一种基于IEEE 802.16e的新型切换算法研究

孙 阳，曹龙汉，2，李 平

(1.重庆邮电大学，重庆 400065;2.重庆通信学院控制工程重点实验室，重庆 400035;3.重庆电力公司北碚供电局，重庆 400700)

IEEE 802.16e(WiMAX)[1]是一种支持固定模式、游牧模式、简单移动和全移动的无线宽带技术。IEEE 802.16e协议[2]定义了硬切换(HHO)、宏分集切换(MDHO)和快速基站切换(FBSS)3种类型的切换方式，其中HHO是必选的，MDHO和FBSS是可选的。文献[3－5]提出了多种切换技术。文献[3]增加了一种新的管理消息，使下行实时拥塞流引起的业务中断达到最小，然而增加了一种管理消息，会使IEEE 802.16e标准自身修改，而且这种技术并没有指定怎样选择目标基站。文献[4]提出在选择目标基站时，同时执行同步和DL_MAP过程，以减少切换时间，然而此算法是假设服务基站与目标基站在传输信号时使用相同的RF信道，这个RF信道并不是基于现实中的无线网络中的信道而提出的。文献[5]提出通过修改IEEE 802.16标准其中一个管理信息来实现基于负载均衡的目标切换，这个修改允许广播当前BS(Base Station)的负载，以便MS(Mobile Station)判断是否切换到另外更少负载的基站上。以上算法都需要修改标准或者做出不切实际的假设，忽略了在移动终端处业务流的业务需求。考虑移动终端处不同业务流的业务类型需求，并且基于不需要修改已有的IEEE 802.16e标准的原则，本文提出一种在IEEE 802.16e协议框架内使切换时间最小化和选择最佳目标基站的新型切换算法。

1 IEEE 802.16e 切换机制[6]

当WiMAX终端在移动到小区边缘地带或由于信号衰落、干扰等需要改变当前服务小区时，终端会进行服务小区的切换。完整的切换流程分为4个阶段:

1)网络拓扑的获得。服务BS周期性地发送MOB_NBR_ADV消息，MS以获得邻近BS的信道质量信息，寻找潜在的切换需要和目标基站。

2)小区重选。终端经过扫描和测距来评估终端对切换到潜在目标基站的兴趣，小区重选程是MS和服务BS协商确定最佳目标基站的过程。

3)切换判决和初始化。切换判决阶段是根据测量信息并综合系统信息，根据一定的准则和算法来判断MS如何切换的过程，如果满足切换判决条件，并且目标BS接受切换请求，建立与MS的连接，切换过程可由MS端发起，也可由BS端发起。

4)网络重进入。MS收到切换回应后，发送MOB_HO_IND消息，与服务BS断开连接，并与目标BS执行网络接入操作，如同步、测距、认证、注册等。

2 本文提出的切换算法

本文提出一种遵从IEEE 802.16e标准的基于业务流的切换算法，引进业务流的主要目的是将选择最佳目标BS的切换时间最小化[7]，算法流程如图1所示。图1a为获得网络拓扑过程，图1b为切换过程。图1a流程执行完之后就将执行图1b的流程。图中大黑点表示过程的开始和结束。图1b的切换过程开始之后若服务BS的RSSI小于门限值则进行后面的流程，若大于门限值，则MS不必进行切换。

图1 算法流程图

详细步骤如下:

1)网络拓扑的获得

一般的MS有多个业务流与服务BS进行通信，为了处理多个业务流的不同需求，MS通常会运行一个或者多个调度业务。在某个时刻，MS可能需要切换到其他的BS，MS将会选择最佳支持业务流在终端处运行的BS，为了达到这个要求，在管理消息MOB_NBR_ADV中包含了一个“调度业务支持”的数据域，此数据域指出BS所支持的调度业务，MS应该从支持其所有动态业务流的BS中选取，并且建立一个BS候选列表。如果不是所有的MS业务流由一个BS支持，那么MS应该选择按以下顺序支持调度业务的 BS，即 UGS，rtPS，nrtPS，BE。一旦候选 BS列表被确定，MS就开始执行对这些BS的扫描来获得合适的信道测量值以达到选择最佳目标BS的目的，然后MS开始向服务BS发送MOB_SCAN_REQ消息，请求扫描并获得RSSI(Received Signal Strength Indicator)的测量值，扫描完所有基站之后MS选择RSSI值大于接收信号门限值(threshold)与信号滞后量之和的BS，其思想是MS从具有好的和充足的RSSI值的BS中选择，从而达到与目标BS更好的链路级通信以及更少的错误比特率。最终，扫描的结果是MS将会获得一个支持终端处的业务流并且其RSSI的值大于接收信号门限的这些基站的列表。

2)切换过程

MS从基站列表中选择一些基站作为目标BS。当从服务BS接收到的RSSI值小于门限值时，MS就会触发切换。一旦MS决定开始切换，它就会发送MOB_MSHO_REQ消息给目标BS。当MS接收到BS回复的MOB_BSHO_RSP管理消息后，就会发送MOB_HO_IND消息确定目标基站。一旦此消息发送后，MS就会转向RF信道或其子信道来连接目标BS。依据传输来的MOB_NBR_ADV消息中的“切换进程优化”域，MS开始进行一些或全部的行为。

图1a显示了当MS接收到一个管理消息MOB_NBR_ADV时所执行的动作。由流程图可以看出，MS将消息中所含的相邻BS集保存在一个列表中。图1b显示了切换过程。在某个时刻当MS检测到服务BS的RSSI低于设定的门限值时，切换就会触发。MS就会根据MOB_NBR_ADV消息中被保存的BS列表，再开始建立一个短的包括支持当前动态业务流的BS列表。MS扫描短列表中的BS，以评估它们的RSSI。如果一个或者多个被扫描的BS的RSSI值在门限值之上，它们的BSID将会被包含在MOB_MSHO_REQ消息中发送给服务BS。当MS接收到服务BS的回复消息MOB_BSHO_RSP时，它会选择一个目标BS，发送MOB_HO_IND消息给服务BS，然后MS在目标基站上进行网络重接入过程，其中包括初始测距和注册过程。

3 算法的性能分析

本文评估两种不同的关联机制，一种是MS通过基于竞争的测距方式到BS的关联，另一种是基于非竞争的测距方式的关联。根据关联级别的不同，即获得信息的多少，目标基站可以忽略许多步骤。所有关于MS的必要信息都包含在切换中通过骨干网在不同的BS之间进行交互。规定切换的时间是从切换触发的时刻到MS在目标基站成功重入网之间的时间。为每个MS定义参数有:T1为执行邻居基站扫描需要的时间;T2为执行邻居基站同步需要的时间;T3为执行基于竞争的测距需要的时间;T4为执行基于非竞争测距的需要的时间;T5为执行基于基本能力协商需要的时间;T6为执行认证需要的时间;T7为执行注册需要的时间。

当更多活动的MS连接BS时，测距机会会受很大的影响，所以需要考虑两组参数值分别为0%小区负载和50%小区负载的情况。使用这些参数值，执行4种切换类型:类型1对所有邻居BS都进行基于竞争的测距;类型2仅仅对目标BS进行基于竞争的测距;类型3对所有邻居BS都进行基于非竞争的测距;类型4仅仅对目标BS进行基于非竞争的测距。

1)方案1

此方案为传统的切换算法。MS将会执行协商、认证、注册这些基本能力需要的全部步骤。在扫描期间，MS可以和邻居BS进行关联，因此MS信息对于邻居BS是不可知的，协商、认证和注册阶段必须由MS执行。每种类型的切换使用的总时间如下(n为邻居BS数目):类型1为(T1+T2+T3)n+T5+T6+T7;类型2为(T1+T2)n+T3+T5+T6+T7;类型3为(T1+T2+T4)n+T5+T6+T7;类型4为(T1+T2)n+T4+T5+T6+T7。

2)方案2

此方案采用本文提出的新型切换算法。MS选择支持其业务调度的BS作为目标BS，在此期间骨干网之上的MS信息对于邻居BS是可知的，因此在重入网中将不需要协商、认证和注册阶段。MS对邻居BS执行扫描，可以忽略关联过程，仅仅对目标BS执行测距行为。每种切换类型花费的总切换时间如下(n为邻居基站数目):类型1为(T1+T2+T3)n;类型2为(T1+T2)n+T3;类型3为(T1+T2+T4)n;类型4 为(T1+T2)n+T4。

两种方案的仿真如图2和图3所示。图2为方案1的总花费时间，两种负载的仿真对比显示，当更多的MS在小区比较活跃时，切换时间会随着增加，4种类型的切换方式对比可以看出，利用基于非竞争的测距关联会使切换时间短于基于竞争的测距关联方式。

图2 方案1的两种负载情况下的切换时间

图3为方案2的总花费时间。当在骨干网之上的BS之间被交换MS信息时，MS就会对所有邻居BS或者仅仅对目标BS执行测距过程。由仿真图显然可以看出，使用此方案的切换时间明显低于使用方案1的切换时间，这是由于消除了基本能力协商、认证和注册等阶段。

图3 方案2的两种负载情况下的切换时间

4 结束语

本文提出了一种基于IEEE 802.16e无线网络的新型切换算法，通过对其性能进行分析，表明提出的算法完全能适应当前IEEE 802.16e的标准框架。当MS向目标BS进行切换时，此算法考虑了维护已有的业务流和QoS参数，新算法比传统切换算法的切换时间有了明显的降低，具有较高的应用价值。

[1]田韬，张新程，周晓津，等.WiMAX 16e无线网络技术与应用[M].北京:人民邮电出版社，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，张宁，王旭莹，等.WiMAX/802.16原理与应用[M].北京:机械工业出版社，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.