無線網絡的移動性支持方法

專利名稱：無線網絡的移動性支持方法
技術領域：
本發明涉及無線網絡中的移動性支持。
背景技術：
基于IEEE 802.11標準的無線局域網(WLAN)已經被廣泛地推廣和應用于機場、辦公室和家庭。在這樣成功的基礎之上，IEEE 802.16標準規定了無線城域網(MAN)的空中接口和媒體訪問控制(MAC)協議。IEEE 802.16可以通過與無線基站(BS)通信的外部天線實現對建筑物的寬帶無線接入。無線MAN在光纖鏈路、電纜調制解調器和/或數字用戶環路之外提供了另一種選擇。利用新的標準，家庭和商業用戶可以經由無線鏈路被直接連接到電信網絡和因特網。
為了克服802.16標準下的發送機和接收機之間的視距(line-of-sight)要求的不便，2003年通過了支持非視距鏈路的802.16a標準。802.16a可工作在從2到11GHz的許可和非許可頻帶中。經過對802.16a標準的小修改而產生了802.16d標準。802.16d標準是通過無線鏈路來提供最后一英里連接性的另一種可選方案。許多802.16d產品正在被積極地開發和測試當中。802.16d規范被設計用于專門為固定的無線用戶提供連接。以擴展802.16d標準來支持移動終端為目標組建了802.16e委員會。然而，802.16e是一個全新的規范，它與802.16d標準不兼容。因此，遺留的(legency)802.16d產品在802.16e無線網絡上將不被支持。

發明內容
在本發明的一個示例性實施例中，為了請求越區切換，用戶臺發送第一消息。第一基站接收第一消息并且將第一消息解釋為越區切換請求。第一基站發送響應于該請求的確認和至少一個支持越區切換的第二消息。用戶臺在接收到確認之后與第二基站啟動越區切換。第二基站接收所發送的第二消息并且啟動與用戶臺的連接越區切換，需要比與包括用戶臺和第一及第二基站的無線網絡相關的無線通信協議所規定的步驟少的步驟。
正如將了解到的那樣，建立越區切換協議的方法允許在無線通信協議不打算支持移動性的地方提供移動性支持。


根據以下所給出的詳細描述和僅以示例方式所給出的附圖，本發明將被更全面地理解，其中在各附圖中，相同的參考標號表示相應的部分，其中圖1表示用于根據本發明的示例性實施例的802.16d無線網絡的分級移動IP(HMIP)的結構；圖2表示根據802.16d標準所建立的連接的常規啟動進程中的步驟；圖3表示根據本發明的示例性實施例所建立的連接的越區切換啟動進程中的步驟；圖4表示根據本發明的示例性實施例的連接越區切換期間的消息交換序列。
具體實施例方式
為了更好地理解本發明，以下將說明連接越區切換的目的、用于連接越區切換的802.16d標準中所定義的某些功能的應用以及越區切換協議。然后，可用于實現越區切換的802.16d標準中的現有消息將被識別和說明。
用于連接越區切換的協議越區切換的目的和移動性管理隨著用戶臺(SS)(或終端)和其基站(BS)之間所建立的無線電鏈路的質量由于移動性而惡化，SS和相應的主機之間的IP連接性可以通過將連接切換至具有較強無線電鏈路(連接)的BS而得以維持。越區切換所得到的連接可以減少分組的損失和延遲。
802.16d標準僅定義了物理(PHY)層和MAC層。因此，出于實例描述的目的，假設所考慮的網絡使用了用于微移動性管理的分層移動IP(HMIP)算法。應該理解，本發明不限于該實例。例如，網絡可以替代地使用例如蜂窩IP、HAWAII等算法。下面參考圖1進一步描述實例。
圖1表示根據本發明的示意性實施例的用于802.16d無線網絡100的HMIP的結構。如圖所示，路由器被指定為主外地代理(PrimaryForeign Agent，PFA)，并且作為每個SS105的“定位點”。也就是說，交換至給定SS 105的數據和從給定SS 105交換來的數據通過相應的PFA 110而被路由。另外，PFA 110也跟蹤用于與SS 105相關的802.16d連接的運行參數。SS 105和通信主機150之間的通信路徑可包括IP內聯網130、網關135、多條IP通道140、因特網連接145和/或歸屬代理155。PFA 110可選地可以與BS在一起。
啟動進程為了在802.16d無線網絡中提供移動性的同時支持遺留的802.16d設備，使用了現有802.16d標準中所定義的特征和協議。在概念上，越區切換是指去除與舊的BS 120的現有連接并且建立具有較好鏈路質量的與鄰接的BS(新的BS 125)的新連接的進程。
建立越區切換連接與SS 105在加電時關于BS(指的是“舊的BS120”)進行注冊的時候的啟動進程相類似。下面將要描述的是SS 105關于舊的BS120進行初始注冊的啟動進程，其后描述的是SS 105和新的BS 125之間的越區切換啟動。
圖2表示在用于根據802.16d標準所建立的連接的已知啟動進程200中的步驟。如圖所示，在步驟S205中，SS 105開始掃描其頻率列表以識別操作信道。或者，在步驟S205中，SS 105可以登錄(例如，連接)到預定的BS 120。在選擇其上試圖進行通信的信道之后，SS 105通過檢測周期的幀前同步信號來設法與下行鏈路傳輸同步。
一旦在步驟S205中物理層被同步，在步驟S210中，SS 105就尋找周期性廣播的下行鏈路信道描述符(DCD)和上行鏈路信道描述符(UCD)消息，從所述消息中，SS 105可以確定用于所選擇的信道的調制和前向差錯控制信息。
在步驟S215中，通過步驟S210中所建立的信道參數，SS 105從上行鏈路(UL)MAP中識別傳輸機會來發送測距消息到目標BS120。根據來自BS 120的距離響應消息，SS 105可以調整它的傳輸功率和定時。而且，該消息也為SS 105提供基本的和初步的管理連接身份(management connection identity CIDs)。
在步驟S220中，在步驟S215的測距進程完成之后，SS 105和BS 120交換兩個消息以通知對方自身的性能(capability)，其中一個消息來自SS 105和BS 120中的一個。
在步驟S225中，SS 105進行認證過程并且與BS120交換加密密鑰。該過程包括若干在SS 105和BS 120之間交換的消息。步驟S225開始由SS 105發送其X.502數字證書(即，MAC地址和SS公鑰)、加密算法和基本的CID至BS 120。步驟S225在SS 105和BS 120對授權和業務密鑰及其相關的壽命達成一致時結束。
在步驟S230中，SS 105向BS 120發送請求消息以關于網絡進行注冊。BS 120返回響應消息以指示注冊的成功或失敗，并且如果成功，則指示第二管理CID。然后，SS 105通過動態主機通信協議(DHCP)獲取IP地址和相關參數。
在步驟S235中，SS 105發送時間請求并且從時間服務器接收響應。DHCP服務器還提供TFTP(普通文件傳輸協議)服務器的地址，從TFTP服務器中，SS 105可以得到包含運行參數的配置文件。為SS105和BS 120之間的服務流建立連接。
有多種方法來為服務流建立上述連接。根據一種方法，BS 120發送動態服務添加(dynamic service addition，DSA)消息到SS 105。請求消息可以包括服務流IDs和/或CIDs及其QoS參數。在SS 105返回DSA響應到BS 120并且BS 120發送確認之后完成連接的建立。
越區切換啟動進程現在將描述用于根據本發明的示例性實施例的越區切換期間的連接的啟動所需的步驟。
圖3表示用于根據本發明的示例性實施例所建立的連接的越區切換啟動進程300中的步驟。如圖所示，與圖2中的啟動進程200相比，越區切換啟動進程300需要較少的步驟。
圖3包括步驟S305，S310，S315，S320和S325，一般來說，所述步驟分別與圖2的步驟S205，S210，S215，S230和S250相對應。現在將描述越區切換啟動進程300中為什么不需要圖2中的附加步驟(例如，步驟S220，S225，S235，S240，S245)的原因。
現在將關于圖1中的網絡給出越區切換啟動進程300的實例。在這個實例中，假設存在SS 105和BS 120之間的當前連接(例如，如上面參考圖2所描述的那樣而建立的連接)。還假設舊的BS 120和新的BS 125具有相同的性能。因此，圖2中的步驟SS220(即，基本性能的協商)在越區切換進程中不需要被重復。步驟S225(即，用戶認證)可以通過在舊的BS 120和新的BS 125之間的返程(backhaul)網絡中交換控制消息來實現，從而消除了對在SS 105和新的BS125之間建立認證的需要。加密密鑰及其相關參數也可以經由返程網絡從舊的BS 120被轉發到新的BS 125。以下將描述如何經由返程網絡執行加密密鑰的認證和轉發的實例。
而且，由于利用HMIP來維持相同的IP連接性，而不管越區切換，所以在越區切換期間不需要重新建立新的IP連接。因此，越區切換啟動進程300不需要步驟S235。由于現有的IP連接保持不變，SS 105不需要接收關于圖2的步驟S245所描述的新的運行參數，并且步驟S245在越區切換啟動進程300中不需要被重復。
可以進行的另一個假設是將舊的BS 120和新的BS 125同步(例如，通過全球定位系統(GPS))。因此，就圖3中的越區切換啟動進程300來說，圖2中的步驟S240(即，設置時間)不再是必要的。
圖3表示鑒于上述假設的根據本發明的示例性實施例的802.16d網絡中的越區切換所需的合成進程。
如上所述，越區切換啟動進程300在SS 105和新的BS 125之間需要較少的通信。通常應當理解，與在SS 105和新的BS 125之間的無線(over-the-air)通信相比，返程通信具有較少的等待時間。因此，與圖2中的啟動進程200相比，越區切換啟動進程300可以需要較少的時間。
現在將描述的是圖3中的越區切換啟動進程300的等待時間的實例估計。表1顯示了功能性中所包括的消息及其估計的等待時間，其中假設1)7毫秒每幀(這是中等的幀長度)；2)每5幀傳送DCD和UCD；以及3)消息可以被處理并且相應的消息可以在下一幀中被發送。應該理解，如果第二無線電鏈被用于觀測UL參數，則信道同步和UL參數觀測(如表1中所示)所引起的延遲可以進一步被減少。
表1

越區切換協議和消息交換圖4表示根據本發明的示例性實施例的連接越區切換期間的消息交換序列。如圖4中的實例所示，當SS 105需要連接越區切換時(例如，通過檢查從下行鏈路上的BS周期性地廣播的MAPs的誤碼率或通過測量所接收的信號強度)，SS 105啟動連接越區切換，SS 105發送越區切換請求(HO-REQ)到其當前BS(例如，舊的BS 120)。舊的BS 120發送越區切換確認(HO-ACK)消息以表示SS 105可以開始越區切換進程。
SS 105在向舊的BS120發送HO-REQ之后起動定時器。直至定時器到達給定閾值級別(被稱為超時)為止，SS 105都將接收的HO-ACK消息看作起動越區切換的指示。當定時器到達給定預置級別而沒有首先接收到來自舊的BS 120的HO-ACK時，SS 105不再將接收的HO-ACK解釋為對連接越區切換的預報(precursor)。
HO-REQ和HO-ACK消息均沒有在802.16d標準中被定義。相反地，所述消息被標記用于描述目的。以下將使用請求和確認(ACK)越區切換部分的現有消息來詳細描述使用現有802.16d消息對這些消息的示例實現。
在舊的BS 120響應來自SS 105的越區切換請求之后，舊的BS120發送第一返程網絡消息BN-MSG1以將與SS 105相關的MAC地址、CIDs、加密密鑰和/或其它服務參數通知給作為SS 105的“定位點”的PFA 110。一旦接收到BN-MSG1，PFA就經由返程網絡轉發第二返程網絡消息BN-MSG2，以向圍繞舊的BS 120的所有BS 115/125報警，從而使得能夠對SS 105的可能的越區切換作出響應，其中，第二返程網絡消息BN-MSG2包括SS 105的MAC地址、連接和運行參數。用于關于SS 105的越區切換的可能候選者的鄰近BS 115/125的列表在PFA 110中被維護，并且可以被視為與CDMA系統中的鄰近列表相類似。
在接收到HO-ACK消息之后，SS 105接著執行如上面關于圖3中所描述的越區切換啟動進程300。因此，SS 105掃描并且與新的BS125的新信道同步(例如，如上面關于圖3的步驟S305所描述的那樣)。于是，SS 105得到上行鏈路傳輸參數(例如，如上面關于圖3的步驟S310所描述的那樣)，完成測距和調整過程(例如，如上面關于圖3的步驟S315所描述的那樣)，注冊并建立與新的BS 125的臨時連接(如上面關于圖3的步驟S320和S325所描述的那樣)。一旦越區切換啟動進程300被完成，新的BS 125就發送第三返程網絡信息BN-MSG3以通知PFA110越區切換的完成。PFA 110發送第四返程網絡消息BN-MSG4以重新設置與舊的BS 120上的SS 105相關的PHY和MAC。在SS 105和新的BS 125之間建立新連接的時候，PFA110開始將數據傳送給新的BS 125，從而轉發給SS 105。
在上述實施方式中，從PFA 110發送的BN-MSG2在來自SS 105的第一測距消息RNG-REQ到達之前可以被圍繞舊的BS 120的所有BS 115/125所接收和處理。如果BN-MSG2消息沒有被接收到，則相鄰的BS 115/125將不會知道越區切換，從而“正常”的啟動進程(例如，圖2的啟動進程200)將被執行，而不是縮減的越區切換啟動進程(例如，圖3的越區切換啟動進程300)。
使用現有消息來請求和確認(ACK)越區切換正如上面所論述的，HO-REQ和HO-ACK消息均沒有在802.16d標準中被定義。為了避免對標準的改變，現有的消息，即帶有動作代碼03的注銷(de-registration)命令(DREG-CMD)，其可以表示HO-REQ和HO-ACK消息。換句話說，當SS 105啟動越區切換時，SS 105發送DREG-CMD(代碼＝3)消息(即，HO-REQ)到舊的BS 120。如果舊的BS 120同意越區切換，則它返回另一個DREG-CMD(code＝3)(即HO-ACK)給SS 105。當HO-ACK被SS 105接收時，越區切換進程開始，如上面關于圖4所描述的那樣。
現在來描述將DREG-CMD(代碼＝3)消息用作HO-REQ和HO-ACK消息的原因。802.16d標準規定，DREG-CMD消息應該由BS在SS的基本CID上傳送以使SS改變其接入狀態。當接收到DREG-CMD時，SS就會執行由動作代碼所指定的動作。如果動作代碼是03(代碼＝03)，則SS會返回到正常操作，并且可以在其任何活動的連接上進行傳送。
舊的BS 120不會預期到接收來自其相關SS 105的DREG-CMD(代碼＝3)消息。如果DREG-CMD(代碼＝3)消息在舊的BS 120被接收，舊的BS 120對于該消息的響應在802.16d標準中沒有規定。因此，根據本發明的示例性實施例的BS可以被設定為將DREG-CMD(代碼＝3)消息解釋為越區切換請求(HO-REQ)。同理，根據本發明的示例性實施例的SS可以被設定為發送DREG-CMD(代碼＝3)作為越區切換請求。從而，在SS 105發送第一DREG-CMD(代碼＝3)消息之后，SS 105開始進行越區切換，并且可將從舊的BS 120返回的DREG-CMD(代碼＝3)解釋為對越區切換請求的確認(HO-ACK)。
對DREG-CMD(代碼＝3)消息的選擇可以具有其它的優點，即，DREG-CMD(代碼＝3)消息僅要求SS 105恢復正常的操作。因此，DREG-CMD(代碼＝3)消息不會對沒有被配置為用于越區切換和/或當前沒有預期到來自舊的BS 120的越區切換確認(HO-ACK)的SS造成不利影響。DREG-CMD(代碼＝3)消息也可以使得包括具有或不具有新的越區切換性能的混合的SS 105和BS 115/120/125的無線網絡能夠進行正確的操作。例如，假設SS 105被配置成包括上述越區切換性能，但舊的BS 120不包括所述越區切換性能。在這種情況下，在接收來自SS 105的第一DREG-CMD(代碼＝3)之后，舊的BS 120不會發送第二DREG-CMD(代碼＝3)來確認(或批準)越區切換。在沒有返回的DREG-CMD(代碼＝3)的情況下，SS 105僅僅如802.16d標準中所定義的那樣繼續其操作。因此，上述方法可以在當前的802.16d網絡中被實現，而不會對現有網絡的操作產生不利影響。
為了防止SS 105在舊的BS 120和新的BS 125之間的“乒乓效應(ping-ponging)”，可以采用常規的滯后閾值，以使得在從新的BS 125所接收的信號強度超過從舊的BS 120的所接收的信號強度至少該滯后閾值的情況下，SS 105才請求越區切換。因為上述越區切換方法包括啟動進程的“短的”形式(例如，越區切換啟動進程300)，因此，在圖4中，在通過來自PFA 110的BN-MSG4在舊的BS 120重新設置MAC和PHY之前的任何階段，SS 105都可以通過發送另一個DREG-CMD(代碼＝3)到舊的BS 120而中止越區切換。
這樣描述了本發明的示例性實施例，很明顯地，所述實施例可以用多種方式而被改變。例如，802.16d標準中的其它命令可被用于表示HO-REQ和HO-ACK消息。而且，盡管上述示例性實施例是關于HMIP管理系統而被描述的，但是，本發明的其它示例性實施例可包括任何公知的管理系統。此外，盡管參考802.16d而給出了上述實施例，但是，本發明的示例性實施例可被應用于其它無線通信協議(例如，802.16a)。這樣的變化不應被視為脫離了本發明的示例性實施例的精神和范圍，并且，對于本領域的技術人員來說顯而易見的所有這些修改都將被包括在以下權利要求的范圍之內。
權利要求
1.一種在根據無線通信協議進行操作的無線網絡中支持移動性的方法，包括以下步驟接收所述無線通信協議所規定的消息，該無線通信協議提供該消息用于除支持移動性之外的目的；將該消息解釋為越區切換請求；和發送至少一個消息以支持所解釋的越區切換請求。
2.根據權利要求1的方法，其中所發送的消息包括對越區切換請求的確認。
3.根據權利要求1的方法，其中所發送的消息包括與第一基站和用戶臺之間的連接相關的信息。
4.根據權利要求3或8的方法，其中所述信息包括媒體訪問控制(MAC)地址、連接身份(CID)和加密密鑰中的至少一個。
5.根據權利要求1，7或9的方法，其中無線通信協議為IEEE802.16a和802.16d標準中的一個。
6.根據權利要求5的方法，其中所接收和所發送的消息中的至少一個是DREG-CMD(代碼＝3)消息。
7.一種在根據無線通信協議進行操作的無線網絡中支持移動性的方法，包括以下步驟接收至少一個消息以支持所解釋的越區切換請求；接收啟動越區切換連接的請求；和利用所接收的消息以少于無線通信協議所規定的步驟來啟動越區切換連接。
8.根據權利要求7的方法，其中所接收的消息包括與第一基站和用戶臺之間的連接相關的信息。
9.一種在根據無線通信協議進行操作的無線網絡中支持移動性的方法，包括以下步驟發送無線通信協議中規定的第一消息，該無線通信協議提供該第一消息用于除支持移動性之外的目的；接收無線通信協議中規定的第二消息，該無線通信協議提供該第二消息用于除支持移動性之外的目的；和將該第二消息解釋為對由該第一消息所表示的越區切換請求的確認。
10.根據權利要求9的方法，還包括在發送第一消息之后起動定時器，當第二消息在定時器超時后被接收到時，不將第二消息解釋為確認。
全文摘要
在無線網絡中支持移動性的方法中，根據無線通信協議接收消息，該無線通信協議沒有規定用于移動性支持的消息。但是，所接收的消息被解釋為越區切換請求，并且至少一個消息被發送以支持所解釋的越區切換請求。
文檔編號H04L12/28GK1826013SQ20061000886
公開日2006年8月30日 申請日期2006年2月23日 優先權日2005年2月25日
發明者金·K·洛伊格, 薩亞德維·慕克吉, 喬治·E·里騰豪斯 申請人:朗迅科技公司