（通信与信息系统专业论文）gsmr系统的位置管理的研究.pdf

中文摘要 由于移动台的移动性，如何有效地跟踪移动台并快速与移动台建立通信，即 位置管理，是移动通信中最重要和最具有挑战性的问题之一。设计合理、高效、 优化的位置管理策略，并给出行之有效的实现方案，对理论研究和实践都具有重 要意义。 目前，铁路综合数字移动通信系统g s m - r 在铁路跨越式发展中扮演着越来越 重要的角色，已成为铁路移动通信发展的方向。由于其频率资源较为紧张，而且 用户分类较为复杂，对安全性、实时性等要求很高，所以g s m r 系统的移动性管 理就显得十分重要，而位置管理更是移动性管理中的重点。 本文首先介绍了位置管理的基本理论，研究了当前第二代移动通信系统通常 的位置管理方法及其存在的问题，并研究了未来移动通信系统中的位置管理方法。 随后对位置更新和寻呼分别进行了研究分析。 为了减少位置管理的信令开销，根据铁路通信系统独有的特点，本文探索性 地提出在g s m r 系统中采用“组位置管理”策略，并结合当前实际的网络情况给 出两种具体的实现方案。其中详细介绍了“基于g i d 和v v l r 的组位置管理方案” 及其改进方案，给出了实现该方案的主要程序。并通过仿真分析，证明了在本文 设置的仿真模型和条件之下，基于g i d 和w l r 的组位置管理方案的总的位置管 理开销明显小于通常的位置管理方案，达到了节省信令开销的目的。而且当列车 上的移动用户数日以及用户旅途中穿越的位置区数目增加时，此方案的优越性更 加显著。最后，在对两种组位置管理方案进行对比分析的基础之上，对现有g s m r 系统采用组位置管理策略提出了建议，供实际工程参考。 关键词：位置管理：g s m r ；位置更新；寻呼；组位置管理 分类号：t n 9 2 9 5 ；u 2 8 5 a b s t r a c t h o wt ot r a c em o b i l es t a t i o n se f f e c t i v e l ya n dh o wt oe s t a b l i s ht h ec o m m u n i c a t i o n w i t ht h e mr a p i d l y , i ，e ，l o c a t i o nm a n a g e m e n t ，h a sb e c o m eo n eo ft h ec h a l l e n g i n g t o p i c s i nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n i ti sq u i t es i g n i f i c a n tt h a tr a t i o n a l ，e f f e c t i v ea n do p t i m i z e d l o c a t i o nm a n a g e m e n ts t r a t e g i e sa r cd e s i g n e da n df e a s i b l es c h e m e sa r eg i v e na sw e l l n o w a d a y s ，g s m - rs y s t e mp l a y sam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h e d e v e l o p m e n to ft h er a i l w a y , a n di t h a sb e c o m et h ed i r e c t i o no ft h e r a i l w a y c o m m u n i c a t i o n l o c a t i o nm a n a g e m e n ti sq u i t ei m p o r t a n ti ng s m - rs y s t e mb e c a u s eo f t h es h o r t a g ei n f r e q u e n c yr e s o u r c e ，t h ec o m p l i c a t e du s e rc a t a l o ga n dt h es t r i c t r e q u i r e m e n t sf o rs e c u r i t ya n dr e a l t i m e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ee s s e n t i a lt h e o r yo fl o c a t i o nm a n a g e m e n ti si n t r o d u c e da t f i r s t t h e n ，t h e1 0 c a t i o nm a n a g e m e n ts c h e m ei nt h ec u r r e n t2 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e mi si n t r o d u c e da n di t so p e nq u e s t i o n sa r ed i s c u s s e d s u b s e q u e n t l y , t h el o c a t i o n m a n a g e m e n ts c h e m e st ob eu s e di nt h e3 gs y s t e ma r es t u d i e dd e e p l y i nt h ef o l l o w i n g c h a p t e r s ，l o c a t i o nu p d a t ea n dp a g i n ga r ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y b a s e do nt h ep a r t i c u l a rf e a t u r e so fr a i l w a yc o m m u n i c a t i o n ，a “g r o u pl o c a t i o n m a n a g e m e n t s t r a t e g yf o rg s m - rs y s t e mi sp r o p o s e di no r d e rt or e d u c et h el o c a t i o n m a n a g e m e n tc o s t ，a n dt w of e a s i b l es c h e m e sa r eg i v e na c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tn e t w o r k a r c h i t e c t u r e o n eo ft h e m ，w h i c hi sn a m e da s g r o u pl o c a t i o nm a n a g e m e n ts c h e m e b a s e do ng i da n d 、r v l r ，i nt h i sp a p e r , i sr e s e a r c h e di nd e t a i l c o m p a r e dw i t ht h e c 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 et h r o u g hs i m u l a t i o n , g r o u pl o c a t i o nm a n a g e m e n t s c h e i n eb a s e do ng i da n dv v l rh a sal o w e rs i g n a l i n gc o s td u et ot h eo b v i o u s r e d u c t i o ni nt h en u m b e ro f l o c a t i o n u p d a t e s a se i t h e rt h en u m b e ro f u s e r si nat r a i no r t h en u m b e ro fl o c a t i o na r e a st h r o u g hw h i c hau s e rt r a v e l si n c r e a s e s ，t h es u p e r i o r i t yo f t i l i ss c h e m ei n c r e a s e s a ti a s t a c o m p a r i s o nb e t w e e nt h et w og r o u pl o c a t i o n m a n a g e m e n ts c h e m e si sm a d e ；s u g g e s t i o n sa b o u th o wt oa p p l yg r o u pl o c a t i o n m a n a g e m e n ti ng s m - rs y s t e ma r eg i v e nf o re n g i n e e r i n gr e f e r e n c e k e y w o r d s ：l o c a t i o nm a n a g e m e n t ；g s m r ：l o c a t i o nu p d a t e ；p a g i n g ；g r o u p l o c a t i o nm a n a g e m e n t c l a s s n o ：t n 9 2 9 5 ：u 2 8 5 致谢 本论文的工作是在我的导师钟章队教授的悉心指导下完成的，在此衷心感谢 三年来钟章队教授对我的关心和指导! 从理论知识的学习到科研能力的培养，钟老师对科学研究严谨的态度、高屋 建瓴的思想、务实敬业的精神深深地影响着我。在学术上，钟老师要求我开阔视 野，勇于创新；在工作上，钟老师教我养成良好的工作习惯和工作作风，并教我 待人处事的原则，使我不仅在工作和学术上不断提高，更懂得了作为一名科技工 作者所必备的思想道德素质。再次向钟章队教授表示深深的感谢! 在实验室工作及撰写论文期间，北京交通大学现代通信研究所的朱刚、张小 滓、李旭、吴吴、金晓军、杨焱、蒋文怡、丁建文( 排名不分先后) 等老师都给 了我很大的帮助和支持，在此向你们表示由衷的感谢! 在论文写作的过程中，任文华博士给了我很多帮助，在此向任文华博士表示 深深的谢意! 在论文最后的修改阶段，艾渤老师提出了很多宝贵的建议，在此向艾渤老师 表示衷心的感谢! 感谢各位师兄师姐给予我的热心帮助和指点，以及实验室所有同学的真诚合 作和交流，在实验室与你们一起学习和工作的日子是我人生中最美好的一段经历! 最后，我要感谢我的父亲母亲，是你们对我学业的支持和无微不至的关心才 让我走到今天，每当我遇到困难都会得到你们不变的支持与帮助，我的每一点进 步都凝聚着你们的心血，谢谢你们! e 立交亟太堂亟堂焦论塞l 壹 1 1 研究背景 1 引言 1 1 1 铁路综合数字移动通信系统( g s m r ) 1 1 1 1g s m r 系统简介 g s m r ( g s mf o rr a i l w a y ) 是铁路数字移动通信系统的简称，它基于g s m 系 统，并对其网络结构和业务进行了扩展和改进，增加了调度通信功能( 语音组呼、 语音广播、增强多优先级与强拆) 、铁路特有的调度业务( 功能寻址、接入矩阵和 基于位置的寻址) ，并以此为信息化平台，使用户可以在此平台上开发各种铁路应 用。目前，g s m r 系统已经成为各国铁路信息化建设首选的信息传输平台。g s m r 系统的业务模型可以概括为：g s m r 业务= g s m 业务+ 语音调度业务+ 铁路基 本业务+ 铁路应用，如图1 1 所示【”。 图1 - 1g s m - r 系统的业务结构 f i g u r e l - 1 t h e s e r v i c es t r u c t u r e o f g s m - rs y s t e m 1 1 1 2g s m r 系统在国内外的发展 1 9 9 9 年，第一个g s m r 系统在瑞典铁路成功建成。随后，德国、瑞士、荷兰、 e 塞奎亟太堂亟堂僮i 佥塞 i i 宣 英国、意大利、西班牙、印度也相继开始建设自己的g s m r 系统。另外，匈牙利、 芬兰，挪威、丹麦、比利时、波兰、捷克共和国、奥地利、北美、澳大利亚也开 始对g s m - r 进行招标或商业咨询。 g s m - r 进入中国已有十余年的历程，经过理论研究、技术之争、政策审核、 网络建设、施工验收等层层考验，最终在g s m r 工程方面取得了骄人的成绩。初 步建设了分别代表高原、重载和繁忙干线的青藏线、大秦线和胶济线三条g s m r 线路，客运专线的建设也已进入实施阶段。其中，青藏线是一条集多种领先技术 于一身的往返于“世界屋脊”的铁路；大秦线是使中国步入重载运输领域先进行 列的标志性工程，突破性地实现了年运量2 亿吨的目标，现在还处于不断的技术 创新阶段，预计年运量还有继续攀升的潜力；目前处于建设中的胶济线是对g s m - r 技术应用于具有中国特色环境的一个尝试，它的成功与否将影响到g s m r 技术在 时速2 0 0 k m h 以上铁路线路的普及率。 我国铁路g s m r 系统的发展目标是在全路建立一张移动通信网络，利用通信 的手段实现铁路移动设施和固定设施的无缝连接，确保列车平稳、高速、安全地 运行【2 1 。铁道部制定的中长期铁路网规划中指出：计划到2 0 2 0 年，全国铁路 营业里程达到1 0 万公里，主要繁忙干线实现客货分线，复线率和电化率均达到 5 0 ，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进 水平。这些政策为g s m - r 在中国的发展提供了广阔的空间。 飞速发展的同时，g s m r 也面临着许多新的挑战。在技术、工程上仍然有很 多未攻克的难点，例如g p r s 技术能否应用于列控和高速铁路、如何解决g s m r 系统与中国移动g s m 系统之问的相互干扰问题、当g s m r 用户越来越多以后， 如何减小位置更新时产生的大量突发的信令开销等等。 1 1 2 位置管理 在移动通信系统中，移动用户常常处于运动状态。为了能够有效跟踪移动用 户，它们的当前位置信息必须存储在系统的特定位置。因此，在移动通信系统中 引入了位置管理。 位置管理所追求的目标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。 位置管理中非常重要的两个问题是位置登记和位置查找。位置登记是指移动 用户向系统报告其所在位置的过程：位置查找是指用户在被呼叫时，系统根据该 用户在相关数据库的信息查找其所在区域的访问位置寄存器，并寻呼用户的过程。 由于位置登记和位置查找涉及大量的信令流和数据库查询，其设计直接关系到系 2 统的负荷和呼叫建立时延。设计位置管理策略时需要考虑系统负荷、资源利用、 呼叫时延以及系统复杂性等问题，因此它在移动通信系统设计中是一个非常重要 的问题。 目前，以g s m 和c d m a 为代表的公用移动通信系统p l m n ( p u b l i cl a n d s m o b i l e n e t w o r k ) 在网络上都呈一种树状层次结构。以g s m 系统为例，其区域定 义的最小单位是小区，一个至多个小区构成基站区，多个基站区又构成了位置区 l a ( l o c a t i o n a r e a ) ，再由多个位置区构成移动交换中心区( m s c 区) ，多个m s c 区又构成p l m n 区，由p l m n 区构成g s m 服务区，这些区域的关系如图1 2 图1 - 2g s m 系统的区域划分 f i g u r e1 - 2t h ea r e ap a r t i t i o no f g s ms y s t e m 基于这种树状层次结构的移动网络都采用了大致相同的位置管理技术：位置 管理的实现通过网络数据库和移动交换机m s c 共同完成；位置管理的操作分为四 个程序：位置登记、位置更新、呼叫传递( 查询) 和寻呼。位置信息的管理通过 网络数据库进行，底层是分布于m s c 节点处的访问位置寄存器v l r ( v i s i t o r l o c a t i o nr e g i s t e r ) ，动态地保存进入其所辖区域的移动台( m s ，m o b i l es t a t i o n ) 的详细的实时位置信息( 精确到位置区) ；上层是归属位置寄存器h l r ( h o m e l o c a t i o n r e g i s t e r ) ，h l r 没有地理依赖性，是一种中心式智能数据库，静态保存向 其登记的移动台的用户签约档案，动态保存移动台的大致位置信息( 即移动台目 前在哪个v l r 的控制下) 。h l r 通过信令链路与网络中其它实体相连，管理下属 每个m s c v l r 中的位置信息。而v l r 临时保存漫游至其所管辖区域的移动台的 用户签约档案和位置信息，v l r 是地理依赖的，可与一个或几个m s c 结合，并有 一固定子集的基站( 组成一个或多个l a ) ，控制几个小区内的临时用户的注册， 这些小区构成的覆盖区称为v l r 区。 3 韭塞奎耍太堂亟全焦论塞j l 盏 1 2 研究意义 位置管理对于移动通信系统的性能具有重要意义，合理的位置管理策略可以 更好地节省无线资源、减少系统的信令开销，还能够提高系统的安全性和可靠性。 随着移动通信技术的发展和移动用户数量的飞速增长，目前广泛采用的位置 管理技术的缺点日益显露出来。这就更加促进了位置管理技术的发展和研究，近 年来，世界各国都有移动通信领域的专家在进行移动性管理和位置管理技术的研 究，这一领域已经渐渐成为一个研究热点。本文就是在前人既有成果的基础之上 对位置管理作进一步的深入研究。 目前，铁路g s m r 系统采用的位置管理方法与g s m 系统相同，位置管理的 策略都是针对每一个移动台个体进行的。但是，铁路移动通信系统有别于公用移 动通信系统，其用户运动模型有着独有的特点。如果能够根据铁路通信系统的特 点研究出一种适合g s m r 系统的位置管理策略，使其更有效地节省信令开销和信 道资源，将很有现实意义。 1 3 论文的组织结构及主要研究内容 本文的组织结构以及各章的主要研究内容如下： 第一章介绍了论文的研究背景和研究意义，对论文的组织结构进行了规划。 第二章首先介绍了位置管理的主要内容以及需要权衡的要素；随后，研究了 常见的位置数据库结构：两层数据库结构、树型数据库结构和中心数据库结构； 最后，研究了当前第二代移动通信系统通常的位置管理方法及其存在的问题，并 研究了未来移动通信系统中的位置管理方法。 第三章研究了位置更新及其方案，对位置区的设计原则提出了参考建议。 第四章研究了寻呼的基本原理和寻呼的主要策略。这些策略虽然是针对公用 移动通信设计的，但是其中的一些方法对铁路通信系统这种特殊的应用环境具有 参考意义。 第五章是本文的研究重点。为了减少位置管理的信令开销，本文探索性地提 出在铁路g s m - r 系统中采用“组位置管理”策略，并结合当前实际的网络情况给 出两种具体的实现方案。其中详细介绍了“基于g i d 和w l r 的组位置管理方案 及其改进方案”，给出了实现该方案的主要程序。并通过仿真分析，证明了该方案 的优越性。最后，在对两种组位置管理方案进行对比分析的基础之上，对现有 g s m r 系统采用组位置管理策略提出了建议，供实际工程参考。 4 2 移动通信系统中的位置管理 2 1 位置管理简介 2 1 1 位置管理的发展历程 1 无位置管理 早期的蜂窝移动通信系统中无位置管理，用户可通过任何基站进行呼叫，而 寻呼信号也在每一个基站同时发送。这些系统的主要特点是：小区半径很大，用 户密度和呼叫率很低。这种方法不需要执行位置管理功能( 即系统不需要追踪用 户) ，寻找被呼用户要在整个网络的覆盖范围内进行，并在限定的时间内完成。这 种方式的优点是：简单易行，不需要数据库；缺点是：为寻找被呼用户，系统必 须在所有无线区域内进行寻呼，会造成网内干扰，不适合大容量高呼叫率的网络。 这种方法一般用于无线寻呼系统( 系统中没有上行链路，移动台也就无法把位 置信息告诉系统) ，也用于小型的专用移动通信系统( 系统覆盖地区小，用户也少) ， 在小容量大区制的蜂窝移动通信系统中常用这种方式，但不适用于用户数巨大且 呼叫率很高的网络。 2 人工登记 要求用户个人向网络登记其位置。网络工作相对简单，只需存储用户位置， 在一些公用无绳电话系统中( 如法国的b i b o pc t 2 系统) 使用的就是这种方式。在 这种系统内，用户每到一个地区都要向网络登记其所在位置，有呼叫时，网络首 先在登记区域发送寻呼信息，如果用户没有回答，则再通过邻近区域发射寻呼信 号。 此方法的优点是：网络工作简单；缺点是：需要用户在每次移动后重新登记 其位置。 3 使用位置区进行自动位置登记 目前，在第一代和第二代蜂窝系统中( 如g s m ，i s 9 5 等) ，最为广泛的位置管 理办法是使用位置区l a ( l o c a t i o na r e a ) ，位置区由一些小区组成。在这些无线网 络中，位置管理是自动进行的。 位置区可以使系统追踪在网络中漫游的移动台：如果系统知道了移动台所在 的位置区，那么，移动台的大致位置也就知道了。当系统需要建立与移动台之问 的通信( 如确定移动台的呼叫路由) 时，只要在移动台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的小区中发送。 实现基于位置区l a 的位置管理方式需要使用位置数据库。系统必须连续地知 道用户所在的位置区的地址，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，一般称之为归属位置寄存器。 2 1 2 位置管理的内容 在移动通信系统中，移动用户常常处于运动状态。为了能够有效跟踪移动用 户，它们的当前位置信息必须存储在系统的特定位置。因此，在移动通信系统中 引入了位置管理。 位置管理涉及到两个基本操作：位置更新( l o c a t i o nu p d a t e ) 和位置查找 ( l o c a t i o nl o o k u p ) ，其中位置查找也称作寻呼( p a g i n g ) 。位置管理及其研究内容如 下图2 1 所示： 图2 - 1 位置管理及其研究内容 f i g u r e2 - 1r e s e a r c hc o n t e n to f l o c a t i o nm a n a g e m e n t 位置更新就是移动用户向移动网络报告其所在的接入小区，以便移动网络对 其进行鉴权并更新位置记录，其作用是移动用户用一些触发器通告网络关于它当 前位置信息，这样可以避免通过全部的基站进行穷举查找该用户，节约有限的信 道资源。位置更新操作主要包括鉴权和数据库更新。 寻呼就是向移动通信网络查询移动用户的位置记录，以此来得知移动用户的 位置。其基本过程是网络寻找确定的访问端口以到达该移动用户。如果寻呼成功， 移动用户将向网络发送一个寻呼响应。通过寻呼可以建立网络与移动用户的连接。 6 寻呼主要操作包括数据库查询和终端寻呼。 因此，可以提出量化的位置管理总开销的公式： c b m | = c 嗡缸帆g + c 咀* 曙 2 1 ) 其中前者包括进行位置更新所产生的信令开销，后者包括进行寻呼产生的信 令开销。 本质上，位置管理技术需要解决以下问题： 1 ) 移动台何时向网络更新位置，即位置更新过程； 2 ) 呼叫到来时，如何在给定的时延限制内确定被呼移动台的精确位置，即 终端寻呼过程； 3 ) 如何在网络中存储和传播用户位置信息，即位置登记和呼叫传递过程。 2 1 3 位置管理要素的权衡 由于在移动通信系统中，需要存储、更新和查找移动用户的位置信息，围绕 着这一问题产生了各种各样的方法。显然，有两个极端情形：( 1 ) 将移动用户的 信息存储在每个网络节点数据库，这样移动用户的位置信息唾手可得，因而位置 查找的开销很低，然而，一旦移动用户变换位置，就要更改与之相关联的大量的 数据库，因而位置更新的开销非常之大；( 2 ) 在网络的任何节点不存储移动用户 的信息，这样在查找移动用户时就涉及到大面积的搜寻，甚至于在整个网络中查 找，因而位置查找的开销非常之大，但位置更新的开销非常低，几乎为零。 各种位置管理策略都是在上述两个极端之间即在位置查找与位置更新费用之 间寻找一个平衡点，一般地，是在“可得性”( a v a i l a b i l i t y ) 、“精确性”( p r e c i s i o n ) 和“当前性”( c u r r e n c y ) = 者之间选择一个折衷的方案。“可得性”的选择范围是介 于以下两个极端之问：从在网络的所有节点存储移动目标的位置信息，到不在任 何一个网络节点存储移动目标的位置信息。“精确性”有许多形式，如存储移动用 户的可能位置，而不存储其精确位置。“当前性”主要是关于何时更新位置信息， 如对于高移动性低呼入的移动用户，当它每次移动时不必立即更新其位置信息， 位置更新操作可以稍作延迟。“可得性”、“精确性”和“当前性”三者之间的关系 如图2 - 2 所示p j ： 7 实时 位置 精确性 图2 - 2 “可得性”、“精确性”和“当前性”三者之间的折衷 f i g u r e2 - 2t h et r a d e o f f o f “a v a i l a b i l i t y ， p r e c i s i o n a n d a 】n n c y ， 2 2常见的位置数据库结构及其布置 在位置管理中，有三种最基本的数据库的结构：两层数据库结构、树型数据 库结构和中心数据库结构。 2 2 1 两层数据库结构 在两层数据库结构中，配置有两种类型的数据库：归属数据库h d b ( h o m o d a t a b a s e ) 和访问数据库v d b ( v i s i t o rd a t a b a s e ) 。每个网络配置一个h d b ，用于存 储网络中所有用户的有关信息：姓名、电话号码、接入权限、密码和用户的当前 位置等数据。每个移动用户与h d b 数据库相关联。寻呼网络中的用户总是从向 h d b 发出访问请求开始的。同时，每个网络配置多个v d b ，一个v d b 存储与其 关联的位置区所登记的所有用户的有关数据，这些数据是存储在h d b 中的数据的 一部分。 在两层数据库结构中，基本的位置管理方法是：如果在位置区i 的用户呼叫移 动用户x ，则首先查找位置区i 的v d b ，只有在这个v d b 中找不到x 时才联系x 的h d b ；当用户从位置区i 移动到位置区i ，除了更新x 的h d b 之外，还要删除 位置区i 的v d b 中x 的位置信息，同时在位置区j 的v d b 中新增x 的位置信息。 在g s m 、i s 4 1 和i s 9 5 等移动通信系统均采用两层数据库结构，且h d b 被称为归属位置寄存器h l r ( h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ) ，v d b 被称为访问位置寄存 器v l r ( v i s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r ) 。 在两层数据库结构中，由于h d b 的位置一经定下就不改变了，而查找一个移 动用户往往涉及到首先要访问h d b ，因此，对于移动用户漫游到较远的地点，并 且长期居住在那里的情况，每当他从一个位置区漫游到相邻的位置区时，均需要 进行长途通信以访问与其相关联的h d b ，而无法利用位置区相邻这一特点，这是 在位置管理中使用两层数据库结构的主要缺点。 2 2 2 树型数据库结构 图2 3 是一个倒置的树型结构，其中的圆圈称为节点。最顶层的节点( 节点o ) ， 称为根节点( 一个树只能有一个根节点) ；最底层的节点( 节点l o ，1 1 ，2 6 ) ， 称为叶节点；内部节点( 节点l ，2 ，9 ) ，称为枝节点。将上一级节点称为其 下一级节点的祖先，将两个节点j 、k 共同的且与他们距离最近的祖先称为这两个 节点的最小公共祖先( l e a s tc o m m o na n c e s t o r ) ，记做l c a ( i ，k ) 。例如 l c a ( 1 6 ，1 7 ) = 6 ，l c a ( 1 6 ，2 2 ) = 0 。 图2 3 树型位置数据库的结构 h g u r e2 - 3t h es t r u c t u r e0 f t r e el o c a t i o nd a m b a s e 9 在树型数据库结构中，每个叶节点上均存放位置数据库，每个数据库服务于 单独的位置区，记录其所辖的位置区内所有用户的位置信息。树的根节点和枝节 点用于记录连接到该节点的子树的所有位置区内的用户的位置信息。例如，枝节 点4 包含叶节点1 0 、1 1 所对应的两个位置区内的所有用户的信息，而枝节点1 则 包含叶节点l o 、n 、1 2 、1 3 、1 4 所对应的位置区内的所有用户的信息。于是，当 移动用户x 在位置区1 6 时，则节点0 ，2 ，6 ，1 6 处的数据库均记录了x 的位置信息， 其中根节点0 的数据库有一指针指向节点2 ，节点2 的数据库有一指针指向节点6 ， 节点6 的数据库有一指针指向节点1 6 。 在树型数据库结构中，基本的位置管理策略如下： 1 位置更新操作 如果移动用户x 从位置区j 移动到位置区k ，则从节点j 上行至节点l c a ( j ，k ) 以及从节点l c a ( j ，k ) 下行到节点k 的路径上的所有数据库中与x 有关的位置信息 均要更新。例如移动用户x 从位置区1 6 移动到位置区1 9 ，则在节点1 6 、6 、2 、 7 、1 9 各处的数据库中与x 有关的位置信息均要更新。确切地说，在节点1 6 、6 处 的数据库中删除与x 有关的内容：节点2 的数据库更改与x 有关的内容，使其指 向节点7 ；节点7 、1 9 的数据库增加x 的位置信息。 2 位置查找操作 如果位置区j 的移动用户呼叫位置区k 的移动用户x ，则从节点j 上行寻找包 含x 位置信息的节点，诚然第一个满足条件的节点是l c a o ，k ) ，然后从节点l c a ( j ，k ) 沿指针下行到节点k 就可以找到移动用户x 。如位置区2 0 中的用户呼叫位置区1 6 中的移动用户x ，则沿2 0 、7 、2 上行查找数据库中含x 位置信息的节点，显然所 找到的节点是2 ( 因为l c a ( 2 0 ，1 6 ) - 2 ) ，然后根据节点2 中的指针向下寻找x ( 沿着 2 、6 、1 6 方向) 就可以找到移动用户x 。由于采用树型结构，不需要将移动用户捆 绑在归属数据库中，在查找时最坏的情况是在根节点找到x 的位置信息。 当用户仅在相邻的位置区移动时，树型数据库与两层数据库结构( 需要与h d b 联系) 相比，可以大大降低通信费用( 不需要进行远程通信，只需要访问少量相邻 的数据库) 。但树型数据库结构的缺点是：需要管理大量的数据库，而且越到上层 节点，要求其数据库的容量越大且运行速度越快。 2 2 3 中心数据库结构 两层数据库结构和树型数据库结构中，数据库都是分布式的，即移动用户的 当前位置信息被保存在不同的网络节点中。然而，在某些应用中，用单一的、集 中式的数据库来保存移动用户的当前位置信息是可行的，如出租车公司用于跟踪 出租车当前位置的数据库、军事中用于保存移动武器当前位置信息的数据库等。 2 2 4 位置数据库的布置 如前所述，位置管理需要在“可得性”、“精确性”和“当前性”三者之问作 权衡，因此，需要根据实际情况，将位置数据库布置在网络的恰当位置。 主要研究方法如最优化方法( o p t i m i z a t i o n ) 【4 l 、分区方法( p a r t i t i o n s ) 和动态层次 数据库方案( d y n a m i eh i e r a r c h i c a ls c h e m a ) 【5 l 。 最优化方法的基本思想是将位置数据库的布置看成与以下类似的数学问题： 目标函数是求以下指标或其总和的最小值：数据库更新及访问次数、通信 费用、网络通信链路通信量总和，等等。 约束函数包括：数据库存取速度的限制；通信链路的容量；可以得到的存 储容量；带宽占用；等等。 分区方法利用用户移动的局部性，将移动用户经常访问的位置区归为一组， 并与不是经常访问的位置区分开，主要用于降低位置查找费用。 动态层次数据库方案引入了一个新的层次的数据库，称之为目录寄存器 ( d i r e c t o r y r e g i s t e r s ，d r s ) ，扩展了两层位置数据库结构。每个d r 覆盖了一些位置 区，然后周期性地计算与存储所服务的位置区的位置配置参数。 2 3 位置管理的方法 2 3 i 当前通常的位置管理方法 在第一代和第二代蜂窝移动通信网中，使用的最为广泛的方法是通过位置区 ( l a ) 进行位置管理。l a 就是一个蜂窝群，使系统得以追踪在网络中漫游的用户。 当系统知道某用户所在的l a 时，若需要与该用户建立连接，只需在该l a 内的小 区中发送寻呼信号。 实现基于l a 的位置管理方式需要使用数据库。其位置管理方法是基于本文上 一节提到的两层数据库结构，即使用归属位置寄存器h l r 和访问位置寄存器v l r 存储移动用户的位置信息。通常一个网络有一个h l r ，用户和所注册网络的h l r 永久地联系在一起，用户的有关信息，如所购买的服务和位置信息都存储在h l r 的用户文件中。不同网络中v l r 的数量和位置各不相同，每个v l r 存储有访问 它所覆盖区域的非本地注册的移动用户的信息。 对于目前常用的位置管理，有两个通用的标准：e i a t i a 的a n i s - 4 1 和g s m 的m a p 。前者用于北美的i s 9 5 系统，也是c d m a 2 0 0 0 1 x 、c d m a e v 等2 5 g 和3 g 系统位置管理的基础；后者用于欧洲提出的g s m 系统，是2 5 g 的g p r s 、 e d g e 和3 g 的w c d m a 和t d w c d m a 等系统的基础。这两个标准的位置管理 策略非常近似。但在3 g 系统大面积普及应用之前，这些已应用的移动通信系统 之间还是孤立的，不能进行相互通信，自然也不涉及位置管理相互融合的问题。 现有位置更新的方式有周期性位置更新和越区位置更新。前者要求用户定期 向网络报告其身份，有时会造成不必要的资源浪费( 如用户数小时都在某l a 内逗 留) ，因此常和后一方法结合使用。在越区位置更新方法中，各基站周期性地在本 区广播其位置区识别码( l a i ) 。当移动台接收到的l a i 与它自身存储的l a i 不同 时，自动进行位置更新。g s m 系统中的位置更新方法就是结合了周期性位置更新 和越区位置更新。 用户的位置信息存储在两个不同的数据库中，即h l r 和v l r 中。h l r 存储 了归属网络中所有用户的档案信息( 接入权限、用户位置等) 。而每个v l r 则存储 它所辖位置区内的部分访问用户数据。在此情况下，进行位置更新要考虑两个方 面：一方面是位置更新在h l r 上产生的信令开销，另一方面是在v l r 上产生的 信令开销。则位置管理开销的总公式就变为： 2 + g m + q ( 2 2 ) 2 3 2 当前通常的位置管理方法存在的问题 近年来，随着移动通信网络所管理的移动用户数量急剧上升，以及用户移动 性和话务复杂性的增加、服务质量要求的提高、用户密度的增大等发展趋势，使 移动通信系统的研究、设计和分析都具有很强的挑战性，同时也使目前运营的移 动网络所存在的问题逐渐暴露出来。 当前移动通信系统采用的两级数据库和固定位置区的位置管理策略主要有以 下缺点： 1 )穿越位置区边界的位置更新所产生的信令负载集中在位置区边界的小 区上，以致无线信令开销在不同小区及小区内不同位置的分布不均匀。 2 )当用户容量扩大引起事务处理增加时，将大大增加h l r 信令处理负荷 和数据库查询时延，h l r 可能会成为核心网络的瓶颈。 3 )固定不重叠配置的位置区可能导致移动台在相邻位置区间来回运动形 成振荡导致不必要的位置更新。 4 )如果一个移动用户漫游到距离归属地较远的位置区，这种机制将增加位 置更新和位置查询请求的时延，同时会大量增加中继网络的信令负荷。 另外，位置管理策略的客观评估要求使用合理的移动模型，因此，更加现实 的移动模型能提供更加精确的评估。目前使用的随机移动模型( 又称随机游走模 型) 是为特定的早期蜂窝移动用户提供的一个粗糙的模型，这些早期用户多是一 些商务旅行人员，由工作性质决定他们的移动特性更多的表现为无规则性，采用 单纯基于全部用户的平均移动信息的流体流动模型适合这种移动特性。当前的用 户情况与以前有了极大的改变，其移动特性也发生了转变。目前的用户受工作、 学习和生活的限制大部分具有特定的运动方式，某些用户可能经常活动于某些地 点( 如工厂，学校或家庭) ，用户在这些地方的驻留时间占一天中的绝大部分时间， 且活动范围局限在特定的位置区。早期的移动模式不能反映这种真实情况。 对于铁路通信系统而言，由于其自身的特点，很多用户和终端移动特性非常 有规律，应该使用更加符合铁路特点的移动模型。 2 3 3 未来移动通信系统中的位置管理方法 由于当前移动通信系统采用的位置管理策略的缺点日益显著，而未来的系统 ( 第三代系统) 需要为更多的用户提供服务，由于频谱资源和网络的处理负荷有限， 设计消耗资源更小的位置管理策略就显得尤为重要。 图2 _ 4 位置管理方法的分类 f i g u r e2 - 4t h es o r t i n go f l o c a t i o nm a n a g e m e n tm e t h o d s 近年来，移动通信系统的研究人员在移动性管理方面做了大量的研究，提出 了多种方案，目的是减少位置管理所产生的信令业务量和处理负荷。这些方案很 可能在未来移动通信系统中实现。归纳起来主要有两大类：“基于无记忆方法”和 “基于记忆的方法”。前一类方法都是以算法和基于系统处理容量的网络结构为基 础的；后一类方法则引入了人工智能领域的知识( 如基于学习的方法) ，需要收集 与用户移动行为有关的统计数据。位置管理方法的分类如图2 - 4 所示。 2 3 3 1 基于无记忆的方法 1 合理设置数据库 l a 的划分与位置管理费用在很大程度上与网络结构有关，即与数据库的位置 有关。因此，设计合适的数据库结构能够降低位置管理的费用。 2 位置区( l a ) 与寻呼区( p a ) 相结合的方法 现有系统中，l a 既是对用户定位的区域，也是对用户进行寻呼的区域。l a 的优化必须同时考虑这两者。如前所述，寻呼与定位是互相关联且互相矛盾的。 有的研究者提出了使用不同大小的l a 和p a ( p a g i n ga r e a ) 的建议，如将一个 l a 划分为多个p a ，如图2 5 所示： p a ( p a g i n g n a r e a ) 图2 5 位置区与寻呼区的结合 f i g u r e2 - 5t h ec o m b i n a t i o no f l aa n dp a 寻呼区域( p ：a ) 是在寻呼过程中移动台可以被寻呼到的区域。p a 的范围可以 是固定的或动态的。依赖于存储在h d b 中的位置信息和寻呼策略，p a 的范围可 以从单一小区到整个系统区域。 一个移动台只在进入l a 时登记一次，而在一个l a 中的不同p a 之间移动时 不需要登记。寻呼时，系统将根据特定的策略在各个p a 依次发送寻呼消息。这种 方法的缺点是：在l a 较大时会造成时延。随着l a 中p a 个数的增加，由位置更 新所引起的业务量会降低，但时延也相应上升。 3 多层位置区的方法 在现行的位置管理策略中，由位置更新而引起的业务量更多的集中在l a 边界 的小区中。为了克服这一问题，有的研究人员提出了多层位置区的策略将不 同小区分为不同组，再将各组分派到l a 的不同层。这样可使产生的业务量尽可能 1 4 均匀分派到不同的小区中，不至于集中在边界处的某几个小区内。多层l a 虽可改 进信道拥挤状况，但不能降低总的信息负荷。 2 3 3 2 基于记忆的方法 现行的蜂窝系统每天都在进行无记忆的处理，做一些重复性的工作，如果这 些工作可以预测的话，可以大大降低系统的资源占用。目前，有研究人员提出了 一些基于用户和系统行为观测和统计特征的方法。 1 位置区大小动态分配 在蜂窝网络中，可通过不同等级的l a 来实现位置管理。不同等级的l a 大小 不同。每一个小区归属于不同大小的不同l a 。根据移动台当时以及历史的移动行 为，系统动态地为其分派不同等级的l a ，从而减小位置更新。如将高呼叫率、低 移动率的移动台分配在小的l a 中；将中呼叫率、中移动率的移动台分配在中等的 l a 中；将低呼叫率、高移动率的移动台分配在大的l a 中，等等。 2 考虑用户个性化移动的位置管理方法 由于用户的移动经常出现一些规律性、重复性，因此可以利用统计方法与预 测技术对用户的移动方向、速度等进行预测，从而对其制定个性化的位置管理策 略。 2 4本章小结 在移动性管理中，位置管理是非常重要的一个内容，是移动性管理的基础。 本章首先介绍了位置管理的概念、发展历程、主要内容以及需要权衡的要素；随 后，研究了常见的位置数据库结构：两层数据库结构、树型数据库结构和中心数 据库结构；最后，研究了当前第二代移动通信系统通常的位置管理方法及其存在 的问题，并研究了未来移动通信系统中的位置管理方法。 j e 夏至通太堂亟堂僮i 金塞焦置夏