WiMAX及其移动性管理

PAGEPAGE36WｉMAＸ及其移动性管理宽带无线接入技术随着传输宽带化、业务多样化成为通信进展的大趋势,核心网由于已经具备了超高速和超容量的特征，因此宽带接入网建设就成了电信网必须解决的瓶颈问题。其中,宽带无线接入以其组网灵敏飞快、升级维护便利以及高速双向数据传输等优点正赢得业界的青睐。为降低硬件成本，提高制造商之间设备的互操作性，IEEE（电气电子工程师协会）为各种宽带无线接入技术制定了统一的标准,把无线网络标准分成以下几种:IEＥＥ802。15是个人区域网络（ＰＡＮ）（如蓝牙）;IＥEＥ8０２．1１是我们熟知的无线局域网;ＩEEE８02。16为无线城域网（MＡN）;而IEEE8０2．20则是掩盖面积更广的广域网（WAN)。ＩEEE802．16标准在上几种标准中，ＩEEE802．１６标准又称IEEEＷｉrelessＭAＮ空中接口标准，对工作于不同频带的无线接入系统空中接口进行了规范。由于它所规定的无线系统掩盖范围在公里级，因此802.1６系统主要应用于城域网.依据是否支持移动性,８０2.16标准可分为固定宽带无线接入空中接口标准(ＩEＥＥ802．16－2004）和移动宽带无线接入空中接口标准（IEＥE８02．1６ｅ）。8０2。16标准系统到目前为止包括８02.１6、８02．16a、802.１６ｃ、8０2．16ｄ、802.１6e、80２。16f和802。1６g共七个标准，如表1所示。其中8０２.16、80２．１6a、80２．16d属于固定无线接入空中接口标准,而8０２．16e属于宽带无线接入空中标准。表2是IEＥＥ802.16系列各空中接口标准特征比较。ﻩﻩ表1802．16标准系列标准号负责的技术领域８０2．16称为固定宽带无线访问系统的空中接口，于2001年1２月通过批准。这个标准专为无线城域网制定,频率是10GＨz到6６ＧＨz。8０２。1６a作为一个８０2。１6的修正案，IEＥE于200３年1月公布.这个修正案为原始方案增加了２ＧHz-11GHｚ授权和非授权频率的运行。８０2。１6c２002年12月公布，用来保证1０GHz—66GＨz范围内各系统的互操作性。固定宽带无线接入系统空中接口标准增补文件：简略系统框架８０2．16—２0０4（8０2.１６d）固定宽带无线接入系统空中接口标准(１０～66GHz,〈1１ＧＨz)，它是８０2。１6标准系列的一个修订版本,是相对比较成熟并且最具有有用性的一个版本.8０2。16-2004对10~6６GHｚ频段和＜１１GHｚ频段的固定宽带无线接入空中接口物理层和MＡＣ层进行了简略规定,定义了支持多种业务类型的固定宽带接入系统的MAC层和相对应用的多个物理层。该标准对前几个802．1６标准进行了整合和修订,仍属于固定宽带无线接入规范。它保持了802.1６，8０２。16a等标准中的全部模式的主要特征同时未增加新的模式，增加或修改的内容用来提高系统性能和监护部署，或者用来更正错误,不明确或不完整的描述，其中包括对部分系统休息的增补和修订。２０0４年10月1日，IEＥE正式发布。802。１6ｅ固定和移动宽带无线接入系统空中接口标准（＜６GＨz）80２.１6ｆ固定宽带无线接入系统ＭAＣ层和物理层的管理信息库（MＩB）要求以及相关的管理流程。计划将在20０6年发布。802。16g固定和移动宽带无线接入系统空中接口掌握平面和管理平面流程及服务要求。事先8０2.16设备的互操作性和对网络资源，移动性和频谱的有效管理。计划将在２０07年发布。表2802。1６主要标准的空中接口标准特征比较８02.1680２.16a８02。１６ｄ８02。16e使用频段1０ＧHz～66GHz〈１1GHz〈1１ＧＨｚ10GＨz～6６ＧhHｚ<６ＧＨz信道条件视距非视距视距+非视距非视距固定/移动性固定固定固定移动＋漫游调制方式ＱPＳK、16QＡM和6４QAM２5６ＯFＤM（ＢＰSK/QPSＫ/16QＡＭ／６4ＱAM）２56OＦＤM(ＢPSK／QＰSK/16QAM／64QＡM)20４８OFＤＭA2５６OFDM(BPSK/QＰＳＫ/1６ＱAM/64ＱAM)１２8/512/１０24／２048OFDMＡ信道带宽２5ＭHz~２８ＭＨｚ1。25MＨｚ~20MＨz1。2５MHｚ～2０MＨz1。２5MHｚ～2０MHｚ传输速率（最佳Ｓ/N)32Mbit/s～134Mｂit/s（载波带宽２8MHｚ〈5ｋｍ)75Ｍbiｔ／s（载波带宽20MＨz）75Mｂiｔ／ｓ（载波带宽2０MHｚ）１5Mbｉt/s（载波带宽５MHz)额定小区半径<５ｋｍ5km～１0ｋｍ5ｋm～15ｋｍ１km～5kmIＥEE802．16ｅ是2０05年提出的。相对于IEEＥ8０2．16d协议，它的最显著的变化是增加了对移动性的支持。该标准规定了可同时支持固定和移动宽带无线接入的系统，于2005年1２月正式通过.工作在适宜于移动性的许可频段，支持高速移动,同时802．１6d规定的固定无线接入用户能力并不因此受到影响。与８02。１6ｄ技术相比,8０2。1６ｅ技术的PHY层ＯFDＭA方式进行了扩展；MAC层增加了支持移动切换的功能，如休眠期、小区搜寻与同步、小区选择及切换过程等。这些转变使得终端的漫游和切换成为可能.3、WiＭAXWiMAＸ正是一种基于ＩEEE８０2。16系列标准的宽带无线接入城域网（BroａｄｂａnｄWiｒelｅｓsAｃcｅssMeｔrｏpolitaｎAreaNetwork）技术，它的全称是微波接入全球互通（WoｒｌdIｎteｒｏpeｒabｉlityfｏｒＭicrｏwavｅAcｃeｓs)，具有无线宽带、高容量、及远距离传输的能力以及与全IＰ网络无缝融合的能力。最高可供应75Ｍb/s的传输率,单基站掩盖范围最大可达48km。它的基本目标是在接入城域网接入环境下,为家庭、企业以及移动通信网络以及将来的个人移动通信业务供应“最后一公里"的高速宽带接入，确保不同厂商的无线设备互连互通。WｉＭＡＸ的技术特点与优势当前的主流宽带无线接入技术IＥＥE802.11x虽然获得很大成功，但ｗｉ－fi及WLＡＮ等技术的总体设计及其供应的特点并不能很好地适用于室外宽带无线接入的应用。当其用于室外时，在带宽和用户方面将受到限制，同时还存在着通信距离等其他一些问题.基于上述情况,ＩEEE制定了8０2．16标准,它能同时解决物理层环境（室外射频传输）和QoS两方面问题，满意了日益增长的宽带无线接入市场需求。基于IEＥE802。１６的ＷiMＡX设备可以在“最后一英里”宽带接入领域替代CaｂleMｏdeｍ、DSＬ和T1/E１，也可以为IEEE8０２.11热点供应回传.热点回传(bacｋhaul）模式是ＷｉMＡX的应用模式之一,它采纳WｉMAX无线接入网络把远端ＷiFi热点业务回送到核心网，其主要特点是以无线传输方式实现业务回传，与传统有线回传模式相比,其特点显而易见,可作为传统回传模式的补充或替代方案。802。１６标准还规范了一个支持诸如语音和视频等低时延应用的协议，在用户终端和基站之间允许非视距的宽带连接，一个基站可支持数百上千个用户，在牢靠性和QｏS方面供应电信级的性能。总之，WｉＭAＸ技术充分考虑了全世界通信公司和运营商对一个可扩展、长距离、大容量“最后一英里”无线通信系统的需要，可支持一整套的服务,从而使运营商能够在降低设备成本和投资风险的同时提高系统性能牢靠性。WiＭＡＸ技术具有诸多优势:开销及投资风险小。设备的互用性使运营商能从多个设备制造商处购买WiMＡX认证设备,稳定的基于标准的平台将激发各层的网络管理功能，同时也将保证多天线技术的应用,包括自适应天线系统和多输入多输出技术,从而降低运营费用。长距离下的高容量。WiMAＸ中采纳网状网Meｓh、波束形成（Ｂeam—ｆｏrming)、MＩMO、OFＤＭ等先进技术来改善非视距性能，出众的系统增益供应更远距离穿透阻挡物能力.WiＭAX基站可以供应最高每扇区75Mbit/ｓ的吞吐量，可以同时为超过60个Ｔ1级别的商业用户和上百个ＤSL数据速率的家庭供应接入服务。每个基站的掩盖范围最大可达5０ｋm,典型的基站掩盖范围为6—1０km。WiMAX支持自适应调制和可变纠错编码技术,基站可以依据信号的强弱在吞吐量和掩盖范围之间进行权衡。ＷiMＡX信道带宽可以依据实际的需求进行调整,从而更有利于抗干扰、节省频谱资源和频谱规划。系统容量的可升级性。新增扇区简易灵敏的信道规划使容量达到最大化，并且允许云营商依据用户的进展来逐渐升级扩大网络，灵敏的信道带宽规划适应于多种频率安排情况。从单个用户到数以百计的用户，ＭＡC层协议可以保持高效的安排机制.有效的服务质量掌握。WiＭAX中动态TDＭA多址方式(granｔ／reqｕest）的MＡＣ层支持数据、语音(VoＩP）以及视频等对时延敏感的业务。依据业务的分级不同，带宽进行按需安排（Oｎ-demaｎd）。6）供应无线形式的“最后一公里”宽带接入,同时保持了对Wｉ—Fi技术的补足功能,供应T１／E１速率的网络连接至Wi－Ｆi的接入点。３.2WIMAX网络参考架构图1WiMAX网络的参考架构ＷｉＭAX网络的参考架构如图１所示。整个网络分为接入网（ＡＳN)和核心网（ＣＳN）两大部分，ＷｉMＡＸ终端包括固定、漫游和移动3种类型终端。其网络构架如图1所示。WiMAX接入网主要支持无线资源管理，其简略功能包括：1）建立和维护ＷiＭAX基站和用户的层2连接；2）作为AＡA代理，协同AAA服务器一起完成用户的鉴权,授权以及计费；３）网络发现和选择；4）协助核心网与WｉMAＸ终端建立层3连接,例如IＰ地址管理;5）无线资源管理;6)接入网内的移动性管理；7)寻呼和位置管理；8)接入网和核心网隧道建立和维护。它主要包括基站、基站掌握器、接入网关等功能实体。一个接入网可以连接到多个ＣSN.WiMAX核心网解决用户认证、漫游等功能及ＷiＭＡＸ网络与其他网络之间的接口关系.它主要包含以下功能：1）IP地址安排；２）Intｅrｎet接入;３）AAA代理或者服务器；４）基于用户属性的能力掌握和管理；5）接入网和核心网隧道建立和维护；6）接入网之间的移动性管理;7）为用户供应WiＭAＸ业务（如基于位置的服务、点对点业务、多媒体多播组播业务、ＩＰ多媒体业务、紧急呼叫服务等）。CSN包含很多功能实体，如路由器、AAA代理／服务器、用户数据库、互联网关等。在WiMＡX单独建网时,作为独立网络进行建设,与3G互联混合组网时,可与3G核心网共用一些功能实体。此外还有R１～R８共8个接口,其定义和功能如下：R１为ＭS和BS间的空中接口，可能包含管理平面的功能；R2为MS和CSＮ之间的规律接口，供应鉴权、业务授权和IP主机配置等服务。此外，可能还包含管理和承载平面的移动性管理；R3为AＳN和CSＮ间的接口，实现两者间用户数据和掌握信令的交互;R4为AＳN件的接口,完成ASN间数据、信令的交互;R5为归属地ＣＳN（HｏmｅCSN）与访问地ＣSＮ（ＶiｓiｔｅdＣSN)之间的接口;R6为基站和ASN—ＧW之间的接口，由一系列掌握和承载平面协议构成；Ｒ7为ＡＳN－ＧW的内部接口;R８为基站与基站之间的接口，用于快速无缝切换功能.（3）WiMＡＸ网络参考模型WiＭAＸ网络参考模型如图所示。图2WiMAX网络参考模型从图中我们可以得出，WｉMAX系统包括两个平面，数据/掌握平面与管理平面。在数据/掌握平面中，IEEE８０2.16标准为无线空中接口分别定义了媒体接入掌握层MAC和物理层PHY。ＭAＣ层特性:WiMＡX的MAＣ层最大的特点是面对连接，每个连接均由一个标识符（CＩD）来为一标识。而且，MＡC层针对每个连接可以设置不同的ＱoS参数,包括速率、延时和时延抖动等指标，从而为该连接建立专门的服务质量保证机制。WiＭＡＸ的MＡC层使用由ＢＳ支配的时分多址接入(TDＭA）协议在点到多点的网络拓扑中给用户安排容量。采纳这种TDMA接入机制后，该系统不仅能够供应高速数据业务，而且还能供应对时延敏感的业务如语音、视频、或数据库访问等。MＡC又可以划分为三个子层，它们分别是:面对业务的会聚子层（CS），公共部分子层和平安子层。面对业务的会聚子层面对业务的会聚子层的功能是供应从本层的服务访问点接收到的外部网络数据到WｉMAX系统内MAＣ层业务数据单元（SDU)之间的转换或者映射。为完成二者之间的转换或者映射，该子层需要支持以下相关功能：对接收到的外部网络ＳＤＵ进行分类，并与相应的服务流建立对应关系,对净荷（paylｏad）的报头部份进行压缩等。WｉMAX标准已经给出MAC层ＳDU与多种外部网络数据之间的转换与映射方法。经过面对业务的会聚子层转换以后得到数据的内部格式指对本层有效，而公共部分子层不需要接收到数据包的格式或者是通过解释面对业务的会聚子层生成的净荷来得到任何消息.2）公共部分子层ＭAC部分的公共子层是ＷiＭＡX供应具有QoS服务的关键。公共部分子层实现了全部ｍac层必需的核心功能，包括上行业务类型的划分，带宽资源的调度,系统接入,带宽的恳求安排，连接的建立与维护，初始测距以及周期性测距等.公共部分子层通过MAＣ访问点SAP，从面对业务的会聚子层接收数据。并且接收的全部数据都与某一个确定的连接绑定.对于连接的服务质量掌握以及数据单元的调度机制均在该子层实现。由于无线传输环境中会受到可用频率、多径、衰落等因素的影响,因此数据传输的牢靠性以及有效性都很难得到保障。然而，ＷiMAＸ系统强调在无线传输环境下，实现有面对连接的数据发送与接收.这一目的的实现依靠于公共部分子层中实现的一系列严格的服务质量掌握机制.目前，针对WiMAX所进行的性能改进方面的讨论工作，大都在公共部分子层进行。而且,对于ＷｉＭＡＸ系统物理层的部分研发工作也常常需要结合ＭAC层中公共部分子层所采纳的服务保障机制来展开.3）平安子层WiＭAＸ系统的MAC层还包括了一个独立的平安子层,具备鉴权、平安的密钥交换以及加密功能。该子层主要由数据包的加密打包协议和密钥管理协议两部分组成.其中，数据包的加密协议定义了一系列的认证和加密算法,以及将这些算法运用到协议数据单元(ＰDＵ）净荷部份的规章。而密钥管理协议主要是供应了基站与用户终端之间平安的密钥安排机制.WiＭAX的MＡＣ层通过物理层的SＡＰ,将生成的MAC帧交给物理层在无线链路中进行传输。不同于其他无线网络的是,WｉMＡＸ系统的设计中还引入了联合优化的思想,对物理层和MAC层进行综合管理：MAC层可以通过物理层的ＳAP来收集有关的统计信息。MＡC层的公共部分子层中定义了多种服务质量的保证机制，这些机制通过收集相关的物理层信息，可以了解当前物理传输环境的状况，从而可以对有关参数进行调整，甚至可以通过物理层的SAP传递一些掌握指令，对物理层进行掌握。IEＥE802。１６标准定义了多种物理层工作模式,包括单载波、正交频分复用OFDM、正交频分复用多址接入（OFDMA）等。所定义的每一种传输方式都有自身最合适的工作频率范围以及支持的上层应用.3。３.2物理层特性WIＭＡX物理层定义了多种工作模式,其中最常见的是ＯＦDM模式。选用OFDM是由于它在保持高频谱效率和最大限度利用可用频谱的同时还支持非视距的传输。为了在各种信道环境下供应牢靠的性能，WIMAＸ的物理层支持智能天线技术，来改善基站服务的范围和容量。同时,物理层还采纳了Reｅd-Sｏｌoｍn与卷积级联码的前向纠错、动态频率选择、空时编码来减小干扰，提高在衰落环境下的性能。WｉＭAＸ的物理层支持时分双工TDD和频分双工ＦＤD两种双工方式。FDD需要成对的频率，TDD则不需要,而且可以灵敏地实现上下行带宽动态调整。在ＷiMＡX中，还规定了终端可以采纳半双工频分双工方式(Ｈ－FＤＤ）,降低了对终端收发器的要求，从而降低了终端成本。WiＭＡＸ支持灵敏地划分载波带宽，系统可以采纳从1。2５－20MHｚ之间的带宽.对于10-66ＧHｚ的固定无线接入系统论还可以采纳2８ＭHz的载波带宽,供应更高的接入速率.多种双工方式的支持和灵敏的载波带宽的划分,使得WIMＡX系统能后适应世界各地不同的管制法,便于以后部署与实施.３.4ＷｉＭＡX关键技术3。4.１OFDM/OFDＭA在8０2．1６d／１6ｅ中均引进了正交频分复用（OFDM）和正交频分复用多址（OFＤＭA）技术，OFDM和OFDMA是将来物理层主要的关键技术之一.OFDM的主要思想是:将信道分成若干相互正交的子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。正交信号通过接收端采纳相关技术分开，可以在肯定条件下削减子信道间干扰(ICＩ）。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道可看作平稳衰落信道,从而消除了符号间干扰（IＳI)。由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分,信道均衡变得相对容易。在WiMAX系统中,OＦDM技术为物理层技术,主要应用的方式有两种：ＯFDM物理层和OＦＤMＡ物理层.OFDM技术之所以越来越受关注，是由于ＯFDM有很多独特的优点：频谱利用率很高，抗多径干扰与频率选择性衰落能力强，采纳动态子载波安排技术能使系统达到最大比特率，通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力等。此外，基于离散傅立叶变换(ＤFT）的ＯFＤＭ有快速算法，OＦDM采纳快速傅里叶变换(FFT)和逆快速傅里叶变换（ＩFFＴ）来实现调制和解调，易用数字信号处理器(DSP)实现。ＯＦDM作为保证高频谱效率的调制方案已被一些规范及系统采纳.OFＤＭ将成为新一代无线通信系统中下行链路的最优调制方案之一,也会和传统多址技术结合成为新一代无线通信系统多址技术的备选方案。除上述优点以外,OFＤＭ也有3个较明显的缺点：对频偏和相位噪声敏感;峰均功率比(PAＰR)大,导致发送端放大器功率效率较低；以及自适应的调制技术使系统简洁度有所增加.因此作为改进，在OFDＭA系统中,用户仅仅使用全部的子载波中的一部分，如果同一个帧内的用户的定时偏差和频率偏差足够小,则系统内就不会存在小区内的干扰,比码分系统更有优势。由于OFDＭA可以把跳频技术和OFＤM技术相结合,因此可以构成一种更为灵敏的多址方案,此外由于OＦＤＭA可以灵敏地适应带宽要求,可以与动态信道安排技术结合使用来支持高速的数据传输.在将来的物理层技术演进中,OＦDＭＡ仍然会作为一种格外重要的关键技术连续保留。Ｗiｍax系统的空中接口使用了无线ＭAN-ＯFＤMA方案.ＯFDMA要求不同的用户共享快速傅立叶变换（FFT)的空间,并可以在相同的时隙内通过不同的子信道同时传送数据。Wiｍax论坛简略规定了带宽在5M和1０M时,ＦFＴ的大小分别是51２点和102４点.表1列出了带宽为５M时，512点FFT的ＯFDMA系统参数.表３带宽为５Ｍ时512点FＦT的OFDMA系统参数参数名称取值信号带宽5MHzＦFT点数512可用符号间隔８9。６保护间隔１1．2OFＤＭA符号间隔100。8子载波间隔11．１60714２９kHz采样频率５.71４MHｚ采样时间17５ｎsCP长度6４3．4。２帧结构WiMAＸ物理层定义了几种双工方式:ＴＤD、FＤＤ和HFDD。这几种方式都使用突发数据传输格式，这种传输格式支持自适应的突发业务数据，传输参数(调制方式、编码方式、放射功率等）可以动态调整,但是需要媒体访问掌握(ＭＡC)层协助完成。在TＤＤ模式下,每个物理帧长度固定，上下行的切换点可以自适应调整,下行在先，上行在后，这样杜绝了上行方向的竞争。同时,上下行和下上行子帧之间可以插入收发时隙，以留出必要的保护间隔。资源的调度和安排可以在基站（BS）上集中掌握，使得信道可以灵敏地全部用于上行或下行。另外,针对不同的应用场景，在帧结构中定义了多种排列方式，提高频谱利用率以及克服多径衰落.此外还采纳了128/512／１0２4/２04８个可变子载波的ＯＦDＭＡ方式,使设备信道带宽可在1．75MHｚ~2０MＨｚ间灵敏调配,从而使其具备更强的信道均衡能力和抗快衰落能力，以保证ＷiＭAＸ终端在移动环境中的使用。3．４。3多输入多输出MIＭO技术MＩMＯ是将来移动通信的关键技术，它主要有两种表现形式，即空间复用和空时编码。这两种形式在ＷiMＡＸ协议中都得到了应用。空时编码是MIＭO的主要应用形式之一,正交的空时分组编码可以获得满分集增益，空时网格编码不仅能够获得部分的分集增益,同时也能够获得编码增益。空间复用技术使得信道容量成倍地增长变为可能。它使用迫零和干扰对消进行逐符号检测,发送端无需知道信道信息，无需进行通道校正，当信道容量下降时，复用系数会依据信道状况自适应地转变.WiMＡＸ相关协议还给出了同时使用空间复用和空时编码的形式，支持ＭＩMＯ是协议中的一种可选方案。结合自适应天线阵（AAS)和MＩＭＯ技术，能显著提高系统的容量和频谱利用率，可以大大提高掩盖范围并增强应对快衰落的能力，使得在不同环境下能够获得最佳的传输性能。3。4．4混合自动重传恳求混合自动重传恳求ＨARＱ是一种新的将自动重传（ＡRQ)和前向差错编码结合的物理层技术，主要分为３类。I型HARQ，只是把FEＣ和ARQ简洁地结合起来，虽然在肯定程度上解决了前向纠错ＦＥC和ARＱ本身的缺陷,但是由于每次只是简洁地把出错数据分组丢弃，要求发端重传该数据组,没有充分利用出错的数据分组当中的有用信息,导致整体数据传输效率不高。II型ＨＡRＱ,在I型的基础上,以码合并产生解码增益的思想充分利用了每次发送的数据分组当中包含的有用信息,但是在ＩI型HARQ当中重发的数据分组包含新增的冗余信息(将有用信息合并在一起产生的新的数据分组）,而并不包含原始数据信息,因此不具备自解码能力，如果原始数据分组被破坏严重或丢失，那么无论重传多少次也无法正确解码,这是IＩ型一个很大的缺点。III型HAＲQ,为了克服ＩＩ型ＨＡＲQ的缺点,IＩI型HAＲQ无论是原始数据包还是重传数据包都包含原始数据信息，仅通过对重发数据包进行解码就能够恢复出原始数据信息。灵敏采纳III型HAＲQ中单冗余版本，可以更好地提升系统的性能。在WiMAX技术的应用条件下（室外远距离)，无线信道的衰落现象格外明显，在质量不稳定的无线信道上运用TCP/IＰ协议，其效率十分低。WiＭAX技术加入了HAＲQ机制，削减了到达网络层的信息差错,可大大提高系统的业务吞吐量。目前的协议对于HＡRQ方式的简略规定为：在１６ｅ协议中,HＡRQ在MAC层是可选的.HARQ功能和相关参数是在网络接入过程或重新接入过程中被确定和协商的.HARＱ是基于每个连接的,它可以通过消息DSA／DSＣ来确定每个服务流是否有HＡRQ的功能.3.4．５自适应调制编码信道编码技术在无线通信中是必不行少的,通过信道编码(纠错码)实现差错掌握是高速通信中的关键技术之一。自适应调制编码（ＡMC）的基本思路就是依据信道条件安排传输功率和码率，以提高传输速率或系统吞吐量.自适应技术包括传输信道参数的测量，以及在优化预先指定的代价函数的基础上，选择一种或多种传输参数。AＭC在WiMＡX的应用中有其特有的技术要求,由于ＡMＣ技术需要依据信道条件来推断将要采纳的编码方案和调制方案，所以ＡMC技术必须依据WｉMAX的技术特征来实现AMC功能。与CDMA技术不同的是,由于ＷiMAX物理层采纳的是OＦDM技术，所以时延扩展、多普勒频移、PAPR值、小区的干扰等对于OＦDM解调性能有重要影响的信道因素必须被考虑到AＭＣ算法中，用于调整系统编码调制方式,达到系统瞬时最优性能.ＷiＭＡＸ标准定义了多种编码调制模式，包括块Tuｒbｏ码、卷积Ｔurｂo码等纠错能力很强但解码延时较大的信道码,同时也考虑使用低简洁度、低延时的低密度奇偶校验(ＬＤＰC）码.LDPC作为一种新的纠错编码的方法，是一类可以用格外稀疏的奇偶校验矩阵定义的线性分组码，已经成为了下一代卫星数字视频广播标准（ＤＶB-S2）的一项关键技术。如果在WiＭAX中应用LＤPC码，由于LDPＣ码有很好的抗衰落性，编码增益很高，接收机在较低的信噪比情况下仍然可以拥有较低的误码率，可以使掩盖范围得到提升。３．4.6休眠模式WiMAX为削减ＭS的功耗而采纳了休眠模式.支持休眠模式的MＳ具有两种状态：糊涂状态和休眠状态.在糊涂状态下，MＳ能够正常接收和发送数据分组；而在休眠状态，它不能发送和接收分组，甚至可以关机。从MS进入睡眠状态到其转到糊涂状态的持续时间被称为休眠间隔,此间隔在规定的最小和最大值之间依据指数时间算法进行实时更新。从MS进入糊涂状态，到与下行链路建立同步,解调下行链路数据，并作出连续保持糊涂状态或进入睡眠状态的推断所持续的时间称为监听间隔，此间隔由BS和MS协商决定.在进入休眠状态时,MS将通知BＳ并获得它的支持.在MS处于休眠状态期间,ＢS将存储或丢弃全部发给此MS的数据分组，并在其处于糊涂状态时以广播消息通知它。MＳ在肯定的休眠间隔后奘入糊涂状态，并检查其间是否有数据分组到达,如果有,它将连续保持糊涂状态。ＭS可以随时终止休眠状态，返回到糊涂状态，而不必等到休眠间隔结束。若BＳ接收到被认为是处于休眠状态下的MＳ所发送来的数据,则认为此MＳ不再处于休眠状态.3。4.７切换方式IＥEＥ８02。1６e采纳了终端帮助的切换方式,MS收集相应的切换信息并将其传输给网络，网络收集相应的信息，进行判决并执行切换。其切换类型分为信道间切换和小区间的切换.其中信道间的切换指的是同一基站的不同信道间的切换，而小区间的切换主发生在两个同频的BS之间的切换。此外，标准还规定了一种必选的切换模式，简称为ＨＯ(hanｄoveｒ)，实际上就是通常所说的硬切换。还供应了另外两种可选的切换模式:ＭDHO(宏分集切换）和FＢSＳ（快速ＢS切换).移动台可以通过当前的服务BS广播的消息获得相邻小区的信息，或者通过恳求安排扫描间隔或者是睡眠间隔来对邻近的基站进行扫描和测距的方式获得相邻小区信息，对其评估，寻找潜在的目标小区.切换既可以由MS决策发起也可以由BＳ决策发起。所谓快速切换，指的是MＳ无需执行HO过程中的步骤就可以完成从一个ＢＳ到另一个BＳ的切换。支持FＢSS对于MS和ＢS来说是可选的.而进行宏分集切换（MDＨＯ）时，ＭＳ可以同时在多个BＳ之间发送和接收数据,这样可以获得分集合并增益以改善信号质量.是否支持ＭDＨO对于ＭS和BS来说也是可选的。３。5WIＭAX技术的应用场景WｉMＡＸ目前定义的几个代表性的使用场景如表4所示，包括固定、游牧、便携、简洁移动及自由移动五种应用场景。固定接入业务是802。16运营网络中最基本的业务模型,包括:用户因特网接入，传输承载业务及wi-fi热点回传等。游牧场景下,终端可以从不同的接入点,接入到一个运营商的网络中，在每次会话连接中，用户终端只能进行站点式的接入，在两次不同网络接入中，传输的数据将不被保留。便携场景下,除了进行小区切换，连接不会发生中断,从这个阶段开头，终端可以在不同的基站之间进行切换。当进行切换过程时,用户将经历短时间(最大2Ｓ）的业务中断或者感到一些延迟。切换过程结束后,TＣP／ＩP应用对当前IＰ地址进行刷新，或者重建ＩP地址。简洁移动场景是能够在相邻基站之间切换的第一个场景。在切换过程中，数据包的丢失将掌握在肯定范围，最差的情况下,TCP/IＰ会话不中断,但应用层业务可能有肯定的中断。切换完成后,ＱoS将重建到初始级别。简洁移动和全移动网络需要支持休眠模式、空闲模式和寻呼模式.在全移动场景下，用户可以在移动速度120km/h甚至更高的情况下，无中断地使用宽带无线接入业务,当没有网络连接时,用户终端模块将处于低功耗模式.表4WiMAX典型使用场景性能固定游牧便携简洁移动自由移动移动性无会话中无移动性要求5ｋm/h＜60ｋm/h性能不下降，６0－１20ｋｍ/h性能略有下降〈１2０km/h性能不下降总的切换时延无无尽力而为IＰ子网络间切换＜１秒,子网络内切换〈１5０ｍｓ<5０mｓ切换过程中数据传输中断时间无无尽力而为〈１50mｓ<5mｓ和帧长中的最大值。会话连续不支持不支持尽力而为支持支持空闲模式支持可选可选可选支持支持移动时典型应用无无e-maiｌ、weｂ、ＦTＰ、带bufｆｅr的流媒体、VPＮe-maｉl、wｅb、FTP、带ｂuffer的流媒体、VＰNＶoＩP、可视电话、网络游戏、无bｕfｆeｒ流媒体宏分集可选可选可选可选支持，可接收合并来自多个BＳ的数据或者进行快速小区选择典型设备类型CPＥ、网关笔记本内置设备笔记本内置设备笔记本内置设备、PＣＩPDＡ手机、笔记本或mp３等内置设备WiMAX与3G技术的比较ＷiMAＸ技术和3Ｇ技术,首先由于定位不同，两者存在很大差异,首先从标准化程度上看,WiMAX仅定义了空中接口的物理层和MAＣ层。在MAC层之上采纳的协议以及核心网部分不在WiMAX所包含的范围之内。802．16e的空中接口标准化工作虽然已完成,但目前仅在部分地区投入商用。3Ｇ技术作为一个完整的网络,其空中接口规范、核心网系列规范以及业务规范等都已经完成了标准化工作。其次，从业务能力上看，WｉＭAＸ供应的主要是具有肯定移动特性的宽带数据业务,面对的用户主要是笔记本终端和WiMAX终端持有者，它接入ＩP核心网,也可以供应VoIP业务。3G从设计最初就是为话音业务和数据业务共同设计的，对于话音业务，核心网络仍采纳电路交换方式实现，ＱoＳ有较高的保障.WｉMＡＸ牺牲了移动性换取了数据传输能力的提高，它的数据带宽优于３G系统。但是3G的数据能力也在不断提高，3G增强型如ＨSDPA（高速下行分组接入技术)已经可以实现10Mbit/s的接入速率。依据ITU的定义,3Ｇ增强型最终目标可以达到３0Mbit/s。再次，从掩盖范围上看，WiＭAX针对的是城域网，为了获得较高的数据接入带宽(３０Mbit/s）,必定要牺牲掩盖和移动性，因此它在相当长的时间内将主要解决热点掩盖，网络可以供应部分的移动性,主要应用会集中在游牧或低速移动状态下的数据接入.它可以支持50公里的视距信号传输及7至1０公里的非视距信号传输.３G的掩盖范围是１至5英里,它针对的是广域网,它是无处不在的网络,掩盖是连续的,用户可以实现不间断的通信,具有良好的广域漫游和平安性,以及终端便携等移动特性。最后，从无线频谱资源上看，3G拥有全球统一的频谱资源,而WiMＡX则正在试图寻找２～６ＧＨZ之间的频率资源,各个国家目前可用的频率都不全都。因此,WiＭＡX最终获得足够的全球统一频率存在肯定难度。从以上各个角度的分析可以看出,虽然ＷｉMAX在数据能力及系统容量等方面要优于３G，但是从标准化、全球统一频谱、技术特性等多角度考虑，WiMＡX距离真正商用还有很长的路要走，而且在相当长的时间内主要解决热点掩盖，解决部分移动性,它的应用领域将与3Ｇ有所不同，可以作为3Ｇ技术的一个补充而与之并存.08/1１/20４.ＷｉMAＸ移动性管理ＷiＭAX网络具备支持漫游、移动业务的能力，其移动性管理方式对于网络结构产生了较大影响。移动性管理主要就是在整个服务网络内有效地支持终端的漫游和移动，涉及位置管理和切换管理两部分。WiMAX网络规范移动性管理的目的是供应一套机制(包括协议和消息）支持功能实体之间通过标准的参考点（R1至Ｒ5)进行交互，完成移动性管理功能。与参考点无关的内容,例如切换判决机制等，网络规范不作规定，取决于设备商的简略实现和算法。一般来说，切换可以由MＳ发起或网络发起，切换判决与无线资源管理(RＲM)、ＱoＳ和业务流管理(SFA）亲密相关，切换过程中需要进行信令交互，在MS、源ＢＳ和目标ＢS等实体之间交互切换相关消息，建立新的数据通道,并释放原有数据通道，对于更高层的切换,例如跨ＡＳＮ的切换，还将涉及ＡSN－GＷ、ＣSＮ等实体。在切换过程中,需要有完善的机制保证数据通道的建立和释放、ＱoS、ARQ、数据完整性和平安等，以满意上层业务的需要。ＷiＭＡX网络的移动性管理由２个层面的移动性组成：系统内移动,一般指同一个ASN—GＷ下的移动;以及系统间移动，即跨ＡSN-GW的移动。其中前者也称为微移动,后者也称为宏移动。4.1系统内切换(微移动)4．1。1移动性管理的主要内容及要求WiMAＸ网络要求系统间的移动支持固定、游牧、便携、简洁移动和全移动5种场景，依据各个场景的指标要求减小或消除分组丢失，减小切换时延，保持分组挨次。在移动性管理功能中,切换功能可支持以下切换类型：MS在服务ＢＳ发起的切换、网络发起的切换以及快速BS切换（ＦＢＳＳ)和宏分集切换（MDＨO）.依据各部分在切换中扮演的角色，切换功能可进一步划分为服务切换功能、目标切换功能和中继切换功能.服务切换功能用于掌握全部切换决定操作和切换相关的信令流程,它通过若干中继切换更能与目标切换功能交互，筹备切换并将结果发送给MＳ.目标切换功能是选定为切换目标的切换功能，它负责接收数据通道的掌握消息,触发数据通道功能，为ＭＳ建立新的数据通道。中继切换功能在服务和目标切换功能之间中继切换相关的掌握消息,当它掌握全部切换决定操作时,可以附加作为服务和切换功能。相应地，切换功能可工作于3种模式：1)服务模式：服务模式的切换功能(或服务切换功能）发送切换恳求发起网络处理，只能有一个处于服务模式的切换功能,从目标切换功能收到切换响应后,服务切换功能只给一个目标切换功能发送切换确认消息。2）目标模式:目标模式的切换功能（或目标切换功能）以切换响应回应切换网络处理，一个网络切换处理可有一个或多个目标切换功能.３）中继模式：服务和目标切换功能可直接通信，或者通过一个或多个中继模式的切换功能（或中继切换功能）通信。如果服务切换功能和目标切换功能由于某种缘由不能通信，中继切换功能负责传送相关信息到对应的目标切换功能。对于WｉMＡＸ切换机制，在OＦDＭA系统中，MS或BＳ主要是依据信号载干比ＣIＮR来决定切换的。为了获得精准牢靠的ＣINＲ值，ＭS应该连续测量邻区BＳ信号并在一个给定的时间内计算出CIＮR平均值.在各种切换类型中，这种连续的ＣＩNR测量都是必须的。依据ＷiMＡX／80２。16e协议规定，可以通过扫描恳求和扫描响应消息使ＭＳ周期扫描邻区BS.触发MS发起邻区扫描并发起切换的主要缘由如下：1）当ＭS处于运动中，为了获得更高强度的信号（如CINR）而需要转变（由于信号衰落、干扰等等)当前的服务BS。２)当MS从另一个BS能够获得更高级别的QoＳ服务时.当ＭS在切换区时，应该通过扫描恳求消息申请进行周期扫描,当然BＳ也可以主动要求ＭS进行周期扫描.通过扫描测量,MS得到邻区BS的CＩNR和服务BS的ＣINR值进行比较从而决定是否发起切换。4。１.２切换步骤下面以ＭS发起的切换为例，介绍一下IEEE802.16e的切换的一般步骤。在切换恳求之前，网络拓扑猎取的过程就开头进行了，在实际的切换过程中，包含了切换决策发起、测距、网络的重新接入过程等。网络拓扑的猎取网络的拓扑猎取如图３所示。MS与服务ＢＳ在切换发起之前,通过骨干网络的帮助可以执行网络拓扑的猎取。服务BS（ServｉngBＳ）通过MOB_NBR_ＡDV消息周期性的公告网络拓扑的有关信息，其中包括了邻近BＳ（NeｉghｂoｒiｎgBS）的信道状况信息。然后MS就可以通过这些信息与邻近BS进行同步操作，而不需要侦听邻近BＳ的DＣD/UＣD广播消息。MOB-NBR-ADVMOB-NBR-ADVMOB-SCN-REQMOB-SCN-RSPPHYinfoContentionresolutionRNG-RSP(success)RNG-REQ（ServingBSIDMSMACaddr）RNG-RSP(success)SynchronizewithNerghboringBS1PHYinfoContentionresolutionRNG-RSP(success)RNG-REQ（ServingBSIDMSMACaddr）RNG-RSP(success)SynchronizewithNeighboringBS2MS当前服务BS邻近BS1邻近BS2图3WiMAＸ切换网络拓扑的猎取接下来就是对邻近BＳ进行扫描，ＭS可以通过扫描,来选择一些邻近BS作为切换的对象。MS与服务BS使用MOB＿SＣN＿REＱ/MOB_SＣN＿RＳP消息对来使MS与每个邻近BS进行下行链路的同步操作.为了获得更为完备的估量物理信道特征，还需要执行基于竞争的或者非竞争的测距.在MＳ的扫描过程中，向MS发来的数据在服务BS上被缓存起来,由于服务BS安排给MS的扫描间隔与下行数据的传输时间是间隔交替的.最后就是MＳ与作为切换对象的目标ＢS进行关联的过程。关联就是在扫描过程中，跟据邻近ＢS中的一个基站而进行的可选初始测距过程.关联的作用是确保MＳ能够获得并记录测距参数和业务可用性信息，而测距参数和业务可用性信息能确保正确的选择切换目标,为将来可能的切换尽快找到合适的基站，以加快切换。记录一个关联基站的测距参数可能用于在将来实际的切换过程的测距中设定初始测距值。在IEEＥ８02．16e协议中有三个级别的关联.１)关联级别0：不带协调的扫描/关联，服务BＳ与ＭＳ通过ＭOB＿SＣN＿ＲEＱ和ＭＯB_SCN_ＲSP消息对协商关联持续时间和扫描间隔,由于邻近BS不了解MS，只能允许MＳ实行初始测距一样的方式.2)关联级别１：带协调的扫描/关联，服务BS向MS供应关联参数,并且服务ＢS要与邻近BS进行协调(关联）.３）关联级别２：网络帮助关联报告，这种关联与级别１类似，唯一区分在于ＭＳ在邻近BS供应的精准时隙内发送了测距恳求后,不必等待RＮG_RＳＰ消息，邻近ＢS会把该消息通过骨干网发给服务BＳ,服务BＳ把收到的全部这样的消息汇合成ＭOB_AＳＣ_RＥPORT发给MS。PHYinfoPHYinfoContentionresolutionRNG-RSP(success)RNG-REQ（ServingBSID）RNG-RSP(success)IntialrangeingprocessNetworktopologyacqutisitionprocessMOB-MSHO-REQHOnotificationHOnotificationHOnotificationRSPHOnotificationRSPMOB-BSHO-RSPMOB-HO-INDReleaserangingslotwithotherNBR-BSDLsyncparametersMS服务BS目标BS邻近BS图4MS发起切换的决策、发起、测距过程切换过程切换过程如图４所示.首先,MS由从网络猎取阶段获得的信息进行小区的再选择。由于这个过程与网络拓扑猎取过程有同样的操作,所以此阶段有可能被省略。接下来，就是切换的决策和发起过程。此过程可以由ＭS来决策发起，也可以由服务BS来决策发起，分别通过MＯB＿ＭSHＯ_RＥQ和ＭOB_ＢＳＨO_ＲEＱ消息来发起。此时这里存在着一个发起时刻的问题:由于发起慢了，链路质量有可能变化导致切换后的服务质量较低。当切换对象即目标BＳ确定后，MS就会发送MＯB＿HO－INＤ消息告知服务BS，接着实际的切换过程就可以开头。当切换发起后，另一个测距过程也开头了，MＳ可以与目标BS进行下行链路的同步，并从中通过DCD/UCD消息，来猎取下行链路和上行链路的参数.最后由ＲNG-ＲEＱ/RNG－RSP消息对的交换来完成这个初始测距过程。如果ＲNG－REQ中包含了服务ＢＳＩD,那么目标BS就会骨干网络,从服务BＳ那里猎取有关MS的信息。倘若ＭＳ在先前阶段已经与目标BS进行了相关的关联动作(不管是关联级别０、关联级别１还是关联级别2），那么以上猎取信息的有关过程的有些步骤就可以省略掉.所以在信道条件变化以及切换就要发起之前，邻近BS应该充分地进行扫描和关联操作，以利用这些操作中预先获得的信息削减切换的时间。但是扫描和关联需要占用链路资源,从而使正常通信带宽利用率有所下降,一般的做法是取一个折中的策略算法.网络的重新接入若全部的物理参数都成功的调整好了，那么网络的重新接入过程就可以开头。网络的重新接入包括了对ＭS的授权以及与新的服务BＳ的注册过程，目标BＳ要求通过骨干网络在授权服务器上获得MS的授权信息。MS与新的服务BＳ在注册时通过REG-REQ／ＲＥG－REP消息对来完成的.在此过程中,依据先前的关联级别的不同，能力协商、MＳ授权、密钥交换以及注册过程可视情形而省略一些步骤。ＭS成功注册到目标BS上后,MＳ会发送MOＢ_HＯ-IND消息给原来的服务BＳ，告知它切换已经完成，MＳ就可以终止与原来的服务ＢＳ之间的业务传输,而与新的服务BS进行业务传输。4．2系统间切换(宏移动）系统间切换指的是跨ASN-ＧW的切换，全部应用场景都采纳移动IP方式作为移动性管理协议.跨ASNＧＷ切换可采纳以下两种方式实现：第一种是基于标准MoｂｉleIＰ（ＭＩP）方式的移动性管理，其次种是基于代理ＭIP方式的移动性管理。以下大事可触发切换流程：１)ＭS移动性：ＭS切换到外地代理ＦＡ下的基站；２）MＳ从空闲状态醒来：MＳ从它进入空闲模式时的ＡSＮ移动到另一个ＡSN，并从空闲状态醒来;3）资源优化:网络决定资源优化目的,为MS从服务FA到新的FA转变与AＳNGW的接入点，独立于任何MS移动.对于代理MＩＰ方式,ＭＩP客户端位于ＡSN网络并代表MS执行移动性管理。为支持跨ＡSNGW的切换,对MS没有其它要求,完全由网络掌握。在代理MIＰ方式中,AＳＮ切换对ＭＳ是透明的。为支持各种类型的终端和带内的漫游用户,抱负情况下网络应该同时支持标准MＩP和代理MＩP两种方案，而当网络同时支持简洁IP终端和移动ＩP设备时，选择哪种方案将基于终端的能力，同时归属ＮSP的终端能力和ＮＡP移动信支持的信息也会对方案选择产生影响.因此方案的选择格外明确，由终端驱动。网络能力发掘将基于MＩP代理广播消息,它是在连接建立后发送的。移动性方案的选择将由ＡSＮ依据从终端接收到的消息类型进行选择.4。２．1基于标准MIP的切换跨ＡSＮGＷ的切换是由网络侧发起的，有两种切换方式:基本ＭIＰ切换和FＭIＰ快速切换。基于MIP的切换流程是标准的ＭIP流程。在这种方式中，MIP客户端驻留在MS上,MS实现MIＰ功能,而ＡSNＧＷ担当ＦＡ功能.4。2．１．1基本MIP切换基本ＭIＰ切换过程如图5所示。其主要流程步骤：1)切换的触发条件发生；2)基于Intra—ＡSN的移动大事或系统的资源优化流程,ASＮ—ＧW的ＦＡ模块将向MＳ发送FA代理公告消息;3)依据IEＴF的ＭIＰ标准，ＭＳ在收到带有新ＣoA转交地址的FA代理公告后,向HＡ发送ＭIＰ注册消息，以保证MＳ会话连续性;４)FA向HA转发MIP注册消息；５）HA返回MIP注册应答；6)FA向MS返回MＩP注册应答.MSMSBS服务ASN-GW+FA目标ASN-GW+FADHCPHAExistingsessionNewIntraASNTunnel1)Mobtrigger2）FAagentadvertisement3)MIPregistrationRequest(NAT,MHAE)4)MIPRegistrationRequest5)MIPRegistrationReply6)MIPRegistrationrationReply图5基本MＩP的Inｔer－ASNＧW切换４．２．2。2FMIPｖ6切换１）基本FＭＩPv6切换随着移动ＩP技术的进展，消灭了移动ＩP快速切换（FMIＰv6），移动IPv6的快速切换是为削减切换时延而提出的.它可以在层2（链路层）触发的帮助下削减当MS仍处于当前链路上时掌握切换时间的耗费,层２触发由链路层引起，用于说明MS即将开头一次层2切换。随着IＥＥＥ802.1６e引起广泛关注，如何将IEＥE802。1６e的层3切换算法与层２切换算法有机结合成为了支持移动性最重要的问题之一,因此提出了几种ＩEＥＥ802.１6ｅ的切换策略。在此我们结合ＷiＭAX网络,给出WiMAＸ中基于８０2．１6e技术的FMIP的切换流程(假设MS移动到一个新的子网,由服务BS切换到目标BＳ）如图６所示。MSL3MSL3MSL2服务BSASN-GW目标BSASN-GWNBEMOB-NBR-ADVScanningRtSolPRPrRtAdv(MSinitiation)MOB-MSHO-REQMOB-BSHO-RSP(BSinitiation)LGDMOB-BSHO-REQLGDFBUHIHACKFBACKLSWMOB-HO-INDDisconnectLUP802.16networkrsentry&ISEConnectFNADeliverpackets图６8０2。１6e的预先切换流程(1）服务BＳ定期广播Ｍ0Ｂ－NBR－ADＶ。如果MS在消息中发现一个新的邻居BS,它将执行扫描过程。当通过MOＢ－ＮBR－ＡDＶ消息或者扫描过程发现新BＳ时，MＳ的链路层通知它的网络（ＦMIP）发现新的BＳ。（２）MS通过服务—ＢS的IＤ找到PAR后进行RtSoｌPｒ和PｒＲtAdv的交互过程。(3）MS通过给服务－BS发送MＯB—MSHO－REQ消息发起切换,从服务—BＳ接收MＯB—BSHO-ＲSP。服务—BS也可以通过发送ＭOＢ—ＢＳHO－REQ给MS发起切换。(4)当MS从服务-BＳ接收到MＯB—BSHＯ－ＲSＰ或者MOＢ－BSHO－RＥＱ后，它的链路层触发ＬGD消息给它的网络层,发送ＦBU消息。(５)如果MS不能在现在的链路上收到FBＡCK消息，则会转向反映模式.对目标ＢS执行完切换后，MＳ执行８０２.１6e网络入口进程。（6）一旦完成网络入口和ISF的设置，ＭS的链路层立即用LUP消息通告它的网络层，MS发送封装FBU的FＮＡ消息给NAＲ。(7)接收到FNＡ消息后，NAR验证NＣｏa的合法性,并建立隧道向前传送内部FＢＵ消息给PAR。当ＮAＲ知道NＣoA已经使用时,它必须丢弃FBU,并通过路由广播ＮAＡＣK选项发给ＭS,否则它必须传输发往ＭＳ的数据包。2)改进的ＦＭIPv6切换(１）切换操作在基本的ＦＭIPｖ6切换中,MS接到层2触发后，启动ＦMIPv6过程并在层2切换开头前安排一个NｃoA，因此，层2触发必须确保在层2切换之前发生，但是何时引发层2触发是个难点，而且是一个实施细节问题。在FMIPｖ６切换过程中，如果MＳ在层2触发前处于当前网络期间无法收到Ｆbａck消息，就需要将预切换模式转变为反应切换模式,这会使整体切换性能明显下降，在此提出一种改进的FMIPv6切换策略。改进的FMIPｖ6切换的基本思想是基站通过与MＡC互通管理消息意识到切换将要发生,并通知MS当前所属的接入路由器PAＲ，使PAR代替ＭS启动层３（网络层)切换过程。因此，改进策略不仅能削减切换时延,同时,由于层3切换总是预先在网络端启动的，而并不需要ＭS的参加，改进策略就能精确定位层2触发的引发时间。此外,由于在通道建立前，PAＲ都会将发往MＳ的数据包进行缓存，因此,改进策略还可以在最大程度上削减丢包率。这点可以通过以一条新的掌握消息将PAR与层2触发过程建立同步而实现。图７所示是改进策略的网络模型，切换过程如图8所示,其中定义了三种新的掌握消息,分别是HO＿ＮOTIＦ，HO_ＣＯNFＩRM，以及ＨＯ_ＣOMＰLＥＴE,这些消息用于将ＩＥEE8０2.１6的层2切换与ＦＭIPv６的层3切换建立同步。ＦMIPv6中一些现有的掌握消息在改进策略中没有使用，如RtSｏlPｒ，PrRtAdv，FＢU，Fｂａcｋ，以及FNＡ。图7改进的FMＩPv6策略的网络模型目标BS（BS4)服务BＳ（BＳ3）目标BS（BS4)服务BＳ（BＳ3）目标ＢＳ（BＳ5）MSPAR(AR1)NAR(AR2)MOB_NBR-ADVscanningMOB_MSHO-REQTarget=BS4,BS5MOB_BSHO-REPreco=BS4,BS5HO_NOTIF(reco=BS4,BS5,MSMAC)HIDADHackForwardpacketsHO_CONFIRMTarget=BS5,MSMACMOB_HO-INDTarget=BS5IEEE802.16ere-entryprocedures(Unsolicited)REG-RSPHO-COMPLETE(MSMAC)Flushbufferedpackets图8改进策略的切换过程(单条通道)如IEEE８02。16ｅ标准所定义的一样,一开头，服务BＳ（图7中的BS３）,向MＳ发送MOＢ＿NBR_AＤV消息,如果有切换的必要,ＭＳ在对信道进行扫描以后回复给ＢS３一条ＭＯB_MSHＯ＿REQ消息,其中包括了作为可能的目标BＳ的ＢＳ4和BS5的信息。然后BＳ3回复一条MOB_ＢSHO_RSP消息,其中包括了在之前的候选目标BＳ中推举的几个BS的信息,在图7中,BS4和BS５是被BS3选中的,他们分别属于当前接入路由器AＲ1(ＰAR区域内)和新的接入路由器ＡR2（NAＲ区域内)。此时,BＳ3猜测到MS即将发生一次切换，因此它向PＡＲ(ＡR1）发送一条HＯ_ＮOＴIF消息,其中包括了推举的候选目标ＢS，以及MS的ＭAＣ地址,其目的是使PAR启动层3切换。ＰAＲ收到消息,通过向NAR（ＡＲ2)发送HＩ消息来启动与ＢS５有关的层３切换。接着ＮAR回复Hａcｋ消息，PＡＲ筹备好将发往ＭS的数据包发送到ＮAR，ＮＡＲ将这些数据包都进行缓存。然而，在使用非状态关联（stａｔeｌesｓ）的自动地址安排机制的情况下，HＩ消息就应包括MS的NcoA地址，因此,PAR通过MＳ的MAＣ地址和NAR关于MS的网络前缀来安排NcoＡ地址。在我们提出的协议中,假设ＰＡR已经通过一些帮助协议获知了ＮAR的网络前缀。当MS最终选择BS５作为目标ＢS，并筹备进行切换。服务BＳ（BS3)通过向PAＲ发送HＯ_ＣＯNFIRM消息来通知它MS的切换,这条消息说明ＢＳ5被选为目标BS.ＰAR接到这条消息之后，就开头通过在HI／Hacｋ消息互通中建立的通道来向ＮＡR发送MS的数据包。当MS接到REＧ—ＲＳP消息，完成ＩEEE802．16e的网络重入过程后，BS5也向NAR（ＡR2）发送HO_COMPＬEＴE消息,其目的是向NAR确认MS的层3切换，并使NAR在进行邻域广播确认（NAＡＣK)选择时将自发路径广播消息（RＡ)发送给MS.由于层3切换MＳ进行层2切换时由网络发起的，而ＭS并不参加形成ＮCoA,因此这一过程是必要的，这样网络端形成的NcｏA（更精准地说是PAR安排NAR激活的)就可以告知MＳ。在对MS进入NＡR的网络进行确认后,ＮAＲ开头将缓存的数据包发往MS.(2)缓存与通道管理有时,切换并不完全按图8所示的过程进行,首先,由于ＮAR通过DAＤ过程激活ＰAR安排的ＮＣoA通常需要1秒时间，因此ＰAR可能在与NＡR进行HＩ/HAＣK消息互通之间就接到ＨO-ＣOＮＦIRM消息，这种情况下,PAR就将MS的数据包进行缓存，直到ＨI/ＨIAＣK消息发完，通道建立以后才把缓存的数据包发往ＮAR,NAR在MS完成网络重入过程以后，再将数据包发往MS。其次，当通道建立后，由于通道未被激活，而且仅在PAＲ收到由ＭS发送的MOＢ_HO_IND消息引发的HＯ_CＯＮＦＩＲM消息之后才被激活，因此,ＭS仍有可能停留在当前的网络，PAR仍能为ＭS服务。在上述两种情况下,NCｏA的预安排和通道的预先建立都不会给网络增加任何开销,此外,改进策略可以通过PAR的缓存函数将丢包率减至最小。最后，我们考虑服务BＳ推举多个属于不同ＡR的不同BＳ的情况，其网络模型还是与图７相同,而切换过程如图9所示。在图中，服务ＢＳ(BS5）通过MＯＢ_BＳHO—RSP消息推举的ＢS4和BＳ8分别属于AＲ１和ＡR3，这种情况下，PAＲ会安排多个NcoA并建立多条通道,如图９所示.但是，正如已经商量过的,这些通道要在ＰAR收到ＨＯ＿CONFIRM消息之后才会被激活，ＰAR通过HO_ＣＯNFIRM消息可以获知精准的BS(ＢS8)以及它所归属的AR（AR3).由此,PAＲ可以确定向哪条通道发送缓存的数据包。在提议的协议中,全部通道都处于软状态（Ｓofｔ—state）,如果一段时间不被使用，它就会被撤销，因此，那些未被选中的通道最终都会被撤销。NＡR（AR1)目标ＢS（ＢＳ4)目标BＳNＡR（AR1)目标ＢS（ＢＳ4)目标BＳ（BS5）服务BＳ(ＢS３)MSPAR(AR2)MOB_NBR-ADVscanningMOB_MSHO-REQTarget=BS4,BS8MOB_BSHO-REPreco=BS4,BS8HO_NOTIF(reco=BS4,BS8,MSMAC)HIHackForwardpacketsHO_CONFIRMTarget=BS8,MSMACMOB_HO-INDTarget=BS5IEEE802.16ere-entryprocedures(Unsolicited)REG-RSPHO-COMPLETE(MSMAC)NAR(AR3)HIDADDADHackFlushbufferedpackets图９改进策略的切换过程（多条通道)为更好的理解改进的FMIＰv6切换策略的性能,我们将其与基本的FMIPv６做一比较。在基本ＦＭＩPv6方案中，如果MS收到MOＢ_ＢSHＯ－RＳP消息到发送ＭOB＿HO-ＩND消息的时间间隔小于MS进行层3切换所需的时间，则它只能在进行层２切换后，在其目标网络中启动反应式层３切换。但是改进策略的层3切换在MＳ收发MＯB_BSHO－RSP消息和MOＢ＿ＨＯ—IＮＤ消息期间就启动了层３切换,也就是在层２切换进行期间进行了层3切换,这将使总的切换时延显著减小。图10分别表示了两种策略下的总切换时延与MS移动速度的关系。总的切换时延定义为MＳ从服务BＳ处收最后一个数据包，到ＭＳ从目标ＢS处收到第一个数据包的时间间隔。我们假设从CN到ＭＳ有速率为１0０Kbps的持续数据流.当MS低速运动时（速度小于９ｍ/s)，它有足够的时间进行与切换过程。因此两种协议在这种情况下的时延差小于20ｍs。但当MS进行高速运动时，差别就很大。此时在基本ＦMIPv6策略中，由于MS无法准时收到Ｆｂack消息，因此必须进行反应式层3切换,在图中可以清楚地看到，改进策略的性能明显优于基本FＭＩPｖ６的性能.图10改进策略ＭＳ移动速度与切换时延的关系4。２。2基于代理ＭＩP的切换基于代理MIP的切换是由ASＮ－GW担当代理ＭIP功能的方式。这种方式下，ＭIP客户端驻留在ＡSＮ－GＷ上，ASＮ－GW为ＭS代理实现MIP功能,而ＭＳ不需要实现ＭIＰ功能。代理MＩＰ方式下，跨ASN-GW切换对MS而言是透明不行见的。MIP注册由驻留在ＡSN-GW上的ＭIP客户端完成，ASN-ＧＷ在鉴权阶段从AＡA获得ＭIP注册所需要的相关信息，包括ＤHCPSeｒver地址，生成MN－HA鉴权扩展的平安信息等.切换流程为图1１所示。MSMSBS目标ASN-GW+MIPCL服务ASN-GW+MIPCLHAIntra-ASNsignalling3)Mobtrigger4)MIPsessionInfo5)MIPRegistrationRequest6)MIPregistrationReply8)MobtriggerIntra-ASNsignalling10)removeOldIntra-ASNMobilitycontext1)oldintra-ASNmobilitycontextt2)OldMIPcontext7)NewMIPcontext9)Newintra-ASNmobilitycontext图1１代理ＭIPInter—AＳNGW切换主要流程步骤如下:１）旧隧道和会话已建立-—在切换发生之前,BＳ与ASN—GW间的隧道、ＭＳ、ＡSN－GW与HA间的MIＰ会话已经建立.2)服务ASN—GW的切换触发条件发生——服务ＡＳN－GW将通知目标ＡＳN-GW建立新的MIＰ会话。３)MIP会话更新——目标ＡSN-GＷ向HA发送MＩP注册,其中CoA转交地址是目标ＡSＮ-GW地址。4）新MＩP会话建立-—在MIＰ成功注册后,HＡ将把MＳ的后续前向报文发往目标ASN-GＷ。5)触发目标ASN—ＧW建立与BS的隧道。6)目标ＡSN－GW与ＢS之间建立新的Inｔrａ－ＡSＮ隧道。5．WimaｘMesｈ网络及其位置管理５．１概述IEＥＥ802.16—2004标准定义了Ｗｉｍａx的两种网络拓扑结构：一种是点到多点（PMＰ）的蜂窝网结构；另一种是网状网结构（Ｍｅsｈ）。在PＭP模式下，通信仅发生在用户站SＳ和基站BS之间,而在Mesh模式下，通信还可在SS之间发生。与ＢＳ没有直接通信路由的SS需要在相邻SS的帮助下通过多跳中继的方式建立通信路由。SS是客户端设备,移动终端MT通过它接入网络。MT的数据以多跳的方式通过BS和外网进行通信。使用Mesh方式的WiMAX系统可获得更好的吞吐量、更大的掩盖范围.同时，相对基站具有Meｓh组网能力的ＳS成本较低,从而可降低网络建设成本。Mｅsh网络模型如图１２所示。在Meｓh网络中,业务传输路径不局限于ＢS和SＳ之间，SS相互之间也可以进行业务交换。每个业务都可以通过其他SＳ路由到目的SＳ。整个网络为分布式架构,通过一个节点BS（MｅshBS）连接外部业务网络。图12WiMaxＭｅsh网络拓扑示意图在Ｍｅｓh网络中，两个有直接业务连接的SＳ称为邻居,ＳS与邻居的距离称为一跳，与SＳ有关的业务可以通过多跳传输到ＢS。网络用基于分布式调度算法的传输协议对网络中的业务进行调度和管理。这种管理方式下,ＢS以及全部SＳ都需要向邻居广播其调度信息,使邻居了解其可用资源和资源的申请及使用情况,以保证在调度业务时不会发生业务冲突，而且能通过最短的路径将业务送至目的SS。5.２Mesh模式下的位置管理分析虽然目前Wiｍａx的Mac层也支持Mesh模式，但对设备制造商而言它是一个可选项，还没有大规模投入使用,因此Mｅｓh模式是目前Wｉｍax技术讨论的一个热点。然而IEEE８02．１６标准并没有规定Mesh模式下关于位置更新方面的内容，由于ＳS在网络中移动时,网络的多跳拓扑结构将对位置管理策略的性能带来影响,因此对传统的位置管理策略进行改进，使其适合于Ｍesh网络特殊的拓扑结构,是将来讨论的一个主要方向。位置更新和寻呼是传统位置管理的两个基本步骤。在基于区域的位置管理策略中，当SＳ穿越预先定义的区域边界时，就会进行位置更新。当有呼叫到达，或有数据需要传输到ＳS时，BS会同时在移动服务区中全部的位置区发起寻呼,或者在整个服务区内逐层发起寻呼。分别将其定义为同步寻呼（ｓiｍｕltaｎeｏｕsly－pａgｉng）策略和逐环寻呼（ｒing－ｐagiｎg)策略。在传统的分层式蜂窝网络中，MS与BＳ有直接的链路，而ＷiｍａxＭesｈ网络中,ＭT总是处于ＳS服务区域中,而并不直接与ＢS建立链路，因此Mｅｓｈ网络位置管理的总开销和相应的时延都要高于传统的分层式网络。考虑如图１3所示的一块位置区LA,位于服务区中心处的小区是MeｓｈＢＳ所在的小区，将它设为第0层。使用符号ring－k表示与中心小区距离为k的小区集合，k层的ＬA由距离中心小区不超过k的全部小区组成,在图２中ｋ的值为4。整个ＬＡ只有中心小区的MｅｓｈBＳ通过有线电缆直接连接到外部网络，其它小区必须直接或间接地通过其才能与外网通信。为进行与传统分层式网络的对比,我们将BＳ设置在中心小区，而MＳ均匀分布在其他小区中.中心小区第３层第２层第１层第0层中心小区第３层第２层第１层第0层图1３一个4层LＡ小区的例子假设小区是同等大小的标准六边形，时间被等分为不同的时间片,MＴ在下一个时间片中以概率ｐ仍然停留在当前小区中,而以q／6,q=（1-ｐ）的等概地移出当前所处的小区。ＭT在t时间片处于ring—k而在下一时间片处于ｒｉnｇ—(k+1）的概率为（1）5。2。１同步寻呼策略中的寻呼开销设传统网络和Mｅsh网络中的位置管理总开销分别为和,则显然有或，以及或，其中,和分别代表同步寻呼策略和逐环寻呼策略