面向ITS的WiMax網(wǎng)絡(luò)接入組網(wǎng)研究

石海波

（江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212001）

面向ITS的WiMax網(wǎng)絡(luò)接入組網(wǎng)研究

石海波

（江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212001）

0 引言

近幾年來，隨著西部大開發(fā)的逐步深入，國家對(duì)西部的公路建設(shè)投入逐漸加大。但是總體來說，西部地區(qū)的公路網(wǎng)存在著兩個(gè)特點(diǎn)：第一是公路的等級(jí)較低，公路的基礎(chǔ)配套設(shè)施不夠完善；第二是由于西部廣袤的地域和相對(duì)稀疏的人口分布，造成了西部地區(qū)公路網(wǎng)是一種稀疏路網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。針對(duì)這種具體的情況，在西部路網(wǎng)布設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)就要充分考慮到以上兩個(gè)特點(diǎn)。對(duì)于前者，在這些較低等級(jí)公路旁再重新布設(shè)有線的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)即不經(jīng)濟(jì)也不實(shí)際，所以考慮采用無線通信接入系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)；對(duì)于后者，稀疏路網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了局部的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑尸F(xiàn)出一種線性分布。WiMax技術(shù)中主要關(guān)注的是802.16-2004和802.16e-2005，具有覆蓋范圍廣、空中接口速率高的優(yōu)勢(shì)，所以在無線接入系統(tǒng)中采用WiMax技術(shù)來構(gòu)建這個(gè)公路通信專網(wǎng)是符合實(shí)際情況的。

1 相關(guān)研究

在802.16d中，定義了兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即點(diǎn)到多點(diǎn)（PMP）和Mesh結(jié)構(gòu)。PMP是最常用的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它在下行（從BS到MS/SS）基于點(diǎn)到多點(diǎn)方式工作。在這個(gè)方向上只有BS發(fā)送，一般來說是基于廣播或多播的方式。在上行方向，所有的BS/SS要預(yù)先向BS發(fā)送帶寬申請(qǐng)，在獲得允許后才能發(fā)送自己的數(shù)據(jù)。在這個(gè)過程中，需要一個(gè)協(xié)議來控制BS/SS對(duì)傳輸媒質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)。在802.16中采取了四種不同的鏈路調(diào)度機(jī)制來實(shí)現(xiàn)媒質(zhì)控制，分別為主動(dòng)帶寬授權(quán)、實(shí)時(shí)輪詢、非實(shí)時(shí)輪詢和競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。另一種拓?fù)涫荕esh結(jié)構(gòu)。在Mesh結(jié)構(gòu)中，BS/SS的業(yè)務(wù)流可以通過其他BS/SS進(jìn)行路由，以多跳的形式到達(dá)BS。

ITS中的無線通信網(wǎng)絡(luò)，可以直接利用移動(dòng)通信公網(wǎng)，或者在移動(dòng)公網(wǎng)的基礎(chǔ)上組成交通通信虛擬專用網(wǎng)。但是在實(shí)際應(yīng)用中，可能出現(xiàn)一些緊急情況，比如地震、雪災(zāi)等自然災(zāi)害?？梢韵胂笤谶@些特殊情況下，公網(wǎng)基站會(huì)被大量的電話業(yè)務(wù)擁塞；從安全性的角度來看，公網(wǎng)也無法保證交通系統(tǒng)信息不被竊取。所以綜上來看，構(gòu)建一個(gè)屬于交通系統(tǒng)的專網(wǎng)是必要的。根據(jù)802.16相關(guān)協(xié)議，WiMax可以在半徑50公里的范圍內(nèi)支持最大75Mb/s（單信道）的數(shù)據(jù)下行速率，其單站覆蓋范圍廣，數(shù)據(jù)速率高。相比于其它一些無線通信技術(shù)，采用WiMax實(shí)現(xiàn)具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)勢(shì)。

2 面向稀疏路網(wǎng)的WiMax網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1 WiMax網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

802.16僅僅定義了物理層和MAC層，提供了接入網(wǎng)的功能。為了實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)功能，WiMax Forum在2004年成立了網(wǎng)絡(luò)工作組（NWG）。NWG定義的網(wǎng)絡(luò)參考模型，如圖1所示。

圖1 WiMax網(wǎng)絡(luò)參考模型

西部地區(qū)由于道路較為稀疏，在一個(gè)有限的區(qū)域來看，ITS的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳糠殖尸F(xiàn)出一種線性分布的特性。從車輛到路邊，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎肞MP結(jié)構(gòu)，車輛信息通過單跳到達(dá)BS，而反向則為BS通過多播或廣播的形式向車輛發(fā)布信息。路邊的BS沿公路線性分布，并且支持10到20跳中繼，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榉植际組esh結(jié)構(gòu)。根據(jù)NWG給出的參考模型，現(xiàn)提出面向稀疏路網(wǎng)的WiMax網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 面向稀疏路網(wǎng)的WiMax網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在圖2中，每個(gè)BS覆蓋大約半徑2公里的范圍。BS沿公路的左右兩邊交錯(cuò)布設(shè)，一個(gè)BS對(duì)面可以再安裝一個(gè)SS。SS不向MS開放，其主要作用是在轉(zhuǎn)發(fā)BS之間的MAC幀。SS在數(shù)據(jù)量很大時(shí)能起到分流的作用，在某個(gè)BS由于故障無法工作的時(shí)候能起到中繼作用，防止無線鏈路斷開。SS為可選設(shè)施，在實(shí)際工程中可以不安裝。BS每隔兩公里布設(shè)一個(gè)，這意味著在同一個(gè)位置會(huì)同時(shí)覆蓋兩個(gè)BS的信號(hào)。如圖2所示，一個(gè)MS既可以選擇距它稍近的BS，也可以選擇較遠(yuǎn)的BS，這可以根據(jù)不同BS的信號(hào)強(qiáng)度或BS的負(fù)載情況進(jìn)行選擇。假設(shè)較近BS當(dāng)前負(fù)載量接近飽和，而較遠(yuǎn)BS業(yè)務(wù)量很少，則MS可以選擇較遠(yuǎn)的BS建立無線鏈路，從而實(shí)現(xiàn)了負(fù)載均衡，對(duì)網(wǎng)絡(luò)合理使用。

2.2 WiMax網(wǎng)絡(luò)與IMS核心網(wǎng)互聯(lián)互通

盡管NWG定義了WiMax核心網(wǎng)（CSN）的相關(guān)功能，但是到目前為止其針對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制和業(yè)務(wù)管理的具體協(xié)議仍不完善，對(duì)于多媒體業(yè)務(wù)的支持幾乎還是空白，無法滿足日益增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求。從NGN的四層模型來看，現(xiàn)有的WiMax網(wǎng)絡(luò)僅僅提供了邊緣接入層和部分網(wǎng)絡(luò)控制層的功能。IMS是公認(rèn)的NGN核心技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)管理與呼叫控制相分離，控制與承載相分離；同時(shí)，基于IMS的構(gòu)架能實(shí)現(xiàn)固定與移動(dòng)融合（FMC）。所以，IMS核心網(wǎng)能彌補(bǔ)WiMax核心網(wǎng)的不足，對(duì)ITS系統(tǒng)以后的業(yè)務(wù)擴(kuò)展發(fā)揮極大的作用。WiMax網(wǎng)絡(luò)接入IMS有多種方式，包括WiMax直接接入IMS子系統(tǒng)或WiMax通過3GPP的PS域后再接入IMS子系統(tǒng)。由于本ITS系統(tǒng)是構(gòu)建的專網(wǎng)，不經(jīng)過公眾無線通信網(wǎng)，所以采用WiMax直接接入IMS。

CSCF（呼叫會(huì)話控制功能）是IMS中最重要的實(shí)體組件，完成會(huì)話的建立、維護(hù)和拆除功能。CSCF有三種：P-CSCF（代理），I-CSCF（問詢），S-CSCF（服務(wù)）。HSS（歸屬用戶服務(wù)器）為用戶數(shù)據(jù)庫，保存了用戶身份標(biāo)識(shí)、名稱、地址等信息?；ヂ?lián)圖如圖3所示。

圖3 WiMax接入IMS

圖3中，與HSS相連的接口使用Diameter協(xié)議，CSCF內(nèi)部與服務(wù)器之間使用SIP協(xié)議。要求MS能發(fā)起并建立WiMax連接來完成P-CSCF發(fā)現(xiàn)，注冊(cè)到IMS。P-CSCF和策略客戶端可以存在于同一個(gè)設(shè)備中。P-CSCF接受用戶通過SIP發(fā)起的服務(wù)請(qǐng)求，并通知策略客戶端，根據(jù)SIP消息中的QoS信息，發(fā)起資源預(yù)留和授權(quán)，建立端到端的QoS。I-CSCF負(fù)責(zé)信令的路由和S-CSCF的選擇。S-CSCF主要功能為接受用戶注冊(cè)，從HSS下載并臨時(shí)保存用戶數(shù)據(jù)，觸發(fā)用戶簽約任務(wù)以及完成呼叫進(jìn)程控制。

3 IPv6地址配置問題

除了IMS，IPv6也是NGN的關(guān)鍵技術(shù)之一。IETF對(duì)于WiMax技術(shù)成立了工作組IP over IEEE 802.16 Networks(16ng)來實(shí)現(xiàn)WiMax網(wǎng)絡(luò)和IP網(wǎng)絡(luò)的整合。它提出了WiMax網(wǎng)絡(luò)三種IPv6鏈路模型。

對(duì)于靜態(tài)配置，由于大部分BS是靜止的，所以此方法具有一定的先天優(yōu)勢(shì)。但是IPv6地址長(zhǎng)度為128，若用靜態(tài)配置，則要求先對(duì)整個(gè)全域服務(wù)網(wǎng)有比較充分的設(shè)計(jì)準(zhǔn)備，這樣會(huì)造成設(shè)計(jì)者的工作量過大，而且容易出錯(cuò)，也不方便以后的系統(tǒng)擴(kuò)展。

另一方面，自動(dòng)配置有兩種：全狀態(tài)自動(dòng)配置和無狀態(tài)自動(dòng)配置。自動(dòng)配置步驟：

1）創(chuàng)建鏈路本地地址（FE80: /64＋64位接口 ID）。

2）確定哪些信息需要自動(dòng)配置（地址，其它信息或二者都要）。

3）確定應(yīng)使用全狀態(tài)還是無狀態(tài)機(jī)制獲得配置信息。

對(duì)于使用無狀態(tài)自動(dòng)配置，有一個(gè)限制條件：具有多播能力的鏈路。802.16為PMP結(jié)構(gòu)，缺乏IPv6中要求的雙向的多播支持。但是筆者考慮在實(shí)際的ITS系統(tǒng)中可以忽略這個(gè)條件。原因如下：ITS接入網(wǎng)在下行支持多播，上行支持點(diǎn)到點(diǎn)，僅上行不滿足要求。使用無狀態(tài)機(jī)制時(shí)對(duì)于上行的多播主要是為了進(jìn)行路由器發(fā)現(xiàn)和重復(fù)地址檢測(cè)（DAD），但是絕大多數(shù)情況下ITS中的本地鏈路地址（利用MAC地址成生）是不會(huì)重復(fù)的，路由器發(fā)現(xiàn)功能在采用后述流程后也可忽略，所以本文者認(rèn)為在ITS系統(tǒng)中在上行傳播時(shí)可以不用支持多播。無狀態(tài)配置流程：

1）確定自己的IEEE EUI-64地址。

2）AR周期性的發(fā)送通告報(bào)文，MS偵聽報(bào)文到后，獲取子網(wǎng)前綴信息，再與接口ID，得到自己的IP地址。

對(duì)于全狀態(tài)自動(dòng)配置，要符合RFC3315，同時(shí)ASN-GW&AR要提供DHCPv6中繼代理功能。

綜上所述，對(duì)于ITS網(wǎng)絡(luò)，認(rèn)為在有AR向下廣播網(wǎng)絡(luò)前綴的情況下，使用無狀態(tài)機(jī)制更加方便快捷；在有嚴(yán)格地址控制的要求的時(shí)候，則采用DHCPv6。也可以綜合：使用無狀態(tài)機(jī)制獲得IP地址，在獲得有效IP地址的前提下，再使用有狀態(tài)機(jī)制獲得除了地址以外的其他信息。一個(gè)AR下為一個(gè)子網(wǎng)，使用相同的子網(wǎng)前綴，這樣MS在不同的BS之間（同一AR下）漫游時(shí)，IP地址可不變，但MS和BS中的路由表要相應(yīng)改變。

4 結(jié)束語

WiMax相比與其它的3G技術(shù)具有空中接口速率高的優(yōu)勢(shì)，但是相比與傳統(tǒng)的電信網(wǎng)絡(luò)，其核心網(wǎng)部分比較匱乏，目前只能作為一種接入技術(shù)存在。本文在WiMax Forum NWG的參考模型基礎(chǔ)上提出了適應(yīng)于西部地區(qū)稀疏路網(wǎng)的ITS無線通信網(wǎng)絡(luò)體系，并在 NGN的框架下研究了ITS的組網(wǎng)和IPv6的一些相關(guān)問題，最后指出了未來工作的方向。

[1]Yi Qian, Moayeri N. Design of Secure and Application-Orented VANETs. Vehicular Technology Conference 2008,IEEE, 11-14, 2008: 2794-2799.

[2]Lee Tsu-Tian. Research on Intelligent Transportation Systems in Taiwan. Control Conference 2008, IEEE, 16-18, 2008: 18-23.

[3]WiMax Forum Network Archtecture. Stage 2: Architectrue Tenets, Reference Model and Reference Points, Release 1.0 2009, 4.

[4]WiMax Forum Network Archtecture. Stage 3: Detailed Protocols and Procedures, Release 1.0, 2009, 4.

Research on access and networking of ITS-Oriented WiMax networks

SHI Hai-bo

智能交通系統(tǒng)(ITS)，是最近幾年來交通領(lǐng)域研究的一個(gè)前沿方向；而WiMax，作為寬帶無線接入的熱門技術(shù)，在接入帶寬方面具有優(yōu)勢(shì)。本文在這二者具體應(yīng)用結(jié)合的前提下，提出了適應(yīng)于西部稀疏路網(wǎng)的路邊局域無線接入網(wǎng)絡(luò)體系，在NGN的背景下研究了其全域的組網(wǎng)機(jī)制和IPv6地址配置問題。

WiMax；智能交通系統(tǒng)；下一代網(wǎng)絡(luò)；IP多媒體系統(tǒng)IPv6

石海波（1977－），男，江蘇鎮(zhèn)江人，工程師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)與信息管理。

TN915

B

1009-0134(2011)4(下)-0083-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(下).24

2010-11-25