基于动态接入路径选择机制的快速接入点切换方法

摘要

本发明公开了一种基于动态接入路径选择机制的快速接入点切换方法，多跳中继宽带无线接入网络中每个小区存在多个接入点，包括基站和中继站，移动用户在移动的过程中根据当前无线信道质量结合接入路径选择算法动态快速切换到邻居小区的接入点。本发明通过接入点重选，然后根据候选接入点路径的带宽、时延、跳数等信息，结合移动用户当前的连接业务类型及其服务质量参数，从候选接入点中选择满足当前业务条件的接入路径，再根据从后备网络提前获得的业务信息选出最佳锚定接入点，从而确定最佳接入路径，当移动用户需要切换的时候快速切换到目标接入点，快速接入点切换方法减小了切换时延，且由于对不同优先级业务的不同处理提高了切换连接率。

说明书

技术领域

本发明属于宽带无线通信领域，涉及一种切换方法，尤其涉及基于动态接入路径选择机制的快速接入点切换方法，可广泛应用于存在多跳非透明中继站的无线接入城域网络中。

背景技术

未来的宽带无线通信网络的将能够提供更高容量、更大覆盖范围以及更快的数据传输速率，与此同时，服务业务类型的多样化和更高速度的移动性支持也是无线通信的发展方向。在传统无线网络中，如果运营商所拥有的频谱资源数量有限，就只能通过小区分裂来增加容量。另外，室内覆盖问题也是数据业务发展的瓶颈之一。对数据业务来说，大部分话务量都集中在室内，来自室外的无线信号在穿透墙壁的时候，会产生很大的衰减，使用户获得的服务质量下降。为了提高容量和扩大覆盖范围，采用在热点地区设置中继站的方式将是未来的发展趋势。中继站不但能够提高小区容量和扩大覆盖范围，且采用无线接入方式，降低了运营商的成本，但由于系统复杂度的增加，给移动性支持带来了一些问题：

网络中存在多个接入点，包括基站和中继站，移动用户在进行越区切换的过程中要做出切换接入点和接入路径的判断，选择合适当前业务的最佳接入路径；

服务业务类型多元化，而不同类型的业务对用户移动性支持程度不同，要提供支持针对不同业务类型的切换，这给切换判决带来一定难度；

中继站点的加入使得网络复杂化，切换执行时间随之增加，这就带来了更大的切换延时，怎样有效降低延时并快速连接到新的接入点也是需要解决的问题。

多跳中继无线网络的切换过程中，在考虑有效的切换接入路径的同时，还要针对不同业务类型提供不同的路径选择策略，以优化系统资源的利用率，所以使用基于动态路径选择机制的快速接入点切换方法能够有效而快速的连接到新的接入点上，并能够提供对不同业务服务质量的支持，为不同业务的连接性提供了保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于动态接入路径选择机制的快速接入点切换方法，以给不同业务类型的业务提供服务质量保证，适应无线通信业务多样化的需求，并能快速切换到目标接入点上，以减小切换延时，保证切换质量。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

一种基于动态路径接入选择机制的快速接入点切换方法，其主要步骤如下：

在多跳中继无线接入网络中，每个小区有一个多跳中继基站(Multihop Relay-Base Station)和多个中继站(Relay Station，RS)，中继站对移动用户来说是非透明的，即用户可以感觉到中继站的存在，且多跳中继基站对小区内的多个中继站采用集中式的无线资源管理方式。移动用户在小区之间切换的时候，可能直接接入邻小区服务基站，或通过多个中继站接入小区。这里，对基站和中继站统一称为接入点。

接入点重选过程。服务基站(BS)首先通过后备网络收集邻居小区的各个接入点(BS、RS)的基本信息，移动用户(MS)可能通过中继站接入基站，基站将收集到的信息通过中继站转发给移动用户。移动用户发出扫描请求，与各个邻居接入点同步并测量其信道质量，根据测得的邻居接入点的信道质量，且基于一定的阈值将满足条件的接入点放入候选集当中。再在候选集中选定信道质量最好的两到三个候选接入点，并让移动用户与其进行关联扫描。关联的时候根据接入点的不同(BS或RS)选择不同的关联等级，如果接入点为基站，则进行关联级别2的关联扫描，如果接入点为中继站，则进行关联级别1的关联扫描。关联级别2和关联级别1扫描方式唯一不同的是：测距反馈消息(RNG_RSP)不是直接发送给移动用户的，而是通过后备网络发送给服务基站。

选定最佳锚定接入点。邻居小区的服务基站需要收集移动用户当前的基本业务信息，如业务类型。邻居小区基站通过后备网络发送给当前小区基站其相关路径表信息，当前服务基站通过此发明中提到的动态路径选择算法，从候选集中信道质量最好的两到三个候选接入点中筛选出路径条件最好的一条接入路径，并将其接入点作为锚定接入点。这期间，移动用户只与当前接入点和锚定接入点进行上下行通信，而只与候选集中的其他接入点保持同步。

候选集和锚定接入点的维护与更新。候选集和锚定接入路径有根据移动用户的移动、信道质量的变化以及小区内业务的动态变化而进行动态的维护和更新。维护和更新的过程需要结合路径接入选择算法动态进行。

动态接入路径选择算法。接入路径选择算法中需要考虑不同的业务类型，具体的业务分类及其服务质量(QoS)参数参考WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access，IEEE802.16)中对五种业务类型的定义。在基站到移动用户的连接路径中，由于移动用户的移动性，最后一跳的信道质量是动态变化的，而由于此系统采用的是非透明的固定中继节点，中继站在接入服务基站的时候就已经选择了无线信道质量相对好的路径，中继站节点其后也会根据连接质量维护和更新接入路径，所以中继站与中继站、中继站与基站之间的链路质量动态变化的很小，这里暂不考虑中继站到基站的链路质量影响。但对于带宽，时延等影响因素则要在整条链路上考虑。相邻的目标接入点所在小区的服务基站收到当前基站发送的当前业务类型等信息，由目标接入点所在小区的基站从自己的路径表中选择可提供的路径信息，并将路径信息通过后备网络发给原服务基站，服务基站再使用接入路径选择算法。

候选集的选择是根据移动用户到各个相邻接入点的信道质量。这里所检测的无线信道质量只是移动用户到接入点的最后一跳。当原服务基站收到来自邻居基站的路径信息的时候，对于不同类型的业务，服务基站则要根据针对此种类型业务的带宽、时延、吞吐量来判断接入选择路径。

首先检查可用的带宽。对于UGS(主动授权服务)类型的业务，没有最小预留传输速率(minimum reserved traffic rate)，当其最大维持传输速率(maximum sustained traffic rate)小于或等于上行链路的剩余带宽时，可继续执行下一步的检查，否则舍弃这条接入路径。对于rtPS(实时轮询服务)、ertPS(扩展实时轮询服务)以及nrtPS(非实时轮询服务)类型的业务，当其最小预留传输速率小于或等于上行链路的剩余带宽时，继续执行下一步检查，否则舍弃这条接入路径。对于BE(尽力而为服务)类型的业务，没有最小服务等级需求。

检查时延保证。对于UGS类型的业务，所要求的传输时间定义由参考时间和推荐授权间隔组成，实际的授予时间必须要满足大于要求的传输时间，并小于传输时间与可容忍的授予抖动的和。对于rtPS和ertPS类型的业务，一条rtPS或ertPS的连接要能够在保证时延要求的情况下被调度，其业务时延必须满足此业务的QoS参数中给出的时延要求。对于nrtPS和BE连接的业务，由于nrtPS对时延不敏感，且BE业务对时延也没有要求，可以在空闲的时候传输，所以无需检查时延保证。

对于UGS、rtPS和ertPS类型的业务，在保证接入连接时延的情况下，还要检查是否会破坏当前现有rtPS连接的时延要求，如果有某一条现有rtPS或ertPS连接的时延不能被保证，这条接入路径将被舍弃。

经过以上条件判断后，如果有两条或两条以上的接入路径满足条件，则从中选择跳数最少的一条路径作为移动用户切换的最佳锚定接入路径。

小区中的基站数据库维护一张自己小区内的路径表，路径表的初始构成数据由中继站和移动用户初始接入网络时填入。由于中继站和移动用户初始入网的时候没有业务加载，其接入路径方法不同与切换接入路径选择算法，考虑到路径表的易于维护和更新程度，只考虑信道质量和跳数的影响因素作为初始接入的路径选择方法。需要接入的节点收集周围节点发出的广播消息，根据广播消息做出接入点信道质量的判断，并为信道质量设定一个阈值，满足此阈值的接入点都可以作为候选接入点，最终的接入点确定则选择满足其阈值且跳数最少的路径。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：本发明中，服务基站根据当前移动用户的不同业务类型及其服务质量参数，通过从邻居小区的服务基站得到周围相关路径基本信息，选择适合当前移动用户业务的接入路径作为切换最佳锚定接入路径，并在路径选择过程中结合快速接入点切换策略，大大降低了切换时延，为移动用户的切换提供了业务连接质量保证。

附图说明

图1是基于动态接入路径选择机制的快速接入点切换的结构框图。

图2是快速接入点切换总体框图。

图3是基于不同业务类型的接入路径选择算法流程图。

图4是基于动态接入路径选择机制的快速接入点切换流程图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

本发明处于多跳中继宽带无线接入网络中的移动用户在不同小区之间的切换时，利用邻居小区基站通过后备网络发送的相关路径信息，根据移动用户当前连接业务，选择一条最佳锚定接入路径，当需要切换的时候可以迅速的切换到目标接入点上。

以原服务小区#0中的移动用户MS切换到目标小区#1为例，具体实施过程如下：

对候选接入点进行重选择。由于采用非透明中继，所以当前接入中继节点RS#0首先要收集小区内MR_BS#0发出的MR_NBR_INFO消息，此消息包含了周围其他中继节点的基本信息以及从后备网络获得的邻居小区中BS及其中继节点的信息，此实例中为BS#1、BS#2、RS#1和RS#2。当前中继接入节点RS#0根据收集到的MR_NBR_INFO消息，结合自己所服务的区域#0状况进行调整形成MOB_NBR_ADV广播消息，并向服务MR_BS#0请求广播消息带宽，最后向服务区域内的MS广播MOB_NBR_ADV消息，此消息中包含一张邻居BS及其RS的MAC地址和邻居BS index的映射表。MS根据BS index的映射表得到邻居BS及其RS的信息，包括邻居BSID(BS Identification)、RSID(RS Identification)及其物理层编码信息，对其进行同步扫描，测量邻居BS及其RS的导频和下行信道质量，MS再将其测量结果通过当前接入RS#0反馈到服务BS#0。同时MS将满足DCD、RCD信道描述消息中的参数H_ADD(加入到候选集阈值)的邻居接入点(包括邻居BS和RS)加入MS和BS#0共同维护的候选集，其选择方法是将载波干扰噪声比(CINR)值大于H_ADD阈值的邻居接入点放入候选集中。如果候选集中的邻居接入点的下行信道质量小于H_DELETE(删除阈值)，则将这个候选邻居接入点从候选集中删除。

在候选集中，根据接入点重选判定算法分析比较，确定两到三个准备对其关联扫描的候选接入点，此为最佳锚定接入点的初选过程。然后对这些候选接入点进行关联扫描，获取其物理层参数，目的是为了简化进入目标接入点所在小区的复杂度。如果候选接入点是邻居小区的BS#1，则进行关联类型2的关联扫描，如果候选接入点是邻小区的RS#1，则进行关联类型1的关联扫描。这是因为，关联类型1，即协同关联扫描方式下，MS需要和目标接入点RS#1下行同步，且需要执行非竞争的测距过程，而关联类型2，即网络辅助报告关联扫描方式下，和协同关联扫描方式唯一不同的是：RNG_RSP消息不是直接发送给MS，而是通过后备网络传给服务BS#0，并由服务BS#0打包成MOB_ASC_REPORT消息，此消息包括关联扫描的相关信息，在交叉间隔或者正常操作时发送给MS。RS#1如果选择关联类型2的扫描，还需要首先与其所在BS#1联系，再通过后备网络传给当前服务BS#0，所以RS#1选择关联类型1的扫描。在关联扫描的过程中，候选接入点所在的邻居小区的MR-BS#1要获取当前MS服务流的连接CID(Connection Identification)，以备后续路径选择使用。

因为中继节点为非透明固定中继，所以从RS到其接入BS的路径应该是再RS初始接入网络的时候就选择好的，其后再根据一定方法定期更新和维护。为了能更好的与切换中的MS接入路径选择过程相互结合，并且为后续过程提供各种参数和配置支持，首先提出一种RS初始接入网络的路径选择算法。小区中的BS维护一张自己小区内的路径表，路径表的初始构成数据由RS和MS初始接入网络时填入。由于RS和MS初始入网的时候没有业务加载，其接入路径方法不同与切换接入路径选择算法。考虑信道质量和跳数的影响因素作为初始接入的路径选择方法。需要接入的节点收集周围节点发出的广播消息，根据广播消息做出接入点信道质量的判断，并为信道质量设定一个阈值，满足此阈值的接入点都可以作为候选接入点，最终的接入点确定则选择满足其阈值且跳数最少的路径。

表1 BS端数据库维护的路径表

 

路径列表接入点可用带宽当前业务类型吞吐量跳数路径1(RS1，…BS)C_pre1S₁TH₁N₁路径2(RS2，…BS)C_pre2S₂TH₂N₂………………………………

针对从候选集中选出的最佳候选接入点RS#1和BS#1，根据当前MS的具体业务，邻居BS#1将这两个个最佳候选接入点所在路径信息通过后备网络发给服务BS#0，路径信息中还包括当前每条路径的可用带宽，信道质量对业务的支持，时延等。根据提出的接入路径判定算法，服务BS#0从几个最佳候选接入点中选出一个最适合当前MS业务的接入路径，并将其作为锚定接入点RS#1。这期间，MS只与锚定接入点RS#1进行上下行通信，而跟候选集中的其他接入点仅仅保持同步，不进行通信，这样就节省了切换的资源和时间。

宽带无线网络中，切换延时主要是由目标网络重新登陆过程带来的，并且降低切换延时可以增加切换的成功率。所以，优化网络重新登入过程，减小切换延时可以提高系统性能。

非竞争测距即目标接入点被通知给MS主动提供一个测距过程，并使用Fast_Ranging_IE(给MS提供入网测距机会)在其广播的UL_MAP(MS对上行信道访问时的相关信息)中将这个上行测距机会授予MS。MS不需要通过竞争获得测距机会，从而加快了测距所需要的时间。

预注册即目标小区的BS#1在切换之前，通过后备网络获得了该MS的服务流和安全信息，并把这些信息通知了目标接入点，从而节省了通过后备网络从认证服务器获得认证信息的时间。尽管目标小区的BS#1知道MS的信息，它还必须通过RS#1接入点使用主动提供的REQ-RSP反馈消息发送CID更新消息给该MS，因此注册过程的平均时间为完整注册过程平均时间的1/2。

目标接入点利用Fast_Ringing_IE给MS分配一个专属的测距机会，且通过预注册获得MS的安全和服务流信息，可以加速MS重新登入目标网络的过程，减少切换时间，提高切换成功的概率。

当MS或BS#0发出切换请求的时候，MS可以快速的连接到最佳锚定接入点RS#1上，从而保证了业务连接质量。

表2 WiMAX服务类型及QoS参数定义

 

类型特点QoS参数应用类型主动授权服          务(UGS)   定长、周期发送的数据包组                        成的实时数据流          主动授权大小、推荐授予间隔、可容忍 的授予抖动、请求/传输策略、最大维持                                   传输速率                                E1/T1VoIP 实时轮询服          务(rtPS)  可变长、周期发送的数据包                        组成的实时数据流        最小预留传输速率、最大维持传输速率、最大延迟、请求/传输策略、主动授权数                                     据间隔                                    MPEG视频流  扩展实时轮询服务    (ertPS)   周期性产生可变长度数据分组的实时业务流      最大维持传输速率、最大延迟、时延抖 动、请求/传输策略、最小预留传输速率和主动受权数据间隔                 静音抑制        VoIP业务非实时轮询            服务(nrtPS)可变长、对时延不敏感，但对于最小数据传输速率有                          限制的数据流                                                最小预留传输速率、最大维持传输速率、流量优先级和请求/传输策略              FTP   尽力而为服务(BE)    没有最小服务等级需求，可以在空闲时处理的数据流  最大维持传输速率、流量优先级和请求/传输策略                           网页浏览等      等      

动态路径选择算法中对业务分类及其服务质量(QoS)参数参考WiMAX中对五种业务类型的定义。从表中可见，有两种带宽方面的需求：最小预留传输速率和最大维持传输速率。最小预留传输速率定义了为连接预留的最小速率；最大维持传输速率是指业务的峰值信息速率。rtPS、ertPS和nrtPS同时拥有这两个服务参数；UGS包括最大维持传输速率，如果该参数集中还包括最小预留传输速率，那么这两个速率值是相同的；BE只有最大维持传输速率参数。由于rtPS和ertPS对带宽有相同的QoS参数且它们都是实时服务，因此对这两种服务类型平等对待。

对于每条可选接入路径，其可用带宽为每段连接路径的可用带宽的最小值。

$C_{\mathrm{left}}=\mathrm{Min}\{C_{(\mathrm{MS},R_1)},C_{(R_1,R_2)},···C_{(R_n,\mathrm{BS})}\}---\left(1\right)$

其中，C_left为连接路径的可用带宽，C_(x，y)为此路径上每段链路的可用带宽，x代表MS，R1，…Rn，y代表R1，R2，…BS。以下对可用带宽都是基于公式(1)来计算。

设总带宽为C_total，分配给上下行传输的带宽分别为C_up、C_down，当前分配给主动授予业务(UGS)的带宽为C_UGS，当前分配给实时轮询业务(rtPS)和扩展的实时轮询业务(ertPS)的带宽为C_rtPS和C_ertPS，当前分配给非实时轮询业务(nrtPS)和尽力而为(BE)业务的带宽为C_nrtPS和C_BE。

对于UGS业务，根据QoS参数中的最大维持传输速率来检查带宽：

r_MAX≤C_up-C_UGS-C_rtPS-C_ertPS-C_nrtPS        (2)

其中，r_MAX为最大维持传输速率。如果满足(2)式，则表明新的UGS连接有可用带宽，进行下一步检查，否则舍弃这条接入路径。

对于rtPS、ertPS以及nrtPS类型的业务，根据QoS参数中的最小预留传输速率来检查带宽：

r_MIN≤C_up-C_UGS-C_rtPS-C_ertPS-C_nrtPS        (3)

其中，r_MIN为最小预留传输速率。如果满足(3)式，则表明新的rtPS、ertPS或nrtPS连接有可用带宽，并对实时业务进行下一步的时延保证检查，否则舍弃这条接入路径。

对于每条可选接入路径，其时延是路径上每段链路时延的和。

对于UGS类型的业务，实际的授予时间必须要满足大于所要求的传输时间，并小于传输时间与可容忍的授予抖动的和：

t_req≤t_get≤t_req+t_Gjitter，t_req＝t₀+i×interval      (4)

其中t_req为业务所要求的传输时间，t_get为实际的授予时间，t₀为定义的参考时间，t_Gjitter为可容忍的授予抖动(Tolerated Grant Jitter)，interval为推荐授予间隔，i为当前连接。

对于rtPS和ertPS类型的业务，满足检查时延是否满足式(5)：

$\frac{B_i}{r_{\mathrm{MIN}}}\le d_{\mathrm{rtPS}}·\frac{(C_{\mathrm{rtPS}}+C_{\mathrm{ertPS}}+C_{\mathrm{nrtPS}}+C_{\mathrm{BE}})}{C_{\mathrm{rtPS}}}-t_{\mathrm{Pjitter}}---\left(5\right)$

其中，B_i为此业务在当前连接队列中的业务量，r_MIN为最小预留传输速率，d_rtPS为此rtPS业务的最大承受时延，t_Pjitter为可容忍的轮询抖动(Tolerated Poll Jitter)。

对于nrtPS和BE连接的业务，由于nrtPS对时延不敏感，且BE业务对时延也没有要求，可以在空闲的时候传输，所以无需检查时延保证。

对于UGS、rtPS和ertPS类型的业务，在保证接入连接时延的情况下，还要检查是否会破坏当前现有实时业务连接的时延要求，如果有某一条现有rtPS或ertPS连接的时延不能被保证，这条接入路径将被舍弃。

经过以上条件判断后，最后从中选择跳数最少的一条路径作为MS切换的接入路径。实例中所选择的最佳锚定接入点为RS#1。

所提出的基于接入路径选择机制的快速接入点切换方法，可以有效针对不同的业务类型进行不同的适合当前移动用户的接入路径选择，并能有效地结合快速接入点切换机制，降低时延，保证业务连接质量。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。