L9 Mobile Communication Systems

Cellular System Infrastructure

  • BS = base transceiver system (BTS) + BS controller (BSC)
    • BTS: tower + antenna
    • BSC: electronics (電路)
  • AUC (Authentication center)
    • 驗證與加密，確認使用者身分
  • EIR (Equipment identity register)
    • 資料庫儲存行動設備的識別碼與資訊
  • HLR (Home location register)
    • 紀錄在 MS 初始註冊時的 MSC (mobile switching center)
    • 包含課費資訊等基礎資料
  • VLR (Visitor location register)
    • 記錄目前在該 MSC 區域活動的 MS 資訊
    • 指向其對應 HLR 的指標

MS 跟 serving BS 註冊，BS 將 MS 登錄在 visiting MSC 的 VLR，MSC 再登錄在 home MSC的 HLR

Registration

Between MSs and MSCs

  • MS 持續接收 Beacon Signals，並且更新 active beacon kernel table
    • Beacon Signals - 幫助 MS 確認目前所在區域與可聯繫的網路設備:
      • Cellular network identifier
      • Timestamp
      • Gateway address
      • ID of the paging area
  • 尋找訊號最強的 BTS，並發出註冊請求
  • 所在地區的 MSC 會向 Home MSC 要求驗證與授權資料
  • BS 判斷是否允許此用戶註冊

Handoff

  • 由 MS 或 BS 發起，可能的原因:
    • Radio link (MS mobility)
    • Network management (imbalance)
    • Service issues (QoS, Quality of Service)
  • 影響因素:
    • Signal strength
    • Bit error rate
    • Distance
  • 分類:
    • Hard handoff: handoff 之前先中斷連線
    • Soft handoff: handoff 時先同時連接兩個 BS
  • 情況:
    • Intra-MSC inter-BS handoff
      • 發生在 MSC 內部，不同的 BS 之間
    • Intra-MSC+intra-BS handoff
      • 在同一個 BS 內更換不同的 sector 天線
    • Inter-MSC handoff
      • 跨不同的 MCS
      • 需要與 Home MSC 交換資訊，更新 VLR / HLR

Roaming

資料從來源端傳送到 MS，根據 MS 的當前位置動態選擇路徑

  • Routers 在 MSC 中
  • Paging area: 由多個 cell 組成的區域，是一個網絡管理單位，用於減少尋呼訊號的範圍
  • Backbone Network
    • 路由是根據 backbone network 的拓撲 (topology) 與連線狀況來決定的
    • 在原本的路徑找到一個中間 router，重新尋找一條最短路徑到目前的 MSC
      • 可能效率降低

Mobile IP

  • 兩個與 routers 有關的 software modules:
    • HA (home agent): 註冊時最近的 router，也有可能是附近的其他 router
    • FA (foreign agent): 目前所在位置的 router
  • 流程:
    • FA detection:
      • FA 定期發送 Beacon Signals
      • MS 發送 Agent Solicitation 訊息
    • FA 分配 Care-of Address (CoA) 給 MS
      • FA 自身的地址: CoA
      • DHCP 新地址: CCoA (colocated CoA)
    • MS (or the FA) 向 HA 註冊此 CoA 以及 valid time limit (有效時限)
    • HA 與 FA 之間建立綁定 (binding)
    • HA 可以將送往 MS 的資料包封裝 (encapsulation) 後，轉發到 MS 或 FA
      • 使用 CoA: HA 傳給 FA，FA 解封裝 (Decapsulation) 後傳給 MS
      • 使用 CCoA: HA 會直接傳給 MS
  • 過期與續約流程:
    • 當 Binding 過期時，如果 MS 仍然希望繼續通過 HA 轉發資料包，它需要發送一個 registration request
  • 回到 HA:
    • 當 MS 返回其 home network，MS 會向 HA 發送 registration request，之後 HA 不再轉發資料包給 FA

Triangular routing

  • MS 直接把資料傳給 corresponding node (CN)
  • source address 是 MS 的 home IP
  • 造成來源位址與實際來源不同，可能被防火牆擋住

Reverse tunneling

解決 Triangular Routing Problem

  • MS 先將資料傳回 HA，HA 再傳給 corresponding node

Rerouting in Backbone Routers

  • FA 如何找到 HA
    • 每個 router 維護一個 global table
    • 記錄到每個 PA 的下一步路

Multicasting

一個傳送者傳送資料給多個接受者，使用 group address 進行分發

  • Multicasting routing protocols 分類:
    • Source-based tree: 每個來源節點會建構一顆以自己為根的樹
    • Core-based tree (share tree): 所有來源節點共用一顆以某個 core 為中心建構的樹，不一定是最短路徑
  • IETF 提供的方案:
    • Bidirectional tunneling (BT)
    • Remote subscription

Bidirectional Tunneling

  • 每個 MS 建立一條從 HA 到 FA 的通道
  • 優缺點:
    • (-) 當 MSs 在同一個 FA 時，可能造成資料重複
    • (+) 避免 data disruption (漏掉資料)

Remote subscription

  • FA 直接加入 delivery tree，而不是經由 HA 傳輸資料
  • 優缺點:
    • (-) data disruption (FA 還沒加入 tree 時可能漏掉資料)
    • (+) 避免 data duplication (資料重複)
    • (+) 避免 non-optimal path delivery (路徑是由 source 直接到 FA)

Tunnel Convergence Problem

  • 多個不同 HA 的 MSs 移動到相同的 FA 內 - FA 會收到多個重複的資料
  • 解決方法: Mobile Multicast (MoM) protocol
    • FA 選擇 DMSP (designated multicast service provider)，並且只從其該 HA 接收資料
    • 當 DMSP 對應的 MS 離開 FA，需要重新挑選 DMSP - 可能造成資料遺失
      • 指派多個 DMSP 可以解決 - 可能造成資料重複