WiMAX网络的自适应切换算法

程月平，单联海

（①武汉职业学院机电学院，湖北 武汉 430074；②上海无线研究中心，上海 200335）

0 引言

随着计算机和通信技术的迅猛发展，基于 IEEE 802.16系列标准的微波存取全球互通（WiMAX）技术加速了宽带无线设备的投放和“最后一英里”的部署，推动了全球宽带无线网络的发展，成为继无线局域网（WiFi）之后最受业界关注的宽带无线接入技术[1]。在新一代的无线通信系统中，由于载频的不断提高使得覆盖网络的半径越来越小，切换将变的越来越频繁，由此带来的负荷将对整个网络的系统性能有更为重要的影响，为此对切换请求的处理将直接影响移动站的服务质量，越区切换的失败，将导致通话业务的突然中断。因此越区切换算法的好坏，将直接影响到整个移动通信系统的服务质量，对宽带无线网络而言，涉及的切换算法性能也愈发重要，为用户和终端提供移动性管理以保证不同网络间的漫游和快速切换是 WiMAX网络最紧迫的需求之一。文献[2]分析了媒介接入控制（IEEE 802.16e MAC）层切换的过程，分别提出了通过过程优化，在MS完成注册和认证之前允许下行数据的传输，从而减小实时下行业务的切换延时，提高切换的成功率。文献[3]结合MAC层切换和IP层切换，提出了一种平滑切换算法提高切换过程中的通信服务质量（QoS）。文献[4]提出了一种动态资源预留的切换算法，以减小切换过程中的掉话率和延时时间。文献[5]提出了对切换排队且实时业务可以抢占或借用非实时业务带宽的切换算法，来确保高优先级业务的QoS。文献[6]介绍了802.16e标准的协议模型，给出了以802.16e为基础的宽带无线城域网技术WiMAX的网络架构；针对802.16e的移动性过程进行了分析。文献[7]比较了基于IEEE 802.16的WiMAX移动通信中的两个关键标准，对MAC层的相应技术作了研究分析。

1 切换过程分析

切换管理是影响移动 WiMAX网络性能的关键因素之一，IEEE 802.16e标准规定了一种必选的切换模式，实际上就是我们通常所说的硬切换，在协议中简称为（HO，handover）。按照功能结构可以分为三大部分：网络拓扑结构获得与扫描、切换过程中信号测量和切换判决、切换后的重新入网过程，详细步骤如图1所示。

图1 切换过程示意

1.1 切换判决算法

一般情况下，常用的切换判决算法有以下几种[8]。

(1)相对信号强度算法（RSS）

相对信号强度算法总是选择具有最强接收信号功率的那个基站，判决时根据接收信号的测量平均值。用RXPOW_DL/UL（Target BS）表示目标基站（Target BS）在下行链路（DL）或上行链路（UL）上的接收功率，用RXPOW_DL/UL（Serving BS）表示服务基站（Serving BS）在下行链路或上行链路上的接收功率，则信号相对强度算法采用的标准可表示为：

RXPOW_DL/UL(Target BS)＞RXPOW_DL/UL(Serving BS)

(2)采用门限的信号相对强度算法

此算法只是在原有基站信号若低于某门限值，且目标基站的信号好于原基站时，才执行切换策略。如果RX_THRESHOLD表示接收信号的门限，则此方法所采用的标准可用下式表示：

RXPOW_DL/UL(Target BS)＞RXPOW_DL/UL(Serving BS)

且 RXPOW_DL/UL(Target BS)＞RX_THRESHOLD

(3)采用滞后余量的信号相对强度算法

目标基站的信号较强时（超过滞后余量）即可切换，如果用HYS表示滞后余量，则切换触发的标准可表示为：

RXPOW_DL/UL(Target BS)＞ RXPOW_DL/UL(Serving BS)+ HYS

(4)采用滞后余量与门限的信号相对强度算法

当前基站的信号强度低于某一门限，并且目标基站的信号较强时（超过滞后余量），即可执行切换，则此算法可表示为：

RXPOW_DL/UL(Target BS)＞ RXPOW_DL/UL(Serving BS)+ HYS

且 RXPOW_DL/UL (Target BS)＞ RX_THRESHOLD

1.2 切换判决仿真

为了仿真及分析的方便，设移动台在两个基站之间运动，并且信道数量足够，对所有移动用户的移动速度设为近似为20 m/s，每隔50 ms测量一次，由此可以得到公式中的则δ＝1m，在一般情况下λ＝50m，uj为0均值，标准差为σs=8 dB的随机变量，并且设发射频率f为：2500 MHz，基站高度hb为：32 m，移动台高度hm为：1.5 m，且传播环境为市区，根据Cost231-Hata传播模型，通过WiMAX的链路预算可得到，计算市区内小区覆盖半径约为：1.3km，所以近似的两个 BS之间的距离为：d=1.3 =2 .25km。阴影效应描述了较长空间或时间尺度内信号的变化，根据古德蒙松的模型阴影衰落的时间自相关性[9]，自回归距离独立的阴影衰落相关模型公式如式（1）、式（2）：

λ为定义阴影衰落自校正常量，δ为在周期采样时间内 MS移动的距离，ju为每次采样时的独立的正态分布的随机变量，jy为该次测量时的具有相关性的阴影衰落值，仿真结果如图2所示。

图2 平均切换次数

通过对这几种算法分别进行仿真验证可得出：采用门限的信号相对强度算法，由于增加了门限，所以只有在当前基站不能满足服务质量时，切换才会产生，所以切换次数较少。采用滞后余量的信号相对强度算法由于采用了滞后余量，判别的时候加了滞后窗，所以可以避免产生“乒乓”效应。采用滞后余量与门限的信号相对强度算法是前两种算法的结合，是相对比较成熟的算法，因此切换次数和切换失败率都是综合了上面两种算法而得到的最优值，不但避免了“乒乓”效应而且使得平均切换次数和切换失败率都降为了最低。因此在下面改进的速度自适用切换算法仿真过程中将与此种切换方法作为“传统切换算法”对不同业务进行仿真对比。

2 切换算法的改进策略

对于IEEE802.16e支持的WiMAX网络来说，它支持高速运动，对于高速移动来说，切换的时间应该比低速用户小，否则会造成切换的执行时间过大，而使用户断开与任何基站的连接，最终呼叫掉话。因此现主要针对移动用户的速度，提出了自适应速度切换时间更新算法。对于切换过程中,提出了根据用户速度的快慢而自适用调节切换延时时间的策略，

进而改变切换时间，如下列公式可见：

其中, 切换自适应因子r=v/vmax，v是用户移动速度，可以看出0≤r≤1。n是指数因子，可以根据不同的业务模型取不同值，一般取n=3, 4, 5分别代表UGS，rtPS和nrtPs服务。在切换策略中，当用户快速越区移动时，也就是v越大，那么r也就越大，造成 THO_delay越小，即可以较快的速度进行切换，降低切换失败率。

根据WiMAX协议里的相关内容，已经定义了合适的参数：移动最大速度 vmax，对于不同的移动用户速度v，服务类型n。

切换速度提高率为：

其中 r = v /vmax，发现切换速度提高率H和移动用户的速度v存在正比关系，与服务类型指数n存在反比关系。

在仿真过程中，采用Matlab7.0对分析结果进行仿真验证，小区频率复用采用 1×3×3模式，并且采用三扇区和定向天线模式，切换移动过程中阴影为 uj为0均值，标准差为σs=8 dB的随机变量，发射频率f为2 500 MHz，基站高度 hb为：32 m，移动台高度 hm为：1.5 m，传播环境为市区，调制方式为 1/2QPSK，根据Cost231- H ata传播模型[10]，通过 WiMAX的链路预算可得到，市区内小区覆盖半径约为：1.30 km，所以近似的两个BS之间的距离为：d= 2 .25km，在仿真过程中MS的接收灵敏度为-91.368 dB。通过仿真试验，可以得到如下的不同速度下的切换掉话率结果如表1所示。

表1 不同速度下的切换掉话率数据

在硬切换过程中，由于切换延时时间过长，可能存在移动用户已经与原来基站断开连接，但是却不能与目标基站建立连接，也就是出现了所谓的切换掉话。尤其相对 IEEE 802.16网络来说，它支持快速移动，因此切换掉话的可能性更大，会造成严重的资源浪费和严重的服务质量下降，这是所要避免的，因此对传统的切换算法进行改进和优化，采用速度自适用快速切换算法得到的仿真结果如图 3和图 4所示。

图3 速度自适用算法切换时间的提高率

图4 速度自适用切换算法切换失败率

通过仿真结果图3和图4可以发现，随着移动用户速度的加快，采用自适用速度的切换算法降低了系统的切换延时时间，减小了宽带无线通信硬切换过程中服务网络断开进入新的目标网络的执行时间，在一定程度上降低了切换失败率。通过比较图4中的不同曲线，还可得知当用户速度一致时，随着不同服务类型因子n的递减，切换的速度的提高率也变大，导致不同业务的不同需要而使切换时间减少，提高了切换中的服务质量。

4 结语

针对IEEE 802.16e的移动宽带无线通信支持快速移动性特点，提出根据用户速度来自适应的改变切换时间，通过系统分析证明，这里的策略有效地提高切换速度，减小了切换延时，提高切换成功率，增强了系统业务的QoS。但今后还需通过研究软切换对移动站性能的影响，进一步优化切换效率，以实现与其他无线宽带数据传输技术的融合。

[1] IEEE Std 802.16e-2005. IEEE Standard for Local Metropolitan Area Networks-Part 16： Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems[S]. USA:IEEE,2006.

[2] 彭天笑.移动 IPv6快速切换在 MBWA中的应用[J].现代电信科技,2003,10(03):25-28.

[3] PARK H, KIM H, LEE S, et al. Handover Mechanism for Differentiated QoS in High-speed Portable Internet[C].International Conference on Information Networking,2005:904-911.

[4] CHEN X, LI B, FANG Y. A Dynamic Multiple-threshold Bandwidth Reservation (DMTBR) Schemes for QoS Provisioning in Multimedia Wireless Networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2005, 4 (02): 583-592.

[5] WANG J, ZENG Q A, AGRAWAL D P. Performance Analysis of a Preemptive and Priority Reservation Handoff Scheme for Integrated Service-based Wireless Mobile Networks[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2003, 2 (01): 65-75.

[6] 刘晨,黄华.基于IEEE802.16e的WiMAX移动性管理[J].通信技术,2007,40 (09): 23-25.

[7] 徐世龙,李岩峰.802.16/WiMax技术及组网方案研究[J].通信技术,2007, 40 (07): 48-49.

[8] 彭木根,王文博.无线资源管理与3G网络规划优化[M].北京:人民邮电出版社,2008:212-217.

[9] Ken J K. A Radio Access System with Distributed Antennas[J].IEEE Transaction on Vehicular Technology, 1996,45(02):265-274.

[10] 雷震洲.WiMAX开始在全球部署[EB/OL].(2006-09-12).[2010-01-01] http://www.wimaxforum.cn/upload/WiMAX.pdf.