Vertical Handover

Vertical Handover
& Standard IEEE 802.21
Ing. Anna Maria Vegni
Roma, 11/2009
1
Indice
• Reti eterogenee & Interoperabilità
• Handover orizzontale & verticale
– Obiettivo: Seamless roaming + media independent
• Introduzione all’IEEE 802.21
– Storia ed evoluzione dello standard
– Media Independent Handover (MIH)
– MIES, MICS, e MIIS
– Modello di comunicazione dell’IEEE 802.21
• Vertical Handover
– Analisi delle prestazioni dell’algoritmo proposto
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2
Interoperabilità tra Sistemi Eterogenei
• Nell’attuale evoluzione delle reti si vuole
assicurare l’interoperabilità tra reti eterogenee,
(ossia reti wired e wireless), in previsione di un
futuro popolato da molteplici standard d’accesso,
(es. IEEE 802.11, Bluetooth, UMTS, WiMax,
ecc.).
• Pertanto, definire strategie di interoperabilità
tra sistemi eterogenei è l’obiettivo di diverse
iniziative di standardizzazione, tra cui:
– lo standard IEEE 802.21 MIH (Media Independent
Handover).
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Mixed-Network Client Use Case
Operating on
3G WWAN
Zone 1
Zone 2 3G WWAN
Wakeup Wi-Fi
Wi-Fi Link Going Down.
Connect to
Wi-Fi
Continue
session on Wi-Fi
WiMAX
Airport
Continue session
on 3G WWAN
Home
Battery level low
Shutdown WiMAX
Switch to 3G WWAN
Operator initiated switch to WiMAX
Continue session on WiMAX
Shutdown Wi-Fi
Zone 7
Plug into power jack
Wakeup Wi-Fi
Continue over Wi-Fi
Zone 5
Zone 4
Zone 3
Zone 8
WiMAX
Zone 6
Radio
RadioState
State
3G WWAN
Wi-Fi
WiMAX
GPS
Zone 9
IEEE 802.21, SIP, VCC, IMS, for Network Selection and Service
802.21,
SIP,
IMS
for
Service
Continuity
IEEE
802.21
forfor
Network
Discovery
VCC,
SIP,
IMS
Call
Continuity
(3G (Wi-Fi
WWANÅÆ
ÅÆWiMAX)
Wi-Fi)
Continuity across multiple radios (3G WWAN ÅÆ Wi-Fi ÅÆ WiMAX)
4
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http://www.ieee802.org/21/
Problematiche dell’handover
• Incorrect Network Selection:
9 Un terminale mobile (MT) non sempre riesce a scegliere una
corretta connessione, basandosi soltanto sul tradizionale
criterio del Received Signal Strength Indicator (RSSI);
9 Wrong Decision Vertical Handover [1];
9 Unnecessary Decision Vertical Handover [1].
• Aumento del numero di interfacce dei dispositivi,
(dispositivi multi-mode con Network Interface
Cards).
9 Quale interfaccia di rete attivare? Utilizzo meticuloso per
evitare consumo di batteria.
• Costrutti a livello L2 in forma standardizzata, ma
non media independent, (triggers & eventi)
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5
Use Case
• Un MT multi-mode può connettersi
a Internet grazie a diverse
802.16
connessioni.
Internet
802.11
802.3
PC 2
PC 3
• Transizione da una rete
ad un’altra è detta
PC 1
seamless e media independent,
– Timing dell’handover è limitato (NO delay);
– La continuità del servizio è assicurata;
– Non si ha perdita della qualità del servizio (QoS).
• Es. Chiamata VoIP su interfaccia Ethernet.
L’handover su IEEE 802.11 dovrà avere poca perdita
di dati, (durante le pause della conversazione o nel
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6
trasferimento
dati).
Multi-Radio Networking Evolution
• Diverse tecnologie wireless
(scenario multi-radio)
• Dispositivi mobili più intelligenti
(smartphones, modulo GPS integrato,
terminali multi-modali, ecc.)
• Modelli di utilizzazione più evoluti:
Hotspots wifi
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Digital-Car
On mobility 7
Tipi di Handover
• Handover Omogeneo (orizzontale)
9 All’interno di una singola rete (Mobilità localizzata)
802.11r, 802.16e, 3GPP, 3GPP2
9 Opportunità di handover limitate
• Handover Eterogeneo (verticale)
9Tra reti differenti (Mobilità globale)
9Più opportunità di handover (è possibile scegliere diverse
reti candidate)
• Hard handoff (Break-before-make)
9interruzione della connessione iniziale, prima di collegarsi
ad un’altra.
• Soft handoff (Make-before-break)
9inizia una nuova connessione, prima di interrompere la
preesistente.
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8
IEEE 802.21
Handover
Initiation
Handover
Preparation
Handover
Execution
Scopo dell’IEEE 802.21
• Network Discovery
• Network Selection
• Handover Negotiation
• Layer 2 Connectivity
• IP Connectivity
• Handover Signaling
• Context Transfer
• Packet Reception
• L’IEEE 802.21 si occupa di:
1. Handover Initiation,
2. Network Selection,
Roma,
3.11/2009Interface Activation
9
IEEE 802.21
• Il gruppo di studio IEEE 802.21 ha in corso la
definizione e standardizzazione di meccanismi di
accesso indipendenti dal mezzo, per consentire
l’ottimizzazione di Vertical Handover (VHO) tra
sistemi della famiglia IEEE 802 e altri sistemi, tra
cui quelli cellulari.
• La specifica dello standard IEEE 802.21 fornisce
flessibilità a livello di LINK LAYER e le
necessarie informazioni di rete agli strati
superiori, per ottimizzare lo svolgimento del
handover verticale.
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Storia dell’IEEE 802.21
• Primi passi del gruppo di ricerca IEEE 802.21:
1. Sviluppo di uno standard comune a tutti i mezzi 802;
2. Definizione di triggers a livello 2;
3. Definizione di Media Independent Information per la
network discovery;
4. Definizione del trasporto di questa informazione e dei
triggers.
• Perchè l’IEEE 802.21?
– Optimum Network Selection
– Seamless Roaming per il mantenimento delle
connessioni attive;
– Lower Power operation per dispositivi multi-radio.
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IEEE 802.21 Time line
Jan
2003
March
2003
802
Handover
Tutorial
CFI.
802
Handover
ECSG
Formed by
SEC
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May
2003
First
Meeting of
ECSG
July
2003
Sept
2003
Nov
2003
PAR & 5C
Jan
2004
Mar
2004
Initial WG
Meeting
Submission
EC PAR
Approval
12
Media Independent Handover
• La funzionalità MIH (Media Independent
Handover) risiede sia nel MT che nel punto di
accesso (PoA) radio (stazione radio base, access
point, ecc.), che devono pertanto essere multimodali.
• La rete complessiva dovrà includere microcelle
(IEEE 802.11, 802.15, ecc.), celle (GSM, UMTS,
IEEE 802.16, ecc.), e anche macrocelle satellitari.
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MIH Function (MIHF)
• Il processo di handover è tipicamente attivato
attraverso misure eseguite dal MT e invia al PoA
metriche su:
– la qualità del segnale (QoS),
– le differenze di tempi di sincronizzazione,
– le frequenze degli errori di trasmissione, ecc.
• Il MIH Function abilita gli handover negli stack
protocollari dei sistemi.
• Il MIHF si colloca tra Layer 2 e Layer 3
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MIHF per la famiglia IEEE 802
• L’MIHF utilizza le informazioni presenti a livello del
protocollo LLC (Link Layer Control) e scambia
informazioni con i livelli inferiori, MAC e fisico
dell’IEEE 802, per determinare se eseguire un VHO.
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MIHF per sistemi cellulari
• Analogamente, per i sistemi cellulari la funzione
MIHF si aggiunge alle funzionalità già presenti.
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Interoperabilità tra Sistemi Eterogenei
Applications
(VoIP/RTP)
Link Layer
Handover Triggers
Connection
Management
Policy
IETF
State Change
Handover Management
Predictive
Network Initiated
Mobility Management Protocols
Smart
Triggers
Handover
Messages
Information
Service
IEEE 802.21
802.21 MIH Function
Handover Commands
L2 Triggers
and Events
Handover
Messages
WLAN
Network Information
Available Networks
Neighbor Maps
Network Services
Client Initiated
Network Initiated
Vertical Handovers
Information
Service
Cellular
WMAN
Protocol and Device Hardware
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Gli Eventi L2 (Triggers)
• State Change Events
– Link Up
– Link Down
– Link Parameters Change
• Predictive Events
– Link Going Down
• Network Initiated Events
– Load Balancing
– Operator Preferences
Disconnected
Connected
Link Going Down
Link Up
Link Down
WLAN
Link Up
Link
Switch
Make before
Break
WWAN
Time
• I triggers minimizzano l’interruzione di
connettività durante la commutazione di un link.
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Link Layer Events
N.
Tipo di Evento
Nome dell’evento
Descrizione
1
State Change
Link Up
L2 Connection established
2
State Change
Link Down
L2 Connection is broken
3
Predictive
Link Going Down
L2 connection breakdown imminent
4
State Change
Link Detected
New L2 link has been found
5
State Change
Link Parameters
Change
Change in specific link parameters has
crossed pre-specified thresholds (link
Speed, Quality metrics)
6
Administrative
Link Event Rollback
Event rollback
7
Link Transmission
Link SDU Transmit
Status
8
Link Synchronous
Link Handover
Imminent
Improve handover performance through
local feedback as opposed to waiting
for end-to-end notifications
L2 intra-technology handover imminent
(subnet change). Notify Handover
information without change in link state.
9
Link Synchronous
Link Handover
Complete
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Notify handover state
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MIH Services
• Esistono 3 servizi:
1. Event,
2. Command,
3. Information
• Network discovery
permette al MT di
determinare tutte
le reti “vicine” (a distanza di rilevamento) a cui può
accedere.
• Network selection, insieme alla network discovery
fornisce informazioni sulle reti adiacenti e permette al MT
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di 11/2009
selezionare un link.
Servizi MIH
• I servizi MIH permettono lo scambio di messaggi
attraverso lo stack protocollare.
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MI Event Service
• Il MIES classifica, filtra e riporta gli eventi,
corrispondenti a cambiamenti dinamici delle
caratteristiche di un link.
• Il flusso degli eventi (Link Event & MIH Event)
passa attraverso il MIHF, che registra le notifiche di
Link Event e le invia ai livelli superiori.
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MI Command Service
• Il MICS permette di controllare il comportamento di
un link per l’handover e la mobilità.
• I comandi MIH sono originati dagli strati superiori
verso il MIHF.
• I Link Commands
sono specifici
per l’accesso
alla rete e
sono solo locali.
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MI Information Service
• Il MIIS fornisce le informazioni necessarie per gli
handovers, come le mappe delle reti vicine, il link
layer information, e la disponibilità dei servizi.
• Questo servizio fa sharing di elementi di
informazione (IEs), da usare per fare decisioni di
handover.
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MI Information Service
• Gli IE sono definiti come messaggi Type-LengthValue (TLV).
1. General Information (operators)
TYPE_IE_LIST_OF_NETWORKS,
TYPE_IE_NUMBER_OF_OPERATORS,
TYPE_IF_LIST_OF_OPERATORS
2. Access Network (roaming, cost, security, QoS)
TYPE_IE_NUMBER_POA,
TYPE_IE_OPERATOR_IDENTIFIER,
TYPE_IE_ROAMING_PARTNERS,
TYPE_IE_COST,
TYPE_IE_NETWORK_SECURITY,
TYPE_IE_QOS
3. Information about PoA (location, data rate, channel
range)
TYPE_IE_POA_ADDRESS,
TYPE IE POA DATA RATE,
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TYPE_IE_POA_LOCATION,
25
802.21 Overview
MI Information Service
• Media Independent Model
- Usa L2, per la Network Discovery e Selection;
- Usa L3, per specifiche informazioni sul client.
802.21
Information
Server
Global Network Map
WLAN
• List of Available Networks
WWAN
WMAN
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- 802.11/16/22, GSM, UMTS
• Link Layer Information
- Neighbor Maps
• Higher Layer Services
- ISP, MMS, ….
26
Information Elements
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27
Handover controllati
1. Terminal Controlled
– Il MT utilizza alcuni servizi MIH;
2. Terminal Initiated, Network Assisted
– Il MT utilizza il MIIS;
3. Network Initiated & Network Controlled
– La rete usa il MIES e il MICS, insieme con la
conoscenza dell’Information Service, per decidere se un
VHO è necessario, quale rete target scegliere e forza il
MT a fare l’handover.
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Decisione di Handover
• Co-operative Handover Decision
Measurements
Triggers
IEEE 802.21
Neighbor Maps
Service Information
Measurements, Triggers,
Neighbor Information
MTs
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Rete
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MIH_Service Access Point
• L’MIHF fornisce servizi agli strati superiori
attraverso una singola interfaccia,
“technology-independent”, (MIH_SAP)
e ottiene servizi dagli strati inferiori attraverso una
molteplicità di interfacce
“technology-dependent”, (media-specific SAP).
• Lo standard IEEE 802.21 intende fornire la generica
interfaccia tra il link layer nello stack protocollare di
mobility-management stack e gli attuali mediaspecific link layer, come quelli specificati dal 3GPP
e nella famiglia di standard IEEE 802.
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MIH_SAP
1. MIH_SAP permette l’accesso al MIH dagli strati
superiori.
2. MIH_NMS_SAP per il network management.
3. MIH_LINK_SAP, ogni rete di accesso
s’interfaccia direttamente con il MIHF mediante il
proprio SAP.
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Algoritmi di VHO
• Metriche di decisione di VHO basate su:
– Parametri fisici
• Received Signal Strength (RSS);
• Signal-to-Noise and Interference ratio (SINR);
• Localization;
• Quality-of-Service;
•…
– Analisi probabilistica
• Probabilità di effettuare un handover
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Algoritmi di VHO
• Frequenza di VHO
– Effetto ping-pong, ovvero la repentina
commutazione da una rete servente ad una rete
candidata;
– Battery lifetime;
– Aumento del traffico di rete;
• Tecniche di limitazione dell’effetto pingpong
– Basate sull’isteresi;
– Basate sul tempo di attesa tra un handover ed il
successivo.
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33
Algoritmi di VHO
• Esempio di algoritmo di VHO
Grid geometrical setup
Grid size
2 km
Number of areas
400, corresponding to 200 per km
Size of one area
5m
rUMTS
600 m, corresponding to 120 areas
rWiFi
120 m, corresponding to 24 areas
Hot spotUMTS
3
Hot spotWiFi
30
Mobile Terminal parameters
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Speed MT
0.5 m/s
Tarea
DimZN/Vmove = 10 s
Number of steps
5000
34
Mappa WiFi
WiFi map - Error Probability
13
Power profile in one WIFI cell
40
20
50
0
100
received power [dBm]
-20
150
200
250
-40
-60
-80
-100
300
-120
350
-140
400
50
•
100
150
200
250
300
350
400
-160
0
50
100
150
200
250
300
zone number (One zone is 5 m)
350
[2] T. Inzerilli, and A.M. Vegni, “A reactive vertical handover approach for WiFiUMTS dual-mode terminals”, in Proc. of IEEE International Symposium on
Consumer Electronics ISCE 2008. April 2008, pp: 1 - 4.
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400
Mappa UMTS
UMTS map - Error Probability
Power profile in one UMTS cell
60
40
50
20
received power [dBm]
100
150
200
250
300
0
-20
-40
-60
-80
350
400
14
-100
50
100
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150
200
250
300
350
400
-120
0
50
100
150
200
250
300
zone number (One zone is 5 m)
350
36
400
Mappa Eterogenea
MT path
start
50
Y
100
150
Moveto WiFi
Moveto UMTS
wait TW-TR-min
wait TU-TR-min
y
Pw > Pw-min
200
N
Pw > Pw-min
N
N
PU > PU-min
Y
Y
250
N
wait TW-BT-min
wait TU-BT-min
PU > PU-TH
Pw > Pw-TH
Y
300
Y
assess GPW, GPU
assess GPW, GPU
350
400
GPW > GPU
N
50
100
150
200
x
250
300
350
N
Y
Y
GPU > GPW
N
400
• Algoritmo di Handover Verticale con stima del Goodput
• Mappa eterogenea (2 km2) composta da 3 BS UMTS e 15
hotspots WiFi. Il MT si muove random a 0.5 m/s.
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15
Vertical Handover
9
4.5
16
Cumulative received bits in different scenarios
x 10
VHO-ESA Rx bits
Theoretic VHO Rx bits
UMTS Rx bits
WIFI Rx bits
4
3.5
3
2
9
Final received bits, according to VHO-MA/ESA
x 10
1.5
MA
ESA
1
4
0.5
0
0
500
1000
1500
2000
2500
Steps
3000
3500
4000
4500
3.5
5000
Bits
Bits
2.5
3
2.5
2
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20
40
60
80
100
120
waiting time, [s]
140
160 38 180
Frequenza di VHO
Number of VHO occurences
MA
ESA
Vertical handovers
20
Novel MCHO
algorithm
15
Estimation of
channel goodput
10
5
0
20
40
60
80
100
120
waiting time, [s]
140
160
180
• Modulazione dei tempi di attesa per limitare la frequenza di
VHO, contenere l’effetto ping-pong e massimizzare la quantità
di dati ricevuti.
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QoS-based VHO
• Il MT effettua un VHO sulla base del livello di QoS, (QoSLev).
• Un VHO è quindi eseguito dalla rete servente (SN),
valutando alcuni specifici parametri che determinano un
insieme di reti candidate (CN) disponibili per l’handover e che
garantiscano un determinato livello di QoS.
• La decisione di VHO determinerà la rete candidata che
assicuri le migliori performance in termini di miglior livello di
QoS.
[3] A.M. Vegni, M. Carli, A. Neri, and G. Ragosa, “QoS-based Vertical Handoff
in heterogeneous networks”, in Proc. of 10th International Symposium on Wireless
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Personal Multimedia Communications WPMC 2007. December 2008
40
QoS-based VHO
• Viene introdotta un’entità di rete definita “QoS based Decision
Engine” (QDE), che si occupa di colloquiare con il MT per
effettuare decisioni di VHO.
• Il MT scambia
informazioni di rete
con il QDE.
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41
QoS-based VHO
• Measurement phase: ogni T secondi, il MT effettua
misuarazioni sulla potenza, sulla distanza e sul livello di QoS.
• R, RSS measurement,
• D, Distance measurement,
• Q, Quality measurement
• Inizializzazione:
se QoS-Lev < Th1,
allora il MT invia
un messaggio di allarme
al più vicino QDE
per scegliere la migliore
rete candidata disponibile.
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QoS-Lev < Th1
42
Probabilità di Vertical Handover
UMTS →
WLAN
La decisione di VHO avviene se:
ovvero se il livello di RSS sulla rete WLAN è maggiore della
soglia RW; se la distanza dal MT all’AP WLAN è inferiore alla
soglia DW e se QoS-Lev nella rete WLAN è superiore alla soglia
QW.
WLAN →
UMTS
La decisione di VHO avviene se:
ovvero se il livello di RSS sulla rete WLAN è inferiore a RW,
Roma,
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mentre
il livello di RSS sulla rete UMTS è superiore a RU.
43
13
Probabilità di Vertical Handover
• La probabilità di iniziare un VHO da UMTS/WLAN a
WLAN/UMTS, per un MT nella posizione x, vale
rispettivamente:
UMTS →
WLAN
WLAN →
UMTS
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44
13
Probabilità di Vertical Handover
• UMTS, WLAN e WiMax:
– Differenti sistemi di accesso;
– Differenti performance (bandwidth e copertura radio)
• Decisioni del MT:
1. Commutare verso
la precedente rete
servente, se ancora
disponibile;
2. Cambiare il valore Th2,
(i.e. Th3 < Th2);
3. Mantenere lo stesso
livello QoS-Lev.
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45
Riferimenti
•
•
•
•
•
•
•
•
[1] S. Agarwal, and J.M. Holtzman, “Modelling and analysis of handoff algorithms in
multi-cellular systems,” in Proc. of IEEE 47th Vehicular Technology Conference, Vol.1,
pp.300-304, May 1997.
[2] T. Inzerilli, and A.M. Vegni, “A reactive vertical handover approach for WiFiUMTS dual-mode terminals”, in Proc. of IEEE International Symposium on Consumer
Electronics ISCE 2008. April 2008, pp: 1 - 4.
[3] A.M. Vegni, M. Carli, A. Neri, and G. Ragosa, “QoS-based Vertical Handoff in
heterogeneous networks”, in Proc. of 10th International Symposium on Wireless Personal
Multimedia Communications WPMC 2007. December 2008
http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=596368&isnumber=13063
http://www.ieee802.org/21/
http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.21
J. Stein, “Survey of IEEE802.21 Media Independent Handover Services”,
www.cs.wustl.edu/~jain/cse574-06/ftp/handover/index.html
V. Gupta, and D. Johnston, “A Generalized Model for Link Layer Triggers”,
http://www.ieee802.org/handoff/march04_meeting_docs/Generalized_triggers-02.pdf
Roma, 11/2009
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