移动WiMAX系统中的切换优化方案分析熊尚坤，王庆扬（中国电信股份有限公司广东研究院 广州 510630）摘 要 IEEE和WiMAX论坛相继针对移动WiMAX系统定义了标准的切换机制为实现全移动的目标，应尽量减少移动WiMAX系统的切换时延，同时保证切换过程中数据的完整性本文简单介绍了WiMAX系统基本原理和移动性管理机制，详细分析了在移动WiMAX系统中如何优化切换时延，同时提出了一种合理的保证数据完整性的切换方案关键词 移动WiMAX；移动性管理；切换优化1 引言移动多媒体数据业务需求的高速增长，推动了无线通信技术的快速发展移动WiMAX技术是以IEEE 802.16系列标准为基础的宽带无线接入技术，近两年来发展迅速，逐渐成为城域宽带无线接入技术的发展热点移动WiMAX的空中接口标准——IEEE 802.16e，与IEEE 802.16d相比最明显的区别就是增加了移动性方面的内容，将固定宽带无线接入标准增强为移动宽带无线接入标准WiMAX论坛也提出了实现支持全移动 （full mobility）的目标，要求支持的移动速度达到120 km/h，保持会话的连续性，切换时延小于50 ms，切换过程中MAC层的丢包率不超过1%。
因此，如何减少切换时延和保证数据的完整性成为切换优化的两个关键问题2 WiMAX系统基本原理WiMAX技术的主要特点是：无线侧采用OFDMA、HARQ、MIMO、AAS等关键技术，提高了空中接口的频谱效率；网络侧采用扁平的、基于IP的网络架构和开放的接口，有利于减小端到端时延，降低网络建设成本移动WiMAX端到端的网络系统主要由终端、BS（基站）、ASN-WG（接入网关）和CSN （连接服务网）组成，如图1所示WiMAX终端包括PCMCIA卡、PDA以及智能手持终端等WiMAX基站向下实现与终端的空中接口通信，实现物理层和MAC层功能以及无线资源管理功能WiMAX基站向上通过基于IP的开放接口与AGW-GW连接，ASN-GW代替传统3G网络中的RNC、SGSN和GGSN，实现流量管理、计费和QoS控制等功能CSN由HA （家庭代理）、AAA、DHCP以及计费等服务器组成，分别实现移动IP、用户管理和鉴权、地址管理和账单管理等功能移动WiMAX系统借鉴了传统移动通信网络的移动性管理机制，在移动WiMAX系统中完整的移动性管理机制包括状态管理、位置和寻呼管理、二层/三层切换管理以及漫游管理，本文重点关注切换过程。
移动WiMAX系统中的切换过程包括IP层切换和MAC层切换两个部分，IP层切换发生在跨ASN切换过程中，可由移动IP机制实现，本文不作具体描述，以下重点介绍的是MAC层切换优化方案3 移动WiMAX系统的切换优化在NWG标准中，切换过程分为切换准备和切换执行两个阶段，如图2和图3实线箭头所示对业务造成影响的主要是切换执行阶段的时延，其主要是MS在目标基站的重入网时延，在此深入分析如何简化重入网过程，减少重入网时延，达到减少切换时延的目的完整的MS重入网流程如图4所示，其中实线框表示必须执行的步骤，虚线框表示可以通过优化省略的步骤1）MS搜索前导序列，实现下行同步，读取FCH、DL_MAP、UL_MAP等信息该步骤是必备步骤，但是MS在切换之前可以通过邻区广播获得目标基站的频点和BSID，从而加速这个过程2）MS读取目标基站的DCD和UCD消息由于MS在切换之前可以通过邻区广播获得目标基站的DCD和UCD消息，因此该步骤可以省略3）采用传统的基于竞争机制的CDMA测距方法获得步骤（4）中的RNG-REQ（测距请求）优化方案中，目标基站从服务基站获得切换发生时间，为MS主动分配一个快速测距IE（Fast_Ranging IE），实现快速测距，这样该步骤可以省略。
4）MS通过RNG-REQ/ RNG-RSP（测距响应）方式获取CID等相关参数该步骤不可缺少5）~（8）这些步骤都可以省略，其中步骤（5）、（6）、（7）中需要更新的参数可以通过步骤（4）中RNG-RSP完成，由于切换过程中IP连接没有发生中断，因此无需重新建立9）切换完成按照以上的切换优化方案，下面从MS侧来简单分析切换的信令面执行时间1）MS在服务基站发送MOB_HO-IND，空中接口时延为5 ms（1帧）2）调整发射机、接收机的频点等，搜索目标基站的前导序列，实现下行同步这个步骤所需的时间不确定，与终端的性能和目标基站的信号质量等因素相关，理想情况下为10~25 ms（2～5帧）3）MS通过快速测距 IE分配的区域发送RNG-REQ，目标基站可以在收到RNG-REQ的第3帧回复RNG-RSP，该步骤需要15 ms（3帧）由上可见，采用优化的切换方案后，理想情况下切换执行的信令面时延可以控制在30～45 ms在目前标准的切换流程中，暂没有考虑数据完整性保护，当MS在目标基站重入网后，服务基站缓存在SDU的数据都被丢弃，MS只能通过目标基站从AnchorASN-WG获取之后的数据单元，这样势必会造成数据的丢失。
下面基于标准的切换流程，提出一种数据完整性保护方案图2和图3中实线标注的流程是NWG标准中的切换流程，虚线标注的流程则用于切换过程中的数据完整性保护如图2所示，在切换准备阶段开始缓存下行的SDU，此时数据继续下发给MS如图3所示，在切换执行阶段，当确定了目标基站后，目标基站与服务基站通过中继ASN-WG建立一个数据隧道，服务基站将缓存的SDU通过数据隧道转发给目标基站MS在目标基站实现网络重入之后，MS向目标基站发送SDU SN报告，报告从服务基站收到的最后一个SDU的SN序列号；同时目标基站已在HO_Cnf消息中获得MAC层的相关上下文，因此目标基站可以从下一个SDU开始向MS发送数据，这样数据就不会丢失，从而实现了数据的完整性保护4 结束语移动WiMAX系统相对于固定无线接入系统的主要特征是增强了移动性管理机制，本文介绍了移动WiMAX系统移动性管理机制，详细分析了移动WiMAX系统切换过程中的重入网优化方案，并提出了一种切换的数据完整性保护方案，有利于减少切换时延和保证切换中的数据完整性，对于移动WiMAX网络中实时业务的QoS保证有着重要的意义Analysis on Handover Optimization and Realization Mechanism in Mobile WiMAX SystemXiong Shangkun, Wang Qingyang(Guangdong Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China)Abstract IEEE and WiMAX forum both defined normative procedure of handover for mobile WiMAX system. In order to achieve “full mobility”, mobile WiMAX system shall minimize handover latency and support data integrity during handover. In this paper, principles of WiMAX system and mechanisms of mobility management are introduced, how to shorten the handover latency is detailed and a data integrity mechanism during handover is proposed. Key words mobile WiMAX, mobility management, handover optimization （收稿日期：2008-04-10）。