802.16e Handover Mechanism

802.16e Handover MechanismPresenter: Yi-Wei SunDate: 2008/12/25

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Outline

•802.16 家族簡介•Handover 簡介•802.11 Handover mechanism•802.16e Handover mechanism▫802.16e Handover 步驟▫四種 Handover 的方法

•結論與討論•Reference

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802.16 家族簡介

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標準號負責的技術領域802.16 10-66GHz 固定式無線寬頻網路標準 ,

僅能應用於可視距離範圍內802.16a 2-11GHz 固定式無線寬頻網路標準 ,

具有不可視距離的傳輸特點802.16c 10-66GHz 固定式無線寬頻網路系統關

於相容性的修增文件802.16d 2-66GHz 固定式無線寬頻網路標準 ,

是相對比較成熟且最具實用性的一個標準版本802.16e 2-6GHz 固定和移動式無線寬頻網路標準802.16f 固定式無線寬頻網路 MIB 要求802.16g 固定與移動式的管理階段程式及服務等相關規範，

目的是要規定 802.16 系統管理流程及介面802.16h 免執照頻段的資源管理機制802.16i 移動式無線寬頻網路 MIB 要求802.16j 針對 802.16e 的 Multi-hop ,Relay 功能研究802.16k 針對 802.1D. bridge 標準做修改使之能

與 802.16 MAC 達到相容的目的802.16m 第 4 代行動通訊系統 IMT-Advanced 的提案規格

MIB:Management Information BaseIMT:International Mobile Telecommunications802.16D:Spanning Tree Protocol

Handover 簡介

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何謂 Handover

•為了讓通話者得到更好的通話品質，•所以無線通訊系統將正在進行中的通話連線，•轉移到不同的基地台•或更改通話連線所使用的頻道，•以較佳的基地台•或是頻道來對使用者提供服務。•而一般手機使用者並不會察覺通話有任何的中斷，•這就是 Handover( 訊號換手 ) 。

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發生 Handover 情況

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A B

MS

Mobile Station

Serving BS Target BS

Handover 種類•Hard handover( 硬式訊號換手 ) ：▫系統連線是先中斷後再開啟新的連線的

•Soft handover( 軟式訊號換手 ) ：▫系統連線是先建立新的連線後才將原來的連線中斷

•Softer handover( 軟軟式訊號換手 ) ：▫軟軟式訊號換手僅是對於同一基地台做換手動作▫而軟式訊號換手是對不同基地台換手動作。

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802.11 Handover mechanism

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802.11 Handover mechanism

•藉由監控基地台的連線服務品質，來做換手的判斷•當連線品質降低•開始有 frames 傳送不成功時•網卡會降低傳輸率，以較穩定的的調變傳送•若還是無法達到可接收的傳送品質•可視為裝置已達到基地台的最外緣•應此網卡會決定換手

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802.11 Handover mechanism (cont.)

•好處：▫無線網路的網路端不需要複雜的管理機制▫可以節省目標基地台的訊號量測次數▫只有在已達到最外緣時，才做一次完整的基地台掃描

•缺點：▫換手過程時間太長▫90% 時間花在搜尋目標基地台上▫對 voice 會 video 有很嚴重的影響

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802.16e Handover mechanism

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802.16e Handover 步驟•規格書上訂定•1. Cell reselection•2. HO decision and initiation•3. Synchronization to Target BS downlink•4. Ranging•5. Termination of MS Context•6. HO Cancellation

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802.16e Handover 步驟 (cont.)

•參考文件•1. Cell reselection•2. HO decision and initiation•3. Ranging•4. Network Re-entry•5. Releasing context of MS

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Cell reselection

•BS 和 MS 須去取得臨近 BS 的資訊▫訊號強度▫能提供的 Qos 品質▫透過上述資訊來做換手的依據

•MS 有兩種不同的方法來取的臨近 BS 的資訊▫1. 透過 Serving BS 定期廣播的 MOB_NBR_ADV

MOB_NBR_ADV(Mobile Neighbor Advertisement)▫2. MS 在經過 Serving BS 同意後資型掃描臨近 BS

掃描時， Serving BS 須停下與 MS 的通訊並 buffer住 data

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Cell reselection 方法 1 流程

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MS Serving BS 臨近 BS1 臨近 BS2

DCD/UCD exchange

DCD/UCD exchange

MOB_NBR_ADV

Cell reselection 方法 2

•當 MS 決定要對進行掃描後•會發出MOB_SCN_REQ向服務基地台要求一段

時間來執行鄰近 BS 的掃描。•其要求的內容主要有：▫想進行掃描的基地台▫每次掃描的時間▫每次掃描的間隔▫總共掃描的次數▫對每個被掃描的基地台所想要進行的掃描型態

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MS 的掃描型態•MS 的掃描型態可根據是否要進行 Association分為四種▫Scanning Without Association ▫Scanning With Association Level 0 ▫Scanning With Association Level 1 ▫Scanning With Association Level 2

•在這裡Association 就是 Ranging 的別名•其目的主要是為了獲得▫調整參數 (Ranging Parameter)▫獲得服務訊息 (Service Availability Information)▫以便將來選擇適合的目標基地台及加速換手

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Cell reselection 方法 2 流程19

MSServing BS 臨近 BS1

MOB_SCN_REQ

MOB_SCN_RSP

臨近 BS2

DCD/UCDAssociation-Ranging

RNG_RSP

Serving BS允許MS 進行掃描

Association pre-registration

DCD/UCDAssociation-Ranging

RNG_RSP

Association pre-registration

HO decision and initiation

• 802.16e 中並沒有定義換手的決策標準•MS 或 Serving BS皆可發起換手的動作• Serving BS都會為 MS 調查鄰近 BS 何者有較佳的服務•並產生一個或多個建議 Target BS列表給MS•MS 有權決定要不要進行換手以及要換手到哪一個 BS•並利用 MOB_HO_IND告知 Serving BS自己的決定

MOB_HO_IND (Mobile Handover Indication)▫若不換手，則回復正常情況▫若要換手，則 Serving BS buffer住 data ，進入換手流程

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Ranging

•MS 在換手程序的一開始必須和目標基地台同步(Synchronization to Target BS Downlink) ，

•以獲得通道的物理參數，以便進一步做調整。

•若 MS 在換手前已經利用 MOB_SCN_REQ 來取得Target BS 的物理通道參數，則此步驟可以省略。

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Network Re-entry

•當 MS 要連接到 Target BS 時•會先跟 Target BS 進行調整•在此做調整的目的主要是為了獲得▫物理通道特徵▫Qos 等級預測▫Network Re-entry 中的哪些步驟可以被省略。

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Network Re-entry (cont.)

• 1. MS 在 RNG_REQ 中帶 Serving BS 的 BS_ID▫告知 Target BS ，要作換手中的 Network Re-entry

• 2. Target BS 就可以利用 backbone network 得到的 MS 的資訊• 3. 此資訊可決定 Network Re-entry 的哪一個步驟可以省略• 4. 並利用 RNG_RSP 來告知MS ▫ 在 Network Re-entry 中可省略的步驟。

• Example:▫ 若 Target BS 得到 MS 的安全相關參數▫則MS 在 Network Re-entry 時，不須重新執行認證的動作

• Target BS擁有的 MS 資訊愈多，可以省略的動作就愈多，網路重新進入就可以愈快完成

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Network Re-entry (cont.)

•Network Re-entry 的最後一個步驟為連線的重新建立，•目的 :▫為了在換手的過程中不需使用 DSA_REQ/RSP/ACK

•因為 :▫Target BS 會透過 backbone▫向 Serving BS 要求所有連線的訊息▫並在 Target BS 上重新建立這些連線，以加速換手。

•當 Target BS 將所有的連線都建好後，▫會將 SFID 及連線 CID 的對應表傳給MS ，▫MS利用這個對應表就可以得知原本在 Serving BS▫上的某個連線在 Target BS 的新 CID 及新 SFID 。

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Releasing context of MS

•當 MS 成功換手到 Target BS( 新的 Serving BS)•傳送 MOB_HO_IND告知 Serving BS( 原先的 ) 。•在確認MS 已經完成換手後•Serving BS( 原先的 ) 會將 MS 的所有相關資訊刪除

•此時換手的動作才算完成。

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HO Cancellation

•MS 可以在換手開始之後的•任何時間告知 Serving BS 取消換手的動作•方法 : 傳送 MOB_HO_IND•若取消換手的時間在資源保留時間結束前▫因為此時 MS 的相關資訊仍然保留在 Serving BS 上▫故MS 可回到正常模式繼續運作。

•若取消換手的時間在資源保留時間結束之後▫則此時 Serving BS 上已沒有該MS 的訊息▫故MS必須重新執行完整的 Network Re-entry 動作後▫才能從 Serving BS獲得服務

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四種 Handover 的方法•General Handover (General HO)•Network Assisted Handover (Network Assisted HO)•Macro – Diversity Handover (MDHO)•Fast BS Switch (FBSS)

•其中 MDHO and FBSS▫選擇製作▫可以達到無縫換手

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四種 Handover 的方法 (cont.)

•四種換手方法都要經過▫1. Cell reselection▫2. HO decision and initiation▫3. Ranging▫4. Network Re-entry▫5. Releasing context of MS

•不過實作的方法不同，所以有不同的▫Handover delay▫Packet loss rate▫Implement complexity

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General Handover 由 BS初始•當 Serving BS 覺得有必要去做換手時•Serving BS 會發出 HO_pre-notification給臨近的

BS▫其中包含MS 的資訊

頻寬需求 Qos 需求

•而臨近 BS 會回送 HO_pre-notification_response▫告知 Serving BS他們可以提供的頻寬和 Qos 等級

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General Handover 由 BS初始 (cont.)

•Serving BS 會根據臨近 BS 的回應▫決定推薦哪些 BS給MS 當作 Target BS▫之後送出MOB_BSHO_REQ(其中包含推薦的列表 )

•MS 會透過簡短的掃描去取得臨近 BSs 的訊號強度▫並將此值連同 MOB_MSHO_RSP回報給 Serving BS

•Serving BS 就從臨近 BS 的回應與收到的訊號強度▫來決定 Target BS

•之後 Serving BS 會送出MOB_BSHO_RSP給MS▫其中包含 Serving BS 決定的 Target BS

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General Handover 由 MS初始•MS也可以藉由得到臨近 BS 的訊號強度▫來與 Serving BS 作比較

•當 MS 決定要換手時▫會送出MOB_MSHO_REQ給 Serving BS

其中包含MS 所推薦的臨近 BSs 的訊號強度•Serving BS 會送出 HO_pre-notification給臨近 BSs▫且得到所有的 HO_pre-notification_response

•Serving BS 藉由臨近 BS 的回應與訊號強度▫來決定 Target BS

•之後 Serving BS 會送出MOB_BSHO_RSP給MS▫其中包含 Serving BS 決定的 Target BS

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General Handover

•再來 Serving BS 會送出 HO_Confirm給 Target BS▫代表 Serving BS 與 MS雙方都同意這 Target BS

•MS 會送出MOB_HO_IND▫來進一步同意這 Target BS 的決定▫且告知 Serving BS 此 MS 已可以開始換手動作了

•當 Serving BS 收到 MOB_HO_IND 後▫會 release 這 MS

代表停止所有對這 MS 的通訊動作

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General Handover (cont.)

•當作完所有▫Ranging ▫Network Re-entry

•Target BS 會通知 Serving BS( 原先的 ) 換手成功•則 Serving BS 會將在換手過程中 buffer住的 data▫全部 forward給 Target BS

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HO_pre-notification_response


General Handover 由 BS初始流程34

MS Serving BS 臨近 BS1

HO_pre-notification

臨近 BS2

HO_pre-notification

MOB_BSHO_REQ

Neighbors Scanning

HO_Confirm

General Handover 由 BS初始流程 (cont.)

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MOB_MSHO_RSP

臨近 BS2

MOB_BSHO_RSP

Complete Network Re-entry

MOB_HO_IND

Release resource of MS

RNG_REQ

RNG_RSP



General Handover 由 MS初始流程36


HO_pre-notification

臨近 BS2

HO_pre-notification

MOB_MSHO_REQ

Neighbors Scanning

HO_Confirm

MOB_BSHO_RSP

General Handover 由 MS初始流程 (cont.)

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MOB_HO_IND


RNG_REQ

RNG_RSP

Network Assisted Handover

•Serving BS 要送給所有臨近的 BS▫HO_pre-notification , HO_Confirm

•Serving BS 送出MOB_BSHO_REQ給MS▫裡面包含通知MS 這為 Network Assisted Handover▫MS 可以立刻回送 MOB_HO_IND 來開始換手

•當 Serving BS release MS 後▫MS 須自行去掃描並選擇 Target BS

•剩下的步驟與 General Handover 相同

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Network Assisted Handover (cont.)

•General Handover 與 Network Assisted Handover 的差別▫1. 只有 Serving BS 可以初始 Network Assisted

Handover▫2. Serving BS沒跟MS 做任何協商 ,

就送 HO_Confirm給臨近 BSs▫3. 當 MS 接收到 MOB_BSHO_REQ 後就開始換手

不須與 Serving BS 做任何協商動作▫4. MS 須獨自去決定 Target BS

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Network Assisted Handover (cont.)

•Serving BS 可藉由接收 HO_pre-notification response▫得到負載資訊▫得到能提供的 Qos 要求▫或是預測 MS 可能的移動方向

•來進行臨近 BSs 的過濾•並將結果列表在 MOB_BSHO_REQ 中送給MS•MS 只需經由訊號強度就能決定 Target BS▫因為 Serving BS 已經將可能的臨近 BSs都挑出來了

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Network Assisted Handover 流程41


HO_pre-notification

臨近 BS2

HO_pre-notification

MOB_BSHO_REQ

HO_Confirm

HO_Confirm

Network Assisted Handover 流程 (cont.)

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MOB_HO_IND


RNG_REQ

RNG_RSP

Neighbors Scanning

HO_Withdraw

MDHO and FBSS架構圖43

A

B

MS

C

MDHO and FBSS

•為規格書上定義為選擇製作•可以提供無縫換手 (seamless handover)

•提供一個重要的資料結構▫Diversity Set

其成員為有參予 MDHO/FBSS 的 BSs

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MDHO and FBSS (cont.)

•Define: Anchor BS▫完全與 Serving BS 相同▫1. 負責處理 control message▫2. 管理在 MDHO/FBSS 間的 MS▫3. 分享MS 的各種資訊▫4. 與 Diversity Set 的成員協商資源的分配

•MS 與 Anchor BS 雙方都要 maintain Diversity Set▫包含創造 , 更新

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•在製作 MDHO 與 FBSS 上有很多限制▫在 MDHO 中的所有 BSs

將使用相同的 CID集合 ( 與 MS 建立的連線 CID)▫在 MDHO/FBSS 中的所有 BSs

1. 要同步在共同的時間上 2. 要分配相同的頻率 3. 需要去分享或傳送 MS 與 BS 的所有資訊

current authentication ,encryption key ,registration data… 若一 MS 對 Diversity Set 中的一個 BS 已認證 / 已登入則對所有在 Diversity Set 中的其他 BS 也已認證 / 已登入

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•開啟 MDHO 或 FBSS 的方式▫當 MS向某個 BS註冊時， BS 會利用 REG_RSP 訊息告訴MS 是否開啟 MDHO 或 FBSS模式

•進入MDHO 或是 FBSS模式▫可以由 MS 或是 BS 來觸發，▫但最後的決定權是在 BS ，▫BS 有權決定要使用 General HO、MDHO 或是

FBSS 。

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Macro – Diversity Handover

•MDHO 為 MS 同時與多個 BSs 做通訊的機制▫在 MDHO 中的 MS 須去送相同的 PDU給在

Diversity Set裡的所有 BSs▫所有在 Diversity Set裡的 BSs也要 Forward 相同的

資料給MS

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Macro – Diversity Handover (cont.)

•環境假設： 1 台 MS, 2 台 BS (Serving BS1, BS2)

•在進入MDHO前的準備工作▫1. MS 與 Anchor BS產生或確認 Diversity Set 的成員

藉由交換 HO_REQ ,HO_RSP ,HO_IND▫2. 在 Diversity Set 確定後

Anchor BS 需與 Diversity Set 中的其他 BSs分享MS 資訊▫3. 當 MS 送出MOB_HO_IND 後

MS 需去聽 BS1 與 BS2 廣播出來的 DL_MAP 與 UL_MAP

▫4. MS 可以知道與 BS 通訊的精確時間▫5. 最後 MS 可同時與 BS1 ,BS2 通訊 (Anchor BS=BS1)

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MOB_MSHO_REQ (帶有Candidate BS list , 訊號強度 )

Macro–Diversity Handover 流程 (MDHO start)

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MS Serving BS1 臨近 BS2

MOB_NBR_ADV

DL_MAP/UL_MAP

Data Communication

MOB_BSHO_RSP (帶有Diversity set = {BS1,BS2})

MOB_HO_IND

DL_MAP/UL_MAP (帶有 Anchor BS = BS1)

DL_MAP/UL_MAP

Data Communication (BS1 ,BS2)


•若是有意願更新 Anchor BS 時▫MS 須去送 MOB_MSHO_REQ▫回收 MOB_BSHO_RSP▫送出MOB_HO_IND

•當 MOB_HO_IND 送出後▫MS 需再次去聽 DL_MAP 與 UL_MAP

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•對於 Diversity Set 或 Anchor BS 的更新最主要的因素為 MS評估的雜訊比 ( 訊號強度 )▫在 DCD 中 Anchor BS 會定義兩個起始值

H_Add_Threshold , H_Delete_Threshold▫當某個 BS 的訊雜比長期小於 H_Delete_Threshold 時

MS 可以使用 MOB_MSHO_REQ 通知 Anchor BS 將該 BS從 Diversity Set 中刪除

▫反之某個 BS 的訊雜比長期大於 H_Add_Threshold 時 MS 就會利用 MOB_MSHO_REQ 通知 Anchor BS 將該 BS加入 Diversity Set

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MOB_HO_IND

DL_MAP/UL_MAP (Anchor BS = BS2)

DL_MAP/UL_MAP


Macro–Diversity Handover 流程 (Change Anchor BS)



•Update Diversity Set 步驟▫1. MS 透過 MDHO 同時與 BS1 ,BS2 ,BS3 在通訊▫2. 當 MS 發覺 BS 的雜訊比小於

H_Delete_Threshold▫3. MS 會發出MOB_MSHO_REQ其評估的結果▫4. 一樣透過 HO_REQ ,HO_RSP ,HO_IND 來達到更

新•不論是 Diversity Set 或 Anchor BS 的更新▫其步驟都是相同的

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MOB_HO_IND


Macro–Diversity Handover 流程 (Update Diversity Set)

Data Communication (BS1 ,BS2 , BS3)

臨近 BS3

MOB_NBR_ADV

MDHO decision (Drop BS3)


DL_MAP/UL_MAP

Fast BS Switch

•只需與一個 BS(Anchor BS) 做溝通▫而這 BS 上就必須放置有 Diversity Set

•Anchor BS 會透過 backbone 網路分享MS 的資訊給▫所有在 Diversity Set 上的 BSs

•當 MS想要選擇別的 BS 當 Anchor BS 時▫不需要做 Network Re-entry 步驟

•與 MDHO 相同 MS 與 Anchor BS都要有 Diversity Set▫且要更新 Diversity Set 的過程也與 MDHO 相同

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Fast BS Switch 流程 (FBSS start)

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MOB_NBR_ADV

DL_MAP/UL_MAP

Data Communication


MOB_HO_IND


Data Communication

FBSS decision

HO_pre-notification

MOB_MSHO_REQ (Anchor BS Update)

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MOB_BSHO_RSP

MOB_HO_IND

Data Communication

Fast BS Switch 流程 (Change Anchor BS)

Data Communication

HO_pre-notification


RNG_REQ

RNG_RSP

另一個變更 Anchor BS 的方式 for FBSS

•Fast Anchor BS Selection Feedback Mechanism•MS利用 Fast Feedback Channel▫將轉換至新 Anchor BS 的要求傳給目前的 Anchor

BS•Fast Feedback Channel▫是 Anchor BS配置給MS 的一個專用的上行通道▫MS 可以利用這通道回傳控制訊息或訊號量測訊息給 Anchor BS

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Fast Feedback Channel

•分配 Fast Feedback Channel給MS 有三種方式▫1. 當此 BS加入 Diversity Set 時

藉著MOB_BSHO_REQ 或 MOB_BSHO_RSP 來預先分配

▫2. 在 Anchor BS 轉換時透過 Anchor_Switch_IE 來進行分配

Anchor Switch Information Element(Anchor-Switch-IE)

▫3. 當一個新的 Anchor BS 轉換完後藉由 UL_MAP 來進行分配

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Fast Feedback Channel (cont.)

•若要 FBSS 達到無縫換手▫轉換 Anchor BS 的時間一定要短

•Define: ASR slots ASR (Anchor Switch Report)

▫目的是強迫MS 在作轉換決定或執行 FFBS 能在時限內 ASR slots 的長度決定於 Anchor BS 透過 DCD 廣播給MS

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•第一個 ASR slots▫1. MS 須去嘗試掃描在 Diversity Set 上的 BSs▫2. 若發現有較好的訊號強度

則做出換手決定▫3. 當 MS 做出換手決定後

一個 Switching Timer 會被啟動▫4. MS 就必須在這限制時間內完成 Switching

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•第二和第三個 ASR slots 為 Switching interval▫1. 當 Switching interval 開始時

MS必須透過 Fast Feedback Channel 送出 Anchor Switch Indicator給當前的 Anchor BS

▫2. 則當前的 Anchor BS 會的之候選的新 Anchor BS▫3. 之後去通知新的 Anchor BS, Switching 開始

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•在 Switching interval 中有一個很重要的訊息▫Anchor_Switch_IE▫當前 Anchor BS 會利用他通知MS下列訊息

1. 承認MS 的 switch indication 2. 取消 BS Switching 3. 新 Anchor BS分配的 Fast Feedback Channel 4. 精確的 Switch 時間 5. 對要 Switch 的新 Anchor BS詳細的說明

▫以上為選帶或選不帶

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MS Anchor BS1 臨近 BS2

Message flow for FBSS by Fast Feedback Channel

偵測到 BS2 有較好的訊號強度

Pre-Switch ASR Slot

Starting Switch timer

Anchor switch indicatorASR Slot During Switch

Communication with backbone network

Anchor_switch_IE

UL_MAP

Switch Anchor to BS2

Fast Feedback Channel

ASR Slot During Switch

ASR Slot after switch period

MDHO 與 FBSS 比較•FBSS 較簡單且容易實作•兩者相同處▫Maintain diversity set▫分享MS 資訊給在 diversity set裡的 BSs

•兩者不同處▫MDHO 中所有 BSs

需去協商相同頻率與相同 CID集合來與 MS溝通▫FBSS 可以不去協商 CID集合

MS 只需對 Anchor BS 送 / 收 data 因此 FBSS擁有較好的 channel utilization

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結論與討論•換手的方法很多，實作上我可能考慮MDHO▫理由 :符合我現在需求

•規格書上只定義到 Data Link層•若是要做跨網域，就要牽扯到 Network層▫解法 : Mobile IP

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Reference【 1】 IEEE Standard for Local and metropolitan area networks Part 16:Air Interface for Fixed

and Mobile Broadband Wireless Access Systems ， IEEE Std 802.16e-2005【 2】 Szu-Min Chen ,”A Implementation of IEEE 802.16e General Handover

Emulator”,NCTU,June,2006【 3】姜宜榮 ,”IEEE 802.11 無線網路下具網路拓樸知覺無縫換手的設計與實

作” ,NCTU,June,2006【 4】 Sunghyun Cho, Jonghyung Kwun, Chihyun Park, Jung-Hoon Cheon, Ok-Seon Lee, and Kiho Kim,”

Hard Handoff Scheme Exploiting Uplink and Downlink Signals in IEEE 802.16e Systems”, Communication Lab. Samsung Advanced Institute of Technology Suwon, Korea, September 6,2006

【 5】 Handover ( 訊號換手 )http://wmlab.csie.ncu.edu.tw/wmlab/3G/handover.htm【 6】 Wimax歷史版本http://www.hudong.com/versionview/cR,VoEXlEDWFdRC,gFHUwdXUg【 7】積極卡位 4G 規範的 WiMAX技術http://tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=12C&zNotesDocId=0000049591_B588E46XO386IPP2HGIR8【 8】確保行動 WiMAX 連線品質　基地台換手機制不容忽視 http://www.2cm.com.tw/technologyshow_content.asp?sn=0707240014

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http://www.2cm.com.tw/technologyshow_content.asp?sn=0707240014

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