基于802.16接入的端到端切换机制研究

引言

随着无线接入技术的发展和人们对高速数据业务要求的不断提高，端到端的网络切换成为接入网络的关键技术之一。解决快速移动过程中端到端的切换成为下一代网络服务的核心问题。

IETF提出了面向低速的移动IP标准，试图在网络层支持终端的移动性，同时提出了SIP协议，旨在应用层支持终端移动性，但是它们都存在一定的局限性。对于移动IP，虽然IPv6里面已经集成了MIP- RO(Mobile IP Route Optimized)，但是由于在网络结构和协议栈结构方面作了很大的改动，短期内不可能被广泛采用。对于SIP协议来说，由于SIP协议是应用层协议，较大的网络时延已经阻碍了其发展。而多媒体通信业务需求的不断增长使得减小端到端的切换时延成为迫切需要解决的问题。

本文首先简单叙述了已有的切换方案，通过对比各种切换方案的优缺点，提出了一种SIP和802.16跨层切换的思路，最终目的是为了解决IP网络中多媒体会话端到端切换问题，从而最大程度地减少切换时的延迟和丢包现象。

1 802.16网络间切换

为了解决802.16网络间的切换问题，各个国际组织都提出了不同的解决方案，Mobile IP主要解决了网络层的切换问题；传统的基于SIP的切换解决了应用层的切换问题；802.16e的MAC层也规定了自己的MAC层切换方案。但是，端到端的网络切换问题始终是一个争论的热点。

本节简单叙述现有切换方案并分析其优缺点。

1.1 Mobile IP

IETF提出的Mobile IP旨在网络层支持终端的移动性。它规定每个移动设备有两个IP地址，一个为归属地址(Host Address)，即设备的通信地址，另一个为转交地址(Care Of Address)，即设备当前物理地址。移动设备通过家乡代理绑定其转交地址和归属地址，并利用IP隧道方式和另一端进行通信。因此Mobile IP是一种简单的移动性解决方案，它能够在不改变原来TCP协议栈的基础上支持终端的移动性，但是需要多占用一倍IP地址。这在IPv4 环境中不可承受，而且它还存在着“三角路由”和切换时间过长等问题。

IPv6里面已经集成了MIP-RO(Mobile IP Route Optimized)，但是由于对网络结构和协议作了很大改动，短期内不可能被广泛采用。

1.2 SIP支持移动性

SIP (Session Initiation Protocol)是应用层信令控制协议，用于建立、修改和终止两方或多方多媒体会话，其可通过UDP和TCP传输。

SIP协议具有可扩展性，对用户的移动性有着很好的支持。移动节点通过DHCP(动态主机分配协议)等方式取得新的IP地址，这也是切换时延中的主要部分。SIP中会话重新建立的目的是把移动节点的新的IP地址告诉通信对端，这样通信对端就可以直接与移动节点进行通信。

目前，3GPP、3GPP2和MWIF等无线组织都已经决定采用SIP作为IP多媒体子系统的工作协议，目标是对基于IP的所有业务提供无处不在的接入，可以预见将来所有的移动设备都会包含一个SIP UA（用户代理）。

基于SIP的移动性管理方案主要是利用SIP服务器进行会话前的移动设备定位，利用SIP re-Invite信令进行会话中移动设备位置更新，实施起来比较简单，只需要在应用层作一些改动，但是它的缺点是如果MH（移动主机）到CH（通信主机）距离过长或者网络拥塞造成关键SIP信令时间过长，就会造成切换延迟过大和严重的丢包现象，而且不支持非实时业务的移动性。基于SIP实现802.16接入切换的关键问题是如何减少切换时延以及丢包。

1.3 802.16e MAC层切换机制

根据标准的802.16e切换流程，Serving BS会周期性地广播MOB_NBR_ADV消息给MS。MOB_NBR_ADV消息载负着附近基站的各种信息，包括channel频率、底层channel相关参数和网络服务能力等。然后，MS会根据自己目前的状态决定是否切换基站。如果确定要切换，MS会要求扫描之前收到MOB_NBR_ADV所提供的Target BS名单，并从中选出MS适合切换的Target BS，另外MS也可把此扫描结果回传给Serving BS，用于MS作切换时的参考。然后MS向Serving BS发出MOB_MSHO_REQ切换请求，在得到MOB_MSHO_RSP回复后，MS向Serving BS发送MOB_HO_IND，开始802.16网络的重进入。在网络重进入时完成鉴权和认证等过程，从而完成MAC层的切换过程。

2 端到端切换的网络构架及切换流程

结合SIP对移动性的支持和802.16标准切换过程的特点，我们可以联合使用应用层的SIP和MAC层的信令支持，使用跨层切换的思想，减少信令传输，实现端到端的切换。

本文提出了基于802.16接入系统端到端的切换机制。具体来说，在MAC层切换的流程中预先侦测出MS将切换至另一个属于不同IP域的基站，此时MS可以提前进行IP层以上的信息交互（或者同时独立进行IP层和MAC层的信息交互），以降低整体切换所造成的延迟以及丢包。当MS位于同一IP域内，切换到此IP域内不同的基站时，结合应用层的SIP代理SBC（Session Border Controller）完成域内(intra domain)切换；当MS要切换到不同的IP域时，还要引入I-SBC（Inter-working Session Border Controller）作为域间切换(inter domain)的功能实体。

在功能上，SBC和I-SBC都结合了MAC层和SIP应用层的功能实体，不仅完成MAC信令的交互，而且要对应用层的SIP信令完成转发和响应。在对媒体流的处理上，SBC和I-SBC对媒体流进行转发。

SBC和I-SBC的不同之处在于：SBC数据库中仅包括本域内所有用户信息，而I-SBC通过分析用户contact地址，查看用户数据库，决定用户是否为域内用户（用户数据库中包含两个IMS域的入口服务器(SBC)信息）。

本文提出了如图1所示的无线802.16接入网络构架。网络中的所有支持802.16协议的终端（MS）都包含SIP UA，可以通过SIP信令来建立各种实时和非实时业务会话。下面详细叙述切换的两个场景：域内切换和域间切换。

　　图 1 切换场景及网络构架

2.1 域内切换

　　图 2 intra domain handoff 的信令流程

当MS要切换到同一IP域内不同基站时，结合SIP与MAC层信令，域内切换的信令流程如图2所示，具体步骤描述如下。

（1）Serving BS周期性地广播MOB_NBR_ADV给周围MS。MOB_NBR_ADV 负载着附近基地台的各种信息，包括channel 频率、底层channel 相关参数和网络服务能力等。此处我们在MOB_NBR_ADV消息列表中加入Target BS的IP地址（IPbs）。

（2）MS会根据自己目前的状态，决定是否更换基站。如果确定要切换，MS从MOB_NBR_ADV中提供的BS列表中选出适合切换的Target BS。

（3）MS 发送MOB_MSHO-REQ给Serving BS，请求是否可作切换。如果MS 收到来自Serving BS 所回复的MOB_MSHO-RSP信息，则表示接受此切换请求，开始进入切换。

（4）MS比较BS列表中选出的BS的IP地址的网络前缀和当前服务的SBC的网络前缀，若在同一IP域，MS向自己的DHCP server送DHCP request，得到新的IP地址（IPms）。

（5）MS使用新的IP地址（IPms）向通信对端（CN）发送re-INVITE信息，修改当前会话属性。同时，MS给Serving BS发送MAC层信令MOB_HO_IND，开始802.16标准MAC层网络重进入过程。

（6）通信对端(CN)收到re-INVITE消息后，回复200 OK响应。

（7）SBC-A收到200 OK后，检查数据库中切换完成标志，若未完成则等待，直到MAC层切换完成。

（8）MS在发送re-INVITE消息的同时，向原基站发送MOB_HO_IND消息，告诉原来基站要开始切换。然后MS开始网络重进入过程。

（9）网络重进入完成以后，终端MS向SBC-A发送INFO(MS reentry completed)消息，告诉SBC-A，MAC层切换完成。

（10）此时，MS已经进入新的BS#2。SBC-A通过此BS向MS转发200 OK消息。

（11）终端收到200 OK后，回复ACK，通过SBC-A转发给CN，完成会话的修改，新的媒体流建立。

2.2 域间切换

　　图3 inter domain handoff 信令流程

当MS由一个IMS域切换到另外一个IMS域时，域间切换的信令流程如图3所示，具体步骤描述如下：

（1）Serving BS周期性地广播MOB_NBR_ADV给周围MS。MOB_NBR_ADV 负载着附近基地台的各种信息，包括channel 频率、底层channel 相关参数和网络服务能力等等。此处我们在MOB_NBR_ADV消息列表中加入Target BS的IP地址（IPbs）。

（2）MS会根据自己目前的状态，决定是否更换基站。如果确定要切换，MS从MOB_NBR_ADV中提供的BS列表中选出适合切换的Target BS。

（3）MS 发送MOB_MSHO-REQ给Serving BS，请求是否可做切换。如果MS 收到来自Serving BS 所回覆的MOB_MSHO-RSP信息，则表示接受此切换请求，开始进入切换。

（4）MS比较BS列表中选出的BS的IP地址的网络前缀和当前服务的SBC的网络前缀，若在同一IP域，MS向自己的DHCP server送DHCP request，通过I-SBC在新的IP域给MS分配新的IP地址（IPms）。

（5）SBC-A通过I-SBC，代替用户在新的IP域内注册，使MS在新的IP域内的SBC-B成为合法用户。

（6）MS得到新的IP地址IPms后，就可以发起re-INVITE消息，修改会话属性，启动SIP层的切换过程。同时，MS给Serving BS发送MAC层信令MOB_HO_IND，开始802.16标准MAC层网络重进入过程。

（7）网络重进入完成以后，终端MS向新的SIP代理SBC-B发送INFO(MS reentry completed)消息，告诉SBC-B，MAC层切换已经完成。

（8）此时，MS已经进入新的BS#3。SBC-B通过BS#3向MS转发200 OK消息。

（9）终端收到200 OK后，回复ACK，通过SBC-B转发给CN，完成会话的修改，新的媒体流建立，切换过程完成。

3 总结

本文通过比较几种802.16接入网络的切换机制，提出了一种新的基于SIP的802.16接入网络的端到端切换方案，和已有的方案相比，它在支持实时业务的快速切换的基础上，减少了切换时的丢包，并支持非实时业务的切换，从而在应用层很好地支持了Internet 所有业务的移动性，并且它是完全基于SIP及其扩展协议的，实现和部署起来也比较简单，具有比较高的应用价值。

参考文献

[1] J. Rosenberg, H. Schulzrinne, E. Schooler, M. Handley, G. Camarillo, A. Johnston, J. Peterson, R. Sparks, “Session Initiation Protocol”, RFC 3261 in IETF, June 2002

[2] E. Wedlund, H. Schulzrinne, “Application-Layer Mobility using SIP”, Service Portability and Virtual Customer Environments, 2000 IEEE

[3] E. Wedlund, H. Schulzrinne, “Mobility support using SIP”, 2nd ACM/IEEE International Conference on Wireless and Mobile Multimedia, Seattle, Washington, Aug. 1999

[4] Jon-Olov Vatn and Gerald Q. Maguire Jr., “The effect of using co-located care-of addresses on macro handover delay” in 14th Nordic Teletraffic Seminar, Aug. 1998.

[5] IEEE 802.16e/d 9-2005, “Standard for local and metropolitan area networks: Part 16 Air interface for fixed and mobile broadband wireless access system s[S]”, 2005.

[6] WiMAX Forum NWG, “WiMAX_NWG_Stage_3_VandV_Readiness_Draft”, August 2006

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