簡介

第一章 簡介

隨著網際網路以及無線通訊網路相關技術的蓬勃發展，網路的連接方式從有 線網路陸續發展到無線網路的連接，目前最普遍被使用的無線網路接取技術，是 由美國電機與電子工程師協會 (The Institute of Electrical and Electronics Engi-neers，IEEE) [1] 所制訂的一系列 IEEE 802.11 相關標準，也就是大家所稱的 Wi-Fi 網路。但是，由於 Wi-Fi 網路的傳輸編碼性質，使得 Wi-Fi 網路的最大傳輸距離 僅有一、二百公尺，因此，當行動用戶端(Mobile User)在無線擷取點(Access Point，

AP)之間移動時，若網路中無線擷取點的佈建無法涵蓋行動用戶端移動的範圍，

行動用戶端一旦移出 Wi-Fi 網路所能服務的範圍之外，將會造成網路連線中斷；

近幾年來，由 Nokia、Ensemble Communication、Harries、Cross Span、OFDM 等 全球多家通信大廠協力推動下的全球微波存取通信技術(Worldwide Interopera-bility for Microwave Access，WiMAX)，視為是一新世代的寬頻無線網路存取技 術(Broadband Wireless Access System，BWA)。這是以 IEEE 802.16 [2] [3] 一系 列的寬頻無線標準為基礎，利用無線媒介達到與有線電纜及數位用戶迴路線 (Digital Subscriber Line，DSL) 相同的接取方式，透過此項技術的發展，將無線 網路之傳輸距離提升為數十公里，此外 WiMAX 可以在與 Wi-Fi 的相同存取範圍 之內承載更高的頻寬。

隨著上述無線網路的發展，人們可以利用筆記型電腦或是個人數位助理 (Personal Digital Assistant，PDA) 這些具有支援移動性的行動裝置，在網路中任 意地遊走。為了維持連線的服務，行動裝置需要在不同基地台之間切換連接，我 們將行動裝置從一個網路移動到另一個網路之間的程序稱為換手(Handover)程 序。若換手程序是發生在同種性質 (Homogeneous) 的網路之間，稱之為水平換 手 (Horizontal Handover)。水平換手可以透過基地台之間彼此溝通，來支援行動 節點的同質換手，例如在 WiMAX 的網路環境中，行動節點(Mobile Station，MS) 在不同的基地台(Base Station，BS)涵蓋範圍下移動時，所進行的換手程序是依據 IEEE 工作小組在 2005 年 12 月制定完成的 IEEE 802.16e [3] 標準，此標準的目 的是為了讓行動節點支援移動性能力，進而讓行動節點在 802.16 網路間能進行 順暢的水平換手。相對地，如果換手是發生在異質性 (Heterogeneous) 網路之間 的換手，稱之為垂直換手 (Vertical Handover)。例如行動節點從 Wi-Fi 網路移動 到 WiMAX 網路。在現今多重網路技術共存的環境下，行動節點可以根據自己擁 有的網路卡裝置的支援，在各種網路存取媒介之間進行換手，來滿足在網路服務 上的需求。因此有越來越多的研究文章都是針對垂直換手方面作討論，期望提出

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一個管理和控制的機制，來整合各種網路技術，以便提供行動節點在不同無線技 術間訊號的轉換與垂直換手程序的運作。

圖 1.1 無線網路的架構整合圖

圖 1.1 為一個無線網路架構整合圖，此無線網路架構整合了 IEEE 802.11 和 IEEE 802.16 兩種不同規格的無線網路。其中對 WiMAX 網路架構而言，WiMAX 的基地台之間可以利用點對點(Point-to-Point)、點對多點(Point-to-Multipoint)、及 點對面(Point-to-Face)方式進行的雙向通信，來形成無線的骨幹網路(Backhaul)架 構，也可經由一個以上的基地台連結至網際網路上。Wi-Fi 的無線擷取點(Access Point，AP)在此架構下則扮演提供短距離存取無線網路的角色，可填補 WiMAX 網路因建築物阻隔所造成的死角。因此如何讓行動節點在 Wi-Fi 與 WiMAX 網路 之間進行的垂直換手，將可以幫助行動節點漫遊於無線網路中，以達到連續接取 的目的。但是，因為各種無線技術所提供的網路存取媒介並不相同，要如何去協 調、管理不同媒介的使用，對於進行異質性網路之間的垂直換手將會是一大挑 戰。

為了讓行動節點能夠在不同的網路媒介存取控制層 (Media Access Control Layers，MAC Layers) 之間換手，目前正著手擬定的 IEEE 802.21[4] [5] [6] 草稿，

目標就是為了讓固定節點、行動節點及基地台間，能夠藉由共同的換手訊息來達 到換手的進行，以便讓行動節點在各種網路環境(涵蓋了 802.3、802.11、802.16、

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3GPP…等不同網路媒介)之間可以進行與媒介獨立的換手，以期達到連續性及一 致性的服務。

本論文主要的研究是基於 IEEE 802.21 媒介獨立換手機制(Media Independent Handover，MIH)，將其應用在同質性、異質性網路的換手上。我們將探討一個 由 Wi-Fi 和 WiMAX 整合的無線網路拓樸，藉由媒介獨立換手機制跨第二、三層 的特性，整合的換手程序，用以減少換手的延遲時間、降低封包遺失率，並進而 提出一個快速連結網路的方法，縮短行動節點進行異質性無線網路換手時 ，所 造成延遲的時間。

在接下來的章節中，第二章，我們會介紹一些與本論文相關的議題研究。在 第三章中，我們將會深入探討如何透過媒介獨立換手機制來支援換手。第四章將 介紹我們所提出快速連結的方法，來改進異質網路下換手的問題。第五章，我們 利用 NS2 (Network Simulator Version 2)軟體工具[7] 來模擬分析，在同質性、異 質性網路下的換手延遲時間、及封包遺失的情形，根據模擬的結果來比較驗證方 法。第六章，是本論文研究的總結。

4 間做切換。在論文[8] 中提出了一個中介軟體層的架構(Middleware Layered Ar-chitecture)，透過單一的應用程式介面(Application Programming Interface，API) 來管理 Bluetooth、Wi-Fi 此二種不同網路媒介下的換手。中介軟體層的架構是針 對每種網路媒介各自設計兩個主要元件：感知元件(Context Awareness)和移動性 管理元件(Mobility Awareness and Management)。感知元件負責用來監控收集應用 層服務串流(Service Streaming)延遲時間；當感知元件監測到服務串流的延遲時間 增加時，此時將觸發換手流程，換手進行時便將行動節點交由移動性管理元件來 管理、監控換手程序。

但是，在上述之架構下，每當新增一種網路媒介於網路中時，相對地就必須 要新增相對應的元件，所以對於多重覆蓋之無線網路的擴展並不容易；除此之外，

觸發換手程序的啟動是位於較高層級，也就是從應用層(Application Layers)的位 置，利用監控服務串流的延遲時間變化，來判斷是否需要進行垂直換手。從較高 層級的觸發換手，將使得我們無法即時地去觸發換手的開始，造成觸發換手的時 間點被往後延遲，如果情形嚴重時，在尚未發起換手前網路連線便已中斷，因此 在此架構下，將無法支援行動節點在不同無線網路之間進行的快速移動。

在論文[9] 中，提出在網路層上建構一個行動管理系統 (Mobility Manager，

MM)，此一系統採集中式的管理，由三個元件組成，分別為：訊號量測模組(Link quality module)、換手決策模組(Handoff decision module)及電源管理模組(Power management module)。在此系統中，對於不同種類的網路媒介分別有監視器，用 來負責監控鏈結層的訊號強度變化，再由事件收集系統(Event handler)來收集這 些監視器所監控的資訊，再將收集的資訊轉交給換手決策模組和訊號量測模組分 別去作決策和儲存。換手決策模組會匯集訊號量測模組和使用者策略資料庫