（通信与信息系统专业论文）移动通信系统中位置管理技术研究与分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 移动通信网络的特点在于用户的移动性，为了保证网络良好的移动性管 理性能，一个好的位置管理( l o c a t i o nm a n a g e m e n t ，l m ) 是不可或缺的。 好的位置管理策略不但可以节约网略资源，还可以实现快速、稳定的无线连 接，并能保障网络的有效运行。 随着3 g ( w c d m a 、c d m a2 0 0 0 1 x e v - d o 、t d - s c d m a ) 、3 5 g ( h s d p a ) 、 3 7 5 g ( h s u p a ) 以及4 g 无线通信网络系统在世界各地的相继开通，越来越 多的用户数量可能在很大的区域范围内随机移动并要求能随时进行通信，而 过于频繁的位置更新、查询和过于拥挤的寻呼等信息传递会产生很大的信令 负荷，以致增大网络系统的处理时间和降低网络系统的通信容量，因此，怎 样配置位置寄存器( 集中式或是分布式) 、怎样划分用户的位置区域( l o c a t i o n a r e a ，l a ) ，才能保证在呼叫到达时可以快速而准确地找到被叫用户，而同 时又消耗比较少的有线和无线资源是十分重要的。 2 g 通信系统位置管理采用两层数据库结构，使用固定的l a 策略来进行 位置管理，即对每个用户，l a 的大小是固定的，它是根据总体的移动和呼 叫统计来确定，对每个用户来说不是最好的，且不能适应用户移动性和呼叫 特性的不断变化。2 g 系统网络构架以及所用的位置管理技术已无法满足下 一代移动通信网络中用户越来越高的终端移动性和个人移动性。 本论文以分析适合3 g 系统、并能提高网络性能的位置管理方案为主要 研究目标，围绕与移动性相关的问题、并针对网络侧的存储用户位置信息的 数据库和接入侧的位置更新及寻呼策略和算法进行了详细的分析研究，主要 工作体现以下两方面： 1 针对固定位置区位置更新策略及覆盖轮询的缺点，分析了一种动态位 置更新方法及最短距离优先寻呼策略，并对该方法进行建模，包括网络系统 假设，用户移动模型和寻呼模型建模，利用该模型推导出位置管理总代价理 论表达式，分析了各种参数对位置管理性能的影响。并得出位置管理总开销 是运动门限的( 向下) 凸函数、随呼叫移动比值的增大而明显降低、没有寻 呼延迟限制的时候总开销会呈降低趋势，且对蜂窝逗留时间驻留时间方差不 敏感。 2 针对2 g 网络中位置管理数据库构架和位置管理方案的缺点，给出一 种适用于3 g 系统的三层网络数据库结构的位置管理方案。介绍了数据库系 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 i i ! 曼皇皇曼! 曼曼曼曼曼曼曼鼍皇曼量曼寡量曼曼皇鼍曼曼量曼皇皇曼鼍量曼曼曼曼曼! 鼍曼曼曼曼曹量置曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 统构架、位置更新流程、以及建立理论分析模型后，按照设置系统参数，进 行数值分析，证明了3 g 中改进的位置更新方案有效改善了位置管理总代价， 提升了位置管理性能。 关键词：3 g ；位置管理；位置更新；寻呼；移动阈值；小区逗留时间；呼叫 到达率。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第f ii 页 a b s t r a c t m o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki sc h a r a c t e r i z e db yt h eu s e rm o b i l i t y ，s o ，a n l o c a t i o n m a n a g e m e n ts t r a t e g y i s i n d i s p e n s a b l e t oe n s u r et h e m o b i l i t y m a n a g e m e n tp e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r k ag o o dl o c a t i o nm a n a g e m e n ts t r a t e g y c a ns a v en e t w o r kr e s o u r c e s ，p r o v i d ef a s ta n ds t a b l yw i r e l e s sc o n n e c t i o n ，a n d g u a r a n t e et h ee f f e c t i v eo p e r a t i o no ft h en e t w o r k w i t ht h e3 g ( w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 1x e v - d o ，a n d t d c d m a ) ，3 5 g ( h s d p a ) 。3 7 5 g ( h s u p a ) ，a n d4 gc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sh a v ea p p e a r e d a r o u n dt h ew o r l d ，al a r g en u m b e ro fu s e r sw i l lm o v er a n d o m l yw i t h i nt h ea r e a a n db ea b l e dt oc o m m u n i c a t ea ta n yt i m e b u tf r e q u e n tl o c a t i o nu p d a t e ，i n q u i r y ， c r o w d e dp a g i n ga n do t h e rm e s s a g e t r a n s m i s s i o nw i l lh a v eas i g n i f i c a n t s i g n a l i n gl o a d ，a n di t w i l li n c r e a s ep r o c e s s i n gt i m eo fn e t w o r ks y s t e m sa n d r e d u c et h ec o m m u n i c a t i o nc a p a c i t yi nn e t w o r ks y s t e m s t h e r e f o r e ，h o w t o c o n f i g u r et h el o c a t i o nr e g i s t e r ( c e n t r a l i z e do rd i s t r i b u t e d ) a n dh o w t od i v i d et h e u s e r t sl o c a t i o na r e ai sv e r yi m p o r t a n tt oe n s u r et h a tt h ec a l l e du s e rc a nb ef o u n d q u i c k l ya n da c c u r a t e l y w h e nt h ec a l la r r i v e s ，a n dl e s sw i r e da n dw i r e l e s s r e s o u r c e sa r ec o n s u m e da tt h es a m et i m e at w o t i e rl o c a t i o nm a n a g e m e n td a t a b a s es t r u c t u r ea n daf i x e dl as t r a t e g y i su s e df o rl o c a t i o nm a n a g e m e n ti n2 gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ef i x e dl a s t r a t e g yi st h a tl as i z ei sf i x e df o re a c hu s e r ，a n di t i sd e t e r m i n e db a s e do nt h e o v e r a i lm o v e m e n ta n dc a l ls t a t i s t i c s i t sn o tt h eb e s ts i z ef o re a c hu s e r ，a n di t c a n ，ta d a p tt ot h eu s e rm o b i l i t ya n dc a l lc h a r a c t e r i s t i c sc h a n g i n gc o n s t a n t l y 2 g n e t w o r ka r c h i t e c t u r ea n dl o c a t i o nm a n a g e m e n tt e c h n o l o g i e sh a v eb e e nu n a b l et o m e e tt h e h i g h t e r m i n a lm o b i l i t ya n dp e r s o n a lm o b i l i t y o fu s e r si nn e x t g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h em a i nr e s e a r c ho b je c t i v eo ft h i sp a p e ri s t o a n a l y z e al o c a t i o n m a n a g e m e n ts o l u t i o nf o r3 gs y s t e m sw h i c hc a ni r e p r o v en e t w o r kp e r f o r m a n c e t h ed a t a b a s et os t o r eu s e rl o c a t i o ni n f o r m a t i o no nt h en e t w o r ks i d ea n dt h e l o c a t i o nu p d a t ea n dp a g i n gs t r a t e g i e s a n da l g o r i t h m so na c c e s ss i d ea r e a n a l y s i s e di nt h i sp a p e rf o c u so nt h ei s s u e sr e l a t e dt om o b i l i t y t h em a j o rw o r k o ft h i sp a p e ri sp r e s e n t e da sf o l l o w s ： 1 ad y n a m i cl o c a t i o nu p d a t em e t h o da n dt h e s h o r t e s td i s t a n c ep r i o r i t y 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l v 页 p a g i n gs t r a t e g ya g a i n s tt h es h o r t c o m i n g so ff i x e dl al o c a t i o nu p d a t es t r a t e g y a n db l a n k e t p a g i n g a r ea n a l y z e d ，a n dt h e n ，t h em o d e li n c l u d i n gn e t w o r k h y p o t h e s i s ，u s e rm o b i l i t y a n dp a g i n gm o d e l i n ga r em a d e ，t h et h e o r e t i c a l e x p r e s s i o no ft h et o t a lc o s to fl o c a t i o nm a n a g e m e n ti sd e r i v e du s i n gt h i sm o d e l a tl a s t ，t h ei n f l u e n c eo fv a r i o u sp a r a m e t e r so nt h ep e r f o r m a n c eo fl o c a t i o n m a n a g e m e n ta r eg i v e n ，t h r o u g ht h ea n a l y s i si t i sf o u n dt h a tt h et o t a lc o s to f l o c a t i o nm a n a g e m e n ti sac o n v e xf u n c t i o n ( d o w n ) o ft h em o v e m e n tt h r e s h o l d ， a n di tw i l l ls i g n i f i c a n t l yr e d u c e dw i t ht h ei n c r e a s eo fc a l l t o m o b i l i t y - r a t i o t h e t o t a lc o s to fl o c a t i o nm a n a g e m e n tw i l lb ed e c r e a s ew i t h o u tp a g i n gd e l a y ，a n di t i sn o ts e n s i t i v et ot h ev a r i a n c eo fe e l ld w e l lt i m e 2 al o c a t i o nm a n a g e m e n ts c h e m ef o r3 gw h i c hh a v eat h r e e - t i e rd a t a b a s e s t r u c t u r ea g a i n s tt h es h o r t c o m i n g so ft h ed a t a b a s ea r c h i t e c t u r ea n dl o c a t i o n m a n a g e m e n ts c h e m ei n2 gi sp r o p o s e d t h e n ，t h ed a t a b a s es y s t e ma r c h i t e c t u r e ， t h el o c a t i o nu p d a t ep r o c e s sa n dt h e t h e o r e t i c a lm o d e lo ft h i ss c h e m ea r e i n t r o d u c e d a f t e rt h a t ，n u m e r i c a la n a l y s i so ni ti sd o n e ，a n dt h ec o n c l u s i o nt h a t t h i ss c h e m ef o r3 gr e d u c et h et o t a ll o c a t i o nm a n a g e m e n tc o s ts i g n i f i c a n t l y ，a n d t h ep e r f o r m a n c eo fl o c a t i o nm a n a g e m e n ti si m p r o v e de f f e c t i v e l ya r eg i v e n k e yw o r d s ：3 g ；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 ；m o v e m e n t t h r e s h o l d ；c e l ld w e l lt i m e ；c a l la r r i v a lr a t e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 i i l l 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 移动通信不断地发展，从最初低效率低速率的模拟通信到今天的宽带无线数字通 信，无线技术的每一次发展都会产生移动通信的时代更替，根据无线技术的不同，可 将移动通信系统分类划分为四个代( g e n e r a t i o n ，用g 表示) 【l 】，图1 1 简略描述移动 通信技术的发展。 步行 静止 e 音频- j 数据：图像ij 视频j j 、一：一i ：! 3 g 系统介绍 以芬兰在1 9 9 1 年建成的第一个g s m 网络为准，目前以直接传输和处理数字信息 为主要特征的第二代数字移动通信系统己投入商业运营快2 0 年了。而第三代移动通 信系统( 3 g ) 是一个综合的服务平台，它将固定和移动、语音和数据等服务融合在一 起，主要特征是可以提供至少2 m b i t s 的数据传输速率和无缝服务的全球漫游。国际 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 电信联盟( i t u ) 3 g 通信系统称为i m t - 2 0 0 0 ，而欧洲把3 g 通信系统称为u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ，通用移动通信系统) 。3 g 移动通信网 络主要包括无线接入网和支持无线接入的核心网，而空中接口的选择则是它面临的一 个重要且必须要及早解决的问题。为加速制定开放的、全球认可的3 g 技术规范，3 g p p ( 3 gp a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 和3 g p p 2 设立了第三代合作项目，其中，3 g p p 以制定以 g s m 为核心网、w c d m a 为主要无线接口的标准为目标；3 g p p 2 以制定以a n s i 1 s 4 1 为核心网、c d m a 2 0 0 0 为主要无线接口的标准为目标。所有技术的发展都不可能在 一夜之间实现，从g s m 、g p r s 到第三代，需要不断演进，而且这些技术可以 同时存在。 t d s c d m a ( t i m ed i v i s i o n s y n e h r o n o u sc d m a ) 是由我国大唐电信公司提出的 3 g 标准，即时分同步c d m a ，该标准不经过中间环节由2 g 直接向3 g 过渡，其几个 主要技术特点如下： 幻采用c d m a t d d ( 时分双工) 方式 b ) 使用了智能天线技术 c ) 采用的越区接力切换技术不同于w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 中的 m 系统的核心网是基于g s m m a p 的，与基站的通信连接需要借助g p s 的严格 同步 方式 图1 7 为3 g 系统不同核心网与接入网之间连接的示意图。 核心网( c n ) ：无嫠黧网 i i 图1 73 g 系统构架示意图 3 g 中的位置管理 3 g 移动通信系统网络结构可分为三层，即物理网络层、中间环境层以及应 用网络层【2 0 1 。3 g 移动通信网络目的是为人们提供全球无缝漫游、接入及不会间断的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 连续呼叫通话，根据它的网络拓扑，可将其位置管理分为： a ) 接入网的位置管理。解决接入网内的用户移动性问题，主要研究无线覆盖网 络中，移动台和基站之间的位置更新和寻呼问题 b ) 网内位置管理。解决同构网络内部的位置管理问题 c ) 网间位置管理。解决各种不同网络间的位置管理问题 3 g 移动无线通信网络中的位置管理变得之前更加复杂，主要表现在表1 1 【3 】【1 2 1 1 2 1 1 1 2 2 中的几个方面： 表1 13 g 中面临的主要位置管理问题 问题描述 蜂窝尺寸 用户数量 应用和业务 接入手段 2 g 中主要采用的是宏蜂窝( m a c r o ) 和微蜂窝( m i c r o ) 技术。蜂窝s i z e 由中 到小。到了3 g 无线网络和4 g 的广带系统中，为支持更多的用户或更高的带宽， 提高频率复用率，开始采用微蜂窝和微微蜂窝( p i c oc e l l s ) 甚至超微蜂窝 ( n a n o - c e l l s ) ，蜂窝尺寸越来越小，甚至很小，因此更容易引起频繁的切换 和位置更新，而频繁的更新会引发显著的信令交换流量，从而会增加系统处理 负荷、接入和呼叫建立的时延。 随着社会经济的发展、移动业务的丰富、移动语音业务量的提升、语音业务量 的提升：移动用户数量越来越多、移动范围扩大了，热点地区用户密度也越来 越高、且不同用户的移动特性差异也很大。所以，位置管理的信令负载会显著 增加，大量的位置更新的信令可能引起无线信道的过载，增加在h l r v l r 中的 信令处理负荷，以至会增加呼叫建立时延( 不同用户会有不同的时延) ，也会 触发不必要的位置更新，从而影响为用户提供服务的质量。 2 g 只能提供语音和少量的数据业务，而到了下一代移动通信网络，将提供更高 品质的语音、视频和数据业务，并需要进一步减小蜂窝s i z e 来增加带宽以提 供给大量用户更高带宽以支持高端应用。而蜂因此下一代移动通信网络中用户 的业务模型会发生改变，从而需要引入新的分析模型对位置管理策略进行性能 分析研究。 2 g 系统的每个用户只能接入一到两种不同的无线网络，而下一代移动通信网络 需要更多的接入手段以使用户可以接入更多的无线网络，这种异构网络之间的 移动性管理必将引发更多的研究课题，尤其是位置管理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 表1 13 g 中面临的主要位置管理问题( 续) 问题 描述 位置数据库用户对呼叫建立的时延要求越来越高，从而需要研究分布性更高、复制更多的 高效位置数据库结构，且位置信息应该非常有效，以便快速查找，以便能尽快 的获取位置信息，减少路由延迟，从而减小呼叫建立时延。 网络容错性下一代通信网络必须支持容错，在网络层面上，研究系统的有效性、可靠性的 平衡，以及位置数据库的负载。 呼叫移动匹 配性 2 g 系统的位置管理方案适用于具有人、中等尺寸蜂窝的网络环境。但下一代宽 带无线网络要支撑快速增长的用户数量以及支持更高的数据速率，从而导致越 来越重的位置管理负荷，当前网络结构的位置管理方案可能不再适用于下一代 网络。因此，研究与移动用户真实的移动特性和呼叫模型相匹配的位置管理策 略变得非常重要和迫切。 2 g 通信系统位置管理采用的两层数据库结构简单易实现，但很难扩展到第三代 移动通信网络中。在3 g 系统中，为了减少h l r 和v l r 之间的通信链路负荷及优化 网络规程，3 g 系统基于现有两级数据库体系作了部分改进，例如3 g p p 2 3 1 1 9 规范提 出了在v l r 与h l r 之间引入网关位置寄存器( g a t e w a yl o c a t i o nr e g i s t e r ，简称g l r ， 位于拜访网) 来处理漫游用户在拜访网络中跨越不同位置区l a 时的位置更新i l ，这 种方案可使不同类的无线接入网在g s m 核心网络综合。 此外文献 1 8 】也提出了一种基于b l a ( b o u n d a r yl o c a t i o na r e a ，边界位置区) 和 b l r ( b o u n d a r yl o c a t i o nr e g i s t e r 边界位置寄存器) 的新位置管理方案，它支持移动 用户在不同技术和网络架构的网络间漫游。对g l r 方案本文将在第4 章详细介绍与 分析。 1 4 目前位置管理策略的不足 目前采用的两级数据库加固定l a 的位置管理策略主要有以下缺点【1 2 】【1 2 1 【1 5 1 【1 6 】： a ) m t 跨越边界l a 时触发的位置更新产生的信令负载会集中在l a 边界的蜂窝 上，从而导致无线信令在不同蜂窝和蜂窝内不同位置的分布不均。( 文献 1 8 】 中基于b l a ( b o u n d a r yl o c a t i o na r e a ，边界位置区) 和b l r ( b o u n d a r yl o c a t i o n r e g i s t e r ，边界位置寄存器) 的位置管理方案可减少边界位置区蜂窝的信令负 载) 。 b ) 若系统内的用户容量扩大，则会引起业务处理增加，这将急剧增加h l r 信令 处理负荷及，从而导致h l r 成为核心网络的瓶颈。 c ) m t 在相邻的固定不重叠的位置区间来回运动时可能而导致不必要的位置更 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 新( 即乒乓效应) 。 d ) 当m t 漫游到距离归属地较远的l a 时，这种位置管理策略将增加位置更新和 寻呼请求的时延，也会导致中继网络的信令负荷大量增加。 此外，对位置管理策略性能作客观评估需要基本的移动模型，接近现实的用户移 动模型可以提供更精确的性能评估。目前广泛使用的随机移动模型比较粗糙，是基于 全部用户的平均移动信息的流体移动动模型，它是为早期特定的蜂窝手机用户提供 的。( 因为他们多是商务旅行人员，其工作性质决定了他们无规则的移动特性) 。过去 的十来年里，随价格下降、信号覆盖面积的增加、轻便易携带的终端设备出现等多方 面因素影响，全球的蜂窝通信市场出现爆炸性的增长。当前的用户情况与以前相比有 了明显变化，其移动特性也发生了很大转变。如今的移动用户受工作，学习和生活的 限制大部分具有特定的移动方式，比如用户在家、学校或上班的地方驻留一天中的绝 大部分时间，且活动范围固定，这种情况是早期的移动模型反映不了的。 而且不同地区的用户移动模式也不同，如在大城市的中心繁华地段，蜂窝密度大、 覆盖范围小、用户密度大、呼叫建立频繁、呼叫连接短、移动速度低( 这里的移动速 度定义为用户在单位时间穿越蜂窝的次数) ；在城市城郊结合部蜂窝密度较低，覆盖 范围是沿公路主干道的狭长区域，用户密度相对较低，呼叫建立较少，呼叫连接较长， 移动速度较快；在人口密度较低的小城镇或乡村，蜂窝密度较小，覆盖范围大，用户 密度小，呼叫建立和呼叫连接时间适中，介于前二者之间，用户的移动速度是三者中 最低的，因为单个蜂窝覆盖面积大于市中心和城郊结合的地方。 由上面分析可知，过于频繁的位置更新、查询和过于拥挤的寻呼业务等信息传递， 显然会产生和很大的信令负荷，以致增大网络系统的处理时间和降低网络系统的通信 容量。所以，怎样配置位置寄存器( 集中式或是分布式) 、怎样划分用户的位置区域， 才能保证在呼叫到达时可以快速而准确地找到被叫用户，而同时又消耗比较少的有线 和无线资源( 即开销较小) 是十分重要的。 1 5 论文的主要研究内容以及结构安排 本论文以提高位置管理性能为主要目标，首先研究了各种系统中的位置管理方 法，包括1 ) 位置更新算法，以及各种算法适应的移动模型和网络拓扑结构；2 ) 寻呼 算法，分别分析了带延迟和不带延迟约束的几种寻呼算法，以及常用的呼叫到达模型。 其次针对固定的l a 策略分析了一种改进的动态位置管理方案，即对位置区域实行动 态管理，然后在此方案下对性能较好，又在现有网络中比较容易实现的基于运动量的 位置更新算法进行建模，分析了各种参数对位置管理开销的影响，并由此法计算出产 生最优位置管理代价的m t 的最优移动阈值，为后一章的分析提供理论基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 2 g 通信系统采用的两层数据库结构简单易实现，但很难扩展到第三代移动通信 网络中，鉴于此，本文分析了一种适用于3 g 网络系统架构的改进策略，即绑定了g l r 的三层网络数据库结构，g l r 位于拜访网络，不但可以减少h l r 和v l r 之间的通信 链路负荷，也可以支持用户网间漫游( 包括同构网和异构网) 。最后通过建立理论分 析模型证明了改进的方案有效的减少了位置管理代价，提升了系统性能。 本论文共分为五章，内容及结构安排如下： 第一章是绪论，首先介绍了课题研究背景，包括移动通信发展史，个人通信网络 与其对应的业务需求：其次介绍了位置管理的概念，包括什么是位置管理，位置管理 的内容；接着阐述了位置管理的研究现状，现状里首先介绍了位置管理中集中式和分 布式两种管理方式，然后分别详细介绍了2 g 、2 5 g 、2 7 5 g 、3 g 系统中的位置管理 应用，并指出3 g 中的位置管理所面临的一些挑战；最后分析了目前位置管理策略的 不足。 第二章首先分析了位置管理中的研究热点，包括位置更新和终端寻呼，并阐述了 三种主要动态位置更新算法性能优缺，顺势提出本论文将采用的更新算法；接着介绍 了位置管理仿真建模的方法，包括仿真模型描述，网络拓扑模型，移动模型，呼叫模 型，并由此提出本论文所要采用的网络拓扑模型、移动模型及呼叫模型。 第三章针对目前现行的位置管理方法，分析一种改进的动态位置管理方案，即对 位置区域实行动态管理，针对不同的用户分配不同的位置区，位置区域由一层层的层 蜂窝构成，位置区域的大小，也就是蜂窝的层数随着移动用户的呼叫移动率而发生改 变，以使得整个网络的开销最小。论文将对该方案下m t 移动性和呼叫到达特性建模， 并分析不同参数( 移动阈值、呼叫移动率、寻呼时延，以及小区驻留时间方差) 对位 置管理总开销的影响。 第四章根据前一章提出的2 g 系统中动态位置管理方案的缺点，并结合其他3 g 网络系统位置管理方案，分析了一种改进策略，该策略适用于3 g 网络系统架构，是 三层网络数据库结构，可以支持用户网间漫游( 包括同构网和异构网) 。最后通过建 立理论分析模型证明了改进的方案有效的减少了位置管理代价，提升了系统性能 最后一章是本文的总结与展望，总结了本文所完成的工作和得出的结论，指出论 文的不足并展望了未来的研究工作与方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第2 章位置管理概述 2 1 位置管理方案的研究现状 当前的位置管理策略基本采用传统集中式的双层位置信息数据库的模式，即 h l r v l r 模式。h l r 中存储了用户的标识、预订业务和简要位置信息，v l r 中存储 用户精确的位置区标识信息和作为主叫所需的业务信息。 由于h l r 的处理能力有限，所以随移动用户数目的不断增加、移动性的增大及 通话频率的增加而引起的高频率访问h l r 信令流量，将导致h l r 与v l r 之间的通 信链路负荷越来越重，甚至成为瓶颈，这将大大降低个人通信网络的性能。所以如何 减少位置数据库的访问次数和信令链路负荷成为现阶段位置管理研究的焦点。 目前在提高位置管理性能方面的研究主要集中在减少位置处理过程中产生的信 令流量及处理负荷，位置管理方案按照系统网络结构可分为集中式位置管理 ( c e n t r a l i z e dl o c a t i o n m a n a g e m e n t ) 和分布式位置管理( d i s t r i b u t e d l o c a t i o n m a n a g e m e n t ) 两类。 2 1 1 集中式位置管理 2 g 系统所采用的i s 4 1 就是一种集中式位置管理方式，系统中h l r 和v l r 组成 的两级数据库集中处理网络通信中的信令交换和传递【1 2 】【1 2 盯。该策略的研究是在保持 基本的h l r v l r 组成的两级数据库数据库网络结构不变的前提下对i s 4 l 进行改进， 采用优化措施以减小位置管理开销。现有以下几种方梨1 2 1 【1 3 】： a 被叫位置缓存方案 该方案的目的是为降低移动用户与被叫用户间呼叫建立的开销，基本思想是通过 移动交换中心( m o b i l es w i t c hc e n t e r ，简称m s c ) 每次缓存被叫用户的位置信息，从 而减小寻找被叫用户的信令开销、访问被叫用户的h l r 数据库的信令交互次数和流 量。m s c 每次呼叫某移动用户时缓存该被叫的位置信息，即建立该用户到服务他的 v l r 的路径索引。当再次呼叫该用户时，先判断缓存中是否有记录过该用户的位置信 息，若有，则直接利用缓存记录中的位置信息建立呼叫，不必再向被叫所属的h l r 查询该用户的位置；否则，按传统的方法建立呼叫。 该方案很容易与先有的设备兼容，但其性能很大程度上取决于被叫用户的呼叫移 动比，在呼叫移动比比较高的时候该方案明显优于传统方案。 b 前向指针方案 ， 该方案的目的是减少位置更新代价，基本思想是在v l r 间建立链关系以减少向 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 皇曼曼鼍璺曼曼量曼曼量量舅曼曼笪曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇舅曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼舅曼皇曼i i 皇量曼曼曼曼曼曼曼曼 h l r 报告用户位置变化的信令交互次数。当某用户进入新的v l r 管辖区时，并不向 该用户所属h l r 报告其当前位置，而是由该用户上一次所在v l r 服务区建立一个指 向当前v l r 服务区的指针。当该用户时被呼叫的时候，先向其所属h l r 查询它当前 的位置信息，h l r 则向该用户上一次所在v l r 服务区查询其位置信息，上一次所在 v l r 收到查询请求后，将指针指向下一个v l r 查询其位置。按链表依次查询，直到 找到该用户当前所在v l r 。过程如图2 1 所示。 斋；f i 焉 ；7 2 1 前向指针示意图 采用前向指针方案的时候要注意以下几个问题： a ) 在指针管理过程中指针链可能会过长或者形成环，当链太长时，沿链查找被叫 用户所需的时间相应延长，所以必须定义链的最大长度。 b ) 若用户移动的速度大于查询消息传送的速度，就无法获得该用户的准确位置 信息。 c ) 如果用户在小区边界上做反复移动，将引起位置信息路径指针频繁更新，从 而引起系统资源的极大开销和浪费。7 该方案涉及几个v l r 之间的信令交互，从而实现起来相对复杂。虽然可以减少 对h l r 的访问次数，但v l r 间需要传递更多的信令交互以及用户信息，这必然会加 重v l r 间的通信负荷。而且删除链表会增加额外的信令交互流程。 因此，该方案跟传统i s 4 1 方案相比， 前向指针更适用于呼叫移动比较低的用户， 来降低h l r 和v l r 更新的开销。 并不是总能减小开销，与缓存方案相反， 以增加指针链接和呼叫时沿链查找的开销 c 本地缓存方案 该方案的基本思想是选择一个离用户较近的v l r 作为本地缓存数据库，这样可 减少向h l r 报告用户位置变化的信令交互次数。当用户进入一个新v l r 时，向本地 缓存报告其当前位置，而不报告h l r 。当某用户被呼叫时，先向被叫用户所属h l r 查询被叫当前的位置信息，然后h l r 向本地缓存发送查询消息，本地缓存接收到查 询消息后立即向当前v l r 查询被叫用户位置信息。 需要注意的是本地缓存数据库的变化，每次呼叫期间都应将用户所在v l r 设为 本地缓存。如果用户发生移动，可以根据呼入呼叫的频率及与之前所在v l r 距离的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 远近决定要不要改变本地缓存。可以将该方案理解为最大链长为2 的前向指针方案， 所以它与前向指针方案类似，并不总能减小开销。呼叫频繁的时候与传统策略几乎一 样。 d 区域登记方案 该方案的基本思想是预先在选定区域存储用户的位置信息，以通过增加稍许位置 更新开销来减少呼叫到达时向归属位置寄存器查询用户位置信息的信令交互次数。实 际情况中，用户移动和呼叫一般都有自己特定的规律，每个用户可根据实际情况确定 自己的局部区域。用户进行位置更新时，除进行传统策略的操作外，还要通知局部区 域中的v l r 更新其位置信息。当该用户被局部区域内的某用户呼叫时，可直接利用 局部区域中已记录的位置信息发起呼叫，而不需询问该用户的归属位置寄存器。采用 本方案时要注意以下几个问题： a ) 要合理选定局部区域的大小。以一个v l r 服务区或城市为单位划分局部区域 的方案是可以考虑的。 b ) 要限制局部区域的个数。若局部区域的个数过多，则会给位置更新过程带来 新的负担。 c ) 兼容性问题。若移动用户当前所在v l r 不支持区域登记方案，就无法通知局 部区域中的v l r 更新用户当前的位置信息，所以局部区域中的v l r 应该可 以在按照其记录的用户位置信息找不到它时能自动删除该位置信息。 由于本方案以增加位置更新的代价来减小寻呼时的代价，所以，当用户呼叫移动 比较大时，本方案将明显优于传统方案，这与被叫位置缓存方案相似。 2 1 2 分布式位置管理 分布式位置管理将采用全新的数据库结构，所以相应的位置管技术会发生很大变 化。 该方案的基本思想是，为避免h l r 成为网络中的瓶颈，在通信网络的每一交换 节点设置一个位置数据库，就形成一个多层的分布式数据库结构。这些位置信息数据 库可抽象为成树状拓扑结构【1 2 】【1 2 】【13 1 ，如图1 4 所示，网络数据库分为多层，移动终 端与位于最底层的叶数据库相对应，每个位置信息数据库保存其“子树 内的移动终 端的位置信息。位置信息数据库级别越高，其所容纳的移动终端位置信息越多。 i m t - 2 0 0 0 ( 3 g 和i m t 2 0 0 0 是一个概念，前者是通俗叫法，后者是i t u 官方定义 的) 是一个全国乃至全球性网络，由采用不同核心网、不同接入网的子网组成整个网 络，所以整个系统的数据库本质上是分布式的，因此3 g 中的位置管理可看作是由很 多超大容量的数据库组成的分布式位置管理方式。而各国在设计各自的2 g 2 5 g 系统 时没有考虑终端在不同系统间的漫游问题，因此用户只能在各自所属的网络系统内漫 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 游，统实际上可把这些网络系统看成是一些物理上相互隔绝的集中式两极数据库网络 【4 】【4 】f 1 2 】j 。 图l - 4 分布式数据库结构 分布式位置管理策略虽能充分利用户移动和呼叫的局部性特点，将各种操作限制 在尽可能小的范围内处理( 即将位置信息的查询分散到众多的叶位置信息数据库中) ， 以降低信令消息的传输距离。但正由于分布性，导致数据库更新的次数明显增加，并 增加了位置更新和呼叫传递的时延。由此可见，理想的位置管理方案应当介于集中式 和分布式之间。 目前对位置管理数据库结构的研究主要集中在提高集中式数据库的分布性而降 低其集中性，和增加分布式数据库的集中性而降低其分布性上。一个良好的位置管理 策略应能针对不同用户的特点进行自适应的动态调整，因为不同用户的移动和呼叫特 性各不相同。动态方案要求即时收集和处理用户位置数据，这会消耗很大的计算代价， 所以，如何简化这些计算并能将其投入到实际使用中也是需要研究的重要问题之一。 2 2 位置更新和寻呼 2 g 系统中使用一种基于l a 的位置更新算法和覆盖轮询寻呼机制。覆盖轮询主要 缺点是对一个位置区内蜂窝很多的情况，每次呼叫到达时都要消耗大量的无线带宽资 源，而未来无线网络中的户容量会更大，所以它的可升级性不高。另外，位置区边界 的移动用户会在两个位置区中反复移动会产生大量不必要的位置更新，从而增加网络 数据库的信令负载及处理负担，浪费大量有线和无线资源。由于每个用户都有自己的 移动模式，所以也很难选择一个对所有用户都最优的l a 尺寸。现在的算法研究主要 基于单个用户，基于单个用户的呼叫和移动模式来动态调整位置更新和终端寻呼过 程。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 2 2 1 位置更新 d 位置更新算法分类 位置更新算法总的分为动态和静态两类。静态位置更新是基于网络拓扑触发的， 而动态位置更新是基于用户移动呼叫特性触发的。对于两级数据库构架，在以l a 为 基础的位置管理研究中，对现有系统设备改动最小的方案，随寻呼区域( p a g i n g a r e a , 简称p a ) 尺寸的不同，有以下几种不同的动态位置更新方案。 选择l aj e n 2 4 1 t 2 4 j 选择l a 的位置更新原理是一个用户每天的活动只是在网络中固定数量的位置区 内往返移动，但在一些位置区中逗留的时间很短，对于每穿越一个位置区就执行一次 更新，不如乎略一些特定位置区的更新。 这种方案要求系统知道用户在不同位置区间游走的概率和逗留时间等相关信息。 为评估某一特定用户在不同位置区间的游走概率，要连续很长时间跟踪用户全天的移 动情况。该方案适用于用户移动性较规律且严格，改变的概率很小的情况。这种方案 有个优势在对系统的硬件设备改动较小，因为当前的网络中大都采用基于位置区的更 新方案，所以它从一个位置区跨越到另一个位置区的移动频率信息可以从数据库中找 到。 基于移动模式的更新【2 5 】【2 5 1 1 2 6 】 也叫选择性位置更新策略，它是基于用户移动特性来减少更新开销。具体做法是， 网络保存每个用户的档案信息( p r o f i l e ) ，包括一个用户在不同时间段内最有可能所在 的位置区( 按照一个用户能被找到的概率由最大到最小可能来分类) 的连续列队列。 当有一个呼叫到达，依照队列中的位置区概率大d , j v i 页序寻呼。若m t 在队列中的位置 区间移动，则不产生位置更新，若m t 移动到一个列表中没有的位置区时就执行位置 更新。列表可以由用户的移动历史生成。这种方案要求每个m t 必须保存特定的时间 段对应的一个有效并连续的列表，并要及时更新。该方案适用于移动规律明显且有时 会有改变的用户情况，要注意的是使用该方案对系统的修改要结合对用户端的同步改 进。 基于运动量的更新【2 7 】2 7 】【2 8 1 1 2 9 盯 这种方法不需要移动终端存储所有蜂窝小区的相关信息及距离关系。实际上，每 个移动终端只是要记录它访问的蜂窝小区数。当这个数超过预先确定的的阂值d 时就 执行一次位置更新。该策略允许