基于IP的WiMAX移動網絡的研究

摘 要:基于IEEE 802.16的WiMAX網絡的應用正成為業界的討論熱點，IEEE 802.16m更被選為下一代無線通信標準(IMT-advanced)的候選方案之一。在此深入探討構建基于IP技術的WiMAX應用網絡架構。首先分析IEEE 802.16e規范為支持移動性在物理層和媒質接入層引入的增強技術。隨后基于移動IP技術和WiMAX網絡參考模型給出基于IP的移動WiMAX網絡的可行的應用模型。該應用方案可為基于IEEE 802.16技術的應用提供一個參考。

關鍵詞: WiMAX; 移動IP; 切換; 漫游

中圖分類號:TP393.02 文獻標識碼:A

文章編號: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工作組近期發布了支持固定和移動寬帶無線接入的無線城域網標準IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16e[1-2]。IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16e均為物理層和媒質接入層的規范，其中無線城域網標準IEEE 802.16-2004是IEEE 802制定的固定寬帶無線接入規范，IEEE 802.16e是對IEEE 802.16-2004的補充和修正版本，以期望在IEEE 802.16-2004基礎上提供用戶站可達到車速移動的功能和服務。為了加速基于IEEE 802.16技術的應用和產業鏈的形成，通過對IEEE 802.16技術應用的頻段、應用場景和互操作進行定義，工業化組織WiMAX論壇[3-4]進一步提供了基于IEEE 802.16技術的互聯互操作的能力，以及網絡資源管理和控制的功能和測試等規范。

由于IEEE 802.16e潛在地支持無線寬帶的移動能力，以及WiMAX論壇的積極推動，基于IEEE 802.16的WiMAX移動網絡的應用正成為業界討論的熱點。IEEE 802.16m被選為下一代無線通信標準(IMT-advanced)的候選方案之一[3，5]，對比IEEE 802.16e，為適合IMT-2000和IMT-advanced 的性能需求，IEEE 802.16m更強調了加入了增強型的一些物理層功能，如Relay、多播、功率控制和多天線技術等[6]，但從支持移動性以及和IP技術的互聯互通方面，基于IEEE 802.16m和IEEE 802.16e的WiMAX網絡并無明顯的差別。本文將首先研究IEEE 802.16e的移動服務能力，然后著重研究基于IP的移動WiMAX的網絡方案，這種網絡方案也可作為基于IEEE 802.16m技術的未來的網絡應用方案。

1 IEEE 802.16e支持移動性服務能力

在IEEE 802.16-2004基礎上，IEEE 802.16e主要在物理層和媒質接入層擴展以支持多用戶通信和網絡移動性服務能力。下面分別對其基于物理層、MAC層的增強功能進行分析。

1.1 IEEE 802.16e的物理層增強功能和特點

正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)技術是在信道中進行有效信息傳輸的一種健全的通信技術。該技術利用多個并行的、傳輸低速率數據的子載波(子載頻)來實現高數據速率的通信。OFDM技術的優點還在于其便于簡化信道均衡過程，并且支持在時域和頻域進行多用戶信道分配和鏈路自適應，從而更進一步提高OFDM系統的頻譜利用率。相對OFDM，OFDMA的使用可以帶來更多的靈活性，也即按照不同信道特點和數據量的需求，通過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更進一步采用可擴展OFDMA(scalable orthogonal frequency division multiplexing access，SOFDMA)，在恒定子載波頻率下，通過延展FFT尺寸，使系統可以方便地適應不同的信道帶寬。如設定子載波頻率為10.94 kHz，通過調整FFT大小，可以靈活支持1.25～20 MHz帶寬。

可擴展OFDMA系統采用分集化和鄰近化方式實現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組合成子信道，以提供頻率分集并平均化小區間干擾。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)結構，即由下行PUSC每對OFDM碼元中合適的子載波組成串，各OFDM碼元中包括14個用于數據和導頻的連續子載波。而上行PUSC采用片(tile)結構，12個子載波組成片，6片被重組和置換以形成一個時隙。也即一個時隙包括分布在3個OFDM碼元中的48個數據和24個導頻子載波。其中，數據子載波用于數據傳輸，導頻(pilot)子載波用于估計和同步。

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)系統中支持多用戶分集，更便于鏈路自適應處理。其中來自同一OFDM碼元的連續的子載波組成箱(bin)，AMC的一個時隙被定義為多個bin的組合，組合方式有:[6個bin，1個碼元]，[3個bin，2個碼元]，[2個bin，3個碼元]，[1個bin，6個碼元]。AMC置換模式子載波分集置換對于移動系統更適合，而連續置換模式對于固定、游牧和低速移動環境適合[4，7]。

1.2 IEEE 802.16e的MAC層增強功能和特點

IEEE 802.16e的移動性服務能力更多地體現在對MAC層的改進上。提供的關鍵MAC層技術包括移動性服務的支持、切換和節電模式等。

1.2.1802.16e的移動性支持

為支持切換和其他移動性服務，IEEE 802.16在MAC層提供了諸如網絡拓撲的獲得、對目標基站的掃描、關聯化，測距(ranging)、小區重選等功能。其中移動站掃描鄰居基站以確定新的分集集合。掃描步驟包括:識別合適的基站;與其下行傳輸同步，并且估計其信道質量;測距使移動站完成和某個基站的同步過程。測距可以是基于沖突和非沖突的。基于非沖突的測距提供更快和可信的同步方法，但是以耗費資源為代價;關聯化使移動站得以記錄對分集集合的基站成功掃描和測距的次數，加速轉移該移動站的業務到目標基站;而鄰居列表廣播使得基站借助于網絡站點回程(backhaul)產生鄰居列表，支持移動站的切換服務。其中列表信息在MOBNBRADV的消息元素“handoff Neighbor preference”中。基站周期發送鄰居列表，每個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層的匯聚子層數據可以緩沖并隨后無縫地轉移到目標基站。宏分集切換(MDHO)和快速基站切換(FBSS)是增強的可選的切換模式。MDHO對于上行和下行傳輸都是可支持的，它允許移動站同時和在分集集合內的多個基站進行收發傳輸。FBSS與MDHO的區別在于，在FBSS中移動站雖然和所有的候選基站進行同步，但它只和一個中心基站進行通信。硬切換、MDHO和FBSS技術提供了不同應用層面的移動支持，其中MDHO和FBSS可減少切換時延，并支持有效的資源和網絡管理。

2 WiMAX網絡參考模型

基于IEEE 802.16技術，WiMAX論壇提供了支持移動性的網絡體系架構，以支持對MAC層之上的移動服務，并支持在不同網絡節點的漫游和切換服務。

圖2中所示的網絡參考模型(NRM)包括了接入服務網絡(ASN)和連接服務網絡(CSN)的各邏輯功能實體。ASN由一個或多個基站，一個或多個ASN-GW(ASN網關)組成，它是一個完整的網絡功能集合，提供諸如無線資源管理(RRM)、數據轉發、數據完整性、密鑰分配等關鍵功能，向WiMAX用戶提供無線接入服務。其中，RRM功能可以在基站或ASN-GW完成。完成該功能的某節點可以請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載平衡等處理的需要。在密匙分配中，一個成對的主密鑰(pairwise master key，PMK)在移動站側計算得到并轉發至在ASN-GW中的中心授權機構。PMK和基站標識符一起用于產生認證密碼(authentication key，AK)。當切換到目標基站需要新的AK。采用分布計算支持在ASN-GW中產生新的用于對應目標基站的AK，并作為切換信息發送給目標基站。這種處理方法可以避免在每次切換時執行用戶認證過程，從而減少處理延遲。CSN需向WiMAX用戶提供如AAA和DHCP服務器、數據庫等的核心業務能力。不同的邏輯實體間通過各參考點(R1，R4和R5等)完成互操作。

圖2 WiMAX網絡參考模型 (NRM)

3 基于IP的移動WiMAX網絡

由以上分析可以看出，IEEE 802.16e提供了在物理層和MAC層中支持移動性的能力，WiMAX論壇則提供了MAC層之上的網絡接口和互聯模型，更包括了提供移動性管理、資源管理和AAA服務能力。以下研究基于移動IP和WiMAX技術的移動網絡服務。

3.1 基于IP的移動WiMAX應用模型

圖3所示為基于IP的移動WiMAX應用模型。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模式下的不同應用場景;支持多個NSP共享1個NAP的ASN網絡;支持1個NSP向多個ASN提供服務以管理1個或多個NAP;支持移動站或SS發現和選擇接入的NSP;支持NAP采用1個或多個ASN網絡拓撲;支持通過互聯接入不同運營商的服務;提供在不同組的網絡實體開放參考點，使不同運營商基于不同實體實現不同功能組合。為實現IP移動網絡管理，該網絡應支持移動IP技術，也即CSN需向WiMAX用戶提供包括IP連接服務、網絡切換和系統漫游的能力。

圖3 基于IP的WiMAX系統

3.2 移動IP技術

移動IP允許移動站在不改變其IP地址的情況下變更其接入Internet的接入點，也即允許移動站在執行切換時保持傳輸和高層的連接。指向移動站的分組包首先被選路至家鄉網絡，移動站的家鄉代理截獲該分組并將其隧道化給該移動站常報告的當前地址。WiMAX論壇的NWG組允許2種移動解決方案時。利用用戶MIP(Client MIP)解決方案，可利用傳統的移動IP信令完成移動管理[4]。在代理MIP(proxy MIP)，網絡側可以初始化一個移動 IP客戶端過程，由該虛擬客戶完成移動IP信令過程[8-10]。

3.3 WiMAX網絡應用模型的系統切換和漫游服務

WiMAX應用模型可以支持在同網關(ASN-GW)內的系統內切換，不同網關間的切換以及漫游服務，以下結合IEEE 802.16e協議進行進一步分析。

3.3.1 Intra-ASN系統內切換

根據IEEE 802.16e提供的物理層和MAC層能力以及WiMAX 網絡參考模型完成Intra-ASN 系統內切換。其中可采用R8接口(圖3未示出)實現基站間的通信。在OFDMA系統中，可根據載干比(CINR)參數來決定切換。在各種切換類型中，連續的CINR測量都是必須的。遵照IEEE 802.16e協議的相關規定，系統可以通過掃描請求和響應消息使移動站周期掃描鄰區基站，觸發鄰區掃描并發起切換。包括如下步驟:

(1) 當移動站檢測到服務基站的CINR信號低于剔除門限(HDeleteThreshold)，則可發起鄰區掃描，測量鄰區基站的CINR值。當移動站檢測到某個鄰區基站的CINR值高于服務基站信號的增加門限(HAdd Threshold)時，則發起切換請求。

(2) 基站和移動站均可決定選取目標基站的過程。移動站可經過掃描選取目標基站完成切換過程;移動站也可通過MOB移動站SHOREQ消息反饋測量結果給服務基站，由服務基站決定最終選取的目標基站。

3.3.2 Inter-ASN系統間切換

借助移動IP技術、基于MIP和基于代理MIP移動性管理方式完成跨ASN-GW切換。在基于MIP的切換模式下，MIP客戶端駐留在移動站，由移動站實現MIP功能，跨ASN-GW的切換由網絡側發起。包括以下步驟:

(1) 切換的觸發條件發生;

(2) ASN-GW向移動站發送代理公告消息;

(3) 移動站在收到帶有新轉交地址(CoA)的代理公告后，向歸屬網絡代理(HA)發送MIP注冊消息，以保證移動站會話連續性;

(4) 向HA轉發MIP注冊消息，HA返回MIP注冊應答，并由當前服務的拜訪地網絡代理(FA)最終向移動站返回MIP注冊應答。

在基于代理MIP的切換模式中，由ASN-GW承擔代理MIP功能的方式。MIP客戶端駐留在ASN-GW上，由ASN-GW為移動站代理實現MIP功能。代理MIP方式下，ASN-GW在鑒權階段從AAA服務器獲得MIP注冊所需要的相關信息，包括DHCP 服務地址，生成鑒權擴展的安全信息等，跨ASN-GW切換處理對移動站而言是透明的。

包括以下步驟:

(1) 服務ASN-GW通知目標ASN-GW建立一個新的MIP會話;

(2) 目標ASN-GW向HA發送MIP注冊;

(3) 新MIP會話建立。在MIP成功注冊后，HA將把移動站的后續前向報文發往目標ASN-GW;

(4) 觸發目標ASN-GW建立與基站的隧道;

(5) 目標ASN-GW與基站之間建立新的Intra-ASN隧道關系。

3.3.3 漫游

漫游功能使得WiMAX用戶能夠在拜訪地網絡的覆蓋區域內，使用系統提供的包括鑒權、計費等網絡服務，從而為用戶提供廣泛的覆蓋和業務接入范圍。如圖4所示的WiMAX支持漫游。 ASN提供無線接入，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、授權和計費等功能。漫游用戶可以通過V-CSN或H-CSN接入到Internet網絡中[9-10]。主要流程步驟:

(1) 移動站接入網絡;

(2) 歸屬地NSP的H-CSN對移動站進行用戶/設備鑒權和IP地址分配;

(3) 可選的，如果用戶支持標準MIP或代理MIP業務，那么系統還將使用標準MIP方式或代理MIP方式為用戶建立MIP會話;

(4) 用戶可以通過V-CSN接入到Internet網絡中;

(5) 如果有強制隧道要求，那么用戶將通過H-CSN接入到Internet網絡中。

圖4 支持漫游的WiMAX方案

當用戶簽約為支持漫游的WiMAX用戶，且其歸屬網絡與拜訪地網絡間支持漫游，那么，用戶無論是使用游牧式、便攜式還是完全移動式業務，都能在拜訪地網絡接入到WiMAX系統，從而使用系統提供的服務。

4 結 語

本文綜合研究了在IEEE 802.16e技術規范和WiMAX網絡結構中支持移動性的服務能力，進一步給出了基于IP的移動WiMAX網絡的應用模型，為基于IEEE 802.16技術的應用和產業鏈的形成提供一個參考。研究進一步發現，雖然IEEE 802.16e提供了一系列WiMAX網絡的物理層和MAC層的移動服務能力，而且WiMAX提供了移動性管理、鑒權以及網絡接口，但WiMAX論壇尚未完善和優化以支持互聯移動管理和資源管理，而且基于移動IP的應用的網絡應用仍在研究之中，將進一步研究優化網絡資源下的WiMAX網絡的移動服務管理。

參考文獻

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