移動WiMAX硬切換時延性能優(yōu)化研究*

徐昌彪，鐘曉玲，劉志堃

（重慶郵電大學(xué) 移動通信重點(diǎn)實(shí)驗室，重慶 400065）

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和對多媒體業(yè)務(wù)需求的增加，對無線通信系統(tǒng)提出了新的要求和挑戰(zhàn)以滿足日益增加的數(shù)據(jù)帶寬需求。在眾多的寬帶技術(shù)中，WiMAX[1-2]作為面向“最后1公里”接入技術(shù)的出現(xiàn)，以其高寬帶、低成本、部署靈活等優(yōu)勢，受到業(yè)界的追捧，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義與戰(zhàn)略價值[3]。

網(wǎng)絡(luò)的無縫切換是支持移動性的關(guān)鍵技術(shù)，如何快速切換，降低切換時延和丟包率，是關(guān)系到WiMAX能否大規(guī)模部署的關(guān)鍵[4]。影響切換時延最主要的原因是MS發(fā)出切換指示HO-IND之后，從與目標(biāo)BS進(jìn)行上下行同步開始，MS與服務(wù)BS的媒體面連接就中止了[5]。WiMAX提供強(qiáng)大的QoS功能支持，在MAC層提供一系列的QoS保障機(jī)制，并通過服務(wù)流及其調(diào)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(diǎn)介紹了結(jié)合關(guān)聯(lián)2且利用R6信令交互進(jìn)行參數(shù)協(xié)商的硬切換機(jī)制，并利用基于中興通訊WiMAX產(chǎn)品線的實(shí)驗平臺，對相關(guān)模塊代碼進(jìn)行特殊處理，模擬真實(shí)實(shí)驗環(huán)境，測試所提硬切換機(jī)制的時延。

2 約束硬切換時延優(yōu)化的理論解決方案

文中涉及的系統(tǒng)中，基站BS與接入網(wǎng)關(guān)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(shè)計方案需要在 “服務(wù)BSAGW－目標(biāo)BS”之間通過R6接口交互基本能力信令和登記信令。該設(shè)計方案還結(jié)合了關(guān)聯(lián)級別2的掃描，因此在本文稱之為結(jié)合關(guān)聯(lián)2且利用R6信令交互進(jìn)行參數(shù)協(xié)商的硬切換機(jī)制。

其核心思想是：移動站MS在切換時發(fā)送RNG_REQ之后，不等待目標(biāo)BS返回RNG_RSP消息，主動申請恢復(fù)與服務(wù)BS的上下行連接，切換期間繼續(xù)接收服務(wù)BS的下行數(shù)據(jù)，也可以上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)BS。此時服務(wù)BS相當(dāng)于MS與目標(biāo)BS之間的中繼器，原來是MS直接與目標(biāo)BS進(jìn)行RNG_RSP，基本能力協(xié)商請求/響應(yīng)，登記請求/響應(yīng)的發(fā)送和接收，在該方案中都必須通過服務(wù)BS經(jīng)由AGW中繼實(shí)現(xiàn)。這種利用R6信令交互進(jìn)行基本能力協(xié)商和登記參數(shù)協(xié)商的方式，可以使MS在重入網(wǎng)絡(luò)時保持與服務(wù)BS的正常通信，從而大大減小切換中的時延。

3 改進(jìn)硬切換機(jī)制介紹

3.1 改進(jìn)的硬切換流程設(shè)計

結(jié)合關(guān)聯(lián)級別2且利用R6信令交互進(jìn)行參數(shù)協(xié)商的硬切換流程如圖1所示。

圖1 結(jié)合關(guān)聯(lián)級別2且利用R6信令交互進(jìn)行參數(shù)協(xié)商的硬切換流程圖

1）小區(qū)選擇：BS發(fā)送MOB_NBR_ADV消息，MS周期性檢測鄰接BS，接著進(jìn)行帶關(guān)聯(lián)2的掃描。在該方案中，所有BS都預(yù)先設(shè)定支持利用R6信令交互進(jìn)行參數(shù)協(xié)商的操作，因此MS與目標(biāo)BS進(jìn)行關(guān)聯(lián)并保存MOB_ASC_REP消息中的HO ProcessOptimization TLV，MS后續(xù)如果有SBC_REQ消息或者REG_REQ消息，都必須先發(fā)到服務(wù)BS（SBS），再由服務(wù)BS通過AGW轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)BS（TBS），而不再直接通過空中接口發(fā)到目標(biāo)BS。

2）切換判決和發(fā)起：如果MS通過掃描關(guān)聯(lián)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前服務(wù)BS的CINR或RSSI低于切換的門限值，MS向服務(wù)BS發(fā)送MOB_MSHO_REQ消息，服務(wù)BS通過AGW與目標(biāo)BS進(jìn)行切換通知（HO Notification）。

3）MS與目標(biāo)BS進(jìn)行ranging測距及恢復(fù)與服務(wù)BS的上下行連接：MS根據(jù)MOB_ASC_REP消息中HO Process Optimization判斷得知，緊接著發(fā)送RNG_RSP_WAIT到服務(wù)BS，服務(wù)BS內(nèi)部的LDS模塊重新開始對MS下行媒體面數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)度，這樣MS就可以繼續(xù)接收來自服務(wù)BS的下行媒體面數(shù)據(jù)。于此同時，MS開啟一個定時器用以確認(rèn)關(guān)聯(lián)是否成功。

4）MS借助服務(wù)BS和AGW與目標(biāo)BS進(jìn)行切換重入網(wǎng)絡(luò)的基本能力協(xié)商：MS根據(jù)HO Process Optimization的第14位判斷得知該硬切換的重入網(wǎng)絡(luò)流程利用R6信令交互，首先發(fā)送SBC_REQ到服務(wù)BS，在SBC_REQ消息里面包含Target BSID等相關(guān)信息，就是MS想要切換過去的目標(biāo)BS的BSID；服務(wù)BS收到SBC_REQ消息之后，通過內(nèi)部MSH模塊處理判斷該SBC請求是要發(fā)往目標(biāo)BS的，將消息封裝為R6_SBC_REQ消息發(fā)往AGW；AGW將其轉(zhuǎn)發(fā)至目標(biāo)BS。目標(biāo)BS收到SBC請求消息以后，開始與AGW重新進(jìn)行基本能力協(xié)商。目標(biāo)BS與AGW完成重入網(wǎng)絡(luò)的基本能力協(xié)商之后，通過AGW向服務(wù)BS發(fā)送R6_SBC_RSP消息，服務(wù)BS根據(jù)MS的MAC地址判斷是發(fā)到哪個MS的，往該MS發(fā)送SBC_RSP消息。

5）MS借助服務(wù)BS和AGW與目標(biāo)BS進(jìn)行切換重入網(wǎng)絡(luò)的登記：假如RNG_RSP消息的HO Process Optimization里面的第9位設(shè)為0，MS與目標(biāo)BS進(jìn)行登記消息交互；假如第9位設(shè)為1，則MS可以忽略與目標(biāo)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(xié)商和登記都不可忽略；假如第6位為1，則基本能力協(xié)商和登記都可忽略。

6）目標(biāo)BS與AGW進(jìn)行媒體面的建立過程：目標(biāo)BS發(fā)送R6_DP_REG_REQ消息給AGW，通知最終媒體面隧道結(jié)果；AGW應(yīng)答R6_DP_REG_RSP消息，開啟媒體面隧道。

7）切換完成通知：目標(biāo)BS發(fā)送R6_HO_Complete消息，請求AGW中繼給服務(wù)BS；AGW接收到后轉(zhuǎn)發(fā)R6_HO_Complete消息給服務(wù)BS，通知切換完成。

3.2 改進(jìn)硬切換時延分析

切換時延從MS發(fā)送RNG_REQ消息到目標(biāo)BS開始，到MS發(fā)送RNG_RSP_WAIT消息到服務(wù)BS結(jié)束，其中，MS發(fā)送ranging請求到目標(biāo)BS接收到的時間為5 ms，MS發(fā)送RNG_RSP_WAIT消息到目標(biāo)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(fā)送，切換時延無需計算網(wǎng)元內(nèi)消耗的10 ms。從上面的時延分析可知，該硬切換的時延遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)有的硬切換機(jī)制170 ms的時延，優(yōu)勢明顯。因此借助這種硬切換機(jī)制，可以充分優(yōu)化移動WiMAX系統(tǒng)的切換性能，即使在切換區(qū)使用UGS這類高級別QoS要求的業(yè)務(wù)，也不會導(dǎo)致用戶在使用VoIP業(yè)務(wù)的時候發(fā)生話音中斷，或是觀看視頻點(diǎn)播的時候出現(xiàn)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(huán)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(shù)據(jù)。其中，測試環(huán)境預(yù)設(shè)條件為：1）BS1和BS2的基本能力參數(shù)和登記參數(shù)都不一致；2）BS1和BS2的基本能力參數(shù)一致，但登記參數(shù)不一致；3）BS1和BS2的登記參數(shù)一致，但基本能力參數(shù)不一致；4）BS1和BS2的基本能力參數(shù)和登記參數(shù)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(wù)范圍接入，然后沿著公路向BS2移動。十字路口處是切換區(qū)，進(jìn)行切換之后到BS2服務(wù)范圍之后掉頭往BS1移動，再次進(jìn)行切換，如此反復(fù)。

圖2 模擬測試的切換路線圖

4.2 模擬測試結(jié)論和分析

分別在4種配置下進(jìn)行6次切換，產(chǎn)生log文件，得到捕獲的切換時延，單位為ms?，F(xiàn)有的硬切換機(jī)制以及分別結(jié)合關(guān)聯(lián)2和結(jié)合關(guān)聯(lián)級別2且利用R6信令交互進(jìn)行參數(shù)協(xié)商機(jī)制的模擬測試數(shù)據(jù)比較如圖3～圖6所示。

圖3 第1種配置下的測試數(shù)據(jù)

圖4 第2種配置下的測試數(shù)據(jù)

圖5 第3種配置下的測試數(shù)據(jù)

圖6 第4種配置下的測試數(shù)據(jù)

從圖3～圖6可知，無論目標(biāo)BS與服務(wù)BS的基本能力參數(shù)和登記參數(shù)是否一致，都不會影響該硬切換機(jī)制時延的性能優(yōu)化，其切換時延都控制在15 ms以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于前面前兩種硬切換機(jī)制，完全可以支持VoIP和UGS等業(yè)務(wù)。雖然該硬切換機(jī)制會在R6信令交互的時候增加R6接口的負(fù)荷，但是這種信令面的負(fù)荷增加對R6接口的承載能力來說是微不足道的。

5 小結(jié)

對于移動WiMAX切換技術(shù)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(yīng)考慮到對于結(jié)合關(guān)聯(lián)級別2的硬切換機(jī)制概要設(shè)計的具體實(shí)現(xiàn)，還需要完善BS側(cè)、MS和AGW相應(yīng)的處理模塊，涉及的模塊比較多，相應(yīng)的接口和結(jié)構(gòu)體也需要進(jìn)一步協(xié)調(diào)確定，從而最終使系統(tǒng)能完全支持這種硬切換機(jī)制，并對其進(jìn)行切換時延的實(shí)測。這次使用的外場測試環(huán)境只有2個BS，有必要在建成蜂窩網(wǎng)以后再進(jìn)行進(jìn)一步的外場測試，那樣得出的數(shù)據(jù)將更能詳盡地體現(xiàn)各方案的優(yōu)劣性。

[1]WANG F，GHOSH A，SANKARAN C，et al.Mobile WiMAX systems∶performance and evolution[J].Communications Magazine，2008，46（10）：41-49.

[2]雷震洲.WiMAX：在眾說紛紜中前行[J].電視技術(shù)，2007，31（10）：47-49.

[3]汪濤.無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)導(dǎo)論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[4]張斌，靳浩，李國強(qiáng)，等.WiMAX網(wǎng)絡(luò)快速切換研究[J].數(shù)字通信世界，2008（9）：40-42.

[5]李珺，陳義，李娟，等.鄰居圖在無線局域網(wǎng)快速切換中的應(yīng)用[J].微計算機(jī)信息，2005（12）：127-128.

[6]鞠偉明.WiMAX網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和管理系統(tǒng)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2007.

[7]CHOI S，HWANG G H，KWON T，et al.Fast handover scheme for realtime downlink services in IEEE802.16e BWA system [C]//Proc.Vehicular Technology Conference （2005 IEEE61st）.[S.l.]：IEEE Press，2005，3：2028-2032.

[8]趙萃萃，周繼華，石晶林.基于IEEE 802.16的下行服務(wù)流調(diào)度算法設(shè)計[J].移動通信，2007，31（7）：32-35.

[9]呂志進(jìn).WiMAX構(gòu)架及其對移動性的管理[J].電信快報，2006（10）：27-31.