移動WiMAX硬切換時延性能優化研究*

徐昌彪，鐘曉玲，劉志堃

（重慶郵電大學 移動通信重點實驗室，重慶 400065）

1 引言

隨著互聯網的普及和對多媒體業務需求的增加，對無線通信系統提出了新的要求和挑戰以滿足日益增加的數據帶寬需求。在眾多的寬帶技術中，WiMAX[1-2]作為面向“最后1公里”接入技術的出現，以其高寬帶、低成本、部署靈活等優勢，受到業界的追捧，有著重要的現實意義與戰略價值[3]。

網絡的無縫切換是支持移動性的關鍵技術，如何快速切換，降低切換時延和丟包率，是關系到WiMAX能否大規模部署的關鍵[4]。影響切換時延最主要的原因是MS發出切換指示HO-IND之后，從與目標BS進行上下行同步開始，MS與服務BS的媒體面連接就中止了[5]。WiMAX提供強大的QoS功能支持，在MAC層提供一系列的QoS保障機制，并通過服務流及其調度，QoS可分為5個級別，分別是 UGS，ErtPS，rtPS，nrtPS 和 BE[6-9]。

筆者提出了約束硬切換時延的理論解決方案，并重點介紹了結合關聯2且利用R6信令交互進行參數協商的硬切換機制，并利用基于中興通訊WiMAX產品線的實驗平臺，對相關模塊代碼進行特殊處理，模擬真實實驗環境，測試所提硬切換機制的時延。

2 約束硬切換時延優化的理論解決方案

文中涉及的系統中，基站BS與接入網關AGW之間的信令通過R6隧道來傳送，R6信令采用UDP后面直接加上NWGStage 3定義的信令格式，因此R6信令承載為UDP。下文中提出的硬切換設計方案需要在 “服務BSAGW－目標BS”之間通過R6接口交互基本能力信令和登記信令。該設計方案還結合了關聯級別2的掃描，因此在本文稱之為結合關聯2且利用R6信令交互進行參數協商的硬切換機制。

其核心思想是：移動站MS在切換時發送RNG_REQ之后，不等待目標BS返回RNG_RSP消息，主動申請恢復與服務BS的上下行連接，切換期間繼續接收服務BS的下行數據，也可以上傳數據到服務BS。此時服務BS相當于MS與目標BS之間的中繼器，原來是MS直接與目標BS進行RNG_RSP，基本能力協商請求/響應，登記請求/響應的發送和接收，在該方案中都必須通過服務BS經由AGW中繼實現。這種利用R6信令交互進行基本能力協商和登記參數協商的方式，可以使MS在重入網絡時保持與服務BS的正常通信，從而大大減小切換中的時延。

3 改進硬切換機制介紹

3.1 改進的硬切換流程設計

結合關聯級別2且利用R6信令交互進行參數協商的硬切換流程如圖1所示。

圖1 結合關聯級別2且利用R6信令交互進行參數協商的硬切換流程圖

1）小區選擇：BS發送MOB_NBR_ADV消息，MS周期性檢測鄰接BS，接著進行帶關聯2的掃描。在該方案中，所有BS都預先設定支持利用R6信令交互進行參數協商的操作，因此MS與目標BS進行關聯并保存MOB_ASC_REP消息中的HO ProcessOptimization TLV，MS后續如果有SBC_REQ消息或者REG_REQ消息，都必須先發到服務BS（SBS），再由服務BS通過AGW轉發到目標BS（TBS），而不再直接通過空中接口發到目標BS。

2）切換判決和發起：如果MS通過掃描關聯發現當前服務BS的CINR或RSSI低于切換的門限值，MS向服務BS發送MOB_MSHO_REQ消息，服務BS通過AGW與目標BS進行切換通知（HO Notification）。

3）MS與目標BS進行ranging測距及恢復與服務BS的上下行連接：MS根據MOB_ASC_REP消息中HO Process Optimization判斷得知，緊接著發送RNG_RSP_WAIT到服務BS，服務BS內部的LDS模塊重新開始對MS下行媒體面數據進行調度，這樣MS就可以繼續接收來自服務BS的下行媒體面數據。于此同時，MS開啟一個定時器用以確認關聯是否成功。

4）MS借助服務BS和AGW與目標BS進行切換重入網絡的基本能力協商：MS根據HO Process Optimization的第14位判斷得知該硬切換的重入網絡流程利用R6信令交互，首先發送SBC_REQ到服務BS，在SBC_REQ消息里面包含Target BSID等相關信息，就是MS想要切換過去的目標BS的BSID；服務BS收到SBC_REQ消息之后，通過內部MSH模塊處理判斷該SBC請求是要發往目標BS的，將消息封裝為R6_SBC_REQ消息發往AGW；AGW將其轉發至目標BS。目標BS收到SBC請求消息以后，開始與AGW重新進行基本能力協商。目標BS與AGW完成重入網絡的基本能力協商之后，通過AGW向服務BS發送R6_SBC_RSP消息，服務BS根據MS的MAC地址判斷是發到哪個MS的，往該MS發送SBC_RSP消息。

5）MS借助服務BS和AGW與目標BS進行切換重入網絡的登記：假如RNG_RSP消息的HO Process Optimization里面的第9位設為0，MS與目標BS進行登記消息交互；假如第9位設為1，則MS可以忽略與目標BS的登記。另假如RNG_RSP消息的HO Process Optimization里面的第6位為0，基本能力協商和登記都不可忽略；假如第6位為1，則基本能力協商和登記都可忽略。

6）目標BS與AGW進行媒體面的建立過程：目標BS發送R6_DP_REG_REQ消息給AGW，通知最終媒體面隧道結果；AGW應答R6_DP_REG_RSP消息，開啟媒體面隧道。

7）切換完成通知：目標BS發送R6_HO_Complete消息，請求AGW中繼給服務BS；AGW接收到后轉發R6_HO_Complete消息給服務BS，通知切換完成。

3.2 改進硬切換時延分析

切換時延從MS發送RNG_REQ消息到目標BS開始，到MS發送RNG_RSP_WAIT消息到服務BS結束，其中，MS發送ranging請求到目標BS接收到的時間為5 ms，MS發送RNG_RSP_WAIT消息到目標BS接收到的時間為5 ms，總的切換時延為10 ms。

因為RNG_REQ和RNG_RSP_WAIT消息都是通過空中接口發送，切換時延無需計算網元內消耗的10 ms。從上面的時延分析可知，該硬切換的時延遠遠小于現有的硬切換機制170 ms的時延，優勢明顯。因此借助這種硬切換機制，可以充分優化移動WiMAX系統的切換性能，即使在切換區使用UGS這類高級別QoS要求的業務，也不會導致用戶在使用VoIP業務的時候發生話音中斷，或是觀看視頻點播的時候出現畫面和聲音的不連貫。

4 模擬測試與性能分析

4.1 模擬測試環境和模擬測試方案

測試項目為切換時延模擬測試。測試目的是測試切換時延，從MS的log文件里面提取捕獲到的切換時延數據。其中，測試環境預設條件為：1）BS1和BS2的基本能力參數和登記參數都不一致；2）BS1和BS2的基本能力參數一致，但登記參數不一致；3）BS1和BS2的登記參數一致，但基本能力參數不一致；4）BS1和BS2的基本能力參數和登記參數都一致。

外場測試場景如圖2所示。MS（插在筆記本電腦的GCT卡，測試人員坐在車上）在BS1的服務范圍接入，然后沿著公路向BS2移動。十字路口處是切換區，進行切換之后到BS2服務范圍之后掉頭往BS1移動，再次進行切換，如此反復。

圖2 模擬測試的切換路線圖

4.2 模擬測試結論和分析

分別在4種配置下進行6次切換，產生log文件，得到捕獲的切換時延，單位為ms。現有的硬切換機制以及分別結合關聯2和結合關聯級別2且利用R6信令交互進行參數協商機制的模擬測試數據比較如圖3～圖6所示。

圖3 第1種配置下的測試數據

圖4 第2種配置下的測試數據

圖5 第3種配置下的測試數據

圖6 第4種配置下的測試數據

從圖3～圖6可知，無論目標BS與服務BS的基本能力參數和登記參數是否一致，都不會影響該硬切換機制時延的性能優化，其切換時延都控制在15 ms以內，遠遠優于前面前兩種硬切換機制，完全可以支持VoIP和UGS等業務。雖然該硬切換機制會在R6信令交互的時候增加R6接口的負荷，但是這種信令面的負荷增加對R6接口的承載能力來說是微不足道的。

5 小結

對于移動WiMAX切換技術的研究還處于初步階段，需要探討和開展的工作還有許多，在未來的工作中應考慮到對于結合關聯級別2的硬切換機制概要設計的具體實現，還需要完善BS側、MS和AGW相應的處理模塊，涉及的模塊比較多，相應的接口和結構體也需要進一步協調確定，從而最終使系統能完全支持這種硬切換機制，并對其進行切換時延的實測。這次使用的外場測試環境只有2個BS，有必要在建成蜂窩網以后再進行進一步的外場測試，那樣得出的數據將更能詳盡地體現各方案的優劣性。

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