SlideShare a Scribd company logo
N. Jain & H. Shahzad  1  May 2006 
Abstract­ Future generation wireless networks 
have  been  envisioned  as  the  integration  of 
various  wireless  access  networks,  including 
both wireless wide area networks and wireless 
local  area  networks.  In  such  a  heterogeneous 
network environment, seamless mobility is the 
basis  of  providing  uninterrupted  wireless 
service  to  mobile  users  roaming  between 
wireless  access  networks.  Because  of 
transparency  to  lower  layer  characteristics, 
ease of deployment, and greater scalability, the 
application­layer  based  Session  Initiation 
Protocol  (SIP)  has  been  considered  the  right 
candidate  for  handling  mobility  in 
heterogeneous wireless networks. However, SIP 
entails  application­layer  transport  and 
processing  of  messages,  which  may  introduce 
considerable  delay.  In  this  review  paper,  we 
brief  the  current  technology  status  of  the 
performance  of  mobility  management 
protocols  in  the  heterogeneous  wireless 
networks  and  summarize  research  challenges 
of VoIP over wireless networks.  
 
1. Introduction 
Wireless  networks  beyond  2G  aim  at 
supporting  real‐time  applications  such  as 
VoIP.  Signaling  protocols  such  as  session 
initiation  protocol  (SIP)  are  used  to  set  up 
VoIP  calls.    SIP  is  evolving  as  the  dominant 
protocol for voice call control in IP networks 
and is expected to be widely deployed in the 
near future. Using SIP for supporting mobility 
in  SIP  based  networks  appears  as  a  very 
attractive option, taking advantage of existing 
SIP  infrastructure  and  signaling.  The 
integration  of  cellular  and  voice  over  WLAN 
(VoWLAN)  systems  recently  has  attracted 
considerable interest from both academia and 
industry.  A  cellular/VoWLAN  dual  mode 
system helps mobile users to access a low cost 
voice over IP (VoIP) service in a WLAN area 
and switch to a wide‐coverage cellular system 
without WLANs. Figure X 
VoWLAN  is  a  new  communication 
technology  by  combining  two  popular 
technologies ‐ VoIP and WiFi. In other words, 
it  is  to  achieving  VoIP  communication  in  the 
WiFi network environment. The VoWLAN will 
enable  enterprise  to  facilitate  the  use  of 
existing  WiFi  infrastructure  to  provide  voice 
service  to  increases  productivity  and  save 
costs.  Due  to  the  low  coverage  of  WiFi,  it  is 
then necessarily to design a handoff between 
VoWLAN  and  cellular  in  order  to  take 
advantages  of  wide  coverage  of  the  cellular 
network.  This  paper  demonstrates  the 
handoff  mechanism  specifically  designed  for 
roaming  between  VoWLAN  and  cellular 
networks.  It  includes  a  comprehensive 
technical  review  of  the  current  handoff 
technologies  used  in  VoWLAN  and  cellular 
network. 
The  explosive  growth  of  mobile 
phone  users  worldwide,  along  with  the 
increasing  Internet  penetration  in  human 
populations,  has  led  to  the  users’  need  for 
accessing  high  speed  Internet  data 
applications  via  their  mobile  terminal,  while 
still  being  able  to  make  high  quality  voice 
calls.  There have also been efforts [12, 14] for 
supporting IP mobility at the application layer 
using the Session Initiation Protocol (SIP), as 
an alternative to network‐layer mobility.  
This poses an opportunity as well as a 
challenge for the wireless operators. With 3G 
networks  on  the  one  hand  and  WLAN 
technologies on the other, wireless operators 
can  integrate  these  complementary 
technologies to their advantage [10, 19] while 
providing  the  end  user  with  a  seamless 
experience.  Users  can  connect  through  a 
WLAN  when they  are  in  a hotspot,  like their 
workplace  or  their  home,  but  their  calls  can 
be  handed  over  to  cellular  networks  as  they 
roam  out  of  the  hotspot.  This  is  valuable  to 
users  because  it  combines  the  freedom  of 
mobility  with  the  low‐cost  access  of  WLAN 
while using a single end‐user mobile station.
It  is  also  attractive  to  3G  service  providers 
because  it  extends  the  reach  of  their 
networks. 
However,  the  challenge  here  is  the 
problem  of  seamlessly  handing  over  a  call 
from  one  air  interface  to  another.  Real‐time 
applications,  such  as  conversational  voice  or 
multimedia  over  IP,  are  especially  intolerant 
of  service  interruption  during  handover. 
  Mobile  IP,  a  layer  3  protocol, 
SIP Based VoIP over Converged Wireless Access Networks 
Jain, Nishant & Shahzad, Hamid 
School of Information & Communication Technology 
Royal Institute of Technology 
Stockholm, Sweden
N. Jain & H. Shahzad  2  May 2006 
maintains  a  data  session  across 
heterogeneous air interfaces. Maintaining the 
same  IP  address  enables  applications  to  be 
ignorant  to  changes  in  the  physical  layer. 
Although  mobile  IP  maintains  seamless 
session  management  across  distinct 
networks,  it  does  not  ensure  that  the 
switchover  from  one  physical  interface  to 
another  is  performed  in  a  “make‐before‐
break”  fashion  to  prevent  packet  loss  during 
the transition.  
Session  initiation  protocol  (SIP)  has 
been  proposed  as  a  layer  5  alternative  for 
mobile  IP  [14],  but  SIP  cannot  support 
persistent  transmission  control  protocol 
(TCP)  connections,  and  it  is  suitable  neither 
for micro‐mobility (mobility within a domain) 
nor  for  macro‐mobility  (mobility  across 
domains). Furthermore, the delay in obtaining 
a  new  IP  address  and  performing  the 
authentication process is excessive. For long‐
lived  TCP  connections,  [12]  suggests  using 
mobile IP as a more desirable protocol.  
We  begin  the  paper  by  providing  an 
overview of the SIP protocol and the various 
types  of  mobility  that  have  been  defined  in 
this context in the literature. We follow it by 
briefly  describing  the  mobile  IP  architecture 
and  its  components.  We  then  describe  the 
central  idea  of  the  paper  by  addressing  the 
issue  of  seamless  data  session  handover 
between  3G  and  WLAN  technologies.    The 
paper  also  discusses  about  the 
cellular/VoWLAN  service  scenario  which 
involves a user with a dual mode mobile being 
able  to  access  VoWLAN  in  enterprise  or  hot 
spot WLANs, and switch to a cellular system 
without  WLAN  coverage;  thus  reducing  the 
cost  of  mobile  telecommunication  services, 
while  also  achieving  high  mobility  and  wide 
coverage [16]. 
 
2. SIP­Based VoIP 
Mobility management protocols are in general 
responsible  for  supporting  services 
seamlessly  across  heterogeneous  access 
networks  that  require  connection  migration 
from one network to another. This is known 
as  the  vertical  handoff.  Thus,  in  addition  to 
providing location transparency, the mobility 
management protocols in this case also need 
to  provide  network  transparency.  A  number 
of research works has been directed towards 
solving  the  vertical  handoff  problem  for  IP 
based  networks  [19,  20,  24].  Most  of  these 
works  are  based  on  Mobile  IP  [7].  However, 
Mobile  IP  suffers  from  the  problem  of 
triangular  routing  which  is  detrimental  to 
real‐time  traffic  like  streaming  multimedia, 
where  the  important  issues  are  fast  handoff, 
low  latency  and  minimal  packet  loss.  Mobile 
IP  route  optimization  [6]  has  been  proposed 
to  solve  the  problem  particularly,  but  route 
optimization again suffers from the following 
drawbacks:  the  IP  stack  needs  change  to 
implement  route  optimization  and  the  home 
agent can only initiate the route optimization 
which  introduces  additional  delay.  Several 
mobility  protocols  have  been  proposed  as  a 
remedy to these problems [2, 4, 6, 9, 17, 27, 
28].  Based  on  the  layer  of  their  operation, 
these  protocols  can  be  broadly  classified  as 
those  operating  in  the  network  layer  [6], 
transport layer [2] and application layer [17]. 
The  dependency  of  these  mobility  protocols 
on the access networks reduces progressively 
as  we  move  up  on  the  protocol  stack  [22]. 
Among them, Session Initiation Protocol (SIP) 
[17]  has  been  standardized  by  the  Internet 
Engineering  Task  Force  (IETF)  [29]  as  a 
signaling  protocol  for  multimedia  session 
setup in IP based networks. In addition, SIP is 
capable  of  supporting  not  only  personal 
mobility but also terminal, session and service 
mobility  at  the  application  layer.  Application 
layer  protocols,  however,  are  transparent  to 
the network (or lower layer) characteristics. 
SIP  has  been  accepted  by  the  third 
Generation Partnership Project (3GPP) as an 
application layer signaling protocol for setting 
up  real‐time  multimedia  sessions.  Thus,  SIP 
based mobility management could potentially 
use  a  readily  available  operational 
infrastructure,  which  would  facilitate  its  fast 
deployment.  Therefore,  SIP  seems  to  be  an 
attractive  candidate  as  an  application  layer 
N. Jain & H. Shahzad  3  May 2006 
mobility  management  protocol  for  vertical 
handoff  [22].  Although  SIP  based  mobility 
management  solves  the  problem  posed  by 
Mobile IP route optimization, for some cases it 
introduces  unacceptable  handoff  delays  [21] 
for  multimedia  applications  with  stringent 
QoS  requirements.  Moreover,  SIP  entails 
application  layer  processing  of  the  messages 
which may introduce additional delay. 
Industry‐wide,  SIP  is  being  accepted 
as  the  framework  of  choice  for  VoIP.  In  the 
next  few  sections,  we  describe  SIP  protocol 
along with the basic call flow that is used to 
establish  an  end‐to‐end  VoIP  call.  We  also 
describe  the  concept  of  mobility  as  used  in 
SIP.  
 
2.1 SIP Overview 
SIP  [19]  creates  a  flexible  framework  for 
enabling  IP  endpoints,  or  user  agents  (UAs), 
to  create,  modify,  and  terminate  multimedia 
sessions. It can be used for point‐to‐point calls 
or  multicast  calls.  It  enables  the  creation  of 
proxy  servers  and  SIP  registrars  to  allow 
endpoints  to  find  each  other  and  provides 
other  services  as  well.  It  may  be  used  over 
reliable  networks  (e.g.,  TCP)  or  unreliable 
networks  (e.g.,  user  datagram  protocol 
[UDP]).  SIP  supports  multiple  IP  media 
streams that can include VoIP and other UDP 
or TCP streaming applications. 
SIP is access independent, so it is equally 
applicable to wireless and wireline networks. 
Designed with unreliable networks in mind, it 
incorporates  a  scheme  of  retransmissions  to 
ensure  delivery  of  SIP  messages,  making  it 
suitable  for  wireless  networks  that  incur 
over‐the‐air errors. The SIP suite of protocols 
has  been  adopted  by  3rd  Generation 
Partnership  Project  (3GPP)  [33,  34,  35]  and 
3rd Generation Partnership Project 2 (3GPP2) 
[5]  as  part  of  the  all‐IP  core  network 
architecture  and  the  IP  multimedia 
subsystems.  SIP  is  not  a  standalone  protocol 
for  performing  all  aspects  of  call  control; 
rather, it leverages other protocols to provide 
a complete solution. For example, in a typical 
VoIP application, session description protocol 
(SDP)  is  embedded  in  SIP  messages  for 
negotiating bearer path attributes, such as the 
media  types  that  are  supported,  the  IP 
address and port for each media type, and the 
protocol  for  delivering  the  media.  Once  the 
parameters  of  the  session  are  agreed  upon, 
the  endpoints  can  start  exchanging  packets 
over  the  bearer  path.  Real‐time  protocol 
(RTP)  is  typically  used  for  VoIP.  Once  the 
parameters  of  the  session  are  negotiated  by 
the  endpoints,  the  media  session  is 
established.  SIP  does  not  play  a  role  in  the 
media  session  itself,  but  it  is  used  for 
terminating or changing the parameters of the 
session. Common telephony services, like call 
waiting, call forwarding, and call hold, as well 
as more advanced services, like picture caller 
ID and multimedia conference calling, can all 
be  accomplished  with  SIP.  SIP  is  based  on  a 
request/response  transaction  model.  The  UA 
that invokes the request is called the UA client 
(UAC),  and  the  UA  that  responds  to  the 
request is the UA server (UAS). Each request 
by the UAC invokes a function, or method, in 
the UAS. SIP supports six basic methods:
〉 REGISTER, used by endpoints to identify 
themselves to SIP registrars; 
〉 INVITE,  used  for  establishing  calls  or 
modifying  the  parameters  of  an 
established call; 
〉 ACK, used to acknowledge final responses 
to INVITES; 
〉 BYE,  used  for  tearing  down  established 
calls; 
〉 CANCEL, used for terminating call setups 
before they are fully established; and 
〉 OPTIONS, used for querying endpoints or 
proxy  servers  as  to  their  capabilities 
without “ringing” them.  
As  shown  in  Figure  1,  a  SIP  infrastructure 
consists of  
〉 user agents,  
〉 registration servers,  
〉 location servers and  
〉 SIP proxies deployed across a network.  
A  user  agent  is  a  SIP  endpoint  that  controls 
session setup and media transfer. User agents 
are identified by SIP URIs, which is a unique 
N. Jain & H. Shahzad  4  May 2006 
HTTP‐like  URI  of  the  form  sip:user@domain. 
All user agents REGISTER with a SIP registrar 
server  (which  can  be  co‐located  with  a  SIP 
proxy) with their IP address (Figure 1). The 
mapping of a URI to the IP address of a device 
registered  by  the  user  is  done  using 
intermediate SIP proxies, location and redirect 
servers  as  part  of  the  session  setup  process. 
SIP defines a set of messages, such as INVITE, 
REFER  etc.,  as  shown  in  Figure  2,  to  setup 
sessions  between  user  agents.  These 
messages are routed through SIP proxies that 
are deployed in the network. DNS SRV records 
help in finding SIP proxies responsible for the 
destination domain.  
2.2 Basic Call Flow 
Figure  3  illustrates  a  typical  SIP  call  flow 
through SIP proxies. It depicts the request and 
response transactions of SIP for establishing a 
call. Prior to the call establishment, each user 
is  registered  with  his/her  corresponding  SIP 
registrar. This permits a user to be reached by 
his/her own unique network access identifier 
(NAI)—e.g.,  <userA@kth.se>—regardless  of 
his/her location and point of attachment. 
All requests from an originating user 
agent  such  as  an  INVITE  are  routed  by  the 
proxy  to  an  appropriate  destination  user 
agent  based  on  the  destination  SIP  URI 
included  in  the  INVITE  message.  The proxy
servers respond with a Trying response so that
originating  user  agent knows his/her message
was received and that further retransmissions of
the INVITE request are unnecessary. Proxies 
may  query  location  and  redirect  servers  to 
determine the current bindings of the SIP URI. 
Signaling  messages  are  exchanged  between 
user  agents,  proxies  and  redirect/location 
servers  to  locate  the  appropriate  endpoints 
for media exchange. For reasons of scalability, 
multiple  proxies  are  used  to  distribute  the 
signaling load [31]. A session is setup between 
two  user  agents  through  SIP  signaling 
messages  comprising  of  an  INVITE,  an  OK 
response  and  an  ACK  to  the  response  [17]. 
This is shown in Figure 2 where the call setup 
is followed by media exchange using RTP. The 
session is torn down through an exchange of 
BYE and OK messages. 
SIP  distinguishes  between  the 
process  of  session  establishment  and  the 
actual session. A basic principle of SIP is the 
separation  of  signaling  (control)  from  media. 
Signaling  messages  are  usually  routed 
through  the  proxies  while  the  media  path  is 
end‐to‐end.  The  session  setup  messages  like 
INVITE contain user parameters using Session 
Description  Protocol  (SDP)  [15]  in  the 
message  body.  SDP  provides  information 
about  the  session  such  as  parameters  for 
media  type,  transport  protocol,  IP  addresses 
and  port  numbers  of  endpoints.  The  IP 
address and port numbers exchanged through 
SDP  is  used  for  the  actual  data  transmission 
(media  path)  for  the  session.  Any  of  these 
parameters can be changed during an ongoing 
session through a RE‐INVITE message, which 
is identical to the INVITE message except that 
it  can  occur  within  an  existing  session.  In 
addition, a user agent can transfer an existing 
session  by  using  a  REFER  message.  This 
message  instructs  the  other  endpoint  of  an 
existing session to initiate an INVITE/OK/ACK 
exchange  with  a  third  user  agent  and 
terminate  the  existing  session  (with  the 
sender of the REFER message). 
 
2.3 Mobility: The Issue 
Mobility  is  the  most  important  feature  of 
wireless  networks  that  makes  continuous 
service  possible  in  pervasive/ubiquitous 
environments.  Seamless  service  is  usually 
achieved  by  supporting  handoff.  Handoff  is 
the  process  of  changing  parameters  (e.g., 
endpoint  address,  channel  etc.)  associated 
with  the  current  connection.  For  UDP  based 
connections  the  major  parameters  are  the 
source  and  destination  IP  addresses,  which 
can be changed by the movement of a mobile 
host (MH), either within a network or across 
different  networks.  The  former  scenario 
initiates  horizontal  handoff,  whereas  the 
latter  initiates  vertical  handoff.  Handoff  is 
again divided into two broad categories: hard 
and soft handoffs. They are also characterized 
N. Jain & H. Shahzad  5  May 2006 
by  “break  before  make”  and  “make  before 
break.”  In  hard  handoffs,  current  resources 
are  released  before  new  resources  are  used 
and  in  soft  handoffs,  both  existing  and  new 
resources  are  used  during  the  handoff 
process.  For  soft  handoff  the  MH  should  be 
capable  of  communicating  through  multiple 
network  interfaces.  Usually,  a  mobility 
management  protocol,  operating  at  the 
control  plane  independent  of  the  data  plane 
supports handoff.  
As  described  earlier,  SIP  provides 
vertical  handoff  support  in  IP  centric 
networks  for  multimedia  applications. 
Although  the  data  plane  protocols  provide 
Quality of Service (QoS) to the applications, it 
is  the  responsibility  of  the  mobility 
management  protocol  to  maintain  the  QoS 
during  the  handoff  period.  For  multimedia 
streaming  applications,  the  most  important 
QoS parameters are  
(i) end‐to‐end delay,  
(ii) delay  jitter  or  variation  of  end‐to‐end 
delay between the packets, and  
(iii) packet loss.  
Of  these  three  parameters,  the  first  two 
depend on the network condition in the path 
of the data traffic. Generally, the issues related 
to  these  parameters  can  be  resolved  by 
providing  a  playout  and  jitter  buffer.  The 
handoff  delay  causes  only  a  glitch  as  far  as 
these two parameters are concerned and has 
no  long‐term  effect.  However,  large  handoff 
delays  cause  considerable  packet  loss  which 
seriously affects the quality of the multimedia 
streaming applications. 
  Despite  the  advantages  of  SIP  in 
providing  mobility  support  in  IP  based 
heterogeneous  networks,  there  are  some 
issues that need to be resolved for proper QoS 
provisioning  to  multimedia  applications.  The 
handoff  delay  in  SIP  based  mobility  is 
essentially the time required by the re‐INVITE 
message  to  reach  the  correspondent  host 
(CH) from the mobile host (MH), but several 
different  operations  need  to  be  completed 
before  the  INVITE  message  could  be 
transported. These are:  
(i) Detection of the new network by the MH. 
This  depends  on  the  networking 
technology  (e.g.,  periodic  beacons  from 
the  access  points  are  used  in  WLANs  to 
intimate  a  mobile  device  about  the 
presence of the network) as well as on the 
operating system in the MH.  
(ii) The MH needs to acquire an IP address by 
a  procedure  specific  to  the  access 
network.  This  may  be  DHCP  address 
configuration  for  WLAN  or  Attach  and 
PDP Context Activation for 3G networks.  
Analytical study [21] reveals that the handoff 
delay  can  be  more  than  1  sec  for  low 
bandwidth  access  network,  for  which  hard 
handoff  has  considerable  effect  on  the 
application  quality.  So,  the  mobility 
management protocol needs to employ some 
mechanism  to  counter  the  harmful  effect  of 
the handoff delay. 
2.4 Mobility Support Using SIP  
Mobility is characterized as personal, terminal,
session, and service mobility where a persistent
IP address is not assumed.[14]
〉 Personal mobility is described as allowing a
single user located at different terminals and
to be addressed at each location by a unique
personal identity.
〉 Terminal mobility is described as allowing a
device to move between IP subnets.
Terminal mobility could affect SIP at three
different stages: at pre-call, at mid-call, and
upon recovery from movement across
network partitions. Except for mobility
before a call is placed, none of the other
stages of terminal mobility provide the
seamless experience to a user without any
packet loss.
〉 Session mobility is described as allowing a
user to maintain a SIP session while
changing devices, and
〉 Service mobility is described as allowing a
user to maintain access to his/her personal
services while changing devices and
networks.
N. Jain & H. Shahzad  6  May 2006 
Personal mobility is embedded in SIP by having
a UA regularly update its registration
information to reflect the user’s current location.
The updates may occur prior to or during a call
on any IP network, independent of the device
being used to access the network. The elements
included in the SIP architecture that support
mobility are UAs, redirect servers, proxy servers,
location servers, and registrar servers. The SIP
servers facilitate user mobility, as they track the
user movement through new registrations. The
UA resides in the mobile node (MN), also
referred to as mobile host (MH), and in the
corresponding remote node, sometimes referred
to as a corresponding host (CH).
When a proxy server or redirect server
receives an INVITE message, it may consult the
location server for a route through which to
redirect the INVITE message (Figure 4). A
redirect server provides the calling party with an
alternate address for the callee, whereas a proxy
server will forward the call to the alternate
address on behalf of the caller. A user al-ways
belongs to a home network that maintains its
home SIP servers. The user re-registers with
his/her home network when changing his/her
point of attachment. A permanent or persistent IP
address is not assumed when the user relocates to
a new network. When the MN is moving
between locations, it is expected that long delays
will be introduced while the UA is obtaining a
new IP address and authenticating with the local
authentication, authorization, and accounting
(AAA) servers.
Session mobility enables the user to
maintain a session while changing terminals
located on the same or a different subnet. This
mobility can be achieved by involving a third-
party call control [8] where the third party is the
original participant that redirects the call to the
new device and stays engaged in the call until its
termination. Another approach for terminal
mobility without the involvement of a third party
can be achieved with the use of the SIP REFER
message [25]. The REFER message simply
directs the session to the new terminal location
where a new INVITE message will be
forwarded. To minimize delay, the device needs
to be authenticated prior to receipt of the
INVITE message.
Service mobility is described in [14] as one
of SIP’s attributes. It provides user with access
to his/her unique services even while he/she is
changing locations or devices. These user
services include speed dial lists, address books,
preference lists, and incoming call instructions,
to name a few.
Maintaining a unique IP address throughout
the session is facilitated through inclusion of the
mobile IP transport elements. The section below
introduces the mobile IP protocols and the
shortcomings of these existing protocols for
make-before-break handover.
This is followed by a discussion for
intelligent mobile IP to provide seamless
handover and an uninterrupted VoIP session
across disparate wireless networks.
3. Mobile IP Architecture 
Mobile IP defines three network entities:  
〉 the foreign agent (FA),  
〉 the home agent (HA), and  
〉 the  mobile  node  (MN),  which  contains  the 
mobile IP client software.  
The  FA  is  a  router  supporting  the  mobile  IP 
protocol  located  in  the  foreign  (visited) 
network.  The  FA  function  is  located  in  the 
packet  data  service  node  (PDSN)  for  code 
division  multiple  access  (CDMA),  in  the 
gateway  GPRS  support  node  (GGSN)  for  the 
Universal Mobile Telecommunications System 
(UMTS) [11], and in an edge router or WLAN 
gateway for WLAN. The FA provides a care‐of 
address (CoA) for the MN.  
The HA is a router supporting mobile 
IP  located  in  the  user’s  “home”  network. 
Similarly,  if  the  wireless  service  provider 
(WSP) is the home network, the HA function 
may be co‐located in the PDSN or adjacent to 
it  for  CDMA  or  co‐located  with  the  GGSN  or 
adjacent to it for UMTS. If the home network 
is  a  third‐party  data  center,  the  HA  may  be 
located  behind  the  firewall  and  next  to  an 
N. Jain & H. Shahzad  7  May 2006 
edge  router.  The  HA  maintains  the  MN’s 
current CoA location information and tunnels 
data‐grams  to  the  MN’s  CoA  (i.e.,  the  FA) 
when  the  MN  is  away  from  home,  as 
illustrated in Figure 5. [5] 
For  mobility  support  between 
incongruent  networks,  mobile  IP  client 
software  resides  in  the  user’s  end  terminal, 
typically a laptop or PDA. The client is a key 
element  of  the  layer  3  integration.  For 
terminals  that  support  a  single  air  interface, 
where a mobile IP client may not be present, 
mobile IP‐based architecture may be achieved 
with proxy mobile IP functionality embedded 
within the network elements. 
An MN can be in one of three possible 
operating environments: its home network, a 
foreign network that supports mobile IP, or a 
foreign network that does not support mobile 
IP. In all three of these scenarios, the MN uses 
a previously assigned identification, either its 
own  static  home  IP  address  or  its  own 
network  access  identifier  (NAI),  such  as 
<enduserA@kth.se>.  
In  the  first  operating  environment, 
the  MN  is  in  its  home  network.  The  MN 
determines  it  is  in  its  home  network  by 
monitoring  the  mobility  router 
advertisements,  also  known  as  agent 
advertisements.  While  at  home,  network 
operation is the same as if mobile IP were not 
running—i.e., packets are routed in a normal 
fashion. 
In the second operating environment, 
the  MN  attaches  to  a  foreign  network  that 
contains an FA supporting mobile IP. The MN 
first  connects  to  the  available  access 
technology. It determines that there is an FA 
when  it  receives  a  mobile  IP  mobility 
advertisement  from  it.  The  MN  sends  a 
Registration  Request  message  to  the  FA, 
which forwards it onto the AAA infrastructure 
and  HA,  where  it  is  authenticated  and 
authorized. 
In  the  third  operating  environment, 
the  MN  attaches  to  a  foreign  network  that 
does  not  have  an  FA  and  does  not  support 
mobile IP. The MN will nevertheless be able to 
use mobile IP as long as it can acquire an IP 
address  (via  domain  host  control  protocol 
[DHCP]  or  point‐to‐point  protocol  [PPP]) 
from the foreign network. The MN will use the 
assigned  IP  address  as  its  “mobile  IP  co‐
located  CoA”  and  act  as  its  own  tunnel 
endpoint. It will register directly with its HA 
using the co‐located CoA and the registration 
procedure  previously  described.  The  MN 
sends packets out directly to their destination 
(with  the  MN  home  ad‐dress  as  the  source 
address). All returning packets go to the MN’s 
home address and are intercepted by the HA, 
which  tunnels  the  packets  to  the  MN.  When 
reverse  tunneling  is  established,  all  packets 
destined to the CH are directed via the HA, as 
illustrated in Figure 5. [5] 
 
3.1 Schemes for Handover 
Current  mobile  IP  mechanisms,  which detect 
mobile  movement  from  one  network  to  the 
other,  are  based  on  agent  advertisement 
lifetime  and  network  prefixes  [8].  Other 
proposed mechanisms are based on end‐user 
client  criteria,  such  as  signal 
presence/strength  of  the  available  radio 
interfaces. 
 
3.1.1  Agent  advertisement  lifetime  in 
mobile IP 
An inter‐net control message protocol (ICMP) 
router  advertisement  in  mobile  IP  contains 
mobile IP agent advertisement that specifies a 
lifetime for which the advertisement is valid. 
If for some reason a mobile does not receive 
another agent advertisement within this time 
frame,  it  is  assumed  that  the  mobile  has 
moved  out  of  the  range  of  the  current  agent 
and  hence  is  a  candidate  for  handover  to 
another agent from which it may have already 
received an advertisement. This implies that a 
mobile  would  not  activate  a  handover 
procedure to the new agent from which it had 
received  an  advertisement  earlier  until  the 
advertisement  lifetime  of  its  current  agent 
expires. Typically, the advertisement life‐time 
is  on  the  order  of  tens  of  seconds.  For  any 
VoIP  application,  such  a  long  delay  for 
N. Jain & H. Shahzad  8  May 2006 
handing over to another agent, being over two 
orders  of  magnitude  more  than  the  desired 
delay bounds, is unacceptable. 
In  CDMA2000,  the  delay  in  handover 
could be even longer. As an implementation‐
dependent  optimization  in  CDMA2000,  the 
number  of  advertisements  transmitted  over 
the air interface is restricted—i.e., the agents 
only respond to solicitations from the mobile. 
The consequence is that the MN does not have 
advertisements  from  new  FAs  prior  to  the 
expiration  of  the  old  advertisement.  This 
creates  additional  delay  in  initiating  a 
handover to CDMA2000 networks, as a mobile 
node  must  first  wait  until  the  advertisement 
lifetime of the current agent expires before it 
will solicit new advertisements so that it can 
proceed  with  the  mobile  IP  registration 
through the new agent. . [5] 
3.1.2 Network prefixes in mobile IP 
There  is  an  extension  to  mobile  IP  that 
provides  a  mechanism  for  detecting 
handovers  to  a  new  FA.  The  mechanism, 
based  on  network  prefixes,  assumes  that  an 
agent uses an extension called network prefix 
extension  within  the  agent  advertisement. 
This extension specifies the subnet prefix for 
the  network where  the  agent  is  located.  Any 
difference in the network prefix between the 
currently stored value and the one received in 
a  new  agent  advertisement  would  indicate  a 
handover  condition.  Since  network  prefixes, 
which  are  more  frequent  than  the 
advertisement  lifetime,  are  specified  in  the 
agent  advertisement,  this  mechanism  would 
be  better  suited  as  a  handover  trigger. 
However, this extension is not mandatory and 
therefore  cannot  be  relied  upon  unless  both 
the current agent and the new agent are using 
it.  
The above discussion makes it clear that 
the current schemes for fast handover at best 
leave  a  lot  to  be  desired  and  at  worst  are 
completely inadequate. . [5] 
 
3.1.3 Signal strength.  
Mobility  management  and  movement 
detection  are  inherent  to  the  CDMA  cellular 
network.  The  proximity  to  a  CDMA  base 
station can be characterized by the radio link 
conditions  and  received  signal  strength 
indication  (RSSI)  readings.  Similarly, 
movement  detection  from  an  associated 
WLAN access point (AP) can be characterized 
by signal strength readings indicated through 
the  WLAN  card  interface.  Fast  movement 
detection  across  these  disparate  RF 
technologies  can  be  achieved  by  monitoring 
these  radio  signal  conditions  on  a  regular 
interval.  When  accessing  a  WLAN  network, 
priority is given to the WLAN signal reading, 
and  its  diminishing  value  can  be  used  as  a 
movement  indication.  Similarly,  when 
accessing a CDMA net‐work, priority is given 
to the RSSI information. . [5] 
 
3.1.4  Layer  3  Handover  Between 
Homogeneous  vs.  Heterogeneous 
Interfaces  
When a mobile IP client attempts a handover 
between homogeneous air interfaces (such as 
a handover from one WLAN AP to another), it 
may need to tune to another radio frequency. 
This  may  force  the  client  to  hold  off 
communication  with  its  current  point  of 
attachment  or  AP  until  it  has  been 
authenticated  using  the  new  point  of 
attachment. On the other hand, in the case of a 
handover  between  heterogeneous  air 
interfaces,  the  assumption  is  that  MNs (such 
as laptops and PDAs) are multimode—i.e., the 
end‐points  are  capable  of  transmitting  and 
receiving  net‐work  and  data  link  messages 
simultaneously  through  the  multiple  air 
interfaces. [5] 
4.  Intelligent  “Make­Before­Break” 
Handover 
Real‐time  applications  have  very  stringent 
delay constraints on the delivery of packets to 
the remote end. A seamless mobility protocol 
such  as  mobile  IP  ensures  that  there  is 
N. Jain & H. Shahzad  9  May 2006 
continuity  of  the  session  management  in 
terms  of  both  layer  3  (IP  layer)  and  layer  4 
(transport        layer)  between  end  points.  It 
does  not,  however,  ensure  that  packets  will 
not  be  dropped  as  the  mo‐bile  performs  a 
handover from one network to another. 
There exists a proposal for an intelligent 
agent  along  with  an  MN  client  that  can 
simultaneously  monitor  wireless  signal 
strengths of multiple access technologies and 
automatically  perform  access  technology 
handovers [5]. Assuming that the coverage of 
the two disparate networks overlaps, service 
disruption  and  packet  loss  are  minimized  as 
the  MN  client  either  has  both  network 
interfaces  active  or,  based  on  the  algorithm 
described  in  the  following  sections,  would 
activate  another  interface  so  that  it  can  use 
that link in the background to set up the call 
prior to handover. 
The industry at large has also recognized 
the importance of seamless handover for real‐
time  applications  between  heterogeneous 
networks.  Toward  this  goal,  the  IEEE 
standards  body  completed  a  task  within  a 
study  group—the  P802  Handoff  Executive 
Committee  Study  Group  (ECSG)—to 
understand  and  define  the  problem  of 
handover between both wireless and wireline 
heterogeneous  networks.  A  new  group  is 
currently  being  formed  to  address  this 
problem  and  facilitate  appropriate 
information  flow  in  a  timely  manner  for 
individual  interfaces  between  layer  1  and 
layer  2  (PHY  and  MAC,  respectively)  and 
higher  layers  (IP  layer  and  beyond).  This 
would  in  effect  help  an  entity  such  as  an 
intelligent  agent  to  make  fast  handover 
decisions. 
Figure  6  depicts  switching  scenarios  for 
overlapped  and  non‐overlapped  coverage. 
Figure  6  (a)  depicts  a  make‐before‐break 
scenario where the client observes the WLAN 
signal  overtime.  At  time  t1,  when  the  signal 
strength  exceeds  the  threshold  H,  the  client 
attempts to use the WLAN interface. Similarly, 
at  time  t2,  when  the  signal  strength  drops 
below the threshold L, the client reverts to the 
3Gairlink.  If  the  client  sets  up  the  call  and 
creates  short‐lived  simultaneous  bindings 
(dual mobile IP tunnels with both FAs) at the 
HA [8] before losing the signal on the current 
interface, the delays Δ1 and Δ2 are masked off 
and  handover  appears  instantaneous  to  the 
client  application.  While  the  simultaneous 
bindings  are  maintained,  packets  in  transit 
arrive at both the old and new interfaces and 
are  not  lost.  Outgoing  packets  are  routed  to 
the  new  airlink  immediately  after  switching, 
minimizing packet loss. 
In  the  absence  of  overlapped  coverage, 
service  interruption  is  unavoidable  because 
one  link  is  lost  before  the  new  link  is 
available.  However,  even  in  situations where 
coverage  is  overlapped,  a  “break‐before‐
make” handover scenario may still occur due 
to  a  sudden  drop  in  signal  strength,  as 
illustrated in Figure 6 (b). Here, WLAN is the 
preferred  interface;  however,  because  its 
signal  drops  so  abruptly,  there  is  no  time  to 
connect  the  3G  call  before  the  WLAN 
connection  is  lost.  Consequently,  coverage 
disruption  occurs  between  t2  and  t3  due  to 
the  typical  long  3G  call  set‐up  processes  (a 
few seconds) followed by the t3 to t4 mobile 
IP authentication delay. 
If,  on  the  other  hand,  the  3G  call  were 
kept  up continuously  while  connected to  the 
WLAN,  then  the  switching  time  would  be 
determined  by  the  performance  of  only  the 
network  latency  (t3  to  t4)  between  the  FA, 
HA,  and  AAA  network  elements.  Maintaining 
dual connection is feasible only when volume‐
based  charging  is  applied  to  the  3G 
connections.  In  such  cases  (e.g.,  GPRS), 
switching  time  is  reduced  and  extra  charges 
are not incurred as a result of the prolonged 
3G connectivity. 
However,  in  a  general  case,  keeping  two 
or more interfaces up simultaneously may not 
be  a  practical  approach  from  a  user  cost  or 
network  utilization  point  of  view.  Moreover, 
such  an  approach  imposes  a  drain  on  the 
battery  life  of  a  mobile  terminal.  All  of  this 
again underscores the need for an intelligent 
N. Jain & H. Shahzad  10  May 2006 
agent, which can bring up a suitable interface 
at  an  appropriate  time.  When  make‐before‐
break  handover  is  possible,  the  decision  to 
hand  over  the  session  is  based  on  a  pre‐
defined criteria matrix that weighs conditions, 
such  as  available  bandwidth,  signal  quality, 
access  cost,  and  service‐level  agreements 
(SLAs)  between  its  mobile  operator  and  the 
visited  network.  The  subsection  below 
describes  this  aspect  of  our  handover 
proposal in more detail. 
 
4.1 Handover Decision Criteria 
A  scheme  is  discussed  that  would  ensure  a 
smooth  handover  between  heterogeneous 
networks where an overlap in radio coverage 
is  available  for  the  systems  that  are 
participating  in  the  handover.  The  following 
are  the  main  components  of  the  System 
Selection  algorithm  (SSA)  for  deciding  when 
the MN should hand over a call. 
 
4.1.1 Continuous or periodic monitoring of 
all the individual wireless interfaces  
The  intelligent  MN  monitors  each  wireless 
interface  in  order  to  proactively  maintain  its 
handover  options.  The  following  is  a  list  of 
conditions that may be monitored in order to 
determine if handover is appropriate.  
〉 Activity  status  of  an  interface.  Although 
the  monitoring  of  an  activity  status 
(active  or  inactive)  may  be  applied  to 
wireless interfaces, it is more relevant to 
handover  possibility  between  a  wireless 
interface and a wireline interface such as 
digital subscriber line, or Ethernet‐based 
LAN. Specifically, a possible scenario is a 
laptop  or  a  PDA  equipped  with  both 
wireless  and  wireline  interfaces  and 
being  carried  from  a  wireless 
environment  to  a  home  or  office 
environment  (or  vice  versa)  such  that  a 
wireline interface is activated. 
〉 Viability  of  an  interface  in  terms  of  radio 
link  conditions  and  RSSI.  Note  that  to 
obtain  such  information  from  the  PHY 
and  MAC  layers  requires  that  there  be 
some  fast  coordination  between  these 
layers and the client for exchange of this 
information in a timely fashion. 
〉 Network  loading  conditions.  This 
particular  criterion  is  important  from  a 
service provider point of view. A service 
provider  may  determine  that,  under 
certain  circumstances  (such  as  the 
number  of  voice  users  vs.  data  users), 
more  voice  users  need  to  be  on  the 
cellular  network  as  compared  to  data 
users  when  overlapping  heterogeneous 
networks  are  available.  Under  these 
conditions,  the  operator  could  broadcast 
information  to  all  mobiles  registered 
through  a  particular  cell  such  that 
mobiles could take an intelligent decision 
on  handover  to  an  alternate  network. 
Such network loading conditions could be 
a  function  of  the  time  of  the  day  or  the 
day of the week. 
〉 Cost  of  an  interface.  This  could  be  set 
statically  at  the  time  of  an  interface 
becoming active, or, alternatively, it could 
be broadcast dynamically to the mobiles. 
〉 Service quality. Data bit rates available at 
any  given  point  in  time  determine  the 
type of service that can be sustained by a 
particular air interface.  
 
4.1.2  Threshold  management  for  each 
interface 
Each interface maintains low watermark and 
high  watermark  values.  A  handover  is 
initiated  using  an  interface  only  if  system 
conditions  satisfy  a  value  above  the  high 
watermark for that interface and precedence 
rules  allow  handover  (Tables  I  and  II). 
Similarly,  the  current  interface  is  terminated 
and handed off to another available interface 
if  the  current  system  is  below  a  low 
watermark  and  precedence  rules  allow  a 
handover to another interface. 
 
4.1.3  SLAs  between  different  service 
providers  
An  SLA  can  be  a  very  important  part  of  the 
seamless  interoperability  between 
heterogeneous networks, especially if there is 
N. Jain & H. Shahzad  11  May 2006 
a  3G  service  provider  requirement  to 
authenticate  their  subscribers  in  a  foreign 
network  only  through  its  back  office  AAA 
infrastructure.  The  intelligent  client  may 
require  to  periodically  download  an  up‐to‐
date SLA list. 
 
4.1.4 Preference management of user and 
service provider priorities 
The service providers would typically want to 
set certain preferences that determine which 
interface  a  user  should  use  to  transmit 
packets for a given set of circumstances. The 
circumstances  may  include  whether  the 
service provider has SLAs with other service 
providers  to  satisfy  some  basic  AAA 
requirements or other considerations such as 
cost  of  an  interface  and  network  loading.  At 
the  same  time,  under  certain  circumstances, 
where a user may have access to the Internet 
independent  of  the  current  3G  service 
provider,  he/she  may  have  preferences  of 
how  the  packets  should  flow  to  its 
correspondent  node  if  seamless  mobility  is 
provided.  A  service  provider  can 
communicate  these  preferences  as  a  set  of 
rules  whereas  a  user  could  indicate  or  add 
additional  preferences  through  a  graphical 
user  interface  (GUI)  that  is  part  of  the  MN 
client. 
Two  examples  (Table  I  &  II)  are  given 
herewith to illustrate, how a set of such rules 
along with preferences entered through a GUI 
could  be  converted  into  a  decision  matrix 
used by the client software during handover. 
The  intelligent  handover  algorithm  relies  on 
the  decision  matrix  that  is  constructed  by  a 
set  of  rules  that  are  related  to  normalized 
thresholds.  Such  thresholds  can  be  derived 
from such indices as signal strength reading, 
loading conditions, available bit rate, and cost 
of link. 
Note that each of the examples in (Table I 
&  II)  is  shown  with  a  two‐dimensional 
decision  matrix.  Similarly,  a  multi‐
dimensional decision matrix would have to be 
constructed  if  there  were  more  than  two 
disparate  interfaces  simultaneously  available 
at the MN. 
 
5.  Cellular/VoWLAN  Dual­Mode 
System Architecture and Design  
Figure 7 shows the system architecture of an 
enterprise  cellular/VoWLAN  dual  mode 
service. A cellular/VoWLAN dual mode mobile 
equipped  with  two  radio  interfaces,  i.e.  a 
cellular  interface  and  a  WLAN  interface,  has 
an MSISDN (Mobile Subscriber ISDN) number 
for  its  cellular  interface  and  a  SIP  (session 
initiation  protocol)  URI  (Uniform  Resource 
Identifier) for its WLAN interface. This study 
uses SIP as the call initiation protocol for VoIP 
services. A user with a dual mode mobile can 
choose the network interface for making calls 
based on their personal preferences, network 
connectivity and so on. The proposed design 
routes  the  incoming  calls  to  the  dual  mode 
mobile  to  either  the  cellular  interface  or  the 
WLAN  interface,  depending  on  the  network 
connectivity of the mobile. To provide service 
continuity  between  cellular  and  VoWLAN 
systems without the involvement of a cellular 
operator,  an  enterprise  and  a  dual  mode 
service  provider  are  two  possible 
implementation examples.  
An enterprise can reserve a range of 
PSTN  numbers  or  enterprise  extension 
numbers,  and  install  a  PSTN/VoIP  gateway 
between  PSTN/cellular  networks  and  an 
enterprise  IP  network.  These  PSTN  numbers 
or  extension  numbers  are  assigned  to  dual 
mode mobiles as their new dual mode service 
numbers.  For  implementation  using 
enterprise extension numbers, the dual mode 
service  requires  two  step  dialing,  which 
means callers must dial an enterprise number 
first  followed  by  dialing  other  extension 
numbers.  New  dual  mode  SIP  URIs  that  are 
generated  from  these  numbers  are  further 
allocated  to  these  dual  mode  mobiles. 
Consequently,  dual  mode  mobiles  have  new 
dual  mode  numbers  and  new  dual  mode  SIP 
URIs that are used for dial‐in. Incoming calls 
to  the  dual  mode  numbers  or  SIP  URIs  are 
processed using the proposed procedures. 
N. Jain & H. Shahzad  12  May 2006 
Two  solutions,  “parallel  fork”  and 
“wake‐up  and  register”,  are  proposed  for 
handling  incoming  calls  to  a  dual  mode 
mobile. [26] 
 
5.1  Incoming  calls  to  the  dual  mode 
number ­ parallel fork approach 
First, the parallel fork approach is described. 
Figure  8  illustrates  the  detailed  procedures 
for processing the incoming calls from a PSTN 
or  a  cellular  network  to  the  dual  mode 
number.  Since  the  dual  mode  number  range 
or  the  extension  numbers  are  held  by  an 
enterprise  or  a  dual  mode  service  provider, 
the  incoming  calls  are  routed  to  the 
PSTN/VoIP  gateway  using  the  standard  call 
routing procedure. Once the incoming call to 
the  dual  mode  number  is  received  by  the 
PSTN/VoIP  gateway,  this  gateway  uses  the 
dual mode number as the key for querying the 
database.  If  the  dual  mode  mobile  does  not 
register  its  WLAN  account,  the  database  can 
only  reply  the  cellular  number  of  the  dual 
mode  mobile.  The  PSTN/VoIP  gateway  then 
dials  the  cellular  number  of  the  dual  mode 
mobile  only.  If  the  database  replies  both  a 
cellular  number  and  a  dual  mode  SIP  URI  to 
the  gateway,  the  gateway  dials  the  cellular 
number and also sends a SIP INVITE message 
to the dual mode mobile in parallel. The dual 
mode mobile receives incoming calls from its 
cellular interface, but holds the phone ringing 
for  a  short  period.  The  mobile  activates  its 
WLAN  interface,  obtains  WLAN/IP 
connectivity  and  tries  to  receive  the  SIP 
INVITE  message  from  its  WLAN  interface.  If 
the  mobile  does  receive  the  SIP  message,  it 
responds  to  the  SIP  proxy  server  using  its 
WLAN interface. Finally the dual mode mobile 
rings and the user answer the incoming calls 
via  WLANs.  If  the  dual  mode  mobile  can  not 
receive the SIP INVITE message within a pre‐
configured  time‐out  value  for  any  abnormal 
cases, it rings the users to pick up the call via a 
cellular  interface.  The  cellular  call  to  a  dual 
mode  mobile  is  designed  to  wake  up  the 
WLAN  interface  only,  but  it  is  actually  not 
picked  up  when  VoWLAN  services  are 
available.  
This design facilitates the dual mode 
user  to  be  always  reached  by  a  single  dual 
mode number. Notably, the WLAN interface of 
the dual mode mobile is completely off during 
idle,  and  the  design  significantly  reduces 
WLAN  power  consumption  in  the  idle  mode. 
One problem with this approach is that a SIP 
proxy  sends  a  SIP  INVITE  message  to  a  SIP 
user agent without getting a response, and the 
SIP  proxy  will  activate  exponential  backoffs 
on  SIP  message  retransmissions  [4].  The 
exponential  backoff  retransmission 
mechanism  of  SIP  messages  is  originally 
designed for fixed networks to avoid network 
congestion,  but  it  introduces  extra  call 
establishment delays. One approach could be 
to  just  disable  the  exponential  backoff 
retransmission in the SIP proxy, or apply the 
next  proposed  wake‐up  and  register  method 
to avoid the delay. [26] 
 
5.2  Incoming  calls  to  the  dual  mode 
number ­ wake­up and register approach 
The wake‐up and register method is proposed 
to  avoid  delays  associated  with  the 
exponential  backoff  retransmission  of  SIP 
messages.  The  idea  of  the  wake‐up  and 
register  method  is  that  a  cellular  call  is  still 
used to  activate the WLAN  interface,  but the 
dual mode mobile communicates with the SIP 
proxy  directly  to  poll  SIP  INVITE  messages 
instead of waiting for incoming packets. That 
is, following WLAN is attached; the dual mode 
mobile sends SIP REGISTER to the SIP proxy to 
forward  the  incoming  calls  to  its  current 
location. Unlike the parallel fork approach, the 
wake up and register approach avoids the loss 
and the exponential backoff retransmission of 
the  SIP  INVITE  message,  but  it  requires 
additional time for registering with the server.  
To model the initial call setup latency 
of the proposed methods, Figure 9 presents a 
timing diagram for all possible conditions, and 
illustrates  a  dual  mode  mobile  that  moves 
between  three  different  access  points  (APs). 
The  first  two  APs  belong  to  the  same 
N. Jain & H. Shahzad  13  May 2006 
subnetwork,  but  the  third  one  belongs  to 
another subnetwork domain. The upper part 
of  the  figure  shows  all  of  possible  delays 
introduced  by  the  parallel  fork  approach, 
while  the  lower  part  shows  the  delays 
associated with the wake up and register case. 
Three different situations can occur if 
there is an incoming call to the mobile. One is 
that the WLAN interface activates and finds it 
can still access the same AP. This situation is 
called  a  layer  one  update  case.  After  the 
mobile  receives  the  cellular  paging  message 
from  a  cellular  network,  it  takes  DL1  time  to 
activate  WLAN  interface  and  sense  the 
original  channel  using  the  WLAN  Probe 
Request  and  Probe  Response  messages.  The 
WLAN  interface  then  can  receive  incoming 
packets  from  WLANs.  As  noted  above,  since 
the  parallel  fork  approach  sends  SIP  INVITE 
messages  and  calls  the  dual  mobile  cellular 
number in parallel, the first one or several SIP 
INVITE  messages  may  be  dropped  if  the 
WLAN interface has not yet switched on. The 
SIP proxy server may trigger the exponential 
backoff  retransmission  mechanism  for 
resending the next  SIP INVITE. It is assumed 
that the dual mode mobile finally receives the 
ith SIP INVITE message from a SIP proxy. [26] 
To  avoid  call  loss,  the  parallel  fork 
and wake up and register approaches both set 
a  maximum  waiting  time.  If  a  dual  mode 
mobile can not receive a SIP INVITE message 
from the WLAN interface within the maximum 
waiting  time,  the  mobile  rings  and  the  user 
can  answer  the  cellular  call.  The  maximal 
waiting  time  is  a  manageable  parameter  for 
users.  
Another  situation  is  that  the  WLAN 
interface  wakes  up  but  cannot  sense  the 
original  channel.  This  situation  is  called  the 
layer two update case. The worse case is that 
the  WLAN  interfaces  wakes  up,  finds  a  new 
AP,  but  this  new  AP  is  not  in  the  same 
network domain. 
 
5.3 Periodical location update 
The  above  approaches,  although  efficient  in 
reducing the power consumption of a WLAN 
interface,  they  increase  call  setup  delays, 
particularly  while  a  mobile  activates  and 
situates in a new network. To reduce average 
call  setup  latencies,  periodic  location  update 
procedures  in  idle  mode  are  proposed.  The 
idea  is  that  the  WLAN  must  wake  up 
periodically to check whether it is still in the 
same AP. If the user moves to a new AP, the 
mobile performs either the layer two or layer 
three  updates.  This  updates  reduce  the 
average  call  initial  delay,  but  increase  the 
power  consumption.  The  location  update 
period is a design parameter and the selection 
of the value depends on network environment 
and user mobility models. 
6.  WLAN­UMTS  Interworking 
Architecture 
With  the  wide  deployment  of  hotspots  using 
WLAN  wireless  access  technologies  and  the 
emergence of IP‐based data services provided 
by  mobile  cellular  networks,  the  integration 
between  wireless  wide  area  networks 
(WWANs ex. UMTS) and WLANs has received 
a  great  deal  of  attention  recently.  The 
proposed  integration  architectures  can  be 
classified  into  two types:  loosely  coupled and 
tightly  coupled  interworking.  In  the  former 
architecture,  WWANs  and  WLANs  are 
connected through the Internet, and each is an 
independent IP wireless access domain; in the 
latter  architecture,  WLANs  are  incorporated 
into  WWANs  as  part  of  its  radio  access 
subsystem.  Although  either  approach  has  its 
own merits and demerits, the loosely coupled 
architecture is assumed in this study because 
of its broader application. Figure 10 shows a 
logical view of the WLAN‐UMTS interworking 
architecture  considered  in  this  study.  The 
architecture  is  primarily  focused  on  wireless 
mobile  multimedia  networking  and  is 
constructed  around  an  IP  core  network  (the 
Internet)  with  two  different  types  of  access 
networks:  UMTS  and  WLANs.  The  UMTS 
Release  5  (R5)  multimedia  architecture  [26] 
has  been  proposed  to  provide  multimedia‐
based  services  in  an  all‐IP  environment. 
However,  complete  migration  to  UMTS 
N. Jain & H. Shahzad  14  May 2006 
networks  may  not  be  possible  in  the  near 
future,  and  a  heterogeneous  environment 
could  evolve  with  several  existing  access 
technologies  like  IEEE  802.11‐based 
broadband  WLANs  operating  with  emerging 
core  networks.  This  observation  forms  the 
basis  of  our  selection  criteria  for  the 
architecture  to  be  studied.  The  UMTS  R5 
defines GPRS/Enhanced Data 
Rates  for  GSM  Evolution  (EDGE) 
radio  access  network  (GERAN)  as  its  access 
technology.  It  is  assumed  that  only  GPRS 
access  network  due  to  its  wider  acceptance. 
GPRS  networks  are  built  on  existing  GSM 
(Global  System  for  Mobile  Communications) 
networks  by  adding  a  new  class  of  network 
nodes called the GPRS support nodes (GSN). A 
serving  GPRS  support  node  (SGSN)  is 
responsible for mobility and link management 
and delivering packets to a mobile host (MH) 
under  its  service  area.  A  gateway  GPRS 
support  node  (GGSN)  acts  as  an  interface 
between  the  GPRS  network  and  the  external 
packet  data  networks.  Home  Location 
Register (HLR) and Visited Location Register 
(VLR)  are  two  databases  used  to  keep  user 
location  information  for  mobility 
management.  These  databases  are  derived 
from the  legacy  GSM  architecture.  A  location 
register in the SGSN keeps track of the current 
VLR for a user. [26] 
A salient feature of UMTS R5 is a new 
subsystem,  known  as  the  IP  multimedia 
subsystem (IMS), which works in conjunction 
with  the  packet  switched  core  network  (PS‐
CN)  to  support  legacy  telephony  services  as 
well as new multimedia services.  
SIP  is  the  signaling  protocol  used 
between  the  mobile  handset  (MH)  or  user 
equipment (UE) and the IMS as well as with 
its  internal  components.  As  far  as  SIP 
signaling is concerned, the main component of 
the  IMS  involved  is  the  call  session  control 
function  (CSCF),  which  functions  as  a  SIP 
server. The CSCF plays three roles: the proxy 
CSCF  (P‐CSCF),  interrogating  CSCF  (I‐CSCF), 
and  serving  CSCF  (S‐CSCF).  PCSCF  is  the 
mobile’s  first  point  of  contact  with  the  IMS 
network;  I‐CSCF  is  responsible  for  selecting 
the  appropriate  S‐CSCF  based  on  load  or 
capability;  and  S‐CSCF  is  responsible  for  a 
mobile’s  session  management.  The  other 
access network technology considered is IEEE 
802.11‐based  WLANs.  A  WLAN  access 
network  consists  of  several  access  points 
(APs) providing radio access to the MH. The 
APs  are  connected  to  the  backbone  IP 
network with an Ethernet switch. A Dynamic 
Host Configuration Protocol (DHCP)  server is 
used to assign an IP address to a visiting MH. 
We  assume  that  an  MH  moving  between 
UMTS  networks  and  WLANs  has  separate 
network  interfaces  to  connect  to  these 
networks.  The  MH,  after  moving  to  a  UMTS 
network or WLAN, switches to the respective 
interface  in  order  to  attach  to  the 
corresponding  access  network 
infrastructures.  The  switchover  instant  is 
identified  by  the  reception  of  the  GPRS  pilot 
signal  in  a  UMTS  network  and  the 
characteristics beacon in a WLAN. . [26] 
 
6.1  Vertical  Handoff  in  a  WLAN­UMTS 
Internetwork 
As an application‐layer protocol, SIP relies on 
the  protocols  and  mechanisms  in  the  lower 
layers  to  handle  the  physical  network 
connection. As far as SIP mid‐call mobility is 
concerned, additional procedures are needed 
to get the MHs attached to the wireless access 
network  infrastructure  before  the  SIP  re‐
INVITE message is sent. For example, an MH 
attaches to the GPRS radio access network of a 
UMTS  network  using  the  GPRS  Attach  and 
Packet  Data  Protocol  (PDP)  Context 
Activation procedures, while it uses DHCP to 
attach  to  a  WLAN.  Therefore,  the  vertical 
handoff delay mainly consists of the delay of 
network  attachment  as  well  as  that  of  SIP 
location update. In the following sections we 
describe  the  procedures  of  vertical  handoff 
and  analyze  the  associated  delays.  In 
particular, two cases of vertical handoff are of 
interest:  handoff  from  a  WLAN  to  a  UMTS 
network, and vice versa. . [26] 
 
N. Jain & H. Shahzad  15  May 2006 
 
 
6.1.1 WLAN­to­UMTS Vertical Handoff 
When an MH moves from a WLAN to a UMTS 
network,  it  performs  two  key  functions  to 
initiate a handoff.  
 
a.)  Data  connection  setup,  including  the 
GPRS  Attach  and  the  PDP  Context 
Activation: 
This  establishes  the  data  path  required  to 
carry the  SIP‐related  messages  to  the  Proxy‐
CSCF  through  the  GGSN,  which  acts  as  the 
gateway  for  the  Proxy‐CSCF.  The  messages 
involved in the GPRS Attach and PDP Context 
Activation  procedures  are  shown  in  Figure 
11. As part of the GPRS Attach procedure, the 
MH sends an Attach message (1) to the SGSN 
(responsible for mobility management, logical 
link  management,  and  authentication  and 
charging  functions  in  a  UMTS  network) with 
the  MH’s  international  subscriber  identifier 
(IMSI).  The  SGSN  uses  the  IMSI  to 
authenticate (messages 2, 3, 4, and 5) the MH 
with  its  HLR.  Successful  authentication  is 
followed  by  the  SGSN  sending  a  location 
update  to  the  HLR  (messages  6  and  7).  The 
SGSN finally  completes  the  Attach  procedure 
by sending an Attach Complete message (8) to 
the  MH.  Thus,  a  logical  association  is 
established  between  the  MH  and  the  SGSN. 
Once  an  MH  is  attached  to  an  SGSN,  it  must 
activate  a  PDP  address  (or  IP  address)  to 
begin  packet data communication.  Activation 
of  a  PDP  address  creates  an  association 
between the MH’s current SGSN and the GGSN 
(acting  as  the  interface  between  the 
GPRS/UMTS  backbone  network  and  the 
Internet)  that  anchors  the  PDP  address.  A 
record of such an association is known as the 
PDP context. PDP context transfer is initiated 
by  the  MH  by  sending  a  PDP  Context 
Activation  message  (9)  to  the  SGSN.  The 
SGSN, after receiving this Activation message, 
discovers the appropriate GGSN (messages 10 
and  11).  It  selects  a  GGSN  capable  of 
performing  the  functions  required  for  SIP‐
related activities. The SGSN and GGSN create 
special paths for the transfer of SIP messages 
to the P‐CSCF, which is identified by the GGSN. 
The corresponding IP address of the P‐CSCF is 
sent along with the activation accept message 
(messages 12–16). [26] 
 
b.)  SIP  message  exchange  that  re­
establishes the connection: 
As shown in Fig. 2. the MH re‐invites the CH 
to its new temporary address by sending a SIP 
INVITE message (17) through the P‐CSCF, S‐
CSCF,  and  I‐CSCF  servers.  The  INVITE 
message uses the same call identifier as in the 
original call setup and contains the IP address 
at  the  new  location  in  updated  SDP 
parameters.  Once  the  CH  gets  the  updated 
information  about  the  MH,  it  sends  an  OK 
message  (18)  while  starting  to  send  data.  . 
[26] 
 
6.1.2 UMTS­to­WLAN Vertical Handoff 
When an MH moves from a UMTS network to 
a  WLAN  it  goes  through  the  following  major 
steps to update its location with the CH. 
   
a.) DHCP registration procedure:  
Assigns  a  new  IP  address  for  MH’s  new 
location.  The  message  exchanged  in  the 
registration procedure is shown in Figure 12. 
When  the  MH  identifies  the  presence  of  a 
WLAN  after  receiving  the  characteristics 
beacons,  it  broadcasts  a  DHCP  DISCOVER 
message  (1)  to  discover  the  DHCP  server 
willing  to  lend  it  registration  service.  The 
appropriate  DHCP  server  sends  out  a  DHCP 
OFFER  message  (2)  to  offer  service  to  the 
requesting  MH.  The  MH  on  receiving  this 
OFFER  message  sends  a  DHCP  REQUEST 
message  (3)  to  the  DHCP  server  to  confirm 
the offer made. The DHCP server then sends 
the  MH  a  DHCP  ACK  message  (4)  with  such 
information  as  the  new  IP  address  to  be 
assigned to the MH. . [26] 
 
b.) SIP message exchange:  
Re‐establishes the connection similar to how 
it’s done in UMTS networks, where the MH re‐
invites the CH to its new address by sending a 
N. Jain & H. Shahzad  16  May 2006 
SIP  INVITE  message  (messages  5  and  6,  Fig. 
3) after acquiring the new IP address. [26] 
 
6.2. Effective VoIP Call Routing 
In  UMTS‐WLAN  integration,  a  dual‐mode 
mobile  station  (MS)  typically  disables  the 
WLAN  module  for  power  saving.  A  major 
problem is that for an incoming VoIP call (or 
data  session),  the  MS  will  not  be  able  to 
receive this call from the WLAN. It turns out 
that  the  call  is  directed  to  the  cellular 
network. This section discusses a simple push 
solution where an MS can accurately detect a 
VoIP call from paging signaling of the cellular 
network. Then the WLAN module of the MS is 
turned  on  and  the  VoIP  call  is  connected  to 
the  MS  through  the  relatively  inexpensive 
WLAN. 
Figure  13  illustrates  a  WLAN  and 
cellular  integration  environment  where  the 
MS  typically  attempts  to  access  the  WLAN 
first  for  lower  costs  and  higher  bandwidth 
connection. If the WLAN is not available, the 
MS  then  tries  to  access  the  cellular  network. 
Due to large power consumption of the WLAN 
module, the MS typically turns on the cellular 
module and turns off the WLAN module. The 
WLAN  module  is  turned  on  only  when  the 
user  attempts  to  access  the  WLAN.  A  major 
problem  of  this  usage  style  is  that,  for 
example, the MS cannot receive the incoming 
Voice  over  IP  (VoIP)  calls  from  the  WLAN 
when the WLAN module is off. 
In  [18,  13],  a  push  mechanism  is 
discussed  for  VoIP  incoming  calls  to  WLAN‐
UMTS dual mode MSs. This approach utilizes 
Short  Message  Service  (SMS)  to  alert the  MS. 
In [4], the SMS mechanism is replaced by the 
normal  cellular  paging.  Whenever  the  MS 
receives  an  incoming  cellular  call,  it  always 
attempts  to  connect  to  the  WLAN  first.  If 
successes,  the  call  is  connected  through  the 
WLAN  as  a  VoIP  call.  If  fails,  the  MS  accepts 
the  cellular  call.  One  problem  about  this 
approach is that the MS cannot distinguish a 
normal cellular call (path (5) in Fig. 1) from a 
VoIP  call  that  is  setup  from  the  IP  network 
(path  (1)→  (2)  →  (3)).  Therefore,  for  a 
normal cellular call, the call setup is delayed 
because the MS always attempts to connect to 
the  WLAN  first.  The  MS  always  experiences 
the  WLAN  connection  failure  before 
connecting to the cellular network. 
To  resolve  this  problem,  a  simple 
approach  is  discussed  where  the  MS  can 
detect the “originating network” of the calling 
party. In a typical Internet and Public Switched 
Telephone  Network  (PSTN)  interworking 
example  illustrated  in  Figure  13,  a  Session 
Initiation  Protocol  (SIP)  User  Agent  (UA)  is 
connected to a SIP Call Server. The Call Server 
then  sets  up  the  call  to  the  PSTN  through  a 
PSTN Gateway [1]. In a typical PSTN exercise, 
a  PSTN  Gateway  is  assigned  an  SS7  number 
(say,  46735xxx),  or  a  group  of  leased  lines 
whose  telephone  numbers  have  the  same 
prefix  (e.g.,  46735).  The  push  mechanism  is 
implemented in the Call Server as described in 
[2], [3]. The resulting network node is called 
Call  Server  with  Push  (CSP).  The  CSP 
maintains  a  Dual­mode  MS  (DM)  Table.  This 
table is used to track the call setup status of 
dual‐mode  MSs.  The  MS  maintains  a  PSTN 
Gateway  Table.  For    every  PSTN  Gateway 
connected to the CSP, the SS7 number of the 
PSTN  Gateway  (e.g.,  46735xxx)  and  the 
corresponding fully qualified domain name of 
the CSP (e.g., kth.se) are stored in an entry of 
the table. The next section illustrates how the 
DM table and the PSTN Gateway table can be 
used to correctly activate an MS with turn‐off 
WLAN  module  to  receive  an  incoming  VoIP 
call. [32] 
6.2.1  The  Call  Server  with  Push  (CSP) 
Approach 
Consider the SIP call setup procedure from an 
IP  host  (a  UA)  in  the  external  data  network 
(e.g.,  Internet)  to  an  MS.  The  UMTS  phone 
number of the MS is +46736776474 and the 
fully  qualified  domain  name  of  the  CSP  is 
kth.se. Figure 14 illustrates the message flow 
and is described as follows. [32] 
Step 1. To set up a call to the MS, the UA sends 
an  INVITE  message  to  the  CSP  (Fig.  1  (1)). 
The  INVITE  message  contains  the  SIP 
N. Jain & H. Shahzad  17  May 2006 
Universal Resource Identifier (URI) of the MS, 
i.e.,  +46736776474@kth.se  and  the  Session 
Description Protocol (SDP) that describes the 
Real­Time  Transport  Protocol  (RTP) 
information  of  the  MS.  The  RTP  information 
includes  the  IP  address  and  port  number  of 
the UA. 
Step 2. To resolve the SIP URI in the INVITE 
message,  the  proxy  function  of  the  CSP 
identifies the contact information of the MS. 
(i) If  the  MS  has  registered  to  the  CSP,  the 
CSP forwards the INVITE message to the 
MS  directly,  and  follows  the  normal  SIP 
call setup procedure to connect the call. 
(ii) If not, the CSP routes the call to the PSTN 
according  to  the  phone  number 
+46736776474.  Specifically,  the  CSP 
forwards the INVITE message to the PSTN 
Gateway (Fig. 1 (2)). The CSP also creates 
a record (i.e., a DM record) in its DM table 
for the MS to indicate that the call is set 
up to the PSTN. 
Step 3. The PSTN Gateway generates an SS7 
Initial Address Message (IAM) containing the 
caller  ID  46735xxx  (the  SS7  number  of  the 
PSTN Gateway). Since the destination number 
+46736776474  is  a  UMTS  MS  Integrated 
Services  Digital  Network  (ISDN)  number,  the 
IAM is sent to the UMTS network (Fig. 1 (3)). 
Step  4.  Finally,  the  UMTS  Base  Station  (BS) 
pages the MS. The message carries the caller 
ID 46735xxx. 
Step 5. The MS checks its PSTN Gateway table 
to see if 46735xxx is found. 
(i) If  so,  the  corresponding  fully  qualified 
domain  name  of  the  CSP  (i.e.,  kth.se)  is 
retrieved.  
Step 6 is executed. 
(ii) If  not,  the  MS  answers  the  paging  signal 
from  the  UMTS  BS,  and  follows  the 
normal  UMTS  procedure  to  connect  the 
call. 
At  Step  5,  through  the  caller  ID,  the  MS 
accurately  detects  if  the  incoming  call 
signaling comes from path (5) (Step 5 (b)) or 
from path (1)→ (2) → (3) (Step 5 (a)). 
Step 6. The MS attempts to access the nearby 
WLAN  network.  If  successes,  Step  7  is 
executed. If no WLAN access is available, Step 
5 (b) is executed. 
Step 7. The MS registers its contact address to 
the CSP (the registrar function) through a SIP 
REGISTER  message  (Figure  13  (4)).  The 
registrar  function  updates  the  MS’s  contact 
address  information,  and  returns  a  200  OK 
message  to  the  MS.  Since  the  DM  record 
indicates that the call is being set up for the 
MS (see Step 2 (b)), the CSP determines that 
the  call  should  be  re‐connected  to  the  MS 
through the WLAN. 
Step  8.  The  CSP  (the  proxy  function) 
forwards the INVITE message to the MS. 
Step 9. Upon receipt of the INVITE message, 
the  MS  replies  a  100  Trying  message  to 
indicate that the call is in progress. 
Step 10. The MS plays an audio ringing tone 
to  alarm  the  called  user  and  sends  a  180 
Ringing  message  to  the  UA  through  the  CSP. 
Upon receipt of the 180 Ringing message, the 
UA plays an audio ringback tone to the calling 
user. 
Step  11.  When  the  called  user  picks  up  the 
handset,  the  MS  sends  the  final  200  OK 
message  to  the  UA.  The  200  OK  message 
includes  the  SDP  that  describes  the  RTP 
information of the MS. 
Step 12. Upon receipt of the 200 OK message, 
the UA sends an ACK message to acknowledge 
the MS. The call is connected. 
Step 13. After Step 12, the CSP cancels the call 
setup  procedure  to  the  PSTN  Gateway  by 
sending  a  CANCEL  message.  The  PSTN 
Gateway sends an SS7 Release message to the 
UMTS network. 
Step  14.  The  UMTS  replies  an  SS7  Release 
Complete message to the PSTN Gateway. The 
PSTN  Gateway  replies  a  200  OK  message  to 
the CSP to indicate that the call is successfully 
canceled. 
At this point, the voice path is (1)↔(4). One 
can note the following: 
〉 If any one of Steps 7‐12 fails, the MS will 
execute  Step  5  (b)  to  accept  the  cellular 
call (not shown in the call flow). 
〉 For a non‐VoIP incoming call from UMTS, 
the MS accepts the call immediately (Step 
N. Jain & H. Shahzad  18  May 2006 
5 (b)). Therefore the extra delay in [4] is 
avoided. 
〉 If  the  MS  has  already  registered  at  the 
CSP,  then  the  call  is  set  up  through  the 
WLAN directly at Step 2 (a). 
〉 If  the  MS  cannot  connect  to  any  WLAN 
access point, it accepts the cellular call at 
Step 6. 
〉 There may be several CSP‐PSTN Gateway 
pairs in the MS’s PSTN Gateway table, and 
the  MS  can  detect  the  VoIP  calls  from 
various PSTN Gateways. 
 
7. Conclusion 
Future‐generation  wireless  networks  have 
been envisioned as the integration of various 
wireless  access  networks.  Data  and  voice 
services  will  be  simultaneously  available 
through  the  same  terminal.  In  such 
environments  today,  multiple  issues  in 
multiple  layers  still  have  to  be  resolved  to 
ensure acceptable voice quality through VoIP 
in disparate wireless networks 
Seamless  mobility  support  is  the 
basis  to  provide  uninterrupted  wireless 
services  to  mobile  users  in  such  a 
heterogeneous  network  environment.  This 
paper  presented  also  the  mobility 
management issues regarding VoIP services in 
wireless  access  technologies  convergence. 
Mobile  IP  (network  layer  solution)  and  SIP 
(application layer solution) were described in 
terms  of  mobility  management.  Over  the 
years,  several  schemes  have  been  proposed 
for mobility management in IP networks. For 
delay‐intolerant  applications  such  as  VoIP, 
mobile IP still falls short in terms of providing 
a means of fast handover with minimal or no 
packet loss; although, as a layer 3 protocol for 
seamless  mobility  across  heterogeneous 
networks,  it  has  gained  momentum  in  the 
recent years. Through this paper we discussed 
some  layer  2  enhancements  at  the  MN  that 
work in con‐junction with the mobile IP client 
software  to  enable  make‐before‐break 
handover between heterogeneous networks.  
On  the  other  side,  SIP,  a  widely 
accepted  signaling  protocol,  is  capable  of 
providing mobility support at the application 
layer,  where  there  is  the  least  amount  of 
dependence on the lower layers. In this paper, 
we  also  discussed  the  scenarios  of  vertical 
handoff delay in a WLAN‐UMTS inter‐network 
using  SIP  as  the  terminal  mobility 
management  protocol.  Studies  have  shown 
that the WLAN‐to‐UMTS handoff due to error‐
prone  and  bandwidth‐limited  wireless  links 
incurs  much  larger  delay  than  the  UMTS‐to‐
WLAN  handoff.  In  order  to  comply  with  the 
maximum  limit  of  the  handoff  delay  for 
supporting  delay‐sensitive  applications,  soft 
handoff techniques need to be applied for SIP‐
based  terminal  mobility  management  in 
heterogeneous wireless IP networks. 
  One  of  the  significant  issues  besides 
mobility management in a WLAN and cellular 
integrated  network  is  that  a  dual‐mode  MS 
typically disables the WLAN module to reduce 
the  power  consumption.  Therefore,  the 
incoming  VoIP  calls  to  the  MS  cannot  be 
connected through the WLAN. To address this 
issue, this paper also discussed a Caller Server 
with Push (CSP) mechanism where the MS can 
accurately  detect  the  VoIP  calls  through 
cellular paging, and then the CSP can re‐route 
the call through the WLAN.  
There are some successful stories for 
VoIP  in  converged  wireless  access  networks 
but to enable large deployment of services in 
public  networks  suffers  from  a  number  of 
technical  challenges.  Research  and 
technologies  development  at  both  terminals 
and networks are required urgently, and more 
detail analysis and from different perspectives 
will be very helpful. Besides that the protocol 
between  terminals  and  networks  should  be 
standardized,  opens  issues  such  as  how 
terminals  decide  the  always  best  connected 
issues,  always  on  issue,  and  power 
consumption  issues  needs  to  be  further 
studied. 
 
 
 
 
 
N. Jain & H. Shahzad  19  May 2006 
 
 
References 
1. A.  Acharya,  S.  Berger  and  C. 
Narayanaswami,  “Unleashing  the 
Power  of  Wearable  Devices  in  a  SIP 
Infrastructure”,  Proceedings  of  the 
3rd  IEEE  Int’l  Conf.  on  Pervasive 
Computing  and  Communications 
(PerCom 2005), 2005 
 
2. A.  C.  Snoeren  and  H.  Balakrishnan, 
“An  End‐to‐End  Approach  to  Host 
Mobility”,  Proceedings  of  the  ACM 
Mobicom, August 2000. 
 
3. A. Dutta, F. Vakil, J.‐C. Chen, M. Tauil, 
S.  Baba,  N.  Nakajima,  and  H. 
Schulzrinne,  "Application  layer 
mobility  management  scheme  for 
wireless  Internet",  In  Proc.  of  IEEE 
International  Conference  on  Third 
Generation  Wireless  and  Beyond 
(3Gwireless'01), May 2001. 
 
4. A.  Grilo,  P.  Estrela,  and  M.  Nunes, 
“Terminal  Independent  Mobility  for 
IP  (TIMIP)”,  IEEE  Communication 
Magazine, 2001. 
 
5. A. Rajkumar, P. Feder, S. Benno and T. 
Janiszewski,  “Seamless  SIP‐Based 
VoIP  in  Disparate  Wireless  Systems 
and  Networks”,  Bell  Labs  Technical 
Journal  9(1),  Lucent  Technologies 
Inc., 2004 
 
6. C.  Perkins  and  D.  Johnson,  “Route 
Optimization  in  Mobile  IP”,  IETF 
Draft,  September  2001, 
<http://www.ietf.org/internet‐
drafts/draft‐ietf‐mobileip‐optim‐
11.txt> 
 
7. C. E. Perkins, IP Mobility Support for 
IPv4, RFC 3220, Jan. 2002.  
 
8. C. Perkins (ed.), “IP Mobility Support 
for  IPv4,”  IETF  RFC  3344,  August 
2002, 
<http://www.ietf.org/rfc/rfc3344.txt
?number=3344>. 
 
9. C‐Y.  Wan,  A.  T.  Campbell,  and  A.  G. 
Valko,  “Design,  implementation  and 
Evaluation  of  Cellular  IP”,  IEEE 
Personal Communications, Vol. 7, No. 
4, August 2000. 
 
10. D.  Benenati,  P.  Feder,  N.  Lee,  S. 
Martin‐Leon,  and  R.  Shapira,  “A 
Seamless  Mobile  IP  VPN  Data 
Solution for CDMA, UMTS, and WLAN 
Users,” Bell Labs Tech. J., 7:2, 2002 
 
11. D.  Vali  and  A.  Greece,  “An  Efficient 
Micro‐Mobility  Solution  for  SIP 
Networks”, IEEE Globecom, 2003 
 
12. E. Wedlund, H. Schulzrinne, “Mobility 
support  using  SIP”,  2nd  ACM/IEEE 
International Conference on Wireless 
and Mobile Multimedia, August 1999 
 
13. Feng,  V.  W.‐S.,  Wu.,  L.‐Y.,  Lin,  Y.‐B., 
and Chen, W.‐E., “WGSN: WLAN based 
GPRS  Environment  Support  Node 
with  Push  Mechanism”,  The 
Computer Journal, 47(4),  2004. 
 
14. H.  Schulzrinne,  E.  Wedlund, 
“Application  layer  mobility  using 
SIP”,  Mobile  Computing  and 
Communications  Review,  Volume  4, 
Number 3, 2001 
 
15. Handley,  M.  and  V.  Jacobson,  SDP: 
Session  Description  Protocol,  RFC 
2327, IETF April 1998. 
 
16. J. Ala‐Laurila and et al., “Wireless LAN 
access  network  architecture  for 
mobile  operators,”  IEEE 
Communications  Magazine,  Nov. 
2001. 
N. Jain & H. Shahzad  20  May 2006 
 
 
17. J.  Rosenberg,  H.  Schulzrinne,  G. 
Camarillo, A. Johnston, J. Peterson, R. 
Sparks,  M.  Handley,  and  E.  Schooler, 
“SIP:  Session  Initiation  Protocol”, 
IETF RFC 3261, June 2002. 
 
18. Lin,  Y.‐B.,  Lo,  Y.‐C.,  and  Rao,  C.‐H.  A 
Push Mechanism for GPRS Supporting 
Private  IP  Addresses.  IEEE 
Communications Letters, 5(1), 2003. 
 
19. M.  Buddhikot,  G.  Chandranmenon,  S. 
Han, Y. Lee, S. Miller, and L. Salgarelli, 
“Integration  of  802.11  and  Third‐
Generation Wireless Data Networks,” 
Proceedings of the IEEE Infocom, Vol. 
1, 2003  
 
20. M.  Stemm  and  R.  Katz,  “Vertical 
handoffs  in  wireless  overlay 
networks”,  ACM  Mobile  Networks 
and Applications (MONET), Vol. 3(4), 
1998. 
 
21. N. Banerjee, W. Wu, K. Basu, and S. K. 
Das, “SIP Based Mobility Management 
in 4G Wireless Networks”, Journal of 
Computer  Communications,  special 
issue  on  Research  Directions  in  4th 
Generation  Wireless  Networks,  Vol. 
27/8, 2003. 
 
22. N.  Banerjee,W.Wu,  S.  K.  Das,  and  S. 
Dawkins,  and  J.  Pathak,  “Mobility 
Support  in  Wireless  Internet”,  IEEE 
Wireless  Communications  Magazine, 
Vol. 10, No. 5, 2003. 
 
23. N. Banerjee and S. K. Das, “SIP‐based 
Mobility  Architecture  for  Next 
Generation  Wireless  Networks”, 
Proceedings  of  the  3rd  IEEE  Int’l 
Conf.  on  Pervasive  Computing  and 
Communications  (PerCom  2005), 
2005 
 
24. Q. Zhang, C. Guo, Z. Guo and W. Zhu, 
“Efficient  mobility  management  for 
vertical handoff between WWAN and 
WLAN”,  IEEE  Communications 
Magazine, Vol. 41, No. 11, 2003.  
 
25. R.  Sparks,  “The  Session  Initiation 
Protocol  (SIP)  Refer  Method,”  IETF 
RFC  3515,  2003, 
<http://www.ietf.org/rfc/rfc3515.txt
?number=3515>. 
 
26. Shiao‐Li  Tsao  and  E‐Cheng  Cheng, 
“Reducing  Idle  Mode  Power 
Consumption  of  Cellular/VoWLAN 
Dual  Mode  Mobiles”,  IEEE  Globecom 
2005 
 
27. S. Das, A. McCauley, A. Dutta, A. Misra, 
K. Chakraborty and S. K. Das, “IDMP: 
An  Intra‐Domain  Mobility 
Management  Protocol  for  Next‐
Generation Wireless Networks”, IEEE 
Wireless Communications, Vol. 9, No. 
3, June 2002. 
 
28. T.  La.  Porta,  R.  Ramjee,  L.  Lee,  L. 
Salgerelli,  and  S.  Thuel,  “IP‐based 
access  network  infrastructure  for 
next‐generation  wireless  data 
networks”  IEEE  Personal 
Communications, Vol. 7, No. 4, August 
2000. 
 
29. The Internet Engineering Task Force, 
http://www.itef.org  
 
30. W. Wu, N. Banerjee, K. Basu and S.K. 
Das,  ”  SIP‐Based  Vertical  Handoff 
Between WWANs and WLANs”, IEEE 
Wireless  Communications  Magazine, 
June 2005 
 
31. W.  Jiang,  J.  Lennox,  H.  Schulzrinne 
and  K.  Singh.  Towards  Junking  the 
PBX:  Deploying  IP  Telephony. 
NOSSDAV, 2001 
 
N. Jain & H. Shahzad  21  May 2006 
32. Yi‐Bing Lin, Whai‐En Chen and Chai‐
Hien Gan, “Effective VoIP Call Routing 
in  WLAN  and  Cellular  Integration”, 
IEEE Communications Letters, Vol. 9, 
No. 10, October 2005 
 
33. 3rd  Generation  Partnership  Project, 
“Technical  Specification  Group 
Services  and  Systems  Aspects; 
Network  Architecture,”  TS  23.002, 
<http://www.3gpp.org/ftp/Specs/ht
ml‐info/23002.htm>. 
 
34. 3rd  Generation  Partnership  Project, 
“Technical  Specification  Group 
Service  and  Systems  Aspects;  IP 
Multimedia  Subsystem  (IMS);  Stage 
2,”  TS  23.228, 
<http://www.3gpp.org/ftp/Specs/ht
ml‐info/23228.htm>. 
 
35. 3rd  Generation  Partnership  Project, 
“Technical  Specification  Group  Core 
Network;  IP  Multimedia  Call  Control 
Protocol  based  on  Session  Initiation 
Protocol (SI) and Session Description 
Protocol  (SDP);  Stage  3,”  TS  24.229, 
<http://www.3gpp.org/ftp/Specs/ht
ml‐info/24228.htm> 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figures and Tables 
 
Figure 1. SIP Architecture 
 
 
 
Figure 2. SIP Call Setup & Media Path 
 
 
Figure 3. Basic Call Flow 
 
 
Figure 4. Basic SIP Exchange 
 
 
Figure 5. Mobile IP with Foreign Agent 
 
Figure 6. ”Make­before­break” switching for overlapped coverage and “break­before­make” 
switching for non­overlapped coverage 
 
 
 
 
Figure 7. Design example of integrated VoWLAN/Celluar Service 
 
Figure 8. Routing of incoming calls to a duel mode mobile using parallel fork approach 
 
 
Figure 9. Timing diagram of parallel fork, wake­up and register approaches 
 
Figure 10. WLAN­UMTS Interworking Architecture 
 
 
Figure 11. Signaling for WLAN­to­UMTS Handoff 
 
Figure 12. Signaling for UMTS­to­WLAN Handoff 
 
 
Figure 13. WLAN and Cellular integration environment 
 
 
Figure 14. Message Flow for an incoming call to the dual­mode mobile MS 
 
 
Figure X. Illustration of future voice over converged wireless networks 

More Related Content

What's hot

Vo ip on 3gpp lte network a survey
Vo ip on 3gpp lte network a surveyVo ip on 3gpp lte network a survey
Vo ip on 3gpp lte network a surveyAlexander Decker
 
Next Generation Network
Next Generation NetworkNext Generation Network
Next Generation Networkjsgarnto
 
Performance Evaluation of Interactive Video Streaming over WiMAX Network
Performance Evaluation of Interactive Video Streaming over WiMAX Network Performance Evaluation of Interactive Video Streaming over WiMAX Network
Performance Evaluation of Interactive Video Streaming over WiMAX Network IJECEIAES
 
IRJET- Campus-Wide Internet Telephony Design and Simulation using Voice over ...
IRJET- Campus-Wide Internet Telephony Design and Simulation using Voice over ...IRJET- Campus-Wide Internet Telephony Design and Simulation using Voice over ...
IRJET- Campus-Wide Internet Telephony Design and Simulation using Voice over ...IRJET Journal
 
NGN Next Generation Network
NGN Next Generation NetworkNGN Next Generation Network
NGN Next Generation NetworkHavar Bathaee
 
LTE: The Vision Beyond 3G
LTE: The Vision Beyond 3GLTE: The Vision Beyond 3G
LTE: The Vision Beyond 3GGoing LTE
 
The secret of TCP/IP and how it affects your PBX
The secret of TCP/IP and how it affects your PBXThe secret of TCP/IP and how it affects your PBX
The secret of TCP/IP and how it affects your PBXOlle E Johansson
 
A NEW SYSTEM ON CHIP RECONFIGURABLE GATEWAY ARCHITECTURE FOR VOICE OVER INTER...
A NEW SYSTEM ON CHIP RECONFIGURABLE GATEWAY ARCHITECTURE FOR VOICE OVER INTER...A NEW SYSTEM ON CHIP RECONFIGURABLE GATEWAY ARCHITECTURE FOR VOICE OVER INTER...
A NEW SYSTEM ON CHIP RECONFIGURABLE GATEWAY ARCHITECTURE FOR VOICE OVER INTER...csandit
 
Next Generation Network Architecture
Next Generation Network ArchitectureNext Generation Network Architecture
Next Generation Network ArchitectureAPNIC
 
Ttalteoverview 100923032416 Phpapp01 (1)
Ttalteoverview 100923032416 Phpapp01 (1)Ttalteoverview 100923032416 Phpapp01 (1)
Ttalteoverview 100923032416 Phpapp01 (1)Deepak Sharma
 
Interworking Wi-Fi and mobile networks
Interworking Wi-Fi and mobile networksInterworking Wi-Fi and mobile networks
Interworking Wi-Fi and mobile networksMichal Jarski
 
170511 ngmn e2_e_archframework_v0.6.5
170511 ngmn e2_e_archframework_v0.6.5170511 ngmn e2_e_archframework_v0.6.5
170511 ngmn e2_e_archframework_v0.6.5Saurabh Verma
 
International Journal of Engineering Research and Development (IJERD)
International Journal of Engineering Research and Development (IJERD)International Journal of Engineering Research and Development (IJERD)
International Journal of Engineering Research and Development (IJERD)IJERD Editor
 
4g overview
4g overview4g overview
4g overviewciddic
 

What's hot (19)

Launch a Successful LTE Footprints in Bangladesh
Launch a Successful LTE Footprints in BangladeshLaunch a Successful LTE Footprints in Bangladesh
Launch a Successful LTE Footprints in Bangladesh
 
Ngn
NgnNgn
Ngn
 
Monetizing 4G LTE : How we make money out of LTE
Monetizing 4G LTE : How we make money out of LTEMonetizing 4G LTE : How we make money out of LTE
Monetizing 4G LTE : How we make money out of LTE
 
Vo ip on 3gpp lte network a survey
Vo ip on 3gpp lte network a surveyVo ip on 3gpp lte network a survey
Vo ip on 3gpp lte network a survey
 
Next Generation Network
Next Generation NetworkNext Generation Network
Next Generation Network
 
Performance Evaluation of Interactive Video Streaming over WiMAX Network
Performance Evaluation of Interactive Video Streaming over WiMAX Network Performance Evaluation of Interactive Video Streaming over WiMAX Network
Performance Evaluation of Interactive Video Streaming over WiMAX Network
 
IRJET- Campus-Wide Internet Telephony Design and Simulation using Voice over ...
IRJET- Campus-Wide Internet Telephony Design and Simulation using Voice over ...IRJET- Campus-Wide Internet Telephony Design and Simulation using Voice over ...
IRJET- Campus-Wide Internet Telephony Design and Simulation using Voice over ...
 
NGN Next Generation Network
NGN Next Generation NetworkNGN Next Generation Network
NGN Next Generation Network
 
LTE: The Vision Beyond 3G
LTE: The Vision Beyond 3GLTE: The Vision Beyond 3G
LTE: The Vision Beyond 3G
 
The secret of TCP/IP and how it affects your PBX
The secret of TCP/IP and how it affects your PBXThe secret of TCP/IP and how it affects your PBX
The secret of TCP/IP and how it affects your PBX
 
A NEW SYSTEM ON CHIP RECONFIGURABLE GATEWAY ARCHITECTURE FOR VOICE OVER INTER...
A NEW SYSTEM ON CHIP RECONFIGURABLE GATEWAY ARCHITECTURE FOR VOICE OVER INTER...A NEW SYSTEM ON CHIP RECONFIGURABLE GATEWAY ARCHITECTURE FOR VOICE OVER INTER...
A NEW SYSTEM ON CHIP RECONFIGURABLE GATEWAY ARCHITECTURE FOR VOICE OVER INTER...
 
Next Generation Network Architecture
Next Generation Network ArchitectureNext Generation Network Architecture
Next Generation Network Architecture
 
Voip on Wimax
Voip on WimaxVoip on Wimax
Voip on Wimax
 
Ttalteoverview 100923032416 Phpapp01 (1)
Ttalteoverview 100923032416 Phpapp01 (1)Ttalteoverview 100923032416 Phpapp01 (1)
Ttalteoverview 100923032416 Phpapp01 (1)
 
Broadcasting 3.0
Broadcasting 3.0Broadcasting 3.0
Broadcasting 3.0
 
Interworking Wi-Fi and mobile networks
Interworking Wi-Fi and mobile networksInterworking Wi-Fi and mobile networks
Interworking Wi-Fi and mobile networks
 
170511 ngmn e2_e_archframework_v0.6.5
170511 ngmn e2_e_archframework_v0.6.5170511 ngmn e2_e_archframework_v0.6.5
170511 ngmn e2_e_archframework_v0.6.5
 
International Journal of Engineering Research and Development (IJERD)
International Journal of Engineering Research and Development (IJERD)International Journal of Engineering Research and Development (IJERD)
International Journal of Engineering Research and Development (IJERD)
 
4g overview
4g overview4g overview
4g overview
 

Viewers also liked

Mazharul Islam Khan (063457056)
Mazharul Islam Khan (063457056)Mazharul Islam Khan (063457056)
Mazharul Islam Khan (063457056)mashiur
 
Asifur Rahman Khan 072852056
Asifur Rahman Khan 072852056Asifur Rahman Khan 072852056
Asifur Rahman Khan 072852056mashiur
 
Shah M Saklaen 072809056
Shah M Saklaen 072809056Shah M Saklaen 072809056
Shah M Saklaen 072809056mashiur
 
VoIP GP ( Updated with Int )
VoIP GP ( Updated with Int )VoIP GP ( Updated with Int )
VoIP GP ( Updated with Int )Ahmed Al-Dabbagh
 
Voip Recommendation
Voip RecommendationVoip Recommendation
Voip Recommendationchris20854
 
Yue_Wang_Resume 2015 Update
Yue_Wang_Resume 2015 UpdateYue_Wang_Resume 2015 Update
Yue_Wang_Resume 2015 UpdateYue Wang
 
document for Voice banking system mini project
document for Voice banking system mini projectdocument for Voice banking system mini project
document for Voice banking system mini projectJal Pari
 
Hacking SIP Like a Boss!
Hacking SIP Like a Boss!Hacking SIP Like a Boss!
Hacking SIP Like a Boss!Fatih Ozavci
 
VoIP Wars: Destroying Jar Jar Lync (Unfiltered version)
VoIP Wars: Destroying Jar Jar Lync (Unfiltered version)VoIP Wars: Destroying Jar Jar Lync (Unfiltered version)
VoIP Wars: Destroying Jar Jar Lync (Unfiltered version)Fatih Ozavci
 
Final project on idea
Final project on ideaFinal project on idea
Final project on ideachandan3129
 
The Art of VoIP Hacking - Defcon 23 Workshop
The Art of VoIP Hacking - Defcon 23 WorkshopThe Art of VoIP Hacking - Defcon 23 Workshop
The Art of VoIP Hacking - Defcon 23 WorkshopFatih Ozavci
 
VoIP Wars: Attack of the Cisco Phones
VoIP Wars: Attack of the Cisco PhonesVoIP Wars: Attack of the Cisco Phones
VoIP Wars: Attack of the Cisco PhonesFatih Ozavci
 
VoIP Wars : Return of the SIP
VoIP Wars : Return of the SIP VoIP Wars : Return of the SIP
VoIP Wars : Return of the SIP Fatih Ozavci
 

Viewers also liked (20)

Mazharul Islam Khan (063457056)
Mazharul Islam Khan (063457056)Mazharul Islam Khan (063457056)
Mazharul Islam Khan (063457056)
 
Asifur Rahman Khan 072852056
Asifur Rahman Khan 072852056Asifur Rahman Khan 072852056
Asifur Rahman Khan 072852056
 
Shah M Saklaen 072809056
Shah M Saklaen 072809056Shah M Saklaen 072809056
Shah M Saklaen 072809056
 
VoIP GP ( Updated with Int )
VoIP GP ( Updated with Int )VoIP GP ( Updated with Int )
VoIP GP ( Updated with Int )
 
A W T Profoss VoIP & Asterisk
A W T  Profoss VoIP & AsteriskA W T  Profoss VoIP & Asterisk
A W T Profoss VoIP & Asterisk
 
Voip Recommendation
Voip RecommendationVoip Recommendation
Voip Recommendation
 
I.Remeika-CV_Detailed
I.Remeika-CV_DetailedI.Remeika-CV_Detailed
I.Remeika-CV_Detailed
 
Yue_Wang_Resume 2015 Update
Yue_Wang_Resume 2015 UpdateYue_Wang_Resume 2015 Update
Yue_Wang_Resume 2015 Update
 
Proyecto Open Pi Phone
Proyecto Open Pi PhoneProyecto Open Pi Phone
Proyecto Open Pi Phone
 
Ip telephony ppt
Ip telephony pptIp telephony ppt
Ip telephony ppt
 
Ip telephony
Ip telephonyIp telephony
Ip telephony
 
IP PBX
IP PBXIP PBX
IP PBX
 
document for Voice banking system mini project
document for Voice banking system mini projectdocument for Voice banking system mini project
document for Voice banking system mini project
 
Hacking SIP Like a Boss!
Hacking SIP Like a Boss!Hacking SIP Like a Boss!
Hacking SIP Like a Boss!
 
IP Telephony
IP TelephonyIP Telephony
IP Telephony
 
VoIP Wars: Destroying Jar Jar Lync (Unfiltered version)
VoIP Wars: Destroying Jar Jar Lync (Unfiltered version)VoIP Wars: Destroying Jar Jar Lync (Unfiltered version)
VoIP Wars: Destroying Jar Jar Lync (Unfiltered version)
 
Final project on idea
Final project on ideaFinal project on idea
Final project on idea
 
The Art of VoIP Hacking - Defcon 23 Workshop
The Art of VoIP Hacking - Defcon 23 WorkshopThe Art of VoIP Hacking - Defcon 23 Workshop
The Art of VoIP Hacking - Defcon 23 Workshop
 
VoIP Wars: Attack of the Cisco Phones
VoIP Wars: Attack of the Cisco PhonesVoIP Wars: Attack of the Cisco Phones
VoIP Wars: Attack of the Cisco Phones
 
VoIP Wars : Return of the SIP
VoIP Wars : Return of the SIP VoIP Wars : Return of the SIP
VoIP Wars : Return of the SIP
 

Similar to 2G1325_VoIP-Paper

Effects of SIP in Interoperable LMR/Cellular Heterogeneous Mobile Wireless N...
Effects of SIP in Interoperable LMR/Cellular Heterogeneous  Mobile Wireless N...Effects of SIP in Interoperable LMR/Cellular Heterogeneous  Mobile Wireless N...
Effects of SIP in Interoperable LMR/Cellular Heterogeneous Mobile Wireless N...IOSR Journals
 
Mobility Management For Next Generation Networks
Mobility Management For Next Generation NetworksMobility Management For Next Generation Networks
Mobility Management For Next Generation NetworksGreen Packet
 
SIP-Based Mobility Management for LTE-WiMAX-WLAN Interworking Using IMS Archi...
SIP-Based Mobility Management for LTE-WiMAX-WLAN Interworking Using IMS Archi...SIP-Based Mobility Management for LTE-WiMAX-WLAN Interworking Using IMS Archi...
SIP-Based Mobility Management for LTE-WiMAX-WLAN Interworking Using IMS Archi...CSCJournals
 
Rapidly IPv6 multimedia management schemes based LTE-A wireless networks
Rapidly IPv6 multimedia management schemes based LTE-A wireless networksRapidly IPv6 multimedia management schemes based LTE-A wireless networks
Rapidly IPv6 multimedia management schemes based LTE-A wireless networksIJECEIAES
 
A survey of integrating ip mobilitly protocols and mobile ad hoc networks
A survey of integrating ip mobilitly protocols and mobile ad hoc networksA survey of integrating ip mobilitly protocols and mobile ad hoc networks
A survey of integrating ip mobilitly protocols and mobile ad hoc networksSivam Manickam
 
Towards Future 4G Mobile Networks: A Real-World IMS Testbed
Towards Future 4G Mobile Networks: A Real-World IMS TestbedTowards Future 4G Mobile Networks: A Real-World IMS Testbed
Towards Future 4G Mobile Networks: A Real-World IMS Testbedjosephjonse
 
TOWARDS FUTURE 4G MOBILE NETWORKS: A REAL-WORLD IMS TESTBED
TOWARDS FUTURE 4G MOBILE NETWORKS: A REAL-WORLD IMS TESTBEDTOWARDS FUTURE 4G MOBILE NETWORKS: A REAL-WORLD IMS TESTBED
TOWARDS FUTURE 4G MOBILE NETWORKS: A REAL-WORLD IMS TESTBEDijngnjournal
 
Low-cost wireless mesh communications based on openWRT and voice over interne...
Low-cost wireless mesh communications based on openWRT and voice over interne...Low-cost wireless mesh communications based on openWRT and voice over interne...
Low-cost wireless mesh communications based on openWRT and voice over interne...IJECEIAES
 
Ims architecture white_paper
Ims architecture white_paperIms architecture white_paper
Ims architecture white_paperPrashant Sengar
 
Ims architecture white_paper
Ims architecture white_paperIms architecture white_paper
Ims architecture white_paperDivyansh Gupta
 
Ims architecture white_paper
Ims architecture white_paperIms architecture white_paper
Ims architecture white_paperHema Makani
 
VOIP PERFORMANCE OVER BROADBAND WIRELESS NETWORKS UNDER STATIC AND MOBILE ENV...
VOIP PERFORMANCE OVER BROADBAND WIRELESS NETWORKS UNDER STATIC AND MOBILE ENV...VOIP PERFORMANCE OVER BROADBAND WIRELESS NETWORKS UNDER STATIC AND MOBILE ENV...
VOIP PERFORMANCE OVER BROADBAND WIRELESS NETWORKS UNDER STATIC AND MOBILE ENV...ijwmn
 
AN ADAPTIVE DIFFSERV APPROACH TO SUPPORT QOS IN NETWORK MOBILITY NEMO ENVIRON...
AN ADAPTIVE DIFFSERV APPROACH TO SUPPORT QOS IN NETWORK MOBILITY NEMO ENVIRON...AN ADAPTIVE DIFFSERV APPROACH TO SUPPORT QOS IN NETWORK MOBILITY NEMO ENVIRON...
AN ADAPTIVE DIFFSERV APPROACH TO SUPPORT QOS IN NETWORK MOBILITY NEMO ENVIRON...IJCNCJournal
 
Sb wireless-mobile
Sb wireless-mobileSb wireless-mobile
Sb wireless-mobile佳钐 赵
 
Energize your Unified Communications with SIP
Energize your Unified Communications with SIPEnergize your Unified Communications with SIP
Energize your Unified Communications with SIPXO Communications
 
Ct3210321037
Ct3210321037Ct3210321037
Ct3210321037IJMER
 
AN ARCHITECTURAL FRAMEWORK FOR DELIVERING SIP-AS MULTIMEDIA SERVICES BASED ON...
AN ARCHITECTURAL FRAMEWORK FOR DELIVERING SIP-AS MULTIMEDIA SERVICES BASED ON...AN ARCHITECTURAL FRAMEWORK FOR DELIVERING SIP-AS MULTIMEDIA SERVICES BASED ON...
AN ARCHITECTURAL FRAMEWORK FOR DELIVERING SIP-AS MULTIMEDIA SERVICES BASED ON...ijngnjournal
 
A proposal to enhance cellular and wifi
A proposal to enhance cellular and wifiA proposal to enhance cellular and wifi
A proposal to enhance cellular and wifiIJCNCJournal
 
An Architectural Framework for Delivering Sip-As Multimedia Services Based on...
An Architectural Framework for Delivering Sip-As Multimedia Services Based on...An Architectural Framework for Delivering Sip-As Multimedia Services Based on...
An Architectural Framework for Delivering Sip-As Multimedia Services Based on...josephjonse
 

Similar to 2G1325_VoIP-Paper (20)

Effects of SIP in Interoperable LMR/Cellular Heterogeneous Mobile Wireless N...
Effects of SIP in Interoperable LMR/Cellular Heterogeneous  Mobile Wireless N...Effects of SIP in Interoperable LMR/Cellular Heterogeneous  Mobile Wireless N...
Effects of SIP in Interoperable LMR/Cellular Heterogeneous Mobile Wireless N...
 
Mobility Management For Next Generation Networks
Mobility Management For Next Generation NetworksMobility Management For Next Generation Networks
Mobility Management For Next Generation Networks
 
SIP-Based Mobility Management for LTE-WiMAX-WLAN Interworking Using IMS Archi...
SIP-Based Mobility Management for LTE-WiMAX-WLAN Interworking Using IMS Archi...SIP-Based Mobility Management for LTE-WiMAX-WLAN Interworking Using IMS Archi...
SIP-Based Mobility Management for LTE-WiMAX-WLAN Interworking Using IMS Archi...
 
Rapidly IPv6 multimedia management schemes based LTE-A wireless networks
Rapidly IPv6 multimedia management schemes based LTE-A wireless networksRapidly IPv6 multimedia management schemes based LTE-A wireless networks
Rapidly IPv6 multimedia management schemes based LTE-A wireless networks
 
A survey of integrating ip mobilitly protocols and mobile ad hoc networks
A survey of integrating ip mobilitly protocols and mobile ad hoc networksA survey of integrating ip mobilitly protocols and mobile ad hoc networks
A survey of integrating ip mobilitly protocols and mobile ad hoc networks
 
Towards Future 4G Mobile Networks: A Real-World IMS Testbed
Towards Future 4G Mobile Networks: A Real-World IMS TestbedTowards Future 4G Mobile Networks: A Real-World IMS Testbed
Towards Future 4G Mobile Networks: A Real-World IMS Testbed
 
TOWARDS FUTURE 4G MOBILE NETWORKS: A REAL-WORLD IMS TESTBED
TOWARDS FUTURE 4G MOBILE NETWORKS: A REAL-WORLD IMS TESTBEDTOWARDS FUTURE 4G MOBILE NETWORKS: A REAL-WORLD IMS TESTBED
TOWARDS FUTURE 4G MOBILE NETWORKS: A REAL-WORLD IMS TESTBED
 
Low-cost wireless mesh communications based on openWRT and voice over interne...
Low-cost wireless mesh communications based on openWRT and voice over interne...Low-cost wireless mesh communications based on openWRT and voice over interne...
Low-cost wireless mesh communications based on openWRT and voice over interne...
 
Ims architecture white_paper
Ims architecture white_paperIms architecture white_paper
Ims architecture white_paper
 
Ims architecture white_paper
Ims architecture white_paperIms architecture white_paper
Ims architecture white_paper
 
Ims architecture white_paper
Ims architecture white_paperIms architecture white_paper
Ims architecture white_paper
 
VOIP PERFORMANCE OVER BROADBAND WIRELESS NETWORKS UNDER STATIC AND MOBILE ENV...
VOIP PERFORMANCE OVER BROADBAND WIRELESS NETWORKS UNDER STATIC AND MOBILE ENV...VOIP PERFORMANCE OVER BROADBAND WIRELESS NETWORKS UNDER STATIC AND MOBILE ENV...
VOIP PERFORMANCE OVER BROADBAND WIRELESS NETWORKS UNDER STATIC AND MOBILE ENV...
 
AN ADAPTIVE DIFFSERV APPROACH TO SUPPORT QOS IN NETWORK MOBILITY NEMO ENVIRON...
AN ADAPTIVE DIFFSERV APPROACH TO SUPPORT QOS IN NETWORK MOBILITY NEMO ENVIRON...AN ADAPTIVE DIFFSERV APPROACH TO SUPPORT QOS IN NETWORK MOBILITY NEMO ENVIRON...
AN ADAPTIVE DIFFSERV APPROACH TO SUPPORT QOS IN NETWORK MOBILITY NEMO ENVIRON...
 
Sb wireless-mobile
Sb wireless-mobileSb wireless-mobile
Sb wireless-mobile
 
Energize your Unified Communications with SIP
Energize your Unified Communications with SIPEnergize your Unified Communications with SIP
Energize your Unified Communications with SIP
 
Ct3210321037
Ct3210321037Ct3210321037
Ct3210321037
 
AN ARCHITECTURAL FRAMEWORK FOR DELIVERING SIP-AS MULTIMEDIA SERVICES BASED ON...
AN ARCHITECTURAL FRAMEWORK FOR DELIVERING SIP-AS MULTIMEDIA SERVICES BASED ON...AN ARCHITECTURAL FRAMEWORK FOR DELIVERING SIP-AS MULTIMEDIA SERVICES BASED ON...
AN ARCHITECTURAL FRAMEWORK FOR DELIVERING SIP-AS MULTIMEDIA SERVICES BASED ON...
 
A proposal to enhance cellular and wifi
A proposal to enhance cellular and wifiA proposal to enhance cellular and wifi
A proposal to enhance cellular and wifi
 
5 g technology
5 g technology5 g technology
5 g technology
 
An Architectural Framework for Delivering Sip-As Multimedia Services Based on...
An Architectural Framework for Delivering Sip-As Multimedia Services Based on...An Architectural Framework for Delivering Sip-As Multimedia Services Based on...
An Architectural Framework for Delivering Sip-As Multimedia Services Based on...
 

2G1325_VoIP-Paper

  • 1. N. Jain & H. Shahzad  1  May 2006  Abstract­ Future generation wireless networks  have  been  envisioned  as  the  integration  of  various  wireless  access  networks,  including  both wireless wide area networks and wireless  local  area  networks.  In  such  a  heterogeneous  network environment, seamless mobility is the  basis  of  providing  uninterrupted  wireless  service  to  mobile  users  roaming  between  wireless  access  networks.  Because  of  transparency  to  lower  layer  characteristics,  ease of deployment, and greater scalability, the  application­layer  based  Session  Initiation  Protocol  (SIP)  has  been  considered  the  right  candidate  for  handling  mobility  in  heterogeneous wireless networks. However, SIP  entails  application­layer  transport  and  processing  of  messages,  which  may  introduce  considerable  delay.  In  this  review  paper,  we  brief  the  current  technology  status  of  the  performance  of  mobility  management  protocols  in  the  heterogeneous  wireless  networks  and  summarize  research  challenges  of VoIP over wireless networks.     1. Introduction  Wireless  networks  beyond  2G  aim  at  supporting  real‐time  applications  such  as  VoIP.  Signaling  protocols  such  as  session  initiation  protocol  (SIP)  are  used  to  set  up  VoIP  calls.    SIP  is  evolving  as  the  dominant  protocol for voice call control in IP networks  and is expected to be widely deployed in the  near future. Using SIP for supporting mobility  in  SIP  based  networks  appears  as  a  very  attractive option, taking advantage of existing  SIP  infrastructure  and  signaling.  The  integration  of  cellular  and  voice  over  WLAN  (VoWLAN)  systems  recently  has  attracted  considerable interest from both academia and  industry.  A  cellular/VoWLAN  dual  mode  system helps mobile users to access a low cost  voice over IP (VoIP) service in a WLAN area  and switch to a wide‐coverage cellular system  without WLANs. Figure X  VoWLAN  is  a  new  communication  technology  by  combining  two  popular  technologies ‐ VoIP and WiFi. In other words,  it  is  to  achieving  VoIP  communication  in  the  WiFi network environment. The VoWLAN will  enable  enterprise  to  facilitate  the  use  of  existing  WiFi  infrastructure  to  provide  voice  service  to  increases  productivity  and  save  costs.  Due  to  the  low  coverage  of  WiFi,  it  is  then necessarily to design a handoff between  VoWLAN  and  cellular  in  order  to  take  advantages  of  wide  coverage  of  the  cellular  network.  This  paper  demonstrates  the  handoff  mechanism  specifically  designed  for  roaming  between  VoWLAN  and  cellular  networks.  It  includes  a  comprehensive  technical  review  of  the  current  handoff  technologies  used  in  VoWLAN  and  cellular  network.  The  explosive  growth  of  mobile  phone  users  worldwide,  along  with  the  increasing  Internet  penetration  in  human  populations,  has  led  to  the  users’  need  for  accessing  high  speed  Internet  data  applications  via  their  mobile  terminal,  while  still  being  able  to  make  high  quality  voice  calls.  There have also been efforts [12, 14] for  supporting IP mobility at the application layer  using the Session Initiation Protocol (SIP), as  an alternative to network‐layer mobility.   This poses an opportunity as well as a  challenge for the wireless operators. With 3G  networks  on  the  one  hand  and  WLAN  technologies on the other, wireless operators  can  integrate  these  complementary  technologies to their advantage [10, 19] while  providing  the  end  user  with  a  seamless  experience.  Users  can  connect  through  a  WLAN  when they  are  in  a hotspot,  like their  workplace  or  their  home,  but  their  calls  can  be  handed  over  to  cellular  networks  as  they  roam  out  of  the  hotspot.  This  is  valuable  to  users  because  it  combines  the  freedom  of  mobility  with  the  low‐cost  access  of  WLAN  while using a single end‐user mobile station. It  is  also  attractive  to  3G  service  providers  because  it  extends  the  reach  of  their  networks.  However,  the  challenge  here  is  the  problem  of  seamlessly  handing  over  a  call  from  one  air  interface  to  another.  Real‐time  applications,  such  as  conversational  voice  or  multimedia  over  IP,  are  especially  intolerant  of  service  interruption  during  handover.    Mobile  IP,  a  layer  3  protocol,  SIP Based VoIP over Converged Wireless Access Networks  Jain, Nishant & Shahzad, Hamid  School of Information & Communication Technology  Royal Institute of Technology  Stockholm, Sweden
  • 2. N. Jain & H. Shahzad  2  May 2006  maintains  a  data  session  across  heterogeneous air interfaces. Maintaining the  same  IP  address  enables  applications  to  be  ignorant  to  changes  in  the  physical  layer.  Although  mobile  IP  maintains  seamless  session  management  across  distinct  networks,  it  does  not  ensure  that  the  switchover  from  one  physical  interface  to  another  is  performed  in  a  “make‐before‐ break”  fashion  to  prevent  packet  loss  during  the transition.   Session  initiation  protocol  (SIP)  has  been  proposed  as  a  layer  5  alternative  for  mobile  IP  [14],  but  SIP  cannot  support  persistent  transmission  control  protocol  (TCP)  connections,  and  it  is  suitable  neither  for micro‐mobility (mobility within a domain)  nor  for  macro‐mobility  (mobility  across  domains). Furthermore, the delay in obtaining  a  new  IP  address  and  performing  the  authentication process is excessive. For long‐ lived  TCP  connections,  [12]  suggests  using  mobile IP as a more desirable protocol.   We  begin  the  paper  by  providing  an  overview of the SIP protocol and the various  types  of  mobility  that  have  been  defined  in  this context in the literature. We follow it by  briefly  describing  the  mobile  IP  architecture  and  its  components.  We  then  describe  the  central  idea  of  the  paper  by  addressing  the  issue  of  seamless  data  session  handover  between  3G  and  WLAN  technologies.    The  paper  also  discusses  about  the  cellular/VoWLAN  service  scenario  which  involves a user with a dual mode mobile being  able  to  access  VoWLAN  in  enterprise  or  hot  spot WLANs, and switch to a cellular system  without  WLAN  coverage;  thus  reducing  the  cost  of  mobile  telecommunication  services,  while  also  achieving  high  mobility  and  wide  coverage [16].    2. SIP­Based VoIP  Mobility management protocols are in general  responsible  for  supporting  services  seamlessly  across  heterogeneous  access  networks  that  require  connection  migration  from one network to another. This is known  as  the  vertical  handoff.  Thus,  in  addition  to  providing location transparency, the mobility  management protocols in this case also need  to  provide  network  transparency.  A  number  of research works has been directed towards  solving  the  vertical  handoff  problem  for  IP  based  networks  [19,  20,  24].  Most  of  these  works  are  based  on  Mobile  IP  [7].  However,  Mobile  IP  suffers  from  the  problem  of  triangular  routing  which  is  detrimental  to  real‐time  traffic  like  streaming  multimedia,  where  the  important  issues  are  fast  handoff,  low  latency  and  minimal  packet  loss.  Mobile  IP  route  optimization  [6]  has  been  proposed  to  solve  the  problem  particularly,  but  route  optimization again suffers from the following  drawbacks:  the  IP  stack  needs  change  to  implement  route  optimization  and  the  home  agent can only initiate the route optimization  which  introduces  additional  delay.  Several  mobility  protocols  have  been  proposed  as  a  remedy to these problems [2, 4, 6, 9, 17, 27,  28].  Based  on  the  layer  of  their  operation,  these  protocols  can  be  broadly  classified  as  those  operating  in  the  network  layer  [6],  transport layer [2] and application layer [17].  The  dependency  of  these  mobility  protocols  on the access networks reduces progressively  as  we  move  up  on  the  protocol  stack  [22].  Among them, Session Initiation Protocol (SIP)  [17]  has  been  standardized  by  the  Internet  Engineering  Task  Force  (IETF)  [29]  as  a  signaling  protocol  for  multimedia  session  setup in IP based networks. In addition, SIP is  capable  of  supporting  not  only  personal  mobility but also terminal, session and service  mobility  at  the  application  layer.  Application  layer  protocols,  however,  are  transparent  to  the network (or lower layer) characteristics.  SIP  has  been  accepted  by  the  third  Generation Partnership Project (3GPP) as an  application layer signaling protocol for setting  up  real‐time  multimedia  sessions.  Thus,  SIP  based mobility management could potentially  use  a  readily  available  operational  infrastructure,  which  would  facilitate  its  fast  deployment.  Therefore,  SIP  seems  to  be  an  attractive  candidate  as  an  application  layer 
  • 3. N. Jain & H. Shahzad  3  May 2006  mobility  management  protocol  for  vertical  handoff  [22].  Although  SIP  based  mobility  management  solves  the  problem  posed  by  Mobile IP route optimization, for some cases it  introduces  unacceptable  handoff  delays  [21]  for  multimedia  applications  with  stringent  QoS  requirements.  Moreover,  SIP  entails  application  layer  processing  of  the  messages  which may introduce additional delay.  Industry‐wide,  SIP  is  being  accepted  as  the  framework  of  choice  for  VoIP.  In  the  next  few  sections,  we  describe  SIP  protocol  along with the basic call flow that is used to  establish  an  end‐to‐end  VoIP  call.  We  also  describe  the  concept  of  mobility  as  used  in  SIP.     2.1 SIP Overview  SIP  [19]  creates  a  flexible  framework  for  enabling  IP  endpoints,  or  user  agents  (UAs),  to  create,  modify,  and  terminate  multimedia  sessions. It can be used for point‐to‐point calls  or  multicast  calls.  It  enables  the  creation  of  proxy  servers  and  SIP  registrars  to  allow  endpoints  to  find  each  other  and  provides  other  services  as  well.  It  may  be  used  over  reliable  networks  (e.g.,  TCP)  or  unreliable  networks  (e.g.,  user  datagram  protocol  [UDP]).  SIP  supports  multiple  IP  media  streams that can include VoIP and other UDP  or TCP streaming applications.  SIP is access independent, so it is equally  applicable to wireless and wireline networks.  Designed with unreliable networks in mind, it  incorporates  a  scheme  of  retransmissions  to  ensure  delivery  of  SIP  messages,  making  it  suitable  for  wireless  networks  that  incur  over‐the‐air errors. The SIP suite of protocols  has  been  adopted  by  3rd  Generation  Partnership  Project  (3GPP)  [33,  34,  35]  and  3rd Generation Partnership Project 2 (3GPP2)  [5]  as  part  of  the  all‐IP  core  network  architecture  and  the  IP  multimedia  subsystems.  SIP  is  not  a  standalone  protocol  for  performing  all  aspects  of  call  control;  rather, it leverages other protocols to provide  a complete solution. For example, in a typical  VoIP application, session description protocol  (SDP)  is  embedded  in  SIP  messages  for  negotiating bearer path attributes, such as the  media  types  that  are  supported,  the  IP  address and port for each media type, and the  protocol  for  delivering  the  media.  Once  the  parameters  of  the  session  are  agreed  upon,  the  endpoints  can  start  exchanging  packets  over  the  bearer  path.  Real‐time  protocol  (RTP)  is  typically  used  for  VoIP.  Once  the  parameters  of  the  session  are  negotiated  by  the  endpoints,  the  media  session  is  established.  SIP  does  not  play  a  role  in  the  media  session  itself,  but  it  is  used  for  terminating or changing the parameters of the  session. Common telephony services, like call  waiting, call forwarding, and call hold, as well  as more advanced services, like picture caller  ID and multimedia conference calling, can all  be  accomplished  with  SIP.  SIP  is  based  on  a  request/response  transaction  model.  The  UA  that invokes the request is called the UA client  (UAC),  and  the  UA  that  responds  to  the  request is the UA server (UAS). Each request  by the UAC invokes a function, or method, in  the UAS. SIP supports six basic methods: 〉 REGISTER, used by endpoints to identify  themselves to SIP registrars;  〉 INVITE,  used  for  establishing  calls  or  modifying  the  parameters  of  an  established call;  〉 ACK, used to acknowledge final responses  to INVITES;  〉 BYE,  used  for  tearing  down  established  calls;  〉 CANCEL, used for terminating call setups  before they are fully established; and  〉 OPTIONS, used for querying endpoints or  proxy  servers  as  to  their  capabilities  without “ringing” them.   As  shown  in  Figure  1,  a  SIP  infrastructure  consists of   〉 user agents,   〉 registration servers,   〉 location servers and   〉 SIP proxies deployed across a network.   A  user  agent  is  a  SIP  endpoint  that  controls  session setup and media transfer. User agents  are identified by SIP URIs, which is a unique 
  • 4. N. Jain & H. Shahzad  4  May 2006  HTTP‐like  URI  of  the  form  sip:user@domain.  All user agents REGISTER with a SIP registrar  server  (which  can  be  co‐located  with  a  SIP  proxy) with their IP address (Figure 1). The  mapping of a URI to the IP address of a device  registered  by  the  user  is  done  using  intermediate SIP proxies, location and redirect  servers  as  part  of  the  session  setup  process.  SIP defines a set of messages, such as INVITE,  REFER  etc.,  as  shown  in  Figure  2,  to  setup  sessions  between  user  agents.  These  messages are routed through SIP proxies that  are deployed in the network. DNS SRV records  help in finding SIP proxies responsible for the  destination domain.   2.2 Basic Call Flow  Figure  3  illustrates  a  typical  SIP  call  flow  through SIP proxies. It depicts the request and  response transactions of SIP for establishing a  call. Prior to the call establishment, each user  is  registered  with  his/her  corresponding  SIP  registrar. This permits a user to be reached by  his/her own unique network access identifier  (NAI)—e.g.,  <userA@kth.se>—regardless  of  his/her location and point of attachment.  All requests from an originating user  agent  such  as  an  INVITE  are  routed  by  the  proxy  to  an  appropriate  destination  user  agent  based  on  the  destination  SIP  URI  included  in  the  INVITE  message.  The proxy servers respond with a Trying response so that originating  user  agent knows his/her message was received and that further retransmissions of the INVITE request are unnecessary. Proxies  may  query  location  and  redirect  servers  to  determine the current bindings of the SIP URI.  Signaling  messages  are  exchanged  between  user  agents,  proxies  and  redirect/location  servers  to  locate  the  appropriate  endpoints  for media exchange. For reasons of scalability,  multiple  proxies  are  used  to  distribute  the  signaling load [31]. A session is setup between  two  user  agents  through  SIP  signaling  messages  comprising  of  an  INVITE,  an  OK  response  and  an  ACK  to  the  response  [17].  This is shown in Figure 2 where the call setup  is followed by media exchange using RTP. The  session is torn down through an exchange of  BYE and OK messages.  SIP  distinguishes  between  the  process  of  session  establishment  and  the  actual session. A basic principle of SIP is the  separation  of  signaling  (control)  from  media.  Signaling  messages  are  usually  routed  through  the  proxies  while  the  media  path  is  end‐to‐end.  The  session  setup  messages  like  INVITE contain user parameters using Session  Description  Protocol  (SDP)  [15]  in  the  message  body.  SDP  provides  information  about  the  session  such  as  parameters  for  media  type,  transport  protocol,  IP  addresses  and  port  numbers  of  endpoints.  The  IP  address and port numbers exchanged through  SDP  is  used  for  the  actual  data  transmission  (media  path)  for  the  session.  Any  of  these  parameters can be changed during an ongoing  session through a RE‐INVITE message, which  is identical to the INVITE message except that  it  can  occur  within  an  existing  session.  In  addition, a user agent can transfer an existing  session  by  using  a  REFER  message.  This  message  instructs  the  other  endpoint  of  an  existing session to initiate an INVITE/OK/ACK  exchange  with  a  third  user  agent  and  terminate  the  existing  session  (with  the  sender of the REFER message).    2.3 Mobility: The Issue  Mobility  is  the  most  important  feature  of  wireless  networks  that  makes  continuous  service  possible  in  pervasive/ubiquitous  environments.  Seamless  service  is  usually  achieved  by  supporting  handoff.  Handoff  is  the  process  of  changing  parameters  (e.g.,  endpoint  address,  channel  etc.)  associated  with  the  current  connection.  For  UDP  based  connections  the  major  parameters  are  the  source  and  destination  IP  addresses,  which  can be changed by the movement of a mobile  host (MH), either within a network or across  different  networks.  The  former  scenario  initiates  horizontal  handoff,  whereas  the  latter  initiates  vertical  handoff.  Handoff  is  again divided into two broad categories: hard  and soft handoffs. They are also characterized 
  • 5. N. Jain & H. Shahzad  5  May 2006  by  “break  before  make”  and  “make  before  break.”  In  hard  handoffs,  current  resources  are  released  before  new  resources  are  used  and  in  soft  handoffs,  both  existing  and  new  resources  are  used  during  the  handoff  process.  For  soft  handoff  the  MH  should  be  capable  of  communicating  through  multiple  network  interfaces.  Usually,  a  mobility  management  protocol,  operating  at  the  control  plane  independent  of  the  data  plane  supports handoff.   As  described  earlier,  SIP  provides  vertical  handoff  support  in  IP  centric  networks  for  multimedia  applications.  Although  the  data  plane  protocols  provide  Quality of Service (QoS) to the applications, it  is  the  responsibility  of  the  mobility  management  protocol  to  maintain  the  QoS  during  the  handoff  period.  For  multimedia  streaming  applications,  the  most  important  QoS parameters are   (i) end‐to‐end delay,   (ii) delay  jitter  or  variation  of  end‐to‐end  delay between the packets, and   (iii) packet loss.   Of  these  three  parameters,  the  first  two  depend on the network condition in the path  of the data traffic. Generally, the issues related  to  these  parameters  can  be  resolved  by  providing  a  playout  and  jitter  buffer.  The  handoff  delay  causes  only  a  glitch  as  far  as  these two parameters are concerned and has  no  long‐term  effect.  However,  large  handoff  delays  cause  considerable  packet  loss  which  seriously affects the quality of the multimedia  streaming applications.    Despite  the  advantages  of  SIP  in  providing  mobility  support  in  IP  based  heterogeneous  networks,  there  are  some  issues that need to be resolved for proper QoS  provisioning  to  multimedia  applications.  The  handoff  delay  in  SIP  based  mobility  is  essentially the time required by the re‐INVITE  message  to  reach  the  correspondent  host  (CH) from the mobile host (MH), but several  different  operations  need  to  be  completed  before  the  INVITE  message  could  be  transported. These are:   (i) Detection of the new network by the MH.  This  depends  on  the  networking  technology  (e.g.,  periodic  beacons  from  the  access  points  are  used  in  WLANs  to  intimate  a  mobile  device  about  the  presence of the network) as well as on the  operating system in the MH.   (ii) The MH needs to acquire an IP address by  a  procedure  specific  to  the  access  network.  This  may  be  DHCP  address  configuration  for  WLAN  or  Attach  and  PDP Context Activation for 3G networks.   Analytical study [21] reveals that the handoff  delay  can  be  more  than  1  sec  for  low  bandwidth  access  network,  for  which  hard  handoff  has  considerable  effect  on  the  application  quality.  So,  the  mobility  management protocol needs to employ some  mechanism  to  counter  the  harmful  effect  of  the handoff delay.  2.4 Mobility Support Using SIP   Mobility is characterized as personal, terminal, session, and service mobility where a persistent IP address is not assumed.[14] 〉 Personal mobility is described as allowing a single user located at different terminals and to be addressed at each location by a unique personal identity. 〉 Terminal mobility is described as allowing a device to move between IP subnets. Terminal mobility could affect SIP at three different stages: at pre-call, at mid-call, and upon recovery from movement across network partitions. Except for mobility before a call is placed, none of the other stages of terminal mobility provide the seamless experience to a user without any packet loss. 〉 Session mobility is described as allowing a user to maintain a SIP session while changing devices, and 〉 Service mobility is described as allowing a user to maintain access to his/her personal services while changing devices and networks.
  • 6. N. Jain & H. Shahzad  6  May 2006  Personal mobility is embedded in SIP by having a UA regularly update its registration information to reflect the user’s current location. The updates may occur prior to or during a call on any IP network, independent of the device being used to access the network. The elements included in the SIP architecture that support mobility are UAs, redirect servers, proxy servers, location servers, and registrar servers. The SIP servers facilitate user mobility, as they track the user movement through new registrations. The UA resides in the mobile node (MN), also referred to as mobile host (MH), and in the corresponding remote node, sometimes referred to as a corresponding host (CH). When a proxy server or redirect server receives an INVITE message, it may consult the location server for a route through which to redirect the INVITE message (Figure 4). A redirect server provides the calling party with an alternate address for the callee, whereas a proxy server will forward the call to the alternate address on behalf of the caller. A user al-ways belongs to a home network that maintains its home SIP servers. The user re-registers with his/her home network when changing his/her point of attachment. A permanent or persistent IP address is not assumed when the user relocates to a new network. When the MN is moving between locations, it is expected that long delays will be introduced while the UA is obtaining a new IP address and authenticating with the local authentication, authorization, and accounting (AAA) servers. Session mobility enables the user to maintain a session while changing terminals located on the same or a different subnet. This mobility can be achieved by involving a third- party call control [8] where the third party is the original participant that redirects the call to the new device and stays engaged in the call until its termination. Another approach for terminal mobility without the involvement of a third party can be achieved with the use of the SIP REFER message [25]. The REFER message simply directs the session to the new terminal location where a new INVITE message will be forwarded. To minimize delay, the device needs to be authenticated prior to receipt of the INVITE message. Service mobility is described in [14] as one of SIP’s attributes. It provides user with access to his/her unique services even while he/she is changing locations or devices. These user services include speed dial lists, address books, preference lists, and incoming call instructions, to name a few. Maintaining a unique IP address throughout the session is facilitated through inclusion of the mobile IP transport elements. The section below introduces the mobile IP protocols and the shortcomings of these existing protocols for make-before-break handover. This is followed by a discussion for intelligent mobile IP to provide seamless handover and an uninterrupted VoIP session across disparate wireless networks. 3. Mobile IP Architecture  Mobile IP defines three network entities:   〉 the foreign agent (FA),   〉 the home agent (HA), and   〉 the  mobile  node  (MN),  which  contains  the  mobile IP client software.   The  FA  is  a  router  supporting  the  mobile  IP  protocol  located  in  the  foreign  (visited)  network.  The  FA  function  is  located  in  the  packet  data  service  node  (PDSN)  for  code  division  multiple  access  (CDMA),  in  the  gateway  GPRS  support  node  (GGSN)  for  the  Universal Mobile Telecommunications System  (UMTS) [11], and in an edge router or WLAN  gateway for WLAN. The FA provides a care‐of  address (CoA) for the MN.   The HA is a router supporting mobile  IP  located  in  the  user’s  “home”  network.  Similarly,  if  the  wireless  service  provider  (WSP) is the home network, the HA function  may be co‐located in the PDSN or adjacent to  it  for  CDMA  or  co‐located  with  the  GGSN  or  adjacent to it for UMTS. If the home network  is  a  third‐party  data  center,  the  HA  may  be  located  behind  the  firewall  and  next  to  an 
  • 7. N. Jain & H. Shahzad  7  May 2006  edge  router.  The  HA  maintains  the  MN’s  current CoA location information and tunnels  data‐grams  to  the  MN’s  CoA  (i.e.,  the  FA)  when  the  MN  is  away  from  home,  as  illustrated in Figure 5. [5]  For  mobility  support  between  incongruent  networks,  mobile  IP  client  software  resides  in  the  user’s  end  terminal,  typically a laptop or PDA. The client is a key  element  of  the  layer  3  integration.  For  terminals  that  support  a  single  air  interface,  where a mobile IP client may not be present,  mobile IP‐based architecture may be achieved  with proxy mobile IP functionality embedded  within the network elements.  An MN can be in one of three possible  operating environments: its home network, a  foreign network that supports mobile IP, or a  foreign network that does not support mobile  IP. In all three of these scenarios, the MN uses  a previously assigned identification, either its  own  static  home  IP  address  or  its  own  network  access  identifier  (NAI),  such  as  <enduserA@kth.se>.   In  the  first  operating  environment,  the  MN  is  in  its  home  network.  The  MN  determines  it  is  in  its  home  network  by  monitoring  the  mobility  router  advertisements,  also  known  as  agent  advertisements.  While  at  home,  network  operation is the same as if mobile IP were not  running—i.e., packets are routed in a normal  fashion.  In the second operating environment,  the  MN  attaches  to  a  foreign  network  that  contains an FA supporting mobile IP. The MN  first  connects  to  the  available  access  technology. It determines that there is an FA  when  it  receives  a  mobile  IP  mobility  advertisement  from  it.  The  MN  sends  a  Registration  Request  message  to  the  FA,  which forwards it onto the AAA infrastructure  and  HA,  where  it  is  authenticated  and  authorized.  In  the  third  operating  environment,  the  MN  attaches  to  a  foreign  network  that  does  not  have  an  FA  and  does  not  support  mobile IP. The MN will nevertheless be able to  use mobile IP as long as it can acquire an IP  address  (via  domain  host  control  protocol  [DHCP]  or  point‐to‐point  protocol  [PPP])  from the foreign network. The MN will use the  assigned  IP  address  as  its  “mobile  IP  co‐ located  CoA”  and  act  as  its  own  tunnel  endpoint. It will register directly with its HA  using the co‐located CoA and the registration  procedure  previously  described.  The  MN  sends packets out directly to their destination  (with  the  MN  home  ad‐dress  as  the  source  address). All returning packets go to the MN’s  home address and are intercepted by the HA,  which  tunnels  the  packets  to  the  MN.  When  reverse  tunneling  is  established,  all  packets  destined to the CH are directed via the HA, as  illustrated in Figure 5. [5]    3.1 Schemes for Handover  Current  mobile  IP  mechanisms,  which detect  mobile  movement  from  one  network  to  the  other,  are  based  on  agent  advertisement  lifetime  and  network  prefixes  [8].  Other  proposed mechanisms are based on end‐user  client  criteria,  such  as  signal  presence/strength  of  the  available  radio  interfaces.    3.1.1  Agent  advertisement  lifetime  in  mobile IP  An inter‐net control message protocol (ICMP)  router  advertisement  in  mobile  IP  contains  mobile IP agent advertisement that specifies a  lifetime for which the advertisement is valid.  If for some reason a mobile does not receive  another agent advertisement within this time  frame,  it  is  assumed  that  the  mobile  has  moved  out  of  the  range  of  the  current  agent  and  hence  is  a  candidate  for  handover  to  another agent from which it may have already  received an advertisement. This implies that a  mobile  would  not  activate  a  handover  procedure to the new agent from which it had  received  an  advertisement  earlier  until  the  advertisement  lifetime  of  its  current  agent  expires. Typically, the advertisement life‐time  is  on  the  order  of  tens  of  seconds.  For  any  VoIP  application,  such  a  long  delay  for 
  • 8. N. Jain & H. Shahzad  8  May 2006  handing over to another agent, being over two  orders  of  magnitude  more  than  the  desired  delay bounds, is unacceptable.  In  CDMA2000,  the  delay  in  handover  could be even longer. As an implementation‐ dependent  optimization  in  CDMA2000,  the  number  of  advertisements  transmitted  over  the air interface is restricted—i.e., the agents  only respond to solicitations from the mobile.  The consequence is that the MN does not have  advertisements  from  new  FAs  prior  to  the  expiration  of  the  old  advertisement.  This  creates  additional  delay  in  initiating  a  handover to CDMA2000 networks, as a mobile  node  must  first  wait  until  the  advertisement  lifetime of the current agent expires before it  will solicit new advertisements so that it can  proceed  with  the  mobile  IP  registration  through the new agent. . [5]  3.1.2 Network prefixes in mobile IP  There  is  an  extension  to  mobile  IP  that  provides  a  mechanism  for  detecting  handovers  to  a  new  FA.  The  mechanism,  based  on  network  prefixes,  assumes  that  an  agent uses an extension called network prefix  extension  within  the  agent  advertisement.  This extension specifies the subnet prefix for  the  network where  the  agent  is  located.  Any  difference in the network prefix between the  currently stored value and the one received in  a  new  agent  advertisement  would  indicate  a  handover  condition.  Since  network  prefixes,  which  are  more  frequent  than  the  advertisement  lifetime,  are  specified  in  the  agent  advertisement,  this  mechanism  would  be  better  suited  as  a  handover  trigger.  However, this extension is not mandatory and  therefore  cannot  be  relied  upon  unless  both  the current agent and the new agent are using  it.   The above discussion makes it clear that  the current schemes for fast handover at best  leave  a  lot  to  be  desired  and  at  worst  are  completely inadequate. . [5]    3.1.3 Signal strength.   Mobility  management  and  movement  detection  are  inherent  to  the  CDMA  cellular  network.  The  proximity  to  a  CDMA  base  station can be characterized by the radio link  conditions  and  received  signal  strength  indication  (RSSI)  readings.  Similarly,  movement  detection  from  an  associated  WLAN access point (AP) can be characterized  by signal strength readings indicated through  the  WLAN  card  interface.  Fast  movement  detection  across  these  disparate  RF  technologies  can  be  achieved  by  monitoring  these  radio  signal  conditions  on  a  regular  interval.  When  accessing  a  WLAN  network,  priority is given to the WLAN signal reading,  and  its  diminishing  value  can  be  used  as  a  movement  indication.  Similarly,  when  accessing a CDMA net‐work, priority is given  to the RSSI information. . [5]    3.1.4  Layer  3  Handover  Between  Homogeneous  vs.  Heterogeneous  Interfaces   When a mobile IP client attempts a handover  between homogeneous air interfaces (such as  a handover from one WLAN AP to another), it  may need to tune to another radio frequency.  This  may  force  the  client  to  hold  off  communication  with  its  current  point  of  attachment  or  AP  until  it  has  been  authenticated  using  the  new  point  of  attachment. On the other hand, in the case of a  handover  between  heterogeneous  air  interfaces,  the  assumption  is  that  MNs (such  as laptops and PDAs) are multimode—i.e., the  end‐points  are  capable  of  transmitting  and  receiving  net‐work  and  data  link  messages  simultaneously  through  the  multiple  air  interfaces. [5]  4.  Intelligent  “Make­Before­Break”  Handover  Real‐time  applications  have  very  stringent  delay constraints on the delivery of packets to  the remote end. A seamless mobility protocol  such  as  mobile  IP  ensures  that  there  is 
  • 9. N. Jain & H. Shahzad  9  May 2006  continuity  of  the  session  management  in  terms  of  both  layer  3  (IP  layer)  and  layer  4  (transport        layer)  between  end  points.  It  does  not,  however,  ensure  that  packets  will  not  be  dropped  as  the  mo‐bile  performs  a  handover from one network to another.  There exists a proposal for an intelligent  agent  along  with  an  MN  client  that  can  simultaneously  monitor  wireless  signal  strengths of multiple access technologies and  automatically  perform  access  technology  handovers [5]. Assuming that the coverage of  the two disparate networks overlaps, service  disruption  and  packet  loss  are  minimized  as  the  MN  client  either  has  both  network  interfaces  active  or,  based  on  the  algorithm  described  in  the  following  sections,  would  activate  another  interface  so  that  it  can  use  that link in the background to set up the call  prior to handover.  The industry at large has also recognized  the importance of seamless handover for real‐ time  applications  between  heterogeneous  networks.  Toward  this  goal,  the  IEEE  standards  body  completed  a  task  within  a  study  group—the  P802  Handoff  Executive  Committee  Study  Group  (ECSG)—to  understand  and  define  the  problem  of  handover between both wireless and wireline  heterogeneous  networks.  A  new  group  is  currently  being  formed  to  address  this  problem  and  facilitate  appropriate  information  flow  in  a  timely  manner  for  individual  interfaces  between  layer  1  and  layer  2  (PHY  and  MAC,  respectively)  and  higher  layers  (IP  layer  and  beyond).  This  would  in  effect  help  an  entity  such  as  an  intelligent  agent  to  make  fast  handover  decisions.  Figure  6  depicts  switching  scenarios  for  overlapped  and  non‐overlapped  coverage.  Figure  6  (a)  depicts  a  make‐before‐break  scenario where the client observes the WLAN  signal  overtime.  At  time  t1,  when  the  signal  strength  exceeds  the  threshold  H,  the  client  attempts to use the WLAN interface. Similarly,  at  time  t2,  when  the  signal  strength  drops  below the threshold L, the client reverts to the  3Gairlink.  If  the  client  sets  up  the  call  and  creates  short‐lived  simultaneous  bindings  (dual mobile IP tunnels with both FAs) at the  HA [8] before losing the signal on the current  interface, the delays Δ1 and Δ2 are masked off  and  handover  appears  instantaneous  to  the  client  application.  While  the  simultaneous  bindings  are  maintained,  packets  in  transit  arrive at both the old and new interfaces and  are  not  lost.  Outgoing  packets  are  routed  to  the  new  airlink  immediately  after  switching,  minimizing packet loss.  In  the  absence  of  overlapped  coverage,  service  interruption  is  unavoidable  because  one  link  is  lost  before  the  new  link  is  available.  However,  even  in  situations where  coverage  is  overlapped,  a  “break‐before‐ make” handover scenario may still occur due  to  a  sudden  drop  in  signal  strength,  as  illustrated in Figure 6 (b). Here, WLAN is the  preferred  interface;  however,  because  its  signal  drops  so  abruptly,  there  is  no  time  to  connect  the  3G  call  before  the  WLAN  connection  is  lost.  Consequently,  coverage  disruption  occurs  between  t2  and  t3  due  to  the  typical  long  3G  call  set‐up  processes  (a  few seconds) followed by the t3 to t4 mobile  IP authentication delay.  If,  on  the  other  hand,  the  3G  call  were  kept  up continuously  while  connected to  the  WLAN,  then  the  switching  time  would  be  determined  by  the  performance  of  only  the  network  latency  (t3  to  t4)  between  the  FA,  HA,  and  AAA  network  elements.  Maintaining  dual connection is feasible only when volume‐ based  charging  is  applied  to  the  3G  connections.  In  such  cases  (e.g.,  GPRS),  switching  time  is  reduced  and  extra  charges  are not incurred as a result of the prolonged  3G connectivity.  However,  in  a  general  case,  keeping  two  or more interfaces up simultaneously may not  be  a  practical  approach  from  a  user  cost  or  network  utilization  point  of  view.  Moreover,  such  an  approach  imposes  a  drain  on  the  battery  life  of  a  mobile  terminal.  All  of  this  again underscores the need for an intelligent 
  • 10. N. Jain & H. Shahzad  10  May 2006  agent, which can bring up a suitable interface  at  an  appropriate  time.  When  make‐before‐ break  handover  is  possible,  the  decision  to  hand  over  the  session  is  based  on  a  pre‐ defined criteria matrix that weighs conditions,  such  as  available  bandwidth,  signal  quality,  access  cost,  and  service‐level  agreements  (SLAs)  between  its  mobile  operator  and  the  visited  network.  The  subsection  below  describes  this  aspect  of  our  handover  proposal in more detail.    4.1 Handover Decision Criteria  A  scheme  is  discussed  that  would  ensure  a  smooth  handover  between  heterogeneous  networks where an overlap in radio coverage  is  available  for  the  systems  that  are  participating  in  the  handover.  The  following  are  the  main  components  of  the  System  Selection  algorithm  (SSA)  for  deciding  when  the MN should hand over a call.    4.1.1 Continuous or periodic monitoring of  all the individual wireless interfaces   The  intelligent  MN  monitors  each  wireless  interface  in  order  to  proactively  maintain  its  handover  options.  The  following  is  a  list  of  conditions that may be monitored in order to  determine if handover is appropriate.   〉 Activity  status  of  an  interface.  Although  the  monitoring  of  an  activity  status  (active  or  inactive)  may  be  applied  to  wireless interfaces, it is more relevant to  handover  possibility  between  a  wireless  interface and a wireline interface such as  digital subscriber line, or Ethernet‐based  LAN. Specifically, a possible scenario is a  laptop  or  a  PDA  equipped  with  both  wireless  and  wireline  interfaces  and  being  carried  from  a  wireless  environment  to  a  home  or  office  environment  (or  vice  versa)  such  that  a  wireline interface is activated.  〉 Viability  of  an  interface  in  terms  of  radio  link  conditions  and  RSSI.  Note  that  to  obtain  such  information  from  the  PHY  and  MAC  layers  requires  that  there  be  some  fast  coordination  between  these  layers and the client for exchange of this  information in a timely fashion.  〉 Network  loading  conditions.  This  particular  criterion  is  important  from  a  service provider point of view. A service  provider  may  determine  that,  under  certain  circumstances  (such  as  the  number  of  voice  users  vs.  data  users),  more  voice  users  need  to  be  on  the  cellular  network  as  compared  to  data  users  when  overlapping  heterogeneous  networks  are  available.  Under  these  conditions,  the  operator  could  broadcast  information  to  all  mobiles  registered  through  a  particular  cell  such  that  mobiles could take an intelligent decision  on  handover  to  an  alternate  network.  Such network loading conditions could be  a  function  of  the  time  of  the  day  or  the  day of the week.  〉 Cost  of  an  interface.  This  could  be  set  statically  at  the  time  of  an  interface  becoming active, or, alternatively, it could  be broadcast dynamically to the mobiles.  〉 Service quality. Data bit rates available at  any  given  point  in  time  determine  the  type of service that can be sustained by a  particular air interface.     4.1.2  Threshold  management  for  each  interface  Each interface maintains low watermark and  high  watermark  values.  A  handover  is  initiated  using  an  interface  only  if  system  conditions  satisfy  a  value  above  the  high  watermark for that interface and precedence  rules  allow  handover  (Tables  I  and  II).  Similarly,  the  current  interface  is  terminated  and handed off to another available interface  if  the  current  system  is  below  a  low  watermark  and  precedence  rules  allow  a  handover to another interface.    4.1.3  SLAs  between  different  service  providers   An  SLA  can  be  a  very  important  part  of  the  seamless  interoperability  between  heterogeneous networks, especially if there is 
  • 11. N. Jain & H. Shahzad  11  May 2006  a  3G  service  provider  requirement  to  authenticate  their  subscribers  in  a  foreign  network  only  through  its  back  office  AAA  infrastructure.  The  intelligent  client  may  require  to  periodically  download  an  up‐to‐ date SLA list.    4.1.4 Preference management of user and  service provider priorities  The service providers would typically want to  set certain preferences that determine which  interface  a  user  should  use  to  transmit  packets for a given set of circumstances. The  circumstances  may  include  whether  the  service provider has SLAs with other service  providers  to  satisfy  some  basic  AAA  requirements or other considerations such as  cost  of  an  interface  and  network  loading.  At  the  same  time,  under  certain  circumstances,  where a user may have access to the Internet  independent  of  the  current  3G  service  provider,  he/she  may  have  preferences  of  how  the  packets  should  flow  to  its  correspondent  node  if  seamless  mobility  is  provided.  A  service  provider  can  communicate  these  preferences  as  a  set  of  rules  whereas  a  user  could  indicate  or  add  additional  preferences  through  a  graphical  user  interface  (GUI)  that  is  part  of  the  MN  client.  Two  examples  (Table  I  &  II)  are  given  herewith to illustrate, how a set of such rules  along with preferences entered through a GUI  could  be  converted  into  a  decision  matrix  used by the client software during handover.  The  intelligent  handover  algorithm  relies  on  the  decision  matrix  that  is  constructed  by  a  set  of  rules  that  are  related  to  normalized  thresholds.  Such  thresholds  can  be  derived  from such indices as signal strength reading,  loading conditions, available bit rate, and cost  of link.  Note that each of the examples in (Table I  &  II)  is  shown  with  a  two‐dimensional  decision  matrix.  Similarly,  a  multi‐ dimensional decision matrix would have to be  constructed  if  there  were  more  than  two  disparate  interfaces  simultaneously  available  at the MN.    5.  Cellular/VoWLAN  Dual­Mode  System Architecture and Design   Figure 7 shows the system architecture of an  enterprise  cellular/VoWLAN  dual  mode  service. A cellular/VoWLAN dual mode mobile  equipped  with  two  radio  interfaces,  i.e.  a  cellular  interface  and  a  WLAN  interface,  has  an MSISDN (Mobile Subscriber ISDN) number  for  its  cellular  interface  and  a  SIP  (session  initiation  protocol)  URI  (Uniform  Resource  Identifier) for its WLAN interface. This study  uses SIP as the call initiation protocol for VoIP  services. A user with a dual mode mobile can  choose the network interface for making calls  based on their personal preferences, network  connectivity and so on. The proposed design  routes  the  incoming  calls  to  the  dual  mode  mobile  to  either  the  cellular  interface  or  the  WLAN  interface,  depending  on  the  network  connectivity of the mobile. To provide service  continuity  between  cellular  and  VoWLAN  systems without the involvement of a cellular  operator,  an  enterprise  and  a  dual  mode  service  provider  are  two  possible  implementation examples.   An enterprise can reserve a range of  PSTN  numbers  or  enterprise  extension  numbers,  and  install  a  PSTN/VoIP  gateway  between  PSTN/cellular  networks  and  an  enterprise  IP  network.  These  PSTN  numbers  or  extension  numbers  are  assigned  to  dual  mode mobiles as their new dual mode service  numbers.  For  implementation  using  enterprise extension numbers, the dual mode  service  requires  two  step  dialing,  which  means callers must dial an enterprise number  first  followed  by  dialing  other  extension  numbers.  New  dual  mode  SIP  URIs  that  are  generated  from  these  numbers  are  further  allocated  to  these  dual  mode  mobiles.  Consequently,  dual  mode  mobiles  have  new  dual  mode  numbers  and  new  dual  mode  SIP  URIs that are used for dial‐in. Incoming calls  to  the  dual  mode  numbers  or  SIP  URIs  are  processed using the proposed procedures. 
  • 12. N. Jain & H. Shahzad  12  May 2006  Two  solutions,  “parallel  fork”  and  “wake‐up  and  register”,  are  proposed  for  handling  incoming  calls  to  a  dual  mode  mobile. [26]    5.1  Incoming  calls  to  the  dual  mode  number ­ parallel fork approach  First, the parallel fork approach is described.  Figure  8  illustrates  the  detailed  procedures  for processing the incoming calls from a PSTN  or  a  cellular  network  to  the  dual  mode  number.  Since  the  dual  mode  number  range  or  the  extension  numbers  are  held  by  an  enterprise  or  a  dual  mode  service  provider,  the  incoming  calls  are  routed  to  the  PSTN/VoIP  gateway  using  the  standard  call  routing procedure. Once the incoming call to  the  dual  mode  number  is  received  by  the  PSTN/VoIP  gateway,  this  gateway  uses  the  dual mode number as the key for querying the  database.  If  the  dual  mode  mobile  does  not  register  its  WLAN  account,  the  database  can  only  reply  the  cellular  number  of  the  dual  mode  mobile.  The  PSTN/VoIP  gateway  then  dials  the  cellular  number  of  the  dual  mode  mobile  only.  If  the  database  replies  both  a  cellular  number  and  a  dual  mode  SIP  URI  to  the  gateway,  the  gateway  dials  the  cellular  number and also sends a SIP INVITE message  to the dual mode mobile in parallel. The dual  mode mobile receives incoming calls from its  cellular interface, but holds the phone ringing  for  a  short  period.  The  mobile  activates  its  WLAN  interface,  obtains  WLAN/IP  connectivity  and  tries  to  receive  the  SIP  INVITE  message  from  its  WLAN  interface.  If  the  mobile  does  receive  the  SIP  message,  it  responds  to  the  SIP  proxy  server  using  its  WLAN interface. Finally the dual mode mobile  rings and the user answer the incoming calls  via  WLANs.  If  the  dual  mode  mobile  can  not  receive the SIP INVITE message within a pre‐ configured  time‐out  value  for  any  abnormal  cases, it rings the users to pick up the call via a  cellular  interface.  The  cellular  call  to  a  dual  mode  mobile  is  designed  to  wake  up  the  WLAN  interface  only,  but  it  is  actually  not  picked  up  when  VoWLAN  services  are  available.   This design facilitates the dual mode  user  to  be  always  reached  by  a  single  dual  mode number. Notably, the WLAN interface of  the dual mode mobile is completely off during  idle,  and  the  design  significantly  reduces  WLAN  power  consumption  in  the  idle  mode.  One problem with this approach is that a SIP  proxy  sends  a  SIP  INVITE  message  to  a  SIP  user agent without getting a response, and the  SIP  proxy  will  activate  exponential  backoffs  on  SIP  message  retransmissions  [4].  The  exponential  backoff  retransmission  mechanism  of  SIP  messages  is  originally  designed for fixed networks to avoid network  congestion,  but  it  introduces  extra  call  establishment delays. One approach could be  to  just  disable  the  exponential  backoff  retransmission in the SIP proxy, or apply the  next  proposed  wake‐up  and  register  method  to avoid the delay. [26]    5.2  Incoming  calls  to  the  dual  mode  number ­ wake­up and register approach  The wake‐up and register method is proposed  to  avoid  delays  associated  with  the  exponential  backoff  retransmission  of  SIP  messages.  The  idea  of  the  wake‐up  and  register  method  is  that  a  cellular  call  is  still  used to  activate the WLAN  interface,  but the  dual mode mobile communicates with the SIP  proxy  directly  to  poll  SIP  INVITE  messages  instead of waiting for incoming packets. That  is, following WLAN is attached; the dual mode  mobile sends SIP REGISTER to the SIP proxy to  forward  the  incoming  calls  to  its  current  location. Unlike the parallel fork approach, the  wake up and register approach avoids the loss  and the exponential backoff retransmission of  the  SIP  INVITE  message,  but  it  requires  additional time for registering with the server.   To model the initial call setup latency  of the proposed methods, Figure 9 presents a  timing diagram for all possible conditions, and  illustrates  a  dual  mode  mobile  that  moves  between  three  different  access  points  (APs).  The  first  two  APs  belong  to  the  same 
  • 13. N. Jain & H. Shahzad  13  May 2006  subnetwork,  but  the  third  one  belongs  to  another subnetwork domain. The upper part  of  the  figure  shows  all  of  possible  delays  introduced  by  the  parallel  fork  approach,  while  the  lower  part  shows  the  delays  associated with the wake up and register case.  Three different situations can occur if  there is an incoming call to the mobile. One is  that the WLAN interface activates and finds it  can still access the same AP. This situation is  called  a  layer  one  update  case.  After  the  mobile  receives  the  cellular  paging  message  from  a  cellular  network,  it  takes  DL1  time  to  activate  WLAN  interface  and  sense  the  original  channel  using  the  WLAN  Probe  Request  and  Probe  Response  messages.  The  WLAN  interface  then  can  receive  incoming  packets  from  WLANs.  As  noted  above,  since  the  parallel  fork  approach  sends  SIP  INVITE  messages  and  calls  the  dual  mobile  cellular  number in parallel, the first one or several SIP  INVITE  messages  may  be  dropped  if  the  WLAN interface has not yet switched on. The  SIP proxy server may trigger the exponential  backoff  retransmission  mechanism  for  resending the next  SIP INVITE. It is assumed  that the dual mode mobile finally receives the  ith SIP INVITE message from a SIP proxy. [26]  To  avoid  call  loss,  the  parallel  fork  and wake up and register approaches both set  a  maximum  waiting  time.  If  a  dual  mode  mobile can not receive a SIP INVITE message  from the WLAN interface within the maximum  waiting  time,  the  mobile  rings  and  the  user  can  answer  the  cellular  call.  The  maximal  waiting  time  is  a  manageable  parameter  for  users.   Another  situation  is  that  the  WLAN  interface  wakes  up  but  cannot  sense  the  original  channel.  This  situation  is  called  the  layer two update case. The worse case is that  the  WLAN  interfaces  wakes  up,  finds  a  new  AP,  but  this  new  AP  is  not  in  the  same  network domain.    5.3 Periodical location update  The  above  approaches,  although  efficient  in  reducing the power consumption of a WLAN  interface,  they  increase  call  setup  delays,  particularly  while  a  mobile  activates  and  situates in a new network. To reduce average  call  setup  latencies,  periodic  location  update  procedures  in  idle  mode  are  proposed.  The  idea  is  that  the  WLAN  must  wake  up  periodically to check whether it is still in the  same AP. If the user moves to a new AP, the  mobile performs either the layer two or layer  three  updates.  This  updates  reduce  the  average  call  initial  delay,  but  increase  the  power  consumption.  The  location  update  period is a design parameter and the selection  of the value depends on network environment  and user mobility models.  6.  WLAN­UMTS  Interworking  Architecture  With  the  wide  deployment  of  hotspots  using  WLAN  wireless  access  technologies  and  the  emergence of IP‐based data services provided  by  mobile  cellular  networks,  the  integration  between  wireless  wide  area  networks  (WWANs ex. UMTS) and WLANs has received  a  great  deal  of  attention  recently.  The  proposed  integration  architectures  can  be  classified  into  two types:  loosely  coupled and  tightly  coupled  interworking.  In  the  former  architecture,  WWANs  and  WLANs  are  connected through the Internet, and each is an  independent IP wireless access domain; in the  latter  architecture,  WLANs  are  incorporated  into  WWANs  as  part  of  its  radio  access  subsystem.  Although  either  approach  has  its  own merits and demerits, the loosely coupled  architecture is assumed in this study because  of its broader application. Figure 10 shows a  logical view of the WLAN‐UMTS interworking  architecture  considered  in  this  study.  The  architecture  is  primarily  focused  on  wireless  mobile  multimedia  networking  and  is  constructed  around  an  IP  core  network  (the  Internet)  with  two  different  types  of  access  networks:  UMTS  and  WLANs.  The  UMTS  Release  5  (R5)  multimedia  architecture  [26]  has  been  proposed  to  provide  multimedia‐ based  services  in  an  all‐IP  environment.  However,  complete  migration  to  UMTS 
  • 14. N. Jain & H. Shahzad  14  May 2006  networks  may  not  be  possible  in  the  near  future,  and  a  heterogeneous  environment  could  evolve  with  several  existing  access  technologies  like  IEEE  802.11‐based  broadband  WLANs  operating  with  emerging  core  networks.  This  observation  forms  the  basis  of  our  selection  criteria  for  the  architecture  to  be  studied.  The  UMTS  R5  defines GPRS/Enhanced Data  Rates  for  GSM  Evolution  (EDGE)  radio  access  network  (GERAN)  as  its  access  technology.  It  is  assumed  that  only  GPRS  access  network  due  to  its  wider  acceptance.  GPRS  networks  are  built  on  existing  GSM  (Global  System  for  Mobile  Communications)  networks  by  adding  a  new  class  of  network  nodes called the GPRS support nodes (GSN). A  serving  GPRS  support  node  (SGSN)  is  responsible for mobility and link management  and delivering packets to a mobile host (MH)  under  its  service  area.  A  gateway  GPRS  support  node  (GGSN)  acts  as  an  interface  between  the  GPRS  network  and  the  external  packet  data  networks.  Home  Location  Register (HLR) and Visited Location Register  (VLR)  are  two  databases  used  to  keep  user  location  information  for  mobility  management.  These  databases  are  derived  from the  legacy  GSM  architecture.  A  location  register in the SGSN keeps track of the current  VLR for a user. [26]  A salient feature of UMTS R5 is a new  subsystem,  known  as  the  IP  multimedia  subsystem (IMS), which works in conjunction  with  the  packet  switched  core  network  (PS‐ CN)  to  support  legacy  telephony  services  as  well as new multimedia services.   SIP  is  the  signaling  protocol  used  between  the  mobile  handset  (MH)  or  user  equipment (UE) and the IMS as well as with  its  internal  components.  As  far  as  SIP  signaling is concerned, the main component of  the  IMS  involved  is  the  call  session  control  function  (CSCF),  which  functions  as  a  SIP  server. The CSCF plays three roles: the proxy  CSCF  (P‐CSCF),  interrogating  CSCF  (I‐CSCF),  and  serving  CSCF  (S‐CSCF).  PCSCF  is  the  mobile’s  first  point  of  contact  with  the  IMS  network;  I‐CSCF  is  responsible  for  selecting  the  appropriate  S‐CSCF  based  on  load  or  capability;  and  S‐CSCF  is  responsible  for  a  mobile’s  session  management.  The  other  access network technology considered is IEEE  802.11‐based  WLANs.  A  WLAN  access  network  consists  of  several  access  points  (APs) providing radio access to the MH. The  APs  are  connected  to  the  backbone  IP  network with an Ethernet switch. A Dynamic  Host Configuration Protocol (DHCP)  server is  used to assign an IP address to a visiting MH.  We  assume  that  an  MH  moving  between  UMTS  networks  and  WLANs  has  separate  network  interfaces  to  connect  to  these  networks.  The  MH,  after  moving  to  a  UMTS  network or WLAN, switches to the respective  interface  in  order  to  attach  to  the  corresponding  access  network  infrastructures.  The  switchover  instant  is  identified  by  the  reception  of  the  GPRS  pilot  signal  in  a  UMTS  network  and  the  characteristics beacon in a WLAN. . [26]    6.1  Vertical  Handoff  in  a  WLAN­UMTS  Internetwork  As an application‐layer protocol, SIP relies on  the  protocols  and  mechanisms  in  the  lower  layers  to  handle  the  physical  network  connection. As far as SIP mid‐call mobility is  concerned, additional procedures are needed  to get the MHs attached to the wireless access  network  infrastructure  before  the  SIP  re‐ INVITE message is sent. For example, an MH  attaches to the GPRS radio access network of a  UMTS  network  using  the  GPRS  Attach  and  Packet  Data  Protocol  (PDP)  Context  Activation procedures, while it uses DHCP to  attach  to  a  WLAN.  Therefore,  the  vertical  handoff delay mainly consists of the delay of  network  attachment  as  well  as  that  of  SIP  location update. In the following sections we  describe  the  procedures  of  vertical  handoff  and  analyze  the  associated  delays.  In  particular, two cases of vertical handoff are of  interest:  handoff  from  a  WLAN  to  a  UMTS  network, and vice versa. . [26]   
  • 15. N. Jain & H. Shahzad  15  May 2006      6.1.1 WLAN­to­UMTS Vertical Handoff  When an MH moves from a WLAN to a UMTS  network,  it  performs  two  key  functions  to  initiate a handoff.     a.)  Data  connection  setup,  including  the  GPRS  Attach  and  the  PDP  Context  Activation:  This  establishes  the  data  path  required  to  carry the  SIP‐related  messages  to  the  Proxy‐ CSCF  through  the  GGSN,  which  acts  as  the  gateway  for  the  Proxy‐CSCF.  The  messages  involved in the GPRS Attach and PDP Context  Activation  procedures  are  shown  in  Figure  11. As part of the GPRS Attach procedure, the  MH sends an Attach message (1) to the SGSN  (responsible for mobility management, logical  link  management,  and  authentication  and  charging  functions  in  a  UMTS  network) with  the  MH’s  international  subscriber  identifier  (IMSI).  The  SGSN  uses  the  IMSI  to  authenticate (messages 2, 3, 4, and 5) the MH  with  its  HLR.  Successful  authentication  is  followed  by  the  SGSN  sending  a  location  update  to  the  HLR  (messages  6  and  7).  The  SGSN finally  completes  the  Attach  procedure  by sending an Attach Complete message (8) to  the  MH.  Thus,  a  logical  association  is  established  between  the  MH  and  the  SGSN.  Once  an  MH  is  attached  to  an  SGSN,  it  must  activate  a  PDP  address  (or  IP  address)  to  begin  packet data communication.  Activation  of  a  PDP  address  creates  an  association  between the MH’s current SGSN and the GGSN  (acting  as  the  interface  between  the  GPRS/UMTS  backbone  network  and  the  Internet)  that  anchors  the  PDP  address.  A  record of such an association is known as the  PDP context. PDP context transfer is initiated  by  the  MH  by  sending  a  PDP  Context  Activation  message  (9)  to  the  SGSN.  The  SGSN, after receiving this Activation message,  discovers the appropriate GGSN (messages 10  and  11).  It  selects  a  GGSN  capable  of  performing  the  functions  required  for  SIP‐ related activities. The SGSN and GGSN create  special paths for the transfer of SIP messages  to the P‐CSCF, which is identified by the GGSN.  The corresponding IP address of the P‐CSCF is  sent along with the activation accept message  (messages 12–16). [26]    b.)  SIP  message  exchange  that  re­ establishes the connection:  As shown in Fig. 2. the MH re‐invites the CH  to its new temporary address by sending a SIP  INVITE message (17) through the P‐CSCF, S‐ CSCF,  and  I‐CSCF  servers.  The  INVITE  message uses the same call identifier as in the  original call setup and contains the IP address  at  the  new  location  in  updated  SDP  parameters.  Once  the  CH  gets  the  updated  information  about  the  MH,  it  sends  an  OK  message  (18)  while  starting  to  send  data.  .  [26]    6.1.2 UMTS­to­WLAN Vertical Handoff  When an MH moves from a UMTS network to  a  WLAN  it  goes  through  the  following  major  steps to update its location with the CH.      a.) DHCP registration procedure:   Assigns  a  new  IP  address  for  MH’s  new  location.  The  message  exchanged  in  the  registration procedure is shown in Figure 12.  When  the  MH  identifies  the  presence  of  a  WLAN  after  receiving  the  characteristics  beacons,  it  broadcasts  a  DHCP  DISCOVER  message  (1)  to  discover  the  DHCP  server  willing  to  lend  it  registration  service.  The  appropriate  DHCP  server  sends  out  a  DHCP  OFFER  message  (2)  to  offer  service  to  the  requesting  MH.  The  MH  on  receiving  this  OFFER  message  sends  a  DHCP  REQUEST  message  (3)  to  the  DHCP  server  to  confirm  the offer made. The DHCP server then sends  the  MH  a  DHCP  ACK  message  (4)  with  such  information  as  the  new  IP  address  to  be  assigned to the MH. . [26]    b.) SIP message exchange:   Re‐establishes the connection similar to how  it’s done in UMTS networks, where the MH re‐ invites the CH to its new address by sending a 
  • 16. N. Jain & H. Shahzad  16  May 2006  SIP  INVITE  message  (messages  5  and  6,  Fig.  3) after acquiring the new IP address. [26]    6.2. Effective VoIP Call Routing  In  UMTS‐WLAN  integration,  a  dual‐mode  mobile  station  (MS)  typically  disables  the  WLAN  module  for  power  saving.  A  major  problem is that for an incoming VoIP call (or  data  session),  the  MS  will  not  be  able  to  receive this call from the WLAN. It turns out  that  the  call  is  directed  to  the  cellular  network. This section discusses a simple push  solution where an MS can accurately detect a  VoIP call from paging signaling of the cellular  network. Then the WLAN module of the MS is  turned  on  and  the  VoIP  call  is  connected  to  the  MS  through  the  relatively  inexpensive  WLAN.  Figure  13  illustrates  a  WLAN  and  cellular  integration  environment  where  the  MS  typically  attempts  to  access  the  WLAN  first  for  lower  costs  and  higher  bandwidth  connection. If the WLAN is not available, the  MS  then  tries  to  access  the  cellular  network.  Due to large power consumption of the WLAN  module, the MS typically turns on the cellular  module and turns off the WLAN module. The  WLAN  module  is  turned  on  only  when  the  user  attempts  to  access  the  WLAN.  A  major  problem  of  this  usage  style  is  that,  for  example, the MS cannot receive the incoming  Voice  over  IP  (VoIP)  calls  from  the  WLAN  when the WLAN module is off.  In  [18,  13],  a  push  mechanism  is  discussed  for  VoIP  incoming  calls  to  WLAN‐ UMTS dual mode MSs. This approach utilizes  Short  Message  Service  (SMS)  to  alert the  MS.  In [4], the SMS mechanism is replaced by the  normal  cellular  paging.  Whenever  the  MS  receives  an  incoming  cellular  call,  it  always  attempts  to  connect  to  the  WLAN  first.  If  successes,  the  call  is  connected  through  the  WLAN  as  a  VoIP  call.  If  fails,  the  MS  accepts  the  cellular  call.  One  problem  about  this  approach is that the MS cannot distinguish a  normal cellular call (path (5) in Fig. 1) from a  VoIP  call  that  is  setup  from  the  IP  network  (path  (1)→  (2)  →  (3)).  Therefore,  for  a  normal cellular call, the call setup is delayed  because the MS always attempts to connect to  the  WLAN  first.  The  MS  always  experiences  the  WLAN  connection  failure  before  connecting to the cellular network.  To  resolve  this  problem,  a  simple  approach  is  discussed  where  the  MS  can  detect the “originating network” of the calling  party. In a typical Internet and Public Switched  Telephone  Network  (PSTN)  interworking  example  illustrated  in  Figure  13,  a  Session  Initiation  Protocol  (SIP)  User  Agent  (UA)  is  connected to a SIP Call Server. The Call Server  then  sets  up  the  call  to  the  PSTN  through  a  PSTN Gateway [1]. In a typical PSTN exercise,  a  PSTN  Gateway  is  assigned  an  SS7  number  (say,  46735xxx),  or  a  group  of  leased  lines  whose  telephone  numbers  have  the  same  prefix  (e.g.,  46735).  The  push  mechanism  is  implemented in the Call Server as described in  [2], [3]. The resulting network node is called  Call  Server  with  Push  (CSP).  The  CSP  maintains  a  Dual­mode  MS  (DM)  Table.  This  table is used to track the call setup status of  dual‐mode  MSs.  The  MS  maintains  a  PSTN  Gateway  Table.  For    every  PSTN  Gateway  connected to the CSP, the SS7 number of the  PSTN  Gateway  (e.g.,  46735xxx)  and  the  corresponding fully qualified domain name of  the CSP (e.g., kth.se) are stored in an entry of  the table. The next section illustrates how the  DM table and the PSTN Gateway table can be  used to correctly activate an MS with turn‐off  WLAN  module  to  receive  an  incoming  VoIP  call. [32]  6.2.1  The  Call  Server  with  Push  (CSP)  Approach  Consider the SIP call setup procedure from an  IP  host  (a  UA)  in  the  external  data  network  (e.g.,  Internet)  to  an  MS.  The  UMTS  phone  number of the MS is +46736776474 and the  fully  qualified  domain  name  of  the  CSP  is  kth.se. Figure 14 illustrates the message flow  and is described as follows. [32]  Step 1. To set up a call to the MS, the UA sends  an  INVITE  message  to  the  CSP  (Fig.  1  (1)).  The  INVITE  message  contains  the  SIP 
  • 17. N. Jain & H. Shahzad  17  May 2006  Universal Resource Identifier (URI) of the MS,  i.e.,  +46736776474@kth.se  and  the  Session  Description Protocol (SDP) that describes the  Real­Time  Transport  Protocol  (RTP)  information  of  the  MS.  The  RTP  information  includes  the  IP  address  and  port  number  of  the UA.  Step 2. To resolve the SIP URI in the INVITE  message,  the  proxy  function  of  the  CSP  identifies the contact information of the MS.  (i) If  the  MS  has  registered  to  the  CSP,  the  CSP forwards the INVITE message to the  MS  directly,  and  follows  the  normal  SIP  call setup procedure to connect the call.  (ii) If not, the CSP routes the call to the PSTN  according  to  the  phone  number  +46736776474.  Specifically,  the  CSP  forwards the INVITE message to the PSTN  Gateway (Fig. 1 (2)). The CSP also creates  a record (i.e., a DM record) in its DM table  for the MS to indicate that the call is set  up to the PSTN.  Step 3. The PSTN Gateway generates an SS7  Initial Address Message (IAM) containing the  caller  ID  46735xxx  (the  SS7  number  of  the  PSTN Gateway). Since the destination number  +46736776474  is  a  UMTS  MS  Integrated  Services  Digital  Network  (ISDN)  number,  the  IAM is sent to the UMTS network (Fig. 1 (3)).  Step  4.  Finally,  the  UMTS  Base  Station  (BS)  pages the MS. The message carries the caller  ID 46735xxx.  Step 5. The MS checks its PSTN Gateway table  to see if 46735xxx is found.  (i) If  so,  the  corresponding  fully  qualified  domain  name  of  the  CSP  (i.e.,  kth.se)  is  retrieved.   Step 6 is executed.  (ii) If  not,  the  MS  answers  the  paging  signal  from  the  UMTS  BS,  and  follows  the  normal  UMTS  procedure  to  connect  the  call.  At  Step  5,  through  the  caller  ID,  the  MS  accurately  detects  if  the  incoming  call  signaling comes from path (5) (Step 5 (b)) or  from path (1)→ (2) → (3) (Step 5 (a)).  Step 6. The MS attempts to access the nearby  WLAN  network.  If  successes,  Step  7  is  executed. If no WLAN access is available, Step  5 (b) is executed.  Step 7. The MS registers its contact address to  the CSP (the registrar function) through a SIP  REGISTER  message  (Figure  13  (4)).  The  registrar  function  updates  the  MS’s  contact  address  information,  and  returns  a  200  OK  message  to  the  MS.  Since  the  DM  record  indicates that the call is being set up for the  MS (see Step 2 (b)), the CSP determines that  the  call  should  be  re‐connected  to  the  MS  through the WLAN.  Step  8.  The  CSP  (the  proxy  function)  forwards the INVITE message to the MS.  Step 9. Upon receipt of the INVITE message,  the  MS  replies  a  100  Trying  message  to  indicate that the call is in progress.  Step 10. The MS plays an audio ringing tone  to  alarm  the  called  user  and  sends  a  180  Ringing  message  to  the  UA  through  the  CSP.  Upon receipt of the 180 Ringing message, the  UA plays an audio ringback tone to the calling  user.  Step  11.  When  the  called  user  picks  up  the  handset,  the  MS  sends  the  final  200  OK  message  to  the  UA.  The  200  OK  message  includes  the  SDP  that  describes  the  RTP  information of the MS.  Step 12. Upon receipt of the 200 OK message,  the UA sends an ACK message to acknowledge  the MS. The call is connected.  Step 13. After Step 12, the CSP cancels the call  setup  procedure  to  the  PSTN  Gateway  by  sending  a  CANCEL  message.  The  PSTN  Gateway sends an SS7 Release message to the  UMTS network.  Step  14.  The  UMTS  replies  an  SS7  Release  Complete message to the PSTN Gateway. The  PSTN  Gateway  replies  a  200  OK  message  to  the CSP to indicate that the call is successfully  canceled.  At this point, the voice path is (1)↔(4). One  can note the following:  〉 If any one of Steps 7‐12 fails, the MS will  execute  Step  5  (b)  to  accept  the  cellular  call (not shown in the call flow).  〉 For a non‐VoIP incoming call from UMTS,  the MS accepts the call immediately (Step 
  • 18. N. Jain & H. Shahzad  18  May 2006  5 (b)). Therefore the extra delay in [4] is  avoided.  〉 If  the  MS  has  already  registered  at  the  CSP,  then  the  call  is  set  up  through  the  WLAN directly at Step 2 (a).  〉 If  the  MS  cannot  connect  to  any  WLAN  access point, it accepts the cellular call at  Step 6.  〉 There may be several CSP‐PSTN Gateway  pairs in the MS’s PSTN Gateway table, and  the  MS  can  detect  the  VoIP  calls  from  various PSTN Gateways.    7. Conclusion  Future‐generation  wireless  networks  have  been envisioned as the integration of various  wireless  access  networks.  Data  and  voice  services  will  be  simultaneously  available  through  the  same  terminal.  In  such  environments  today,  multiple  issues  in  multiple  layers  still  have  to  be  resolved  to  ensure acceptable voice quality through VoIP  in disparate wireless networks  Seamless  mobility  support  is  the  basis  to  provide  uninterrupted  wireless  services  to  mobile  users  in  such  a  heterogeneous  network  environment.  This  paper  presented  also  the  mobility  management issues regarding VoIP services in  wireless  access  technologies  convergence.  Mobile  IP  (network  layer  solution)  and  SIP  (application layer solution) were described in  terms  of  mobility  management.  Over  the  years,  several  schemes  have  been  proposed  for mobility management in IP networks. For  delay‐intolerant  applications  such  as  VoIP,  mobile IP still falls short in terms of providing  a means of fast handover with minimal or no  packet loss; although, as a layer 3 protocol for  seamless  mobility  across  heterogeneous  networks,  it  has  gained  momentum  in  the  recent years. Through this paper we discussed  some  layer  2  enhancements  at  the  MN  that  work in con‐junction with the mobile IP client  software  to  enable  make‐before‐break  handover between heterogeneous networks.   On  the  other  side,  SIP,  a  widely  accepted  signaling  protocol,  is  capable  of  providing mobility support at the application  layer,  where  there  is  the  least  amount  of  dependence on the lower layers. In this paper,  we  also  discussed  the  scenarios  of  vertical  handoff delay in a WLAN‐UMTS inter‐network  using  SIP  as  the  terminal  mobility  management  protocol.  Studies  have  shown  that the WLAN‐to‐UMTS handoff due to error‐ prone  and  bandwidth‐limited  wireless  links  incurs  much  larger  delay  than  the  UMTS‐to‐ WLAN  handoff.  In  order  to  comply  with  the  maximum  limit  of  the  handoff  delay  for  supporting  delay‐sensitive  applications,  soft  handoff techniques need to be applied for SIP‐ based  terminal  mobility  management  in  heterogeneous wireless IP networks.    One  of  the  significant  issues  besides  mobility management in a WLAN and cellular  integrated  network  is  that  a  dual‐mode  MS  typically disables the WLAN module to reduce  the  power  consumption.  Therefore,  the  incoming  VoIP  calls  to  the  MS  cannot  be  connected through the WLAN. To address this  issue, this paper also discussed a Caller Server  with Push (CSP) mechanism where the MS can  accurately  detect  the  VoIP  calls  through  cellular paging, and then the CSP can re‐route  the call through the WLAN.   There are some successful stories for  VoIP  in  converged  wireless  access  networks  but to enable large deployment of services in  public  networks  suffers  from  a  number  of  technical  challenges.  Research  and  technologies  development  at  both  terminals  and networks are required urgently, and more  detail analysis and from different perspectives  will be very helpful. Besides that the protocol  between  terminals  and  networks  should  be  standardized,  opens  issues  such  as  how  terminals  decide  the  always  best  connected  issues,  always  on  issue,  and  power  consumption  issues  needs  to  be  further  studied.           
  • 19. N. Jain & H. Shahzad  19  May 2006      References  1. A.  Acharya,  S.  Berger  and  C.  Narayanaswami,  “Unleashing  the  Power  of  Wearable  Devices  in  a  SIP  Infrastructure”,  Proceedings  of  the  3rd  IEEE  Int’l  Conf.  on  Pervasive  Computing  and  Communications  (PerCom 2005), 2005    2. A.  C.  Snoeren  and  H.  Balakrishnan,  “An  End‐to‐End  Approach  to  Host  Mobility”,  Proceedings  of  the  ACM  Mobicom, August 2000.    3. A. Dutta, F. Vakil, J.‐C. Chen, M. Tauil,  S.  Baba,  N.  Nakajima,  and  H.  Schulzrinne,  "Application  layer  mobility  management  scheme  for  wireless  Internet",  In  Proc.  of  IEEE  International  Conference  on  Third  Generation  Wireless  and  Beyond  (3Gwireless'01), May 2001.    4. A.  Grilo,  P.  Estrela,  and  M.  Nunes,  “Terminal  Independent  Mobility  for  IP  (TIMIP)”,  IEEE  Communication  Magazine, 2001.    5. A. Rajkumar, P. Feder, S. Benno and T.  Janiszewski,  “Seamless  SIP‐Based  VoIP  in  Disparate  Wireless  Systems  and  Networks”,  Bell  Labs  Technical  Journal  9(1),  Lucent  Technologies  Inc., 2004    6. C.  Perkins  and  D.  Johnson,  “Route  Optimization  in  Mobile  IP”,  IETF  Draft,  September  2001,  <http://www.ietf.org/internet‐ drafts/draft‐ietf‐mobileip‐optim‐ 11.txt>    7. C. E. Perkins, IP Mobility Support for  IPv4, RFC 3220, Jan. 2002.     8. C. Perkins (ed.), “IP Mobility Support  for  IPv4,”  IETF  RFC  3344,  August  2002,  <http://www.ietf.org/rfc/rfc3344.txt ?number=3344>.    9. C‐Y.  Wan,  A.  T.  Campbell,  and  A.  G.  Valko,  “Design,  implementation  and  Evaluation  of  Cellular  IP”,  IEEE  Personal Communications, Vol. 7, No.  4, August 2000.    10. D.  Benenati,  P.  Feder,  N.  Lee,  S.  Martin‐Leon,  and  R.  Shapira,  “A  Seamless  Mobile  IP  VPN  Data  Solution for CDMA, UMTS, and WLAN  Users,” Bell Labs Tech. J., 7:2, 2002    11. D.  Vali  and  A.  Greece,  “An  Efficient  Micro‐Mobility  Solution  for  SIP  Networks”, IEEE Globecom, 2003    12. E. Wedlund, H. Schulzrinne, “Mobility  support  using  SIP”,  2nd  ACM/IEEE  International Conference on Wireless  and Mobile Multimedia, August 1999    13. Feng,  V.  W.‐S.,  Wu.,  L.‐Y.,  Lin,  Y.‐B.,  and Chen, W.‐E., “WGSN: WLAN based  GPRS  Environment  Support  Node  with  Push  Mechanism”,  The  Computer Journal, 47(4),  2004.    14. H.  Schulzrinne,  E.  Wedlund,  “Application  layer  mobility  using  SIP”,  Mobile  Computing  and  Communications  Review,  Volume  4,  Number 3, 2001    15. Handley,  M.  and  V.  Jacobson,  SDP:  Session  Description  Protocol,  RFC  2327, IETF April 1998.    16. J. Ala‐Laurila and et al., “Wireless LAN  access  network  architecture  for  mobile  operators,”  IEEE  Communications  Magazine,  Nov.  2001. 
  • 20. N. Jain & H. Shahzad  20  May 2006      17. J.  Rosenberg,  H.  Schulzrinne,  G.  Camarillo, A. Johnston, J. Peterson, R.  Sparks,  M.  Handley,  and  E.  Schooler,  “SIP:  Session  Initiation  Protocol”,  IETF RFC 3261, June 2002.    18. Lin,  Y.‐B.,  Lo,  Y.‐C.,  and  Rao,  C.‐H.  A  Push Mechanism for GPRS Supporting  Private  IP  Addresses.  IEEE  Communications Letters, 5(1), 2003.    19. M.  Buddhikot,  G.  Chandranmenon,  S.  Han, Y. Lee, S. Miller, and L. Salgarelli,  “Integration  of  802.11  and  Third‐ Generation Wireless Data Networks,”  Proceedings of the IEEE Infocom, Vol.  1, 2003     20. M.  Stemm  and  R.  Katz,  “Vertical  handoffs  in  wireless  overlay  networks”,  ACM  Mobile  Networks  and Applications (MONET), Vol. 3(4),  1998.    21. N. Banerjee, W. Wu, K. Basu, and S. K.  Das, “SIP Based Mobility Management  in 4G Wireless Networks”, Journal of  Computer  Communications,  special  issue  on  Research  Directions  in  4th  Generation  Wireless  Networks,  Vol.  27/8, 2003.    22. N.  Banerjee,W.Wu,  S.  K.  Das,  and  S.  Dawkins,  and  J.  Pathak,  “Mobility  Support  in  Wireless  Internet”,  IEEE  Wireless  Communications  Magazine,  Vol. 10, No. 5, 2003.    23. N. Banerjee and S. K. Das, “SIP‐based  Mobility  Architecture  for  Next  Generation  Wireless  Networks”,  Proceedings  of  the  3rd  IEEE  Int’l  Conf.  on  Pervasive  Computing  and  Communications  (PerCom  2005),  2005    24. Q. Zhang, C. Guo, Z. Guo and W. Zhu,  “Efficient  mobility  management  for  vertical handoff between WWAN and  WLAN”,  IEEE  Communications  Magazine, Vol. 41, No. 11, 2003.     25. R.  Sparks,  “The  Session  Initiation  Protocol  (SIP)  Refer  Method,”  IETF  RFC  3515,  2003,  <http://www.ietf.org/rfc/rfc3515.txt ?number=3515>.    26. Shiao‐Li  Tsao  and  E‐Cheng  Cheng,  “Reducing  Idle  Mode  Power  Consumption  of  Cellular/VoWLAN  Dual  Mode  Mobiles”,  IEEE  Globecom  2005    27. S. Das, A. McCauley, A. Dutta, A. Misra,  K. Chakraborty and S. K. Das, “IDMP:  An  Intra‐Domain  Mobility  Management  Protocol  for  Next‐ Generation Wireless Networks”, IEEE  Wireless Communications, Vol. 9, No.  3, June 2002.    28. T.  La.  Porta,  R.  Ramjee,  L.  Lee,  L.  Salgerelli,  and  S.  Thuel,  “IP‐based  access  network  infrastructure  for  next‐generation  wireless  data  networks”  IEEE  Personal  Communications, Vol. 7, No. 4, August  2000.    29. The Internet Engineering Task Force,  http://www.itef.org     30. W. Wu, N. Banerjee, K. Basu and S.K.  Das,  ”  SIP‐Based  Vertical  Handoff  Between WWANs and WLANs”, IEEE  Wireless  Communications  Magazine,  June 2005    31. W.  Jiang,  J.  Lennox,  H.  Schulzrinne  and  K.  Singh.  Towards  Junking  the  PBX:  Deploying  IP  Telephony.  NOSSDAV, 2001   
  • 21. N. Jain & H. Shahzad  21  May 2006  32. Yi‐Bing Lin, Whai‐En Chen and Chai‐ Hien Gan, “Effective VoIP Call Routing  in  WLAN  and  Cellular  Integration”,  IEEE Communications Letters, Vol. 9,  No. 10, October 2005    33. 3rd  Generation  Partnership  Project,  “Technical  Specification  Group  Services  and  Systems  Aspects;  Network  Architecture,”  TS  23.002,  <http://www.3gpp.org/ftp/Specs/ht ml‐info/23002.htm>.    34. 3rd  Generation  Partnership  Project,  “Technical  Specification  Group  Service  and  Systems  Aspects;  IP  Multimedia  Subsystem  (IMS);  Stage  2,”  TS  23.228,  <http://www.3gpp.org/ftp/Specs/ht ml‐info/23228.htm>.    35. 3rd  Generation  Partnership  Project,  “Technical  Specification  Group  Core  Network;  IP  Multimedia  Call  Control  Protocol  based  on  Session  Initiation  Protocol (SI) and Session Description  Protocol  (SDP);  Stage  3,”  TS  24.229,  <http://www.3gpp.org/ftp/Specs/ht ml‐info/24228.htm>                                             
  • 26.