孫 陽(yáng)，曹龍漢，2，李 平

(1.重慶郵電大學(xué)，重慶 400065;2.重慶通信學(xué)院控制工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)單移動(dòng)和全移動(dòng)的無線寬帶技術(shù)。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(xiàn)[3－5]提出了多種切換技術(shù)。文獻(xiàn)[3]增加了一種新的管理消息，使下行實(shí)時(shí)擁塞流引起的業(yè)務(wù)中斷達(dá)到最小，然而增加了一種管理消息，會(huì)使IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn)自身修改，而且這種技術(shù)并沒有指定怎樣選擇目標(biāo)基站。文獻(xiàn)[4]提出在選擇目標(biāo)基站時(shí)，同時(shí)執(zhí)行同步和DL_MAP過程，以減少切換時(shí)間，然而此算法是假設(shè)服務(wù)基站與目標(biāo)基站在傳輸信號(hào)時(shí)使用相同的RF信道，這個(gè)RF信道并不是基于現(xiàn)實(shí)中的無線網(wǎng)絡(luò)中的信道而提出的。文獻(xiàn)[5]提出通過修改IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)其中一個(gè)管理信息來實(shí)現(xiàn)基于負(fù)載均衡的目標(biāo)切換，這個(gè)修改允許廣播當(dāng)前BS(Base Station)的負(fù)載，以便MS(Mobile Station)判斷是否切換到另外更少負(fù)載的基站上。以上算法都需要修改標(biāo)準(zhǔn)或者做出不切實(shí)際的假設(shè)，忽略了在移動(dòng)終端處業(yè)務(wù)流的業(yè)務(wù)需求?？紤]移動(dòng)終端處不同業(yè)務(wù)流的業(yè)務(wù)類型需求，并且基于不需要修改已有的IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn)的原則，本文提出一種在IEEE 802.16e協(xié)議框架內(nèi)使切換時(shí)間最小化和選擇最佳目標(biāo)基站的新型切換算法。

1 IEEE 802.16e 切換機(jī)制[6]

當(dāng)WiMAX終端在移動(dòng)到小區(qū)邊緣地帶或由于信號(hào)衰落、干擾等需要改變當(dāng)前服務(wù)小區(qū)時(shí)，終端會(huì)進(jìn)行服務(wù)小區(qū)的切換。完整的切換流程分為4個(gè)階段:

1)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞墨@得。服務(wù)BS周期性地發(fā)送MOB_NBR_ADV消息，MS以獲得鄰近BS的信道質(zhì)量信息，尋找潛在的切換需要和目標(biāo)基站。

2)小區(qū)重選。終端經(jīng)過掃描和測(cè)距來評(píng)估終端對(duì)切換到潛在目標(biāo)基站的興趣，小區(qū)重選程是MS和服務(wù)BS協(xié)商確定最佳目標(biāo)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(cè)量信息并綜合系統(tǒng)信息，根據(jù)一定的準(zhǔn)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(biāo)BS接受切換請(qǐng)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(luò)重進(jìn)入。MS收到切換回應(yīng)后，發(fā)送MOB_HO_IND消息，與服務(wù)BS斷開連接，并與目標(biāo)BS執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)接入操作，如同步、測(cè)距、認(rèn)證、注冊(cè)等。

2 本文提出的切換算法

本文提出一種遵從IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn)的基于業(yè)務(wù)流的切換算法，引進(jìn)業(yè)務(wù)流的主要目的是將選擇最佳目標(biāo)BS的切換時(shí)間最小化[7]，算法流程如圖1所示。圖1a為獲得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥^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(diǎn)表示過程的開始和結(jié)束。圖1b的切換過程開始之后若服務(wù)BS的RSSI小于門限值則進(jìn)行后面的流程，若大于門限值，則MS不必進(jìn)行切換。

圖1 算法流程圖

詳細(xì)步驟如下:

1)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞墨@得

一般的MS有多個(gè)業(yè)務(wù)流與服務(wù)BS進(jìn)行通信，為了處理多個(gè)業(yè)務(wù)流的不同需求，MS通常會(huì)運(yùn)行一個(gè)或者多個(gè)調(diào)度業(yè)務(wù)。在某個(gè)時(shí)刻，MS可能需要切換到其他的BS，MS將會(huì)選擇最佳支持業(yè)務(wù)流在終端處運(yùn)行的BS，為了達(dá)到這個(gè)要求，在管理消息MOB_NBR_ADV中包含了一個(gè)“調(diào)度業(yè)務(wù)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(wù)，MS應(yīng)該從支持其所有動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)流的BS中選取，并且建立一個(gè)BS候選列表。如果不是所有的MS業(yè)務(wù)流由一個(gè)BS支持，那么MS應(yīng)該選擇按以下順序支持調(diào)度業(yè)務(wù)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(duì)這些BS的掃描來獲得合適的信道測(cè)量值以達(dá)到選擇最佳目標(biāo)BS的目的，然后MS開始向服務(wù)BS發(fā)送MOB_SCAN_REQ消息，請(qǐng)求掃描并獲得RSSI(Received Signal Strength Indicator)的測(cè)量值，掃描完所有基站之后MS選擇RSSI值大于接收信號(hào)門限值(threshold)與信號(hào)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(dá)到與目標(biāo)BS更好的鏈路級(jí)通信以及更少的錯(cuò)誤比特率。最終，掃描的結(jié)果是MS將會(huì)獲得一個(gè)支持終端處的業(yè)務(wù)流并且其RSSI的值大于接收信號(hào)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(biāo)BS。當(dāng)從服務(wù)BS接收到的RSSI值小于門限值時(shí)，MS就會(huì)觸發(fā)切換。一旦MS決定開始切換，它就會(huì)發(fā)送MOB_MSHO_REQ消息給目標(biāo)BS。當(dāng)MS接收到BS回復(fù)的MOB_BSHO_RSP管理消息后，就會(huì)發(fā)送MOB_HO_IND消息確定目標(biāo)基站。一旦此消息發(fā)送后，MS就會(huì)轉(zhuǎn)向RF信道或其子信道來連接目標(biāo)BS。依據(jù)傳輸來的MOB_NBR_ADV消息中的“切換進(jìn)程優(yōu)化”域，MS開始進(jìn)行一些或全部的行為。

圖1a顯示了當(dāng)MS接收到一個(gè)管理消息MOB_NBR_ADV時(shí)所執(zhí)行的動(dòng)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(gè)列表中。圖1b顯示了切換過程。在某個(gè)時(shí)刻當(dāng)MS檢測(cè)到服務(wù)BS的RSSI低于設(shè)定的門限值時(shí)，切換就會(huì)觸發(fā)。MS就會(huì)根據(jù)MOB_NBR_ADV消息中被保存的BS列表，再開始建立一個(gè)短的包括支持當(dāng)前動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)流的BS列表。MS掃描短列表中的BS，以評(píng)估它們的RSSI。如果一個(gè)或者多個(gè)被掃描的BS的RSSI值在門限值之上，它們的BSID將會(huì)被包含在MOB_MSHO_REQ消息中發(fā)送給服務(wù)BS。當(dāng)MS接收到服務(wù)BS的回復(fù)消息MOB_BSHO_RSP時(shí)，它會(huì)選擇一個(gè)目標(biāo)BS，發(fā)送MOB_HO_IND消息給服務(wù)BS，然后MS在目標(biāo)基站上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重接入過程，其中包括初始測(cè)距和注冊(cè)過程。

3 算法的性能分析

本文評(píng)估兩種不同的關(guān)聯(lián)機(jī)制，一種是MS通過基于競(jìng)爭(zhēng)的測(cè)距方式到BS的關(guān)聯(lián)，另一種是基于非競(jìng)爭(zhēng)的測(cè)距方式的關(guān)聯(lián)。根據(jù)關(guān)聯(lián)級(jí)別的不同，即獲得信息的多少，目標(biāo)基站可以忽略許多步驟。所有關(guān)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(jìn)行交互。規(guī)定切換的時(shí)間是從切換觸發(fā)的時(shí)刻到MS在目標(biāo)基站成功重入網(wǎng)之間的時(shí)間。為每個(gè)MS定義參數(shù)有:T1為執(zhí)行鄰居基站掃描需要的時(shí)間;T2為執(zhí)行鄰居基站同步需要的時(shí)間;T3為執(zhí)行基于競(jìng)爭(zhēng)的測(cè)距需要的時(shí)間;T4為執(zhí)行基于非競(jìng)爭(zhēng)測(cè)距的需要的時(shí)間;T5為執(zhí)行基于基本能力協(xié)商需要的時(shí)間;T6為執(zhí)行認(rèn)證需要的時(shí)間;T7為執(zhí)行注冊(cè)需要的時(shí)間。

當(dāng)更多活動(dòng)的MS連接BS時(shí)，測(cè)距機(jī)會(huì)會(huì)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(fù)載和50%小區(qū)負(fù)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(duì)所有鄰居BS都進(jìn)行基于競(jìng)爭(zhēng)的測(cè)距;類型2僅僅對(duì)目標(biāo)BS進(jìn)行基于競(jìng)爭(zhēng)的測(cè)距;類型3對(duì)所有鄰居BS都進(jìn)行基于非競(jìng)爭(zhēng)的測(cè)距;類型4僅僅對(duì)目標(biāo)BS進(jìn)行基于非競(jìng)爭(zhēng)的測(cè)距。

1)方案1

此方案為傳統(tǒng)的切換算法。MS將會(huì)執(zhí)行協(xié)商、認(rèn)證、注冊(cè)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(jìn)行關(guān)聯(lián)，因此MS信息對(duì)于鄰居BS是不可知的，協(xié)商、認(rèn)證和注冊(cè)階段必須由MS執(zhí)行。每種類型的切換使用的總時(shí)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(wù)調(diào)度的BS作為目標(biāo)BS，在此期間骨干網(wǎng)之上的MS信息對(duì)于鄰居BS是可知的，因此在重入網(wǎng)中將不需要協(xié)商、認(rèn)證和注冊(cè)階段。MS對(duì)鄰居BS執(zhí)行掃描，可以忽略關(guān)聯(lián)過程，僅僅對(duì)目標(biāo)BS執(zhí)行測(cè)距行為。每種切換類型花費(fèi)的總切換時(shí)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(fèi)時(shí)間，兩種負(fù)載的仿真對(duì)比顯示，當(dāng)更多的MS在小區(qū)比較活躍時(shí)，切換時(shí)間會(huì)隨著增加，4種類型的切換方式對(duì)比可以看出，利用基于非競(jìng)爭(zhēng)的測(cè)距關(guān)聯(lián)會(huì)使切換時(shí)間短于基于競(jìng)爭(zhēng)的測(cè)距關(guān)聯(lián)方式。

圖2 方案1的兩種負(fù)載情況下的切換時(shí)間

圖3為方案2的總花費(fèi)時(shí)間。當(dāng)在骨干網(wǎng)之上的BS之間被交換MS信息時(shí)，MS就會(huì)對(duì)所有鄰居BS或者僅僅對(duì)目標(biāo)BS執(zhí)行測(cè)距過程。由仿真圖顯然可以看出，使用此方案的切換時(shí)間明顯低于使用方案1的切換時(shí)間，這是由于消除了基本能力協(xié)商、認(rèn)證和注冊(cè)等階段。

圖3 方案2的兩種負(fù)載情況下的切換時(shí)間

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于IEEE 802.16e無線網(wǎng)絡(luò)的新型切換算法，通過對(duì)其性能進(jìn)行分析，表明提出的算法完全能適應(yīng)當(dāng)前IEEE 802.16e的標(biāo)準(zhǔn)框架。當(dāng)MS向目標(biāo)BS進(jìn)行切換時(shí)，此算法考慮了維護(hù)已有的業(yè)務(wù)流和QoS參數(shù)，新算法比傳統(tǒng)切換算法的切換時(shí)間有了明顯的降低，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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