Implementation, Evaluation, and Comparisons of 802.16 MAC Layer Handover Mechanisms

IEEE 802.16標準制定的目標主要是在提供都會區的移動式寬頻網路服務，而基地台與使用者之間的換手機制是其中相當重要的議題。但是目前關於802.16換手機制的研究往往基於簡化的模型，忽略了在換手過程中延遲產生的特性，譬如通道存取競爭的方式以及系統負載的高低。本論文藉由實作詳細模擬802.16的換手機制，以期深入了解換手過程中各項延遲的特性，進而分析各種換手機制的優劣。首先，本論文對802.16的通道存取競爭方式和傳統競爭方式進行比較，經由簡單的數學模型分析，我們發現802.16的競爭方式比較有彈性，在低系統負載時所需要的競爭時間較短，但是在高系統負載時較長。為了更正確了解802.16所制定的各項換手機制以及使用時機，我們以電腦模擬的方式實現這些換手機制，並針對不同的情況，如不同的系統負載以及換手頻率進行換手延遲的研究。由於不同換手機制所產生的延遲特性相當不同，我們更針對換手過程中通道競爭所需要的時間，研究比較802.16各項換手機制的優劣。我們發現通道競爭平均需要的時間約在20毫秒到300毫秒之間，在高系統負載或者高換手頻率的情況下，競爭所耗費的時間是造成換手時間過長的主要原因。因此，如何減少通道競爭所需要的時間將是改善802.16換手延遲的一項重要議題。IEEE 802.16 is the standard for mobile broadband wireless communication in metropolitan area networks. To support user mobility, 802.16 provides several MAC layer handover mechanisms including scanning without association, association without coordination, and association with coordination. The characteristics of delays incurred during handovers, however, are typically modeled based on simplified assumptions in related work. This thesis first uses a simple mathematical analysis to motivate detailed implementations of the 802.16 handover mechanisms. Based on these implementations, we give a simulation study on the handover mechanisms especially on the ranging procedure. We find that there are performance tradeoffs between these mechanisms for different network scenarios. We identify the tradeoffs and make some observations for future deployment of these handover mechanisms.ABSTRACT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii LIST OF TABLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi LIST OF FIGURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii CHAPTER 1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 CHAPTER 2 BACKGROUND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1 Fundamentals of 802.16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.2 Network Entry and Initialization of 802.16 . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2.1 Scanning and Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2.2 Acquisition of Downlink and Uplink Parameters . . . . . . . 6 2.2.3 Ranging and Automatic Adjustments . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.4 Basic Capabilities Negotiation, Authentication and Key Exchange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.5 Registration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.6 Establishment of IP Connectivity, Time of Day and Transfer Operational Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3 802.16 MAC Layer Handover Process . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.3.1 Handover Decision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.3.2 Scanning without Association (Basic Handover Mechanism) . 11 2.3.3 Association without coordination . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3.4 Association with coordination . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.5 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 CHAPTER 3 ANALYSIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.1 Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.1.1 Synchronization Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.1.2 Ranging Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 iii 3.1.3 Registration Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.1.4 The Rest of the Handover Delay . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.2 Scanning without Association . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2.1 Scanning Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.2.2 Handover Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3 Association without Coordination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3.1 Scanning Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3.2 Handover Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.4 Association with Coordination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.4.1 Scanning Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.4.2 Handover Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 CHAPTER 4 IMPLEMENTATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.1 NIST Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.2 Delays during Handover Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.3 Scanning without Association . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.3.1 Implementation Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.3.2 Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.4 Association without Coordination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.4.1 Implementation Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.4.2 Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.5 Association with Coordination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.5.1 Implementation Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.5.2 Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.5.3 Proposed Backbone Negotiation . . . . . . . . . . . . . . . . 65 CHAPTER 5 EVALUATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.1 Simulation Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.1.1 Parameter Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.1.2 Frame Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.1.3 Simulation Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.2 Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.2.1 Scanning without Association . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.2.2 Association without Coordination . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.2.3 Association with Coordination . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 CHAPTER 6 COMPARISONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 6.1 Scanning Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 6.2 Handover Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 6.3 Total Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 6.4 Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 CHAPTER 7 CONCLUSION AND FUTURE WORK . . . . . . . 101 REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10