移动WiMAX硬切换时延性能优化研究*

徐昌彪，钟晓玲，刘志堃

（重庆邮电大学 移动通信重点实验室，重庆 400065）

1 引言

随着互联网的普及和对多媒体业务需求的增加，对无线通信系统提出了新的要求和挑战以满足日益增加的数据带宽需求。在众多的宽带技术中，WiMAX[1-2]作为面向“最后1公里”接入技术的出现，以其高宽带、低成本、部署灵活等优势，受到业界的追捧，有着重要的现实意义与战略价值[3]。

网络的无缝切换是支持移动性的关键技术，如何快速切换，降低切换时延和丢包率，是关系到WiMAX能否大规模部署的关键[4]。影响切换时延最主要的原因是MS发出切换指示HO-IND之后，从与目标BS进行上下行同步开始，MS与服务BS的媒体面连接就中止了[5]。WiMAX提供强大的QoS功能支持，在MAC层提供一系列的QoS保障机制，并通过服务流及其调度，QoS可分为5个级别，分别是 UGS，ErtPS，rtPS，nrtPS 和 BE[6-9]。

笔者提出了约束硬切换时延的理论解决方案，并重点介绍了结合关联2且利用R6信令交互进行参数协商的硬切换机制，并利用基于中兴通讯WiMAX产品线的实验平台，对相关模块代码进行特殊处理，模拟真实实验环境，测试所提硬切换机制的时延。

2 约束硬切换时延优化的理论解决方案

文中涉及的系统中，基站BS与接入网关AGW之间的信令通过R6隧道来传送，R6信令采用UDP后面直接加上NWGStage 3定义的信令格式，因此R6信令承载为UDP。下文中提出的硬切换设计方案需要在 “服务BSAGW－目标BS”之间通过R6接口交互基本能力信令和登记信令。该设计方案还结合了关联级别2的扫描，因此在本文称之为结合关联2且利用R6信令交互进行参数协商的硬切换机制。

其核心思想是：移动站MS在切换时发送RNG_REQ之后，不等待目标BS返回RNG_RSP消息，主动申请恢复与服务BS的上下行连接，切换期间继续接收服务BS的下行数据，也可以上传数据到服务BS。此时服务BS相当于MS与目标BS之间的中继器，原来是MS直接与目标BS进行RNG_RSP，基本能力协商请求/响应，登记请求/响应的发送和接收，在该方案中都必须通过服务BS经由AGW中继实现。这种利用R6信令交互进行基本能力协商和登记参数协商的方式，可以使MS在重入网络时保持与服务BS的正常通信，从而大大减小切换中的时延。

3 改进硬切换机制介绍

3.1 改进的硬切换流程设计

结合关联级别2且利用R6信令交互进行参数协商的硬切换流程如图1所示。

图1 结合关联级别2且利用R6信令交互进行参数协商的硬切换流程图

1）小区选择：BS发送MOB_NBR_ADV消息，MS周期性检测邻接BS，接着进行带关联2的扫描。在该方案中，所有BS都预先设定支持利用R6信令交互进行参数协商的操作，因此MS与目标BS进行关联并保存MOB_ASC_REP消息中的HO ProcessOptimization TLV，MS后续如果有SBC_REQ消息或者REG_REQ消息，都必须先发到服务BS（SBS），再由服务BS通过AGW转发到目标BS（TBS），而不再直接通过空中接口发到目标BS。

2）切换判决和发起：如果MS通过扫描关联发现当前服务BS的CINR或RSSI低于切换的门限值，MS向服务BS发送MOB_MSHO_REQ消息，服务BS通过AGW与目标BS进行切换通知（HO Notification）。

3）MS与目标BS进行ranging测距及恢复与服务BS的上下行连接：MS根据MOB_ASC_REP消息中HO Process Optimization判断得知，紧接着发送RNG_RSP_WAIT到服务BS，服务BS内部的LDS模块重新开始对MS下行媒体面数据进行调度，这样MS就可以继续接收来自服务BS的下行媒体面数据。于此同时，MS开启一个定时器用以确认关联是否成功。

4）MS借助服务BS和AGW与目标BS进行切换重入网络的基本能力协商：MS根据HO Process Optimization的第14位判断得知该硬切换的重入网络流程利用R6信令交互，首先发送SBC_REQ到服务BS，在SBC_REQ消息里面包含Target BSID等相关信息，就是MS想要切换过去的目标BS的BSID；服务BS收到SBC_REQ消息之后，通过内部MSH模块处理判断该SBC请求是要发往目标BS的，将消息封装为R6_SBC_REQ消息发往AGW；AGW将其转发至目标BS。目标BS收到SBC请求消息以后，开始与AGW重新进行基本能力协商。目标BS与AGW完成重入网络的基本能力协商之后，通过AGW向服务BS发送R6_SBC_RSP消息，服务BS根据MS的MAC地址判断是发到哪个MS的，往该MS发送SBC_RSP消息。

5）MS借助服务BS和AGW与目标BS进行切换重入网络的登记：假如RNG_RSP消息的HO Process Optimization里面的第9位设为0，MS与目标BS进行登记消息交互；假如第9位设为1，则MS可以忽略与目标BS的登记。另假如RNG_RSP消息的HO Process Optimization里面的第6位为0，基本能力协商和登记都不可忽略；假如第6位为1，则基本能力协商和登记都可忽略。

6）目标BS与AGW进行媒体面的建立过程：目标BS发送R6_DP_REG_REQ消息给AGW，通知最终媒体面隧道结果；AGW应答R6_DP_REG_RSP消息，开启媒体面隧道。

7）切换完成通知：目标BS发送R6_HO_Complete消息，请求AGW中继给服务BS；AGW接收到后转发R6_HO_Complete消息给服务BS，通知切换完成。

3.2 改进硬切换时延分析

切换时延从MS发送RNG_REQ消息到目标BS开始，到MS发送RNG_RSP_WAIT消息到服务BS结束，其中，MS发送ranging请求到目标BS接收到的时间为5 ms，MS发送RNG_RSP_WAIT消息到目标BS接收到的时间为5 ms，总的切换时延为10 ms。

因为RNG_REQ和RNG_RSP_WAIT消息都是通过空中接口发送，切换时延无需计算网元内消耗的10 ms。从上面的时延分析可知，该硬切换的时延远远小于现有的硬切换机制170 ms的时延，优势明显。因此借助这种硬切换机制，可以充分优化移动WiMAX系统的切换性能，即使在切换区使用UGS这类高级别QoS要求的业务，也不会导致用户在使用VoIP业务的时候发生话音中断，或是观看视频点播的时候出现画面和声音的不连贯。

4 模拟测试与性能分析

4.1 模拟测试环境和模拟测试方案

测试项目为切换时延模拟测试。测试目的是测试切换时延，从MS的log文件里面提取捕获到的切换时延数据。其中，测试环境预设条件为：1）BS1和BS2的基本能力参数和登记参数都不一致；2）BS1和BS2的基本能力参数一致，但登记参数不一致；3）BS1和BS2的登记参数一致，但基本能力参数不一致；4）BS1和BS2的基本能力参数和登记参数都一致。

外场测试场景如图2所示。MS（插在笔记本电脑的GCT卡，测试人员坐在车上）在BS1的服务范围接入，然后沿着公路向BS2移动。十字路口处是切换区，进行切换之后到BS2服务范围之后掉头往BS1移动，再次进行切换，如此反复。

图2 模拟测试的切换路线图

4.2 模拟测试结论和分析

分别在4种配置下进行6次切换，产生log文件，得到捕获的切换时延，单位为ms。现有的硬切换机制以及分别结合关联2和结合关联级别2且利用R6信令交互进行参数协商机制的模拟测试数据比较如图3～图6所示。

图3 第1种配置下的测试数据

图4 第2种配置下的测试数据

图5 第3种配置下的测试数据

图6 第4种配置下的测试数据

从图3～图6可知，无论目标BS与服务BS的基本能力参数和登记参数是否一致，都不会影响该硬切换机制时延的性能优化，其切换时延都控制在15 ms以内，远远优于前面前两种硬切换机制，完全可以支持VoIP和UGS等业务。虽然该硬切换机制会在R6信令交互的时候增加R6接口的负荷，但是这种信令面的负荷增加对R6接口的承载能力来说是微不足道的。

5 小结

对于移动WiMAX切换技术的研究还处于初步阶段，需要探讨和开展的工作还有许多，在未来的工作中应考虑到对于结合关联级别2的硬切换机制概要设计的具体实现，还需要完善BS侧、MS和AGW相应的处理模块，涉及的模块比较多，相应的接口和结构体也需要进一步协调确定，从而最终使系统能完全支持这种硬切换机制，并对其进行切换时延的实测。这次使用的外场测试环境只有2个BS，有必要在建成蜂窝网以后再进行进一步的外场测试，那样得出的数据将更能详尽地体现各方案的优劣性。

[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：在众说纷纭中前行[J].电视技术，2007，31（10）：47-49.

[3]汪涛.无线网络技术导论[M].北京：清华大学出版社，2008.

[4]张斌，靳浩，李国强，等.WiMAX网络快速切换研究[J].数字通信世界，2008（9）：40-42.

[5]李珺，陈义，李娟，等.邻居图在无线局域网快速切换中的应用[J].微计算机信息，2005（12）：127-128.

[6]鞠伟明.WiMAX网络监控和管理系统研究[D].北京：北京交通大学，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]赵萃萃，周继华，石晶林.基于IEEE 802.16的下行服务流调度算法设计[J].移动通信，2007，31（7）：32-35.

[9]吕志进.WiMAX构架及其对移动性的管理[J].电信快报，2006（10）：27-31.