移动通信中的位置管理新技术

发布: 2010-10-20 00:49 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

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　　1、引言

　　当前，移动通信产业正高速增长，截止1999年底，全球移动用户已超过4亿，预计2000年底接近6亿。人们在满足了话音和低速数据等基本业务后，更希望能发展会议电视，图像等多媒体业务。这便是下一代移动通信系统即第三代的发展目标。

　　第三代移动通信支持个人移动性和终端移动性，用户可以在任何时间和任何地　点，使用任何固定或移动终端，通过个人通信号码和任何人进行通信。为了将呼叫传递给随意移动的用户，需要有一个高效的位置管理系统来跟踪用户的位置。位置管理主要由两部分组成。第一是位置登记。在这个过程中，移动终端周期性地向移动网报告其所在的接入点，以便移动网对其进行鉴权并更新位置记录。第二是呼叫传递，这一步要向移动网查询用户的位置记录以此来得知移动终端的位置。

　　当前位置管理的技术包括数据库结构的设计、信令网内不同部分之间信令消息的传输。随着移动用户数目的增加，需要新的或改进的方式来有效地支持连续不断增长的用户。其他问题包括：安全、动态数据库更新、排队时延、终端寻呼方式以及寻呼时延等。

　　２、当前的位置管理策略

　　当前位置管理采用的是双层数据库，即原籍位置寄存器HLR和访问位置寄存器VLR。通常一个移动通信网的位置管理系统由一个HLR（存储在其网络内注册的所有用户的信息，包括用户预定的业务、记费信息、位置信息等）以及若干个VLR（它管理该网络中若干个位置区LA（Location Area）（一个位置区由一定数量的蜂窝小区组成）之内的移动终端组成。诸如呼叫处理、位置登记等网络管理功能通过7号信令系统实现。。

　　2.1　位置登记

　　为了正确无误地传递呼叫，移动通信网必须对每一个移动终端MT进行位置跟踪，如前所述，位置信息存储在两种数据库VLR和HLR中，当MT在移动通信网覆盖区域内移动时，存储在这些数据库中的数据可能不再准确。为了保证呼叫成功，应该周期性地更新数据库。

　　当MT向通信网报告其当前位置时，位置登记就开始了。当前采用的是MT一进入新LA就进行位置更新的方法。这里每一个LA由几个小区构成，一般地，属于同一个LA的BTS与相同的MSC连接。图3所示为MT进入一个新LA的位置登记过程。下面是位置登记过程中顺序执行的一些操作：

　　(1) MT进入一个新LA并向新BS发送位置更新消息；

　　(2) BS向MSC转发位置更新消息，MSC向其相应的VLR发出登记请求；

　　(3) VLR更新MT的位置记录。如果新LA属于同一个VLR，则位置登记过程结束。如果属于不同的VLR，则新VLR根据MT的移动终端标识号MIN确定MT的HLR地址，并向HLR发送一个位置登记消息。

　　(4) HLR执行必要的操作对MT进行鉴权及记录新VLR的ID。HLR向新VLR发送登记应答消息。

　　(5) HLR向旧VLR发送登记删除消息；

　　(6) 旧VLR删除MT的记录并向HLR发送一个删除应答消息。

　　在(3)-(6)步，信令消息在到达目的地之前可能经过几个中间STP，这取决于MT的当前位置和原籍位置。例如，一个在中国北京开户的移动电话用户很自然地分配一个位于北京的HLR。当这个用户漫游在美国纽约时，其移动电话的每一次位置更新都导致了四次SS7信令的越洋传输(如图3的(3)-(6)步)，这些消息在到达目的地前在SS7网中经过数个STP，产生了额外的负荷。这样，位置更新可能给SS7网带来严重的流量负荷。随着移动用户数目的不断增加，这种负荷会越来越严重。

　　2.2　呼叫传递

　　呼叫传递过程主要分为两步：a确定为被叫MT服务的VLR；b确定被叫MT当前正访问的小区。确定为被叫MT服务的VLR的数据库查询过程如下：

　　（1）主叫MT通过附近的基站向为其服务的MSC发出呼叫初始化信号；

　　（2） MSC通过GTT确定被叫MT的HLR位址并向该HLR发送一个位置请求消息；

　　（3） HLR 确定出为被叫MT服务的VLR，并向该VLR发送路由请求消息；该VLR将该消息发给为被叫服务的MSC；

　　（4） MSC给被叫MT分配一个临时本地号码TLDN(Temporary Local Directory Number)，并向HLR发送一个带有TLDN的应答消息；

　　（5） HLR将上述消息转发给为主叫MT服务的MSC；

　　（6）主叫MSC通过SS7网络向被叫MSC请求呼叫建立。

　　上述过程允许网络建立从主叫MT到为被叫MT服务的MSC的连接。但由于每个MSC与一个LA相联系，而每个LA又有多个小区，这就需要一种机制来确定被叫MT所在的小区位置。在当前的移动通信网中，这一过程是通过寻呼来完成的。

　　3.　位置登记和呼叫传递的新技术

　　在这个领域的研究一般分为两类：其一是基于集中式数据库结构，是IS-41位置管理策略的延伸，就是在保持基本的数据库网络结构不变的前提下来对IS-41进行改进。这种方案的优点是无须做重大的修正即可用于当前的移动通信网。另一种方案采用全新的数据库结构，需要一套新方法进行位置登记和呼叫传递，大部分这类方法是基于分布式数据库结构。下面分别讨论集中式和分布式管理策略。

　　3.1　集中式管理策略

　　在这种策略下，位置管理数据库由基于IS-41的双重数据库组成，另外还采用了一些优化措施，以达到减小位置管理开销的目的。

　　a) 动态分层方案

　　第一个集中式数据库体系结构是[1]提出的。其基于IS-41标准并新加入了一级叫目录寄存器DR的数据库。每一个DR覆盖数个MSC的服务区域。DR的首要功能是为在其服务区内的MT进行周期性的计算及存储位置指针的配置。每一个MT都有其唯一的指针配置。DR有三种位置指针：

　　1）存储在为MT服务的DR中的本地指针，该指针指出当前为MT服务的MSC；

　　2）存储在远端DR中的直接远端指针，指出当前为MT服务的MSC；

　　3）存储在远端DR中的间接远端指针，其指出当前为MT服务的DR；

　　此外，MT的HLR可以配置存储一个指针或者配置指向MT的服务DR或者指向MT的服务MSC。但有时可能不设任何指针，而采用纯IS-41方案反而会更有效。

　　该方案的功能采用下述方法能更好地进行描述。设想给定的MT的HLR位于北京，而现在它漫游在成都。如果有相当数量的来自南京的电话呼叫该MT，则在南京的DR中可以为MT设置一个直接或间接的远端指针。当来自南京的该MT的下一个呼叫发起时，主叫的MSC首先查询该DR，则呼叫就可以立即转向成都而不必查询位于北京的HLR，这就减少了呼叫传递的信令开销。另外，HLR可以通过设置来记录为MT服务的DR的ID（而不是为MT服务的MSC）。当MT在成都的同一个LA内从一个MSC进入另一个MSC时，为MT服务的DR的本地指针必须更新，没有必要访问位于北京的HLR，这就减少了位置登记的信令开销。可见，这种方案的好处是位置登记和呼叫传递的开销都可以减小。

　　b) 每用户位置缓存方案

　　每用户位置缓存方案的基本思想是通过在一个MT附近的STP中缓存一个位置信息来减小定位MT的信令开销和访问数据库的通信流量。只要通过STP访问MT，则该MT的入口就添加到缓存中，该缓存包含一个从MT的ID到为其服务的VLR的映射图。当对该MT发起另外一个呼叫时，该STP首先检查是否存在该MT的缓存入口。如果没有缓存入口，则采用前面所述的IS-41呼叫传递方案来确定该MT的位置；如果缓存入口存在，则STP查询缓存所对应的VLR，如果MT仍然滞留在该VLR中，则该MT被找到，如果该MT已经进入不属于该VLR的其他位置区，则采用IS-41的呼叫传递方法来定位该MT。

　　当从MT1到MT2的呼叫发起时，系统可以通过STP1的缓存信息来确定MT2的位置，无须访问MT2的HLR就可成功地定位MT2。与IS-41方案相比较，每用户位置缓存使STP能够仅查询一个缓存的位置信息就可确定被叫MT的VLR的位置。然而，这仅在被叫MT的缓存位置信息可得到的情况下才行。当被叫MT的缓存位置信息不可得时，每用户位置缓存的开销比IS-41高。可以根据系统参数来确定最小有效率。

　　将本地呼叫/移动比LCMR定义为单位时间内从一个给定的源STP发起的针对一个MT的呼叫平均数与该MT改变其VLR的平均次数之比。可以得到获得最小有效率所必须的最小LCMR。为了减小丢失概率，建议经过一定的时间间隔后应将缓存入口设置为无效。根据移动性和呼叫到达参数，可以给出一个门限，以确定一个特定的缓存的用户位置信息何时被删除，以降低呼叫传递的额外开销。

　　c) 用户文档备份方案

　　根据用户文档备份方案[2]，选择本地数据库备份用户文档。当呼叫一个远端MT时，网络首先检查在本地数据库中是否存在被叫MT的用户文档备份。如果备份存在，则无须访问HLR，网络根据本地数据库中的备份文档即可确定被叫MT的位置。否则，网络通过IS-41的步骤确定被叫MT的位置。当MT进入另一个位置区时，网络需要更新所有的该MT的备份文档，这使得位置登记的信令开销偏高。该方案是否可以显着地减小信令开销，取决于MT的移动率和呼叫到达率。[2]介绍了一种对每个MT确定备份方案的方法。根据该方法，由一个中央系统决定备份，该中央系统有时必须收集所有用户的移动性和呼叫参数。这对当前的移动通信网来说不大可能，因为这要牵涉到众多的网络提供者，而且给众多的用户备份是一个计算复杂、耗时的过程，需要很大的网络带宽。

　　d) 前向指针方案

　　前向指针方案[3]的基本思想是设置一个由旧VLR指向新VLR的前向指针，取代MT每次进入属于不同VLR的区域时都要向HLR报告其位置的做法。当呼叫一个MT时，网络首先确定指针链头的VLR，然后沿指针链找到当前被叫MT的服务VLR来确定该MT的位置。为减小定位MT产生的时延，指针链的最大长度预先设定为K，当指针链的长度达到K时，就不允许再加入指针，位置登记必须向HLR报告。图6所示为前向指针方案的操作过程。当MT从MSC1到MSC2，再从MSC2到MSC3时指针设置为从VLR1到VLR2再到VLR3。设K=2，则指针链不能再加长了。如果MT从MSC3到MSC4，则需通过HLR进行位置登记。源指针则被删除，而HLR记录MT的当前服务VLR。这表明该方案相对于最初的IS-41而言并不是总能减小开销，还取决于移动性、呼叫到达参数和K值的大小。

　　e) 本地缓存方案

　　在本地缓存方案[4]中，选择临近MT的一个VLR作为其本地缓存，MT的位置变化不向HLR报告，而只报告给本地缓存。由于本地缓存靠近MT，由位置登记产生的信令负荷就减小了。HLR保存着一个指向本地缓存的指针。当呼叫MT时，HLR向该MT的本地缓存发出请求，该MT再向服务VLR发出请求以获得一个路由地址。图7所示为本地缓存方案。假设MT1的本地缓存是VLR1，当MT1从VLR2移到VLR3时，将位置变化报告给VLR1。为MT选择本地缓存的方法有两种：静态法和动态法。在静态法中，在上一次呼叫期间，MT的服务VLR成为其本地缓存。当下一个呼叫到达时，本地缓存已经改变了。静态本地缓存彻底避免了向HLR报告位置变化。然而，与前面介绍的位置缓存和前向指针类似，静态本地缓存并不总能提高性能。非常相似的是，动态法是当呼叫到达时将服务VLR改为本地缓存。但是，在每次移动后网络都要根据MT的移动性和呼叫到达参数来决定是否将MT的本地缓存改设在新VLR。结果表明，动态本地缓存的开销小于或等于原IS-41的开销。

　　3.2　分布式管理策略

　　分布式管理策略的数据库体系结构由分布在网络覆盖区域内的多个数据库构成。 a) 全分布式数据库结构方案

　　在这种方案中，为位置登记提出了一种分布式数据库体系结构。IS-41标准中的双层数据库被众多的位置数据库所代替。这些位置信息数据库被设置成树状拓扑结构。MT与位于最低层次的位置信息数据库（叶数据库）相对应，每一个位置信息数据库保存位于其"子树"内的MT的位置信息。MT1位于LA1中，从MT1的当前位置到"树根"的每一级数据库都保存着该MT的入口。当呼叫发起时，网络沿着被叫MT的数据库入口确定其位置。例如，由MT2呼叫MT1，节点A接收到呼叫请求，由于节点A的数据库没有MT1的访问入口，呼叫请求被转发给节点B，依次类推。当呼叫请求最后到达节点D时，发现了MT1的访问入口，经过另外三次数据库查询，MT1的位置最终被确定下来。当MT漫游到属于不同的叶数据库的LA时，相关的数据库都必须得到更新，以正确指示MT的位置。与基于集中式数据库体系结构（如IS-41）相比，该方案降低了信令消息的传输距离。然而，该方案增加了数据库更新的次数，由此增加了位置登记和呼叫传递的时延。

　　b) 分块方案

　　[5]介绍了一种分块方案。由于MT的移动方式在各个位置都不尽相同，因此将移动频繁的MT的位置服务器进行分块。根据[5]介绍的方案，位置登记仅在MT进入一个新的分块时执行。分块P2由5个位置服务器组成，它们仅有一个共同的上级服务器LS2。当MT进入P2时，位置服务器LS2被更新，以指示该MT滞留在其分块覆盖的范围内。当MT漫游到同一个分块内其他位置服务器覆盖的区域内时并不进行位置登记。该方案减少了在MT的移动性强的区域内位置登记的次数。仿真表明，分块方案能有效地降低信令消息的开销。然而，开销的减少还依赖于MT的移动性、呼叫到达方式以及寻找分块的方式。

　　c) 数据库分层方案

　　在这种方案中，MT的位置可登记在树的任何一个节点（不限制在叶节点）。树根保持一个数据库，但在其他节点没有必要都设置数据库。这些数据库保存MT的指针。如果MT滞留在一数据库的支干中，则该数据库设置了一个指针沿MT的路径指向下一个数据库。如果沿该路径没有数据库，则指针指向MT所滞留节的点。当树上某节点发起一个呼叫，则可以根据被叫MT的指针确定其位置。图10所示为该方案的操作过程。呼叫在节点A发起，被叫MT在节点B，搜寻被叫MT的路径如图10所示，如果搜寻到的某数据库没有被叫MT的指针，则查询去树根路径上的下一个数据库。

　　４、总结讨论

　　上述每一种位置管理方案都可使IS-41的性能有不同程度的提高。但是选择一种对所有系统参数来说都明显好于其他的方案是很困难的。大多数情况下，上述方案仅在一定的移动性和呼叫到达参数下性能优于IS-41，当采用不同的参数，性能差别会很大。但是我们可以总结出一些普遍性的规律。

　　正如第3小节所述，当前对位置管理的研究集中在集中式和分布式两个方面。集中式是将所有MT的位置信息记录在HLR中，在位置登记和呼叫传递期间，信令消息在MT当前位置的VLR和HLR之间交换。随着MT数量的增加，信令业务量可能使移动通信网的性能严重降低。还有一种不希望出现的结果是连接建立时延可能很长。然而，集中式的优点是数据库的更新次数和位置登记与呼叫传递请求的次数相对比较低，这就缩短了因数据库访问而引起的时延。分散式方案的优点是数据库的访问本地化了，对远端数据库的访问或更新仅在必要时才进行。但是因位置登记和呼叫传递引起的数据库访问次数比起集中式来说有明显的增加。

　　可以看出，理想的位置管理方案应当介于集中式和全分布式之间。实际上，大多数正在进行的研究集中在：

　　①提高集中式数据库结构下位置信息的分布性。

　　②在分布式数据库结构中减小位置信息的分布性。

　　此外，用户的移动性和呼叫到达方式各不相同，希望能根据各个不同的用户动态调整位置更新和呼叫传递过程。动态方案通常要求即时收集和处理数据，这会消耗很大的计算功率，有必要仔细设计，保证网络有效地支持计算。

　　今后对位置登记和呼叫传递的研究应该集中在网络结构的设计上，应在一定程度上将全分布式和集中式结合起来。此外，还应开发实时确定MT的移动情况和呼叫到达参数的方法，以及如何根据每个用户动态地限制或增强位置信息的分布性。

摘自《中国移动》