8
© Tech Mahindra Limited 2010 802.16e & 3GPP Systems Network Handover Interworking Venkat Annadata Tech Mahindra (R&D) Services Ltd. Abstract: Next Generation Mobile Networks are paving its way towards the ubiquitous wireless access abilities which provide the automatic handovers for any moving devices in the heterogeneous networks combining different access technologies. In this technical paper, intend to present a possible Mobile WIMAX3GPP/2 Network Interworking architecture based on the 3GPP/2 standards and propose the seamless intersystem handover scheme which enables the service continuity with low handover latency and packet loss. This technical approach of enabling handover feature is purely based on the IEEE 802.16e Mobile WiMAX & 3GPP/2 Standards. APRIL 2010

Techmahindra 80216e 3gpp_systems_networkhandover

Embed Size (px)

DESCRIPTION

 

Citation preview

Page 1: Techmahindra 80216e 3gpp_systems_networkhandover

© Tech Mahindra Limited 2010

802.16e & 3GPP Systems Network Handover 

Interworking   

Venkat Annadata  Tech Mahindra (R&D) Services Ltd. 

Abstract: Next Generation Mobile Networks are paving  its waytowards the ubiquitous wireless access abilities whichprovide  the  automatic  handovers  for  any  movingdevices  in  the  heterogeneous  networks  combiningdifferent access technologies.   In  this  technical  paper,  intend  to  present  a  possibleMobile  WIMAX‐3GPP/2  Network  Interworkingarchitecture  based  on  the  3GPP/2  standards  andpropose  the  seamless  inter‐system  handover  schemewhich  enables  the  service  continuity  with  lowhandover latency and packet loss. 

This technical approach of enabling handover featureis purely based on the IEEE 802.16e Mobile WiMAX &3GPP/2 Standards. 

APRIL ‐2010

Page 2: Techmahindra 80216e 3gpp_systems_networkhandover

1 © Tech Mahindra Limited 2010

Introduction  Today Mobile WiMAX  (IEEE  802.16e)  is one of the  wireless  broadband  standards  capable  of providing  the  Quadruple  play  Technologies  ‐ Data,  Voice,  Video  &  Mobility  using  a  single network.  The  introduction  of  the  802.16e WiMAX  flavor  is  creating  new  markets  for mobile  broadband  services.  Abilities  of  the 802.16e  standard  to provide  seamless mobility to end users  in their homes, offices, and during transit, are spurring  the demand  for  innovative mobile services. Users can now take advantage of complex  IP‐based data‐intensive applications while traveling at vehicular speeds. This is made possible  by  IP‐specific  optimizations  of  802.16 and its built‐in support for high‐speed handoffs. Mobile  customers  shall  now  be  able  to download  full‐length  DVD‐quality  movies quickly  or  host multi‐party  video‐conferencing sessions  from  their WiMAX–enabled  handheld devices.  Regardless  of  the  deployment  of  this IP‐based  version  of  WiMAX,  it  is  clear  that 802.16e  is providing a strong mobility platform to help accelerate convergence.  In  the  current  paper  Handover  Interworking scenarios  for  Mobile  WiMAX  and  3GPP/2  are presented  with  Network  Interworking Architecture  along  with  the  call  flows  from WiMAX to 3GPP and vice –versa.  Roadmap  for evolution of WiMAX‐IMS  (3GPP2) interworking  architecture  is  also  presented  as per the NWG WiMAX stage 2 specifications.  

Handover Solution Architecture  

 

 

 

 

 

Architecture Description  At  the onset,  let us understand  the differences between  3GPP‐WLAN  interworking  and  3GPP‐WIMAX  interworking.  The  WLAN  in  hot‐spot areas  forms  the  micro‐cells  within  the  3GPP macro‐cells.  The  mobility  between  3GPP  and WLAN  can  be  referred  to  fully  overlapping handover.  Accordingly,  the  required  time  for switching  from  3GPP  to WLAN  connection  can be tolerantly  long. Moreover, when  the mobile is  connected  to  WLAN,  it  can  maintain simultaneously  the  Packet Data  Protocol  (PDP) context  of  3GPP  so  that  it  can  reconnect immediately  to  3GPP  without  need  of  PDP context re‐activation.   On  the  contrary,  from  the  below  figure  1,  the mobility between 3GPP and WIMAX  is  referred to  partially  overlapping  handover  since  the WIMAX  coverage  is  in order of 3GPP  coverage area.  Consequently,  the  handover  should  be done  quickly  to  maintain  the  connection particularly  when  the  speed  of  the  mobile terminal  is high. In order to enable the mobility between  two  access  networks  3GPP  and WIMAX,  we  propose  a  solution  under  some following  conditions:  minimum  change  of  the existing  network  infrastructure  of  these  two technologies  and  feasible  solution  for  short term.  By  using  IP  as  the  common interconnection  protocol,  the  mobile  can connect  to  multiple  networks  seamlessly ignoring  the  heterogeneity  of  access technologies. This is achieved by using Mobile IP mechanism  that  hides  the  heterogeneities  of lower‐layer  technologies.  The  proposed architecture  for  3GPP‐WIMAX  interworking, depicted above is based on interworking architecture models of 3GPP standards.             

Figure: 1

Page 3: Techmahindra 80216e 3gpp_systems_networkhandover

2 © Tech Mahindra Limited 2010

 The  mobile  subscriber  (MS)  is  a  mobile  node that can communicate with both 3GPP network and WIMAX network. However, note that it can connect  to only one access network at a  time. Therefore, the handover between 3GPP‐WIMAX must be the hard handover. The WIMAX Access Network  (AN)  provides  the  WIMAX  access services for the MS. The mobility inside WIMAX network is managed by the WIMAX Home Agent (HA) located between the ASN gateway and the WAG. The WIMAX HA is not necessarily included in 3GPP core network to keep its independence from  3GPP  system.  The  Foreign  Agents  (FA) located  in  ASN  Gateway  is  considered  as  the local  FAs  in  the  interworking  architecture.  The WIMAX AN  is  connected  to  the  3GPP network via WAG  and  to  the  3GPP  AAA  server  for  the WIMAX  authentication  process.  The WAG  is  a gateway  through  which  the  data  from/to WIMAX AN  is  routed  to provide MS with 3GPP services.  The  functions  of  WAG  include enforcing  routing  of  packets  through  PDG, performing accounting Information and filtering out packets. The main  functions of PDG are  to route  the  packets  received  from/sent  to  the PDN  to/from  the  MS  and  to  perform  the  FA functions. The  mobility  within  the  3GPP  network  is managed  by  its  own mobility mechanism  and the  FA  functions  implemented  in  the GGSN.  In order  to enable  the vertical handover between these two technologies, the HA  is placed  in the PDN  and  manages  FAs  of  both  WIMAX  and 3GPP networks.   IP Address Management  In  WIMAX  network,  each  time  the  mobile changes  its  ASN  gateway;  it will  obtain  a  new local  IP  address  through  the DHCP  server.  The ASN GW can learn this new local IP address and also  ask  to  the  DHCP  server  the WIMAX  HA’s address since it plays the role of the DHCP relay agent  in  the DHCP discovery process.  The ASN GW  then  informs  the  serving BS  the MS’s new local  IP address and  sends  the Mobile  IP  (MIP) registration to the WIMAX HA. A generic IP‐in‐IP tunnel  such  as  Generic  Routing  Encapsulation (GRE) may be used  to  transport  the  IP packets between the WIMAX HA and the FA. Each time 

the mobile switches the connection to the 3GPP network,  it  will  initiate  the  PDP  context activation procedure. No  IP address  is allocated to  the MS  at  the  PDP  context  activation.  The remote address provided by HA or an external entity in PDN will be kept unchanged and will be informed  to  the  GGSN  via  PDP  context activation.  The  remote  IP  address  is  a  global home  address  that  is  used  to  address  to  the external network and  the correspondent node. It may be a static address or a dynamic address acquired from the HA or another external entity when  the  mobile  first  time  connects  to  the network,  discovers  and  registers with  the  HA. The PDG/GGSN  is  then  responsible  for  relaying MS’s remote allocated IP address to the MS.   Handover Procedure  To  reduce  the  interruption  time  during  the handover,  we  have  specified  a  forward handover  procedure.  That  is  to  say,  before leaving  the  serving  network,  the  mobile prepares  a  new  attachment  in  the  target network.  In  order  to  reduce  the  packet  loss during handover, the old FA notifies the HA the MS’s movement  so  that  the HA  can buffer  the packets and forward them to the MS as soon as the HA receives the MIP update from the MS.  

 Handover Call Flows  Scenario  1:  Handover  from  WIMAX  Access Network to 3GPP Network  From the Figure:2 below, before the handover is initiated,  the mobile  is  connected  to  the 3GPP services through WIMAX access network. When the MS  enters  to  an  overlapped  zone,  the MS can  measure  signal  quality  from  the  3GPP neighboring cells. If the triggering conditions for vertical  handovers  are  satisfied,  the  handover decision  is  then  taken. The target 3GPP‐UTRAN will be notified the imminent handover from the WIMAX  network  via  the  HO  request message routed  through  the  core network.  The MS will perform  the  GPRS  attach  procedure  with  the 3GPP‐UTRAN.  Mobility  management  contexts are  established  at  the MS  and  SGSN.  The MIP registration between the HA and new GGSN/FA 

Page 4: Techmahindra 80216e 3gpp_systems_networkhandover

3 © Tech Mahindra Limited 2010

can  be  updated  after  the  PDP  context  is activated between GGSN and MS. The details of handover  procedure  from  a  WIMAX  cell  to  a 3GPP cell is depicted in below call flow:                       1.    The  WIMAX  BS  sends  periodically  the topology advertisement message  to  inform  the MS  of  neighboring  WIMAX  BSs  and  NodeBs. Alternatively,  the  MS  can  scan  different channels  to discover  the neighboring  topology. However, it is not a good solution and  it will be our future work. Throughout our study here, we assume  that  there  exists  a  total  cooperation between  the  3GPP  and  WIMAX  networks operators. Thus,  the 3GPP NodeB  can  transmit to  the  MS  the  WIMAX  neighboring  cell information and vice versa.  2. Based on the topology advertisement, the MS performs  synchronization  and  measurement procedure.  The  event‐triggered  inter‐system measurement may be based on the degradation of  current  signal quality or on  the necessity of switching  between  access  technologies  to support  higher QoS  requirements  or  low  cost. Since the WIMAX operates in TDD mode, during the downlink  frame duration, only some OFDM symbols  are  addressed  to  the  mobile. Accordingly, the remaining time can be used to measure neighboring  cell  signals. Note  that,  to facilitate  the  measurement  on  3GPP  cell,  the information  such  as  scrambling  code,  carrier 

frequency, should be  included in advertisement messages.  3. After the measurement step, the mobile shall send  the  measurement  report  to  the WIMAX BS.  The  report must  contain  the  signal  quality level of each candidate 3GPP cell.                    4.  The  WIMAX  BS  initiates  the  handover procedure  by  notifying  the  potential  target 3GPP  via handover  (HO)  request message. The PDG will  perform  a  DNS  request  to  know  the addresses  of  GGSNs  which  serve  the  current MS’s Access  Point Name  (APN).  The  PDG  then selects  one  GGSN  in  the  result  list  of  GGSNs from  the DNS request phase and sends the HO request  to  this  selected  one.  If  the  PDG  does not  receive any  response  from  the GGSN  for a certain  time,  it will select another GGSN  in  the found list and resend the HO request message.  5.  The  GGSN  then  sends  the  HO  request message  to  the SGSNs who serve the  indicated nodeBs.  In  order  to  be  able  to  retrieve  the address  of  SGSN  that  serves  a  specific  nodeB, we  assume  that  the  DNS  server  or  the  Home Location  Register  (HLR)  stores  this  routing information.  6. The target RAN establishes bearer resources, including radio resources,  for the MS. This step aims to check if the candidate 3GPP NodeBs can accept the MS handover with the required QoS.  

Figure: 2

Page 5: Techmahindra 80216e 3gpp_systems_networkhandover

4 © Tech Mahindra Limited 2010

7. The NodeB which supports the MS handover will send a HO support message to the ASN GW which contains the handover decision function. 8.  Upon  receiving  HO  support  messages,  the ASN GW  selects  the  best  target  3GPP  cell  and then  returns  the HO command  to  the MS. This message must include the recommended target NodeB  and  all  the  required  information  for setting  up  a  new  connection.  The  above exchange  may  require  a  large  amount  of information and add more latency to handover, it  is  therefore  Preferable  to  use  a  pre‐configuration mechanism.  It means  that only a reference  number  corresponding  to  a predefined  set  of  3GPP‐3GPP‐3GPP‐UTRAN parameters  is  inserted  in  the  handover command.  The  MS  should  download  the predefined  radio  configurations  before. During this  temporary  connection,  the  MS  can reconfigure the connection into a suitable one.  9.  Right  after  that  the  ASN  GW  sends  the handover  confirmation  which  includes  the target  NodeB  identifier  to  the  PDG/FA.  The allocated  resources  in  the WIMAX network will be then released.  10. Upon  reception  the handover  confirmation message,  PDG/FA  will  send  a  MIP  update message  to HA  to  notify  the MS’s movement. The HA  then  stops  sending  the  packets  to  the MS  via  this  PDG/FA  and  buffers  the  inbound packets  until  it  receives  the MIP  update  from the target 3GPP network.                   

11.  The  MS  performs  the  GPRS  attachment procedure  to  3GPP‐3GPP‐3GPP‐UTRAN network.  The  GPRS  attachment  procedure consists  of  accessing  to  SGSN,  authenticating with the AAA server and updating the location.  12.  After  performing  successfully  the  GPRS attachment,  the  MS  starts  the  PDP  context activation  through  which  the  MS  informs  its remote  IP address  (its global home address)  to the GGSN.  13. After the connection is established between a  new  GGSN/FA  and  MS,  the  GGSN/FA  will perform  the  MIP  registration  with  the  HA including  the MS’s  remote  IP  address  and  its care of address (address of GGSN/FA). The data will then be transmitted to MS via the new  NodeB  and  the  handover  procedure  is completed.  Scenario  2:  Handover  from  3GPP  to  WIMAX Access Network  Before the handover is initiated, the MS is in the 3GPP  network.  When  the  MS  moves  to  an overlapped  zone,  it  can  measure  the  signal quality from the neighboring WIMAX BSs. When the  network  decides  to  handover  to  WIMAX, the MS will set up the connection with WIMAX AN,  perform  the  authentication  and  MIP registration update, etc. The handover  scheme from a 3GPP cell to a WIMAX cell  is depicted  in below figure 3:                    

Figure: 3

Page 6: Techmahindra 80216e 3gpp_systems_networkhandover

5 © Tech Mahindra Limited 2010

1.  The  3GPP‐3GPP‐UTRAN  is  responsible  for detecting  the handover need and  initiating  the inter‐system measurement  process  by  sending the measurement  control message  to  the MS. This message  contains  the neighboring WIMAX cell information, the compressed mode pattern, etc.  2.  While  the  MS  has  an  on‐going communication  in  FDD  mode,  in  order  to perform  the measurement  on  the  neighboring WIMAX  cells,  it must  enter  in  the  compressed mode. Note  that  the measurement on WIMAX cell  is  performed  on  the  preamble  of  each WIMAX frame.  3. After the measurement period, the MS sends the measurement  report  to  the  network.  The report must  contain  the  parameters  indicating the  signal  quality  level  of  the  neighboring WIMAX BSs.  4. The RNC  initiates the handover procedure by notifying the potential target WIMAX BSs where the  mobile  may  handover.  The  HO  request message  including the MS’s APN, the candidate BS identifiers, the required QoS of MS’s current applications, etc. will be sent to the GGSN. The GGSN  performs  the  DNS  request  to  learn  the addresses  of  the  PDGs  which  serve  the  MS’s current APN. The GGSN selects one PDG  in  the result list and sends it the HO request message. If the GGSN does not receive any response from the PDG after a certain time, it will send the HO request  to  another  PDG  in  the  list.  The  HO request message will then be transmitted to the potential  WIMAX  BSs  based  on  the  routing information at the PDG. This step aims to check if  the  target  WIMAX  BS  can  accept  the  MS handover with the required QoS.  5.  The  WIMAX  BSs  which  support  the  MS handover will return a HO support to the RNC.  6. The RNC will select the best target WIMAX BS among  the  supporting BSs  and  then  sends  the HO command to the MS. This message includes all  the  required  information  for  setting up  the connection to the selected target WIMAX BS.  7.  Right  after  that  the  RNC  sends  the  HO confirmation.  The mobile  is  then  disconnected 

from  the  3GPP  network  and  starts  the connection setup to the target WIMAX BS.  8.  Upon  receiving  the  handover  confirmation, GGSN/FA  sends  a MIP  update message  to  the HA  to notify  the MS’s movement. The HA  then stops  sending  the  packets  to  the MS  via  this GGSN/FA and buffers the  inbound packets until it  receives  the  MIP  update  from  the  target WIMAX network.  9. Based on the  information  included  in the HO request message,  the WIMAX BS can provide a non‐contention  based  initial‐ranging opportunity to the MS by placing a Fast Ranging Information  Element  in  the  UL  MAP.  This information  will  facilitate  the  RAN  connection setup of  the MS.  If not,  the MS must perform the normal ranging procedure which takes more time.  10.  The MS  initiates  the  connection  setup  by exchanging  Ranging  Request  (RNGREQ)/ Ranging  Response  (RNG‐RSP)  with  the  target WIMAX BS.  11.  In  the  WIMAX  AN,  the  MS  will  perform DHCP request to obtain new local IP address. In this scenario, we describe an address allocation procedure based on  IPv4 mechanism.  If  IPv6  is used,  the  local  address  can  be  allocated  by Stateless Address Autoconfiguration mechanism without  the  presence  of  the  DHCP  server. Through  this  procedure,  the ASN GW will  also learn  the WIMAX HA  address which  serves  for MIP registration in the following step.  12. The MS will perform the MIP registration to associate the MS’s local address with its care of address.  13.  The MS  performs  DNS  resolution  for  PDG address. MS uses APN  to  indicate  the network service  it wants to access. The DNS request will be relayed to ASN GW which  in turn relays the request  to  the DNS  server.  The MS will  select one suitable PDG among  the  list of PDGs given in  DNS  response.  Note  that  the  selected  PDG here may be different from the PDG selected by GGSN during HO request/support step.  

Page 7: Techmahindra 80216e 3gpp_systems_networkhandover

6 © Tech Mahindra Limited 2010

14.  The  MS  then  establishes  an  end‐to‐end tunnel  with  the  selected  PDG  using  IKEv2 protocol.  Through  this  process,  the  MS  will inform  the  PDG  about  its  local  and  remote  IP address. Each  time  the mobile changes  its ANS network,  it obtains a new  local  IP address and therefore  a  new  tunnel  should  be  correctly configured.  Regarding  inter‐WIMAX  mobility, the  time  required  for  setting  up  a  new  IPSec tunnel when changing of ASN may be  too  long that the seamless mobility cannot be achieved. To speed up this kind of IPSec tunnel relocation, we  can  use  the MOBIKE mechanism  proposed by the IETF MOBIKE WG.  15. The PDG performs the MIP registration with the HA  as  soon  as  it will  be  notified  the MS’s remote  IP  address.  The  data  packets  will  be transmitted  to  MS  via  the  WIMAX  AN.  The handover procedure is completed.  Proposed  WiMAX  –IMS  interworking Network Reference Model  NOTE:  Figure:4  below  architecture  diagram  is evolving.  It  may  contain  old  representations that  will  be  resolved  at  a  later  stage  of investigation.  Also,  this  assumes  that  the  CSN functionality  is  provided  by  the  3G  Network. This includes IP address space allocation.                     

 Solution benefits  

 This  network  architecture  approach  offers the following benefits: 

• Offers  interworking  handover functionality between Mobile WiMAX & 3GPP Networks. 

• Seamlessly  integrates  wireless technology specific functionality with IP networking equipment 

• Allows  for  the  use  of  a  common  IP network  for  multiple  wireless  access technologies 

• Enables  cost‐effective  implementation for deployments  ranging  from  small  to large scale  

• Enables  the  use of mobile devices  and optimizes handovers 

• Scalable  to  3GPP2  IMS  Networks  for feature  rich multimedia  applications & quadruple play technologies. 

• Enables  new  types  of  transport networks  such  as metro  Ethernet,  and wireless point‐to‐point for backhaul 

• Enables  distribution  of  “application level”  functionality  such  as  content delivery networks 

                

Figure: 4

Page 8: Techmahindra 80216e 3gpp_systems_networkhandover

7 © Tech Mahindra Limited 2010

Conclusion & Future Work  In  this  paper,  we  have  introduced  a  practical 3GPP‐WIMAX  interworking  architecture  based on  3GPP  standards  and  proposed  a  handover procedure which promises a low packet loss and low  interruption  time  during  the  switching  of the communication. The mobility between  two access  networks  is  achieved  by  the  MIP mechanism  at  the  network  layer.  The  packet loss during handover is reduced since the old FA notifies  the  HA  the  MS’s  movement  and consequently the HA buffers the data packets destined to the MS.  The  proposed  interworking  architecture does  not  require  lot  of  changes  on  existing network  infrastructures  which  is  a  big advantage.  The  proposed  handover  scheme needs  the  exchange  of messages  between  the PGD and  the GGSN which  serve  the  same APN with the help of the DNS server. In case the MS connects  to  multiple  APNs,  the  handover preparation phase may be more complex, which will be our future work with some performance evaluation  of  our  proposed  mechanisms  in  a large  scale  network.  Moreover,  we  aim  to consider  the  tightly‐coupled  interworking architecture  approach  for  3GPP‐WIMAX  and 3GPP‐WLAN  interworking  which  allows  a seamless  handover with  less  handover  latency and  less  packet  loss.  The  future  interworking architecture  should  be  based  on  the architecture  evolution  proposed  by  3GPP standards. We  therefore  plan  to  consider  the roaming  architecture  as  well  as  the  mobility scheme  in  the  context  of  multiple  operator environments. 

 

 

 

 

  

 

References  1. An Architecture for UMTS‐WIMAX Interworking ‐ Quoc‐Thinh Nguyen‐Vuong, Lionel Fiat  and Nazim Agoulmine  2. IEEE P802.16e/D11, ”Part 16: Air Interface for fixed and mobile broadband wirelessaccess system”, Sept. 2005.  3.  Salkintzis,A.K.;  Fors,  C.;  Pazhyannur,  R.;  ”WLAN‐GPRS integration  for  nextgeneration  mobile  data  networks”,  IEEE Wireless Communication, Vol.9, pp. 112‐124, Oct. 2002.  4. Shiao‐Li Tsao; Chia‐Ching Lin; ”Design and evaluation of 3GPP‐WLAN  interworking  strategies”, Proceedings. VTC 2002‐Fall,  IEEE 56th Volume 2, pp.777 ‐781, Sept. 2002  5.  Hyun‐Ho  Choi;  Song,  O.;  Dong‐Ho  Cho;  ”A  seamless  handoff scheme for 3GPPWLAN interworking”, Globecom, 2004, pp.1559 ‐ 1564, Vol.3. Dec. 2004   6. V. Varma, S. Ramesh, K.D. Wong, M. Barton, G. Hayward and J. Friedhoffer.  ”Mobility  Management  in  Integrated  3GPP/WLAN Networks”, IEEE ICC, Anchorage, Alaska, USA, May 2003.   7.  Muhammad  Jaseemuddin.  ”An  Architecture  for  Integrating 3GPP and 802.11 WLAN Networks”, 8th IEEE ISCC,p.716, 2003.  8.  N.  Vulic,  S.H.  Groot,  I.  Niemegeers,  ”A  comparison  of Interworking  Architectures  for WLAN  Integration  at  3GPP  Radio Access Level”,ConWIN05, July 2005.  9.  G.  Cunningham,  P.  Perry  and  L.  Murphy,  ”Soft,  Vertical Handover  of  Streamed  Multimedia  in  a  4G  network”,5th International  Conference  on  3G  mobile  communications Technologies, London, UK, Oct. 2004.   

Glossary AAA  Authentication, Authorization & Accounting E2E  End to End IMS IP Multimedia Subsystem IP  Internet Protocol MGC  Media Gateway Controller MGW  Media Gateway P‐CSCF Proxy‐Call Session Control FunctionPDF  Policy Decision Function POC  Proof Of Concept QoS  Quality of Service RADIUS Remote Access for Dial‐In User ServicesSBC  Session Border Controller TM  Tech Mahindra VoIP  Voice over IP VSA Vendor Specific Attributes WISP     Wireless Internet Service Provide