在802.16e中，行動通訊台（Mobile Station，縮寫為MS）會藉由掃瞄所在地點的相關頻帶，得知基地台（Base Station，縮寫為BS）的訊息，MS挑選最適合的BS進行連線，MS向BS完成註冊手續後，便透過此BS與網路進行連線，傳送資料。

由於在移動式的WiMAX系統下MS可以自由地移動，因此與BS間的訊號狀態會隨著移動而改變，當MS與目前連接的BS訊號狀態不夠理想或是有其他的BS更適合此MS進行連接時，MS會進行換手（handover）動作更換所屬的基地台，藉此來維持網路連線。

此外，省電是行動裝置必須要考量的重要功能，睡眠模式（sleep mode）以及閒置模式（idle mode）在802.16e中被應用來達到省電的功能。

在此篇文章中，我們會介紹換手以及閒置模式的概念以及相關實作。

基本架構

在基本架構的介紹中，我們主要分成BS的資料庫架構以及BS如何對MS進行狀態管控的架構進行說明。

BS資料庫架構利用以下幾點來簡略說明。

存放BS資訊的資料庫

存放與BS整體有關的靜態或動態參數，靜態參數如BS基本的能力設定等參數，動態參數則如目前在BS中MS的數目等參數。

存放MS資訊的資料庫

存放在此BS中每個MS的相關資訊，舉凡包括目前MS的狀態、MAC address、SBC（SS basic capability，即SS（MS）的基本能力）參數、REG參數（註冊相關參數）、服務流（service flow）參數等等的資料都放置在其中。

暫時MS資料庫

暫時MS資料庫目的在於存放，進行位置更新（location update）以及進行關聯性測試（association）的MS的相關資訊，由於這些MS僅透過BS與後端網路作為溝通橋樑，並不是要向此BS註冊，因此建立暫時的MS資料庫與一般向此BS註冊的MS資料庫作為區別。

BS對於MS狀態控制上，BS會針對每個MS存在獨有的狀態機(state machine)，這些狀態利用以下幾點來簡略說明。

主要模組狀態

在進入網路過程中，MS都必須完成向網路註冊的程序，在這些階段中，我們會有一個主要的模組狀態，來控制目前MS進行到註冊程序的哪一個階段，如等待RNG、SBC、PKM、REG等等狀態，這些狀態無法並行存在。

次要模組狀態

當向網路註冊完成後，BS會針對MS各個不同的功能，產生多個不同的次要模組狀態機，如掃瞄模組狀態機、換手狀態機、閒置功能狀態機等等，這些功能在許多時候是能夠平行進行而不會相互干擾，因此這些狀態機的運作上，都是各自獨立運作。

暫時模組狀態

使用在暫時MS資料庫的狀態機。

換手(Handover)

換手的程序可由BS發起也亦可以由MS發起，在此篇文章中，我們主要針對由MS主動要求進行換手的程序進行說明。

換手模式特性

在實作上802.16e的換手動作可分為硬換手（hard handover）以及軟換手（soft handover），主要的差別在於是否要先跟目前服務MS的BS （serving BS）離線後再重新與挑選的目標BS（target BS）重新連線，目前我們僅就硬換手的部份進行說明。以下將分別描述BS在擔任serving BS以及target BS時換手程序的實作概念。

MOB_NBR-ADV訊息

BS廣播MOB_NBR-ADV訊息，用來提供附近BS的相關資訊，便於MS進行掃描。

進行掃瞄（scan）

MS可以藉由掃描target BS得知與target BS信號連接狀況，以及若是能與BS進行關聯（association）動作，則另外可以得知target BS是否可以提供MS必要的服務以及調整與target BS連結的信號狀態。

掃描的動作可以分為單純的掃描不建立關聯性、建立關聯性層級0、建立關聯性層級1、建立關聯性層級2。建立關聯性層級的差異在於是否後端網路可以進行協調與溝通，層級0不會藉由後端協調安排進行連結的區間（進行ranging的區間），層級1會安排進行連結的區間、層級2除了層級1的功能外還會將結果彙總告知serving BS。

為了維持與BS間的資料傳送，MS在進行掃描的過程中，會區分為掃描區間（scan interval）以及穿插區間（interleaving interval），在掃描區間掃描target BS，在穿插區間回來聽取serving BS，如此重覆一定的次數。用來溝通掃描的訊息為MS提出的MOB_SCN-REQ以及BS回覆的MOB_SCN-RSP，此外，MS藉由MOB_SCN-REP訊息將掃描得來的結果回報給BS。

提出換手要求（handover request）

當MS與serving BS間的訊號不夠理想時，MS會向serving BS提出MOB_MSHO-REQ訊息要求進行換手，serving BS會將MS提出的換手清單向後端進行詢問適合的target BSs，再將詢問後的結果帶在MOB_BSHO-RSP中給予MS作為參考，MS發送MOB_HO-IND告知serving BS關於MS是否進行換手的動作。另外BS亦可主動發送MOB_BSHO-REQ要求MS進行換手，在此篇文章中，我們主要針對MS主動提出的換手要求進行說明。

換手進入網路動作（handover entry）

當MS送出MOB_HO-IND為serving BS release時，MS決定要進行換手，MS會在target BS進行換手進入網路的動作。換手進入網路的動作類似於進入網路的程序，但可以依據BS的指示，略過部分程序。

實作

進行掃瞄要求（scanning request）

簡單的描述整個掃描流程在MS、BS以及後端網路間的互動，BS負責掃描相關動作的為圖中的SCN模組。

當serving BS收到MS提出的MOB_SCN-REQ時，會盡可能的根據MS提出的要求配與掃描區間，若是無法達成則會將scan duration設為0並帶在MOB_SCN-RSP中回覆給MS代表拒絕此次掃描的要求。

BS在接收MS提出的MOB_SCN-REQ後會往後端網路詢問，若是MS提出單純掃描target BS而不建立關聯性，此時後端網路不會事先通知target BS，若是在掃描target BS同時，需建立關聯性，後端網路則會事先向target BS進行協調的動作，並將結果告知MS目前的實作在建立關聯性上僅支援層級0。

而在溝通成功的情況下BS會根據帶在MOB_SCN-RSP中的資訊得知何時MS會進行掃描的動作，如圖一，BS會依據掃描開始的frame（start frame）、掃描區間、穿插區間、重複次數，決定掃描何時開始進行、掃描何時結束、何時可以與MS傳送資料、何時不能傳送資料。此一計算區間的工作目前由資料傳送的模組（Data Part，簡稱DP模組）負責，直到此次掃描整個結束為止。值得注意的是MS在掃描區間內傳送資料給BS時，SCN模組會認為MS提前取消此次掃描的動作，並通知DP模組結束計算掃描區間。

在收到MS回報的MOB_SCN-REP時，BS除了將必要資訊傳往後端外，目前的設計也會在BS端留存一份，這份資料有其時效性，但因Neighbor BS被作為掃描對象的機會較大，因此在資料庫的設計方面是以一鏈結串列來儲存回報的資料，該串列只有在MOB_NBR-ADV需要更新時才重新建立，並利用一旗標紀錄其時效是否已過，而相對於neighbor BS，MS另外掃描的BS（full BS）則是在每次時效過期時就將此BS的掃描資料清除掉，如此的設計可以較有效率的建立MS掃描報告的資料庫。

《圖一　Scan程序互動圖》

提出換手要求(handover request)

為整個MS發起換手到target BS的流程，為了加快換手的速度，後端網路可以預先將MS的資訊傳送給target BS，本節討論的這整段流程主要是讓MS透過與serving BS交換訊息溝通好換手前的準備，並且選擇較理想的target BS作為換手的目標。

在MS送來MOB_MSHO-REQ訊息後，serving BS會將MS提出的target BS列表向後端詢問，再將詢問後的結果帶在MOB_BSHO-RSP中供MS做選擇，MS收到後若認為沒有可以作為換手對象的target BS也可以藉由MOB_HO-IND (HO_IND_type為reject)要求serving BS重新帶一BS串列讓MS挑選，成功挑選後除了在MOB_HO-IND的HO_IND_type設定為0b00 （Serving BS release）來對serving BS做個確認外，也要帶上target BS的BSID用以讓後端能事先溝通建立好所需的連線。此外MOB_BSHO-RSP也會帶上一些有助於MS挑選target BS的參數，如service level prediction告知此target BS未來可能提供給MS的服務等級，換手處理最佳化（HO process optimization）告知將來在此target BS換手進入網路時可能可以省略的步驟（target BS可能已經透過後端從serving BS得到得需要的資訊）。

《圖二　MS發起的換手程序互動圖》

實作上在我們的BS有一模組負責在擔任serving BS角色時處理MS離線前的換手相關動作，為該模組簡化後的狀態機（state machine）。該模組（以下簡稱為HO模組）直到MS提出MSHO-REQ後才開始動作，並且在將此換手要求往後端網路詢問後進入Backbone Communication狀態等待回應。後端網路在溝通好後回覆serving BS，此回應中應帶有一串BS的資訊，HO模組會利用這些資訊組成BSHO-RSP傳送給MS，之後進入Wait HO-IND狀態。

因為HO-IND是MS最後作為確認用的訊息，802.16e的規格中定了三種狀況-Release （HO確定執行，Serving BS可釋放此MS）、Reject（拒絕）以及Cancel（取消），當MS回覆拒絕後HO模組告知後端並且回到Backbone Communication狀態，等待後端重組另一串BS資訊後重送BSHO-RSP訊息並重新進入Wait HO-IND狀態，若MS仍回覆拒絕則重複之前的步驟，直到超過重試次數仍不能獲得MS告知換手確定的HO-IND則視為此次換手動作失敗，重新回到Wait MSHO-REQ狀態等帶下一次換手動作的開始。當HO-IND回覆為Cancel，則直接重新回到Wait MSHO-REQ狀態。

《圖三　MS發起的換手程序互動圖》

在MS利用HO-IND訊息確認執行換手後，HO模組會告知後端（即最後的HO confirm），開啟資源保留計時器（resource retain timer）並且進入Wait Resource Retain Timer Timeout狀態，在計時器到期前serving BS都會將MS的資訊保留著，包括相關狀態機、服務流（service flow）等，期間內若MS希望重回serving BS下只要藉由發送HO-IND帶Cancel就可以快速回覆正常連線狀態。最後當計時器到期後整個換手動作結束，HO模組會告知BS及後端網路清除此MS的資料。

換手進入目標基地台要求(handover entry)

在BS中會有一個負責處理MS進入網路的模組，當MS要進入網路、換手進入網路、重新進入網路都是由此模組負責。如圖四所示，模組會有以下幾種狀態。

《圖四　進入網路狀態圖》

進入網路的流程如圖五所示，虛線部分代表可能可以省略的步驟，MS以BS為要重新進入網路的目標BS。

BS處於等待RNG-REQ訊息的狀態，當收到RNG-REQ訊息時，如果訊息的目的為換手進入網路或是重新進入網路，則BS會向後端網路詢問要求取得此MS的相關資訊，此時BS會將狀態改變為收到RNG等待後端溝通狀態。若收到的RNG-REQ訊息目的是進入網路的話，則可以直接跳過此狀態。當BS收到後端回應後，可藉由後端取得的MS相關資訊來決定MS進入網路時，有哪些步驟可以省略，在此，我們分為能夠取得MS所有資訊以及無法取得MS任何資訊來進行說明，當能夠取得所有資訊時，BS可以選擇設定換手處理最佳化(HO process optimization)為完全最佳化(full optimization)，即BS回覆完RNG-RSP後，進入網路的程序便已經完成，因此進入網路的狀態即可跳到結束;若是BS無法由後端網路取得任何有關MS的資訊，則換手處理最佳化設定為無最佳化(no optimization)，必須和進入網路一般，不能省略必須的程序，依序進行SBC訊息交換、PKM訊息交換、REG訊息交換、TFTP訊息交換等等的動作，進入網路的步驟才能算是完成。

《圖五　換手進入網路流程圖》

閒置模式(idle mode)

閒置模式的機制，我們分為以下幾點說明，包括閒置模式特性、進入閒置模式（enter idle mode）、發送呼叫通知（MOB_PAG-ADV）、位置更新（location update）、重新進入網路（re-entry）、以及實作方面進行說明。再者，閒置模式可由BS發起也亦可以由MS發起，在此篇文章中，我們主要針對由MS主動要求進入閒置模式進行說明。

閒置模式特性

閒置模式的機制主要在於MS可以週期性的聽取BS的廣播訊息，並且不用向特定的BS進行註冊，因此在呼叫群組（paging group）下的BS間移動時， MS會自行選取及更換目前聽取的BS，且不需要進行換手的程序。而在網路端，呼叫控制器（paging controller）可以選擇保留此MS的相關資訊，當有資料要傳送給此MS時，藉由發送呼叫通知（MOB_PAG-ADV）要求MS與BS連接，重新進入網路，收取資料。而在MS端，若是有資料要傳送，也必須要完成重新進入網路的動作。

進入閒置模式(enter idle mode)

當MS欲進入閒置模式時，會發送DREG-REQ訊息（Request_code = 0x1），BS會向後端網路告知MS欲進入閒置模式，後端網路會回傳此MS被分配到的呼叫控制器辨識碼（paging controller ID）、呼叫控制器資訊（paging information）等等的資料給BS，BS會利用DREG-CMD訊息（action code = 0x5）告知MS這些資訊。當MS收到此DREG-CMD訊息時，MS便進入閒置模式。

發送呼叫通知(MOB_PAG-ADV)訊息

BS會依據所屬的呼叫群組的週期，在聽取時段（paging interval）區間發送MOB_PAG-ADV訊息，用來要求MS進行位置更新或是重新進入網路。

位置更新（location update）

當MS處於閒置模式時，會有以下情況MS必須進行位置更新的動作。

當MS進行位置更新時，會傳送RNG-REQ訊息（目的為位置更新），當BS收到此訊息後，會將MS資訊暫存後，向後端網路傳送MS欲進行位置更新訊息，藉由後端取得的資訊，進行驗證，此後BS再透過RNG-RSP訊息告知MS此次位置更新的結果。

離開閒置模式，重新進入網路（re-entry）

當MS處於閒置模式時，若是欲重新回到網路連線，則必須進行重新進入網路的動作。MS會發送RNG-REQ訊息（目的為重新進入網路），BS收到訊息後，向後端網路發送MS欲重新進入網路的訊息，並向後端要求取得此MS的相關資訊，當後端取得（或未取得）MS資訊會回覆訊息給予BS，BS藉由從後端取得的資訊決定重新進入網路時，是否可以省略進入網路時需要進行的動作，之後BS回覆訊息給予MS。

實作

在閒置模式的實作上，BS會因應不同的功能，切割不同的模組，在實作的說明中，主要以BS如何掌控MS的狀態進行說明，而為了讀者容易了解，例外狀況或是特殊情形在此不加以說明。

發起進入閒置模組

在BS中會有一個處理MS進入閒置模式的模組，稱為閒置模組(idle mode module)。閒置模組有以下的狀態，如圖六所示。

《圖六　進入閒置狀態模組狀態圖》

閒置狀態流程如圖七所示，假設BS1與BS2在同一個呼叫群組下，MS原先與BS1進行連接。BS1在等待DREG-REQ狀態，收到DREG-REQ並進行處理後，向後端送出MS要進入閒置模式訊息，等待後端網路回應，此時將狀態變為與後端溝通的等待狀態。當後端回應，BS將必要訊息在DREG-CMD中傳送給MS後，此時將狀態變為等待管理資源保留計時器到期的狀態，當計時器到期時，整個狀態程序結束。當MS進入閒置模式後，MS可以自由選擇聽取BS1或BS2訊息。

《圖七　進入閒置模式流程圖》

發送MOB_PAG-ADV

在BS中會有一個負責發送MOB_PAG-ADV的BMG模組（broadcast message generator），後端可以透過訊息要求BS在呼叫群組加入或刪除呼叫一個MS的訊息，BMG模組會記錄需要進行呼叫的MS相關資訊並且在依據呼叫群組的聽取時段（listening interval）來發送MOB_PAG-ADV訊息。

位置更新

在BS中會有一個負責處理位置更新的模組，位置更新狀態如圖八所示，其中會有以下幾種狀態：

位置更新流程如圖九所示。模組狀態處於等待位置更新，當收到RNG-REQ訊息目的為位置更新時，會將MS的相關資訊透過訊息傳送給後端網路，等待由後端取得此MS的相關security資訊，此時將模組狀態轉變為與後端進行溝通的等待狀態。等到收到後端回應訊息給BS，此時透過security模組進行驗證後，將結果藉由RNG-RSP訊息傳送給MS，同時也會將結果告知後端決定是否真正執行位置更新的動作，之後結束此狀態機。

《圖八　位置更新狀態圖》

《圖九　位置更新流程圖》

結束閒置模式，重新進入網路

重新進入網路程序與換手進入網路程序大致相同，因此不在此贅述，請參考換手進入目標基地台要求（handover entry）程序。兩者之間的差異點主要在於，向後端要求取得MS資訊時，後端網路取得資訊的地方可能不同，換手時，可能由原來的serving BS取得資訊，若是重新進入網路，則必須向呼叫控制器要求MS資訊。

結論

在802.16e中，針對移動式裝置特性新增了包括換手、閒置模式等的功能，希望藉著這些功能的加入，使得WIMAX的應用更加廣泛以及便利。藉著此篇文章介紹，希望讀著對WIMAX對於移動性的支援功能有初步性的了解，由於篇幅的關係，無法進行更為深入的探討，有興趣的讀者可以參考802.16e相關書籍。