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浙江工业大学硕士毕业论文 移动通信网络中基于动态位置区的移动性管理策略研究 摘要 无线移动网络使人们“在任何时间、任何地方访问任何信息”这 一梦想成为现实。在无线移动网络中，由于移动台的移动性，其网络 接入点变化无常，因此，如何高效、经济地跟踪移动台，为移动台提 供实时的、低成本的、高质量的、优化的服务即移动性管理，成 为一个具有挑战性的国际前沿研究难题。不容置疑，移动性管理对移 动通信网络的高效运行是举足轻重的。 在移动通信网络中，移动性管理包括位置管理( l o c a t i o n m a n a g e m e n t ) 和切换管理( h a n d o f fm a n a g e m e n t ) 。本文重点研究位置管 理策略。现行移动通信网络的位置管理策略要求：一旦移动台越区， 就需要进行位置更新操作这种策略对“呼入移动比”较低的用户产 生了巨大的位置更新费用，浪费了本来就稀缺的系统资源。为了降低 位景更新费用，本文基于位置区分层及“环状搜索”的思想，并引入 一个可控制参数，提出了“可控制环状搜索策略”。通过利用马尔可夫 过程理论，导出了移动台位于各个环的概率所满足的一个线性方程组。 数值分析表明：针对不同的移动台的“呼入移动比”的特性，通过控 制参数的选择，可以降低位置更新，进而减小位置管理的费用。这种 方法对于“呼入移动比”较低的移动台具有一定的实用价值。 关键词：移动通信网络，移动性管理，位置管理，位置更新，寻呼 浙江工业大学硕士毕业论文 s t u d y0 nm o b i l i t ym a n a g e 嗄e n ts t ra t e g i e s b a s e d0 nd y n a m i cl o c a t l 0 na r e a si nm o b 正 c 0 瓜仉n i c a t i o nn e t w o r k s a b s t r a c t w i r e l e s sm o b i l en e t w o r k se n a b l ep e o p l et or e a l i z et h ed r e a mt h a ta n y i n f o r m a t i o nc o u l db ec o l l e c t e da ta n y t i m ea n y w h e r e i nw i r e l e s sm o b i l e n e t w o r k s ，d u et ot h em o b i l i t yo fm o b i l eu s e r s ，t h e i rp o i n t so fa t t a c h m e n tt o t h en e t w o r k s c h a n g ec o n s t a n t l y t h e r e f o r e ，h o w t ot r a c km o b i l e s e f f e c t i v e l ya n de c o n o m i c a l l ya n dh o wt op r o v i d et h e mw i t hr e a l t i m e ，l o w c o s t ，h i g hq u a l i t ya n do p t i m a ls e r v i c e s ，i e m o b i l i t ym a n a g e m e n t ，b e c o m e ai n t e r n a t i o n a lc h a l l e n g i n gf r o n t i e r u n d o u b t e d l y ，m o b i l i t ym a n a g e m e n ti s s i g n i f i c a n tf o rm o b i l ep o m m u n i c a t i o nn e t w o r k st ow o r ke f f e c t i v e l ya n d e f f i c i e n t l y i nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，m o b i l i t ym a n a g e m e n tc o n s i s t so f l o c a t i o nm a n a g e m e n ta n dh a n d o f fm a n a g e m e n t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h e f o r m e r t h ec u r r e n tl o c a t i o nm a n a g e m e n ts c h e m eu s e di nm o b i l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s r e q u i r e s t h a tl o c a t i o n u p d a t eb ei n i t i a t e d i m m e d i a t e l yw h e n e v e ram o b i l ec r o s s e st h eb o u n d a r i e so fl o c a t i o na r e a s o b v i o u s l y , t h i ss c h e m ew a s t e st h es y s t e m sr e s o u r c e ss u b s t a n t i a l l ys i n c ea 1 0 to fl o c a t i o n u p d a t e sm a yb e n o tn e c e s s a r yt ou s e r sw i t lal o w 一一 浙江工业大学硕士毕业论文 c a l l - t o m o b i l i t yr a t i o b a s e do nl a y e r e dl o c a t i o na r e a sa n dr i n gs e a r c h s c h e m ea n dac o n t r o l l a b l ep a r a m e t e r , an e wc o n t r o l l a b l e r i n gs e a r c h s c h e m ei sp r o p o s e dt or e d u c et h ec o s to fl o c a t i o nu p d a t e f u r t h e r m o r e ，a s e to fl i n e a re q u a t i o n s ，w h i c ht h ep r o b a b i l i t i e so fam o b i l er e s i d i n ge a c h r i n gm e e t ，i sd e r i v e db ym e a n so fam a r k o vp r o c e s s n u m e r i c a la n a l y s i s s h o w st h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ec a r ld e c r e a s el o c a t i o n u p d a t ea n d a c c o r d i n g l yr e d u c et h ec o s to fl o c a t i o nm a n a g e m e n tb ya d j u s t i n gt h e c o n t r o l l a b l ep a r a m e t e ra c c o r d i n gt o m o b i l e s c a l l - t o - m o b i l i t yr a t i o i n a d d i t i o n ，t h es c h e m ei sa p p l i c a b l et ot h em o b i l e sw i t hl o wc a l l - t o m o b i l i t y r a t i o k e yw o r d s ：m o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，m o b i l i t ym a n a g e m e n t ， l o c a t i o nm a n a g e m e n t , l o c a t i o nu p d a t e ，p a g i n g i i i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名：彭静 日期：j 哪拜 ) 月2 毕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在 年解密后适用本授权书。 2 、不保密烈 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 钌诱 批年 日期：知【牟f 月妒日 日期：( p 年d - 月一曰 浙江工业大学硕士毕业论文 1 1 选题的背景、意义 第一章绪论 移动通信是指通信双方或至少有一方是处在移动中进行信息交流的通信。 移动通信于2 0 世纪2 0 年代开始在军事及某些特殊领域使用。4 0 年代才逐步向民 用扩展，供社会使用，而最近l o 多年才是移动通信真正蓬勃发展的时期。信息、 物质和能源是人类社会发展的三大资源。而移动通信就是通信高度发展的产物， 也是信息时代的重要标志。移动通信是固定通信网的延伸，不仅是当前通信网中 发展最快的通信手段，给社会带来了可观的经济效益，而且也是人类实现理想通 信目标个人通信( 即通过各种网络技术，实现任何人在任何时间、任何地点 与任何人进行任何种类的信息交换) 的必备手段。移动通信发展到现在已自成一 个网络体系，属国家或国际通信网中一个重要的组成部分。它可与综合业务数字 网( i s d 、公用电话交换n ( p s t h o 、公用数据网( p n d ) 联接互通，从而使整个通信 网更趋完善。 近十年来，全球电信发生了巨大而深刻的变革：数字程控交换技术的普遍使 用，综合业务数字网的开发成功，以及对智能网的研究探索，奠定了个人通信发 展的网络基础。移动通信特别是蜂窝小区技术的迅速发展，为用户彻底摆脱终端 设备的束缚、实现完整的个人移动性提供了可靠的传输手段和接入方式。现代移 动通信技术是通信理论、信息处理、无线电和电波传播、程控交换、自动控制、 微电子学和精密加工等多种学科以及生产技术的综合结晶，不但集中了无线通信 和有线通信的最新技术成就，而且集中了网络技术和计算机技术许多成果，体现 了一个国家通信和电子工业的整体水平。目前，移动通信正朝着个人通信这更 高级阶段发展。移动通信正在向着数字化、系统化、综合化、智能化、广域化和 个人化方向发展，前途无可限量。 按照人类活动的范围，移动通信可划分为陆地、水上和航空移动通信三大类。 其中与人类接触范围最广泛和最频繁的是陆地移动通信，以至于大多数人所了解 或所感受到的移动通信，实际上都出自陆地移动通信的概念，这是不足为奇的。 浙江工业大学硕士毕业论文 事实上，陆地移动通信所涉及的技术领域面广、技术新颖和难度高，网络能力也 最强，它的发展趋势代表着整个移动通信未来的方向。 目前，陆地移动通信所涉及的系统主要有蜂窝移动通信、无线寻呼、无绳电 话、集成移动通信、无中心选址通信等，并正向着个人通信和未来全球移动通信 方向发展。由于人类社会生活对通信的需求越来越高，世界各国都在致力于现代 通信技术的开发以及现代综合通信网的建设。 当前，通信领域的开放使更多的通信设备制造商、通信服务提供商有机会进入 到通信领域。通信领域的开放加剧了各运营商之间的开放竞争，也进步需要网 络结构更加开放。其次，数字传输，特别是i n t e m e t 网络的扩张使通信网络的整体 格局发生了变化。网络融合势在必行，数字传输将成为通信传输的主要技术。另 外由于人们对通信业务的个性化需求，除了基本的通信业务如话音、传真、e m a i l 外，人们更多的希望能实现数据传输、视频会议、图像转换、视频传输等。这些 新的特性和业务将给运营商带来新的收入增长点。要实现如此高水准无拘束的移 动多媒体服务需要无限网络的发展。该网络不仅能提供综合服务而且提供传统的 移动终端的动态重定位。而更好的支持这些业务和特性需要更进一步的改造现有 的网络系统。 目前，国际标准组织的工作主要放在第三代移动系统即来来公众陆地移动通 信系统( f p l m t s ) 的标准研究方面。第三代系统将在多重网络、多个运营者和 多样服务情况下进行，以支持目前现有的各自分割的蜂窝网和无绳服务以及比现 在更高数据速率的服务，系统必须能适应支持用户位置从公共网向个人网环境的 变迁，而且能支持从低速传输向高速传输的变化等多重网络在地理上共处的能力。 例如上述公共网与个人网间的共处，各竞争的公共网间的共处，都意味着比现有 系统有更大程度的灵活性和智能化。 第三代移动通信系统，例如国际移动电信系统( i m t - - 2 0 0 0 ) 、通用移动电信 系统( u m t s ) 、未来公用陆地移动电信系统( f p l m t s ) ，是以固定网络和无限移 动业务的集成为基础而形成的一种全球个人通信网络。近几年，国际电信联盟考 虑将这些系统标准化。下一代的无线通信仍然是一个以固定网络和无线移动业务 为基础的全球系统，但它将业务扩展到不同网络供应商，不同网络结构、不同区 域。这样，未来的网络能使全球不同的无限网络之间互操作。移动业务的需求激 发了在用无线通信技术升级现有的固定通信网络方面的研究，当前的研究活动集 2 浙江工业大学硕士毕业论文 中在以下几种类型的网络：公用陆地移动网( p l m n ) ，无线异步传输方式网 ( 眦玎m ) ，和低地球轨道( l e o ) 卫星网。欧洲电信标准协会( e t s i ) 、国际电 信联盟一电信标准部门( i t u t ) 、互联网工程任务组织( i e i f ) 、w 4 n d 工作组， 这几个工作组已经将这几种网络标准化、融合作为下一步的努力目标。 无论哪一种类型的网络，对于无缝隙通信和计算的一个具有挑战性的问题是 移动性管理。移动性管理能使网络为传递呼叫而定位随机移动的终端和当终端移 至另一新的服务区时跟网络保持联系。在移动通信网络中，用户可以在系统覆盖 范围内任意移动。为了能把一个呼叫准确传送到随机移动的用户，就必须有一个 高效的位置管理系统来跟踪用户。 位置管理涉及到网络处理能力和网络通信能力l l 】。网络处理能力涉及到数据库 的大小、查询的频率和响应速度等，网络的通信能力涉及到传输位置更新和查询 信息所增加的业务量和时延等。位置管理所追求的目标就是以尽可能小的处理能 力和附加的业务量，来最快地确定用户位置，以求容纳尽可能多的用户。 由于移动台的移动性管理的研究成果，可以应用于世界各国( 包括我国) 层前 正在使用的移动通信网络，可以极大地提高移动通信系统的运行效率，优化资源 配置，产生巨大的经济和社会效益。因此，各国政府花巨资资助这一领域的研究。 于是，这一领域已经成为一个研究热点，方兴来艾。 1 2 蜂窝移动通信网的基本概念 蜂窝系统这一概念是建立在无线电波的衰减量随传输距离的增大而增大这一 基本特性的基础上的，由于有了这一特性，在一个地点所使用的频率就可以在离 该地点足够远的另一地点重复使用。运用这一原理可以使无线通信系统覆盖很广 的区域，并能提供很大的通信容量。蜂窝系统可以覆盖多个地区或整个国家。最 近几年来，随着需求的增长，并伴随着技术的进步，现有的和今后的大容量移动 通信系统都需要依赖于蜂窝结构。蜂窝网络的普遍应用及其提供的服务范围的拓 展已促使移动网络中的这种技术日趋重要1 2 】。 只有在蜂窝系统中才有的两个主要功能是越区切换( h a n d o f f ) 和位置管理 ( l o c a t i o nm a n a g e m e n t ) 。越区切换、位置管理及频率复用等这些特征使蜂窝系统的 设计、实施和运营都比其他移动通信系统更为复杂。 浙江工业大学硕士毕业论文 1 2 1 历史回顾 蜂窝系统的概念最早出现于2 0 世纪4 0 年代末期，当时，贝尔实验室已经把 这一概念用在了当时正在进行的某些试验通信系统中。后来，无线电工程师们注 意到通过“重新设计”通信系统的覆盖区域，可以避免频率拥挤问题川。 早期的移动通信系统采用的都是非蜂窝结构，能同时支持的呼h q 数很少( 典型 值为5 个) ，因此经常发生呼叫阻塞，在通话高峰期，用户需要很长时间才能拨通 一个电话。到7 0 年代，随着技术的进步和需求的增长，蜂窝技术被很快应用于商 用移动通信系统中。 最早的公共无线电话系统没有采用频率复用，其覆盖区域仅靠几个天线槊得 很高、发射功率很大的基站来实现。在有限的覆盖区域内，系统所分配的所有频 率全部被使用，只有在很远的地方才能进行频率复用，因此，要扩展覆盖区域是 不可能的。 在这种情况下，半蜂窝结构的通信网络应运面生。这种系统采用数个基站来 覆盖很大的地域，每个基站只分配一部分频谱。由于采用了蜂窝结构，频率复用 得以实现，并通过采用较大的小区半径( 一般在1 0 k m 1 5 k m ) 来形成较大的覆 盖区域。这些系统还没有采用越区切换管理，为了降低呼叫中断( c a l l d r o p p i n g ) 率，在进行设计时，强制性地将小区的边缘都对应于业务密度低的地区。由于频 率复用率低，这些半蜂窝系统的容量有限。而事实上，这些系统的目的只是为驱 车在城市中或在高速公路上行驶的用户提供电话服务。这些系统被口q 做“汽车电 话系统”或“第0 代移动通信系统”。 随着需求的增长，经营者的目标转向了增加现存系统的容量，而系统容量的 增加则需要采用更加密集的蜂窝结构，并引入越区切换的功能，这种系统采用模 拟制式的空中接口，小区半径般大于1 k m 。这就是“第一代移动通信系统”。最 早的商用系统之一是美国的“先进移动电话服务系统( a m p s ) ”，该系统由a t & t 公司在2 0 世纪8 0 年代投入运营。棚p s 残为我国主要系统之一，与此同时，基 于不同标准的其他模拟蜂窝移动通信系统也得到了很大发展。如英国的t a c s 、日 本的n a m t s 、北欧的n m t s 等，其中，a m p s 和t a c s 非常接近。尽管这些系 统具有很多相似的特征，但并没有发展成为全球标准，各个国家署地区都选择与 之国情相适应的系统进行研究和无线网络配置，这是其明显不足之处。 浙江工业大学硕士毕业论文 需求上准指数式的持续增长以及借助于信号处理技术和微电子技术的进步， 推动了基于数字传输技术的通信系统的开发。网络管理技术的发展( 采用一个与 业务网络相分离的信令网络) 和分布式处理概念在这种新系统的设计中担当了重 要角色。这类系统叫做“第二代移动通信系统”。世界性的标准委员会选择数字系 统作为第二代蜂窝无线通信的基准，这些选择确保两个目标，即通信的升级能力， 移动通信和其他信息技术融合的能力。第二代蜂窝移动通信系统未达到的主要目 标是没有形成全球统一的标准系统、业务单、无法实现全球漫游和通信容量不 足等。 当前工作的中心是围绕设计一个能在任何地方、任何时间、为任何人提供服 务的通用移动通信系统。蜂窝网络将会出现多种类型( 用于室内的微微小区结构， 用于室外高密度地区的微小区结构和用于中等密集地区的宏小区结构) 。这些类型 的网络会同时存在，用户会因其所处的位置( 室内或室外) 、所需要的服务类型( 话 音、数据或因特网) 或乘坐交通工具的速度不同而接入不同的网络。这些系统就 是所谓的“第三代移动通信系统”，也叫通用移动通信系统( u n t s ) ，或未来公共 陆地通信系统( f p l m t s ) 、国际移动通信系统( i m t 之o o o ) 等。第三代移动通信 系统所要实现的基本目标是统一全球标准、具备多媒体传输能力、增加分组交换 业务、增加非对称传输模式、加强数据能力、最佳的传输质量、更高的频谱利用 率和更高的信道效率等。 1 2 2 基本概念 蜂窝概念最早出现在贝尔系统的建议中，是研究人员在试图重新构造移动通 信系统无线电覆盖区域来缓解频率拥挤问题时所想到的。移动无线通信的传输方 式借鉴于广播和电视、在覆盖区域的中心设置具有较高天线的大功率发射机以便 将信号发射至整个区域。这种方式可以覆盏较大区域，达几十公里。然而，这同 时意味着在此区域内有限的可供使用的信道，在呼叫量并不多时就被堵塞。例如， 7 0 年代纽约市开通的大区制贝尔移动通信系统，提供1 2 对信道。也就是说，仅能 同时提供1 2 个通话，当第1 3 个呼叫到来时就被堵塞。而纽约市面积达一千多平 方英里，当时人口有两千万，作为公用系统来说，其容量是远远不够的。蜂窝系 统以完全不同的方式实现区域覆盖，它放弃了中心广播方式，而将整个服务区划 浙江工业大学硕士毕业论文 分成许多较小的区域，用许多小功率发射机来覆盖每个小区，这样的区域称为蜂 窝的小区( c e l l ) ，许多小区就可以覆盖整个服务区了。 采用蜂窝状小区来实现区域覆盖的主要目的是实现所谓频率再用( f r e q u e n c y r e u s e ) ，即在不同的小区内使用相同的频率，以便大大增加系统容量。用上面的例 子可从概念上说明这点，若将整个市区划分成1 0 0 个小区，并假设可供使用的所 有频率都能用于所有小区，这样，每个小区都有1 2 对信道可供服务，而整个城市 将有1 2 0 0 对信道可供同时通话。 然而事情绝非如此简单，由于无线信道的开放特点，在相邻小区工作于同一 频道的电台之间会产生相互干扰。因而同一频率不可能应用于每一个小区，必须 间隔一定空间距离，或者说跳过若干小区后，同一频率才能再用。为了实现这一 点，将若干相邻的小区组成一个区群( c l u s t e r ) ，并将可供使用的无线频道分成若 干组，区群内的各个小区使用不同的频率组，而每个区群能够使用所提供的全部 无线频道。用相同频率配置的区群来覆盖整个服务区域，就实现了频率再用( 如图 1 - 1 所示1 。 七小区群 组 图1 - 1 蜂窝系统的频率再用 频率再用是蜂窝系统的重要概念。为了实现频率再用，除了正确的频率配黉 外，在小区内应限制基站发射功率，使其能有效地覆盏整个小区，而对相邻区群 内使用同一频率的小区所造成的干扰应低于一定的门限。 蜂窝移动系统的另一个基本概念是所谓越区切换( h a n d o 。将服务区域划分 成小区所带来的一个很自然的问题是并非所有的移动台通话都能在单个小区内完 成，例如，一辆快速行驶的汽车在一次通话中可能通过若干小区。移动台在小区 6 浙江工业大学硕士毕业论文 范围内用所分配的频率与基站建立无线链路，通过基站连接到移动交换中心 r m s c ) ，然后再联接到有线电话用户或其它小区的移动用户。当移动台从一个小区 进入相邻的小区时，其工作频率和接续服务都是不相同的，这就需要在一次通话 过程中将移动台的工作频率和接续控制从其离开的小区交换给正在进入的小区， 这个过程就称为越区切换。 越区切换是在系统控制下完成的。当移动台到达小区边界时，该小区基站能 测试到移动台信号变弱，而相邻小区基站能测试到这个移动台信号逐步变强，系 统收集到各基站传送来的信息，并做出判决。当需要进行越区转接时，系统就发 出相应指令，正在越过边界的移动台就将工作频率和无线链路从个小区切换到 另一个小区。整个过程是自动完成的，用户并不知道，也不会影响正在进行的通 话。 蜂窝移动系统的第三个基本概念是用所n d , 区分裂( c e l ls p l i t t i n g ) 方式来增 加系统容量。当用户数增加并达到每个小区所能提供服务的最大数量时，就要把 小区分割成更小的蜂窝状区域，并使用相同的频率再用模式，同样在新的小区内 降低基站功率以减少同道干扰。从理论上说，每个新的小区都能支持与原来小区 同样数量的用户，这样，就可增加系统容量而不需要增加额外的无线频道。一旦 新的小区所能支持的用户数量又达到饱和，还可将这些小区进一步分裂( 如图 1 2 ) 。 图1 - 2 小区分裂 小区分裂后，基站数量就增加了，也就是系统的成本就增加了。但成本是随 浙江工业大学硕士毕业论文 着付费用户数量的增加而增长的，从经济上说，这样的代价是值得的，可保证对 系统的持续投资。当然小区分裂也是有限度的，一方面，成本增长有经济上的 限度，另一方面，还要看实际的需要。只有在通信业务高度密集的大城市地区才 需将小区逐步分裂，而在业务密度较低的郊区，小区的直径可以较大。 与其它现代技术的发展样，移动通信技术的发展也呈现加快趋势，目前， 当数字蜂窝网刚刚进入实用阶段，正方兴未艾之时，关于未来移动通信的讨论已 经如火如荼地展开。各种方案纷纷出台，其中最热门的是所谓个人移动通信网。 关于这种系统的概念和结构，各家解释并未一致。但有一点是肯定的，即未来移 动通信系统将提供全球性优质服务，真正实现在任何时间、任何地点、向任何人 提供通信服务这一移动通信的最高目标。 1 3 固定网络和移动网络之间的差别 在通信中使用无线接口使移动通信相比有线电缆通信有了很多差异。 1 、频谱受限 无线电频谱，实际上也就是无线接入的容量，般是受国家和国际管理组织 限制的。 不像固定通信系统，随着人口增长和需求的增加，只要通过安装额外的 电缆把用户连接到网络中去就能满足要求，而无线频谱的容量却不能任意的扩展。 这一问题可以通过蜂窝技术来加以部分解决，它把服务区分成多个蜂窝小区：而 每个小区由所对应的基站来服务。无线频谱尽可能地在不同的地理位置上多欢重 复使用。 由于频谱受限也就引发了各种高效频谱调制技术和信源压缩编码技术的使 用，后者用来剔除不相关的数据以减少传输吞吐率。移动网络设计者和运营商的 共同目的都是在信道带宽一定的条件下，尽可能多地传输信息。 2 、无线链路的波动性 不像在有线网络中其传输链路始终保持很高的信道质量，在无线链路中由于 受用户移动性、环境变化( 障碍物、移动发射体以及各种类型的外部干扰) 等的 影响，所带来的问题就非常多。在数字链路中，这些问题就会引起无线链路比特 误码率的随机波动， 3 、用户接入点的不确定性和可变性 浙江工业大学硕士毕业论文 不像有线网络，用户是在网络上的两个固定接入点之间进行通信的，而访问 一个移动无线网络时就要求允许用户根据他们所在的位置改变他们的接入地点， 即使处于单向通信时也应如此。这是因为移动接入要求两种工作方式：首先，网 络允许系统能对用户，无论他位于网络中什么位置都能对其进行定位( 位置管理) ； 第二，网络能确保用户在呼叫过程中从一个接入点移动到另一个接入点时不会发 生通信中断( 越区切换) 。蜂窝系统是使用这些功能的主要用户。 与使用移动无线信道有关的最后一点是无线信道所固有的广播特性，换句话 说就是每一个人都潜在地可以调谐并收听到某一无线通信。所以就很有必要实现 安全功能，包括对企图接入无线系统的终端进行身份鉴别，以确保用户对通信系 统的信赖度。 移动性管理是固定电信系统与移动通信系统之间的主要区别。如果注意到了 移动性在电信网络中的影响在加大这样一个趋势的话，这些过程会显得更加重要。 这可以从以下四个不同的层次上加以说明。 首先，从空间的角度看，在近2 0 年的时间内，移动性已经从局部( 专用移动 通信) 的到地区性的，再到全国性的( 如蜂窝网络) ，最后发展到国际性的( 采用 国际漫游) 移动性。随着基于卫星通信的全球移动个人通信系统( g m p c s ) 的出 现，移动性将是全球性的。 第二，用户密度的水平已经呈准指数式稳步增长，并将超出最乐观的期望值。 在大多数北欧国家，蜂窝移动通信的普及率在1 9 9 8 年已超过人口的3 5 ，换句话 说，平均每三个人中就有一个以上的人拥有蜂窝手机。 第三，提供给用户的服务的水平。除话音通信业务外，移动通信的服务范围 将逐渐包括传真、数据服务( e - m a i l ) 、多媒体服务( 接入到万维网中) 、电视、甚 至交互式可视电话。 此外，这种发展趋势将影响我们的生活方式和工作习惯，并成为我们日常生 活中的一部分。移动通信系统必将使移动性管理更其有普遍意义。 1 4 移动性管理的溉念 与固定通信网络相比，移动通信系统的主要优点是可移动性。“移动服务”与 其他的几大功能结合在一起，使得用户可以在很大的地域范围内方便地进行通信， 浙江工业大学硕士毕业论文 并在移动过程中保持通信的连续性。在所有的陆地移动通信系统中，能最广泛地 提供移动通信服务的系统就是蜂窝移动通信系统。这些系统通过从一个小区切换 到另一个小区而使用户在移动过程中保持通信的连续。 从功能上讲，移动性管理主要能使通信网络完成如下操作： ( 1 ) 当呼叫到达时定位随机移动的终端； ( 2 ) 当终端移至另一新的位置区时能跟网络保持联系。 根据以上概念，移动性管理包括两个不同而又相互联系的组成部分：位置管 理和切换管理。位置管理所要解决的任务是怎样定位一个移动终端，怎样跟踪它 并更新它的位置信息，而切换管理主要是对数据传递过程中移动终端接入点变化 的控制，另外，移动性管理还包括其他的一些方面，如移动服务质量、资源管理、 移动保密性等等。 移动性管理的两个层面必须加以强调。首先，从微观层面上看，移动性管理 必须能使用户从一个小区移动到另一个小区时保持通信连续：其次，从宏观层面 上看，用户一旦付费入网后，他就有权在其归属网络的覆盖范围内获得通信服务， 同时，也能在其他网络( 访问网络) 中获得通信服务。上面所讲的第一个过程叫 越区切换；第二个过程则包括了小区选择重新选择和位置管理。二者组成了蜂窝 移动通信系统的两项主要功能。 移动性管理已被广泛认为是无缝接入无线网络和移动业务的最重要和最具挑 战性的问题之一，它是在通信不被中断的情况下自动支持移动终端享受服务，同 时自由地随机游动的基本技术。未来的移动通信系统将朝着通过不同种类的无线 网络的互操作实现全球连接的方向发展。在这样的网络中随机游动是一个非常复 杂的情况，将产生许多新的问题。平稳和适应的实时传递多媒体应用的需求将使 移动性管理策略的设计变得更加困难。 在现有的个人通信系统中，寻呼区域是固定的并且跟位置区相等。当呼叫到 达时，移动终端当前所登记的位置区的每一个蜂窝小区均被寻呼一次。然而，在 静态策略下，当靠近位星区边界的移动终端在两个位置区间来回移动时或许执行 过多的位置更新。动态位置管理策略用来处理静态策略所存在的问题。在动态策 略中，位置区的尺寸根据移动终端的呼叫移动模型的变化动态地调整。 浙江工业大学硕士毕业论文 1 4 1 位置管理 本文讨论的是蜂窝个人通信网。它将地理区域划分成小区，每个小区设置一 座基站，移动终端通过基站接入网络。若干基站连接到基站控制器( b s c ) ，大量 的基站控制器又连接到移动交换中心( m s c ) ，基站、基站控制器、移动交换中心 之间的连接以及基站与移动终端之间的无线链路构成了无线接入网。 在固定电信网络中，每个用户终端都通过一个接入点与网络连接。而在移动 通信系统中，终端没有固定的连接点，通信是动态的，因此移动终端与网络之间 的连接也是动态的。 用户的位置信息是蜂窝系统的一个熏要特征，这要归功于位置管理程序的应 用。在固定电信系统中，每个号码( 即电话号码) 对应一个物理地址( 一般是一 个电话线插座) ；与此不同的是从网络的观点看，移动终端的号码是一个逻辑地址， 并不是固定的。为了适应用户的移动性，系统需要不断的识别移动台的位置，并 且需要移动台始终保持“活动状态”( 处于空闲模式) 以便把运动情况告诉系统( 通 过无线传输) 。移动性管理会增加大量的信令业务和无线接口上的处理工作量，而 在固定电信系统中，一个不活动的终端( 没有进行通信的终端) 不会给网络增加 任何业务。 位置管理使网络跟踪移动终端的位置，是网络为传递呼叫而定位移动终端确 定终端当前接入点的过程。由于移动终端可以在无线覆盖区内自由移动，因此网 络只能保持移动终端的近似位置信息。当呼叫到达时，网络需要确定移动终端的 精确位置( 这里的精确位置是指精确到小区) 。在现有的第二代数字移动通信系统 中，位置管理采用两层数据库，即归属位置寄存器( h l r ) 和访问位置寄存器 ( v l r ) 。通常一个移动通信网络有一个h l r ，( 它存储在其网络内注册的所有用 户信息，包括用户预定的业务、记账信息、位置信息等) 和若干个v l r ( 它管理该 网络中若干个位置区( 一个位置区有一定数量的蜂窝小区组成) 内的移动用户) 组 成。v l r 中存储它所管辖的位置区内的移动用户的位置信息，该位置信息是h l r 中所存储的位置信息的副本。位置管理包括位置更新( l o c a t i o nu p d a t e ) 和终端寻 呼( t e r m i n a lp a g i n g ) 两个过程。位置更新是通知网络移动终端当前所在位置的过 程，是解决移动台如何发现位置变化及何时报告它的当前位置问题；终端寻呼是 搜索并确定移动终端精确位置的过程，是解决如何有效地确定移动台当前处于哪 1 1 浙江工业大学硕士毕业论文 一个小区的问题。与这两者对应的是更新和查询网络数据库位置信息的位置登记 ( l o c a t i o nr e g i s t r a t i o n ) 和呼叫传递( c a l l i n gd e l i v e r y ) 过程。在位置登记阶段中， 移动终端周期性地向网络报告它的最新接入点，允许网络验证终端的位置信息并 修改它的位置文档。即在移动台的实时信息已知的情况下，更新位置数据库( h l r 和v l r ) 和认证移动台。在呼叫传递阶段中，网络查询用户的位置文档并获得用 户的当前位置信息。即在有呼日q 给移动台的情况下，根据h l r 和v l r 中可用的 位置信息来定位移动台。 为了准确传递呼叫，网络必须跟踪每个移动台的位置。如前所述，位置信息 存储在两种数据库( v l r ) 和( h l r ) 中。当移动台在网络覆盖区内移动时，存储在 这些数据库中的数据不再保持精确，为能成功地传递呼叫，数据库通常通过位置 登记来进行周期性的更新。位置登记由移动台向网络报告它的当前位置时发起。 位置管理问题涉及到网络响应和网络流量。网络响应关系到位置管理服务器 的处理能力、位置数据库的查询和响应。网络流量关系到位置的登记、更新和寻 呼给网络附加的通信量和延迟。位置管理所要达到的目标就是尽可能减少与位置 处理相关的业务量，同时尽可能快速确定移动用户的位置，尽可能提供可扩充性， 在已有的带宽限制基础上容纳更多的用户。我们知道位置更新开销和寻呼开销之 间存在折中关系，而位置管理技术的目标是使位置更新和寻呼开销的总开销达到 最小，以扩大系统容量、节省移动终端功耗。早期的位置管理技术是两种极端的 方法，其一是仅进行位置更新的方法：即每跨越一次小区边界，移动终端执行一 次位置更新，这样网络总是维持移动终端的精确位景，此时用户位置更新开销非 常大，但寻呼的开销很小。其二是仅进行寻呼的方法：即移动终端从不进行位置 更新操作，当呼叫到达时，需要在整个网络覆盖区内寻呼移动终端，这样用于寻 呼的开销非常大。这两种方法都非常浪费系统资源，特别是无线带宽资源。 随后位景管理技术发展到现行g s mm a p 和i s 4 l 协议中所使用的基于位置区 的位置更新和并行寻呼方法：即把无线覆盖区分成若干个位置区( l o c a t i o na r e a ) 。 每个位置区由一系列的蜂窝小区组成。同一位景区内的所有基站都周期性的广播 其位置区识别号。移动终端将它所存储的位置区识别号与基站广播的位置区识别 号进行比较，如果不同，则执行一次位置更新操作。当呼叫到达时，网络在移动 终端当前所在的位置区内的所有小区同时进行寻呼以确定其精确位置。 当前的位置管理技术包括数据库结构设计和信令网络不同的组成部分之间信 1 2 浙江工业大学硕士毕业论文 令消息的传递。随着移动业务大幅增长，需要新的或改进的策略来有效地支持连 续增长的业务数量。由于位置管理是处理数据库和信令问题，而这些问题不依赖 于具体的协议，因此，位置管理策略能根据需要应用于各种不同的网络，如： p i m n - b a s e dn e t w o r k s ，p s t n ，m o b i l ei p n e t w o r k ，a t mn e t w o r k s 。 位置管理结构本质上是基于用户的移动性( m o b i l i t y ) 和被叫率( i n c o m i n gc a l l r a t e ) 特性的。网络的移动性处理包含两个基本过程：定位和寻呼，二者在占用系 统资源方面是对立的，一般需要在二者之间取一个折衷的方案。定位处理过程使 系统知道用户的位置，以便为到达的呼叫确定路由。位嚣登记则可以确定用户的 其位置附近的服务区的范丽，使网络能提供快捷的服务。寻呼处理是向用户终端 登记区内的所有小区发送寻呼消息。因此，从资源消耗的角度看，如果定位的花 费高( 知道用户的精确位置) ，则寻呼的花费低( 寻呼消息只要发送到较小的区 域) ，如果定位的花费低( 只知道用户的大致位置) ，则寻呼的花费高( 寻呼信 息需要发送到较大的区域) 。 在第一代蜂窝系统中，业务量是很不平衡的，三分之以下是被呼，而三分 之= 以上都是主呼。寻呼处理过程( 只在移动台被呼叫时需要) 相对较少，对移 动管理业务量的影响不大。由于采用大区制，位置更新处理对移动管理业务量的 影响也较小。与初期情形不一样的是现在的网络移动台被呼率和移动台主呼率是 平衡的，因此寻呼处理和定位管理对系统的影响都非常重要。 位置管理的发展阶段： ( 一) 没有位置管理 在早期的广域无线通信系统中( 蜂窝系统的前身) ，采用人工操作来处理呼 叫，用户定位不是由系统来管理。用户可以通过任何基站来建立呼叫，对被呼台 的寻址信息要向所有的基站发送。这些系统的主要特征是小区半径很大，用户密 度和呼叫率都很低。小容量的蜂窝系统( 几十个基站为几千个用户提供服务) 虽 然可以支持位黉管理功能，但也没有采用这一功能。如果用户数量和呼叫率都没 达到需要采用位置管理的程度，那么就没必要采用位置管理。这种层次o 方法是 再简单不过了：不需要执行位置管理功能( 即系统不用追踪用户) 。寻找被呼用 户要在整个网络覆盖范围内进行，并在限定的时间内完成。这种方法一般叫做漫 溢算法( f l o o d i n ga l g o r i t h m ) “1 。这种方法一般用于无线寻呼系统，因为在这种系 统中没有上行链路，移动台也就无法把位置信息告知系统。这种方法也用于小型 1 浙江工业大学硕士毕业论文 的专用移动通信系统，因为这种系统覆盖地区小，用户也少。 显然，无需确定移动终端位置的主要优点就是简单，而且还不需要安装专门 的数据库。当然，这种方法不能适应处理用户数巨大和呼叫率很高的大型网络。 ( 二) 人工登记 人工登记需要用户在收到一个呼叫时调用一个专门的程序来指示其位置。从网 络的角度来看，这种方法比较容易管理，因为网络只需要管理个存储用户当前 位置的指示器。移动台也相对简单，因为其任务只限于扫描寻呼信道以检测寻呼 信息。 这种方法的主要缺点是需要用户每到一个地区都要进行登记。但是这种低水平 的功效可以用较低的设备和管理费用来弥补，并且可以用较低的收费来吸引用户。 ( 三) 使用位置区来进行自动位置管理 目前，在第一代和第二代蜂窝系统中最为广泛应用的位置管理办法是使用位置 区( 1 0 c a t i o na r e a s 简写为l a ) 。在这些广域无线网络中，位置管理是自动进行的。 图1 - 3 位置区结构图 位置区( l a ) 可以使网络追踪在网络中漫游的用户：如果系统知道了用户所 在的位置区，那么，用户的大致位置就知道了。当系统需要建立与移动台之间的 通信( 如确定一个移动收端呼h 啪勺路由) 时，只要在用户所在的位置区内进行寻 呼即可，这样对资源的占用只限于该位置区，寻呼信息只是在该位置区中的小区 中发送。 网络必须连续地知道用户所在位置区的地址，这个地址存储在一个包含位置指 针和用户数据的中心数据库中。 移动台开机时要在网络中登记。移动台登记后，网络就可以确定移动台的位 浙江工业大学硕士毕业论文 置，并把移动台所在的位置区的地址存入位置指针中，这样移动台就获得了接入 网络的路径。 在蜂窝系统中最为广泛应用的是一种基于过位置区( l ac r o s s i n g ) 位置更新和 周期性位置更新( p e n 7 0 d i c ) 的混合位置更新方法。移动台在每次越过一个位置区 时都要进行一次位置更新，而且，如果在一个固定的时间周期内移动台与网络之 间没有进行过通信( 与位置更新或呼叫有关的通信) ，移动台会触发一次位鬣更 新，以向网络表明自己还在并且处于开机状态。采用这种方法是有充分根据的， 因为网络有时可能丢失用户的位置数据( 如网络设备损坏) 或移动台已经越出网 络覆盖一段时间了。在后一种情况下，网络会触发一次隐含的登记注销。 位置管理的数据库结构 在扩充的网络中，位置信息包含在网络中的几个数据库中。般有两种主要 的数据库类型：归属数据库h d b ( h o m ed a t a b a s e ，每个网络一个) 和访问数据库v d b ( v i s i t o rd a t a b a s e ，每个网络包含几个) 。这些数据库必须具备以下功能：位置跟踪 和位置登记、呼叫转移