基于IP的WiMAX網(wǎng)絡(luò)的解決方案

IEEE 802.16工作組近期發(fā)布了支持固定和移動寬帶無線接入的無線城域網(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，其中無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.16-2004是IEEE 802制定的固定寬帶無線接入規(guī)范，IEEE 802.16e是對IEEE 802.16-2004的補(bǔ)充和修正版本，以期望在IEEE 802.16-2004基礎(chǔ)上提供用戶站可達(dá)到車速移動的功能和服務(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，通過對IEEE 802.16技術(shù)應(yīng)用的頻段、應(yīng)用場景和互操作進(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試等規(guī)范。

　　由于IEEE 802.16e潛在地支持無線寬帶的移動能力，以及WiMAX論壇的積極推動，基于IEEE 802.16的WiMAX移動網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用正成為業(yè)界討論的熱點。IEEE 802.16m被選為下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)（IMT-ad-vanced）的候選方案之一，對比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、功率控制和多天線技術(shù)等，但從支持移動性以及和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)并無明顯的差別。本文將首先研究IEEE 802.16e的移動服務(wù)能力，然后著重研究基于IP的移動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)的未來的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方案。

　　1 IEEE 802.16e支持移動性服務(wù)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)展以支持多用戶通信和網(wǎng)絡(luò)移動性服務(wù)能力。下面分別對其基于物理層、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

　　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)利用多個并行的、傳輸?shù)退俾蕯?shù)據(jù)的子載波（子載頻）來實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率的通信。OFDM技術(shù)的優(yōu)點還在于其便于簡化信道均衡過程，并且支持在時域和頻域進(jìn)行多用戶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OFDM，OFDMA的使用可以帶來更多的靈活性，也即按照不同信道特點和數(shù)據(jù)量的需求，通過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OFDM碼元中合適的子載波組成串，各OFDM碼元中包括14個用于數(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個子載波組成片，6片被重組和置換以形成一個時隙。也即一個時隙包括分布在3個OFDM碼元中的48個數(shù)據(jù)和24個導(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)中支持多用戶分集，更便于鏈路自適應(yīng)處理。其中來自同一OFDM碼元的連續(xù)的子載波組成箱 （bin），AMC的一個時隙被定義為多個bin的組合，組合方式有：［6個bin，1個碼元］，［3個bin，2個碼元］，［2個bin，3個碼元］， ［1個bin，6個碼元］。AMC置換模式子載波分集置換對于移動系統(tǒng)更適合，而連續(xù)置換模式對于固定、游牧和低速移動環(huán)境適合。

　　1.2 IEEE 802.16e的MAC層增強(qiáng)功能和特點

　　IEEE 802.16e的移動性服務(wù)能力更多地體現(xiàn)在對MAC層的改進(jìn)上。提供的關(guān)鍵MAC層技術(shù)包括移動性服務(wù)的支持、切換和節(jié)電模式等。

　　1.2.1 802.16e的移動性支持

　　為支持切換和其他移動性服務(wù)，IEEE 802.16在MAC層提供了諸如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞墨@得、對目標(biāo)基站的掃描、關(guān)聯(lián)化，測距（ranging）、小區(qū)重選等功能。其中移動站掃描鄰居基站以確定新的分集集合。掃描步驟包括；識別合適的基站；與其下行傳輸同步，并且估計其信道質(zhì)量；測距使移動站完成和某個基站的同步過程。測距可以是基于沖突和非沖突的。基于非沖突的測距提供更快和可信的同步方法，但是以耗費資源為代價；關(guān)聯(lián)化使移動站得以記錄對分集集合的基站成功掃描和測距的次數(shù)，加速轉(zhuǎn)移該移動站的業(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)站點回程（back-haul）產(chǎn)生鄰居列表，支持移動站的切換服務(wù)。其中列表信息在 MOB_NBR_ADV的消息元素“handoffNeighbor preference”中?；局芷诎l(fā)送鄰居列表，每個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對于上行和下行傳輸都是可支持的，它允許移動站同時和在分集集合內(nèi)的多個基站進(jìn)行收發(fā)傳輸。FBSS與 MDHO的區(qū)別在于，在FBSS中移動站雖然和所有的候選基站進(jìn)行同步，但它只和一個中心基站進(jìn)行通信。硬切換、MDHO和FBSS技術(shù)提供了不同應(yīng)用層面的移動支持，其中MDHO和FBSS可減少切換時延，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性的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，以支持對MAC層之上的移動服務(wù)，并支持在不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的漫游和切換服務(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）的各邏輯功能實體。ASN由一個或多個基站，一個或多個ASN- GW（ASN網(wǎng)關(guān)）組成，它是一個完整的網(wǎng)絡(luò)功能集合，提供諸如無線資源管理（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用戶提供無線接入服務(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)點可以請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足切換和負(fù)載平衡等處理的需要。在密匙分配中，一個成對的主密鑰（pairwise master key，PMK）在移動站側(cè)計算得到并轉(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。采用分布計算支持在ASN-GW中產(chǎn)生新的用于對應(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執(zhí)行用戶認(rèn)證過程，從而減少處理延遲。CSN需向WiMAX用戶提供如AAA和DHCP服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫等的核心業(yè)務(wù)能力。不同的邏輯實體間通過各參考點（R1，R4和R5等）完成互操作。

　　3 基于IP的移動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，更包括了提供移動性管理、資源管理和AAA服務(wù)能力。以下研究基于移動IP和WiMAX技術(shù)的移動網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

　　3.1 基于IP的移動WiMAX應(yīng)用模型

　　圖 3所示為基于IP的移動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)用場景；支持多個NSP共享1個NAP的ASN網(wǎng)絡(luò)；支持1個NSP向多個ASN提供服務(wù)以管理1個或多個NAP；支持移動站或SS發(fā)現(xiàn)和選擇接入的 NSP；支持NAP采用1個或多個ASN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?；支持通過互聯(lián)接入不同運營商的服務(wù)；提供在不同組的網(wǎng)絡(luò)實體開放參考點，使不同運營商基于不同實體實現(xiàn)不同功能組合。為實現(xiàn)IP移動網(wǎng)絡(luò)管理，該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)支持移動IP技術(shù)，也即CSN需向WiMAX用戶提供包括IP連接服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)切換和系統(tǒng)漫游的能力。