群播服務與換手
在接下來的章節開始前，有一個想法必須先提出。對於MCBCS服務，無論是換手或者閒置模式程序，我們要思考的是MS由於移動性跨過原本屬於的MBS Zone情形。如果在同一MBS Zone裡，資料通道是與Zone內所有BS建立，MS並不會因為換手或閒置模式程序，而影響其接收MCBCS服務所認知的相關參數。
基本上在不同MBS Zone之間移動的有效性，只在同一MCBCS Transmission Zone的相鄰MBS Zone才有意義。MCBCS Transmission Zone是以服務提供者的想法來看的，對於某一項MCBCS服務，能提供哪一些MBS Zone內訂閱，雖然實際運作上，這些MBS Zone或許正由不同的MBS Proxy管理，群播服務是由不同的MCID所識別。MCBCS Transmission Zone與MBS Zone的關係通常是預先組態設計好的，MBS Zone1、MBS Zone2、MBS Zone4、MBS Zone7、MBS Zone8同屬於一個MCBCS Transmission Zone，如果MS由Zone1移動至Zone4，那麼Zone4可以順利的提供該群播服務所需參數；如若MS由Zone4移動至Zone5，那麼該群播服務參數將無法順利取得。我們可以想成一部中文熱映的變形金剛，能夠在Zone1等華語城市買票觀看，但想在Zone5馬尼拉買到票則是不太可能。接下來的課題是，WIMAX系統如何提供一個正在Handover或者進入Idle mode的MS，在MBS Zone間移動能接收其訂閱的群播服務，而不至於有太大的影響。
如前期文章所言，依照MS移動時的不同行為，換手程序可以分為可預測的Fully Controlled HO以及無法預測的Uncontrolled HO。Fully Controlled HO意指MS在移動的過程中提前向Serving BS提出即將換手的訊息，以便Serving BS能做出相對應的換手訊息傳遞。Uncontrolled HO正好相反，亦即在移動過程中並沒有提前通知Serving BS，在無預警的情形下直接移動至Target BS下，同時並非發出初始網路登入的請求，而是發出換手的請求。在這一小節將根據兩個不同的換手機制，從底層的WiMAX訊息到上層的後端網路處理作介紹
* Fully Controlled HO
MS在Serving BS下進行Fully Controlled HO的流程可大致分為準備步驟（Preparation Phase)和行動步驟(Action Phase)。準備步驟主要是將 MS的基本資料和安全認證相關資訊(AK Context)帶給Target BS，並建立相關的資料通道以便在MS移動到Target BS的時候，能夠快速的提供MS網路服務，避免不必要的延遲。行動步驟則是通知Serving BS告知即將換手的訊息，讓Target BS設定一個等待時間直到MS成功在Target BS下進行網路重新登入(Network Re-entry)。下面針對兩個步驟分別說明如下：
1. 準備步驟
MS決定好要換手的Target BS之後會透過MOB_MSHO-REQ(with MCBCS Service Continuity Indicator)的R1訊息通知Serving BS，在這裡MS可以選擇一個或一個以上的Target BS作為可能的換手目標。當Serving BS收到訊息後，會利用後端的網路和Target BS與相關的ASN-GW預先作好換手的預備動作，主要需要完成三件事情：第一是和Target BS完成基本資料交換(例如SBC/PKM/SF/Authentication Policy/HO Optimization等資訊)，第二是和認證單位(Authenticator)透過Context程序取得安全認證，第三是Target BS向ASN-GW預先建立資料通道減少MS移動後換手訊息傳遞所需的時間，其中第二與第三是可以根據使用者需求選擇性的提前執行，預先運作的好處可以省去換手過程中造成的延遲及資料流失。一旦收到由Target BS傳來的HO-Response訊息，Serving BS便會透過R1訊息MOB_BSHO-RSP，過濾掉不合宜的Target BS，通知MS準備步驟已完成。
2 行動步驟
在此階段MS從建議的BS列表中，選出最適當的BS之後，發出R1的MOB_HO-IND訊息通知Serving BS，此時Serving BS才真正確定MS的選擇對象，之後MS將不會再等待Serving BS的回應自行在Target BS底下登入網路。Serving BS收到MS的R1訊息後，會發出R6的HO-Confirm訊息通知Target BS，告知MS將會立即移動到服務範圍內的資訊，並針對先前已預先建立資料通道，但確定不會移動至該BS下的所有BS，拆除相關的資料通道。Target BS收到HO-Confirm的訊息之後，如果在Preparation Phase沒有預先建立相關的Unicast資料通道，此時Target BS可以再一次選擇是否執行預先建立的程序；由於Target BS也可以察覺到該MS是否有群播服務的訂閱，為該使用者取得相關群播服務參數(依據群播服務的建立程序以及MBS Transmission Zone與MBS Zone關係為運作準則)，同時也會開啟Resource Retain Timer在一定時間內等待MS進入服務範圍內，如果在時效內MS依然沒有進行網路重新登入的動作，則會刪除所有MS的相關資訊以及預先建立的資料通道。
當MS成功的在Serving BS下做完Fully Controlled HO所有必須執行的動作之後，MS會在選定的Target BS服務範圍內進行網路重新登入。MS發出Ranging-Request的請求，其中包含了MS希望擁有的最佳化支援(Optimization)。這時Target BS可以根據目前擁有的MS相關資訊決定應該提供MS哪些訊息的最佳化，由於先前已透過Fully Controlled HO的機制取得了MS相關的基本資訊以及安全認證，因此MS可以省去原本網路連線所需的SBC/PKM/REG等R1訊息交換，直接進入要求頻寬傳輸的步驟。在這裡最佳化步驟是可以根據使用者需求來決定是否重傳特定R1訊息，圖中則是以完全最佳化(Full Optimization)來說明，特別提出來的是RNG-RSP該R1訊息已經將必要的群播服務參數帶予MS。
傳送完R1訊息之後，Target BS也分為三件事情要完成，一是建立與刪除資料通道，二是向認證單位更新金鑰，三是向Serving BS回覆HO完成的訊息。當MS提出頻寬需求，Target BS會透過R6的Path Registration Request/Response/Acknowledgement向ASN-GW發出資料通道建立的請求，若之前已預先建立資料通道，則省略此步驟。之後Target BS會使用R6的CMAC-Key-Count-Update向認證單位更新金鑰以便支援爾後傳輸的加密。一旦MS在Target BS完成網路重新登入的流程，Target BS會向Serving BS發出HO-Complete的訊息，通知Serving BS結束HO的流程，同時ASN-GW會透過R6 Path De-Registration Request的訊息主動通知Serving BS刪除先前MS建立的資料通道，至此整個Fully Controlled HO流程才真正完成。而MBS Proxy也會因MS的移動性，對於相關的群播資料通道作調整，如圖12若MBS Zone X已無任何MS訂閱該群播服務，則拆除相對應的資料通道。
* Uncontrolled HO
Uncontrolled HO指的是MS未經過HO的準備階段，即無預警的移動到另外一個BS上，同時並非發出初始網路登入的請求，而是發出換手的請求，此種無法預測的換手都可以經由Uncontrolled HO的流程來達到資料的連續。
當MS無預警的移動到Target BS下，收到R1廣播出來的MAP訊息之後，會以競爭的方式發出帶有HO Ranging資訊的CDMA Ranging Code。Target BS接著會透過Ranging-Response和MS確認是否需要重送，並在MAP訊息裡分配頻寬提供MS發出Ranging-Request的請求，其中包含了MS希望擁有的最佳化支援(Optimization)。
由於Target BS並沒有任何MS相關的基本資訊以及安全認證，因此會透過R6的Context-Request向Serving BS詢問MS的基本資料，同時也會向認證單位取得MS的相關安全認證資訊，並建立MS的資料通道，此一部份的動作和Fully Controlled HO的準備步驟相當類似，主要差異點在於HO-Request是提供基本資料給Target BS並透過HO-Response帶回MS與Target BS間需要的安全憑證；而Context-Request則是向Serving BS詢問MS的基本資料，透過Context-Response帶回。同時NWG的規範裡並沒有強制規定MS資料通道建立的時間點，在取得MS基本資料之後皆可進行資料通道的建立，這當然也包含取得相關群播服務參數。
透過R6訊息取得MS相關資訊後，和一般認知較為不同的是，依然可以省去原本網路連線所需的SBC/PKM/REG等R1訊息交換，絕大部分的換手機制在無預警的前提下都無法進行所謂的最佳化。在這裡最佳化步驟一樣可以根據使用者需求來決定是否重傳特定R1訊息，圖13中則是以完全最佳化(Full Optimization)來說明。接著進行的認證單位金鑰更新以及刪除資料通道都和MS在Target BS下進行Fully Controlled HO的運作相同，在此不再贅述，唯一的差別在於Uncontrolled HO運作不會包含HO-Complete的訊息，理由是一開始就沒有準備步驟因此不需要額外通知Serving BS結束HO的流程。而MBS Proxy當然也會因應MS的移動性，對於相關的群播資料通道作調整。
群播服務與閒置模式
在NWG系統架構所論述的Paging and Idle Mode的機制被分類成四個情況類別，Enter Idle Mode(進入閒置模式)、Paging Operation(傳呼操作)、Location Update(位置更新管理)和Exit Idle Mode(離開閒置模式)。我們主要將焦點放在進入、位置更新管理以及離開閒置模式。
* Enter Idle Mode
當MS決定進入Idle Mode時會發送DREG-REQ給存取網路。存取網路收到此通知後的動作如圖14：
1. 記錄MS的所有管理參數以及Paging Controller的位置(紅色部份)。
2. 刪除MS的資料通道(綠色部份)。
3. 告知MS相關管理參數，例如多久需做一次位置回報(DREG-CMD部份)。
也就是說當MS進入Idle Mode後相關的群播服務訂閱資訊會紀錄在Anchor Paging Controller。
* Location Update
如圖15所示，當MS作Location Update時，RNG_REQ(with MBS Update Indication)訊息將會從MS發送到Serving ASN（包括了Serving BS以及Serving ASN-GW)，再從Serving ASN經由Relay PC傳遞到Anchor PC/LR ASN，Anchor PC/LR ASN將會經由Anchor Authenticator ASN取得AK的資訊，使MS獲得進入允許認證後，Anchor PC傳送LU_Rsp給Serving BS，LU_Rsp會夾帶著該MS所訂閱的群播服務資料，而Serving BS藉此會去取得更新相關的群播服務參數，隨著RNG_RSP送回到MS，接著Serving BS傳遞LU_Cnf給Anchor PC完成更新MS群播服務紀錄的目的。Confirm動作完成後，MS的整個Secure Location Update狀態即完成。
* Exit Idle Mode
如圖16所示，當MS進入Idle Mode後，Serving ASN的BS將會啟動Timer “Management Resource Holding Timer”，在此時段內，BS將會保有所有R1的context以及MS在R4、R6的Data Path，一旦此Timer expired，Serving BS將會把這些資訊清掉。當MS要離開Idle Mode時，MS發送RNG-REQ(with Idle Mode exit)給存取網路觸發離開程序，所有MS相關資訊必須要從Anchor PC/LR再次取得，Data Path也必須重建，當然這也是包含群播服務的資料通道。
結語
WiMAX網路對於換手功能以及閒置模式的支援使得原有的群播廣播機制面臨到新的挑戰。在本文中，我們介紹了WiMAX網路上針對群播廣播服務與換手及呼叫閒置機制之間的運作所制定的解決方案，包含了如何配合換手機制將使用者的群播服務快速地轉換到新的基地站網路以及與閒置呼叫機制合作以便讓進入閒置模式的使用者可以持續接收群播服務，並針對802.16e的MAC層以及後端網路支援進行相關的介紹。
參考資料
1. IEEE Standard 802.16, IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks, Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, Oct. 2004.
2. IEEE Standard 802.16e, IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks, Part 16, Amendment 2: Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands, Feb. 2006.
3. WiMAX Forum. http://www.wimaxforum.org.
4. WiMAX Network Working Group Forum, WiMAX End-to-End Network Systems Architecture Stage2 release 1.2.1, March 26, 2008.
5. WiMAX Network Working Group Forum, WiMAX End-to-End Network Systems Architecture Stage 3 release 1.2.1, March 26, 2008.
在接下來的章節開始前，有一個想法必須先提出。對於MCBCS服務，無論是換手或者閒置模式程序，我們要思考的是MS由於移動性跨過原本屬於的MBS Zone情形。如果在同一MBS Zone裡，資料通道是與Zone內所有BS建立，MS並不會因為換手或閒置模式程序，而影響其接收MCBCS服務所認知的相關參數。
基本上在不同MBS Zone之間移動的有效性，只在同一MCBCS Transmission Zone的相鄰MBS Zone才有意義。MCBCS Transmission Zone是以服務提供者的想法來看的，對於某一項MCBCS服務，能提供哪一些MBS Zone內訂閱，雖然實際運作上，這些MBS Zone或許正由不同的MBS Proxy管理，群播服務是由不同的MCID所識別。MCBCS Transmission Zone與MBS Zone的關係通常是預先組態設計好的，MBS Zone1、MBS Zone2、MBS Zone4、MBS Zone7、MBS Zone8同屬於一個MCBCS Transmission Zone，如果MS由Zone1移動至Zone4，那麼Zone4可以順利的提供該群播服務所需參數；如若MS由Zone4移動至Zone5，那麼該群播服務參數將無法順利取得。我們可以想成一部中文熱映的變形金剛，能夠在Zone1等華語城市買票觀看，但想在Zone5馬尼拉買到票則是不太可能。接下來的課題是，WIMAX系統如何提供一個正在Handover或者進入Idle mode的MS，在MBS Zone間移動能接收其訂閱的群播服務，而不至於有太大的影響。
如前期文章所言，依照MS移動時的不同行為，換手程序可以分為可預測的Fully Controlled HO以及無法預測的Uncontrolled HO。Fully Controlled HO意指MS在移動的過程中提前向Serving BS提出即將換手的訊息，以便Serving BS能做出相對應的換手訊息傳遞。Uncontrolled HO正好相反，亦即在移動過程中並沒有提前通知Serving BS，在無預警的情形下直接移動至Target BS下，同時並非發出初始網路登入的請求，而是發出換手的請求。在這一小節將根據兩個不同的換手機制，從底層的WiMAX訊息到上層的後端網路處理作介紹
* Fully Controlled HO
MS在Serving BS下進行Fully Controlled HO的流程可大致分為準備步驟（Preparation Phase)和行動步驟(Action Phase)。準備步驟主要是將 MS的基本資料和安全認證相關資訊(AK Context)帶給Target BS，並建立相關的資料通道以便在MS移動到Target BS的時候，能夠快速的提供MS網路服務，避免不必要的延遲。行動步驟則是通知Serving BS告知即將換手的訊息，讓Target BS設定一個等待時間直到MS成功在Target BS下進行網路重新登入(Network Re-entry)。下面針對兩個步驟分別說明如下：
1. 準備步驟
MS決定好要換手的Target BS之後會透過MOB_MSHO-REQ(with MCBCS Service Continuity Indicator)的R1訊息通知Serving BS，在這裡MS可以選擇一個或一個以上的Target BS作為可能的換手目標。當Serving BS收到訊息後，會利用後端的網路和Target BS與相關的ASN-GW預先作好換手的預備動作，主要需要完成三件事情：第一是和Target BS完成基本資料交換(例如SBC/PKM/SF/Authentication Policy/HO Optimization等資訊)，第二是和認證單位(Authenticator)透過Context程序取得安全認證，第三是Target BS向ASN-GW預先建立資料通道減少MS移動後換手訊息傳遞所需的時間，其中第二與第三是可以根據使用者需求選擇性的提前執行，預先運作的好處可以省去換手過程中造成的延遲及資料流失。一旦收到由Target BS傳來的HO-Response訊息，Serving BS便會透過R1訊息MOB_BSHO-RSP，過濾掉不合宜的Target BS，通知MS準備步驟已完成。
2 行動步驟
在此階段MS從建議的BS列表中，選出最適當的BS之後，發出R1的MOB_HO-IND訊息通知Serving BS，此時Serving BS才真正確定MS的選擇對象，之後MS將不會再等待Serving BS的回應自行在Target BS底下登入網路。Serving BS收到MS的R1訊息後，會發出R6的HO-Confirm訊息通知Target BS，告知MS將會立即移動到服務範圍內的資訊，並針對先前已預先建立資料通道，但確定不會移動至該BS下的所有BS，拆除相關的資料通道。Target BS收到HO-Confirm的訊息之後，如果在Preparation Phase沒有預先建立相關的Unicast資料通道，此時Target BS可以再一次選擇是否執行預先建立的程序；由於Target BS也可以察覺到該MS是否有群播服務的訂閱，為該使用者取得相關群播服務參數(依據群播服務的建立程序以及MBS Transmission Zone與MBS Zone關係為運作準則)，同時也會開啟Resource Retain Timer在一定時間內等待MS進入服務範圍內，如果在時效內MS依然沒有進行網路重新登入的動作，則會刪除所有MS的相關資訊以及預先建立的資料通道。
當MS成功的在Serving BS下做完Fully Controlled HO所有必須執行的動作之後，MS會在選定的Target BS服務範圍內進行網路重新登入。MS發出Ranging-Request的請求，其中包含了MS希望擁有的最佳化支援(Optimization)。這時Target BS可以根據目前擁有的MS相關資訊決定應該提供MS哪些訊息的最佳化，由於先前已透過Fully Controlled HO的機制取得了MS相關的基本資訊以及安全認證，因此MS可以省去原本網路連線所需的SBC/PKM/REG等R1訊息交換，直接進入要求頻寬傳輸的步驟。在這裡最佳化步驟是可以根據使用者需求來決定是否重傳特定R1訊息，圖中則是以完全最佳化(Full Optimization)來說明，特別提出來的是RNG-RSP該R1訊息已經將必要的群播服務參數帶予MS。
傳送完R1訊息之後，Target BS也分為三件事情要完成，一是建立與刪除資料通道，二是向認證單位更新金鑰，三是向Serving BS回覆HO完成的訊息。當MS提出頻寬需求，Target BS會透過R6的Path Registration Request/Response/Acknowledgement向ASN-GW發出資料通道建立的請求，若之前已預先建立資料通道，則省略此步驟。之後Target BS會使用R6的CMAC-Key-Count-Update向認證單位更新金鑰以便支援爾後傳輸的加密。一旦MS在Target BS完成網路重新登入的流程，Target BS會向Serving BS發出HO-Complete的訊息，通知Serving BS結束HO的流程，同時ASN-GW會透過R6 Path De-Registration Request的訊息主動通知Serving BS刪除先前MS建立的資料通道，至此整個Fully Controlled HO流程才真正完成。而MBS Proxy也會因MS的移動性，對於相關的群播資料通道作調整，如圖12若MBS Zone X已無任何MS訂閱該群播服務，則拆除相對應的資料通道。
* Uncontrolled HO
Uncontrolled HO指的是MS未經過HO的準備階段，即無預警的移動到另外一個BS上，同時並非發出初始網路登入的請求，而是發出換手的請求，此種無法預測的換手都可以經由Uncontrolled HO的流程來達到資料的連續。
當MS無預警的移動到Target BS下，收到R1廣播出來的MAP訊息之後，會以競爭的方式發出帶有HO Ranging資訊的CDMA Ranging Code。Target BS接著會透過Ranging-Response和MS確認是否需要重送，並在MAP訊息裡分配頻寬提供MS發出Ranging-Request的請求，其中包含了MS希望擁有的最佳化支援(Optimization)。
由於Target BS並沒有任何MS相關的基本資訊以及安全認證，因此會透過R6的Context-Request向Serving BS詢問MS的基本資料，同時也會向認證單位取得MS的相關安全認證資訊，並建立MS的資料通道，此一部份的動作和Fully Controlled HO的準備步驟相當類似，主要差異點在於HO-Request是提供基本資料給Target BS並透過HO-Response帶回MS與Target BS間需要的安全憑證；而Context-Request則是向Serving BS詢問MS的基本資料，透過Context-Response帶回。同時NWG的規範裡並沒有強制規定MS資料通道建立的時間點，在取得MS基本資料之後皆可進行資料通道的建立，這當然也包含取得相關群播服務參數。
透過R6訊息取得MS相關資訊後，和一般認知較為不同的是，依然可以省去原本網路連線所需的SBC/PKM/REG等R1訊息交換，絕大部分的換手機制在無預警的前提下都無法進行所謂的最佳化。在這裡最佳化步驟一樣可以根據使用者需求來決定是否重傳特定R1訊息，圖13中則是以完全最佳化(Full Optimization)來說明。接著進行的認證單位金鑰更新以及刪除資料通道都和MS在Target BS下進行Fully Controlled HO的運作相同，在此不再贅述，唯一的差別在於Uncontrolled HO運作不會包含HO-Complete的訊息，理由是一開始就沒有準備步驟因此不需要額外通知Serving BS結束HO的流程。而MBS Proxy當然也會因應MS的移動性，對於相關的群播資料通道作調整。
群播服務與閒置模式
在NWG系統架構所論述的Paging and Idle Mode的機制被分類成四個情況類別，Enter Idle Mode(進入閒置模式)、Paging Operation(傳呼操作)、Location Update(位置更新管理)和Exit Idle Mode(離開閒置模式)。我們主要將焦點放在進入、位置更新管理以及離開閒置模式。
* Enter Idle Mode
當MS決定進入Idle Mode時會發送DREG-REQ給存取網路。存取網路收到此通知後的動作如圖14：
1. 記錄MS的所有管理參數以及Paging Controller的位置(紅色部份)。
2. 刪除MS的資料通道(綠色部份)。
3. 告知MS相關管理參數，例如多久需做一次位置回報(DREG-CMD部份)。
也就是說當MS進入Idle Mode後相關的群播服務訂閱資訊會紀錄在Anchor Paging Controller。
* Location Update
如圖15所示，當MS作Location Update時，RNG_REQ(with MBS Update Indication)訊息將會從MS發送到Serving ASN（包括了Serving BS以及Serving ASN-GW)，再從Serving ASN經由Relay PC傳遞到Anchor PC/LR ASN，Anchor PC/LR ASN將會經由Anchor Authenticator ASN取得AK的資訊，使MS獲得進入允許認證後，Anchor PC傳送LU_Rsp給Serving BS，LU_Rsp會夾帶著該MS所訂閱的群播服務資料，而Serving BS藉此會去取得更新相關的群播服務參數，隨著RNG_RSP送回到MS，接著Serving BS傳遞LU_Cnf給Anchor PC完成更新MS群播服務紀錄的目的。Confirm動作完成後，MS的整個Secure Location Update狀態即完成。
* Exit Idle Mode
如圖16所示，當MS進入Idle Mode後，Serving ASN的BS將會啟動Timer “Management Resource Holding Timer”，在此時段內，BS將會保有所有R1的context以及MS在R4、R6的Data Path，一旦此Timer expired，Serving BS將會把這些資訊清掉。當MS要離開Idle Mode時，MS發送RNG-REQ(with Idle Mode exit)給存取網路觸發離開程序，所有MS相關資訊必須要從Anchor PC/LR再次取得，Data Path也必須重建，當然這也是包含群播服務的資料通道。
結語
WiMAX網路對於換手功能以及閒置模式的支援使得原有的群播廣播機制面臨到新的挑戰。在本文中，我們介紹了WiMAX網路上針對群播廣播服務與換手及呼叫閒置機制之間的運作所制定的解決方案，包含了如何配合換手機制將使用者的群播服務快速地轉換到新的基地站網路以及與閒置呼叫機制合作以便讓進入閒置模式的使用者可以持續接收群播服務，並針對802.16e的MAC層以及後端網路支援進行相關的介紹。
參考資料
1. IEEE Standard 802.16, IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks, Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, Oct. 2004.
2. IEEE Standard 802.16e, IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks, Part 16, Amendment 2: Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands, Feb. 2006.
3. WiMAX Forum. http://www.wimaxforum.org.
4. WiMAX Network Working Group Forum, WiMAX End-to-End Network Systems Architecture Stage2 release 1.2.1, March 26, 2008.
5. WiMAX Network Working Group Forum, WiMAX End-to-End Network Systems Architecture Stage 3 release 1.2.1, March 26, 2008.
