B3G接取網路之無線資源管理技術-子計畫三：B3G OFDM多重接收系統設計及無線資源管理(II)

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

子計畫三：B3G OFDM 多重接收系統設計及無線資源管理

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計畫類別：整合型計畫計畫編號： NSC93-2219-E-009-013- 執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日執行單位：國立交通大學電信工程學系(所) 計畫主持人：沈文和計畫參與人員：傅宜康,蔡政龍,林愷昕,許正欣報告類型：完整報告報告附件：出席國際會議研究心得報告及發表論文處理方式：本計畫可公開查詢

中華民國 94 年 10 月 25 日

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摘要

以網際網路協定(Internet Protocol, IP) 為基礎的正交分頻多重接取

(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)系統憑藉著與網際網路良好的互連(internetworking)能力以及在多路徑(multipath)傳播環境下可提供更高的資料傳輸率而被採用於IEEE 802.16 無線寬頻接取(Broadband Wireless Access, BWA)標準之中。有別於IEEE 802.16 標準制定初期以提供固定式無線接取服務為目標，近期該標準正積極發展可支援使用者移動性之版本以期能提供行動通訊服務，而換手技術(handoff)的開發正是該系統能否支援使用者移動性的關鍵。當使用者在系統中移動時，換手技術負責在不同基地台間傳遞使用者的連線以確保服務的連續性，然而現有標準中的硬式換手(hard handoff)技術會因過長的處理時間而導致即時性(real-time)通訊服務中斷過久，並進而造成使用者對服務品質的不滿意。本研究提出一套適用於以IP 為基礎之OFDMA 系統之前置式基地台切換(Proactive Base Station Switching, PBSS)技術, 利用預先註冊(pre-registration)、資料轉遞(data forwarding)與快速調距(fast ranging)等技巧以確保因基地台切換而造成的服務中斷時間(service disruption time)能滿足即時性服務對於品質的要求。文中同時提出符合於IEEE 802.16e 標準之網路控制訊號交換流程，及以無線通道品質為依據之基地台切換啟動機制。模擬結果顯示本機制可確保即時性通訊服務的品質，並降低因資料傳送延遲而造成的封包遺漏率。

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Abstract

IP (Internet Protocol)-based OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) system is adopted in IEEE 802.16 standard by its great internetworking capability with Internet and its capability to achieve high transmission rate in multipath environment. Instead of providing fixed wireless access services, the standard committee also aims to develop a newer version to support user mobility for mobile communications services. Therefore, development on handoff technology, which is the process to transfer the connectivity of mobile station from one base station to another, is the key to achieve this objective. However, the hard handoff process in current standard will lead to high service disruption time and make user feel uncomfortable on service quality. This paper proposes a proactive base station switching (PBSS) mechanism to reduce service disruption time to satisfy the quality of service (QoS) requirement of real-time services, which is achieved by network pre-registration, data forwarding and fast ranging. This paper also proposes an IEEE 802.16e compatible signaling procedure and a link quality-based PBSS initiation algorithm to realize PBSS mechanism in real system. The simulation results show that the service disruption time can be reduced by PBSS mechanism to satisfy the requirement by real-time services; moreover, the packet loss rate can also be reduced by preventing packets timeout.

Index Terms: IP (Internet Protocol)-based, OFDMA(Orthogonal Frequency Division

Multiple Access), handoff, PBSS(proactive base station switching), service disruption time.

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目錄

第一章前言 ...1

1-1 行動通訊技術發展簡史 ...1 1-2 以 IP 為基礎之無線網路中快速換手技術發展現況...3 1-3 研究動機 ...4

第二章以 IP 為基礎之 OFDMA 系統 ...5

2-1 OFDM 傳輸技術簡介...5 2-2 蜂巢式 OFDMA 無線接取網路...11 2-3 以 IP 網路為基礎之 OFDMA 系統 ...12

第三章前置式基地台切換技術 ...17

3-1 換手技術簡介 ...17 3-2 換手技術在 IP 網路中對即時性服務之影響...20

3-3 適用於即時性服務之前置式基地台切換(Proactive Base Station Switching) 技術...24

第四章媒體接取控制訊號交換流程設計 ...26

4-1 IEEE 802.16e 系統之硬式換手流程...26 4-2 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 ...31

第五章前置式基地台切換之啟動演算法 ...35

5-1 前置式基地台切換之啟動演算法設計 ...35 5-2 預測式啟動演算法 ...38

第六章模擬結果 ...39

6-1 模擬環境的設定 ...39 6-2 模擬結果與分析 ...47

第七章結論與展望 ...52

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第一章前言

目前我們使用的蜂窩式移動電話（cellular telephone）是數位式的的第二代（second generation， 2G）系統。隨著行動通訊商品化後，行動通訊的服務和人類生活息息相關，人們將要求隨時隨地都可上網。行動通訊的發展便是朝著加強行動數據通訊這方向走。隨著2.5G 及 3G 行動通訊的發展，無線網路、行動網路和網際網路的結合將會更為緊密。 802.16 和 WiMAX 即在此條件下受到越來越多的關注。802.16 標準是由 IEEE 相關工作組製定的物理層和MAC 層標準。此標準採用了最新的調製技術，基於 IP 網路及開放式網路模式，具備的全球一致性，以及低廉的佈設和營運成本等優勢，業界預期WiMAX 將成為 3G 的強力競爭者，旨在首先解決寬帶無線互聯的基礎上，逐步實現無線VoIP 音頻業務，從而取代 3G 而與 2G/2.5G 長期並存。

1-1 行動通訊技術發展簡史

第一代行動通訊在1980 年代開始商業化，訊號是類比處理，並採用電路交換的方式來提供語音方面的服務，但其缺少了提供使用者在不同網路間漫遊服務的能力。主要的第一代行動電話網路有三種：北美制式行動電話系統（Advanced Mobile Phone System, AMPS ）、英國完全抓取通訊服務（ Total Access Communication Services, TACS）、北歐行動電話（Nordic Mobile Telephone）。

第二代（2G）或 2.5 代（2.5G）的行動電話系統在１９９０年代早期出現，採用類比訊號處理的方式並且使用了一些新的傳輸技巧，提升了系統容量、頻譜使用效能、增強語音服務的品質及減少功率損耗等優點，除了提供語音方面的服務外，還多加了行動資料和行動網路的功能。主要的第二代行動電話網路有三種：環球行動通訊系統（Global System for Mobile Communication, GSM）、北美數字窩蜂制式（Digital Advanced Mobile Phone Services, D-AMPS）即 IS-136 標準及分碼多重接取（Code Division Multiple Access, CDMA） IS-95A 標準。IS 標

準是美國 Electronic Industries Association and Telecommunication Industry

Association（EIA/TIA）的通訊標準。2.5G 的行動電話標準有二種：General Packet Radio Service(GPRS)、Enhanced Data Rates for Global GSM Evolution (EDGE), 2.5G 提供比 2G 更高的系統容量及使用者的資料率，但仍沒有達到 3G 所承諾的標準。

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第三代行動電話系統規格的研發，是早從1985 年開始，由 ITU-T 提出、在 2GHz 頻段工作的行動通訊系統規格，最初的名稱為 Future Public Land Mobile Telephone System（FPLMTS）。其後這個系統正式更名為 International Mobile Telephone 2000 （IMT-2000），同時 ITU 也為了這個第三代行動通訊傳輸技術定了一個傳輸的速度的指標： 1. 在快速移動環境，最高數據傳輸速率需達到144Kbit/s； 2. 在室外、室內或是步行環境，最高數據傳輸速率需達到384Kbit/s； 3. 室內靜止的環境，最高數據傳輸速率需達到2Mbit/s。目前台灣地區已踏入第三代行動通訊（3G）的時代，估計在一兩年後便可投入服務。第三代行動通訊提供了行動通訊商品可以用較高速率連上網際網路，用戶也可以隨時在網際網路下載資訊、娛樂服務、網上遊戲及進行電子商務活動等，並可以透過第三代行動通訊商品瀏覽網站，收發電郵，網上購物，處理財務等。還有的是當用戶身處海外時，仍然可以經由通訊商品處理投資，甚至可以查看當地的地圖、觀光景境點等。雖然目前行動電信業者耗資巨大的 3G 網路即將要步上軌道，並且開始營運，但是之前在德國漢諾威舉行的CeBit 展覽會上，計算機行業又開始推展另外一種功能更強大的無線技術-WiMAX，3G 技術的前景有可能再次受到影響[1]。 3G 網路的資料傳輸速率雖比目前的行動電話網路快，卻比 WiMax 慢 30 倍。3G 網路的每一無線電遮罩（radio mask）的涵蓋面積比 WiMax 小 10 倍，且 WiMax 頻譜可免費使用，業者所需的基地台數目也比較少。

WiMAX 的另一個名字是 802.16，可以在授權的 3.5GHz 和不用授權的 5GHz 頻帶上運作，並支援非視線(non-line-of-sight)通訊功能。具備適應性調變和編碼

性能，WiMax 宣稱能覆蓋最遠達 50 公里的範圍，並提供 75Mbps 的資料傳輸率。

再加上，它還具備了網際網路協定(IP)架構和先進的 QoS 機制，因此 WiMax 贏

得了一些業者的強力支援與看好。 WiMax 也被視為固網電信公司反擊行動電信業者吞蝕語音通話市占率的武器，還沒有無線網路的電信業者，可以偏低的成本搭建行動網路，運用成本已攤提完畢的固網網路把資料無線傳送到網際網路，開始把已流失的營收從無線電信業者的手中奪回。 WiMax 將進一步釋放筆記型電腦等行動裝置的應用範圍。今日風行的 Wi-Fi 無線技術，也就是 802.11a/b/g 等，屬於「區域」型無線網路技術，傳輸距離約數十至數百公尺，部分晶片經過特殊設計可達 1000 公尺，Wi-Fi 傳輸速率為 11Mbps-54Mbps。總而言之，相較於３G 系統及 WLAN，WiMax 的優勢如下[2]:

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1. 更遠的傳輸距離：WiMax 能實現 50 公里的無線信號傳輸距離，此為無線區域網路所望塵莫及的 ; 在網路覆蓋區域上，WiMAX 覆蓋範圍為一個 3G 基地台覆蓋範圍的十倍，只要少數基地台建設就能實現全域覆蓋，使得無線網路應用的範圍大大擴展。 2. 更高速的寬帶接入：WiMax 所能提供的最高接入速度是 70M，為 3G 所能提供的寬帶速度的30 倍。對無線網路來說，這的確是一個驚人的進步。 3. 優良的最後一公里網路(last mile)接入服務：作為一種無線區域網路技術，它可以將Wi－Fi 熱點連接到互聯網，也可作為 DSL 等有線接入模式的無線擴展，實現最後一公里的寬帶接入。 4. 多媒體通訊服務：由於 WiMax 較之 Wi－Fi 具有更好的可擴展性和安全性，從而能夠實現電信級的多媒體通信服務。對於固定電話業者來說，他們可以建立一個基於 WiMAX 技術的低成本網路，並透過他們的固定電話網路把無線網路與互聯網相連，從而可以逐步從行動通訊業者手中奪回部分收入。由以上所述，我們可以知道 WiMax 技術不僅將帶動寬頻網路無線化，且 Wi-Fi、WiMax 等技術將互相結合朝向無縫（Seamless）式的無線通訊環境發展。

1-2 以 IP 為基礎之無線網路中快速換手技術發展現況

硬式換手(Hard Handoff)技術普遍被應用在許多商用化的無線通訊網路中，其特點在於使用者必須中斷現有的連線後才能與新的基地台建立連線，在換手過程中，使用者無法接收資料而造成服務的中斷。為了改善硬式換手技術的缺點，軟式換手(Soft Handoff)技術允許使用者同時和一個以上的基地台建立連線且傳收資料，因此在換手過程中，使用者能從多個建立連線的基地台獲取資料，以確保在換手過程中，服務不被中斷[3]。就系統容量觀點而言，軟式換手技術可以使訊號獲得組合增益(combing gain)，使用者在進行上鏈(uplink)傳輸時可降低傳送功率而減少系統整體之上鏈干擾強度，提升上鏈系統容量; 但在下鏈(downlink) 時，因為同時有一個以上的基地台傳送訊號給使用者，造成系統整體之下鏈干擾強度上升，而減少下鏈系統容量[4]。由於無線通訊的標準不斷增加，未來的無線通訊系統可能建構在多個既有的系統之上，為了支援各種異質性網路(heterogeneous network) 的互聯性 (internetworking)，下一代無線接取網路將朝向完全以網際網路協定(Internet Protocol, IP)為基礎 [5]，而如何在異質性網路中執行換手(或稱垂直換手，Vertical Handoff)，成為目前備受關注的議題。

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有別於以往具有專屬核心網路的系統，以IP 為基礎之無線接取系統在實現換手技術時，面臨更大的挑戰。由於換手至新的基地台時，必須要重新建立點對點(end-to-end)的連線，並且重新取得新的 IP 位址，使得硬式換手流程所需的處理時間可能更長，在[6]提到在 IEEE 802.11b 無線區域網路中，使用 SIP 換手方式所造成的服務中斷時間可長達40s 之久,或是採用 Mobile IP 的方法[7]，但單由網路層所造成的時間延遲就已達到 0.1~1 秒，造成使用者無法接受的服務品質; 將部分換手流程提前執行的前置型(Proactive)換手技術預期將可以有效的縮短服務中斷的時間，此種觀念已在WLAN 系統中被提出使用[7]。而在以 IP 為基礎之系統中，軟式換手技術的實現也較為困難，因為不同基地台傳送給使用者的資料必須進行同步，以利使用者自不同連線收到相同的資料時能獲取組合增益; 但來自不同基地台的資料不一定會通過網路中特定的路由器(router), 因此如何獲取上鏈的組合增益成為另一個議題。換手技術除了藉由妥善的流程設計以確保服務不被中斷外，也被認為是一種無線資源管理(Radio Resource Management)的重要工具。系統可依據通道品質的量測來作為換手啟動(initiation)的根據，如此使用者可維持較佳的通道品質以增加資料傳輸率或減少傳輸功率的消耗，進而提升系統容量[8]; 此外，系統也可根據不同基地台間負載的情況來決定是若要執行換手，以達到系統負載平衡(load balancing)的目的[4]。

1-3 研究動機

在蜂巢式系統中，由於使用者的移動性，使得換手會被經常性的執行，為了達到滿足即時性服務對中斷時間的要求，軟式換手技術被廣為使用，但目前在以IP 為基礎之網路架構上實現軟式換手技術仍有其困難點，因此，在本研究中，我們將以802.16 系統為例子，提出一套解決方法。802.16 系統架構在 IP 為基礎之 OFDMA 系統之上，為目前最熱門的話題，並從固定式的 802.16 系統發展出一套支援行動裝置的版本 802.16e。而對於有行動性的使用者，如何確保在其移動過程中滿足即時性服務對中斷時間的要求，成為一個重要的議題，因此本文以 IEEE 802.16e 為參考依據及 OFDM 技術的理論認知，發展出一套前置式基地台切換技術的理論並配合模擬的結果，提供未來在此系統中研究換手技術問題的一個研究基礎。本文將在各章節分別說明前置式基地台切換技術的設計理念及理論依據:第二章節介紹 OFDM 技術及 IP-based 核心網路；第三章節介紹過去系統中所使用的換手技術及適用於此系統之換手技術實現方法；第四章節介紹實現前置式基地台切換技術中，控制訊息及訊號交換流程；第五章節介紹前置式基地台切換之啟動演算法設計；第六章節為模擬結果；第七章節為全文總結並提出未來的研究展望。

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第二章以 IP 為基礎之 OFDMA 系統

目前 OFDM 技術已經被廣泛應用在廣播的寬帶數據通信、無線區域網路（WLAN）、高清晰度數位電視（HDTV）和數位音頻廣播（DAB），非對稱的數位用戶迴路（ADSL）。此外，還由於其具有更高的頻譜使用效率和良好的抗多路徑干擾能力，也被看好成為新一代行動通訊的核心技術之一。而多種異質性無線網路共存，從無線區域網路到蜂巢式系統，為了直接快速的向網際網路抓取所需要的資料，並且提供一個共同性且全球性的解決方法，IP_based 無線抓取網路逐漸成為主流。因此，在本章中將介紹OFDM 技術及以 IP 為基礎之 OFDMA 系統。

2-1 OFDM 傳輸技術簡介

正交分頻多工技術 [9,10,11]-OFDM(Orthogonal Frequency Division

Multiplexing)採用一種不連續的多音調技術，將被稱為載波的不同頻率中的大量信號合併成單一的信號，從而完成信號傳送。此種多載波(Multicarrier)的傳送方式，是將原有的資料傳輸序列從單一載波(Carrier)分配到多個不同的子載波 (Subcarrier)上平行(Parallel)傳送，因此每一子載波上的傳輸間隔變大為原本間隔的數倍，使得在每個子載波上的符元間距(Symbol Duration)增加，如圖 2-1.1 所示。 OFDM 技術可以對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在單載波系統中，單個衰落或干擾能夠導致整個通信鏈路失敗，但是在多載波系統中，因每個載波同時受到衰減的機率很小，因此，對這些子通道可以採用錯誤更正碼(error correction coding)來進行糾錯。傳統的FDM（分頻多工）理論將頻寬分成幾個子通道，中間用保護頻帶來降低干擾，它們同時發送數據。而OFDM 系統比傳統的 FDM 系統要求的頻寬要少得多。由於每個子載波間具有正交性，子載波彼此之間不會產生干擾，因此頻譜可以相互重疊且不需保護頻帶。因此，OFDM 系統比傳統分頻多工系統具有較好的頻寬效益(Bandwidth Efficiency)[12]（其頻譜如圖 2-1.2 所示）。

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圖 2-1.1 OFDM 技術示意圖

圖 2-1.2 傳統(a)FDM 與(b)OFDM 的頻譜

子載波上所傳送的符元使用相移鍵控(Phase-Shift Keying，PSK)或正交振幅調變( Quadrature-Amplitude Modulation，QAM)，子載波上的符元組成一個 OFDM 區塊(OFDM Block)，OFDM 時域信號為所有調制後的子載波所構成，其基頻數學表示式(1)與傳送端調制器示意圖 2-1.3：

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( )

(

)

1 2 2 2

exp

2 ,

0 ,

(1)

s s s N i N s s s N i s s

i

d

j

t t

t

t t

T

s t

T

t t and t t

T

π

− + =−

⎧

⎛

⎞

⎪

₋

_{≤ ≤ +}

⎪

⎜

⎟

=

_⎨

_⎝

_⎠

⎪

_<

_{> +}

⎩

∑

i d ：複數的符元，N ：子載波的數目，T ：子載波符元區間 _s

Serial

to

Parallel

QAM data

(

)

(

)

exp j N t tπ s − s T

(

)(

)

(

)

exp jπ N_s−2 t t− _s T . . . . . . OFDM Signal 圖 2-1.3 OFDM 系統傳送端調制器示意圖 上述為基本的類比正交多載波調制系統，需要多組的傳收機傳送OFDM 信號，其複雜度太高；實際上的 OFDM 系統採用快速傅立葉(IFFT/FFT)的方式來實現，因此不需要同時設計多組的傳收機。首先將 OFDM 信號以kT 取樣，則_S OFDM 信號如式(2)

( )

(

)

( )

(

)

( )

1 2 2 2 1 2 2 2 exp 2 1 1 exp 2 , 0,1,..., 1 2 s s s s N i N s N _{s s} i Ns s i N s Ns s s _i s i s t d j t t N T ik s k s t kT d j k N N N N π π − + =− − + =− ⎛ ⎞ = _⎜ − _⎟ ⎝ ⎠ ⎛ ⎞ = = = _⎜ _⎟ = − ⎝ ⎠

∑

( )

1 2 Ns i s k FFT− d + ⎧ ⎫ ⇒ = _⎨ _⎬ ⎩ ⎭

由式(2)，以時域(Time Domain)與頻域(Frequency Domain)的觀點來看， OFDM 信號為時域的類比波形取樣點，而符元則為頻域上每個子載波的信號。因此，OFDM 系統可以傅立葉轉換之方式實現代替多載波調製和解調。

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為了以數位方式作傅立葉轉換，必須對信號取樣，而且取樣信號必須滿足取樣定理(Sampling Theorem)，即取樣頻率必須大於等於兩倍信號頻寬，若使用所有子載波載送信號，則信號頻寬會大於0.5 倍取樣頻率，如此無法滿足取樣定理，若是增加子載波數，則頻寬會接近0.5 倍取樣頻率，當子載波數趨近於無限多時才會滿足取樣定理。實際上並不能使用無限多的子載波，因此，真正傳送信號的子載波數必須小於總載波數，以滿足取樣定理。不送信號的子載波稱之為虛擬載波(Virtual Carriers)。因為多路徑延遲擴散除了造成符元之間的干擾外，也會造成不同OFDM 區

塊間的區塊間干擾(Inter-block Interference, IBI)，為了消除此干擾，在每一 OFDM 區塊中加入保護區間(Guard Interval , Tg)，如圖 2-1.4 所示。 OFDM

T

g

T

_T

_b 圖 2-1.4 OFDM 之保護區段

保護區間的長度必須大於所預期之最大傳輸延遲擴散(Max Delay Spread)，

使得OFDM 區塊不會干擾下一個 OFDM 區塊。此外，若保護區間內不送信號，

則會引起載波間干擾(Inter-carrier Interference, ICI)，載波之間不再具有正交性如

圖2-1.5 所示。

為了維持正交性，選擇保護區段之信號為 OFDM 區塊之循環展延如圖

2-1.6，只要傳輸延遲擴散小於保護區間，則在一個完整 FFT 區間中總是有整數

倍週期的弦波，如此將不會有 ICI 現象發生，可維持 OFDM 系統之正交性，我

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ICI Sub Carrier 1 Sub carrier 2 FFT T g T OFDM T 圖 2-1.5 ICI 之示意圖 OFDM T g T TFFT 圖 2-1.6 OFDM 區塊之循環展延 以兩個路徑的傳輸為例，因第二路徑的OFDM 信號延遲，在 OFDM 符元邊界處有相位跳躍產生。對於第二路徑信號而言，其相位跳躍發生在第一個路徑之後的某一特定延遲。當此延遲小於保護區間，則在完整的 FFT 區間中不會有相位跳躍，因此雖然 OFDM 信號有相位的變化，但是載波之間仍然維持正交性，若是延遲大於保護區間，則在 FFT 區間內會有相位跳躍，使得載波之間失去正

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交性。由此可知，OFDM 系統載波之正交性的重要，因此在接收端必須進行同步的動作，只要同步誤差小於保護區間，則OFDM 區塊之各載波間仍維持正交性，同步誤差僅造成相位偏轉(Phase Rotation)，可利用通道估測的方式加以補償，因此接收端仍可作正確的解調變。反之，若是正交性被破壞，則接收端便無法進行正確的解調變。

此外，OFDM 系統另一重要問題為峰值對均值功率比 (Peak to Average Power Ratio, PAPR)，由於 OFDM 信號為多個載波組合而成，因此其信號功率會隨著子載波所載之符元不同而變化，若變化之範圍超出功率放大器之線性區域則產生非線性失真，因此在多載波時必須考慮PAPR 問題，以減少功率放大器之非線性失真。總而言之, OFDM 技術的主要優點如下： 1. 該技術對傳輸線路上的多路徑外界信號干擾有較強的抵抗力，不需要複雜的時間等化器，可降低複雜度。非常適合工作在一些惡劣的通信環境中。在一個固定最大擴散延遲的系統中，OFDM 可以簡單的克服延遲擴散所引起的信號干擾，而單載波系統卻需要一個複雜度相當高的等化器來消除延遲擴散所引起的信號干擾。 2. 在緩慢的時變通道中，可以根據每個子載波的訊號雜訊比來調整每個子載波的資料傳輸速率，以提升系統的容量。

3. OFDM 系統具有頻率分集(Frequency Diversity)的效果，比單載波機制更能夠對抗窄頻干擾。 OFDM 系統與單載波機制相比，也有一些缺點，可說明如下: 1. OFDM 系統對於頻率偏差與相位雜訊較為敏感，容易破壞正交性而造成 ICI。。 2. 峰值對均值功率比相對較大，造成非線性失真，會增加功率放大器之設計複雜度。

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BS MS BS: Base Station MS: Mobile Station

2-2 蜂巢式 OFDMA 無線接取網路

蜂巢式網路為目前行動電話所使用的重要基礎架構，基本上由一群六角型彼此相接的單位細胞（cell）所組成，系統包含了行動電話交換中心、基地台(BS)，和行動用戶(MS)三部份。一個基地台控制一到多個的蜂巢或稱細胞(cell), 每個蜂巢有自已的控制頻道、多個通話頻道…等，半徑約 2～20 公里，細胞間彼此相接，形成蜂巢式的大片涵蓋區域，可支援行動用戶在不同細胞間的移動性，如圖2-2.1 所示。每個基地台透過線路(或微波)連結到行動電話交換中心(Mobile Switching Center，MSC)，此交換機又與公眾網路交換機相接，各基地台的控制頻道可隨時將細胞內的用戶資料傳遞至行動電話交換機中心，使行動用戶可撥出或接收電話，且在各細胞間可以進行頻率切換。早期蜂巢式行動電話系統採用類比方式，但由於電話容量不足，無法進行數據通訊等缺點，因此新一代的蜂巢式行動電話系統採用數位方式。 OFDMA 的方式，可以將整個頻帶分成很多子通道，不同的子通道可以分配給不同的使用者，每個子通道之間彼此正交且頻譜可重疊，可同時支援多用戶信號的抓取，且在抵抗多徑效應、頻率選擇性衰落或窄帶干擾上具有明顯的優勢。目前熱門的系統如WiMax, 便是採用 OFDM 的調製技術。 圖 2-2.1 蜂巢式網路架構

(16)

2-3 以 IP 網路為基礎之 OFDMA 系統

目前行動資料服務的趨勢朝向高速及多媒體行動網路服務，例如照相功能、多媒體訊息，網路遊戲、串流式影音…等；而且從無線區域網路到蜂巢式系統，多種異質性無線網路共存，為了直接快速的向網際網路抓取所需要的資料，並且提供一個共同性且全球性的解決方法，以 IP 為基礎之無線抓取網路逐漸成為主流。過去各電信業者在 3G 系統中建置了功能強大的專屬核心網路（core network）,以確保語音服務的品質與數據資料的傳送可透過單一網路支援，但目前電信公司和電話製造商熱中於把語音電話服務搬上網際網路，運用網路電話（VoIP）技術進行通話，以大幅降低成本，把所需系統簡化為單一的網際網路協定（IP）網路。單來說，以 IP 為基礎之核心網路有具有以下特點[13]： 1. 其核心網路是採用 IP（Internet Protocol）的技術 2. 一個共同的 IP 核心網路必須要支援各種異質性無線抓取網路，如圖 2-3.1 所示。 3. 當使用者有移動性（mobility）, 必須要支援使用者在大範圍中各種聲音、資料、和多媒體等服務,。 4. IP-based 之無線抓取系統可無縫式（seamless）的整合快速成長的行動資料和多媒體服務至網際網路，來達到全球性的漫遊。 圖 2-3.1 IP network 支援異質性無線通訊技術 [13]

(17)

以IEEE 802.16 標準為例子，其背後便是使用以 IP 為基礎的核心網路，並

採用OFDMA 的調變技術。在 IEEE 802.16g-04/03r2 [14]中，提出了一些在以 IP

為基礎之架構下，IEEE 802.16[15]及 IEEE 802.16e[16]中標準化介面的行為，以達到更有效率的安排網路資源、行動性及頻譜。其所提出的是一分散式 (distributed)網路配置如圖 2-3.2 所示，每個基地台都是直接連接到 IP 網路，基地台本身可視為有閘門(gateway)及路由器(router)的功能。其中 NCMS(Network Control and Management System)作為不同基地台之間的介面，基地台之間的協調

都是經由NCMS 來達成，但其控制的方法是分散式的。 NCMS 並可負責網際網路中IP 位址的安排，安全性的服務等功能。 IP Network NCMS Entity BS BS BS NCMS Entity NCMS Entity MSS MSS 圖 2-3.2IEEE802.16g 分散式網路架構[14]

802.16 標準主要包括 802.16a、802.16d 和 802.16e 三個標準。802.16a 是為支援在 2-11GHz 頻段的非視距(NLOS)寬帶固定接入系統而設計的，802.16d(802.16-2004)是 802.16a 的增強型，802.16e 則是 IEEE802.16a/d 的進一步延伸，其目的是在已有標準中增加數據移動性，802.16e 標準目前已在 2005 年發布，但仍在修訂當中。

(18)

802.16 802.16a/d 802.16e 完成日期 2001 年 12 月 2003 年 1 月/ 2004 年 Q4 前預計2004 年底應用方向最後一哩及Backhaul 最後一哩及Backhaul 手持式行動裝置頻譜規格 10~66GHz 2~11GHz 2~6GHz

傳輸條件 LOS 非LOS 非LOS

傳輸速率 32~134Mbps (通道頻寬為 28MHz) 75Mbps (通道頻寬為 20MHz) 15Mbps (通道頻寬在 5MHz) 調變技術 QPSK,16QAM,64QAM QPSK,16QAM,64QAM 採256 子載波 OFDM QPSK,16QAM,64QAM 採256 子載波 OFDM 移動性固定性固定性具移動性通道頻寬 20,25 及 28MHz 1.5~20MHz 1.5~20MHz 傳輸距離 1~3 英哩 4~6 英哩 1~3 英哩 表 2-3.1 802.16 主要標準比較[17] 碼框 ( frame) 結構 IEEE 802.16-2004[15]系統採用的是正交分頻多重抓取（OFDMA）技術，其多載波及多通道的特性，可同時支援多個使用者，有FDD 及 TDD 兩種模式，我們以TDD 模式之點對多點(Point to Multi-Point, PMP)碼框結構作一個介紹。根據IEEE 802.16-2004 標準中，其碼框長度有 2, 2.5, 4, 5, 8, 10, 12.5 和 20ms 不同的選擇，，由圖 2-3.3 可看出，每個碼框又分成下鏈子碼框 (DL subframe) 和上鏈子碼框 (UL subframe)。其中下鏈子碼框包含了 preamble, FCH(frame control header), DL_MAP 和 UP_MAP 及下鏈給使用者的資料區塊。 DL_MAP

和 UP_MAP 最主要在提供使用者資料會被分配在下鏈子碼框和上鏈子碼框的哪

一塊區域內; 上鏈子碼框包含了使用者上鏈的資料區塊及調距子通道(ranging subchannel)。

下鏈的子通道置入( subchannel allocation ) 方式有兩種:

1. Partial Usage of Subchannel(PUSC): 部分的子通道被分配給傳輸端使用 2. Full Usage of Subchannel (FUSC): 全部的子通道都被分配給傳輸端使用

(19)

圖 2-3.3 TDD 模式之碼框示意圖[15]

我們這裡所選用的是FUSC 的方式，其載波置入（Carrier Allocation）的分

配，是根據IEEE 802.16-2004[15]所提出的方法。由表 2-3.2 可看出，下鏈載波共 2048 個，真正會使用到的載波是 1703 個，不會使用的到的載波左右各 173 個與 172 個，先把領航(Pilot)載波分配完後，再將剩下的子載波用(3)式分成 32 個子通道(Sub-Channel)，其中有 48 個資料載波。 Parameter Value Number of DC carriers 1

Nused 1703 (include pilots and DC carrier )

Guard Carrier: Left, Right 173 172

Nunber of data subcarriers 1536

Number of data carriers per subchannel 48

Number of subchannels 32

PermutationBase {3,18,2,8,16,10,11,15,26,22,6,9,27,20,25,1,29 ,7,21,5,28,31,23,17,4,24,0,13,12,19,14,30} 表 2-3.2 載波置入之分配[15]

(20)

( )

{

mod

}

mod₍ ₎

( )

,

3

subchannels subchannels subchannels k s k N cell N

subcarrier k s

N

n

p n

ID

=

⋅ +

⎡

_{⎤ +}

⎣

⎦

mod , mod ( , ) : : ( 13 ) [ ] : : : / subcarriers N k subcarrier k s s k k s k j s X X k + ⋅ k s cell s : n p ID 第個子通道中的第個子載波子通道編號，從０～３１是子載波在子通道中的編號把排列基底向左移次所得到的新序列從０到３１的整數，代表基地台的編號所得到之餘數由此可知，每個子通道的載波，是分散在這 1703 個載波之中，由圖 2-3.4 可以大略看出，每個子通道的53 個載波，並不會連續的從這 1703 個載波取出，而是跳躍的取出，且不同的子通道，不會取到相同的載波。 Sub_band Nsubcarriers-1

Nsubcarriers number of sub-carriers within each sub-channel

Nsubchannelstotal number of sub-channels

Sub_band t Sub_band 0 Sub_band 1 ………. ……….. 0 1 2 3 4 5 M Nsubchannels-1

frequency …… …… 圖 2-3.4 載波置入示意圖[15] 目前在IEEE 802.16e 的版本中，才提出支援使用者移動性的換手機置，但

因為IEEE 802.16e 是建置在 OFDMA 系統之上，因此，具有移動性的使用者基

本上是採用硬式換手技術，但無法滿足即時性服務對中斷時間的要求。因此如何

在以IP 為基礎之 OFDMA 系統中實現有效率的換手機置，以支援即時性服務的

(21)

第三章前置式基地台切換技術

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。

(22)

 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)

(23)

 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。

(24)

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。在本篇研究中，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

(25)

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

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 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

(26)

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。

(27)

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 接收到的訊號強度低於BS1 的差小於 Th_add 時，就啟動換手的機置，當換手完成後，使用者同時由BS1 和 BS2 接受到資料封包，因此，使用者的服務不會因為換手而遭到中斷。

(28)

圖 3-2.4 軟式換手技術演算法 由 1.2.3 的論述中，我們可以發現在 WCDMA 系統中表現出色的軟式換手技術似乎不那麼適用於以IP 為基礎之 OFDMA 系統，但硬式換手技術的連線品質卻又不能符合我們的需求，因此我們結合了軟式和硬式換手技術的技巧，希望在以IP 為基礎之 OFDMA 系統中，使用我們所提出的“前置式基地台切換”的技術，在不增加額外硬體複雜度的情況下，達到理想的換手品質要求。

3-3 適用於即時性服務之前置式基地台切換(Proactive Base Station

Switching) 技術

前置式基地台切換是結合了傳統硬式和軟式換手技術為基礎，並加以改善，其特點加下:

1. 網路層：類似軟式換手技術，會預先和其他基地台作任何的溝通，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。

2. 鏈結層：類似硬式換手技術，一次只和一個基地台建立連線，在換手時，

(29)

BS1 BS2 BS3 Anchor BS is BS1 Pilot RSSI t PBSS mechanism Active Set size = 2

Th_add

Add BS2 into Active Set

Data Transmission by BS1 Data Transmission over Air-Interface

Th_replace

Th_remove

Replace Active Set member BS1 by BS3 Remove BS3 from Active Set Data Transmission by BS2 Th_change Change Anchor BS as BS2 Network Layer Handoff

Link Layer Handoff

Service disruption time

連線。但因為在網路端，基地台之間已經預先交換了一些訊號和資料轉移的動作，因此，換手的過程中，使用者只需快速的調整鏈結層的時脈，頻率和傳輸功率，延遲時間幾乎不被察覺，其效果仍像軟式換手技術，使用者不會有不舒服的感覺。前置式基地台切換在網路層類似軟式換手技術，維持了一個Active Set, 使用者的封包，會傳給所有Active Set 裡的基地台。雖然在鏈結層，和硬式換手技術一樣，使用者一次只和一個基地台作連線，並接收其封包，但因為使用者已經預先和Active Set 裡的基地台作了一些網路層控制訊號的交換，並把封包傳給這些基地台，所以使用者要在基地台作切換時，當和原先提供服務的基地台中斷連線後，不需要再花費很長的時間作網路層中的訊號交換，而只要在無線端適當的作功率和時脈的調整，便可迅速的切換到新的基地台，此新的基地台便可以把存在本身緩充區的封包直接傳給使用者, 大幅縮短了在硬式換手技術中重新建立連線造成的延遲時間，一方面達到支援使用者即時性(real time)服務的系統效能，一方面又不會在無線端同時建立多條連線而造成的資源浪費以及硬體成本的增加。前置式基地台切換示意圖如圖3-3.1 所示。 圖 3-3.1 前置式基地台切換 由圖3-3.1 可知，要實現前置式基地台切換，必須同時考慮硬式換手技術和軟式換手技術演算法中的參數，以期結合兩者的優點，前置式基地台切換演算法將在第五章中介紹。

(30)

NCMS Entity MSS Anchor BS Target BS Router

1. Scanning Neighbor 2. MSSHO-REQ 3. HO-pre-notification (QoS) 4. HO-pre-notification-ACK (QoS) 5. HO confirm 6. BSHO-RSP 7. MSSHO-IND 8. Fast Ranging 9. RNG-REQ 10. RNG-RSP 11. SBC-REQ/RSP 12. REG-REQ/RSP 13. DHCP REQ/RSP 14. SIP reINVITE … T_D Hard Handoff T1 T2

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]

(31)

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

(32)

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

T1 T2 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

(33)

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

(34)

Send MAP containing Ranging Region Information

UL-MAP

RNG-RSP

Ranging Code Ranging code in a randomly Transmit randomly selected 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

Send RNG_RSP with Time & Power Corrections and

original Ranging Code and Ranging Slot

Status = Continue

UL-MAP

Ranging Code

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 4-1.4Ranging 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。

(35)

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 T1 T2 T3

4-2 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。

(36)

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 T1

T2

T3

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:

(37)

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。

(38)

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

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. 1-(a) 1-(b) 1- (c) & 2-(a) 1-(c) 2-(b) Data transmission

Forward data for SS

Status=Success

圖 4-2.3(a) Modified Fast Ranging Process

DL burst UL burst 1-(a) 1-(b) DL burst UL burst 1-(c) 2-(a) 2-(b) DL burst Data Transmission

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。

(39)

BS1 BS2 BS3 Anchor BS is BS1 Pilot RSSI t PBSS m echanism

Active Set size = 2

Th_add

Add BS2 into Active Set

Data Transm ission by BS1 Data Transm ission over Air-Interface

Th_replace

Th_rem ove

Replace Active Set member BS1 by BS3

Remove BS3 from Active Set

Data Transm ission by BS2 Th_change

Change Anchor BS as BS2

Network pre-registration

Link Layer Handoff

Service interruption tim e

第五章前置式基地台切換之啟動演算法

本章將介紹在IP 為基礎之 OFDMA 系統中，本研究所提出適用於即時性服務之前置式基地台切換技術啟動演算法的設計。

5-1 前置式基地台切換之啟動演算法設計

前置式基地台切換啟動演算法 為了實現前置式基地台切換演算法，我們參考過去硬式換手技術和軟式換手技術[4,5,20]及 IEEE 802.16e 標準之研究[16],重新定義了本研究提出之演算法中的參數:

1. Candidate Set: preamble 可被 MS 接收到之鄰近基地台所形成的集合

2. Active Set: 在網路層已分配特定的 IP 位址給 MS，可接受 Anchor BS 傳送

複製的MS 資料封包之基地台所形成的集合

3. Anchor BS: 在鏈路層真正和 MS 有資料收送的基地台 4. Target BS: MS 執行換手動作的對象

5. Active Set Size:網路層最大可容許同時建立連線之基地台數目。

(40)

圖5-1.1 為前置式基地台切換演算法的流程，在實現演算法中，我們需要定義以下的變數, 並根據 pilot 的 RSSI(received signal strength indicator)來決定是否啟動以下的動作:

1. Th_add: (RSSI of Anchor BS)-( RSSI of Best Candidate Set BS) < Th_add,

就啟動Network Pre-registration 的動作，把 Candidate BS 加到 Active Set 中，

並透過DHCP 機置分配 IP 位址給此基地台。

2. Th_change: (RSSI of Best Active Set BS)–(RSSI of Anchor BS) > Th_change,

就啟動鏈結層的換手，把此Best Active Set BS 變成新的 Anchor BS.

3. Th_replace: 若此時 Active Set Size 已達上限，且(RSSI of Best Candidate BS)-( RSSI of Worst Active Set BS) > Th_replace, Best Candidate BS 就把 Worst Active Set BS 取代掉, 成為 Active Set 的一分子。

4. Th_remove: (RSSI of Anchor BS)-( RSSI of Worst Active Set BS) > Th_remove, 就把 Worst Active Set BS 移出 Active Set。

其中Th_add 即為啟動 Network pre-registration 動作的條件，Th_change 為啟

動 Link Layer Handoff 的條件。在第四章中提過，Network pre-registration 中，因

為需要透過DAD 來確認 IP 位址沒有被其他 MS 所使用，NCMS 才能透過 DHCP

把位址分配給BS,此過程需要花費約 1.5 秒的時間，因此，必須適當的選擇 Th_add

的啟動條件，使得Network pre-registration 的動作能夠在 Link Layer Handoff 啟動

之前完成，否則將造成服務中斷時間的增加。不過，當 Th_add 定的愈大，Best

Candidate Set BS 愈早被加入 active set, 雖然可以確保 Network pre-registration

的提前完成，但此時Best Candidate Set BS 也愈早就佔據了一分網路端資源，造

成資源的浪費。

(41)

如圖5-1.2 所示，我們將 Anchor BS 和 Best Candidate Set BS 之間 RSSI 的差

從Th_add 變成 Th_change 的時間定義為 Tc, 此 Tc 會受到使用者移動性和遮蔽效

應(shadow fading)的影響，而呈現一個隨機的分佈，因此，我們無法保證 Network

pre-registration 的動作一定能夠提前在 Link Layer Handoff 啟動之前完成。TD為

服務中斷時間(Service Disruption Time), 當 Network pre-registration 沒有提前完成

時，TD= TP(Network pre-registration time)-TL(Link Layer Handoff), 造成 TD的增

加，若 TD增加超過一個延遲的臨界值(Delay threshold), 就會開始把使用者的封

包丟掉, 由此可知，Network pre-registration 動作若沒有適時的完成，將會造成使用者封包嚴重的遺失(loss)。

Network pre-registration 提前的動作一方面提早佔據住網路端的資源，一方

面又因為 Tc 的隨機性而無法保證動作能夠如預期的完成，因此我們所提出的”

前置式基地台切換啟動演算法”，其主要精神在於:當 Link Layer Handoff 被啟動

時，不管此時 Network pre-registration 的動作完成與否，都必須等待 Network

pre-registration 作完後，才執行 Link Layer Handoff 的動作，如圖 5-1.3 所示。

BS1 BS2 Anchor BS is BS1 Pilot RSSI t Th_change Th_add Pre-defined Threshold TP TC TL TD = TL

Data Transmission by BS1 Data Transmission by BS2 PBSS:

Link layer handoff will not be initiated until network pre-registration is completed

圖 5-1.3 前置式基地台切換啟動演算法

由圖5-1.3 可以看到，在 Th_change 條件滿足時，Network pre-registration 的

動作還未完成，因此，Link Layer Handoff 的動作必須等待，直到 Network pre-registration 完成時才能啟動，如此，便可減少 Network pre-registration 沒有提

前完成時，TD增加，造成使用者封包嚴重的遺失(loss)的情形。在等待的過程中,

Anchor BS 訊號強度會隨之衰減，有可能會造成封包錯誤率(packet error rate)的上升，雖然錯誤率上升，但使用者仍有可能接受的到正確的封包，因此，我們預期其影響不會如封包遺失來的嚴重。