使用IEEE 802.21的WLAN与WiMAX网的融合与切换

徐大庆

0 引言

所谓4G网的主要目的之一是通过一些无线技术与网络，为移动用户提供最好的连接ABC（Always Best Connection），无线设备将配备多个异类接口。无线局域网 WLAN （IEEE 802.11）与无线城域网WMAN （IEEE 802.16），也称作WiMAX是两种不同的无线网络技术，都能支持很高的数据传送率并具有较好的服务质量。这两种网的融合能给移动用户提供最好的连接服务。并且IEEE 802.21标准提出了介质独立的切换（MIH）框架，便于实现异类网的融合。

1 WLAN与WiMAX网

在IEEE 802.11 WLAN中[1]，几个移动终端（MT）连接到一个接入点AP（Access Point），这些MT和这个AP 在同一个无线覆盖区域内(如图1所示)。另外，802.11s可以实现网状连接，MT与AP成为网状节点，能通过多跳（Multihop）网相互通信。802.11b和802.11a/g分别以11 Mb/s和54 Mb/s操作，并且802.11n能达到600 Mb/s,未来的802.11为低移动用户提供惊人的速率1 Gb/s.在公司学校或公共场所（如，火车站，商场中心）的无线局域网使用免执照的频带，提供免费或低价的高速的Internet连接。

在IEEE 802.16 WiMAX中[1]也有两种操作模式,如下页图1所示。点对多点模式与网状模式。在点对多点模式中，一个基站BS（Base Station）服务多个移动终端MT（Mobile Terminal）,MT直接与BS通信。在网状模式中，MT可作为路由器通过多跳网相互通信。另一方面，WiMAX也提供高数据速率（当前标准为 75 Mb/s）和大的覆盖范围（视距，50 km；非视距，2～5 km），未来的 802.16 m将为高移动用户（250 km/h）提供100 Mb/s的数据速率。WiMAX操作在要执照与免执照的频带，主要用在点对多点通信，最后一英里接入和回程连接（把 WLAN热点区域连接到Internet）,如下页图1所示。

2 IEEE 802.21标准

为了在穿过异类网时，能提供透明的连续的服务，IEEE 802.21辅助异类网之间的切换与互操作[2]，如图 2所示。802.21也被称之为介质独立切换 MIH（Media Independent Handover），它由一个信令框架和一些触发事件组成。触发事件从低层（数据链路层与物理层）获得现有信息并加工传给高层（网络层到应用层）。MIHF(MIH Function)负责使第二层不同的特定的技术信息统一化，用于切换决定算法。切换决定必须考虑通过 MIH框架从网络与用户端收集来的信息。切换决定基于多种因素，比如，经济开销、覆盖范围、传送速率、服务质量（QoS）、 安全和用户意愿。MIHF通过一些服务接入点SAP（Service Access Point），提供多种服务。如图2中，数据链路层，MIHF层和MIH_USER层在一个整体MT内。

图1 WLAN与移动WiMAX网的融合

图2 MIH框架

MIHF给独立于下面接入技术的上层提供统一的接口（如图2），这要通过下面三种服务来完成：介质独立事件服务MIES（Media Independent Event Service，介质独立信息服务MIIS（Media Independent Information Service）和介质独立命令服务 MICS（Media Independent Command Service）。MIES通过报告本地和远程事件，提供服务给上层。这些事件与链路特性，链路质量，链路状态的动态改变一致。在IEEE 802.21中，本地或远程的第二层接口给 MIHF层传送事件和触发(如图2)。这些事件通过MIH_Link_SAP，MIH_Net_SAP传给上层。下面描述一些 MIH事件：MIH_Link_Up（MIH_链接_建立）表示连接被建立，现有链路可用；MIH_Link_Going_Down(MIH_链接_变差)表示链路条件降级，连接将紧急丢失；MIH_Link_Detected(MIH_链路_检测)表示检测到新的链路。MICS通过提供命令给低层（如现有网络扫描），收集连接链路的状态信息和到低层的连接决定信息。MICS命令控制、管理与发送信息给低层，这些命令由本地或远程 MIH用户发出。在MIH框架中，一个MIH用户是使用MIH服务的实体，比如，一个MIH用户可以是一个移动管理协议MIPv6，也可以是切换决定模块。最后为了优化切换，MIIS提供相应机制来搜索现有邻居网络的信息，如图1所示。MIIS通过一套所谓的信息元素，提供静态信息（MT当前邻居网络的名字与服务提供者）与动态信息（比如，MAC地址，信道信息和上层信息）。不同技术的信息的公用描述采用标准格式（XML，ASN.1）。在IEEE 802.21术语中，网络BS/AP的第二层连接被看作为附着点PoA（Point of Attachment），其上的服务点 PoS（Point of Service）实现MIH功能。网络边的MIH实体与MT边的MIH实体交换MIH信息。如下页图3所示。

IEEE 802.21好像是粘贴剂能被用来穿过异类网，提供无缝切换。它可以与不同层和不同网络结构的移动管理协议联结。IEEE 802.11与IEEE 802.16都在它们的MAC层集成了MIH功能。IETF当前也广泛传播采用IEEE 802.21。为了MIH消息能在不同的接入网之间可靠传递，IETF在着重改进MIPv6性能，信令与切换优化。

3 使用MIH框架的WiMAX网和WLAN之间的切换

在描述WiMAX网到WLAN的切换信令时，一般有两个场景。第一个场景是一个双模客户（装备了两个接口WiMAX和WLAN的移动终端）在重叠区域（WiMAX BS和WLAN AP）内，能选择便宜的高速连接WLAN。如图1所示，双模终端MT2从WiMAX网移入WLAN AP3重叠区域。第二个场景是终端被强制执行切换，因为它移动进入了隧道或地下铁道，它的当前连接将丢失。如图3所示，双模终端MT1从WiMAX移入地下道的WLAN AP1范围。本节针对场景2的切换作详细分析。场景1的切换包含在场景2切换之中。

IEEE 802.21中的切换包括三个阶段：初始化阶段、准备阶段与切换执行阶段。切换执行除了在第二层（数据链路层）运作以外，其它的操作被大大委托给高层移动管理协议（如，MIP，SCTP，SIP）。这篇文章指定 FMIPv6（Fast MIPv6）为第三层的移动管理协议。

图3 使用MIH框架的WLAN与WiMAX之间的切换

如图3和如图2所示[5]，MT有下面三层：接口链路层（802.11，802.16e等），MIH功能层（MIHF）和MIH用户层。MT起初连接在WiMAX网，切换初始化阶段包括对无线设备的配置，和告知网络链路质量的重要改变。WiMAX BS发送一个MIH的链路配置请求消息给MT定义其需求的门限值（消息1、消息 2），当链路质量通过定义的门限值时（如场景 1），MT周围各网的信令强度等的测量报告(消息 3)被周期性地送到WiMAX BS。然而当链路质量降级到不能接受时（如场景2），另一种类型的消息MIH的链路条件降级指示被送到WiMAX BS（消息8），以指明切换的必要。上面这些都属于切换的初始化阶段。

如图3所示[5]，MT的层与层之间传送消息用服务原语，MT对外发出请求先从本地服务原语开始（如消息4）。MT频繁请求查询MIIS服务器有关附近现有接入网的信息(现有带宽，经济开销与安全等)，MT通过MIH的获取信息请求来查找这些信息（消息4、消息5），随后MT收到MIIS（如图1所示）的响应消息6。当消息6中包含WLAN时，MT打开WLAN接口[3]，并发出对其扫描的请求（消息9、消息10），并开始监听信标，一旦信标被收到，802.11链路层将产生一个WLAN链路检测指示传给MIHF（消息11），MIHF再发送这个事件到MIH用户（消息12）。MT给当前的WiMAX BS发出切换候选查询请求（消息14）, 随后WiMAX BS给候选WLAN AP1发出切换资源查询请求（消息 15，消息 17），来检查候选网 WLAN的现有资源。WLAN候选网对 MT执行许可控制 CAC（Call Admission Control），以检验它们是否支持MT的会话需求，以及它们不会降低现有会话的水平。CAC结果放在切换候选查询的响应消息中，从 WiMAX BS送到MT（消息19）。对另一个候选WLAN，采用同样的处理（消息16，消息18）。随后，MT的MIH用户在收集网络和MT的关于切换的所有信息之后，考虑候选网的现有资源和用户意愿来执行切换决定[4]。上面这些都属于切换的准备阶段。

如上页图3所示[5]，一旦MT的MIH用户已决定好切换目标，就启动MIH_切换_委托消息（消息21-26），告知网络它的切换目标（WLAN AP1）并预定资源。然后它发送交换命令给MIHF（消息27）,这将触发一个WLAN的第二层连接。MIHF发送一个事件给MIH用户指示连接已启动（消息28）。一旦连接被建立，WLAN的MAC层发送一个事件给MIHF，报告第二层切换已结束（消息29）。再由MIHF告诉MIH用户（消息30）。MIH用户收到消息30后，较高层的切换过程被启动，即FMIPv6信令被启动（消息31）。RtSolPr——代理路由器请求，PrRtAdv——代理路由器广告，FBU——快速绑定更新，HI——切换初始化，Hack——切换确认，FBAck——快速绑定确认，FNA——快速邻居广告。当前的PoA（WiMAX BS）开始缓冲那些把 MT旧地址作为目的地的新到达的包，并且与新PoA（WLAN AP1）交换HI消息（消息32）。MT与HA（Home Agent）之间发送绑定更新（FBU）及其绑定确认 FBAck（消息36）。在收到FMIPv6的FBAck消息之后，MT交通从以前的旧PoA导向到新的PoA。为了实现先建立新连接，后拆线的方法，MT与旧 PoA的连接还必须处在活跃状态。当收到FMIPv6的FNA时（消息37），包才开始被传送到MT。当高层切换完成时（消息38），消息38-消息43释放WiMAX资源，停用相应的WiMAX接口。上面这些都属于切换的执行阶段。

4 结语

为了给4G无所不在的最好连接，异类网融合是一个好方法。WiMAX和WLAN是两种有前途的无线网技术[6-7]，它们将为预想的 4G做出很大的贡献。融合有益于 WiMAX运营者通过WLAN热点提供低价服务。为了提供无缝切换，本文提出了如何使用IEEE 802.21解决WLAN与移动WiMAX网之间的切换，并通过具体场景，提出了详细的切换流程，供同行们讨论。

[1] 张智江．WiMAX及工程建设[M]．北京：人民邮电出版社，2007：237-355．

[2] Antonio De La Oliva, Albert Banchs． An Overview of IEEE 802.21：Media Independent Handover Services[J]．IEEE Wireless Communication,2008(08)：96-103．

[3] George Lampropoulos. Media Independent Handover for Seamless Service Provision in Heterogeneous Networks[J]．IEEE Communication Magazine,2008(01)：64-71．

[4] 徐大庆．移动WiMAX和其他3G标准的混合组网及其切换的新策略[J].数据通信,2008(12)：28-31.

[5] IEEE P802.21/D10.0． Draft Standard for Local and Metropolitan Area Networks： Media Independment Handover Services[S].USA：IEEE，2008．

[6] 徐春莹.WLAN上的多媒体业务质量研究[J].通信技术,2007,40(11)：162-164,246．

[7] 刘晨,黄华.基于 IEEE802.16e的 WiMAX移动性管理[J].通信技术,2007,40(09)：23-25,69．