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)起。包括以下步驟:

(1) 切換的觸發(fā)條件發(fā)生;

(2) ASN-GW向移動(dòng)站發(fā)送代理公告消息;

(3) 移動(dòng)站在收到帶有新轉(zhuǎn)交地址(CoA)的代理公告后，向歸屬網(wǎng)絡(luò)代理(HA)發(fā)送MIP注冊(cè)消息，以保證移動(dòng)站會(huì)話連續(xù)性;

(4) 向HA轉(zhuǎn)發(fā)MIP注冊(cè)消息，HA返回MIP注冊(cè)應(yīng)答，并由當(dāng)前服務(wù)的拜訪地網(wǎng)絡(luò)代理(FA)最終向移動(dòng)站返回MIP注冊(cè)應(yīng)答。

在基于代理MIP的切換模式中，由ASN-GW承擔(dān)代理MIP功能的方式。MIP客戶端駐留在ASN-GW上，由ASN-GW為移動(dòng)站代理實(shí)現(xiàn)MIP功能。代理MIP方式下，ASN-GW在鑒權(quán)階段從AAA服務(wù)器獲得MIP注冊(cè)所需要的相關(guān)信息，包括DHCP 服務(wù)地址，生成鑒權(quán)擴(kuò)展的安全信息等，跨ASN-GW切換處理對(duì)移動(dòng)站而言是透明的。

包括以下步驟:

(1) 服務(wù)ASN-GW通知目標(biāo)ASN-GW建立一個(gè)新的MIP會(huì)話;

(2) 目標(biāo)ASN-GW向HA發(fā)送MIP注冊(cè);

(3) 新MIP會(huì)話建立。在MIP成功注冊(cè)后，HA將把移動(dòng)站的后續(xù)前向報(bào)文發(fā)往目標(biāo)ASN-GW;

(4) 觸發(fā)目標(biāo)ASN-GW建立與基站的隧道;

(5) 目標(biāo)ASN-GW與基站之間建立新的Intra-ASN隧道關(guān)系。

3.3.3 漫游

漫游功能使得WiMAX用戶能夠在拜訪地網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域內(nèi)，使用系統(tǒng)提供的包括鑒權(quán)、計(jì)費(fèi)等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，從而為用戶提供廣泛的覆蓋和業(yè)務(wù)接入范圍。如圖4所示的WiMAX支持漫游。 ASN提供無(wú)線接入，拜訪地NSP的V-CSN為用戶提供Internet接入、AAA代理等功能，歸屬地NSP的H-CSN為用戶提供Internet接入、用戶鑒權(quán)、授權(quán)和計(jì)費(fèi)等功能。漫游用戶可以通過(guò)V-CSN或H-CSN接入到Internet網(wǎng)絡(luò)中[9-10]。主要流程步驟:

(1) 移動(dòng)站接入網(wǎng)絡(luò);

(2) 歸屬地NSP的H-CSN對(duì)移動(dòng)站進(jìn)行用戶/設(shè)備鑒權(quán)和IP地址分配;

(3) 可選的，如果用戶支持標(biāo)準(zhǔn)MIP或代理MIP業(yè)務(wù)，那么系統(tǒng)還將使用標(biāo)準(zhǔn)MIP方式或代理MIP方式為用戶建立MIP會(huì)話;

(4) 用戶可以通過(guò)V-CSN接入到Internet網(wǎng)絡(luò)中;

(5) 如果有強(qiáng)制隧道要求，那么用戶將通過(guò)H-CSN接入到Internet網(wǎng)絡(luò)中。

圖4 支持漫游的WiMAX方案

當(dāng)用戶簽約為支持漫游的WiMAX用戶，且其歸屬網(wǎng)絡(luò)與拜訪地網(wǎng)絡(luò)間支持漫游，那么，用戶無(wú)論是使用游牧式、便攜式還是完全移動(dòng)式業(yè)務(wù)，都能在拜訪地網(wǎng)絡(luò)接入到WiMAX系統(tǒng)，從而使用系統(tǒng)提供的服務(wù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文綜合研究了在IEEE 802.16e技術(shù)規(guī)范和WiMAX網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中支持移動(dòng)性的服務(wù)能力，進(jìn)一步給出了基于IP的移動(dòng)WiMAX網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用模型，為基于IEEE 802.16技術(shù)的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)鏈的形成提供一個(gè)參考。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，雖然IEEE 802.16e提供了一系列WiMAX網(wǎng)絡(luò)的物理層和MAC層的移動(dòng)服務(wù)能力，而且WiMAX提供了移動(dòng)性管理、鑒權(quán)以及網(wǎng)絡(luò)接口，但WiMAX論壇尚未完善和優(yōu)化以支持互聯(lián)移動(dòng)管理和資源管理，而且基于移動(dòng)IP的應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用仍在研究之中，將進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源下的WiMAX網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)服務(wù)管理。

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