一種基于IEEE 802.16e的新型切換算法研究

孫 陽，曹龍漢，2，李 平

(1.重慶郵電大學，重慶 400065;2.重慶通信學院控制工程重點實驗室，重慶 400035;3.重慶電力公司北碚供電局，重慶 400700)

IEEE 802.16e(WiMAX)[1]是一種支持固定模式、游牧模式、簡單移動和全移動的無線寬帶技術。IEEE 802.16e協(xié)議[2]定義了硬切換(HHO)、宏分集切換(MDHO)和快速基站切換(FBSS)3種類型的切換方式，其中HHO是必選的，MDHO和FBSS是可選的。文獻[3－5]提出了多種切換技術。文獻[3]增加了一種新的管理消息，使下行實時擁塞流引起的業(yè)務中斷達到最小，然而增加了一種管理消息，會使IEEE 802.16e標準自身修改，而且這種技術并沒有指定怎樣選擇目標基站。文獻[4]提出在選擇目標基站時，同時執(zhí)行同步和DL_MAP過程，以減少切換時間，然而此算法是假設服務基站與目標基站在傳輸信號時使用相同的RF信道，這個RF信道并不是基于現(xiàn)實中的無線網(wǎng)絡中的信道而提出的。文獻[5]提出通過修改IEEE 802.16標準其中一個管理信息來實現(xiàn)基于負載均衡的目標切換，這個修改允許廣播當前BS(Base Station)的負載，以便MS(Mobile Station)判斷是否切換到另外更少負載的基站上。以上算法都需要修改標準或者做出不切實際的假設，忽略了在移動終端處業(yè)務流的業(yè)務需求?？紤]移動終端處不同業(yè)務流的業(yè)務類型需求，并且基于不需要修改已有的IEEE 802.16e標準的原則，本文提出一種在IEEE 802.16e協(xié)議框架內(nèi)使切換時間最小化和選擇最佳目標基站的新型切換算法。

1 IEEE 802.16e 切換機制[6]

當WiMAX終端在移動到小區(qū)邊緣地帶或由于信號衰落、干擾等需要改變當前服務小區(qū)時，終端會進行服務小區(qū)的切換。完整的切換流程分為4個階段:

1)網(wǎng)絡拓撲的獲得。服務BS周期性地發(fā)送MOB_NBR_ADV消息，MS以獲得鄰近BS的信道質量信息，尋找潛在的切換需要和目標基站。

2)小區(qū)重選。終端經(jīng)過掃描和測距來評估終端對切換到潛在目標基站的興趣，小區(qū)重選程是MS和服務BS協(xié)商確定最佳目標基站的過程。

3)切換判決和初始化。切換判決階段是根據(jù)測量信息并綜合系統(tǒng)信息，根據(jù)一定的準則和算法來判斷MS如何切換的過程，如果滿足切換判決條件，并且目標BS接受切換請求，建立與MS的連接，切換過程可由MS端發(fā)起，也可由BS端發(fā)起。

4)網(wǎng)絡重進入。MS收到切換回應后，發(fā)送MOB_HO_IND消息，與服務BS斷開連接，并與目標BS執(zhí)行網(wǎng)絡接入操作，如同步、測距、認證、注冊等。

2 本文提出的切換算法

本文提出一種遵從IEEE 802.16e標準的基于業(yè)務流的切換算法，引進業(yè)務流的主要目的是將選擇最佳目標BS的切換時間最小化[7]，算法流程如圖1所示。圖1a為獲得網(wǎng)絡拓撲過程，圖1b為切換過程。圖1a流程執(zhí)行完之后就將執(zhí)行圖1b的流程。圖中大黑點表示過程的開始和結束。圖1b的切換過程開始之后若服務BS的RSSI小于門限值則進行后面的流程，若大于門限值，則MS不必進行切換。

圖1 算法流程圖

詳細步驟如下:

1)網(wǎng)絡拓撲的獲得

一般的MS有多個業(yè)務流與服務BS進行通信，為了處理多個業(yè)務流的不同需求，MS通常會運行一個或者多個調(diào)度業(yè)務。在某個時刻，MS可能需要切換到其他的BS，MS將會選擇最佳支持業(yè)務流在終端處運行的BS，為了達到這個要求，在管理消息MOB_NBR_ADV中包含了一個“調(diào)度業(yè)務支持”的數(shù)據(jù)域，此數(shù)據(jù)域指出BS所支持的調(diào)度業(yè)務，MS應該從支持其所有動態(tài)業(yè)務流的BS中選取，并且建立一個BS候選列表。如果不是所有的MS業(yè)務流由一個BS支持，那么MS應該選擇按以下順序支持調(diào)度業(yè)務的 BS，即 UGS，rtPS，nrtPS，BE。一旦候選 BS列表被確定，MS就開始執(zhí)行對這些BS的掃描來獲得合適的信道測量值以達到選擇最佳目標BS的目的，然后MS開始向服務BS發(fā)送MOB_SCAN_REQ消息，請求掃描并獲得RSSI(Received Signal Strength Indicator)的測量值，掃描完所有基站之后MS選擇RSSI值大于接收信號門限值(threshold)與信號滯后量之和的BS，其思想是MS從具有好的和充足的RSSI值的BS中選擇，從而達到與目標BS更好的鏈路級通信以及更少的錯誤比特率。最終，掃描的結果是MS將會獲得一個支持終端處的業(yè)務流并且其RSSI的值大于接收信號門限的這些基站的列表。

2)切換過程

MS從基站列表中選擇一些基站作為目標BS。當從服務BS接收到的RSSI值小于門限值時，MS就會觸發(fā)切換。一旦MS決定開始切換，它就會發(fā)送MOB_MSHO_REQ消息給目標BS。當MS接收到BS回復的MOB_BSHO_RSP管理消息后，就會發(fā)送MOB_HO_IND消息確定目標基站。一旦此消息發(fā)送后，MS就會轉向RF信道或其子信道來連接目標BS。依據(jù)傳輸來的MOB_NBR_ADV消息中的“切換進程優(yōu)化”域，MS開始進行一些或全部的行為。

圖1a顯示了當MS接收到一個管理消息MOB_NBR_ADV時所執(zhí)行的動作。由流程圖可以看出，MS將消息中所含的相鄰BS集保存在一個列表中。圖1b顯示了切換過程。在某個時刻當MS檢測到服務BS的RSSI低于設定的門限值時，切換就會觸發(fā)。MS就會根據(jù)MOB_NBR_ADV消息中被保存的BS列表，再開始建立一個短的包括支持當前動態(tài)業(yè)務流的BS列表。MS掃描短列表中的BS，以評估它們的RSSI。如果一個或者多個被掃描的BS的RSSI值在門限值之上，它們的BSID將會被包含在MOB_MSHO_REQ消息中發(fā)送給服務BS。當MS接收到服務BS的回復消息MOB_BSHO_RSP時，它會選擇一個目標BS，發(fā)送MOB_HO_IND消息給服務BS，然后MS在目標基站上進行網(wǎng)絡重接入過程，其中包括初始測距和注冊過程。

3 算法的性能分析

本文評估兩種不同的關聯(lián)機制，一種是MS通過基于競爭的測距方式到BS的關聯(lián)，另一種是基于非競爭的測距方式的關聯(lián)。根據(jù)關聯(lián)級別的不同，即獲得信息的多少，目標基站可以忽略許多步驟。所有關于MS的必要信息都包含在切換中通過骨干網(wǎng)在不同的BS之間進行交互。規(guī)定切換的時間是從切換觸發(fā)的時刻到MS在目標基站成功重入網(wǎng)之間的時間。為每個MS定義參數(shù)有:T1為執(zhí)行鄰居基站掃描需要的時間;T2為執(zhí)行鄰居基站同步需要的時間;T3為執(zhí)行基于競爭的測距需要的時間;T4為執(zhí)行基于非競爭測距的需要的時間;T5為執(zhí)行基于基本能力協(xié)商需要的時間;T6為執(zhí)行認證需要的時間;T7為執(zhí)行注冊需要的時間。

當更多活動的MS連接BS時，測距機會會受很大的影響，所以需要考慮兩組參數(shù)值分別為0%小區(qū)負載和50%小區(qū)負載的情況。使用這些參數(shù)值，執(zhí)行4種切換類型:類型1對所有鄰居BS都進行基于競爭的測距;類型2僅僅對目標BS進行基于競爭的測距;類型3對所有鄰居BS都進行基于非競爭的測距;類型4僅僅對目標BS進行基于非競爭的測距。

1)方案1

此方案為傳統(tǒng)的切換算法。MS將會執(zhí)行協(xié)商、認證、注冊這些基本能力需要的全部步驟。在掃描期間，MS可以和鄰居BS進行關聯(lián)，因此MS信息對于鄰居BS是不可知的，協(xié)商、認證和注冊階段必須由MS執(zhí)行。每種類型的切換使用的總時間如下(n為鄰居BS數(shù)目):類型1為(T1+T2+T3)n+T5+T6+T7;類型2為(T1+T2)n+T3+T5+T6+T7;類型3為(T1+T2+T4)n+T5+T6+T7;類型4為(T1+T2)n+T4+T5+T6+T7。

2)方案2

此方案采用本文提出的新型切換算法。MS選擇支持其業(yè)務調(diào)度的BS作為目標BS，在此期間骨干網(wǎng)之上的MS信息對于鄰居BS是可知的，因此在重入網(wǎng)中將不需要協(xié)商、認證和注冊階段。MS對鄰居BS執(zhí)行掃描，可以忽略關聯(lián)過程，僅僅對目標BS執(zhí)行測距行為。每種切換類型花費的總切換時間如下(n為鄰居基站數(shù)目):類型1為(T1+T2+T3)n;類型2為(T1+T2)n+T3;類型3為(T1+T2+T4)n;類型4 為(T1+T2)n+T4。

兩種方案的仿真如圖2和圖3所示。圖2為方案1的總花費時間，兩種負載的仿真對比顯示，當更多的MS在小區(qū)比較活躍時，切換時間會隨著增加，4種類型的切換方式對比可以看出，利用基于非競爭的測距關聯(lián)會使切換時間短于基于競爭的測距關聯(lián)方式。

圖2 方案1的兩種負載情況下的切換時間

圖3為方案2的總花費時間。當在骨干網(wǎng)之上的BS之間被交換MS信息時，MS就會對所有鄰居BS或者僅僅對目標BS執(zhí)行測距過程。由仿真圖顯然可以看出，使用此方案的切換時間明顯低于使用方案1的切換時間，這是由于消除了基本能力協(xié)商、認證和注冊等階段。

圖3 方案2的兩種負載情況下的切換時間

4 結束語

本文提出了一種基于IEEE 802.16e無線網(wǎng)絡的新型切換算法，通過對其性能進行分析，表明提出的算法完全能適應當前IEEE 802.16e的標準框架。當MS向目標BS進行切換時，此算法考慮了維護已有的業(yè)務流和QoS參數(shù)，新算法比傳統(tǒng)切換算法的切換時間有了明顯的降低，具有較高的應用價值。

[1]田韜，張新程，周曉津，等.WiMAX 16e無線網(wǎng)絡技術與應用[M].北京:人民郵電出版社，2009.

[2]IEEE standard for local and metropolitan area networks part 16:air interface for fixed and mobile broadband wireless access systems[EB/OL].[2011－05－09].http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=1603394.

[3]CHOI S，HWANG G，KWON T，et al.Fast handover scheme for real－time downlink services in IEEE 802.16e BWA system[EB/OL].[2011－05－09].http://koasas.kaist.ac.kr/bitstream/10203/277/3/133%5B1%5D.%20Fast%20Handover%20Scheme%20%20Based%20on%20 Real－Time% 20Downlink% 20Services% 20in% 20IEEE% 20%20802.16e%20BWA%20System.pdf.

[4]LEE D H，KYAMAKYA K，UMONDI J P.Fast handover algorithm for IEEE 802.16e broadband wireless access system[C]//Proc.IEEE Computer and Communications Societies Conference.[S.l.]:IEEE Press，2008:923－928.

[5]LIM J P，AHN Y S.Dynamic scan initiation for resource efficient operation in an 802.16e network[C]//Proc.International Conference on Consumer Electronics.[S.l.]:IEEE Press，2008:1－2.

[6]曾春亮，張寧，王旭瑩，等.WiMAX/802.16原理與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2006.

[7]DONG Guojun，DAI Jufeng.An improved handover algorithm for scheduling services in IEEE802.16e[C]//Proc.IEEE Mobile WiMAX Symposium.[S.l.]:IEEE Press，2007:38－42.