Handover in Mobile WiMAX Networks: The State of Art and Research Issues

The next-generation Wireless Metropolitan Area Networks, using the Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) as the core technology based on the IEEE 802.16 family of standards, is evolving as a Fourth-Generation (4G) technology. With the recent introduction of mobility management frameworks in the IEEE 802.16e standard, WiMAX is now placed in competition to the existing and forthcoming generations of wireless technologies for providing ubiquitous computing solutions. However, the success of a good mobility framework largely depends on the capability of performing fast and seamless handovers irrespective of the deployed architectural scenario. Now that the IEEE has defined the Mobile WiMAX (IEEE 802.16e) MAC-layer handover management framework, the Network Working Group (NWG) of the WiMAX Forum is working on the development of the upper layers. However, the path to commercialization of a full-fledged WiMAX mobility framework is full of research challenges. This article focuses on potential handover-related research issues in the existing and future WiMAX mobility framework. A survey of these issues in the MAC, Network and Cross-Layer scenarios is presented along with discussion of the different solutions to those challenges. A comparative study of the proposed solutions, coupled with some insights to the relevant issues, is also included

Acesso banda larga sem fios em ambientes heterogéneos de próxima geração

Doutoramento em Engenharia InformáticaO acesso ubíquo à Internet é um dos principais desafios para os operadores de telecomunicações na próxima década. O número de utilizadores da Internet está a crescer exponencialmente e o paradigma de acesso "always connected, anytime, anywhere" é um requisito fundamental para as redes móveis de próxima geração. A tecnologia WiMAX, juntamente com o LTE, foi recentemente reconhecida pelo ITU como uma das tecnologias de acesso compatíveis com os requisitos do 4G. Ainda assim, esta tecnologia de acesso não está completamente preparada para ambientes de próxima geração, principalmente devido à falta de mecanismos de cross-layer para integração de QoS e mobilidade. Adicionalmente, para além das tecnologias WiMAX e LTE, as tecnologias de acesso rádio UMTS/HSPA e Wi-Fi continuarão a ter um impacto significativo nas comunicações móveis durante os próximos anos. Deste modo, é fundamental garantir a coexistência das várias tecnologias de acesso rádio em termos de QoS e mobilidade, permitindo assim a entrega de serviços multimédia de tempo real em redes móveis. Para garantir a entrega de serviços multimédia a utilizadores WiMAX, esta Tese propõe um gestor cross-layer WiMAX integrado com uma arquitectura de QoS fim-a-fim. A arquitectura apresentada permite o controlo de QoS e a comunicação bidireccional entre o sistema WiMAX e as entidades das camadas superiores. Para além disso, o gestor de cross-layer proposto é estendido com eventos e comandos genéricos e independentes da tecnologia para optimizar os procedimentos de mobilidade em ambientes WiMAX. Foram realizados testes para avaliar o desempenho dos procedimentos de QoS e mobilidade da arquitectura WiMAX definida, demonstrando que esta é perfeitamente capaz de entregar serviços de tempo real sem introduzir custos excessivos na rede. No seguimento das extensões de QoS e mobilidade apresentadas para a tecnologia WiMAX, o âmbito desta Tese foi alargado para ambientes de acesso sem-fios heterogéneos. Neste sentido, é proposta uma arquitectura de mobilidade transparente com suporte de QoS para redes de acesso multitecnologia. A arquitectura apresentada integra uma versão estendida do IEEE 802.21 com suporte de QoS, bem como um gestor de mobilidade avançado integrado com os protocolos de gestão de mobilidade do nível IP. Finalmente, para completar o trabalho desenvolvido no âmbito desta Tese, é proposta uma extensão aos procedimentos de decisão de mobilidade em ambientes heterogéneos para incorporar a informação de contexto da rede e do terminal. Para validar e avaliar as optimizações propostas, foram desenvolvidos testes de desempenho num demonstrador inter-tecnologia, composta pelas redes de acesso WiMAX, Wi-Fi e UMTS/HSPA.Ubiquitous Internet access is one of the main challenges for the telecommunications industry in the next decade. The number of users accessing the Internet is growing exponentially and the network access paradigm of “always connected, anytime, anywhere” is a central requirement for the so-called Next Generation Mobile Networks (NGMN). WiMAX, together with LTE, was recently recognized by ITU as one of the compliant access technologies for 4G. Nevertheless, WiMAX is not yet fully prepared for next generation environments, mainly due to the lack of QoS and mobility crosslayer procedures to support real-time multimedia services delivery. Furthermore, besides the 4G compliant WiMAX and LTE radio access technologies, UMTS/HSPA and Wi-Fi will also have a significant impact in the mobile communications during the next years. Therefore, it is fundamental to ensure the coexistence of multiple radio access technologies in what QoS and mobility procedures are concerned, thereby allowing the delivery of real-time services in mobile networks. In order to provide the WiMAX mobile users with the demanded multimedia services, it is proposed in this Thesis a WiMAX cross-layer manager integrated in an end-to-end all-IP QoS enabled architecture. The presented framework enables the QoS control and bidirectional communication between WiMAX and the upper layer network entities. Furthermore, the proposed cross-layer framework is extended with media independent events and commands to optimize the mobility procedures in WiMAX environments. Tests were made to evaluate the QoS and mobility performance of the defined architecture, demonstrating that it is perfectly capable of handling and supporting real time services without introducing an excessive cost in the network. Following the QoS and mobility extensions provided for WiMAX, the scope of this Thesis is broaden and a seamless mobility architecture with QoS support in heterogeneous wireless access environments is proposed. The presented architecture integrates an extended version of the IEEE 802.21 framework with QoS support, as well as an advanced mobility manager integrated with the IP level mobility management protocols. Finally, to complete the work within the framework of this Thesis, it is proposed an extension to the handover decisionmaking processes in heterogeneous access environments through the integration of context information from both the network entities and the enduser. Performance tests were developed in a real testbed to validate the proposed optimizations in an inter-technology handover scenario involving WiMAX, Wi-Fi and UMTS/HSPA