地铁中的移动通信终端位置管理模型.docx

地铁中的移动通信终端位置管理模型欧冬秀董德存(同济大学交通运输工程学院 , 200331 , 上海 第一作者 ,博士研究生)摘 要 对地铁中移动通信网络移动终端的位置管理进行了研究 。给出了适合于模拟移动终端在地铁中运动的移动 模型 ,并根据该模型提出了基于线路的位置管理策略 。仿真 结果表明 ,其位置管理开销要比基于时间和基于距离两种位置管理方法的位置管理开销都小 。关键词 地铁 , 移动通信 , 移动模型 , 位置管理中图分类号 tn 929 . 53cost of t his terminal locatio n management is lower t han t hat oft he time2based and sectio n2based locatio n management .key words met ro , mobile co mmunicatio n , mobility model , lo2catio n managementfirst2authors a ddress dep t . of traffic informatio n eng. , to ngji u niv. ,200331 ,shanghai ,china给用户提供一个可靠 、完全无缝的移动通信覆盖网络 (即无盲区 ,用户可在任何地点进行通话) ,是 移动通信运营商提高其服务质量的关键 。而实现轨道交通的移动通信网络无缝覆盖 ,则是实现移动通信全网无缝覆盖的关键 。现有地铁中采用的移动信 号覆盖方式如图 1 所示 ,图中对各站厅采用微蜂窝 吸顶天线覆盖方式 ,隧道内部则采用泄漏电缆 。a terminal location management model f or mobile net workin metroou do ngxiu ,do ng decunabstract wit h a st udy of t he terminal locatio n management for mobile net wor k in met ro , t his paper first makes a mobility model o n which a line2based locatio n up date scheme is p roposedfor mobile terminals. as t he simulatio n result s show t hat t he图 1 地铁中移动信号覆盖示意图在移动通信网络中 ,要想在移动终端的业务到达时 ,快速 、准确地找到终端所在的蜂窝 ,迅速为用 户建立联系电路 ,就必须对移动终端的位置进行管理 。位置管理的基本方法是1 : 移动通信网络的控 制中心 (移动交换中心 m sc) 记录有移动终端的当前位置即所在蜂窝 ,当呼叫到达时 ,在所记录的蜂窝中寻找该终端 。由于终端的移动性 ,系统数据库中 所记载的位置信息如果不频繁更新 ,就存在一个不确定性 ,导致在数据库记载的位置区中找不到终端 。实行位置管理的目的是尽量减小移动终端的位置更 新次数 ,同时 又 能 用 较 小 的 寻 呼 开 销 找 到 终 端2 。 本文根据移动终端在地铁中的运动特征 ,提出了基于线路的位置管理模型 。1地铁中终端移动模型的建立1 . 1常用的移动模型移动模型指实际移动终端的运动方式的抽象 。 通常不同的终端在某一个时间段有不同的运动方式 (即移动模型) 。常用的移动模型有 : 随机漫步模型 类似花粉的布朗运动 ,终端在某一时刻的运 动方向和运动速度都是随机的 ; 随机目标点模型终端在某一点停留一段时间后 ,以某一速度朝 着心中目标点运动 ,到达目标点后停留随机时间 ,再以一速度朝下一目标点前进 ; 城市区域运动模型29 城市轨道交通研究行人或车辆在城市的街道中前进时 ,以一个平 均速度朝当前的运动方向前进 ,只有到了路口才能 改变其运动方向 。这些模型通常被用来模拟终端的 运动 ,从而衡量某一位置管理方法的性能 ,但都不适 合模拟终端在地铁中的运动 。1 . 2 地铁中的移动模型对于单条地铁线来说 ,沿线各站由于所处的地 理位置不同 ,每站的进出站人数也有所不同 。从统 计的角度 ,可以把这个问题抽象为考虑某一个移动终端 。对于任意终端 ,从某一地铁站进站后 ,它有可 能从任一车站出站 ,但在每一车站出站的概率不一2004 年对于任何一个用户终端而言 ,用户的位置信息存储在归属位置寄存器 ( hl r) 和访问位置寄存器 ( vl r) 中 , 当呼叫到达时 ,首先询问 hl r 终端当前所处的 vl r , 然后到 vl r 中查找终端的具体位置区 ;位置区的划 分可以小到一个蜂窝 ,也可以大到多个蜂窝 。如图 2中 ,地铁中的蜂窝可以由吸顶天线 (站台处) ,大基站 (入口处) 和泄漏电缆 (隧道内部) 组成 ,它们的功能都 是完成与移动终端的无线接入 ,且它们与基站控制器(bsc) 相连 ,bsc 再与移动交换中心 ( msc) 相连 。移 动终端 (m t) 跟随列车从位置区 1 移动到位置区 2后 ,需要更新其在 msc/ vl r 中的信息 ,同时也更新 hl r 。由于地铁中的基站一般都通过馈线与附近的 基站相连 ,所以可以假定线中各站处于不同的位置 区 。如果某一移动终端进入地铁之后 ,不对其进行位 置更新 ,那么当有呼叫到达时 ,需要在沿线中的所有蜂窝进行寻呼 。由于地铁站的蜂窝数量较多 ,所以对 应的寻呼开销也大 ;反之 ,如果移动终端每改变一个 位置区都对其进行位置更新 ,首先是移动终端的数量 多 ,其次是终端的移动性大 ,则对应的位置更新开销 可想而知 。为了使总的开销减小 ,需要采用合适的位置管理方法 。样 。设一条地铁线有为下式 :m 站 , 其 概 率 矩 阵 可 以 表 示p1 , 1p2 , 1p1 , 2p2 , 2p1 , mp2 , mp =( 1)pm , 1p m , 2p m , m式中 pi , j 为从第 i 站进 , 从第 j 站出的概率 。式 ( 1)的概率 矩 阵 与 马 尔 科 夫 链 4 具 有 相 似 的 性 质 , 即j p i , j = 1 。但移动终端不象马尔科夫链一样到了某一状态 ( 站) 之后可以随机向其它状态转移 , 而只 能继续向前或出站 。对于多条立体化地铁线来说 , 一般中间有几个中转站 , 这样旅客可以在多条地铁线换乘 。设第 m条线有 m m 站 , 那么第m 条线的概率矩阵为 :p m , 1 , 1p m , 2 , 1p m , 1 , 2p m , 2 , 2p m , 1 , mp m , 2 , mmmpm =( 2)p m , m , 1p m , m , 2p m , m , mmmmm同一条线中各站的出入概率p m , i , j 可以直接由图 2 两层数据库位置管理模型2 . 2常用的位置管理方法及开销分析常用的位置更新方法总体上可以分为 3 类 。基于时间的位置更新 : 系统为终端设定一时 间间隔 ,每隔此间隔为终端产生一次位置更新 。该方法较简单 ,但是较难根据终端的运动规律及来话规律设置合适的时间间隔 。基于运动的位置更新 : 系统为移动终端设定 一个运动阈值 ,当终端的运动距离 (穿过的蜂窝边界数) 超过了阈值 ,终端产生一个位置更新请求 ,系统 为其更新位置 。基于距离的位置更新 : 指终端的当前位置与概率矩阵获得 。而从一条线各站到达另一条线各站的概率可以推算得到 。假设从中转站换乘以后 , 到 达下一线路各站的概率与本站进站到线中各站的概 率相 同 。设 中 转 站 是 线 1 的 第 k 站 , 线 2 的 第 n站 , 则移动终端从线 1 的 i 站进 , 线 2 的 j 站出的概率可以推出为 :pi , j= p1 , i , k p2 , n , j( 3)2地铁中移动终端位置管理2 . 1两层数据库位置管理模型现行的位置管理为两层位置数据库管理模型 。30 学术专论以通过一些中转站向整个地铁网络扩散 ,导致最终可 能需要在整个网络寻呼某一个移动终端的最坏情况 。 为此 ,提出了基于线路的位置更新策略 ,即在终端出 站或换线时对其进行位置更新 。对进入某一条线路 的终端来说 ,单位时间内的更新次数 n u 为 :第 1 期系统数据库中所记载的位置之间的距离 ( d ) 超过了系统设置的阈值 ,则产生位置更新 。它与基于运动 的位置更新方法的区别在于 : 如果终端在两个位置 区之间徘徊 ,基于运动的更新方法则会产生较多不 必要的更新 。有实验结果表明 ,对于大多数的移动模型 ,上述 第 3 种方法的管理开销最小 。而对于终端在地铁中 的运动模型 ,因为终端不太可能在两个位置区之间 徘徊 ,故基于运动与基于距离的更新方法没有大的 区别 。所以可将它们统一起来分析 。假设移动终端的业务到达率服从参数为 c 的泊松分布 ,c 为单n u = i j 1/ t i , j p i , j( 7)式中 , t为从 i 站进 j 站出所需要的时间 。i , j预测寻呼策略 :假设最后一次产生位置更新的第 k 站 , 经过时间 t 后业务到达 , 根据地铁的运动c规律 , 可预测列车经过 t c 后运行了 n 站 。假定能知道列车经过每一 站 的 时 刻 表 , 那 么 , 估 计 误 差 会 较 小 , 暂时可不考虑 。则估计需要寻呼的蜂窝数为 :位时间的平均业务次数 。末次更新后经过有业务到达 , 则 t c 的概率密度函数为 :t c 终端( 8)n p =ck - n + ck + n= ce - tf c ( t )( 4)k 站并更新c那么 ,基于线路的位置管理方法的总开销为 :假设终端在最初进入地铁时为第= u n u + p c n p=cl b了其位置 , 采用基 于 时 间 的 位 置 更 新 方 法 时 , 经 过t 时间后需要更新其位置 , 且较难采用预测寻呼 。 设同一地铁站中的所有蜂窝属于同一个位置区 , 那么某个终端的单位时间内管理开销为 :u i j 1/ t i , j p i , j + p c ( ck - n + ck + n )( 9)3仿真结果利用 matlab 仿真工具对基于线路的位置更新c tb= cu + c p =1/ t u pr ( t t c) +np c i = - n ck + i( 5)方法 (简称 lb) 、基于时间的位置更新方法 (简称 tb)和基于距离的位置更新方法 (简称 db) 进行了仿真比 较 。设每站的蜂窝数在 cmin = 6 和 cmax = 12 之间均 匀分布 ;移动终端的来话服从参数为 c 的泊松分布 ; 终端的平均业务到达间隔为 1/ c min ; u = p = 10 。图 3 和图 4 分别给出了一条地铁线和两条地铁 线在 c 不同取值时的总开销比较 。从图中可以看出 ,c 越 大 , 即 移 动 终 端 单 位 时 间 的 业 务 越 多 。但式中 , cu 和 c p 分别是更新开销和寻呼开销 ; u 为产生一次位置更新对应的开销 ; p 为寻呼一个蜂窝 对应的开销 ; pr ( ) 表示概率 ; ci 为第 i 站的总蜂窝数 , ci 只有在 0 i d t h )+ck + i1/t h( 6) 式中 : d t h为距离阈值 ; t t h 为终端运行 d t h 对应的时 间 。2 . 3基于线路的位置管理方法及其开销分析位置更新策略 :由于地铁中终端运动模型的特殊 性 ,上述分析中假设了终端在进入地铁时已经更新了 其位置 ,即终端的最后一次更新为终端入口处 。如果 在终端换线时没有更新其位置 ,由式 (3) 可知 ,终端可图 3 3 种管理方法总开销比较 ( 一条线)( 下转第 34 页)31 城市轨道交通研究以得出 cb1 动作成功 ,cb3 动作失败 ,节点 n 1 位置 中有标记 ( to ken) r1 , r3 均动作 ,则我们可以得出此 节点有故障的结论 。这说明 , pet ri 网模型可以检查 并验证不正确的信号 。表 1 断路器模板42004 年系统接收到的信号是否正确 。整个过程只需要建立pet ri 网模型和进行简单的矩阵运算就可以获得准 确的结果 ,节省了故障诊断的时间 ,提高了效率 ,尤 其适合实时在线诊断 。pet ri 网模型在电力系统故 障诊断中有十分广阔的前景 。cb12信息结论参考文献100100- 11正确动作没有动作 动作失败 误动作1郑瞳炽 ,张明锐. 城市轨道交通牵引供电系统. 北京 : 中国铁道出版社 ,2000 . 50郭其一 ,张伟. 供变电系统的故障检测与诊断技术. 上海市电机工 程学会 :上海市电工技术学会 2001 年学术年会论文集 ( 第五分 册) ,2001 . 9093林 闯. 随 机 pet ri 网 和 系 统 性 能 评 价. 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 ,2000 . 6lo k l ,ng h s , trecat j . power systems fault diagno sis using pet ri net s. i ee proc - gener transm dist rib ,1997 ,144 ( 3) :231236lo k l , ng h s , grant d m , trecat j . extended pet ri net mo dles fo r fault diagno sis fo r substatio n auto matio n . i ee proc2gener transm dist rib ,1999 ,146 ( 3) :229234( 收稿日期 :2003 - 05 - 12)2表 2继电器模板r12信息结论3100101正确动作没有动作 动作失败4 1 0 误动作5结语3本文提出用 pet ri 网模型检测牵引供电网络故障位置 ,并同时检查并验证从基于微机的继电保护(上接第 31 页)不管 那 种 管 理 方 法 , 其 总 开 销 都 随 着c 增 加 而 增加 。且明显 l b 的总开销要比 tb 和 db 小 。c =0 . 2 时 , 图 3 中 l b 总开销比 tb 和 db 小 23 倍 。 而图 4 中 l b 的总开销更小 , 它比 db 和 tb 要小 35 倍 。显而易见 , 线路数越多 , l b 的优势越明显 。由此可见 :本文提出的采用线路变更位置更新策略和预测寻呼策略的移动通信网络移动终端位置管 理方法 , 有效地减少了位置管理开销 。仿真结果