目前的行動通訊系統支援了使用者在不同區域之間的移動性，但使用者的 移動會造成訊號強度變動而導致服務品質變差，因此，為了維持連線品質及避免 不必要的功率消耗和干擾，如何在不同的基地台之間適時的切換，以確保使用者 連線至通道品質較佳且負載較輕的基地台，成為行動通訊系統中一個重要的課 題。
在過去第一代行動通訊系統(如 AMPS), 其換手的方法非常簡單。第二代行 動通訊系統(如 GSM), 其換手的方法較第一代更為進步，在作基地台切換時，其 延遲時間較短，使用者比較不容易查覺，但採用的皆是硬式換手技術(Hard Handoff)。直到 CDMA 系統出現，帶動了軟式換手技術(Soft Handoff)興起。但目 前最熱門的系統-WiMax, 其網路架構改變，並採用 OFDM 技術，在這樣的系統 架構下，軟式換手技術似乎不那麼容易被實現；因此，在此章中，我們將對硬式 和軟式換手技術作一個介紹，並探討其對於以IP 為基礎之 OFDMA 系統之適用 性，接著提出在以 IP 為基礎之 OFDMA 的系統中前置型基地台切換(Proactive Base Station Switching)技術的基本理論。
3-1 換手技術簡介
由於使用者的移動性，當使用者由一個基地台的涵蓋範圍移動到另一個基 地台的涵蓋範圍時，就必須啟動換手機置，將使用者的服務適時的切換到另一個 基地台，一般來說，執行換手的目的如下:
1. 當使用者跨越細胞邊緣時，必須執行換手以滿足服務的連續性。
2. 維持服務品質(QoS)。
3. 當使用者總是可以和對本身來說通道品質最好的基地台連線，可減少 功率消耗或增加傳輸速率，降低對系統整體的干擾。
4. 支援使用者在不同異質性網路間的漫遊(Roaming)。
5. 將系統負載平均分散到不同基地台，以達到負載平衡( Load balancing ) 的目的。
而連線品質的改變，服務性質的改變，使用者速度的改變，以及通道流量 改變等都可能是造成啟動換手機置的原因。我們從三個觀點把過去在不同 通訊系統中所使用的換手技術分成三類[5]，如表 3-1.1。
系統整合觀點
Intra-system Handoff:
Handoff occurs within one system, which can be further divided into :
Intra-frequency handoff:
Handoff with the BSs using the same carrier frequency
Inter-frequency handoff:
Handoff with the BSs using different carrier frequencies
System
Interoperation
Inter-system Handoff:
Handoff with the BSs using to different radio access technologies.
ex: handoff from GSM system to WCDMA system
換手執行流程
Hard handoff:
Breaking existing connection before making a new one
Inter-cell hard handoff
Handoff with different base stations Intra-cell hard handoff
Handoff with different sectors within the same base station
Handoff
Procedure
Soft handoff:
Making new connection before breaking existing one
Inter-cell soft handoff Handoff with different base stations
Intra-cell soft handoff (Softer handoff)Handoff with different sectors within the same base station
換手啓動機置
Mobile initiated:
MS makes link quality measurements, then makes the handoff decision with the network cooperation.
Handoff Initiation
Network initiated:BS or network controller makes the measurements and the handoff decision.
The measurement may include loading on network / radio resources and capacity
Network initiated with mobile assisted:BS or network controller makes the handoff decision with the reported link quality measurements by MS
表 3-1.1 換手技術之分類
在以換手執行流程為分類中，我們把換手技術分為硬式換手(Hard Handoff) 和軟式換手(Soft Handoff), 硬式換手技術一次只能和一個基地台建立連線，且和 新的基地台建立連線之前，就先中斷原有的連線，造成使用者在切換過程中有被 中斷的感覺; 軟式換手技術則是先和其他基地台建立連線，同時傳收資料，最後 才把訊號品質不好的基地台移除掉。軟式換手技術的興起，是為了克服硬式換手 所不能達到的連線品質要求，但也必須付出一些額外的代價; 相較於硬式換手技 術，軟式換手技術的優缺點如下[4,5]:
1. 優點
a. 可消除硬式換手技術所造成的”乒乓效應（Ping-Pong Effect）”, 減少使用者在兩個相同基地台間來回切換，不僅增加網路層的 負擔，也造成使用者在通話過程中，有斷斷續續的感覺。
b. 硬式換手技術為了克服乒乓效應，必須要適當的設定一個遲滯 值(hysteresis), 也就是換手對象的基地台的訊號強度要高於原 本提供服務的基地台這個遲滯值，才能進行換手，在此過程 中，原本提供服務的基地台就必須增加傳輸功率以對抗干擾，
但同時又造成系統整體干擾的上升; 軟式換手技術則不需要設 定遲滯值，可先與訊號品質符合要求的基地台建立連線，由多 個基地台傳收資料，可減少上鏈時對系統所造成的干擾。
c. 軟式換手技術因為可以在中斷原有服務之前，就先和其他基地 台建立連線，因此可不受限於網路層換手所造成的時間延遲。
2. 缺點
a. 因為同時要和多個基地台建立連線，因此造成系統資源的消 耗，並對系統中其他使用者造成下鏈干擾。
b. 其執行流程較硬式換手技術複雜。
目前無線通訊網路漸漸走向以網際網路(IP)為基礎，因此，我們參考了一些 以IP 網路為基礎之換手技術關文章[7,18],發現在以網際網路為基礎的系統中，由 於換手的流程牽涉到背後廣大的網際網路，因此，雖然有許多文章提出了採用 SIP、Mobile IP 或是 Cellular IP 的方式，但仍無法有效縮短網路層所造成的換手 時間延遲。在這些文章中，大都將換手的流程分為網路層級換手(Network Layer Handoff)及鏈結層級換手(Link Layer Handoff), 並再加以區分為:
1. 前置式(Proactive): 執行鏈結層換手之前會預先執行網路層換手。
2. 後置式(Reactive): 執行鏈結層換手之後才執行網路層換手。
在本篇論文中，我們是在intra-system mobile-initiated 的基礎下，並利用前 置式(Proactive)換手的機置，來改善換手技術流程，以期在以 IP 為基礎之 OFDMA 系統下滿足即時性服務在換手時對於中斷時間的要求。
3-2 換手技術在 IP 網路中對即時性服務之影響
過去已有許多的文獻[4,5,27]在討論硬式換手技術和軟式換手技術的優缺 點。軟式換手技術能提供較好的通訊品質，減少干擾，並避免在硬式換手技術中 常見的乒乓效應（Ping-pong Effect）, 但其缺點為複雜度較高及需要消耗較多額 外的資源。
在CDMA 系統中，軟式換手技術已被普遍採用，其效果也為大家所接受，
但為什麼在以 IP 為基礎之 OFDMA 系統中, 我們不用軟式換手技術，而提出一 個以硬式換手技術為基礎所衍生出的前置式基地台切換技術，我們從三個方面來 探討:
1.
網路架構的改變：如圖 3-2.1 左半邊所示，過去在 WCDMA 系統中，軟式換手技術之所以能 夠獲取很大的增益，是因為業者會架設專屬的核心網路(core network), 而此核心 網路由一個控制中心(Radio network controller，RNC)所主宰，可負責其範圍內基 地台的動作及資源的分配。從下鏈(Downlink)的角度來看, 此 RNC 會協調在
Active set 中各基地台傳送封包給 MS 的時間點，以維持同步，使得 MS 端不需 要使用很大的緩充區（buffer）來等待不同時間點到達的封包收完才對這些封包 作組合(combining)；從上鏈（Uplink）的角度來看，使用者傳給不同基地台的封 包，可以預先在RNC 可作組合，而所得到的組合增益(combining gain)可減少錯 誤率及使用者輸出功率，為軟式換手技術最大的優點之一。由此可知，在實現軟 式換手技術的過程中，RNC 此種集中式(centralized)的控制機置占有舉足輕重的 地位；但如圖3-2.1 右半邊所示，我們發現以 IP 為基礎的系統中，業者直接和網 際網路相連， 雖然有 NCMS 這個機置，但此種分散式(distributed)的控制機置下，
每個基地台的封包不必然會通過 NCMS。不再架設專屬的 RNC,雖然節省了成 本，但卻使得軟式換手技術在上鏈和下鏈時，缺少協調和控制的機制，若要在此 架構下實現軟式換手技術，不僅無法得到組合增益，在無線端又因為同時維持多 條連線而造成無線資源的浪費。
圖 3-2.1 Network Structure
2.
硬體成本的限制在CDMA 系統中，軟式換手技術之所以容易實現，是因為其頻率重覆使用 因子(reuse factor)為 1，因此能夠同時接收來自不同基地台的訊號而作處理，但在 OFDMA 架構下，每個子通道 (subchannel) 都是由不同子載波(subcarrier)所構成, 使用者無法同時接收來自不同頻段的訊號。
圖3-2.2 為接收機之晶片模組示意圖，其中和基頻（baseband）接收機相關
BS
BS
BS
BS
BS
BS Core Network
3G Wireless Access Network
IEEE 802.16 IP-based Wireless Access Network Router
Internet
NCMS Entity
RNC
Router
Router
的三個模組分別為Synch, FFT, Viterbi，若我們想要在此系統下實現軟式換手技 術，同時由多個基地台接收封包並解出來，就需要多套完整的基頻接收機模組；
若 是 採 用 我 們 所 提 出 的 前 置 式 基 地 台 切 換 技 術(Proactive Base Station Switching)，因為實際上一次只接收一個基地台的封包並作解調，所以只需要多 套Sync 的模組來解不同基地台的 preamble，和一套完整的基頻接收機模組來解 資料封包。由於硬體成本和晶片面積是成比例的，由此可知，若採用前置式基地 台切換將會使晶片面積和成本大幅下降。
圖 3-2.2 Baseband and MAC processor chip
3.
服務中斷時間的要求我們分別由網路層（network）和鏈結層（link）的觀點，來探討造成服務中 斷的原因：
A. 硬式換手技術(Hard Handover)：
a. 網路層：沒有預先和其他基地台作任何的溝通，因此使用者的封
包，只會傳給目前提供服務的一個基地台（Anchor Base Station.）。 b. 鏈結層：一次只和一個基地台建立連線，在換手時，必須先和原
來提供服務基地台斷線後，才能和另一個基地台開始建立新的連 線。因重新建立連線，其時間延遲較久，容易讓使用者有不舒服 的感覺。
圖3-2.3 為硬式換手技術演算法示意圖。由圖中可知，當使用者從 BS1 接收 到的訊號強度低於BS2 一個 Th_HHO 時，才開始啟動換手的動作，因此，換手 執行所造成服務中斷的時間(Service Disruption time)將會很長而無法滿足即時性 服務的要求。
圖 3-2.3 硬式換手技術演算法
B. 軟式換手技術(Soft Handoff)：
a. 網路層：會預先和其他基地台作溝通，建立一個Active Set, 因 此使用者的封包，會預先傳給所有Active Set 裡的基地台。
b. 鏈結層：同時和Active Set 裡的多個基地台建立連線，在換手時，
已經和其他基地台建立連線並接受資料。因此，在換手的過程
中，使用者不會有被斷線的感覺。
圖3-2.4 為軟式換手技術演算法示意圖。由圖中可知，有別於硬式換手技術，
隨著使用者的移動，使用者從BS2 接收到的訊號強度漸漸上升，當使用者從 BS2
隨著使用者的移動，使用者從BS2 接收到的訊號強度漸漸上升，當使用者從 BS2