无线通讯系统由固接式进展到移动式，首当其冲的重要议题即为如何让移动式装置（MS）在无线环境下省电。首先，由于用户装置大多使用电池来维持运作，在移动的同时又进行传输资料工作，势必快速消耗电池电量。透过电波链结的用户端（即MS）与基地台（BS）两端装置，电源必须保持在开启状态以维持通讯正常，因此即便在没有传输资料时，用户装置仍持续消耗电量。另一方面，用户端为维持在大区域移动时的讯号品质或是需求较高的传输服务品质（QoS），必须发起换手（Handover）。通常执行换手会伴随着大量的控制讯息传送与等待时间，不但耗电也降低频宽利用率。

目前无线通讯系统所制定省电模式，通常利用资料传输管理机制，让用户端与基地台的通讯暂时中断，或是简化换手程序与频率，以减缓装置电量损耗。基于IEEE 802.16e-2005[1][2]标准的Mobile WiMAX，也制定了睡眠模式（Sleep Mode）与闲置模式（Idle Mode）两种省电的运作模式。原则上，针对不同移动性的用户端装置选用不同的省电模式，低移动性的装置将使用睡眠模式，而高移动性的装置则改用闲置模式。

让行动装置更省电

如前所述，移动式装置（MS）如何省电一直是一个在无线环境下的重要议题，而最简单的想法即是移动式装置在其未工作时进入省电的闲置模式（Idle Mode, IM）。用户端只需要在闲置模式时，每段固定时间（Paging Cycle）醒来，开启电源一小段区间（Paging Interval）来接收广播讯息（PAG_ADV），藉由此广播讯息所带的内容（参数），让移动式装置知晓欲进行哪些程序动作（例如：位置更新、接收后端资料），由于此机制不需让移动式装置在移动时不停进行换手，所以，降低了装置的耗电量和网路的频宽资源，借此达到节省电力与运作资源。而由此，我们得知移动式装置的省电量会和多久醒一次的时间（Paging Cycle）成正比。

但是，如何在此闲置模式下，随着使用者所持的移动装置任意移动，后端网路系统依然能够随时掌握移动式装置移动的位置呢，即利用位置更新管理（Location Update, LU）的机制，而移动式装置欲进行此机制有多种情况，一是移动式装置自行作位置更新管理，二是此移动式装置接收到后端的呼叫，才进行位置更新管理。另外，如果移动式装置在闲置模式时，欲接收后端传送的资料，后端将利用呼叫功能（Paging Function），借此唤醒移动装置，进行接受后端网路传送过来的资料。这将是无线网路系统必须要提供给使用者的重要服务功能。因此，位置更新管理搭配呼叫功能的概念就此产生，而目前最火红的WiMAX无线网路也当然支援此机制，以利提供各种移动装置在闲置模式下的位置更新及呼叫功能。此段落的文章即是介绍，在WiMAX环境下关于移动式装置在闲置模式下的基本概念与运作原理提出说明。

闲置模式

在无线网路中，当用户端（MS）已经一段时间没进行资料传输时，用户端可主动传送进入闲置模式的讯息（DREG-REQ）至基地台（BS）要求进入闲置模式，或是被动的接收基地台通知进入闲置模式的讯息（DREG-CMD），用户端收到此讯息后则会进行进入闲置模式的流程。

移动式装置在进入闲置模式时，会周期性地接收到所在基地台传送的广播讯息（Paging Advertisement），且移动式装置可在同个呼叫群体（Paging Group），无需跟每个基地台注册也不会使用到WiMAX系统里的换手功能就可以自由地来回行动。若用户端进入不属于原有呼叫群体之基地台的管控范围内，则须进行位置更新程序，告知位置记录器（LR）该用户端所在位置。若用户端需要重新进行资料传输时，则须执行网路重新登入机制，回到正常运作模式。

由于用户端只需要在每段固定时间（Paging Cycle），开启电源一小段时间（Paging Interval）来接收广播讯息，借此达到节省电力与运作资源。所以移动式装置的省电量会和Paging Cycle成正比。

而对于WiMAX网路与基地台之间，只需要搭配简单且适时的方法，唤醒处于闲置模式的用户端进行运作，即可避免将无线资源以及网路换手资料传输，浪费于并没有资料传输的用户端。

闲置模式/呼叫功能架构

呼叫（Paging）功能主要用在两个时机：找到在PG正在闲置的移动式装置，让后端系统知道MS所在位置，并令其作位置更新；另一个是当有资料要传送时利用呼叫功能唤醒移动式装置重新进入网路。

PC

呼叫控制器（Pacing Comtroller, PC）管理在网路中进入待机状态的MS的相关资讯和活动。

LR

位置记录器（Location Register, LR）为一个负责储存Idle Mode MS资讯的资料库。包含了MS呼叫（Paging）的资讯，以及MS服务流资讯。

PG

呼叫群体(Paging Group, PG)RWG定义的一个虚拟的群体。 PG内所有BS的Paging资讯皆一致,所以MS在PG内可以自由的移动。

PA

呼叫代理人（Paging Agent, PA）为处理PC和IEEE 802.16e之间的互动。

而在WiMAX的网路架构中，一个PG可以只有一个BS亦或包含多个BS，一个BS可以同时属于多个PG；而一个NAP可包含一个至多的PG以及PC/LR。

PC/LR和PS在呼叫中的地位可有以下三种架构:

一般而言（我们系统）所采用的是第二种架构（也就是NWG所定义的profile C）。

《图一 WiMAX架构中呼叫范围订定的示意图》

运作程序

以下为藉由WiMAX的网路架构来介绍在闲置模式下其四大运作程序：

在NWG系统架构所论述的Paging and Idle Mode的机制被分类成四个情况类别，进入闲置模式、呼叫操作、位置更新管理和离开闲置模式，依据当时MS或是系统属于何种情况来进行，而这些情况所需相关的功能元件包括PC/LR、PA、DP（Data Path）、Authenticator。以下分别以四小节来说明四种情况类别：

进入闲置模式(enter idle mode)

进入闲置模式可分为：MS自主性的想要进入闲置模式，以达到省电效果。另一种是上层网路侦测到MS很久没有传送资料，MS又没有自主性的要求进入闲置模式，则上层网路会要求MS进入闲置模式以达到省电。

图二为MS主动进入闲置模式，当MS连上了WiMAX网路后，过一阵子没有资料的传送，可自己选择进入闲置模式。于是主动发DREG_REQ开始第一步的流程(1)，接着就由BS开始将MS欲进入闲置模式的讯息(Paging Control Message)传递给ASN-GW(2)再由ASN-GW将此Relay给Anchor PC/LR(3)，RSP-ACK才算完成，("而(4)-(5)则是Anchor PC/LR 对Anchor Authenticator作认证MS可否进入的动作，而在此的流程皆为三方交握，故需REQ-RSP-ACK才算完成，( 1)-(9b)完成，表示MS已完成进入闲置模式，此时Serving BS开始启动「Management Resource Holding Timer」（此Timer为Serving BS在MS进入闲置模式时，会为MS保存闲置模式下的所有资讯，时间到了则通知DPF作DeRegistration的动作(12)-(17)，则清掉MS的所有资讯）。(10)-(11)为指示Anchor DPF/FA此MS的Anchor PC/LR在哪，接着，如果在「Management Resource Holding Timer」到达之前，MS没有重新进入网路，等到Serving BS的Timer timeout，就会开始(12)-(17)释放Serving BS保有的MS资讯，最后作CMAC Key的Update，MS即完成进入闲置模式的所有程序。

《图二 图3 MS主动进入闲置模式》

图三为上层网路主动要求MS进入闲置模式，由Serving BS开始此流程，传送IM Entry MS State Change Request到上层网路询问此MS是否可进入闲置模式，经过(1)~(6)收到IM Entry MS State Change Rsponce表示可传送DREG_CMD(7)要求MS进入闲置模式，同时启动「Management Resource Holding Timer」，MS回应DREG_REQ(8)代表同意进入闲置模式。(11)~(12)为指示Anchor DPF/FA此MS的Anchor PC/LR在哪，等到Serving BS的「Management Resource Holding Timer」 timeout，才会将MS的所有资讯清除(13)~(18) ，最后作有关网路金钥CMAC Key的更新，MS即完成进入闲置模式的所有程序。

《图三 上层网络主动要求MS进入闲置模式》

呼叫操作(Paging Operation)

呼叫操作是WiMAX网路寻找正在闲置模式情况下的MS，可藉由此讯息通知进行位置更新或是唤醒MS重新进入网路。主要是靠PC和PA讯息传送达到此功能。

以下的四种情况发生，将会触发PC传送的R6 Paging Announce讯息至PA：

呼叫操作可依逻辑架构分成topological aware(图四-左)和un-ware(图四-右)，前者的Anchor PC知道所有Relay PC的位置和PG的结构，故Anchor PC可直接发送R4 Paging Announce讯息给MS所属的PG相关的Relay PCs；而un-ware的模式则是Anchor PC仅知道代理人Last Reported Relay PC，并交由代理人转送R4 Paging Announce messages给MS所属PG相关的Relay PCs。一般而言，WiMAX系统所采用的是topological un-ware。

《图四 Topological aware(左) Topological un-ware(右)》

呼叫操作可以二种设计方式呈现，A-single-step(图五-左)或Multiple-steps(图五-右)。 A single step是当Anchor PC/LR执行呼叫操作时，「直接发送」Page Announce 讯息给MS最后回报的PG所属的Relay PC；而multiple steps则是发送Page Announce讯息给MS所最后回报的PG所属Relay PCs的子集合（subset），当此子集合在预订时间内（timeout）无回应，Anchor PC/LR扩大其发送Page Announce messages的范围至下个子集合，直到有回应为止。

《图五 A-single-step(左) Multiple-steps(右)》

呼叫操作如上所述有四个情况会发生，下图为第一种「当上层网路有资料要传送到闲置模式的MS」，由图六可看出Anchor PC/LR对Serving ASN作呼叫操作，经由转送到Local ASN-GW，再对底下PG所属的BS群组发出R6 Paging Announce。

《图六 当上层网络有数据要传送到闲置模式的MS》

Anchor PC可藉由在R6 Paging Announce讯息里的TLV栏位Paging start/stop=0去通知所有的BSs进行或停止呼叫操作，值得注意的是，当MS位置更新或是重新进入网路后，将停止上层网路的呼叫操作，如图七下半部的(start/stop=0)。

《图七 依据Paging start/stop TLV来控制呼叫操作流程》

位置更新管理(Location Update)

MS在闲置模式下会依据PC的规定，多久需作一次位置更新。也会在闲置​​模式下，离开了原本的PG到一个新的PG（PAG_ADV内含有不同PGID），作位置更新(如图七上半部)。

位置更新分成Secure Location Update和Un-Secure Location Update，Un-Secure的情况发生在当BS没有接到有效的AK（即MS进入Idle Mode未获认可），以及当Location Update的发生时，BS直接选取MS进入Re-Entry的状态，以下分别说明二种情况的Location Update。

当MS作Location Update时，讯息将会从MS发送到Serving ASN，再从Serving ASN经由Relay PC传递到Anchor PC/LR ASN，Anchor PC/LR ASN将会经由Anchor Authenticator ASN取得AK的资讯，使MS获得进入允许认证后，资料随着RNG-RSP返回到MS，Serving BS以及Serving ASN-GW 将会作CMAC的更新，Serving ASN同时也会跟Anchor Authenticator ASN作CMAC的更新，等到相对应的Confirm动作完成后，MS的整个Secure Location Update状态即完成，如图八。

《图八 Secure Location Update流程》

而Un-Secure Location Update的程序则是MS必须先重新回到网路，然后再进入闲置模式，才可执行位置更新管理。图八是没有PC Relocation的情况，图九是有PC Relocation的情况，Serving ASN会先跟New Anchor PC/LR ASN沟通，再由New Anchor PC/LR ASN通知Current Anchor PC/LR ASN，由Current Anchor PC/LR ASN跟Anchor Authenticator ASN取得AK的资讯，完成后续的CMAC的更新以及相关Confirm后，最后，Current Anchor PC/LR ASN要通知Anchor DP/FA ASN有PC Relocation。

《图九 Location Update的简化示意图。》

离开闲置模式(Exit Idle Mode)

MS 离开闲置模式有二种方式，一是藉由上层网路呼叫操作唤醒MS醒来并重新回到网路，即接续呼叫操作的第一个情况(如图六)；另一种是MS有资料要传送到网路，所以主动的执行离开闲置模式的流程。值得注意的是，当MS进入闲置模式后，Serving BS将会启动“Management Resource Holding Timer”，在此时段内，BS将会保有MS所有的资讯以及MS在R4、R6的Data Path资讯，一旦此Timer expired，Serving BS将会把这些资讯清掉，故所有MS相关资讯必须要从Anchor PC/LR再次取得，Data Path也必须重建(8)~(16)。图十三是MS有资料要传送到网路主动的发起离开闲置模式的流程，且“Management Resource Holding Timer” 已经expired的情形，需要重新建立Data Path的流程。

《图十 MS主动的发起离开闲置模式的流程，“Management Resource Holding Timer”expired》

图十一是MS自己从闲置模式回到操作模式且“Management Resource Holding Timer”没有expired，无须重新建立Data Path的流程。

《图十一 MS主动的发起离开闲置模式的流程，“Management Resource Holding Timer”没有expired》

《图十二 MS离开Idle Mode（Management Resource Holding Timer没有expired）的简化示意图》

《图十三 MS离开Idle Mode（Management Resource Holding Timer已expired）的简化示意图》

结语

本文以简单且具体的方式逐步介绍在WiMAX中的闲置模式与呼叫功能（Idle Mode/Paging Function），搭配图表说明一个移动式装置（MS）如何进入闲置模式、藉由呼叫功能的运作被叫醒、执行更新位置的流程、最后如何离开闲置模式回复到正常模式（Normal Mode）。此四大运作流程就是作者欲藉由本篇文章要让读者了解的主轴，读者们如果想更深入的研究此主题，可详读本文最后附上的参考文献及相关书籍，将会有从底层的R1讯息到后端的R6讯息的完整性的介绍，而我们相信并期望读者们再阅读完本文之后，可对WiMAX中的闲置模式与呼叫功能有全面性的初步认识。

＜参考文献：1.IEEE Standard 802.16, IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks, Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, Oct. 2004.

2.IEEE Standard 802.16e, IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks, Part 16, Amendment 2: Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands, Feb. 2006.

3.WiMAX Forum. http://www.WiMAXforum.org.

"4g.WiMAX Forum. WiMAX Forum Network Architecture (Stage 3: Detailed Protocols and Procedures) Release 1.0.0, Mar 2007.