WiMAX網絡的自適應切換算法

程月平，單聯海

（①武漢職業學院機電學院，湖北 武漢 430074；②上海無線研究中心，上海 200335）

0 引言

隨著計算機和通信技術的迅猛發展，基于 IEEE 802.16系列標準的微波存取全球互通（WiMAX）技術加速了寬帶無線設備的投放和“最后一英里”的部署，推動了全球寬帶無線網絡的發展，成為繼無線局域網（WiFi）之后最受業界關注的寬帶無線接入技術[1]。在新一代的無線通信系統中，由于載頻的不斷提高使得覆蓋網絡的半徑越來越小，切換將變的越來越頻繁，由此帶來的負荷將對整個網絡的系統性能有更為重要的影響，為此對切換請求的處理將直接影響移動站的服務質量，越區切換的失敗，將導致通話業務的突然中斷。因此越區切換算法的好壞，將直接影響到整個移動通信系統的服務質量，對寬帶無線網絡而言，涉及的切換算法性能也愈發重要，為用戶和終端提供移動性管理以保證不同網絡間的漫游和快速切換是 WiMAX網絡最緊迫的需求之一。文獻[2]分析了媒介接入控制（IEEE 802.16e MAC）層切換的過程，分別提出了通過過程優化，在MS完成注冊和認證之前允許下行數據的傳輸，從而減小實時下行業務的切換延時，提高切換的成功率。文獻[3]結合MAC層切換和IP層切換，提出了一種平滑切換算法提高切換過程中的通信服務質量（QoS）。文獻[4]提出了一種動態資源預留的切換算法，以減小切換過程中的掉話率和延時時間。文獻[5]提出了對切換排隊且實時業務可以搶占或借用非實時業務帶寬的切換算法，來確保高優先級業務的QoS。文獻[6]介紹了802.16e標準的協議模型，給出了以802.16e為基礎的寬帶無線城域網技術WiMAX的網絡架構；針對802.16e的移動性過程進行了分析。文獻[7]比較了基于IEEE 802.16的WiMAX移動通信中的兩個關鍵標準，對MAC層的相應技術作了研究分析。

1 切換過程分析

切換管理是影響移動 WiMAX網絡性能的關鍵因素之一，IEEE 802.16e標準規定了一種必選的切換模式，實際上就是我們通常所說的硬切換，在協議中簡稱為（HO，handover）。按照功能結構可以分為三大部分：網絡拓撲結構獲得與掃描、切換過程中信號測量和切換判決、切換后的重新入網過程，詳細步驟如圖1所示。

圖1 切換過程示意

1.1 切換判決算法

一般情況下，常用的切換判決算法有以下幾種[8]。

(1)相對信號強度算法（RSS）

相對信號強度算法總是選擇具有最強接收信號功率的那個基站，判決時根據接收信號的測量平均值。用RXPOW_DL/UL（Target BS）表示目標基站（Target BS）在下行鏈路（DL）或上行鏈路（UL）上的接收功率，用RXPOW_DL/UL（Serving BS）表示服務基站（Serving BS）在下行鏈路或上行鏈路上的接收功率，則信號相對強度算法采用的標準可表示為：

RXPOW_DL/UL(Target BS)＞RXPOW_DL/UL(Serving BS)

(2)采用門限的信號相對強度算法

此算法只是在原有基站信號若低于某門限值，且目標基站的信號好于原基站時，才執行切換策略。如果RX_THRESHOLD表示接收信號的門限，則此方法所采用的標準可用下式表示：

RXPOW_DL/UL(Target BS)＞RXPOW_DL/UL(Serving BS)

且 RXPOW_DL/UL(Target BS)＞RX_THRESHOLD

(3)采用滯后余量的信號相對強度算法

目標基站的信號較強時（超過滯后余量）即可切換，如果用HYS表示滯后余量，則切換觸發的標準可表示為：

RXPOW_DL/UL(Target BS)＞ RXPOW_DL/UL(Serving BS)+ HYS

(4)采用滯后余量與門限的信號相對強度算法

當前基站的信號強度低于某一門限，并且目標基站的信號較強時（超過滯后余量），即可執行切換，則此算法可表示為：

RXPOW_DL/UL(Target BS)＞ RXPOW_DL/UL(Serving BS)+ HYS

且 RXPOW_DL/UL (Target BS)＞ RX_THRESHOLD

1.2 切換判決仿真

為了仿真及分析的方便，設移動臺在兩個基站之間運動，并且信道數量足夠，對所有移動用戶的移動速度設為近似為20 m/s，每隔50 ms測量一次，由此可以得到公式中的則δ＝1m，在一般情況下λ＝50m，uj為0均值，標準差為σs=8 dB的隨機變量，并且設發射頻率f為：2500 MHz，基站高度hb為：32 m，移動臺高度hm為：1.5 m，且傳播環境為市區，根據Cost231-Hata傳播模型，通過WiMAX的鏈路預算可得到，計算市區內小區覆蓋半徑約為：1.3km，所以近似的兩個 BS之間的距離為：d=1.3 =2 .25km。陰影效應描述了較長空間或時間尺度內信號的變化，根據古德蒙松的模型陰影衰落的時間自相關性[9]，自回歸距離獨立的陰影衰落相關模型公式如式（1）、式（2）：

λ為定義陰影衰落自校正常量，δ為在周期采樣時間內 MS移動的距離，ju為每次采樣時的獨立的正態分布的隨機變量，jy為該次測量時的具有相關性的陰影衰落值，仿真結果如圖2所示。

圖2 平均切換次數

通過對這幾種算法分別進行仿真驗證可得出：采用門限的信號相對強度算法，由于增加了門限，所以只有在當前基站不能滿足服務質量時，切換才會產生，所以切換次數較少。采用滯后余量的信號相對強度算法由于采用了滯后余量，判別的時候加了滯后窗，所以可以避免產生“乒乓”效應。采用滯后余量與門限的信號相對強度算法是前兩種算法的結合，是相對比較成熟的算法，因此切換次數和切換失敗率都是綜合了上面兩種算法而得到的最優值，不但避免了“乒乓”效應而且使得平均切換次數和切換失敗率都降為了最低。因此在下面改進的速度自適用切換算法仿真過程中將與此種切換方法作為“傳統切換算法”對不同業務進行仿真對比。

2 切換算法的改進策略

對于IEEE802.16e支持的WiMAX網絡來說，它支持高速運動，對于高速移動來說，切換的時間應該比低速用戶小，否則會造成切換的執行時間過大，而使用戶斷開與任何基站的連接，最終呼叫掉話。因此現主要針對移動用戶的速度，提出了自適應速度切換時間更新算法。對于切換過程中,提出了根據用戶速度的快慢而自適用調節切換延時時間的策略，

進而改變切換時間，如下列公式可見：

其中, 切換自適應因子r=v/vmax，v是用戶移動速度，可以看出0≤r≤1。n是指數因子，可以根據不同的業務模型取不同值，一般取n=3, 4, 5分別代表UGS，rtPS和nrtPs服務。在切換策略中，當用戶快速越區移動時，也就是v越大，那么r也就越大，造成 THO_delay越小，即可以較快的速度進行切換，降低切換失敗率。

根據WiMAX協議里的相關內容，已經定義了合適的參數：移動最大速度 vmax，對于不同的移動用戶速度v，服務類型n。

切換速度提高率為：

其中 r = v /vmax，發現切換速度提高率H和移動用戶的速度v存在正比關系，與服務類型指數n存在反比關系。

在仿真過程中，采用Matlab7.0對分析結果進行仿真驗證，小區頻率復用采用 1×3×3模式，并且采用三扇區和定向天線模式，切換移動過程中陰影為 uj為0均值，標準差為σs=8 dB的隨機變量，發射頻率f為2 500 MHz，基站高度 hb為：32 m，移動臺高度 hm為：1.5 m，傳播環境為市區，調制方式為 1/2QPSK，根據Cost231- H ata傳播模型[10]，通過 WiMAX的鏈路預算可得到，市區內小區覆蓋半徑約為：1.30 km，所以近似的兩個BS之間的距離為：d= 2 .25km，在仿真過程中MS的接收靈敏度為-91.368 dB。通過仿真試驗，可以得到如下的不同速度下的切換掉話率結果如表1所示。

表1 不同速度下的切換掉話率數據

在硬切換過程中，由于切換延時時間過長，可能存在移動用戶已經與原來基站斷開連接，但是卻不能與目標基站建立連接，也就是出現了所謂的切換掉話。尤其相對 IEEE 802.16網絡來說，它支持快速移動，因此切換掉話的可能性更大，會造成嚴重的資源浪費和嚴重的服務質量下降，這是所要避免的，因此對傳統的切換算法進行改進和優化，采用速度自適用快速切換算法得到的仿真結果如圖 3和圖 4所示。

圖3 速度自適用算法切換時間的提高率

圖4 速度自適用切換算法切換失敗率

通過仿真結果圖3和圖4可以發現，隨著移動用戶速度的加快，采用自適用速度的切換算法降低了系統的切換延時時間，減小了寬帶無線通信硬切換過程中服務網絡斷開進入新的目標網絡的執行時間，在一定程度上降低了切換失敗率。通過比較圖4中的不同曲線，還可得知當用戶速度一致時，隨著不同服務類型因子n的遞減，切換的速度的提高率也變大，導致不同業務的不同需要而使切換時間減少，提高了切換中的服務質量。

4 結語

針對IEEE 802.16e的移動寬帶無線通信支持快速移動性特點，提出根據用戶速度來自適應的改變切換時間，通過系統分析證明，這里的策略有效地提高切換速度，減小了切換延時，提高切換成功率，增強了系統業務的QoS。但今后還需通過研究軟切換對移動站性能的影響，進一步優化切換效率，以實現與其他無線寬帶數據傳輸技術的融合。

[1] IEEE Std 802.16e-2005. IEEE Standard for Local Metropolitan Area Networks-Part 16： Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems[S]. USA:IEEE,2006.

[2] 彭天笑.移動 IPv6快速切換在 MBWA中的應用[J].現代電信科技,2003,10(03):25-28.

[3] PARK H, KIM H, LEE S, et al. Handover Mechanism for Differentiated QoS in High-speed Portable Internet[C].International Conference on Information Networking,2005:904-911.

[4] CHEN X, LI B, FANG Y. A Dynamic Multiple-threshold Bandwidth Reservation (DMTBR) Schemes for QoS Provisioning in Multimedia Wireless Networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2005, 4 (02): 583-592.

[5] WANG J, ZENG Q A, AGRAWAL D P. Performance Analysis of a Preemptive and Priority Reservation Handoff Scheme for Integrated Service-based Wireless Mobile Networks[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2003, 2 (01): 65-75.

[6] 劉晨,黃華.基于IEEE802.16e的WiMAX移動性管理[J].通信技術,2007,40 (09): 23-25.

[7] 徐世龍,李巖峰.802.16/WiMax技術及組網方案研究[J].通信技術,2007, 40 (07): 48-49.

[8] 彭木根,王文博.無線資源管理與3G網絡規劃優化[M].北京:人民郵電出版社,2008:212-217.

[9] Ken J K. A Radio Access System with Distributed Antennas[J].IEEE Transaction on Vehicular Technology, 1996,45(02):265-274.

[10] 雷震洲.WiMAX開始在全球部署[EB/OL].(2006-09-12).[2010-01-01] http://www.wimaxforum.cn/upload/WiMAX.pdf.