TW564652B - A mobility management method and system for wireless data networks - Google Patents

Description

564652 A7 '—-----------B7 五、發明説明（1 )' ---- 【本發明之領域】 ^本發明係關於一種無線數據網路之行動管理方法及系 統，尤指一種適用於通用封包無線電服務（General Packet dio Service，GPRS)系統、或第三代行動電#UMTS 系統等無線數據網路之行動管理方法及系統。 【本發明之背景】 在現有的GPRS網路中，如第1圖所示，其服務區域 (service area)係劃分為數個路由區n(r〇uting ， RAs)，每一個rA由數個細胞12(cells)所組成，其中一 個細胞12即為一個基地台i3(Base Station，BS)的覆蓋 範園。GPRS網路使用一對執行於網路端之服#GpRS支援點 14( Serving GPRS Support Node，SGSN)以及手機 1 5 的有限狀態 機（finite state machine)來進行手機1 5的行動管理 (mobility management，MM)。此有限狀態機包含了閒 置（Idle)、待機（Standby)及可用（Ready)等三種狀態。 在Idle狀悲時’ GPRS網路並不知道該手機15的存在；在 Standby狀態時，該手機已連上（attach)GPRS網路，且 手機每跨越一個RA11時，需向所屬之SGSN14註冊；而 在R e a d y狀態時’手機1 5每跨越一個細胞1 2時，需向所 屬之SGSN 14註冊。此外，手機必須在Ready狀態時，才 可進行封包資料單元（Packet data units，PDUs)之送 收0 4 A4— (210X297 ^ ------------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁各爛) ------訂--------- f- 564652 A7 B7 五、發明説明（2) 以㈤述二個行動管理狀態間的移轉，GPRS網路可進 行手機15的行動管理，其中，在尺⑼时狀態時，該手機 1 5被預期於短時間内進行封包的送收，因此每當跨越一個 細胞1 2時，該手機丨5必須立即通知s gsn丨4新的細胞位 址，如此SGSN14才能直接傳送封包至新的細胞12而不需 要廣播呼叫（page)RA11中的所有細胞12。另一方面，如 果手機1 5入S G S N 1 4間的一個通訊連線（c 〇 mmu n i c a t i ο η session)已經結束，則該手機丨5被預期在短時間内將不會 有封包的收送，於這種狀況下，手機丨5每跨越一個細胞 12就進行註冊動作，顯然過於昂貴，因此，行動管理狀態 應由Ready狀態轉換至Standby狀態，如此，手機15每跨 越一個RA11時，才需進行註冊動作。亦即，於尺以时狀 態時，封包可直接傳送至手機丨5，而不需要額外的廣播呼 叫之耗費，但是位置更新（1〇cati〇n update)的耗費則很 咼，因為該手機15必須做細胞更新（cell update)之動 作；而於Standby狀態時，因為必須廣播呼叫手機15所 在之R A 1 1中的所有細胞1 2，所以廣播呼叫之耗費高，但 是位置更新的耗費則很低，因為該手機丨5只需做路由區更 新（RA update) 〇 對於前述由Ready狀態至Standby狀態之移轉，在 3 GPP所制定的23.060規格中採用了 一準備計時器 (Ready Timer)機制，此機制定義了一臨界時段τ (threshold interval)，以當傳送完一個封包後，Ready timer即開始倒數T個單位時間，如果當Ready tinier計時 5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規;(210X297公楚)-------一 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁各攔) --.---、訂--------- 564652 A7 B7 五、發明説明（3 ) 終了’而該手機1 5仍然沒有進行任何封包收送時，則行動 管理狀態由Ready狀態切換至standby狀態。 在以前述Ready timer機制來實現由Ready狀態至 Standby狀悲之移轉時，如果手機1 5的行動態樣 (mobility pattern)與資料送收態樣（traffic paUern)變 動頻繁時，由於Ready timer機制係利用固定的臨界時段 τ來決定移轉之時間，因此將無法準確掌握由Ready狀態 切換至Standby狀態的時機。此外，Ready timer機制會 有失去同步（lose synchronization )的問題，例如，當 SGSN14已移轉至Standby狀態，但手機15仍然停留在 R e a d y狀態。 在美國專利US6243579所提出之”Controlling Operating States of a Mobile Station in a Packet Radio System”中，係於gPRS等相關網路中，加入三個 額外的訊息來要求做行動管理狀態之移轉，由於此專利是 針對Ready timer機制提出改進，因此，仍無法完全免除 因使用固足的臨界時段T而無法準確掌握由Ready狀態切 換至Standby狀態的時機之缺失，同時手機15與3〇3^[14 之間同步的問題亦無法予以解決。 發明人爰因於此，本於積極發明之精神，亟思一種可 以解決上述問題之「無線數據網路之行動管理方法及系 統」’幾經研究實驗終至完成此項嘉惠世人之發明。 【本發明之概述】 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁各攔) *裝---------訂--------- 馨！

五、發明說明（4 ) 本發明之主要目的係在提供一種無線數據網路之行動 管理方法及系統，俾能準確掌握行動管理狀態由汉以訂狀 態切換至Standby狀態的時機，並解決手機端與8(381^端 間Ready timer之同步問題。 ★依據本發明之一特色，係提出一種無線數據網路之行 動管理方法，該無線數據網具有複數個路由區，每一路由 區具有複數個細胞，該無線數據網路係以執行於一行動端 與一網路端設備之有限狀態機來進行對該手機的行動管 理，孩有限狀態機包含閒置、待機及可用狀態，該行動端 與該網路端設備各具有-準備計數器，該方法係用以判定 孩行動端與該網路端設備由可用狀態切換至待機狀態的時 j，其包括步騾··（A)將行動端與網路端設備之準備計數 器重置為相同之臨界値κ(κ為非負整數 跨越一，細胞時，將該等準備計數器遞減；（c)當該力= 備斤^计數到零時，將該行動端與網路端設備切換至待 2狀態；以及（D)當該行動端成功傳送一封包而該網路端 又備成功收到一封包時，重置該行動端與網路端設備的準 请十數器，並將該行動端與網路端設備切換至可用狀態。 么依據本發明之另一特色，係提出一種無線數據網路系 、先/、具有至少—行動端、至少-網路端設備及複數個路 /品、每@由區具有複數個細胞，該無線數據網路係以 一亍、；行動崎與一網路端設備之有限狀態機來進行對該 二，％的仃動f理’該有限狀態機包含閒置、待機及可用 〜八中，备仃動端與網路端設備為可用狀態時，如行 564652 A7 B7 五、發明説明（5 ) 動端跨越了 κ(κ為非負錄）個細胞而沒有進行任何的封 包收送時，則該行動端與網路端設備之行動管理狀態由可 用狀態切換至待機狀態。 ，由於本發明設計新穎，能提供產業上利用，且確有增 進功效，故依法申請發明專利。 為使貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵 及其目的，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細説明如 后： 圖式簡單説明 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁各攔) 裝 第1圖 第2圖 第3圖 係現有的GPRS網路示意圖。 係為依據本發明之GPRS網路示意圖。 係為本發明之無線數據網路之行動管理方法的流 程圖。 第4圖：係依據本發明之方法以求取臨界値之最佳値的示 意圖。 第5圖：係為本發明之方法與習知方法之效能比較圖。 【圖號説明】 (1 1)(21)路由區 (13)(2 3)基地台 (15)(25)手機 (2 8)網路端設備 (12)(22)細胞 (14)(24)服務GPRS支援點 (241)(25 1)準備計數器 (29)行動端 -----訂--------- 麟！ 本紙張尺度適财a uT^T97^} 564652 A7 _B7_ 五、發明説明（6 ) 【較佳具體實施例之詳細説明】 有關本發明之無線數據網路之行動管理方法及系統之 一較佳實施例，請先參照第2圖所施行本發明之方法的無 線數據網路系統，其中，在網路系統中之行動端2 9及網路 端設備28之中，各具有一準備計數器251及241(Ready counter)，俾以藉此計數器25 1及24 1之値而判斷行動管 理狀態由Ready狀態移轉至Standby狀態之時機。以 GPRS網路系統為例，該網路端設備28為SGSN24，而該 行動端29係例如為一手機25，且該等準備計數器25丨及 241係初始化為相同之臨界値K，此K値只有SGSN24可以 修改。當SGSN24欲改變臨界値K時，可利用Attach Accept 或 Routing Area Update Accept 訊息來達成目 的。且如果臨界値K被設成零’則手機2 5必須立即進入 Standby狀態；如果臨界値κ被設為一個特殊値（例如二進 制的所有位元均為1)，則該計數器25 1及24 1被解除作用 (deactivated)，亦即手機25永遠待在Ready狀態，而不 會轉換至Standby狀態。 第3圖為本發明之無線數據網路之行動管理方法的流 程圖，其中，在起始時，手機25及SGSN24之行動管理狀 態為Ready狀態，而手機25及SGSN24之準備計數器251 及241係重置為相同之臨界値!^(步驟S31)。當手機25每 跨越一個細胞22時（步驟S3 2)，準備計數器251及241便 均遞減（步騾S33)。當準備計數器251及241計數到零 時，則手機25的行動管理狀態及SGSN24的行動管理狀態 ______9_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公楚） -- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁各欄) 裝 -----訂--------- 564652

轉換至Standby狀態（步驟S34)。當一個封包由手機乃傳 送出去，手機端的準備計數器251需被重置以重新計數，· 當SGSN24成功收到一個封包，8(38]^端的準備計數器 241需被重置且重新計數（步騾S31)，且將手機25與 SGSN24之行動管理狀態由standby狀態切換至^以乂狀 態。在此流程中，手機25與SGSN24的準備計數器251及 2 4 1之値應為一致。 藉由前述手機25與SGSN24的準備計數器251及 241，本發明之方法係在手機25跨越了 κ個細胞22而沒有 進行任何的封包收送時，將行動管理狀態由Ready狀態切 換至Standby狀態。因此，本發明之方法係以手機所跨越 的細胞22之個數為依據來判斷行動管理狀態之切換時機， 因此可確實掌握手機25的行動態樣與資料送收態樣，故而 既使在行動悲樣與、料送收態樣變動頻繁時，仍可準確地 判斷由Ready狀態切換至Standby狀態的時機。 而為求取前述臨界値K之最佳値κ *，考慮一段封包間 置時段tp (packet idle period)，參照第4圖所示，定義 Nc為tp中所跨越的細胞個數，Nr(j)為第j + i個細胞跨越 (cell crossing)與第Nc個細胞跨越間所跨越的ra個數， 以U代表做一次cel 1/RA更新的耗費，V代表廣播呼叫一 個細胞的耗費，而S代表一個R A所包含的細胞個數。故設 有臨界値K的封包間置時段tp所得到的淨耗費ct(K)可表 示下： CT(K) = U Nc， for Κ > Nc 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) Α4規格（210X297公釐） 564652 11 A7 B7 五、發明説明（8 ) CT(K) = U [K + Nr(K)] + sv. for K < Nc (1) 如先前所定義，Nr(K)係為設定臨界値κ時之RA更新 的次數，當N c > K，貝ij : CT(K) = U [K+ Nr(K)] + SV (2) 而在前K次細胞跨越内之跨越的次數為Nr(0)-Nr(K)，因此可知：

Nr(0) - Nr(K) < K (3) 藉由公式（2)及（3)可得： CT(K)>U [ Nr(〇)] + SV = CT(〇) for K < Nc (4) 對於K〉Nc ’可得CT(K) = CT(Nc+l)，因此，最低之 淨耗費 CT* = min(^KwCT(K)=：min()心 Nc + i CT(K) (5) 由公式（4)及（5)，可得： CT* = min [CT(0)，CT(Nc+l)] ⑷ 故求得臨界値K之最佳値為κ* = 〇或K*=Nc+l。 前述之最佳臨界値K *可使得在t p中能具有最少的總 耗費（亦即位置更新耗費加上廣播呼叫耗費），而此最佳臨 界値K*可進一步動態調整以適應系統之需求。以tp(i)代 表介於第i-Ι個封包傳輸與第i個封包傳輸間的閒置期間， Κ(ι)代表tp(i)時段中的最佳κ値，則K値可以下列之適應 性演算法動態調整： (1)進行初始化’指定一任意値給K ( 0 )，在第一個封包 到達前，以K(0)為臨界値，進行前述使用準備計數器 之行動管理方法。 本紙張尺度朝標準（CNS) Α4規格（210χ297公楚） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁各欄) i裝---------訂--------- 鳴！ ^04652 五、發明說明（9 ，田第1個f包傳輸完成時，計算在tp(i)期間最小化 淨耗費之最佳κ(〇値為〇或NC+1，以臨界値κ在 tP(i+l)期間進行前述使用準備計數器之行動管理方 法，其中：

K

K 5 for i > Μ for i < Μ 〇 :、 在第丨個封包傳輸與第丨+ 1個封包傳輸間之臨界値κ 為先則Μ個最佳臨界値之平均値，藉由此動態地調整臨界 値Κ ’可更準確掌握手機的行動態樣與資料送收態樣，而 進一步減低位置更新與廣播呼叫之耗費。 由以上之説明可知，相較於習知技術之準備計時器機 制以絕對時間為依據，本發明使用準備計數器之行動管理 万法係以跨越的細胞個數為依據，若手機跨越了Κ個細胞 而沒有進行任何的封包收送，則行動管理狀態由汉以灯切 換至Standby狀態，可準確地掌握行動管理狀態切換之時 機，除此之外，利用計數器取代計時器同時亦解決了可能 發生的同步問題。更藉由記錄上一次閒置期間中，手機共 跨越了多少個細胞以及多少個RA，而找出最佳的臨界値 K *，再以K *為下一次間置期間的臨界値，來進行本發明 之行動f理方法，可進一步降低位置更新與廣播呼叫的耗 費0 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁各欄) 裝 t i-----訂--------- 轉· 564652 B7 五、發明説明（10) 前述本發明之實施例係以將準備計數器初始化為臨界 二’相遞減運算來記錄手機在沒有進行任何的封包收 \m =時所跨越之細胞數目，惟其㈣將準備計數器初始化為 2，再以柄運算來記錄手機所跨越之細胞數目，亦 成相同之效果。 為驗證本發明之方法的優越性，可對習知方法盘本發 明=法進行以下之實驗。在此實驗中，混合有以下兩類 仃動怨樣及資料送收態樣： 第一類：平均封包閉置時間（mean packet idle ⑽e)=100s，行動率（m〇biUty ^⑷又 & = 1/lOOOs ； 第二類：平均封包閒置時間=1 000s，行動率 (mobility rate) λ m” = l/ios 〇 本實驗考慮1，000,000個封包閒置時間（packet idie tme)，其中前50〇,〇〇〇個封包間置時間使用第一類態 樣，而後500,000個封包間置時間使用第二類態樣:: CT’代表一個第一類態樣封包間置時段的預期耗費“立置 更新耗費加上廣播呼叫耗費），而CT，，代表—個第二類態 樣封包閒g時段的㈣耗#。以本發明之方法，則κ値= 為1可得到最低的預期耗費CT，，而£値設為〇可得到最低 的預期耗費CT，’。因此，κ値設為i對第—類與第二類態 樣都可得到很好的效果。反觀如以習知之方法，當 100s可得到最低的預期耗費(：丁，；但另—方面，τ < 可得到最低的預期耗費CT，，。由上面的分析得知，不管如 ----13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公幻 564652

五、發明説明（η) ΐ Γ圖〜τ値’#無法同時滿足第一類與第二類態樣。參照 *所不’實驗的結果顯示使用準備計時器之習知 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁各欄) 來^預期耗tCT林發明之方法所得的預期耗費CT要 斤陳’本發明無論就目的、手段及功效，在在均 ’、不其迥異於習知技術之特徵，實為-極具實用價値之發 zn貴審查委員明察，早日賜准專利，俾嘉惠社 曰、實感彳KS、便。惟應注意的是，上述諸多實施例僅係為了 便於説明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申 凊專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. %4652 A8 一、 ----—-____ D8 六、申請專利範圍 '一~" ----- 1·、一種無線數據網路之行動管理方法，該無線數據 -有複數個路由區，每—路由區具有複數個細胞，該無 f數據，罔路係以執行於—行動端與—網路端設備之有限狀 W機來進仃對孩手機的行動管理，該有限狀態機包含閒 、置待機及可用狀態，該行動端與該網路端設備各具有一 準備冲數器，遠方法係用以判定該行動端與該網路端設備 由可用狀態切換至待機狀態的時機，其包括步騾： 、（A)將行動端與網路端設備之準備計數器重置為相同 之臨界値κ(κ為非負整數）； (Β)當行動端每跨越一個細胞時，將該等準備計數器 遞減； " (C)當該等準備計數器計數到零時，將該行動端與網 路端設備切換至待機狀態；以及， (D )當該行動端成功傳送一封包而該網路端設備成功 收到一封包時，重置該行動端與網路端設備的準備計數 器，並將該行動端與網路端設備切換至可用狀態。 2·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，在一段 封包間置時段中之最佳臨界値κ為0或Nc+1，Nc為該行動 端在該段封包閒置時段中所跨越的細胞個數，該封包間置 時段為相鄰兩次封包傳輸間之時間。 3 ·如申請專利範圍第2項所述之方法，其中，在相鄰 兩次封包傳輸間之臨界値K為先前複數個最佳臨界値之平 均値。 15 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁各攔) 裝 -----訂----- 線！ 564652 --—---—_ 申請專利範圍 4.如申請專利範園第丨項所述之方法，其中，該益線 數據網路為通用封包無線電服務系統（GpRs)網路，該網 路端設備為服務GPRS支援點（SGSN)。 5· -種無線數據網路系統，具有至少—行動端、至 少一網路端設備及複數個路由區，每一路由區具 細胞，該無線數據網路係以執行於一行動端與 備之有限狀態機來進行對該行動端的行動管理，該有限狀 態機包含閒置、待機及可用狀態，其中，當行動端 ⑹又備為可用狀態時’如行動端跨越了 K (κ為非自整幻 個細胞而沒有進行任何的封包收送時，則該行動端盘 端設備之行動管理狀態由可用狀態切換至待機狀能:、、 6.如申請專利範園第5項所述之系統，其中 端與該網路端設備各具有一準備4 ^丁動 所跨越之細胞數目。卓備冲數态，以計算該行動端 ::胞個數，該封包職時段為相鄰兩次封包 兩次頁:述之系統，其中，在相鄰 値。封I傳輸間…係為先前複數個最佳以直之平均 9·如申請專利範圍第5項所述之系統，，^ 端與網路端設備為待機狀態時，如該行動端成功傳二^ 16 1210X297 公釐]Γ $氏張尺度顧 564652 A8 B8 C8 D8 、申請專利範圍 包而該網路端設備成功收到一封包時，該行動端與網路端 設備切換至可用狀態。 10·如申請專利範園第5項所述之系統，其中，該網 路端設備為通用封包無線電服務系統（GPRS)網路之服務 GPRS 支援點（SGSN)。 ---------------良i (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁各攔) 訂 線· 17 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐）