Techmahindra 80216e 3gpp_systems_networkhandover

  • 942 views
Uploaded on

 

  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Be the first to comment
No Downloads

Views

Total Views
942
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
1

Actions

Shares
Downloads
24
Comments
0
Likes
1

Embeds 0

No embeds

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
    No notes for slide

Transcript

  • 1. APRIL ‐2010 Abstract: Next Generation Mobile Networks are paving its way towards the ubiquitous wireless access abilities which provide  the  automatic  handovers  for  any  moving802.16e & 3GPP Systems  devices  in  the  heterogeneous  networks  combining different access technologies.  Network Handover     In  this  technical  paper,  intend  to  present  a  possible Mobile  WIMAX‐3GPP/2  Network  Interworking Interworking   architecture  based  on  the  3GPP/2  standards  and propose  the  seamless  inter‐system  handover  scheme which  enables  the  service  continuity  with  low   handover latency and packet loss.  Venkat Annadata   Tech Mahindra (R&D) Services Ltd.  This technical approach of enabling handover feature is purely based on the IEEE 802.16e Mobile WiMAX & 3GPP/2 Standards.  © Tech Mahindra Limited 2010
  • 2. Introduction  Architecture Description    Today  Mobile  WiMAX  (IEEE  802.16e)  is  one  of  At  the  onset,  let  us  understand  the  differences the  wireless  broadband  standards  capable  of  between  3GPP‐WLAN  interworking  and  3GPP‐providing  the  Quadruple  play  Technologies  ‐  WIMAX  interworking.  The  WLAN  in  hot‐spot Data,  Voice,  Video  &  Mobility  using  a  single  areas  forms  the  micro‐cells  within  the  3GPP network.  The  introduction  of  the  802.16e  macro‐cells.  The  mobility  between  3GPP  and WiMAX  flavor  is  creating  new  markets  for  WLAN  can  be  referred  to  fully  overlapping mobile  broadband  services.  Abilities  of  the  handover.  Accordingly,  the  required  time  for 802.16e  standard  to  provide  seamless  mobility  switching  from  3GPP  to  WLAN  connection  can to end users in their homes, offices, and during  be tolerantly  long. Moreover,  when  the mobile transit,  are  spurring  the  demand  for  innovative  is  connected  to  WLAN,  it  can  maintain mobile  services.  Users can now take advantage  simultaneously  the  Packet  Data  Protocol  (PDP) of complex IP‐based data‐intensive applications  context  of  3GPP  so  that  it  can  reconnect while traveling at vehicular speeds. This is made  immediately  to  3GPP  without  need  of  PDP possible  by  IP‐specific  optimizations  of  802.16  context re‐activation.  and its built‐in support for high‐speed handoffs.   Mobile  customers  shall  now  be  able  to  On  the  contrary,  from  the  below  figure  1,  the download  full‐length  DVD‐quality  movies  mobility  between  3GPP  and  WIMAX  is  referred quickly  or  host  multi‐party  video‐conferencing  to  partially  overlapping  handover  since  the sessions  from  their  WiMAX–enabled  handheld  WIMAX  coverage  is  in  order  of  3GPP  coverage devices.  Regardless  of  the  deployment  of  this  area.  Consequently,  the  handover  should  be IP‐based  version  of  WiMAX,  it  is  clear  that  done  quickly  to  maintain  the  connection 802.16e  is  providing  a  strong  mobility  platform  particularly  when  the  speed  of  the  mobile to help accelerate convergence.  terminal is high. In order to enable the mobility   between  two  access  networks  3GPP  and In  the  current  paper  Handover  Interworking  WIMAX,  we  propose  a  solution  under  some scenarios  for  Mobile  WiMAX  and  3GPP/2  are  following  conditions:  minimum  change  of  the presented  with  Network  Interworking  existing  network  infrastructure  of  these  two Architecture  along  with  the  call  flows  from  technologies  and  feasible  solution  for  short WiMAX to 3GPP and vice –versa.  term.  By  using  IP  as  the  common   interconnection  protocol,  the  mobile  can Roadmap  for  evolution  of  WiMAX‐IMS  (3GPP2)  connect  to  multiple  networks  seamlessly interworking  architecture  is  also  presented  as  ignoring  the  heterogeneity  of  access per the NWG WiMAX stage 2 specifications.  technologies. This is achieved by using Mobile IP   mechanism  that  hides  the  heterogeneities  of  lower‐layer  technologies.  The  proposed  architecture  for  3GPP‐WIMAX  interworking, Handover Solution Architecture  depicted above is based on interworking   architecture models of 3GPP standards.                               Figure: 1 1 © Tech Mahindra Limited 2010
  • 3.   the mobile switches the connection to the 3GPP The  mobile  subscriber  (MS)  is  a  mobile  node  network,  it  will  initiate  the  PDP  context that can communicate with both 3GPP network  activation procedure. No IP address is allocated and WIMAX network. However, note that it can  to  the  MS  at  the  PDP  context  activation.  The connect  to  only  one  access  network  at  a  time.  remote  address  provided  by  HA  or  an  external Therefore, the handover between 3GPP‐WIMAX  entity in PDN will be kept unchanged and will be must be the hard handover. The WIMAX Access  informed  to  the  GGSN  via  PDP  context Network  (AN)  provides  the  WIMAX  access  activation.  The  remote  IP  address  is  a  global services for the MS. The mobility inside WIMAX  home  address  that  is  used  to  address  to  the network is managed by the WIMAX Home Agent  external  network  and  the  correspondent  node. (HA) located between the ASN gateway and the  It may be a static address or a dynamic address WAG. The WIMAX HA is not necessarily included  acquired from the HA or another external entity in 3GPP core network to keep its independence  when  the  mobile  first  time  connects  to  the from  3GPP  system.  The  Foreign  Agents  (FA)  network,  discovers  and  registers  with  the  HA. located  in  ASN  Gateway  is  considered  as  the  The  PDG/GGSN  is  then  responsible  for  relaying local  FAs  in  the  interworking  architecture.  The  MS’s remote allocated IP address to the MS. 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  Handover Procedure gateway  through  which  the  data  from/to   WIMAX  AN  is  routed  to  provide  MS  with  3GPP  To  reduce  the  interruption  time  during  the services.  The  functions  of  WAG  include  handover,  we  have  specified  a  forward enforcing  routing  of  packets  through  PDG,  handover  procedure.  That  is  to  say,  before performing accounting Information and filtering  leaving  the  serving  network,  the  mobile out  packets.  The  main  functions  of  PDG  are  to  prepares  a  new  attachment  in  the  target route  the  packets  received  from/sent  to  the  network.  In  order  to  reduce  the  packet  loss PDN  to/from  the  MS  and  to  perform  the  FA  during handover, the old FA notifies the HA the functions.  MS’s  movement  so  that  the  HA  can  buffer  the The  mobility  within  the  3GPP  network  is  packets and forward them to the MS as soon as managed  by  its  own  mobility  mechanism  and  the HA receives the MIP update from the MS. the  FA  functions  implemented  in  the  GGSN.  In   order  to  enable  the  vertical  handover  between   these two technologies, the HA is placed in the  Handover Call Flows PDN  and  manages  FAs  of  both  WIMAX  and 3GPP networks.     Scenario  1:  Handover  from  WIMAX  Access   Network to 3GPP Network IP Address Management     From the Figure:2 below, before the handover is In  WIMAX  network,  each  time  the  mobile  initiated,  the  mobile  is  connected  to  the  3GPP changes  its  ASN  gateway;  it  will  obtain  a  new  services through WIMAX access network. When local  IP  address  through  the  DHCP  server.  The  the  MS  enters  to  an  overlapped  zone,  the  MS ASN GW can learn this new local IP address and  can  measure  signal  quality  from  the  3GPP also  ask  to  the  DHCP  server  the  WIMAX  HA’s  neighboring cells. If the triggering conditions for address since it plays the role of the DHCP relay  vertical  handovers  are  satisfied,  the  handover agent  in  the  DHCP  discovery  process.  The  ASN  decision  is  then  taken. The target 3GPP‐UTRAN GW  then  informs  the  serving  BS  the  MS’s  new  will be notified the imminent handover from the local  IP  address  and  sends  the  Mobile  IP  (MIP)  WIMAX  network  via  the  HO  request  message registration to the WIMAX HA. A generic IP‐in‐IP  routed  through  the  core  network.  The  MS  will tunnel  such  as  Generic  Routing  Encapsulation  perform  the  GPRS  attach  procedure  with  the (GRE)  may  be  used  to  transport  the  IP  packets  3GPP‐UTRAN.  Mobility  management  contexts between the WIMAX HA and the FA. Each time  are  established  at  the  MS  and  SGSN.  The  MIP  registration between the HA and new GGSN/FA 2 © Tech Mahindra Limited 2010
  • 4. can  be  updated  after  the  PDP  context  is  frequency, should be included in advertisement activated between GGSN and MS. The details of  messages. handover  procedure  from  a  WIMAX  cell  to  a   3GPP cell is depicted in below call flow:  3. After the measurement step, the mobile shall   send  the  measurement  report  to  the  WIMAX   BS.  The  report  must  contain  the  signal  quality   Figure: 2 level of each candidate 3GPP cell.                                                        1.    The  WIMAX  BS  sends  periodically  the   topology  advertisement  message  to  inform  the  4.  The  WIMAX  BS  initiates  the  handover MS  of  neighboring  WIMAX  BSs  and  NodeBs.  procedure  by  notifying  the  potential  target Alternatively,  the  MS  can  scan  different  3GPP  via  handover  (HO)  request  message.  The channels  to  discover  the  neighboring  topology.  PDG  will  perform  a  DNS  request  to  know  the However, it is not a good solution and it will be  addresses  of  GGSNs  which  serve  the  current our future work. Throughout our study here, we  MS’s  Access  Point  Name  (APN).  The  PDG  then assume  that  there  exists  a  total  cooperation  selects  one  GGSN  in  the  result  list  of  GGSNs between  the  3GPP  and  WIMAX  networks  from  the DNS request  phase and  sends the  HO operators.  Thus,  the  3GPP  NodeB  can  transmit  request  to  this  selected  one.  If  the  PDG  does to  the  MS  the  WIMAX  neighboring  cell  not  receive  any  response  from  the  GGSN  for  a information and vice versa.  certain  time,  it  will  select  another  GGSN  in  the   found list and resend the HO request message. 2. Based on the topology advertisement, the MS   performs  synchronization  and  measurement  5.  The  GGSN  then  sends  the  HO  request procedure.  The  event‐triggered  inter‐system  message  to  the  SGSNs who serve the  indicated measurement may be based on the degradation  nodeBs.  In  order  to  be  able  to  retrieve  the of  current  signal  quality  or  on  the  necessity  of  address  of  SGSN  that  serves  a  specific  nodeB, switching  between  access  technologies  to  we  assume  that  the  DNS  server  or  the  Home support  higher  QoS  requirements  or  low  cost.  Location  Register  (HLR)  stores  this  routing Since the WIMAX operates in TDD mode, during  information. the downlink frame duration, only some OFDM   symbols  are  addressed  to  the  mobile.  6. The target RAN establishes bearer resources, Accordingly, the remaining time can be used to  including radio resources, for the MS. This step measure  neighboring  cell  signals.  Note  that,  to  aims to check if the candidate 3GPP NodeBs can facilitate  the  measurement  on  3GPP  cell,  the  accept the MS handover with the required QoS. information  such  as  scrambling  code,  carrier    3 © Tech Mahindra Limited 2010
  • 5. 7. The NodeB which supports the MS handover  11.  The  MS  performs  the  GPRS  attachment will send a HO support message to the ASN GW  procedure  to  3GPP‐3GPP‐3GPP‐UTRAN which contains the handover decision function.  network.  The  GPRS  attachment  procedure 8.  Upon  receiving  HO  support  messages,  the  consists  of  accessing  to  SGSN,  authenticating ASN  GW  selects  the  best  target  3GPP  cell  and  with the AAA server and updating the location. then  returns  the  HO  command  to  the  MS.  This   message must include the recommended target  12.  After  performing  successfully  the  GPRS NodeB  and  all  the  required  information  for  attachment,  the  MS  starts  the  PDP  context setting  up  a  new  connection.  The  above  activation  through  which  the  MS  informs  its exchange  may  require  a  large  amount  of  remote  IP  address  (its  global  home  address)  to information and add more latency to handover,  the GGSN. it  is  therefore  Preferable  to  use  a  pre‐  configuration  mechanism.  It  means  that  only  a  13. After the connection is established between reference  number  corresponding  to  a  a  new  GGSN/FA  and  MS,  the  GGSN/FA  will predefined  set  of  3GPP‐3GPP‐3GPP‐UTRAN  perform  the  MIP  registration  with  the  HA parameters  is  inserted  in  the  handover  including  the  MS’s  remote  IP  address  and  its command.  The  MS  should  download  the  care of address (address of GGSN/FA). The data predefined  radio  configurations  before.  During  will then be transmitted to MS via the new  this  temporary  connection,  the  MS  can  NodeB  and  the  handover  procedure  is reconfigure the connection into a suitable one.  completed.    9.  Right  after  that  the  ASN  GW  sends  the  Scenario  2:  Handover  from  3GPP  to  WIMAX handover  confirmation  which  includes  the  Access Network target  NodeB  identifier  to  the  PDG/FA.  The   allocated  resources  in  the  WIMAX  network  will  Before the handover is initiated, the MS is in the be then released.  3GPP  network.  When  the  MS  moves  to  an   overlapped  zone,  it  can  measure  the  signal 10.  Upon  reception  the  handover  confirmation  quality from the neighboring WIMAX BSs. When message,  PDG/FA  will  send  a  MIP  update  the  network  decides  to  handover  to  WIMAX, message  to  HA  to  notify  the  MS’s  movement.  the MS will set up the connection with WIMAX The  HA  then  stops  sending  the  packets  to  the  AN,  perform  the  authentication  and  MIP MS  via  this  PDG/FA  and  buffers  the  inbound  registration  update,  etc.  The  handover  scheme packets  until  it  receives  the  MIP  update  from  from a 3GPP cell to a WIMAX cell is depicted in the target 3GPP network.  below figure 3:      Figure: 3                                                    4 © Tech Mahindra Limited 2010
  • 6. 1.  The  3GPP‐3GPP‐UTRAN  is  responsible  for  from  the  3GPP  network  and  starts  the detecting  the  handover  need  and  initiating  the  connection setup to the target WIMAX BS. inter‐system  measurement  process  by  sending   the  measurement  control  message  to  the  MS.  8.  Upon  receiving  the  handover  confirmation, This  message  contains  the  neighboring  WIMAX  GGSN/FA  sends  a  MIP  update  message  to  the cell information, the compressed mode pattern,  HA  to  notify  the  MS’s  movement.  The  HA  then etc.  stops  sending  the  packets  to  the  MS  via  this   GGSN/FA and buffers the inbound packets until 2.  While  the  MS  has  an  on‐going  it  receives  the  MIP  update  from  the  target communication  in  FDD  mode,  in  order  to  WIMAX network. perform  the  measurement  on  the  neighboring   WIMAX  cells,  it  must  enter  in  the  compressed  9. Based on the information included in the HO mode.  Note  that  the  measurement  on  WIMAX  request  message,  the  WIMAX  BS  can  provide  a cell  is  performed  on  the  preamble  of  each  non‐contention  based  initial‐ranging WIMAX frame.  opportunity to the MS by placing a Fast Ranging   Information  Element  in  the  UL  MAP.  This 3. After the measurement period, the MS sends  information  will  facilitate  the  RAN  connection the  measurement  report  to  the  network.  The  setup  of  the  MS.  If  not,  the  MS  must  perform report  must  contain  the  parameters  indicating  the normal ranging procedure which takes more the  signal  quality  level  of  the  neighboring  time. WIMAX BSs.     10.  The  MS  initiates  the  connection  setup  by 4. The RNC initiates the handover procedure by  exchanging  Ranging  Request  (RNGREQ)/ notifying the potential target WIMAX BSs where  Ranging  Response  (RNG‐RSP)  with  the  target the  mobile  may  handover.  The  HO  request  WIMAX BS. message including the MS’s APN, the candidate   BS identifiers, the required QoS of MS’s current  11.  In  the  WIMAX  AN,  the  MS  will  perform applications, etc. will be sent to the GGSN. The  DHCP request to obtain new local IP address. In GGSN  performs  the  DNS  request  to  learn  the  this scenario, we describe an address allocation addresses  of  the  PDGs  which  serve  the  MS’s  procedure  based  on  IPv4  mechanism.  If  IPv6  is current  APN. The  GGSN  selects  one PDG  in  the  used,  the  local  address  can  be  allocated  by result list and sends it the HO request message.  Stateless Address Autoconfiguration mechanism If the GGSN does not receive any response from  without  the  presence  of  the  DHCP  server. the PDG after a certain time, it will send the HO  Through  this  procedure,  the  ASN  GW  will  also request  to  another  PDG  in  the  list.  The  HO  learn  the  WIMAX  HA  address  which  serves  for request message will then be transmitted to the  MIP registration in the following step. potential  WIMAX  BSs  based  on  the  routing   information at the PDG. This step aims to check  12. The MS will perform the MIP registration to if  the  target  WIMAX  BS  can  accept  the  MS  associate the MS’s local address with its care of handover with the required QoS.  address.    5.  The  WIMAX  BSs  which  support  the  MS  13.  The  MS  performs  DNS  resolution  for  PDG handover will return a HO support to the RNC.  address.  MS  uses  APN  to  indicate  the  network   service it wants to access. The DNS request will 6. The RNC will select the best target WIMAX BS  be relayed to ASN GW which in turn relays the among  the  supporting  BSs  and  then  sends  the  request  to  the  DNS  server.  The  MS  will  select HO command to the MS. This message includes  one  suitable  PDG  among  the  list  of  PDGs  given all  the  required  information  for  setting  up  the  in  DNS  response.  Note  that  the  selected  PDG connection to the selected target WIMAX BS.  here may be different from the PDG selected   by GGSN during HO request/support step. 7.  Right  after  that  the  RNC  sends  the  HO   confirmation.  The  mobile  is  then  disconnected  5 © Tech Mahindra Limited 2010
  • 7. 14.  The  MS  then  establishes  an  end‐to‐end   tunnel  with  the  selected  PDG  using  IKEv2  Solution benefits protocol.  Through  this  process,  the  MS  will   inform  the  PDG  about  its  local  and  remote  IP   address.  Each  time  the  mobile  changes  its  ANS  This  network  architecture  approach  offers network,  it  obtains  a  new  local  IP  address  and  the following benefits: therefore  a  new  tunnel  should  be  correctly configured.  Regarding  inter‐WIMAX  mobility,  • Offers  interworking  handover the  time  required  for  setting  up  a  new  IPSec  functionality between Mobile WiMAX & tunnel  when  changing  of  ASN  may  be  too  long  3GPP Networks. that the seamless mobility cannot be achieved.  • Seamlessly  integrates  wireless To speed up this kind of IPSec tunnel relocation,  technology specific functionality with IP we  can  use  the  MOBIKE  mechanism  proposed  networking equipment by the IETF MOBIKE WG.   • Allows  for  the  use  of  a  common  IP 15. The PDG performs the MIP registration with  network  for  multiple  wireless  access the  HA  as  soon  as  it  will  be  notified  the  MS’s  technologies remote  IP  address.  The  data  packets  will  be transmitted  to  MS  via  the  WIMAX  AN.  The  • Enables  cost‐effective  implementation handover procedure is completed.  for  deployments  ranging  from  small  to   large scale  Proposed  WiMAX  –IMS  interworking  • Enables  the  use  of  mobile  devices  and Network Reference Model  optimizes handovers  NOTE:  Figure:4  below  architecture  diagram  is  • Scalable  to  3GPP2  IMS  Networks  for evolving.  It  may  contain  old  representations  feature  rich  multimedia  applications  & that  will  be  resolved  at  a  later  stage  of  quadruple play technologies. investigation.  Also,  this  assumes  that  the  CSN  • Enables  new  types  of  transport functionality  is  provided  by  the  3G  Network.  networks  such  as  metro  Ethernet,  and This includes IP address space allocation.  wireless point‐to‐point for backhaul    • Enables  distribution  of  “application   level”  functionality  such  as  content   delivery networks        Figure: 4                                          6 © Tech Mahindra Limited 2010
  • 8. Conclusion & Future Work  References     1. An Architecture for UMTS‐WIMAX Interworking ‐ Quoc‐Thinh In  this  paper,  we  have  introduced  a  practical  Nguyen‐Vuong, Lionel Fiat  and Nazim Agoulmine 3GPP‐WIMAX  interworking  architecture  based    2. IEEE P802.16e/D11, ”Part 16: Air Interface for fixed and mobile on  3GPP  standards  and  proposed  a  handover  broadband wirelessaccess system”, Sept. 2005. procedure which promises a low packet loss and    3.  Salkintzis,A.K.;  Fors,  C.;  Pazhyannur,  R.;  ”WLAN‐GPRS low  interruption  time  during  the  switching  of  integration  for  nextgeneration  mobile  data  networks”,  IEEE the  communication.  The  mobility  between  two  Wireless Communication, Vol.9, pp. 112‐124, Oct. 2002. access  networks  is  achieved  by  the  MIP    4. Shiao‐Li Tsao;  Chia‐Ching  Lin;  ”Design  and evaluation  of  3GPP‐mechanism  at  the  network  layer.  The  packet  WLAN  interworking  strategies”,  Proceedings.  VTC  2002‐Fall,  IEEE loss during handover is reduced since the old FA  56th Volume 2, pp.777 ‐781, Sept. 2002 notifies  the  HA  the  MS’s  movement  and    5.  Hyun‐Ho  Choi;  Song,  O.;  Dong‐Ho  Cho;  ”A  seamless  handoff consequently  scheme for 3GPPWLAN interworking”, Globecom, 2004, pp.1559 ‐ the HA buffers the data packets destined to the  1564, Vol.3. Dec. 2004   MS.  The  proposed  interworking  architecture   6. V. Varma, S. Ramesh, K.D. Wong, M. Barton, G. Hayward and J. does  not  require  lot  of  changes  on  existing  Friedhoffer.  ”Mobility  Management  in  Integrated  3GPP/WLAN network  infrastructures  which  is  a  big  Networks”, IEEE ICC, Anchorage, Alaska, USA, May 2003.   advantage.  The  proposed  handover  scheme   needs  the  exchange  of  messages  between  the  7.  Muhammad  Jaseemuddin.  ”An  Architecture  for  Integrating PGD  and  the  GGSN  which  serve  the  same  APN  3GPP and 802.11 WLAN Networks”, 8th IEEE ISCC,p.716, 2003.   with the help of the DNS server. In case the MS  8.  N.  Vulic,  S.H.  Groot,  I.  Niemegeers,  ”A  comparison  of connects  to  multiple  APNs,  the  handover  Interworking  Architectures  for  WLAN  Integration  at  3GPP  Radio  Access Level”,ConWIN05, July 2005. preparation phase may be more complex, which   will be our future work with some performance  9.  G.  Cunningham,  P.  Perry  and  L.  Murphy,  ”Soft,  Vertical evaluation  of  our  proposed  mechanisms  in  a  Handover  of  Streamed  Multimedia  in  a  4G  network”,5th  International  Conference  on  3G  mobile  communications large  scale  network.  Moreover,  we  aim  to  Technologies, London, UK, Oct. 2004.  consider  the  tightly‐coupled  interworking   architecture  approach  for  3GPP‐WIMAX  and 3GPP‐WLAN  interworking  which  allows  a seamless  handover  with  less  handover  latency  Glossary and  less  packet  loss.  The  future  interworking  AAA  Authentication, Authorization & Accounting architecture  should  be  based  on  the  E2E  End to End architecture  evolution  proposed  by  3GPP  IMS IP Multimedia Subsystem standards.  We  therefore  plan  to  consider  the  IP  Internet Protocol roaming  architecture  as  well  as  the  mobility  MGC  Media Gateway Controller scheme  in  the  context  of  multiple  operator  MGW  Media Gateway environments.  P‐CSCF Proxy‐Call Session Control Function PDF  Policy Decision Function   POC  Proof Of Concept  QoS  Quality of Service  RADIUS Remote Access for Dial‐In User Services  SBC  Session Border Controller  TM  Tech Mahindra   VoIP  Voice over IP  VSA Vendor Specific Attributes   WISP     Wireless Internet Service Provide           7 © Tech Mahindra Limited 2010