基于IEEE 802.16e技術(shù)的WiMAX網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方案研究

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(xiàn)接入的無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16e。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(xiàn)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(xiàn)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(hù)站可達(dá)到車(chē)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(xiàn)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(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)（IMT-ad-vanced）的候選方案之一，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(xiàn)技術(shù)等，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)*能力

在1EEE 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(hù)通信和網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)*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)囊环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(hù)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（sealable orthogonal freqtaency division multiplexingaccess，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 usedsubcarrier）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。

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(hù)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。

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

IEEE 802.16e的移動(dòng)*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)*的支持、切換和節(jié)電模式等。

1.2.1 802.16e的移動(dòng)性支持

為支持切換和其他移動(dòng)*，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（back-haul）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MOB_NBR_ADV的消息元素“handoffNeighbor preference”中。基站周期發(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悶絡(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(xiàn)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(hù)提供無(wú)線(xiàn)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(mǎn)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(hù)認(rèn)證過(guò)程，從而減少處理延遲。CSN需向WiMAX用戶(hù)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。

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(hù)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。

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的接人點(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(hù)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。在代理MIP（proxyMIP），網(wǎng)絡(luò)側(cè)可以初始化一個(gè)移動(dòng)IP客戶(hù)端過(guò)程，由該虛擬客戶(hù)完成移動(dòng)IP信令過(guò)程。

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(lèi)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(mén)限（H_Delete_Threshold），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(mén)限（H_Add 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SHO_REQ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(hù)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(huà)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(fǎng)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(hù)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(huà)；

（2）目標(biāo)ASN-GW向HA發(fā)送MIP注冊(cè)；

（3）新MIP會(huì)話(huà)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(hù)能夠在拜訪(fǎng)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(hù)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(xiàn)接入，拜訪(fǎng)地NSP的V-CSN為用戶(hù)提供Internet接人、AAA代理等功能，歸屬地NSP的H-CSN為用戶(hù)提供Internet接入、用戶(hù)鑒權(quán)、授權(quán)和計(jì)費(fèi)等功能。漫游用戶(hù)可以通過(guò)V-CSN或H-CSN接入到Internet網(wǎng)絡(luò)中。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(hù)／設(shè)備鑒權(quán)和IP地址分配；

（3）可選的，如果用戶(hù)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(hù)建立MIP會(huì)話(huà)；

（4）用戶(hù)可以通過(guò)V-CSN接人到Internet網(wǎng)絡(luò)中；

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

當(dāng)用戶(hù)簽約為支持漫游的WiMAX用戶(hù)，且其歸屬網(wǎng)絡(luò)與拜訪(fǎng)地網(wǎng)絡(luò)間支持漫游，那么，用戶(hù)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(fǎng)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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