WiMAX的切换实现

计世周报：WiMAX的切换实现

作者：计算机世界

http://www.ccw.com.cn 2007-09-25 12:38:27 我要评论(0)

       

切换实现对于移动WiMAX技术是否能够成功应用来说至关重要。WiMAX论坛对于WiMAX系统切换的实现方式有哪些规定？不同使用场景下WiMAX的性能如何？WiMAX网络切换对业务的影响如何？

WiMAX作为一项新兴的无线宽带技术，受到很多运营商的青睐，其中一个很重要的原因就是其对移动性的良好支持。移动性包括了对处于空闲/休眠模式和连接模式下终端跨小区移动时的业务处理，空闲/休眠模式下的移动性处理包括如寻呼、位置更新、省电模式等功能，切换功能专指连接模式下的终端在不同层次的移动后，系统通过一定的处理来保证业务连接的连续性。下面从WiMAX网络结构入手，来分析不同类型的切换处理流程和实现，进一步结合业务需求，提出评估切换性能的一些通用指标（KPI）。

WiMAX网络结构

和切换分类

在WiMAX论坛网络工作组NWG定义的WiMAX端到端网络系统结构(版本1.0)中，对WiMAX的系统结构和网元之间的接口作出了定义。

WiMAX 终端通过空中接口R1与ASN部分进行信令和数据交互，ASN通过R3和R4接口与CSN、相邻的ASN进行消息沟通和数据传递。当WiMAX终端移动时，会发生小区、ASN、甚至CSN的不同层次更迭和替换，服务小区发生变化后、即切换过程被触发后，ASN等网元要进行相应的数据、信令承载的变化处理，来保证数据业务连接的连续和一贯性，尽可能地降低对最终用户使用感受的影响。

进一步细化ASN的功能和结构，在NWG的定义中它由两部分组成：BS和ASN_GW。这两部分协同来完成接入鉴权、密钥分配、上下文管理、无线资源控制和调度、业务流管理、位置区管理和寻呼、以及移动性管理等功能。它们之间的通信接口包括了R6接口、R4接口和R8接口。R6接口规定了基站BS和接入业务网络网关设备ASN_GW之间的处理流程，R4和R8接口定义了ASN_GW之间、BS之间的交互过程。根据接入服务网络ASN功能在BS和ASN_GW 之间分配的不同，NWG建议了三种ASN网络结构（ASN Profile A/B/C），因此造成了R6接口在实现上的一些不统一。论坛也正在做一些归一化（Harmonization）的协调处理，准备在新的版本中删除 Profile A，来简化一些ASN的互操作处理。此外，NWG亦建议ASN_GW的功能一般分为DP（Decision Point）和EP（policy Enforcement Point）两部分，分别进行信令平面和数据平面的功能处理，结合WiMAX高层移动性的功能通过移动IP（Mobile IP）来实现，在有些厂家的实现中会将外部代理（Foreign Agent）和EP功能结合在一起进行处理。

如前所说，WiMAX终端在业务使用过程中移动时，可能会发生服务小区的变更；如果服务小区归属于不同的ASN-GW，也会触发不同ASN_GW、不同外部代理FA之间的消息和数据交互；如果服务ASN和切换的目标ASN属于不同的网络接入提供商NAP（Network Access Provider）时，还需通过同一连接业务网CSN部分来进行协调(Coordination)和传递(Relay)处理。

归纳起来，根据切换过程中涉及到的网元和归属情况，可将切换分成以下几类：

1.Intra-ASN/FA切换（图2）

2.Inter-ASN/FA切换（图3）

结合切换过程中，网络侧有关IP层的不同处理，又可将上面描述的切换类型归纳为二层切换（Intra-ASN/FA）和三层切换（Inter- ASN/FA）。二层切换在切换过程中主要为MAC层和物理层的一些处理，在802.16e中做出了详细的规定；三层切换除了MAC层和物理层的变化和处理，还涉及到归属ASN/FA的变更，WiMAX论坛建议使用移动IP的方式来保证业务连接的连续性。

WiMAX切换的实现

作为一个支持移动性的广域网无线系统，WiMAX系统切换的底层过程与传统蜂窝网络有一定的相似性，尽管在一些细节上有所不同，但也包括了切换前的测量和触发、切换发生和处理、切换后的数据转发等过程。

1. 二层切换过程和实现

     二层切换的过程可以细化为下面几步：网络拓扑的获取和测量、切换判决和发生、网络重入和承载前转。

网络拓扑的获取和测量：基站BS会根据系统的邻区配置信息通过MOB_NBR_ADV消息来广播网络的拓扑信息，为终端MS提供邻近BS和小区的情况。MS 得到这些消息后，会通过MOB_SCN-REQ消息请求系统分配一组扫描时隙，BS会回复以MOB_SCN_RSP消息明确地给MS分配扫描间隙和其他与扫描相关的信息，然后MS会根据此消息中的内容对邻区的无线情况进行测量并作上报，如接收信号强度RSSI、载干比CINR等。

切换的判决和发生：MS和BS会根据系统设定的切换门限等判决数据进行切换判决，当决定MS要从服务小区切换到目标小区时，切换开始发生。MS或服务BS都可以做HO判决。HO判决完成的标志是MOB_MSHO-REQ或MOB_BSHO-REQ消息，同时也是HO的通知，这就预示了MS将开始切换。此时，服务BS会给目标BS发送HO_Pre_Notification消息，目标BS会准备一些资源（如分配本地HO_ID）并与ASN_GW交互来获取一些必要的信息（如Security上下文），最后与源服务BS确认准备完成。然后，服务小区会发送MOB_BSHO_RSP消息给MS，指示MS切换的发生，MS会发送MOB_BSHO_IND消息给服务小区给以切换的确认。

网络重入和承载前转：在目标BS 开始数据传输前，MS应与目标BS下行同步，并获取其上下行的传输参数。如果MS之前收到过MOB_NBR_ADV消息，包含了目标BS ID、频率、DCD和UCD，则该过程可以缩短。如果目标BS之前通过传输网收到过来自服务BS的HO通知，则目标BS可能会为MS分配一个非竞争的初始测距机会。然后MS和目标BS应进行初始测距或切换测距。如果MS的RNG-REQ包括服务BSID，则目标BS可以通过传输网向服务BS请求MS的信息并得到回应。不论以前是否从服务BS收到过MS的信息，目标BS都可能通过传输网请求MS的信息。如果目标BS能够从传输网获得MS的信息，则网络重进入过程将会缩短。重入完成后，系统开始恢复数据连接。在切换的过程中，源服务小区可能会缓存一些发往MS的数据，此时，源服务BS可能会将这部分数据转发给目标BS，这样可以极大地减少数据损失，改善上层的业务连接性能。

2. 三层切换过程和实现

如果切换过程涉及到了ASN_GW/FA的变更，则系统在完成MAC层、物理层的连接处理后（如二层切换的处理过程），会触发移动IP的处理过程来保证IP层连接的连续性。

当MS 移动到的新小区使用不同的外部网关时，系统必须做一定的处理才能避免将上层发送给该MS（或该IP地址）的数据包仍发往旧的网关设备，从而屏蔽上层业务连接对底层路由的依赖。在WiMAX系统中，采用IETF规定的Mobile IP（MIP）技术来实现三层切换的平滑处理。当服务MS的网关发生变更后，MIP客户端会发起MIP注册过程，通知归属代理HA（Home Agent）变更客户端和转交地址CoA的绑定关系，并建立HA到FA的隧道，以后上层再发往切换终端的数据便会有效地转发到终端侧。

根据完成MIP客户端功能的网元的不同，WiMAX论坛定义了两种MIP的实现方式：CMIP（Client MIP）和PMIP（Proxy MIP）。CMIP指MIP的客户端功能由WiMAX终端来实现，这样终端侧复杂性会有一定的增加；PMIP指MIP客户端的功能由系统内某一个网元来代替终端来完成，这样简化了对WiMAX终端的要求，但要求ASN内部做一些特定的处理。不同厂家实现MIP客户端的位置会有所不同，但Mobile IP流程是相同的。

网络切换对业务的影响

WiMAX 论坛网络工作组NWG将WiMAX终端的使用场景或移动级别分为了四类：固定模式（Fixed）、游牧模式（Nomadic）、简单移动（Simple Mobility）、全移动（Full Mobility）。固定模式是指终端设备固定某个地方，在业务连接过程中不会发生移动，主要应用于WiMAX提供固定接入的应用场景，终端类型主要为 CPE设备；游牧模式是指终端位置可以发生变化，但每次业务连接不是固定在某个地方，终端类型如PCMCIA卡等;简单移动和全移动模式与传统的蜂窝网络应用场景一样，终端可以随处移动，包括空闲模式和连接模式，主要终端类型指手机等设备。后两种模式在业务性能的要求上有所不同。

基于以上使用场景和不同的业务性能需求，参照传统蜂窝网络系统对移动性能的评估，可以对评估WiMAX网络切换对业务影响的关键指标做如下一些定义：

1.切换成功率。指切换成功次数与切换请求次数的比值，用来整体评估切换成功执行的情况；

2.切换过程中业务中断时间。指业务在切换过程中中断的时长（Connection Gap），用来评估切换执行对业务的影响情况；

3.切换过程中丢包率。指数据业务在切换过程中数据丢包的比率（Packet Loss），用来评估切换过程对数据传输可靠性的影响；

4.切换过程中数据包单向延迟。指上下行数据业务在切换过程中在各个传输方向的延迟(One Way Packet Deley);

5.切换过程中数据包时延抖动性。指上下行数据业务在切换过程中在各个传输方向的延迟的变化程度（One Way Packet Delay Variation）。（作者单位：摩托罗拉（中国）电子有限公司）

 

 

链接

WiMAX系统切换性能现状

摩托罗拉作为WiMAX业界的领导者，目前已经有完全符合标准的端到端WiMAX商用产品投放市场，同时也储备了大量工程技术人员，根据运营商的实际情况（如频率资源、站点分布等）来规划和部署高质量的网络。在目前的商用版本中，摩托罗拉产品支持包括全移动（Full Mobility）在内的全部使用场景，系统从初始就支持小区间、基站间的切换功能和移动IP功能，并在多个商用、试验网络中验证了其提供网络的优越性能。

美国某运营商搭建的多基站外场试验网中，收集了大量的路测数据，对摩托罗拉系统的切换质量进行了全面评估，涵盖了不同业务场景、不同移动速度、不同业务类型多方面的内容。经多次测试，切换成功率可与现有蜂窝网络切换性能相比，可以做到切换前后服务质量QoS的保证，切换时延完全满足不同业务的要求，验证了切换对上层业务的影响，系统做到了切换过程中Ping包没有丢失、流媒体业务流畅、VoIP话音清晰，得到了运营商的高度评价，为其即将开始的大规模商用部署建立了极大信心。

观点

“WiMAX的价值链正在加速形成”

作为本次WiMAX峰会的官方战略赞助商，摩托罗拉在现场展示了全系列WiMAX产品及端到端解决方案。“从愿景步入应用，WiMAX的发展正处在一个关键阶段，整个WiMAX价值链的形成正在加速。”摩托罗拉（中国）电子有限公司总裁高瑞彬在大会开幕致辞中指出。WiMAX的重要特点是全IP的网络特性，这将加速产业链上各方力量的合作和技术融合。据摩托罗拉（中国）宽带及移动网络事业部无线宽带和行业高效移动解决方案中心总监方原介绍，截至2007年5 月，摩托罗拉在全球六大洲已经有25个WiMAX试验网络，并且有9个客户正在进行商用部署。目前摩托罗拉已经能够提供完整的端到端WiMAX解决方案, 其范围不仅包括基础网络设施，还包括IP核心网、运营和管理、全面的服务组合、芯片组、客户终端设备（CPE）以及移动设备。摩托罗拉正在为Wateen 电信公司在巴基斯坦展开全球最大规模的WiMAX部署，计划在合同签订后的9个月内在17个主要城市完成部署，采用摩托罗拉的WiMAX接入网络和用户单元，提供多种家用和商用服务，包括互联网接入、数据服务、语音、VPN和公共热点覆盖。“全球市场对高带宽、移动性、丰富的多媒体业务的需求非常强烈，摩托罗拉已经看到需求不仅来自于移动运营商，也来自于有线电视运营商、卫星通讯运营商、固网运营商以及无线服务提供商等。”（智）

“我们是WiMAX的主要支持者”

今年6月刚刚加入WiMAX论坛董事会的诺基亚西门子公司也在此次WiMAX峰会上高调亮相。诺基亚西门子公司全球无线宽带部总经理Markku Hollstrom在主题演讲中指出：“WiMAX拥有强大的行业依托，基于统一的全IP平台提供多种服务，是一项有竞争力的个人宽带技术。”据介绍，诺基亚西门子公司目前正在积极开展针对WiMAX技术的研发。“根据承诺，诺基亚将在2008年美国运营商Sprint-Nextel正式推出WiMAX服务时，为其提供手机终端。”不过，具体的终端数量目前还不能透露。另外，诺基亚西门子也在与中国台湾地区刚刚获得WiMAX运营牌照的几家运营商积极沟通，寻求更深入的合作。诺基亚西门子公司的相关市场负责人表示：“我们是WiMAX的主要支持者。”