附錄 傳統電信網路的行動管理機制 (Mobility Management)

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1 附錄 傳統電信網路的行動管理機制 (Mobility Management)

2 Background 手機可能隨著使用者到處移動，甚至到國外不同系統業者下使用通訊服務。系統必須追蹤手機的位置，隨時提供電話服務，這樣的工作稱為行動管理(mobility management) 我們將簡介行動管理機制，說明系統如何追蹤手機(稱為location tracking)，以及當通話中的手機移動時，系統如何將其通話連線由一個基地台轉移到另一個基地台(此程序稱為handoff）

3 Outline 行動管理議題 位置管理 通話建立程序 換手管理 硬換手與軟換手 結語

4 行動管理議題 Issues of Mobility Management

5 PCS (Personal Communication Service)
PCS網路與PSTN最大的差異在於手機會移動 當手機在自家的管轄範圍內移動，系統要一直追蹤手機的位置，才能在電話來時連接到手機 當手機移動到另一家簽訂合作協議的PCS業者的管轄範圍，仍能透過其他系統業者的網路打電話，這動作特別稱為漫遊(roaming) 為達到這樣的目的，PCS網路上有特殊的元件負責管理手機 國內是不準跨系統漫遊. 所以現在看到的漫遊都是指出國仍能使用原手機的情況.

6 個人通訊服務網路架構圖

7 PCS網路架構的元件 典型的個人通訊服務網路，包括下面的元件：
基地台（Base Station，BS）：接收來自手機的無線電訊號。手機與基地台間會建立所謂的無線電鏈結（radio link） 行動交換中心（Mobile Switching Center，MSC）：PCS網路上的電話交換機，負責轉接電話至PSTN Home Location Register (HLR) 及 Visitor Location Register (VLR)：系統業者儲存與管理用戶資料的資料庫，例如記錄手機的目前的位置

8 HLR, VLR HLR VLR HLR VLR VLR VLR 記錄手機的電話號碼、用戶服務訂購資訊、手機的位置資訊以及服務有效期限
最主要儲存手機詳細的位置資訊 通常VLR會與MSC放置在一起 在IS-41 與 GSM MAP, 都是使用所謂兩層式 (two-level) 的策略來做 mobility management. 上層是 HLR, 做為 Mobile user 的 home, 儲存使用者的基本資料, 電話號碼, 目前(大概)的位置. 特點是 這些資料並不會經常改變. 凡是想要找 MS 的資訊, 只要要 HLR, 一定找得到. 第二層是 VLR. 我們將整個 PCS 網路切成很多大區域, 每個區域若看成一個系統, 來到這個系統的 MS, 都要被記錄下來, 以提供服務. 所以就要有一個資料庫負責記錄所有拜訪此系統的使用者, 這便是 VLR. VLR 會有使用者部分的資料, 但會有比較精確的使用者位置資訊. VLR 並不是 HLR 的附屬.

9 行動管理（Mobility Management）
手機會不斷地移動，所以系統必須隨時追蹤手機的位置，儲存於HLR與VLR之中，相關的工作稱為行動管理 行動管理分成兩大議題： 位置管理（location management） 換手管理（handoff management）

10 位置管理（Location Management）
負責追蹤與記錄手機位置的工作，稱為位置管理 當用戶由一個PCS系統移動至另一個PCS系統這樣跨網路系統的行動管理，稱為漫遊管理（roaming management）

11 換手管理(Handoff Management)
當用戶進行通話時，若手機移動至另一個基地台的涵蓋範圍(coverage)時，手機與舊基地台間的無線電鏈結會因為訊號衰減而中斷 此時手機須與新的基地台建立另一個無線電鏈結，這個程序稱為換手(handoff)，相關的工作稱為換手管理

12 行動管理的通訊協定 為了位置管理與換手管理，PCS系統必須有一套標準，做為手機與網路端各實體元件間溝通的準則 常見的行動管理的通訊協定
EIA/TIA IS-41協定主要使用於北美系統，是AMPS、IS-136、cdmaOne和PACS的核心網路 GSM Mobile Application Part（GSM MAP）使用於歐規系統，是GSM系統的核心網路

13 位置管理 Location Management

14 打電話 手機如何打電話? 手機如何接電話? 當手機移動時，如何得到手機目前的位置 ?如何儲存手機目前的位置 ? 答案：註冊與位置更新
發話（call origination） 手機如何接電話? 受話（call termination） 當手機移動時，如何得到手機目前的位置 ?如何儲存手機目前的位置 ? 答案：註冊與位置更新 Database MSC

15 註冊與位置更新 當手機開機或是移動到一個新的區域，手機報告其最新的位置資訊，這個程序稱為註冊（registration）
網路端則需要修改HLR或VLR中的位置資訊，稱為位置更新（location update） 當有電話打給手機時，網路端首先必須找到其手機目前的位置，才能完成通話連線的建立，這個步驟則稱為位置追蹤（location tracking）

16 手機註冊程序

17 手機註冊的執行流程 步驟 1. 當手機由Old VLR移動至New VLR時，手機必須向New VLR註冊
步驟 2. New VLR向手機所屬的HLR查詢手機的相關資訊，同時通知HLR目前手機的最新位置。HLR將包含該手機資訊的回覆訊息送回New VLR 步驟 3. New VLR通知手機註冊已經成功 步驟 4. 在步驟2之後，HLR要求Old VLR執行取消註冊（deregistration）的動作，刪除手機在Old VLR中的相關記錄。完成後，Old VLR會回覆取消註冊成功的訊息給HLR

18 通話建立程序 Call Setup Procedure

19 VLR查詢該手機的資料，確定是否為合法使用者。
手機發話程序 VLR查詢該手機的資料，確定是否為合法使用者。 VLR  MSC   PSTN 交換機 PCS 網路

20 發話程序 步驟 1. 手機透過基地台與MSC連絡，並提出撥打電話的請求
步驟 2. MSC把此訊息傳送給VLR。VLR查詢該手機的資料，確定是否為合法使用者 步驟 3. 如果這通電話被VLR所接受，則MSC開始依據標準通話建立程序將電話接到PSTN用戶

21 手機受話程序 VLR 確認手機所在的MSC，送回 MSC 的繞路位址。
HLR 手機所在的VLR，詢問VLR如何將電話繞送到手機所在的MSC。 PSTN 上的交換機詢問 HLR 該如何將電話繞送到手機所在的MSC。 依據繞路位址，通話的線路由PSTN的交換機連接至MSC，再由MSC連接至手機，於是語音通道便建立完成。

22 受話程序 (1/2) 步驟 1. 當PSTN電話撥出手機的號碼後，此電話請求便被送至PSTN上的交換機進行處理
這個交換機被稱為初始交換機（originating switch） 初始交換機會將這通電話轉接到具有詢問HLR功能的交換機，代為處理查詢與建立通話的業務。此交換機會詢問HLR該如何將電話繞送到手機所在的MSC HLR查詢自己的資料庫，找到負責此手機的VLR，並詢問VLR如何將電話繞送到手機。VLR會傳回一個繞路位址（routable address）。透過此繞路位址，即可將電話繞送到手機所在的MSC

23 受話程序 (2/2) 步驟 2. 一個繞路位址由VLR送回給HLR，再轉送到PSTN的交換機
步驟 3. 依據繞路位址，通話的線路由PSTN的交換機連接至MSC，再由MSC連接至手機，於是語音通道便建立完成

24 換手管理 Handoff Management

25 換手 將通話線路轉移到新的基地台，由新的基地台負責與手機通訊，這樣的過程稱為換手 換手的過程一定要在相鄰兩個基地台間重疊的涵蓋範圍中執行完畢
如果舊的無線電鏈結衰減得太嚴重已無法使用，而新的無線電鏈結又尚未建立起來，通話將因此被迫中斷，稱為強迫中斷（forced termination）

26 換手的三個議題 換手偵測（handoff detection） 無線電通道配給（channel assignment）
偵測無線電波的訊號強度是否符合進行換手的條件，並決定是否應該執行換手程序 無線電通道配給（channel assignment） 決定手機應轉移至那一個基地台，那一個合適的無線電通道 鏈結轉移（link transfer） 當無線電通道決定後，手機由舊的無線電通道轉換到新的無線電通道，此轉換過程稱為鏈結轉移

27 換手偵測 什麼時候要做換手 手機與基地台要隨時偵測無線電鏈結是否仍正常運作 偵測那些項目
字元錯誤指標(Word Error Indicator) 接收信號強度指標(Received Signal Strength Indication, RSSI) 品質指標 (Quality Indicator, QI) 字元錯誤指標（Word Error Indicator，WEI）：指出手機是否可以正確解調變（demodulate）無線訊號，得到正確的字元。WEI值必須經過一段時間的測量才能獲得。 接收信號強度指標（Received Signal Strength Indication，RSSI）：測量收到的訊號強度。RSSI值會瞬間受到周圍環境，如路徑衰減、慢速擾動或快速擾動等因素的影響，因此不能只單憑一個RSSI值，就判定是否應該執行換手程序。 品質指標（Quality Indicator，QI）： 代表無線電訊號受雜訊干擾的程度。 測量是很耗費時間的.

28 換手的決定 誰來決定是否進行換手 手機控制換手(Mobile-Controlled Handoff，MCHO)
網路控制換手(Network-Controlled Handoff，NCHO) 手機輔助換手(Mobile-Assisted Handoff，MAHO)

29 手機控制換手 (MCHO) 由手機測量周圍基地台的訊號強度 由手機啟動換手的程序，並決定轉換到那一個無線電通道
例如歐規的DECT以及美規的PACS

30 網路控制換手 (NCHO) 由網路端(即基地台等元件)測量周圍基地台的訊號強度 由網路端啟動換手的程序，並決定轉換到那一個無線電通道
網路工作量龐大，換手執行過程耗費時間 AMPS以及CT2+等系統因使用FDMA技術，手機在通話時無法轉移到其他頻率進行訊號量測，只能交由網路端進行測量的工作

31 手機輔助換手 (MAHO) 由手機測量周圍基地台的訊號強度 由網路端啟動換手的程序，並決定轉換到那一個無線電通道 例如GSM
請比較三種方式的優劣

32 無線電通道配給 若基地台有閒置的無線電通道，系統便會分配給手機，直到通話結束或手機進行換手，才回收手機所釋放出來的無線電資源 各種改進方法：
分別考慮換手要求與初始通話要求 把一個通道切割給兩個手機使用 各種無線電通道配給方式的比較 服務品質、方法的複雜程度、資料庫查詢的次數以及頻段使用效率

33 鏈結轉移 鏈結轉移過程中的兩個重要動作： 任何一個細節無法完成，就 會導致強迫中斷 手機由舊基地台無線電鏈結轉 換至新基地台的無線電鏈結
網路端須建立新的通話線路， 連結目前的通話線路到新的基 地台，並把與舊的基地台間連 接的通話線路拆除 任何一個細節無法完成，就 會導致強迫中斷 MSC 舊基地台 新基地台

34 鏈結轉移失敗的原因 基地台沒有可用的無線電鏈結 缺乏網路端的資源，例如MSC沒有可以建立通話連線的橋接器
在一段時間內手機嘗試做handoff的次數已超過一定次數的限制 換手執行的時間太長，手機已經遠離造成斷訊

35 鏈結轉移的分類 Intra-BTS handoff：在同一個BTS下的換手。
Inter-BTS handoff：新舊BTS連接到相同的BSC。 Inter-BSC handoff：新舊BTS連接到不同的BSC，而這兩個BSC連接到相同的MSC。 Inter-MSC handoff（或稱為inter-system Handoff）：新舊BTS連接到不同的MSC。 Inter-system handoff：新舊BTS連接到不同的PCS網路。

36 Inter-BTS handoff

37 Inter-BSC 鏈結轉移

38 Inter-BSC Handoff 的步驟 (1/2)
假設系統採用手機控制換手(MCHO) 步驟 1. 手機暫停通話，選擇一個新的基地台（BTS 3）的閒置無線電鏈結通道，送出要求換手的信號給新的基地台 在等待網路端運作的時候，手機繼續使用舊基地台（BTS 2）的連線進行通話

39 Inter-BSC Handoff 的步驟 (2/2)
步驟 2. 新基地台將信號轉送給MSC MSC向舊的基地台取得手機的加密資料，並將此資料傳送到新的基地台 MSC負責橋接（bridge）通話線路至新基地台，透過舊基地台通知手機從舊的無線電鏈結轉移到新的無線電鏈結 步驟 3. 手機轉換到新的基地台後，便通知網路端將使用新的無線電鏈結來恢復通話 步驟 4. 收到換手完成的信號後，網路端移除舊的無線電通道，釋放相關的網路資源

40 Inter-MSC鏈結轉移

41 Inter-MSC Handoff 的步驟 (1/2)
假設採用網路控制換手(NCHO) 步驟 1. MSC A 請求 MSC B 對手機進行無線電波訊號強度的量測 MSC B 選擇 BS 3，要求 BS 3 對手機進行測量 MSC B 將測得的數值及相關資訊回傳給 MSC A

42 Inter-MSC Handoff 的步驟 (2/2)
步驟 2. MSC A 發現 BS 3 測得的手機訊號更佳，便啟動鏈結轉移的程序 MSC A 請求 MSC B 建立與手機間的無線電鏈結 步驟 3. MSC A 送給手機一個換手的命令和相關參數，要求手機換到 BS 3 的管轄範圍，因此手機便試著與BS 3建立連線 當手機成功連上 BS 3 後，MSC B 通知 MSC A 換手程序已經成功。最後，MSC A 將傳送語音的線路連接至 MSC B，完成整個換手程序

43 定點行動交換中心 (Anchor MSC) 若通話中的手機跨越許多 MSC，網路端的通話幹線（trunk）會從 MSC A 經過 MSC B，再串接到目前的 MSC C。 與 PSTN 相連的 MSC A 被稱為定點行動交換中心（anchor MSC），MSC A 總是存在於通話路徑上與 PSTN 相連，再由 MSC A 串連到其他 MSC。 優缺點是否有其他改良方式 Anchor method 之所以會被選用, 主要是因為不如此的話, 則需在 PSTN 裡執行許多額外 trunk 的釋放/設定, 才能重建一條 MS 和新 MSC 之間 (未經由 MSC A)的 call path, 將導致 handoff 時間拖很久, 這段時間無法通話. 為了 real-time, 所以 MSC A (anchor) 永遠都要在 voice trunk 上. 若令 MSC B 從 call path 中移除, 將 MSC A 與 MSC B 之間的 trunk 被切斷, 而 MSC C 便直接連上 MSC A. 這樣的過程稱為路徑簡化 Path Minimization.

44 MSC A為handoff過程中的定點行動交換中心

45 硬換手與軟換手 Hard Handoff and Soft Handoff
這小節特別介紹”無線電部份”的 link transfer所用的技術.

46 硬換手 (Hard Handoff) 使用 TDMA 及 FDMA 的系統，手機在同一時間只能與一個基地台連接，互相交換訊息。
手機必須在兩個細胞的重疊區域內，快速地轉移到新基地台 這種換手方式被稱為硬換手(hard handoff) Inter-BSC handoff 詳細流程圖 MCHO  MAHO  MSC Old BS New BS 2. 建立新鏈結 1. 終止舊鏈結

47 軟換手 (Soft Handoff) 使用 CDMA 的系統，手機在同一時間可以與數個基地台連接，互相交換訊息。
手機與訊號強的基地台建立連結(MAHO)。 手機與訊號弱的基地台中止連結(MAHO)。 這種換手方式被稱為軟換手(soft handoff) MSC BS 1 BS 2 CDMA BSs 傳送 pilot signals 以協助 MSs 的追蹤及 MS 與 BS downlink signal 作同步. MSs 會對服務它的 serving BS 的 pilot signals 強度作測量 (i.e., 舊 BS 及 周圍的 BSs). 如果周圍(新) BSs 的 pilot signal 強度超過一個臨界值, 則 MS 會與新 BS 之間建立一條 link. 如果 BS 與 MS 之間的 link 訊號強度低於事先決定的一個臨界值, 此 BS 便會被移除.

48 軟換手

49 硬換手 Hard Handoff 這小節特別介紹”無線電部份”的 link transfer所用的技術.

50 MCHO 的 Inter-BSC 鏈結轉移訊息流程

51 MCHO 的 Inter-BSC Handoff 的步驟 (1/3)
步驟 1. 手機決定執行換手後，送出無線電鏈結暫停通訊的訊息（link suspend）給新的基地台，暫時停止語音通話 步驟 2. 手機找出新的基地台閒置的時槽，送出要求換手的訊息（handoff request）至網路端，提出換手請求 步驟 3. 新基地台將 步驟2. 中手機選定的時槽狀態標記為忙碌並回應手機（handoff acknowledge）

52 MCHO 的 Inter-BSC Handoff 的步驟 (2/3)
步驟 4. 收到 步驟3. 訊息後，手機要求與舊基地台回復原本無線電鏈結（link resume） 步驟 5. 手機以原有的無線電通道繼續通話 步驟 6. 新基地台收到步驟2.的訊息後，經由MSC從舊基地台獲得加密鑰匙（cipher key）。無線電通道會利用這個加密鑰匙來加解密。 步驟 7. MSC 在通話路徑上插入一個橋接線路以將通話線路連接至新基地台

53 MCHO 的 Inter-BSC Handoff 的步驟 (3/3)
步驟 8. 舊基地台通知手機繼續執行換手程序（handoff execution） 步驟 9. 手機通知舊的基地台可以釋放舊的無線電通道（access release） 步驟 10. 新的基地台完全設定好之後，通知手機執行換手程序（handoff execution） 步驟 11. 手機經由新的無線電通道送出回應（handoff complete），並且恢復語音通話 網路端移除舊有路徑上的橋接線路，並且釋放與舊無線電鏈結相關的資源

54 MAHO 的 Inter-BSC 鏈結轉移訊息流程

55 MAHO 的 Inter-BSC Handoff 的步驟 (1/3)
步驟1. 手機定期傳送無線電鏈結的量測報告（measurement report）給基地台 步驟2. 當舊基地台確定有必要執行換手時，會送給 MSC 需要換手的訊息（handoff required） 步驟3. MSC 檢查候選基地台清單，從中選擇一個最適當的基地台，送出要求換手的訊息（handoff request）給新基地台

56 MAHO 的 Inter-BSC Handoff 的步驟 (2/3)
步驟4.及5. 新基地台回應此一要求後（handoff request acknowledge），MSC 下令進行換手，送出新基地台無線電頻段相關資訊至舊基地台（handoff command） 步驟6. 舊基地台命令手機轉移無線電鏈結至新基地台上（handoff command）

57 MAHO 的 Inter-BSC Handoff 的步驟 (3/3)
步驟7. 手機建立與新基地台間的無線電鏈結，送出換手完成的訊息（handoff complete）給新基地台 步驟8. 新基地台通知 MSC 此換手已經執行完成（handoff complete） 步驟9. MSC 命令舊基地台釋放舊的無線電鏈結（clear command） 步驟10. 舊基地台回應成功的訊息給 MSC，完成整個換手程序（clear complete acknowledgement）

58 軟換手 Soft Handoff 這小節特別介紹”無線電部份”的 link transfer所用的技術.

59 加入一個新的基地台

60 MAHO 中加入基地台的步驟 (1/3) 步驟 1. 手機測量附近基地台導引訊號的強度並將報告送到舊基地台（pilot strength measurement） 步驟 2.及3. 舊的基地台送出要求換手的訊息（handoff request）給 MSC，表示希望加入新的基地台 MSC 接受此換手的請求，送出要求換手的訊息（handoff request）給新的基地台 步驟 4. 新基地台送訊息（null traffic）給手機，表示將準備建立溝通的連線

61 MAHO 中加入基地台的步驟 (2/3) 步驟 5.及6. 新基地台回送訊息（join request）給MSC，要求 MSC 把新、舊兩個基地台的連線橋接起來 MSC回應成功（join acknowledgement） 步驟 7.及8. 新基地台透過MSC送成功的訊息（handoff acknowledgement）給舊的基地台，回應步驟2.及3. 步驟 9.及10.舊基地台指示手機增加新的連線到新基地台（handoff command）

62 MAHO 中加入基地台的步驟 (3/3) 步驟 11.及12. 舊基地台和MSC藉著交換換手的相關資料（handoff information message與acknowledgement）結束換手的程序 步驟 13.及14.新基地台要求手機開始測量無線電訊號的強度（pilot measurement request），而手機回應測量值（pilot strength measurement）來保證新連線的品質

63 移除一個舊的基地台

64 MAHO 中移除基地台的步驟 (1/3) 步驟 1. 手機送導引訊號的強度（pilot strength measurement）訊息給舊的基地台 步驟 2.及3. 舊的基地台發現訊號太弱，要求手機移除無線電鏈結（handoff command） 手機回應完成（handoff complete），表示不再使用彼此間的無線電鏈結通話 步驟 4.及5. 舊基地台傳送所有電話紀錄至新的基地台（interface primary transfer）

65 MAHO 中移除基地台的步驟 (2/3) 步驟 6.及7. 新的基地台和MSC互相交換換手的資訊（handoff information），說明舊基地台與手機間的連線已經終止 步驟 8.及9. 新基地台要求手機測量無線電訊號的強度（pilot measurement request），而手機回應測量值（pilot strength measurement），以確保與舊基地台之間的連結被終止之後，手機和網路之間的通訊可以繼續

66 MAHO 中移除基地台的步驟 (3/3) 步驟 10.及11. MSC和舊基地台互相交換移除鏈結的訊息（remove link）來移除彼此間新、舊基地台之間的橋接線路以及其他相關的資源

67 柔換手（Softer Handoff） MS 位於同一個基地台下，但跨越不同sector之間的換手，稱為柔換手（softer handoff） 即使是 CDMA 系統, 也有下面幾種 handoff: Soft handoff: MS 跨越 BS, 兩個 BS 同步且使用相同的 frequency, 稱為 soft handoff. Softer handoff 在許多現有的 IS-95 蜂巢系統中, 一個 BS 被設計成具有三個方向天線的三個sector. Softer handoff 便是指當 MS 位於同一個 BS 下, 跨越不同 sector 之間的 handoff. Hard handoff: 當 MS 跨越 BS, 但兩個 BS 並沒有做到同步, 或者沒有使用相同的 frequency, 就必須使用 hard handoff.

68 兩種換手的比較 Soft handoff Hard handoff MS 與網路之間的無線電鏈結會有較好的品質 沒有無法通話的空窗期
需要特殊的技術與設備 Hard handoff 會一段無法通話的空窗期 鏈結轉移程序的速度是關鍵的考量要素 MS 與舊 BS 之間無線電鏈結的品質具有逐漸變差的特性

69 Summary PCS系統最大的特徵，就是手機會自由的移動。所以位置追蹤、換手、認證都是非常重要的行動管理的工作
例如在PCS系統中的行動管理，是利用HLR與VLR等行動資料庫，儲存手機位置資料 不論何者，都需要額外的網路元件與信令系統(signaling system)來達成