WiMAX接入核心网络中的数据通道技术

摘要　近年来，无线通信飞速发展，宽带技术无线化是宽带通信发展的趋势。微波存取全球互通（WiMAX），作为一种宽带无线技术，由于它传输速率快、传输距离远、有QoS保障、安全性能好等优点，在"最后一公里"接入技术中占据非常重要的地位。在WiMAX接入核心网络中，数据通道技术就是完成基站、网关间的数据传输，是基站和网关中一个不可缺少的功能模块。文章详细介绍了数据通道的建立、修改和删除过程以及在几种典型场景中的应用。

0、引言

近年来，无线通信飞速发展，宽带技术无线化是宽带通信发展的趋势。微波存取全球互通（WiMAX）是最近无线宽带通信领域中的一个研究热点。由于它具有传输速率快、传输距离远、有QoS保障、安全性能好等优点，作为解决"最后一公里"问题的无线城域网技术，充分发挥无线方式的特长，在未来城域网接入应用中有替代目前广为使用的xDSL接入方式的趋势。在WiMAX终端进入网络的初始阶段，需要建立起始业务流、预配置业务流，以及后续的动态业务流等，这些业务流的建立都需要数据通道（DP）模块配合完成。另外，在终端进行切换时，也需要DP模块配合，以达到切换丢包率低，无缝、平滑切换的目的。可以看出，DP是WiMAX接入核心网的基础模块，具有重要研究意义。

1、WiMAX网络参考模型

WiMAX是基于IEEE802.16标准的无线城域网技术。它在"最后一公里"接入技术中占据重要地位。WiMAX将网络分成移动站（MS）、网络接入提供商（NAP）和网络业务提供商（NSP）3部分。其中，NAP可以由多个接入业务网（ASN）组成，ASN中有基站（BS）和网关（GW）两个基本网元。NSP由连接业务网（CSN）组成。

2、WiMAX接入核心网中的数据通道技术

2.1　WiMAX终端从入网到退网流程

WiMAX接入核心网指的就是ASN，它由BS和GW两个网元组成。MS开机后，首先进行网络发现与选择，主要是发现NAP，选择NSP以及与NSP相关的NAP。然后进行鉴权注册，这个过程主要是进行认证以及密钥的分发。接着就是初始业务流（ISF）与DP建立。之后就是自举，主要是为了获取家乡链路的信息。自举之后，就是MIP注册了。随后可能会切换，也有可能进入空闲模式，再到关机。

2.2　WiMAX接入核心网中的数据通道

数据通道就是为了完成BS与BS之间、BS与ASN-GW之间以及ASN-GW与ASN-GW之间的数据传输，通过应用层会话，选择、建立以及管理相应的隧道传输技术。为了在切换中保证低时延的连接，可以选择性地使用数据通道功能来解决。每个数据通道功能负责实例化和管理它与另一个数据通道功能之间的数据承载。数据通道承载的负载通常有两种：一种是IP或Ethernet数据包；另一种是IEEE 802.16e MACSDU数据包。

数据通道（承载）功能按照各部分在切换和初始网络进入中扮演的角色可进一步划分为Anchor DP功能、服务DP功能、目标DP功能和中继DP功能。

扮演Anchor DP功能这个角色的功能实体驻留在Anchor GW这个物理实体上，是通往CSN的出口。该功能实体锚定包括切换过程在内的与MS相关的数据通道。它使用网络层隧道技术将接收到的数据分组转发给服务DP功能所在网元。对处于切换过程中的MS，该功能为来自网络的数据提供缓冲区，并保持关于承载的状态信息，降低了丢包率。

扮演服务DP功能这个角色的功能实体通常驻留在服务BS物理实体上，它与服务物理层和MAC层功能关联，负责向MS发送所有消息。该功能通过物理隧道与Anchor DP功能通信，转发或接收MS数据分组。

目标DP功能，是在切换过程中提出来的概念，相对服务DP功能而言的。通俗而言，目标DP功能就是可能成为服务DP功能，是MS切换时候选的BS上的DP功能实体。它与Anchor DP功能交互，准备在切换完成后建立数据通道以取代当前的数据通道。成功切换后，该功能转为服务DP功能。

中继DP功能，负责转发来自于服务DP功能和Anchor DP间的消息。

2.3　数据通道的操作分类

数据通道有预建立、建立、修改以及删除四种操作，都是网元间对等功能实体间会话。一般是由触发模块发送DP触发消息，接收该触发消息的模块通常称为发送端，再向目的端发送：DP请求消息。目的端收到请求消息后，回送响应消息。发送端收到响应消息后，再发送确认消息。目的端收到确认消息后，两个对等端就进入数据通道建立状态，它们就可以进行数据通信了。

数据通道的预建立操作用于ASN切换准备阶段，在目标BS与Anchor GW间预先建立数据通道。这样可以减少MS切换时延、降低丢包率，以达到平滑、无缝切换。

数据通道的建立在很多场景下都会出现，如：入网起始业务流和数据通道的建立、ASN切换执行阶段的数据通道建立、CSN锚点切换以及退出空闲模式建立DP等。

数据通道的修改消息通常用于捎带业务流的建立、修改和删除信息至BS-SFM模块，辅助完成业务流的操作。数据通道的删除操作出现在ASN切换、CSN切换、进入idle模式以及退网阶段。

3、WiMAX接入核心网中的数据通道技术应用的几种典型场景

3.1　起始业务流与数据通道的建立

在网络接入阶段，用户的QoS Profile被从AAA下载到SFA中。MS完成接入认证后，ASN内的authenticator触发GW中的Anchor SFA进行初始业务流的建立。ISF是一种特殊的预定义业务流（PSF），在一系列的预配置单播业务流中，第一对业务流由SFA初始化的业务流称为ISF。ISF的目的是：MS和ASN使用其传送delay tolerant控制业务，如IP配置管理和IP client应用信令（DHCP信令、RA、MIP、SIP等)。在建立初始业务流的阶段，由于没有建立DP，故在建立业务流的同时，必须要建立DP。因此，WiMAX提出了一种机制，可以在建立DP的同时，也将ISF建立完毕。主要是通过将SF信息附带在DP建立请求的消息中，捎带至BS-SFM，完成业务流和DP建立。其消息流程图如图1所示。

图1　起始业务流与数据通道的建立

从图1可以清楚地看出，QoS模块是如何利用DP消息捎带业务流信息建立起始业务流的整个过程。

3.2　ASN切换准备阶段的数据通道预建立

在ASN切换准备阶段，成为MS切换的候选BS，也就是目标BS，需要与Anchor GW进行数据通道的预建立，以便在切换执行阶段减少信令交互，减少切换时延。预建立会让下行数据保留在目标BS中，这样等到MS切换到该BS下时，就可以将数据发送到MS，降低了丢包率，以达到平滑、无缝切换。图2给出了ASN切换准备阶段的数据通道预建立的消息流程。

图2　ASN切换准备阶段的数据通道预建立

3.3　退网阶段的数据通道删除

WiMAX终端退网时可以由网络触发，也可以由MS触发。退网时需要删除业务流和数据通道。图3给出了消息流图。

图3　退网阶段的业务流删除以及数据通道的删除

从图3可以看出，在退网阶段，DP的删除过程是由BS上的16e模块触发，BS上的DP模块接收到触发请求后，发送数据通道删除请求消息至GW的DP模块，然后作业务流的删除操作。整个业务流删除的过程在数据通道删除过程中间。等待业务流删除完毕，继续完成DP删除操作，直至DP删除完毕。

4、结束语

由于WiMAX的传输速率高，传输距离远，有QoS保障等各种优点，相对其他技术而言，WiMAX作为一种无线城域网的解决方案更具有优势、更加贴近实际。

数据通道实际上是为了完成BS与BS之间、BS与ASN-GW之间以及ASN-GW与ASN-GW之间的数据传输，通过应用层会话，选择、建立以及管理相应的隧道传输技术。数据通道的预建立、建立、修改和删除操作都是通过三次握手完成。在入网起始业务流建立、切换、寻呼、退网等各种场景下都将用到DP操作。

综上所述，数据通道不仅仅完成数据传输的承载功能，而且还与业务流、切换等息息相关，因而，数据通道技术是构建整个ASN接入核心网络的基础，是BS和ASN-GW网元中不可缺少的功能模块。