移動通信中的位置管理新技術(shù)

　　1、引言



�牐牣�(dāng)前，移動通信產(chǎn)業(yè)正高速增長，截止1999年底，全球移動用戶已超過4億，預(yù)計(jì)2000年底接近6億。人們在滿足了話音和低速數(shù)據(jù)等基本業(yè)務(wù)后，更希望能發(fā)展會議電視，圖像等多媒體業(yè)務(wù)。這便是下一代移動通信系統(tǒng)即第三代的發(fā)展目標(biāo)。



�牐牭谌�代移動通信支持個人移動性和終端移動性，用戶可以在任何時間和任何地�狘c(diǎn)，使用任何固定或移動終端，通過個人通信號碼和任何人進(jìn)行通信。為了將呼叫傳遞給隨意移動的用戶，需要有一個高效的位置管理系統(tǒng)來跟蹤用戶的位置。位置管理主要由兩部分組成。第一是位置登記。在這個過程中，移動終端周期性地向移動網(wǎng)報(bào)告其所在的接入點(diǎn)，以便移動網(wǎng)對其進(jìn)行鑒權(quán)并更新位置記錄。第二是呼叫傳遞，這一步要向移動網(wǎng)查詢用戶的位置記錄以此來得知移動終端的位置。



�牐牣�(dāng)前位置管理的技術(shù)包括數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、信令網(wǎng)內(nèi)不同部分之間信令消息的傳輸。隨著移動用戶數(shù)目的增加，需要新的或改進(jìn)的方式來有效地支持連續(xù)不斷增長的用戶。其他問題包括：安全、動態(tài)數(shù)據(jù)庫更新、排隊(duì)時延、終端尋呼方式以及尋呼時延等。



　　２、當(dāng)前的位置管理策略



�牐牣�(dāng)前位置管理采用的是雙層數(shù)據(jù)庫，即原籍位置寄存器HLR和訪問位置寄存器VLR。通常一個移動通信網(wǎng)的位置管理系統(tǒng)由一個HLR（存儲在其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)注冊的所有用戶的信息，包括用戶預(yù)定的業(yè)務(wù)、記費(fèi)信息、位置信息等）以及若干個VLR（它管理該網(wǎng)絡(luò)中若干個位置區(qū)LA（Location Area）（一個位置區(qū)由一定數(shù)量的蜂窩小區(qū)組成）之內(nèi)的移動終端組成。諸如呼叫處理、位置登記等網(wǎng)絡(luò)管理功能通過7號信令系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。。



　　2.1　位置登記



�牐牉榱苏�確無誤地傳遞呼叫，移動通信網(wǎng)必須對每一個移動終端MT進(jìn)行位置跟蹤，如前所述，位置信息存儲在兩種數(shù)據(jù)庫VLR和HLR中，當(dāng)MT在移動通信網(wǎng)覆蓋區(qū)域內(nèi)移動時，存儲在這些數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可能不再準(zhǔn)確。為了保證呼叫成功，應(yīng)該周期性地更新數(shù)據(jù)庫。



�牐牣�(dāng)MT向通信網(wǎng)報(bào)告其當(dāng)前位置時，位置登記就開始了。當(dāng)前采用的是MT一進(jìn)入新LA就進(jìn)行位置更新的方法。這里每一個LA由幾個小區(qū)構(gòu)成，一般地，屬于同一個LA的BTS與相同的MSC連接。圖3所示為MT進(jìn)入一個新LA的位置登記過程。下面是位置登記過程中順序執(zhí)行的一些操作：



　　(1) MT進(jìn)入一個新LA并向新BS發(fā)送位置更新消息；



　　(2) BS向MSC轉(zhuǎn)發(fā)位置更新消息，MSC向其相應(yīng)的VLR發(fā)出登記請求；



　　(3) VLR更新MT的位置記錄。如果新LA屬于同一個VLR，則位置登記過程結(jié)束。如果屬于不同的VLR，則新VLR根據(jù)MT的移動終端標(biāo)識號MIN確定MT的HLR地址，并向HLR發(fā)送一個位置登記消息。



　　(4) HLR執(zhí)行必要的操作對MT進(jìn)行鑒權(quán)及記錄新VLR的ID。HLR向新VLR發(fā)送登記應(yīng)答消息。



　　(5) HLR向舊VLR發(fā)送登記刪除消息；



　　(6) 舊VLR刪除MT的記錄并向HLR發(fā)送一個刪除應(yīng)答消息。



�牐犜�(3)-(6)步，信令消息在到達(dá)目的地之前可能經(jīng)過幾個中間STP，這取決于MT的當(dāng)前位置和原籍位置。例如，一個在中國北京開戶的移動電話用戶很自然地分配一個位于北京的HLR。當(dāng)這個用戶漫游在美國紐約時，其移動電話的每一次位置更新都導(dǎo)致了四次SS7信令的越洋傳輸(如圖3的(3)-(6)步)，這些消息在到達(dá)目的地前在SS7網(wǎng)中經(jīng)過數(shù)個STP，產(chǎn)生了額外的負(fù)荷。這樣，位置更新可能給SS7網(wǎng)帶來嚴(yán)重的流量負(fù)荷。隨著移動用戶數(shù)目的不斷增加，這種負(fù)荷會越來越嚴(yán)重。



　　2.2　呼叫傳遞



�牐牶艚袀鬟f過程主要分為兩步：a確定為被叫MT服務(wù)的VLR；b確定被叫MT當(dāng)前正訪問的小區(qū)。確定為被叫MT服務(wù)的VLR的數(shù)據(jù)庫查詢過程如下：



　�。�1） 主叫MT通過附近的基站向?yàn)槠浞��?wù)的MSC發(fā)出呼叫初始化信號；



　�。�2） MSC通過GTT確定被叫MT的HLR位址并向該HLR發(fā)送一個位置請求消息；



　　（3） HLR 確定出為被叫MT服務(wù)的VLR，并向該VLR發(fā)送路由請求消息；該VLR將該消息發(fā)給為被叫服務(wù)的MSC；



　�。�4） MSC給被叫MT分配一個臨時本地號碼TLDN(Temporary Local Directory Number)，并向HLR發(fā)送一個帶有TLDN的應(yīng)答消息；



　�。�5） HLR將上述消息轉(zhuǎn)發(fā)給為主叫MT服務(wù)的MSC；



　�。�6） 主叫MSC通過SS7網(wǎng)絡(luò)向被叫MSC請求呼叫建立。



�牐犐鲜鲞^程允許網(wǎng)絡(luò)建立從主叫MT到為被叫MT服務(wù)的MSC的連接。但由于每個MSC與一個LA相聯(lián)系，而每個LA又有多個小區(qū)，這就需要一種機(jī)制來確定被叫MT所在的小區(qū)位置。在當(dāng)前的移動通信網(wǎng)中，這一過程是通過尋呼來完成的。



　　3.　位置登記和呼叫傳遞的新技術(shù)



�牐犜谶@個領(lǐng)域的研究一般分為兩類：其一是基于集中式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，是IS-41位置管理策略的延伸，就是在保持基本的數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不變的前提下來對IS-41進(jìn)行改進(jìn)。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是無須做重大的修正即可用于當(dāng)前的移動通信網(wǎng)。另一種方案采用全新的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，需要一套新方法進(jìn)行位置登記和呼叫傳遞，大部分這類方法是基于分布式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。下面分別討論集中式和分布式管理策略。



　　3.1　集中式管理策略



�牐犜谶@種策略下，位置管理數(shù)據(jù)庫由基于IS-41的雙重?cái)?shù)據(jù)庫組成，另外還采用了一些優(yōu)化措施，以達(dá)到減小位置管理開銷的目的。



　　a) 動態(tài)分層方案



�牐牭谝粋�集中式數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)是[1]提出的。其基于IS-41標(biāo)準(zhǔn)并新加入了一級叫目錄寄存器DR的數(shù)據(jù)庫。每一個DR覆蓋數(shù)個MSC的服務(wù)區(qū)域。DR的首要功能是為在其服務(wù)區(qū)內(nèi)的MT進(jìn)行周期性的計(jì)算及存儲位置指針的配置。每一個MT都有其唯一的指針配置。DR有三種位置指針：



　　1） 存儲在為MT服務(wù)的DR中的本地指針，該指針指出當(dāng)前為MT服務(wù)的MSC；



　　2） 存儲在遠(yuǎn)端DR中的直接遠(yuǎn)端指針，指出當(dāng)前為MT服務(wù)的MSC；



　　3） 存儲在遠(yuǎn)端DR中的間接遠(yuǎn)端指針，其指出當(dāng)前為MT服務(wù)的DR；



�牐牬送�，MT的HLR可以配置存儲一個指針或者配置指向MT的服務(wù)DR或者指向MT的服務(wù)MSC。但有時可能不設(shè)任何指針，而采用純IS-41方案反而會更有效。



�牐犜摲桨傅墓δ懿捎孟率龇椒�能更好地進(jìn)行描述。設(shè)想給定的MT的HLR位于北京，而現(xiàn)在它漫游在成都。如果有相當(dāng)數(shù)量的來自南京的電話呼叫該MT，則在南京的DR中可以為MT設(shè)置一個直接或間接的遠(yuǎn)端指針。當(dāng)來自南京的該MT的下一個呼叫發(fā)起時，主叫的MSC首先查詢該DR，則呼叫就可以立即轉(zhuǎn)向成都而不必查詢位于北京的HLR，這就減少了呼叫傳遞的信令開銷。另外，HLR可以通過設(shè)置來記錄為MT服務(wù)的DR的ID（而不是為MT服務(wù)的MSC）。當(dāng)MT在成都的同一個LA內(nèi)從一個MSC進(jìn)入另一個MSC時，為MT服務(wù)的DR的本地指針必須更新，沒有必要訪問位于北京的HLR，這就減少了位置登記的信令開銷。可見，這種方案的好處是位置登記和呼叫傳遞的開銷都可以減小。



　　b) 每用戶位置緩存方案



�牐犆坑脩粑恢镁彺娣桨傅幕�本思想是通過在一個MT附近的STP中緩存一個位置信息來減小定位MT的信令開銷和訪問數(shù)據(jù)庫的通信流量。只要通過STP訪問MT，則該MT的入口就添加到緩存中，該緩存包含一個從MT的ID到為其服務(wù)的VLR的映射圖。當(dāng)對該MT發(fā)起另外一個呼叫時，該STP首先檢查是否存在該MT的緩存入口。如果沒有緩存入口，則采用前面所述的IS-41呼叫傳遞方案來確定該MT的位置；如果緩存入口存在，則STP查詢緩存所對應(yīng)的VLR，如果MT仍然滯留在該VLR中，則該MT被找到，如果該MT已經(jīng)進(jìn)入不屬于該VLR的其他位置區(qū)，則采用IS-41的呼叫傳遞方法來定位該MT。



�牐牣�(dāng)從MT1到MT2的呼叫發(fā)起時，系統(tǒng)可以通過STP1的緩存信息來確定MT2的位置，無須訪問MT2的HLR就可成功地定位MT2。與IS-41方案相比較，每用戶位置緩存使STP能夠僅查詢一個緩存的位置信息就可確定被叫MT的VLR的位置。然而，這僅在被叫MT的緩存位置信息可得到的情況下才行。當(dāng)被叫MT的緩存位置信息不可得時，每用戶位置緩存的開銷比IS-41高�？梢愿鶕�(jù)系統(tǒng)參數(shù)來確定最小有效率。



�牐爩⒈镜睾艚�/移動比LCMR定義為單位時間內(nèi)從一個給定的源STP發(fā)起的針對一個MT的呼叫平均數(shù)與該MT改變其VLR的平均次數(shù)之比�？梢缘玫将@得最小有效率所必須的最小LCMR。為了減小丟失概率，建議經(jīng)過一定的時間間隔后應(yīng)將緩存入口設(shè)置為無效。根據(jù)移動性和呼叫到達(dá)參數(shù)，可以給出一個門限，以確定一個特定的緩存的用戶位置信息何時被刪除，以降低呼叫傳遞的額外開銷。



　　c) 用戶文檔備份方案



�牐牳鶕�(jù)用戶文檔備份方案[2]，選擇本地?cái)?shù)據(jù)庫備份用戶文檔。當(dāng)呼叫一個遠(yuǎn)端MT時，網(wǎng)絡(luò)首先檢查在本地?cái)?shù)據(jù)庫中是否存在被叫MT的用戶文檔備份。如果備份存在，則無須訪問HLR，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)本地?cái)?shù)據(jù)庫中的備份文檔即可確定被叫MT的位置。否則，網(wǎng)絡(luò)通過IS-41的步驟確定被叫MT的位置。當(dāng)MT進(jìn)入另一個位置區(qū)時，網(wǎng)絡(luò)需要更新所有的該MT的備份文檔，這使得位置登記的信令開銷偏高。 該方案是否可以顯著地減小信令開銷，取決于MT的移動率和呼叫到達(dá)率。[2]介紹了一種對每個MT確定備份方案的方法。根據(jù)該方法，由一個中央系統(tǒng)決定備份，該中央系統(tǒng)有時必須收集所有用戶的移動性和呼叫參數(shù)。這對當(dāng)前的移動通信網(wǎng)來說不大可能，因?yàn)檫@要牽涉到眾多的網(wǎng)絡(luò)提供者，而且給眾多的用戶備份是一個計(jì)算復(fù)雜、耗時的過程，需要很大的網(wǎng)絡(luò)帶寬。



　　d) 前向指針方案



�牐犌跋蛑羔樂桨竅3]的基本思想是設(shè)置一個由舊VLR指向新VLR的前向指針，取代MT每次進(jìn)入屬于不同VLR的區(qū)域時都要向HLR報(bào)告其位置的做法。當(dāng)呼叫一個MT時，網(wǎng)絡(luò)首先確定指針鏈頭的VLR，然后沿指針鏈找到當(dāng)前被叫MT的服務(wù)VLR來確定該MT的位置。為減小定位MT產(chǎn)生的時延，指針鏈的最大長度預(yù)先設(shè)定為K，當(dāng)指針鏈的長度達(dá)到K時，就不允許再加入指針，位置登記必須向HLR報(bào)告。圖6所示為前向指針方案的操作過程。當(dāng)MT從MSC1到MSC2，再從MSC2到MSC3時指針設(shè)置為從VLR1到VLR2再到VLR3。設(shè)K=2，則指針鏈不能再加長了。如果MT從MSC3到MSC4，則需通過HLR進(jìn)行位置登記。源指針則被刪除，而HLR記錄MT的當(dāng)前服務(wù)VLR。這表明該方案相對于最初的IS-41而言并不是總能減小開銷，還取決于移動性、呼叫到達(dá)參數(shù)和K值的大小。



　　e) 本地緩存方案



�牐犜诒镜鼐彺娣桨竅4]中，選擇臨近MT的一個VLR作為其本地緩存，MT的位置變化不向HLR報(bào)告，而只報(bào)告給本地緩存。由于本地緩存靠近MT，由位置登記產(chǎn)生的信令負(fù)荷就減小了。HLR保存著一個指向本地緩存的指針。當(dāng)呼叫MT時，HLR向該MT的本地緩存發(fā)出請求，該MT再向服務(wù)VLR發(fā)出請求以獲得一個路由地址。圖7所示為本地緩存方案。假設(shè)MT1的本地緩存是VLR1，當(dāng)MT1從VLR2移到VLR3時，將位置變化報(bào)告給VLR1。為MT選擇本地緩存的方法有兩種：靜態(tài)法和動態(tài)法。在靜態(tài)法中，在上一次呼叫期間，MT的服務(wù)VLR成為其本地緩存。當(dāng)下一個呼叫到達(dá)時，本地緩存已經(jīng)改變了。靜態(tài)本地緩存徹底避免了向HLR報(bào)告位置變化。然而，與前面介紹的位置緩存和前向指針類似，靜態(tài)本地緩存并不總能提高性能。非常相似的是，動態(tài)法是當(dāng)呼叫到達(dá)時將服務(wù)VLR改為本地緩存。但是，在每次移動后網(wǎng)絡(luò)都要根據(jù)MT的移動性和呼叫到達(dá)參數(shù)來決定是否將MT的本地緩存改設(shè)在新VLR。結(jié)果表明，動態(tài)本地緩存的開銷小于或等于原IS-41的開銷。



　　3.2　分布式管理策略



�牐牱植际焦芾聿呗缘臄�(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)由分布在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的多個數(shù)據(jù)庫構(gòu)成。 a) 全分布式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)方案



�牐犜谶@種方案中，為位置登記提出了一種分布式數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)。IS-41標(biāo)準(zhǔn)中的雙層數(shù)據(jù)庫被眾多的位置數(shù)據(jù)庫所代替。這些位置信息數(shù)據(jù)庫被設(shè)置成樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。MT與位于最低層次的位置信息數(shù)據(jù)庫（葉數(shù)據(jù)庫）相對應(yīng)，每一個位置信息數(shù)據(jù)庫保存位于其"子樹"內(nèi)的MT的位置信息。MT1位于LA1中，從MT1的當(dāng)前位置到"樹根"的每一級數(shù)據(jù)庫都保存著該MT的入口。當(dāng)呼叫發(fā)起時，網(wǎng)絡(luò)沿著被叫MT的數(shù)據(jù)庫入口確定其位置。例如，由MT2呼叫MT1，節(jié)點(diǎn)A接收到呼叫請求，由于節(jié)點(diǎn)A的數(shù)據(jù)庫沒有MT1的訪問入口，呼叫請求被轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點(diǎn)B，依次類推。當(dāng)呼叫請求最后到達(dá)節(jié)點(diǎn)D時，發(fā)現(xiàn)了MT1的訪問入口，經(jīng)過另外三次數(shù)據(jù)庫查詢，MT1的位置最終被確定下來。當(dāng)MT漫游到屬于不同的葉數(shù)據(jù)庫的LA時，相關(guān)的數(shù)據(jù)庫都必須得到更新，以正確指示MT的位置。與基于集中式數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)（如IS-41）相比，該方案降低了信令消息的傳輸距離。然而，該方案增加了數(shù)據(jù)庫更新的次數(shù)，由此增加了位置登記和呼叫傳遞的時延。



　　b) 分塊方案



�牐燵5]介紹了一種分塊方案。由于MT的移動方式在各個位置都不盡相同，因此將移動頻繁的MT的位置服務(wù)器進(jìn)行分塊。根據(jù)[5]介紹的方案，位置登記僅在MT進(jìn)入一個新的分塊時執(zhí)行。分塊P2由5個位置服務(wù)器組成，它們僅有一個共同的上級服務(wù)器LS2。當(dāng)MT進(jìn)入P2時，位置服務(wù)器LS2被更新，以指示該MT滯留在其分塊覆蓋的范圍內(nèi)。當(dāng)MT漫游到同一個分塊內(nèi)其他位置服務(wù)器覆蓋的區(qū)域內(nèi)時并不進(jìn)行位置登記。該方案減少了在MT的移動性強(qiáng)的區(qū)域內(nèi)位置登記的次數(shù)。仿真表明，分塊方案能有效地降低信令消息的開銷。然而，開銷的減少還依賴于MT的移動性、呼叫到達(dá)方式以及尋找分塊的方式。





　　c) 數(shù)據(jù)庫分層方案



�牐犜谶@種方案中，MT的位置可登記在樹的任何一個節(jié)點(diǎn)（不限制在葉節(jié)點(diǎn)）。樹根保持一個數(shù)據(jù)庫，但在其他節(jié)點(diǎn)沒有必要都設(shè)置數(shù)據(jù)庫。這些數(shù)據(jù)庫保存MT的指針。如果MT滯留在一數(shù)據(jù)庫的支干中，則該數(shù)據(jù)庫設(shè)置了一個指針沿MT的路徑指向下一個數(shù)據(jù)庫。如果沿該路徑?jīng)]有數(shù)據(jù)庫，則指針指向MT所滯留節(jié)的點(diǎn)。當(dāng)樹上某節(jié)點(diǎn)發(fā)起一個呼叫，則可以根據(jù)被叫MT的指針確定其位置。圖10所示為該方案的操作過程。呼叫在節(jié)點(diǎn)A發(fā)起，被叫MT在節(jié)點(diǎn)B，搜尋被叫MT的路徑如圖10所示，如果搜尋到的某數(shù)據(jù)庫沒有被叫MT的指針，則查詢?nèi)�樹根路徑上的下一個數(shù)據(jù)庫。



　�。础⒖偨Y(jié)討論



�牐犐鲜雒恳环N位置管理方案都可使IS-41的性能有不同程度的提高。但是選擇一種對所有系統(tǒng)參數(shù)來說都明顯好于其他的方案是很困難的。大多數(shù)情況下，上述方案僅在一定的移動性和呼叫到達(dá)參數(shù)下性能優(yōu)于IS-41，當(dāng)采用不同的參數(shù)，性能差別會很大。但是我們可以總結(jié)出一些普遍性的規(guī)律。



�牐犝�如第3小節(jié)所述，當(dāng)前對位置管理的研究集中在集中式和分布式兩個方面。集中式是將所有MT的位置信息記錄在HLR中，在位置登記和呼叫傳遞期間，信令消息在MT當(dāng)前位置的VLR和HLR之間交換。隨著MT數(shù)量的增加，信令業(yè)務(wù)量可能使移動通信網(wǎng)的性能嚴(yán)重降低。還有一種不希望出現(xiàn)的結(jié)果是連接建立時延可能很長。然而，集中式的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)庫的更新次數(shù)和位置登記與呼叫傳遞請求的次數(shù)相對比較低，這就縮短了因數(shù)據(jù)庫訪問而引起的時延。分散式方案的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)庫的訪問本地化了，對遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫的訪問或更新僅在必要時才進(jìn)行。但是因位置登記和呼叫傳遞引起的數(shù)據(jù)庫訪問次數(shù)比起集中式來說有明顯的增加。



�牐牽梢钥闯�，理想的位置管理方案應(yīng)當(dāng)介于集中式和全分布式之間。實(shí)際上，大多數(shù)正在進(jìn)行的研究集中在：



　　①提高集中式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)下位置信息的分布性。



　�、谠诜植际綌�(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)中減小位置信息的分布性。



�牐牬送�，用戶的移動性和呼叫到達(dá)方式各不相同，希望能根據(jù)各個不同的用戶動態(tài)調(diào)整位置更新和呼叫傳遞過程。動態(tài)方案通常要求即時收集和處理數(shù)據(jù)，這會消耗很大的計(jì)算功率，有必要仔細(xì)設(shè)計(jì)，保證網(wǎng)絡(luò)有效地支持計(jì)算。



�牐牻窈髮ξ恢玫怯浐秃艚袀鬟f的研究應(yīng)該集中在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，應(yīng)在一定程度上將全分布式和集中式結(jié)合起來。此外，還應(yīng)開發(fā)實(shí)時確定MT的移動情況和呼叫到達(dá)參數(shù)的方法，以及如何根據(jù)每個用戶動態(tài)地限制或增強(qiáng)位置信息的分布性。





摘自《中國移動》