基于IP的WiMAX移动网络的研究

      IEEE 802.16工作组近期发布了支持固定和移动宽带无线接入的无线城域网标准IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16e。IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16e均为物理层和媒质接入层的规范，其中无线城域网标准IEEE 802.16-2004是IEEE 802制定的固定宽带无线接入规范，IEEE 802.16e是对IEEE 802.16-2004的补充和修正版本，以期望在IEEE 802.16-2004基础上提供用户站可达到车速移动的功能和服务。为了加速基于IEEE 802.16技术的应用和产业链的形成，通过对IEEE 802.16技术应用的频段、应用场景和互操作进行定义，工业化组织WiMAx论坛进一步提供了基于IEEE 802.16技术的互联互操作的能力，以及网络资源管理和控制的功能和测试等规范。

      由于IEEE 802.16e潜在地支持无线宽带的移动能力，以及WiMAX论坛的积极推动，基于IEEE 802.16的WiMAX移动网络的应用正成为业界讨论的热点。IEEE 802.16m被选为下一代无线通信标准(IMT-ad-vanced)的候选方案之一，对比IEEE 802.16e，为适合IMT-2000和IMT-advanced的性能需求，IEEE 802.16m更强调了加入了增强型的一些物理层功能，如Relay、多播、功率控制和多天线技术等，但从支持移动性以及和IP技术的互联互通方面，基于IEEE 802.16m和IEEE 802.16e的WiMAX网络并无明显的差别。本文将首先研究IEEE 802.16e的移动服务能力，然后着重研究基于IP的移动WiMAX的网络方案，这种网络方案也可作为基于IEEE 802.16m技术的未来的网络应用方案。

      1 IEEE 802.16e支持移动性服务能力

      在1EEE 802.16-2004基础上，IEEE 802.16e主要在物理层和媒质接入层扩展以支持多用户通信和网络移动性服务能力。下面分别对其基于物理层、MAC层的增强功能进行分析。

      1.1  IEEE 802.16e的物理层增强功能和特点

      正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)技术是在信道中进行有效信息传输的一种健全的通信技术。该技术利用多个并行的、传输低速率数据的子载波(子载频)来实现高数据速率的通信。OFDM技术的优点还在于其便于简化信道均衡过程，并且支持在时域和频域进行多用户信道分配和链路自适应，从而更进一步提高OFDM系统的频谱利用率。相对OFDM，OFDMA的使用可以带来更多的灵活性，也即按照不同信道特点和数据量的需求，通过子信道分集化分配信道和功率资源，从而更有效地提高资源分配效力。

      IEEE 802.16e更进一步采用可扩展OFDMA(sealable orthogonal freqtaency division multiplexingaccess，SOFDMA)，在恒定子载波频率下，通过延展FFT尺寸，使系统可以方便地适应不同的信道带宽。如设定子载波频率为10.94 kHz，通过调整FFT大小，可以灵活支持1.25～20 MHz带宽。

      可扩展OFDMA系统采用分集化和邻近化方式实现子信道中的子载波置换或散布。其中，分集化的目的是将子载波随机组合成子信道，以提供频率分集并平均化小区间干扰。典型的分集化置换方式有下行FUSC(fully used subcarrier)，下行PUSC(partially usedsubcarrier)和上行PUSC。图1(a)和图1(b)分别列举了下行PUSC和上行PUSC的子载波分布方式。下行PUSC采用串(cluster)结构，即由下行PUSC每对OFDM码元中合适的子载波组成串，各OFDM码元中包括14个用于数据和导频的连续子载波。而上行PUSC采用片(tile)结构，12个子载波组成片，6片被重组和置换以形成一个时隙。也即一个时隙包括分布在3个OFDM码元中的48个数据和24个导频子载波。其中，数据子载波用于数据传输，导频(pilot)子载波用于估计和同步。

      邻近化置换包括下行AMC和上行AMC，可以在OFDM(A)系统中支持多用户分集，更便于链路自适应处理。其中来自同一OFDM码元的连续的子载波组成箱(bin)，AMC的一个时隙被定义为多个bin的组合，组合方式有：[6个bin，1个码元]，[3个bin，2个码元]，[2个bin，3个码元]，[1个bin，6个码元]。AMC置换模式子载波分集置换对于移动系统更适合，而连续置换模式对于固定、游牧和低速移动环境适合。

      1.2 IEEE 802.16e的MAC层增强功能和特点

      IEEE 802.16e的移动性服务能力更多地体现在对MAC层的改进上。提供的关键MAC层技术包括移动性服务的支持、切换和节电模式等。

      1.2.1 802.16e的移动性支持

      为支持切换和其他移动性服务，IEEE 802.16在MAC层提供了诸如网络拓扑的获得、对目标基站的扫描、关联化，测距(ranging)、小区重选等功能。其中移动站扫描邻居基站以确定新的分集集合。扫描步骤包括；识别合适的基站；与其下行传输同步，并且估计其信道质量；测距使移动站完成和某个基站的同步过程。测距可以是基于冲突和非冲突的。基于非冲突的测距提供更快和可信的同步方法，但是以耗费资源为代价；关联化使移动站得以记录对分集集合的基站成功扫描和测距的次数，加速转移该移动站的业务到目标基站；而邻居列表广播使得基站借助于网络站点回程(back-haul)产生邻居列表，支持移动站的切换服务。其中列表信息在MOB_NBR_ADV的消息元素“handoffNeighbor preference”中。基站周期发送邻居列表，每个基站维持邻居基站的MAC地址映射表和其索引。

      1.2.2 MAC层切换能力

      硬切换是IEEE 802.16e中必须支持的模式。在硬切换下，高层连接和MAC层的汇聚子层数据可以缓冲并随后无缝地转移到目标基站。宏分集切换(MDHO)和快速基站切换(FBSS)是增强的可选的切换模式。MDHO对于上行和下行传输都是可支持的，它允许移动站同时和在分集集合内的多个基站进行收发传输。FBSS与MDHO的区别在于，在FBSS中移动站虽然和所有的候选基站进行同步，但它只和一个中心基站进行通信。硬切换、MDHO和FBSS技术提供了不同应用层面的移动支持，其中MDHO和FBSS可减少切换时延，并支持有效的资源和网络管理。

      2 WiMAX闷络参考模型
     
      基于IEEE 802.16技术，WiMAX论坛提供了支持移动性的网络体系架构，以支持对MAC层之上的移动服务，并支持在不同网络节点的漫游和切换服务。

      图2中所示的网络参考模型(NRM)包括了接入服务网络(ASN)和连接服务网络(CSN)的各逻辑功能实体。ASN由一个或多个基站，一个或多个ASN-GW(ASN网关)组成，它是一个完整的网络功能集合，提供诸如无线资源管理(RRM)、数据转发、数据完整性、密钥分配等关键功能，向WiMAX用户提供无线接入服务。其中，RRM功能可以在基站或ASN-GW完成。完成该功能的某节点可以请求其他基站以得到所需的信息，利用此信息帮助确定候选的基站以满足切换和负载平衡等处理的需要。在密匙分配中，一个成对的主密钥(pairwise master key，PMK)在移动站侧计算得到并转发至在ASN-GW中的中心授权机构。PMK和基站标识符一起用于产生认证密码(authentication key，AK)。当切换到目标基站需要新的AK。采用分布计算支持在ASN-GW中产生新的用于对应目标基站的AK，并作为切换信息发送给目标基站。这种处理方法可以避免在每次切换时执行用户认证过程，从而减少处理延迟。CSN需向WiMAX用户提供如AAA和DHCP服务器、数据库等的核心业务能力。不同的逻辑实体间通过各参考点(R1，R4和R5等)完成互操作。

      3  基于IP的移动WiMAX网络

      由以上分析可以看出，IEEE 802.16e提供了在物理层和MAC层中支持移动性的能力，WiMAX论坛则提供了MAC层之上的网络接口和互联模型，更包括了提供移动性管理、资源管理和AAA服务能力。以下研究基于移动IP和WiMAX技术的移动网络服务。

      3.1  基于IP的移动WiMAX应用模型

      图3所示为基于IP的移动WiMAX应用模型。模型包括有如下功能：提供逻辑分割上述步骤的能力和基于IP的选路和连接管理以支持在孤岛和互联模式下的不同应用场景；支持多个NSP共享1个NAP的ASN网络；支持1个NSP向多个ASN提供服务以管理1个或多个NAP；支持移动站或SS发现和选择接入的NSP；支持NAP采用1个或多个ASN网络拓扑；支持通过互联接入不同运营商的服务；提供在不同组的网络实体开放参考点，使不同运营商基于不同实体实现不同功能组合。为实现IP移动网络管理，该网络应支持移动IP技术，也即CSN需向WiMAX用户提供包括IP连接服务、网络切换和系统漫游的能力。

      3.2  移动IP技术

      移动IP允许移动站在不改变其IP地址的情况下变更其接入Internet的接人点，也即允许移动站在执行切换时保持传输和高层的连接。指向移动站的分组包首先被选路至家乡网络，移动站的家乡代理截获该分组并将其隧道化给该移动站常报告的当前地址。WiMAX论坛的NWG组允许2种移动解决方案时。利用用户MIP(Client MIP)解决方案，可利用传统的移动IP信令完成移动管理。在代理MIP(proxyMIP)，网络侧可以初始化一个移动IP客户端过程，由该虚拟客户完成移动IP信令过程。

      3.3 WiMAX网络应用模型的系统切换和漫游服务

      WiMAX应用模型可以支持在同网关(ASN-GW)内的系统内切换，不同网关间的切换以及漫游服务，以下结合IEEE 802.16e协议进行进一步分析。

      3.3.1 Intra-ASN系统内切换

      根据IEEE 802.16e提供的物理层和MAC层能力以及WiMAX网络参考模型完成Intra-ASN系统内切换。其中可采用R8接口(图3未示出)实现基站间的通信。在OFDMA系统中，可根据载干比(CINR)参数来决定切换。在各种切换类型中，连续的CINR测量都是必须的。遵照IEEE 802.16e协议的相关规定，系统可以通过扫描请求和响应消息使移动站周期扫描邻区基站，触发邻区扫描并发起切换。包括如下步骤：

      (1)当移动站检测到服务基站的CINR信号低于剔除门限(H_Delete_Threshold)，则可发起邻区扫描，测量邻区基站的CINR值。当移动站检测到某个邻区基站的CINR值高于服务基站信号的增加门限(H_Add Threshold)时，则发起切换请求。

      (2)基站和移动站均可决定选取目标基站的过程。移动站可经过扫描选取目标基站完成切换过程；移动站也可通过MOB_移动站SHO_REQ消息反馈测量结果给服务基站，由服务基站决定最终选取的目标基站。

      3.3.2 Inter-ASN系统间切换

      借助移动IP技术、基于MIP和基于代理MIP移动性管理方式完成跨ASN-GW切换。在基于MIP的切换模式下，MIP客户端驻留在移动站，由移动站实现MIP功能，跨ASN-GW的切换由网络侧发起。包括以下步骤：

      (1)切换的触发条件发生；
   
      (2)ASN-GW向移动站发送代理公告消息；
   
      (3)移动站在收到带有新转交地址(CoA)的代理公告后，向归属网络代理(HA)发送．MIP注册消息，以保证移动站会话连续性；
   
      (4)向HA转发MIP注册消息，HA返回MIP注册应答，并由当前服务的拜访地网络代理(FA)最终向移动站返回MIP注册应答。

      在基于代理MIP的切换模式中，由ASN-GW承担代理MIP功能的方式。MIP客户端驻留在ASN-GW上，由ASN-GW为移动站代理实现MIP功能。代理MIP方式下，ASN-GW在鉴权阶段从AAA服务器获得MIP注册所需要的相关信息，包括DHCP服务地址，生成鉴权扩展的安全信息等，跨ASN-GW切换处理对移动站而言是透明的。

      包括以下步骤：

      (1)服务ASN-GW通知目标ASN-GW建立一个新的MIP会话；
   
      (2)目标ASN-GW向HA发送MIP注册；
   
      (3)新MIP会话建立。在MIP成功注册后，HA将把移动站的后续前向报文发往目标ASN-GW；
   
      (4)触发目标ASN-GW建立与基站的隧道；

      (5)目标ASN-GW与基站之间建立新的Intra-ASN隧道关系。

      3.3.3  漫游

      漫游功能使得WiMAX用户能够在拜访地网络的覆盖区域内，使用系统提供的包括鉴权、计费等网络服务，从而为用户提供广泛的覆盖和业务接入范围。如图4所示的WiMAX支持漫游。ASN提供无线接入，拜访地NSP的V-CSN为用户提供Internet接人、AAA代理等功能，归属地NSP的H-CSN为用户提供Internet接入、用户鉴权、授权和计费等功能。漫游用户可以通过V-CSN或H-CSN接入到Internet网络中。主要流程步骤：

      (1)移动站接入网络；
 
      (2)归属地NSP的H-CSN对移动站进行用户／设备鉴权和IP地址分配；
   
      (3)可选的，如果用户支持标准MIP或代理MIP业务，那么系统还将使用标准MIP方式或代理MIP方式为用户建立MIP会话；
   
      (4)用户可以通过V-CSN接人到Internet网络中；
   
      (5)如果有强制隧道要求，那么用户将通过H-CSN接入到Internet网络中。

      当用户签约为支持漫游的WiMAX用户，且其归属网络与拜访地网络间支持漫游，那么，用户无论是使用游牧式、便携式还是完全移动式业务，都能在拜访地网络接入到WiMAX系统，从而使用系统提供的服务。

      4  结  语

      本文综合研究了在IEEE 802.16e技术规范和WiMAX网络结构中支持移动性的服务能力，进一步给出了基于IP的移动WiMAX网络的应用模型，为基于IEEE 802.16技术的应用和产业链的形成提供一个参考。研究进一步发现，虽然IEEE 802.16e提供了一系列WiMAX网络的物理层和MAC层的移动服务能力，而且WiMAX提供了移动性管理、鉴权以及网络接口，但WiMAx论坛尚未完善和优化以支持互联移动管理和资源管理，而且基于移动IP的应用的网络应用仍在研究之中，将进一步研究优化网络资源下的WiMAX网络的移动服务管理。