無線通訊系統由固接式進展到移動式，首當其衝的重要議題即為如何讓移動式裝置（MS）在無線環境下省電。首先，由於用戶裝置大多使用電池來維持運作，在移動的同時又進行傳輸資料工作，勢必快速消耗電池電量。透過電波鏈結的用戶端（即MS）與基地台（BS）兩端裝置，電源必須保持在開啟狀態以維持通訊正常，因此即便在沒有傳輸資料時，用戶裝置仍持續消耗電量。另一方面，用戶端為維持在大區域移動時的訊號品質或是需求較高的傳輸服務品質（QoS），必須發起換手（Handover）。通常執行換手會伴隨著大量的控制訊息傳送與等待時間，不但耗電也降低頻寬利用率。

目前無線通訊系統所制定省電模式，通常利用資料傳輸管理機制，讓用戶端與基地台的通訊暫時中斷，或是簡化換手程序與頻率，以減緩裝置電量損耗。基於IEEE 802.16e-2005[1][2]標準的Mobile WiMAX，也制定了睡眠模式（Sleep Mode）與閒置模式（Idle Mode）兩種省電的運作模式。原則上，針對不同移動性的用戶端裝置選用不同的省電模式，低移動性的裝置將使用睡眠模式，而高移動性的裝置則改用閒置模式。

讓行動裝置更省電

如前所述，移動式裝置（MS）如何省電一直是一個在無線環境下的重要議題，而最簡單的想法即是移動式裝置在其未工作時進入省電的閒置模式（Idle Mode, IM）。用戶端只需要在閒置模式時，每段固定時間（Paging Cycle）醒來，開啟電源一小段區間（Paging Interval）來接收廣播訊息（PAG_ADV），藉由此廣播訊息所帶的內容（參數），讓移動式裝置知曉欲進行哪些程序動作（例如：位置更新、接收後端資料），由於此機制不需讓移動式裝置在移動時不停進行換手，所以，降低了裝置的耗電量和網路的頻寬資源，藉此達到節省電力與運作資源。而由此，我們得知移動式裝置的省電量會和多久醒一次的時間（Paging Cycle）成正比。

但是，如何在此閒置模式下，隨著使用者所持的移動裝置任意移動，後端網路系統依然能夠隨時掌握移動式裝置移動的位置呢，即利用位置更新管理（Location Update, LU）的機制，而移動式裝置欲進行此機制有多種情況，一是移動式裝置自行作位置更新管理，二是此移動式裝置接收到後端的呼叫，才進行位置更新管理。另外，如果移動式裝置在閒置模式時，欲接收後端傳送的資料，後端將利用呼叫功能（Paging Function），藉此喚醒移動裝置，進行接受後端網路傳送過來的資料。這將是無線網路系統必須要提供給使用者的重要服務功能。因此，位置更新管理搭配呼叫功能的概念就此產生，而目前最火紅的WiMAX無線網路也當然支援此機制，以利提供各種移動裝置在閒置模式下的位置更新及呼叫功能。此段落的文章即是介紹，在WiMAX環境下關於移動式裝置在閒置模式下的基本概念與運作原理提出說明。

閒置模式

在無線網路中，當用戶端（MS）已經一段時間沒進行資料傳輸時，用戶端可主動傳送進入閒置模式的訊息（DREG-REQ）至基地台（BS）要求進入閒置模式，或是被動的接收基地台通知進入閒置模式的訊息（DREG-CMD），用戶端收到此訊息後則會進行進入閒置模式的流程。

移動式裝置在進入閒置模式時，會週期性地接收到所在基地台傳送的廣播訊息（Paging Advertisement），且移動式裝置可在同個呼叫群體（Paging Group），無需跟每個基地台註冊也不會使用到WiMAX系統裡的換手功能就可以自由地來回行動。若用戶端進入不屬於原有呼叫群體之基地台的管控範圍內，則須進行位置更新程序，告知位置記錄器（LR）該用戶端所在位置。若用戶端需要重新進行資料傳輸時，則須執行網路重新登入機制，回到正常運作模式。

由於用戶端只需要在每段固定時間（Paging Cycle），開啟電源一小段時間（Paging Interval）來接收廣播訊息，藉此達到節省電力與運作資源。所以移動式裝置的省電量會和Paging Cycle成正比。

而對於WiMAX網路與基地台之間，只需要搭配簡單且適時的方法，喚醒處於閒置模式的用戶端進行運作，即可避免將無線資源以及網路換手資料傳輸，浪費於並沒有資料傳輸的用戶端。

閒置模式/呼叫功能架構

呼叫（Paging）功能主要用在兩個時機：找到在PG正在閒置的移動式裝置，讓後端系統知道MS所在位置，並令其作位置更新；另一個是當有資料要傳送時利用呼叫功能喚醒移動式裝置重新進入網路。

PC

呼叫控制器（Pacing Comtroller, PC）管理在網路中進入待機狀態的MS的相關資訊和活動。

LR

位置記錄器（Location Register, LR）為一個負責儲存Idle Mode MS資訊的資料庫。包含了MS呼叫（Paging）的資訊，以及MS服務流資訊。

PG

呼叫群體（Paging Group, PG）NWG定義的一個虛擬的群體。PG內所有BS的Paging資訊皆一致，所以MS在PG內可以自由的移動。

PA

呼叫代理人（Paging Agent, PA）為處理PC和IEEE 802.16e之間的互動。

而在WiMAX的網路架構中，一個PG可以只有一個BS亦或包含多個BS，一個BS可以同時屬於多個PG；而一個NAP可包含一個至多的PG以及PC/LR。

PC/LR和PA在呼叫中的定位可有以下三種架構：

一般而言（我們系統）所採用的是第二種架構（也就是NWG所定義的profile C）。

《圖一　WiMAX架構中呼叫範圍訂定的示意圖》

運作程序

以下為藉由WiMAX的網路架構來介紹在閒置模式下其四大運作程序：

在NWG系統架構所論述的Paging and Idle Mode的機制被分類成四個情況類別，進入閒置模式、呼叫操作、位置更新管理和離開閒置模式，依據當時MS或是系統屬於何種情況來進行，而這些情況所需相關的功能元件包括PC/LR、PA、DP（Data Path）、Authenticator。以下分別以四小節來說明四種情況類別：

進入閒置模式(Enter Idle Mode)

進入閒置模式可分為：MS自主性的想要進入閒置模式，以達到省電效果。另一種是上層網路偵測到MS很久沒有傳送資料，MS又沒有自主性的要求進入閒置模式，則上層網路會要求MS進入閒置模式以達到省電。

圖二為MS主動進入閒置模式，當MS連上了WiMAX網路後，過一陣子沒有資料的傳送，可自己選擇進入閒置模式。於是主動發DREG_REQ開始第一步的流程(1)，接著就由BS開始將MS欲進入閒置模式的訊息(Paging Control Message)傳遞給ASN-GW(2)再由ASN-GW將此Relay給Anchor PC/LR(3)，而(4)-(5)則是Anchor PC/LR 對Anchor Authenticator作認證MS可否進入的動作，而在此的流程皆為三方交握，故需REQ->RSP->ACK才算完成，(1)-(9b)完成，表示MS已完成進入閒置模式，此時Serving BS開始啟動「Management Resource Holding Timer」（此Timer為Serving BS在MS進入閒置模式時，會為MS保存閒置模式下的所有資訊，時間到了則通知DPF作DeRegistration的動作(12)-(17)，則清掉MS的所有資訊）。(10)-(11)為指示Anchor DPF/FA此MS的Anchor PC/LR在哪，接著，如果在「Management Resource Holding Timer」到達之前，MS沒有重新進入網路，等到Serving BS的Timer timeout，就會開始(12)-(17)釋放Serving BS保有的MS資訊，最後作CMAC Key的Update，MS即完成進入閒置模式的所有程序。

《圖二　圖3 MS主動進入閒置模式》

圖三為上層網路主動要求MS進入閒置模式，由Serving BS開始此流程，傳送IM Entry MS State Change Request到上層網路詢問此MS是否可進入閒置模式，經過(1)~(6)收到IM Entry MS State Change Rsponce表示可傳送DREG_CMD(7)要求MS進入閒置模式，同時啟動「Management Resource Holding Timer」，MS回應DREG_REQ(8)代表同意進入閒置模式。(11)~(12)為指示Anchor DPF/FA此MS的Anchor PC/LR在哪，等到Serving BS的「Management Resource Holding Timer」 timeout，才會將MS的所有資訊清除(13)~(18)，最後作有關網路金鑰CMAC Key的更新，MS即完成進入閒置模式的所有程序。

《圖三 上層網路主動要求MS進入閒置模式》

呼叫操作(Paging Operation)

呼叫操作是WiMAX網路尋找正在閒置模式情況下的MS，可藉由此訊息通知進行位置更新或是喚醒MS重新進入網路。主要是靠PC和PA訊息傳送達到此功能。

以下的四種情況發生，將會觸發PC傳送的R6 Paging Announce訊息至PA：

呼叫操作可依邏輯架構分成topological aware(圖四-左)和un-ware(圖四-右)，前者的Anchor PC知道所有Relay PC的位置和PG的結構，故Anchor PC可直接發送R4 Paging Announce訊息給MS所屬的PG相關的Relay PCs；而un-ware的模式則是Anchor PC僅知道代理人Last Reported Relay PC，並交由代理人轉送R4 Paging Announce messages給MS所屬PG相關的Relay PCs。一般而言，WiMAX系統所採用的是topological un-ware。

《圖四 Topological aware(左) Topological un-ware(右)》

呼叫操作可以二種設計方式呈現，A-single-step(圖五-左)或Multiple-steps(圖五-右)。A single step是當Anchor PC/LR執行呼叫操作時，「直接發送」Page Announce 訊息給MS最後回報的PG所屬的Relay PC；而multiple steps則是發送Page Announce訊息給MS所最後回報的PG所屬Relay PCs的子集合（subset），當此子集合在預訂時間內（timeout）無回應，Anchor PC/LR擴大其發送Page Announce messages的範圍至下個子集合，直到有回應為止。

《圖五 A-single-step(左) Multiple-steps(右)》

呼叫操作如上所述有四個情況會發生，下圖為第一種「當上層網路有資料要傳送到閒置模式的MS」，由圖六可看出Anchor PC/LR對Serving ASN作呼叫操作，經由轉送到Local ASN-GW，再對底下PG所屬的BS群組發出R6 Paging Announce。

《圖六 當上層網路有資料要傳送到閒置模式的MS》

Anchor PC可藉由在R6 Paging Announce訊息裡的TLV欄位Paging start/stop=0去通知所有的BSs進行或停止呼叫操作，值得注意的是，當MS位置更新或是重新進入網路後，將停止上層網路的呼叫操作，如圖七下半部的(start/stop=0)。

《圖七 依據Paging start/stop TLV來控制呼叫操作流程》

位置更新管理(Location Update)

MS在閒置模式下會依據PC的規定，多久需作一次位置更新。也會在閒置模式下，離開了原本的PG到一個新的PG（PAG_ADV內含有不同PGID），作位置更新(如圖七上半部)。

位置更新分成Secure Location Update和Un-Secure Location Update，Un-Secure的情況發生在當BS沒有接到有效的AK（即MS進入Idle Mode未獲認可），以及當Location Update的發生時，BS直接選取MS進入Re-Entry的狀態，以下分別說明二種情況的Location Update。

當MS作Location Update時，訊息將會從MS發送到Serving ASN，再從Serving ASN經由Relay PC傳遞到Anchor PC/LR ASN，Anchor PC/LR ASN將會經由Anchor Authenticator ASN取得AK的資訊，使MS獲得進入允許認證後，資料隨著RNG-RSP返回到MS，Serving BS以及Serving ASN-GW 將會作CMAC的更新，Serving ASN同時也會跟Anchor Authenticator ASN作CMAC的更新，等到相對應的Confirm動作完成後，MS的整個Secure Location Update狀態即完成，如圖八。

《圖八 Secure Location Update流程》

而Un-Secure Location Update的程序則是MS必須先重新回到網路，然後再進入閒置模式，才可執行位置更新管理。圖八是沒有PC Relocation的情況，圖九是有PC Relocation的情況，Serving ASN會先跟New Anchor PC/LR ASN溝通，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的資訊，完成後續的CMAC的更新以及相關Confirm後，最後，Current Anchor PC/LR ASN要通知Anchor DP/FA ASN有PC Relocation。

《圖九 Location Update的簡化示意圖。》

離開閒置模式(Exit Idle Mode)

MS 離開閒置模式有二種方式，一是藉由上層網路呼叫操作喚醒MS醒來並重新回到網路，即接續呼叫操作的第一個情況(如圖六)；另一種是MS有資料要傳送到網路，所以主動的執行離開閒置模式的流程。值得注意的是，當MS進入閒置模式後，Serving BS將會啟動“Management Resource Holding Timer”，在此時段內，BS將會保有MS所有的資訊以及MS在R4、R6的Data Path資訊，一旦此Timer expired，Serving BS將會把這些資訊清掉，故所有MS相關資訊必須要從Anchor PC/LR再次取得，Data Path也必須重建(8)~(16)。圖十三是MS有資料要傳送到網路主動的發起離開閒置模式的流程，且“Management Resource Holding Timer” 已經expired的情形，需要重新建立Data Path的流程。

《圖十 MS主動的發起離開閒置模式的流程，“Management Resource Holding Timer”expired》

圖十一是MS自己從閒置模式回到操作模式且“Management Resource Holding Timer”沒有expired，無須重新建立Data Path的流程。

《圖十一 MS主動的發起離開閒置模式的流程，“Management Resource Holding Timer”沒有expired》

《圖十二 MS離開Idle Mode（Management Resource Holding Timer沒有expired）的簡化示意圖》

《圖十三　MS離開Idle Mode（Management Resource Holding Timer已expired）的簡化示意圖》

結語

本文以簡單且具體的方式逐步介紹在WiMAX中的閒置模式與呼叫功能（Idle Mode/Paging Function），搭配圖表說明一個移動式裝置（MS）如何進入閒置模式、藉由呼叫功能的運作被叫醒、執行更新位置的流程、最後如何離開閒置模式回復到正常模式（Normal Mode）。此四大運作流程就是作者欲藉由本篇文章要讓讀者了解的主軸，讀者們如果想更深入的研究此主題，可詳讀本文最後附上的參考文獻及相關書籍，將會有從底層的R1訊息到後端的R6訊息的完整性的介紹，而我們相信並期望讀者們再閱讀完本文之後，可對WiMAX中的閒置模式與呼叫功能有全面性的初步認識。

＜參考文獻：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.

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