WiMax（Worldwide Interoperability for Microwave Access），即全球微波互聯接入。WiMAX也叫802·16無線城域網或802.16。WiMAX是一項新興的寬帶無線接入技術，能提供面向互聯網的高速連接，數據傳輸距離最遠可達50km。WiMAX還具有QoS保障、傳輸速率高、業務豐富多樣等優點。WiMAX的技術起點較高，采用了代表未來通信技術發展方向的OFDM/OFDMA、AAS、MIMO等先進技術，隨著技術標準的發展，WiMAX逐步實現寬帶業務的移動化，而3G則實現移動業務的寬帶化，兩種網絡的融合程度會越來越高。

WiMax網絡架構標準中現有的終端接入方案（PMIP模式或CMIP模式），僅適合正常的“第一次接入”，當終端出現異常發生瞬斷等情況時，相應的數據業務傳輸中斷，此時終端需再次重新注冊，重新建立數據業務通道。本文設計的方案中，接入網關在正在進行數據業務傳輸的用戶終端斷開連接時，保持其斷開連接前的IP地址和網絡配置信息等；用戶再次接入時，網關將存儲信息發給終端，用戶采用接收到的信息，繼續進行所需業務的數據傳輸，減少了接入時延，保證了上層業務的連續性。

1 WiMax體系架構和MIP協議

1.1 WiMax體系架構

現有的WiMax的網絡架構體系[3]包括MS（Mobile Station）、接入服務網絡ASN（Access Service Network）和連接服務網絡CSN（Connectivity Service NetworkASN主要完成WiMax終端的二層連接、傳遞AAA消息、為WiMax終端的三層連接提供中繼、無線資源管理、ASN與CSN間隧道維護等；CSN用于為WiMax終端提供網際協議連接服務。CSN可以由認證、授權和計費即AAA（Authenticator Authorization and Accounting）服務器、歸屬代理設備HA（Home Agent）、動態主機配置協議DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）服務器等組成。用戶的認證和授權通過用戶的歸屬CSN中的認證、授權和計費服務器完成。WiMax網絡架構如圖1所示。

這些條蜂窩電話或無線筆記本電腦告訴人們的強度無線信號。這些圖形背后indicators的世界的無線通信。 無線網絡旅行空中使用無線電信號工作在給定頻率，稱為頻譜。 經距離，無線電信號會變弱因天氣、建筑物、甚至枝葉。 這就是為什么無線網絡依賴與廣播多個塔之間重疊的領域的大型以毯區域。

頻是任一許可或無許可證。 無許可證頻是打開以任何用戶，這引起的可能性來自其它設備干擾。 Wi-Fi網絡使用無許可證頻譜。 WiMAX服務供應商使用許可頻譜，從而允許獨占權利對其使用以了解更多可預見性和穩定性。

1.2 MIP協議

移動網際協議MIP（Mobile Internet Protocol），它為移動用戶提供了一種IP路由機制，使得支持MIP的終端可以通過自身標識連接到任何鏈路上，支持MIP的終端可以在不中斷鏈路信息傳送的情況下改變其地理位置，客戶端MIP（Client Mobile IPv4）和代理MIP（Proxy Mobile IPv4），MIP客戶端功能通過WiMax接入網絡中稱為代理移動節點PMN（Proxy Mobile Node）或PMIP 客戶端的功能實體（PMIP client）來實現MIP的注冊和取消注冊。

MIP工藝包括再生系統、分餾系統和吸收穩定系統，其技術創新在于獨特的反應系統：MIP工藝反應再生系統的原則流程為熱原料油與熱再生催化劑在提升管底部接觸，然后進入第一反應區，經高溫和短時間接觸后，進入第二反應區（-擴徑的提升管反應器），在較低的溫度和較長的油氣停留時間下油氣繼續反應，反應后的物流進入粗旋風分離器（粗旋），分離油氣和催化劑，油氣進入后部分離系統，待生催化劑經汽提、再生后，再生的催化劑進入提升管底部，再與熱原料油接觸反應。

2 CMIP/PMIP技術下用戶接入

移動IP接入時，AGW可以為MS提供PMIP接入或者CMIP接入兩種方式。在PMIP模式下，若MS采用DHCP proxy 的方式獲得地址，則AGW代表MS發起MIP注冊請求給家鄉代理HA,HA為MS分配IP地址；若采用DHCP relay 的方式獲得地址，則AGW再代表MS發起MIP注冊請求給HA，HA確認DHCP server為MS分配的IP地址；在CMIP模式下，MS在業務流建立后，主動發起MIP的注冊請求，AGW執行外地代理FA的功能與家鄉代理HA交互實現MS的MIP注冊，此時HA為MS獲得IP地址[4]。

2.1 CMIP模式

如圖2所示，在最新的WiMax stage2中定義的CMIPv4模式下終端連接建立流程如下：

（1）接入認證階段：用戶所屬的家鄉AAA服務器會在接入認證消息中下發家鄉代理地址、認證授權和計費相關密鑰。

（2）當接入業務網絡中的數據鏈路與終端或者終端的業務流進行綁定后，觸發CMIP模式終端開始注冊。

（3）當新的接入業務網絡數據鏈路建立后，外地代理向網絡內的終端廣播其轉交地址。

（4）終端收到外地代理廣播的轉交地址后，發送移動IPv4注冊消息至外地代理FA，并由外地代理FA轉發至家鄉代理HA。

如果終端此時支持移動IPv4協議棧，則不發送DHCP請求，只發送移動IP信令去獲取其家鄉地址。

（5）~（6）對于既支持PMIPv4模式又支持CMIPv4模式的接入業務網絡，此時外地代理需要通過一個R3_Mobility_Context消息通知網絡特定的相關功能實體終端的R3移動模式為外地代理選定的R3移動模式[5]。對于僅支持CMIPv4模式的接入業務網絡，此步驟可以省略。

（7）~（9）當終端歸屬AAA服務器收到由家鄉代理發送的攜帶MN-HA屬性的接入請求消息時，AAA服務器需應答一個通過接入消息，其中包含加密的MN-HA共享密鑰，AAA服務器還需要返回家鄉代理的地址以及終端相關的IP配置信息。

（10）家鄉代理轉發移動IPv4注冊響應消息給外地代理。

（11）移動IPv4注冊響應消息被轉發至終端。

至此終端注冊完成。

2.2 PMIP模式

如圖3所示，在最新的WiMax Stage2中定義的Proxy Mobile IPv4模式下的終端連接建立流程如下：

（1）接入初始階段：包括用戶預附著、接入認證、附著、數據通道的建立和初始業務流的建立。此階段完成用戶的認證策略協商、用戶的初始認證鑒權以及用戶注冊信息的協商存儲。

終端所屬的家鄉AAA服務器會通過接入認證消息下發家鄉代理地址、認證授權相關密鑰、Proxy Mobile IPv4連接建立相關密鑰以及DHCP服務器地址。

（2）~（12）為IP地址分配以及移動IP注冊階段：在成功鑒權和授權以及BS與ASN之間建立數據鏈路之后，終端會通新建立的數據鏈路發送一個DHCP discover消息。則DHCP代理服務器根據終端的標識符將其DHCP discover消息轉發至相應的DHCP服務器；如果是DHCP Proxy模式，則DHCP代理服務器將會直接給終端返回家鄉地址及相關IP配置信息。

對于既支持PMIP4模式又支持CMIP4模式的接入業務網絡，其中的DHCP代理服務器需要通過一個R3_Mobility_Context消息通知網絡特定的相關功能實體終端的R3移動模式為DHCP代理服務器選定的R3移動模式。對于僅僅支持PMIP4模式的接入業務網絡，此步驟可以省略。

當PMIP代理客戶端收到終端的家鄉地址后，PMIP代理客戶端會向外地代理發送一個移動IPv4注冊消息并且在最后的DHCP消息交互之前完成移動IPv4注冊。移動IPv4注冊消息包含以下信息：

①終端的家鄉地址：該家鄉地址可能由前面步驟所獲取DHCP服務器分配，也可能在接入認證完成后由AAA服務器下發。

②轉交地址：一般為外地代理的IP地址。

③安全相關信息。

在連接建立流程的最后階段，終端最終獲取了其家鄉地址并且在家鄉代理上進行了移動IPv4注冊。

（13）~（15）為DHCP應答階段：當移動IPv4注冊完成之后，PMIP Client把 MIP注冊的結果通知給DHCP relay,DHCP relay把MIP 注冊的結果封裝到request中發送給DHCP server。選定的DHCP server回復DHCP Ack消息。DHCP relay中繼DHCP Ack消息給BS。BS發送DHCP Ack消息給MS,DHCP Ack消息才會伴隨著家鄉地址發送給終端。

綜上所述，MS接入時，可采用以下幾種方式獲得IP地址：（1）AGW承擔DHCP proxy,為MS分配IP地址；（2）AGW承擔DHCP relay 的功能，通過DHCP server為MS獲得IP地址。在MS下線后，AGW釋放該MS所占用的資源，此時與MS相關的連接信息及資源已經被釋放。此時若該MS再次接入時，就有可能獲得與斷開連接前不同的IP地址。例如：①在MS瞬斷的情況下，會選擇重新接入，此時若分配到一個與斷開連接前不同的IP地址，MS的業務也將中斷；②BS錯誤診斷MS掉網時，BS發起MS退網通知給AGW，此時AGW刪除了與MS相關的資源，MS需重新注冊、重新開始數據業務。

3 設計與實現

針對以上情況，本文提出了一種減少接入時延的方案，接入網關AGW的MS_STATE模塊在終端入網時負責存儲終端MS所獲得的IP地址和相關的配置信息，當MS掉網時，在適當的時間內對此信息繼續保存不予刪除。終端接收到此信息后使用相同的IP地址和相關信息繼續進行數據業務流傳輸。若超出時限，MS_STATE刪除相關信息資源并通知其他功能實體MS退網。

3.1 系統組成

此方案是基于WiMax無線接入網關實現的。整個網關系統設計架構可以分為控制平面（信令處理部分）和數據平面（業務數據處理部分）。數據平面中，WiMax數據通道以內核模塊的方式加載，針對每個終端都有一條隧道。圖中各實體功能及外部接口描述如下： （1）MS_STATE模塊：維護MS狀態信息表。負責終端的狀態消息處理，主要包括終端在進入網絡時的預附著、附著、終端授權策略的協商等；終端切換時，負責終端相關信息的更新；網絡退出時根據接入網關所處的角色，判斷是否執行退網，并提供網絡退出函數接口或者調用相關函數接口釋放資源。

（2）MS狀態信息表：記錄終端相關信息，如認證策略、配置信息等。

（3）PMIP Client模塊：負責代替不支持移動IP終端進行移動IP注冊（PMIP模式下使用）。

（4）FA模塊：移動IP外地代理模塊。

（5）DP（Data Path）：負責數據通道的建立和刪除。

（6）認證和密鑰模塊：負責終端的認證、密鑰協商、密鑰下發和輔助移動等功能。

3.2 流程設計

本設計的退網方案中，其終端接入流程如圖5所示。用戶保持接入流程如下：

（1）MS請求接入到WiMax系統，完成終端的初始入網，WiMax系統為MS分配一個IP地址并注冊成功，開始數據業務傳輸。

（2）AGW檢測到MS斷開連接，此時網關中MS_STATE短時間內繼續保存MS的IP地址信息及連接信息不予刪除。連接信息包括：接入方式、地址分配方式以及網絡配置信息。

（3）短時間內MS以相同的接入方式申請重新接入本網關AGW。

（4）BS與MS_STATE完成MS預附著過程，協商認證鑒權策略，并將其保存在終端狀態信息表中。

（5）MS與AAA服務器進行鑒權協商，鑒權成功后，進行業務流的授權。

（6）BS與本AGW完成數據通道的建立和初始業務流的建立。

（7）MS發起DHCP discover 消息給AGW，請求IP地址及網絡配置信息（主要為MS斷開連接前已建立的一些連接信息）。

（8）AGW中的MS_STATE直接響應DHCP offer信息給MS,為其提供斷開連接前使用的IP地址及網絡配置信息，其中網絡配置信息中的DHCP地址刷新時長為斷開連接前的DHCP地址刷新時長的剩余時間，作為DHCP地址續約的有限期限信息。

（9）MS發起攜帶有接收到的IP地址的DHCP request 消息給AGW，請求AGW確認此IP地址。

（10）MS_STATE確認后響應DHCP Ack消息給MS。

（11）MS繼續以前次接入的IP地址進行數據業務的傳輸。

從以上步驟可以看出，對于PMIP模式，AGW在MS再次接入過程中，并沒有再次發起PMIP請求消息給HA，請求HA為MS確認IP地址，而是直接為MS提供了保存的IP地址。而對于CMIP,終端再次發起IP注冊時，AGW直接返回IP地址給MS,而不需要再次通過AAA服務器認證。

實際中，MS在進入盲區時，經常會出現瞬斷的情況，此時MS自身認為連接已經中斷，需要重新接入。本文通過在設定的時間內保存MS的接入信息，即AGW在設定時間內不中斷MS 的三層連接，此時若MS申請重新接入，則AGW僅需要與MS重新建立二層連接，不再重建三層連接。這樣不僅加快了MS接入速度，而且對保持MS 數據業務的連接性有相當大的益處。

3.3 設計實現

各功能實體之間的通信如圖6所示。

終端初始入網階段，MS_STATE與FA、Authenticator、DP之間通過本地通信完成終端的認證策略的協商、注冊IP存儲、數據通道、業務流及網絡信息記錄；與BS進行網絡通信實現終端的預附著、附著和輔助認證。整個階段MS_STATE時刻記錄終端的狀態信息。

本地通信和網絡通信可創建以下套接口：

（1） 網絡套接口

wimax_msg_sock=socket（AF_INET, SOCK_DGRAM, 0）；

（2） 本地套接口

local_msg_sock=socket（AF_LOCAL, SOCK_DGRAM, 0）；

終端出現異常情況并再次申請入網時，MS_STATE進行時限判斷，把與終端對應的存儲信息發送給終端。采用SDL描述的處理流程如圖7所示。

本文針對終端短時間的異常退網提出了一種保持接入的實現方案。該方案大大減少接入的等到時間，使用戶使用方便。