T D
Hard Handoff
T
1T
2第四章 媒體接取控制訊號交換流程設計
IEEE 802.16e Standard 是架構在以 IP 為基礎之 OFDMA 系統之上，在本章 中，我們將以IEEE 802.16e Standard[16]為例子，介紹其換手訊號之交換流程，
接著提出一套新的訊號交換流程(Signaling Procedure)，以實現前置式基地台切 換。
4-1 IEEE 802.16e 系統之硬式換手流程
圖4-1.1 為 IEEE 802.16e 系統中所提出的硬式換手訊號流程，其流程簡述如 下:
圖 4-1.1 IEEE 802.16e 系統中硬式換手流程[14]
1. MS 定期的去掃瞄鄰近的基地台。
2. 使用者對Anchor BS 提出換手的要求（MSSHO-REQ），並根據先前所 量測到的訊號品質提出建議的換手對象（target BS）。
3. Anchor BS 會預先透過網路端和 target BS 作一些控制訊號及使用者資 訊的交換（HO-pre-notification），以確保 target BS 有足夠的能力支援 使用者的服務
4. Anchor BS 接到 target BS 的回覆（HO-pre-notification-ACK）。
5. Anchor BS 通知此 target BS（HO confirm）將成為 MS 換手的對象，此 時target BS 可預先保留一個交換控制訊號的通道給此 MS。
6. 接著通知MS（BSHO-RSP）確定的 target BSID。
7. MS 透過 MSSHO-IND 來告訴 Anchor BS 是否接受換手；若此訊息為 接受，則Anchor BS 切斷對 MS 的連線。
8.~10. MS 使用步驟 5 中 target BS 預留的 channel 作快速調距(Fast Ranging)的 動作，目的為調整MS 的上鏈功率強度（UL power）、時間(timing)及 頻率，直到target BS 認為 MS 上鏈功率強度在可接受的範圍，並回傳 一個 RNG-RSP 其狀態設為成功（status=Success）為止。後面將會介 紹此部分的詳細流程。
11.~13. MS 和 target BS 完成進入網路（network entry）的動作，此部分包含了 認證（authorization）、註冊（registration）和建立 IP（DHCP）的動作。
14. SIP reINVITE 完成後，MS 開始和新的 Anchor BS 作資料的傳送和接收。
其中DHCP 及 SIP reINVITE 的動作主宰了 Network Layer Handoff 的時間，
接下來我們將介紹DHCP 及 SIP reINVITE 的動作流程。
1. DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)
當MS 只是暫時連接到網路，而不須要永久的 IP 位址時，就由 DHCP 的機 置動態的分配一個 IP 位址給 MS。但在分配 IP 位址之前，會先透過一個 Duplicate Address Detection (DAD)來確認此 IP 位址沒有被其他 MS 所使 用，NCMS 才透過 DHCP 把位址分配給 BS, 作為 MS 的 IP 位址。在 WLAN 的環境中DAD 的動作約要花費 1500ms 的時間 [6]。
2. SIP (Session Initiation Protocol) reINVITE[19]
目的是將資料封包從原本的IP 位址重新導向到新的 IP 位址，如圖 4-1.2。
在T1 時間點,遠端的 IP Phone 將 MS 的資科封包透過紅色的路徑導向 IP1 的位址，在T2 時間點，當 MS 從 BS1 切換到 BS2，先透過 DHCP 的機置拿到 新的IP 位址，MS 就會發出 SIP reINVITE 的要求給遠端的 IP Phone, 要求將資料 封包導向IP2 的位址，這時 MS 就必須等待 SIP reINVITE 完成，才能由 IP2 取得 資料封包。由於SIP reINVITE 的動作需要橫跨整個網路才能完成，其時間長短
與MS 和遠端 IP Phone 之間的距離有關，其時間範圍約在 10ms~10s。
BS1
BS2
IP-based Wireless Access Network Router
Internet
NCMS Entity Router
Router IP Phone
Switch
MS NCMS entity assign IP-1 to BS1 for MS
Data packet transmission to destination IP-1
When MS handoff to BS2, NCMS entity assign IP-2 to BS2 for MS.
After SIP re-invite, data packet will transmit to destination IP-2
T 1
T 2
Hard Handoff
IP-1
IP-2
圖 4-1.2 SIP reINVITE 示意圖
在圖4-1.1 中，8、9 、10 這三個步驟，屬於鏈路層的動作，接下來也以 IEEE 802.16 標準中的流程作一個介紹。
在基地台切換過中，鏈結層主要的動作為調距(Ranging)。Ranging 主要在調 整時脈(timing)、頻率(frequency)、功率(power)以維持 RF 端連線品質的一個過程，
使 MS 在上鏈時，基地台接收的碼框彼此協調；在下鏈時，到達 MS 的符元
（symbol）可以不超過 OFDM 符元的保護區間，而維持正交性。當 MS 執行註 冊（重新註冊）或抓取不到同步時，就必執行Ranging 的動作。
在IEEE 802.16e[16]系統中，OFDMA 模式下，會在上鏈的子碼框分配特定 的通道讓MS 作 ranging，ranging 可分為以下四種模式：
1. initial ranging 2. periodic ranging 3. bandwidth request 4. handover ranging
並有一組 Pseudonoise Ranging Codes（０～２５５），N 個作為 initial ranging codes，M 個作為 periodic ranging codes, L 個作為 bandwidth request codes，O 個
作為handover ranging codes, 如圖 4-1.3 所示,讓 MS 根據目前想要執行的動作，
而從不同的group 中選出一個 code, 基地台接收到後，便能用 Code 來識別目前 使用者想要執行何種動作。
N(initial ranging)
M(periodic ranging)
L(bandwidth request)
O(handover ranging)
0 255 圖 4-1.3 Ranging Code 分配圖
圖4-1.4 為 Initial Ranging 的流程示意圖。Ranging 的流程簡述如下:
1. 使用者收到基地台的UL_MAP，會找出其 ranging channel 所在的位置，並 且和其他的使用者競爭（contention）作 ranging 的機會，等到搶到 ranging 的機會，就隨意選一個ranging slot 和一個 ranging code 上傳給基地台。
2. 基地台根據接收到使用者的訊號來估測其功率和時脈需不需要調整及調整 的幅度, 其調整的幅度為固定的步階值，再利用 RNG-RSP 把調整的資料回 傳給使用者。
3. 使用者接收到RNG-RSP 來調整本身的功率和時脈。
4. 此流程會不斷的重覆，直到基地台量測到的使用者上傳的訊號品質符合本 身的要求，便會在 RNG-RSP 中回覆一個 state=Success 的資訊，告訴使用 者已調整成功，可以建立連線，開始傳送資料。
當使用者和基地台已建立好連線並有資料的交換，但由於使用者有移動性 而造成訊號品質的變化，使用者必須周期性的和提供服務的基地台作 periodic ranging, 以維持連線品質，其流程和 Initial Ranging 的流程相似，只是不需和其 他使用者重新競爭ranging 的機會。
<Time to send next MAP>
Send MAP containing Ranging Region Information
UL-MAP
RNG-RSP
Ranging Code Transmit randomly selected Ranging code in a randomly selected Ranging Slot from available Ranging Region
Receive RNG_RSP message with Ranging Code and Ranging Slot matching sent values Adjust Time &
Power parameters Status = Continue
<Receive Ranging Code>
Send RNG_RSP with Time & Power Corrections and
original Ranging Code and Ranging Slot Status = Continue
UL-MAP
Ranging Code
<Time to send next MAP>
Send MAP containing Ranging Region Information
Transmit randomly selected Ranging code in a randomly selected Ranging Slot from available Ranging Region
BS SS
...
1- (a)
1- (b)
1- (c)
2- (a)
2- (b)
圖 4-1.4 Ranging Process in IEEE 802.16e standard
由上述可知，使用者在步驟7 中斷和原來 Anchor BS 的連線後，有兩個造 成服務中斷過久的原因:
1. 鏈路層: 使用者耗費在競爭 rangning 通道和利用固定步階來調整時脈和功 率的時間，會造成鏈結層切換時間過長而無法預估
2. 網路層: DHCP 和 SIP reINVITE 的動作，將使服務中斷的時間大幅提升而無 法滿足即時性服務的要求。
接來來將分別從鏈結層和網路層來探討其動作流程和改進方法，以實現支 援即時性服務之前置式基地台切換。
NCMS Entity
MSS Anchor BS Target BS Router
1. Scanning Neighbor 2. MSHO-REQ
2. MSHO-REQ
3. HO-pre-notification (QoS, SBC, REG, DHCP)
4. HO-pre-notification-response (QoS) 5. HO confirm
5. HO confirm 6. BSHO-RSP
6. BSHO-RSP 7. HO-IND 7. HO-IND 8. Fast Ranging 8. Fast Ranging 9. RNG-REQ 9. RNG-REQ 10. RNG-RSP 10. RNG-RSP
Data forwarding from Anchor BS to target BS Target BS allocate resource (includes new IP) from this instance.
(invoke DHCP)
PBSS
16. SIP reINVITE 7. HO confirm Pre-registration
(add target BS into active set)
T D
3-1. DHCP REQ/RSP T
1T
2T
34-2 適用於 IEEE 802.16e 系統之前置式基地台切換控制訊息與交換流
程設計
由IEEE 802.16e 提出的是一套硬式換手技術的方法，在換手過程中造成服 務中斷時間過久，無法滿足即時性服務的要求。圖4-2.1 為我們所提出的前置式 基地台切換流程，最主要的特點在於我們把一部分網路層的換手動作提前在鏈路 層的換手之前，我們把這部分的動作稱為預先註冊 (pre-registration)，其特點如 下:
1. 在步驟 3 中，Anchor BS 就把 MS 一些相關的網路層的註冊資料，傳送給 target BS, target BS 不需要再重頭執行一次註冊的動作。
2. 將DHCP 的動作提前在 Fast ranging 之前， 此時 NCMS 就必透過 DHCP 的 機置分配一個IP 位址給 target BS 來辨認 MS, MS 已佔據一份網路層的資 源。
3. SIP reINVITE 動作仍然留在 Fast Ranging 之後執行，因為執行 1,2,3 的動作，
只是為了把合適的基地台預先加入Active set，並不代表會真正執行鏈結層 換手的動作，若在鏈結層換手之前就執行 SIP reINVITE, 雖然可以大幅減 少換手所造成服務中斷的時間，但若之後沒有真正執行鏈結層換手，又必 須重新執行一次SIP reINVITE，把資料導回原來的 Anchor BS, 更增加了網 路層的負擔。
圖 4-2.1 前置式基地台切換流程
BS1
BS2
IP-based Wireless Access Network Router
Internet
NCMS Entity Router
Router IP Phone
Switch
MS NCMS entity assign IP-1 to BS1 for MS
Data packet transmit to destination IP-1
IP-2 is assigned to new active set member BS2 for MS Packet forwarding from address IP-1 to IP-2
After SIP re-invite
Data packet transmit to destination IP-2
BS1 is still in active set
Packet forwarding from address IP-2 to IP-1
T 1
T 2
T 3
IP-1
IP-2
Proactive Base Station Switching
但為了減少SIP reINVITE 所造成服務中斷的時間，且在執行 ranging 之前，
已透過DHCP 動作的提前，取得新的 IP 位址，因此我們採用 Data forwarding 的 動作，透過Anchor BS 把 MS 的資料封包複製一份送到 target BS, 等到 target BS 真正執行了鏈結層換手, 就能透過資料轉遞(Data forwarding)的動作，取得 MS 的 封包，並傳送到MS 所在之新的 IP 位址。因此，就算 SIP reINVITE 執行時間很 長，也不會對服務品質造成影響，如圖4-2.2 所示。
圖 4-2.2 改進後的 SIP reINVITE 示意圖
在T1 時間點,遠端的 IP Phone 將 MS 的資料封包透過紅色的路徑導向 IP1 的位址，在T2 時間點，當 MS 從 BS1 切換到 BS2，先透過 DHCP 的機置拿到 新的IP2 位址，MS 就會發出 SIP reINVITE 的要求給遠端的 IP Phone, 要求將資 料封包導向IP2 的位址，在 SIP reINVITE 未完成之前，會先透過近端的 BS1 直 接從IP1 的位址把資料封包傳送到 IP2 的位址，這時 MS 不須等待 SIP reINVITE 完成，就能由IP2 取得資料封包。等到 T3 時間點，SIP reINVITE 完成，資料封 包就由藍色路徑直接導向IP2 的位址，此時 BS1 仍在 MS 的 active set 內，Data forwarding 的動作會由 IP2 傳送到 IP1，如此，便可將 SIP reINVITE 造成服務中 斷的影響消除。
為了縮短鏈路層中 Ranging 對服務中斷所造成的影響，於是提出了一套 Fast_Ranging 的流程。
在 IEEE 802.16e 中，提到 Association 的功能，Association 的動作，是在 MS 定 期 去 掃 描 (scanning) 周 圍 基 地 台 的 訊 號 強 度 時 執 行 ， 我 們 假 設 在 Association 的過程中，MS 已對周圍基地台作了以下的動作:
1. 對周圍的基地台來說，使用者的時脈和頻率，經由 Association，已事先調 整好，Ranging 只需要作功率調整的動作。
2. 經由 Association, 有可能成為換手對象的基地台都預先在特定時間保留了 一個Fast Ranging IE 及 Ranging Code 給使用者，使用者無需為了作 Ranging 還需要跟其他使用者作競爭(contention)的動作。
在功率(power)調整方面，我們作了以下假設:
1. 使用者在第一次上傳 Ranging Code 時, 所使用的是最大功率(Maximum power)。
2. 當基地台接受到使用者的 Ranging Code, 經過估測，會一次回傳使用者所 需 調 整 的 幅 度 ， 用 標 準 中 所 定 義 的 TLV(Type/Length/Value) 附 加 在
UL_MAP_Fast_Tracking_IE，用
8bits, 0.25dB 的步階一次表示所要調整的幅度 (-32dB~32dB),而不是根據步階(step size)幅度來作回覆。3. 功率放大器(Power Amplifier)的調整速度非常快，約在 5us 內可調整好所需 調整的功率幅度。
我們更進一步將圖4-1.4 中，1-( c) 步驟所需回傳的資訊，合併到下一次 2-(a) 動作才一次回報，如此可更加縮短Ranging 所需花費的時間。
修改過後的Ranging 流程圖如圖 4-2.3(a)所示，因為功率放大器能一次調整 到定位，因此使用者在 2-(b)上鏈的功率強度已經滿足基地台的要求，接下來基 地台便可以馬上下鏈資料封包給使用者，由圖 4-2.3(b)可以很清楚的看出使用者 只需要花二個碼框的時間，就可以完成Ranging 的動作。
在我們提出的流程中，pre-registration 已提前作完，MS 已可從新的位址取 得資料封包，因此，鏈結層Ranging 的時間成為造成服務中斷的主要因素。在 IEEE 802.16 標準中，所定義的碼框長度為 2ms~20ms，因此在換手過程中，Ranging 所 造成的服務中斷時間最長大約2 frame*20ms=40ms，可滿足即時性服務對中斷時 間的要求。
<Time to send the CDMA Fast Ranging opportunity>
Send MAP containing CDMA
Fast Ranging IE with a broadcast Connection ID
UL-MAP
RNG-RSP Ranging Code
Receive Fast_Tracking_IE + TLV message with specific Power adjustment level
Status = Continue
UL_MAP+Fast_Tracking_IE+TLV
Ranging Code
<Time to send the CDMA Fast Ranging opportunity>
Send MAP containing CDMA
Fast Ranging IE with a broadcast Connection ID
BS SS
Transmit a unique Fast Ranging Code within the allocated region
with maximum power
Send Fast_Tracking_IE with Power Corrections and original Ranging Code and Ranging slot
Status=Continue
Transmit a unique Fast Ranging Code within the allocated region
with corrected power . Receive power is
acceptable.
Data transmission Forward data for
SS
Status=Success
圖 4-2.3(a) Modified Fast Ranging Process
DL
Fast Ranging with new anchor BS
Total fast tracking response processing time
2-(c) status=Success
圖 4-2.3(b) Modified Fast Ranging Process
相較於IEEE802.16e 所提出的換手執行流程，我們所修改後的方法,可有效 的縮短換手執行過程中，服務中斷的時間。其啟動條件的演算法，將在下一章作 介紹。