（信号与信息处理专业论文）移动性管理研究及在wcdma+hlrmap中的实现.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学信号与信息系统 研究方向：数字图像处理与多媒体通信 作 者：j 塑堕级研究生刘 刚 指导教师董直室虚宣塑 题目：移动性管理研究及在w c d m ah l r m a p 中的实现 英文题目：t h ea n a l y s i so fm o b i l i t ym a n a g e m e n ta n dr e a l i z a t i o n i 1 3w c d m ah l r m a p 主题词：移动应用部分移动性管理归属区位置寄存器 k e y w o r d 8 ：m a p m o b i l i t ym a n a g e m e n t h l r 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得1 自g i i j f 究成果。尽我所知，除了文f 咋 圳加以标沣和致n i l , h 地方外，沦文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京i t l l i i 毡大学或其它教育机构构学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研划搽辄盈乱一觋卫业z 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、t 1 国科学技术信息研究所、国家圈二捧馆有权保留 本人所送交学位沦文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人l 乜子文档的内容和纸质论文的内容牛h 一 致。除在保密期内的保密沧文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分r j , i 容。论文的公布( 包括下l j 登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：! 酗萤 一导师签名塑盟吼丛咀 南京邮电大学2 0 0 3 级硕士研究生学位论文 摘要 摘要 由于移动通信的移动特性，如何有效地跟踪移动台并快速有效地与移动台建立通信， 即移动性管理问题成为移动通信发展中最迫切和最具挑战性的问题之一。如何制定出一套 合理、高效、实用的移动性管理策略是移动通信领域中一项重要的课题。 论文首先介绍了w c d m a 系统的网络架构，随后引入了移动性管理的基本概念。接 着对当前业界较热门的几种改进移动性管理策略进行了研究介绍，其中着重分析了最具备 实用性的s u p e r - c h a r g e 策略，阐述了该策略的优缺点和对现网的影响。 论文的第二大部分结合作者在中兴通信实习期间参加的w c d m a 核心网h l r 项目， 详细描述了h l r 网元的系统需求、分析和设计，并深入细化到模块的设计，并且结合作 者在中移青海参加的入网测试，验证了工作的有效性。最后对一年多来的论文研究工作做 了总结并对下一步研究和实现做了展望。 南京邮电大学2 0 0 3 级硕士研究生学位论文 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 nw i t ht h e n r a p i d l y ，i e m o b i l i t ym a n a g e m e n t ，h a sb e c o m eo n eo ft h em o s tc h a l l e n g et o p i c si nm o b i l e s y s t e m t oe s t a b l i s hak i n do f r 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 dm o b i l i t ym a n a g e m e n ts c h e m aa r e o n eo f m o s ti m p o r t a n ts u b j e c t f i r s t l y , t h ea u t h o r d e s c r i b e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h et o p i c t h e n g i v e t h e i n t r o d u c t i o no fm o b i l i t ym a n a g e m e n ta n da l s ot a l ka b o u tt h ec u r r e n tr e s e a r c ho ft h em o b i l i t y m a n a g e m e n ts t r a t e g ye s p e c i a l l yt h es u p e r - c h a r g e rp o l i c y s e c o n d l y , t h ea u t h o rd e s c r i b e st h ef r a m e w o r ka r c h i t e c t u r eo fh l r t h e n ，g i v et h ea n a l y s i s o ft h er e q u i r e m e n t ，d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h em a pm o d u l e i nt h ea d d i t i o n ，t h r o u g ht h et e s t p r o j e c ti nc m c c t op r o v et h ev a l i d i t yt h ew o r k s a tl a s t ，t h ea u t h o rm a k eas u m m a r yo f t h eo n ey e a rr e s e a r c hw o r k 南京邮电大学2 0 0 3 级硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了移动通信的基本知识，包括目前的发展状况、系统架构、和各个网元 的作用。接着引入了移动性管理的概念，并简单地介绍了目前移动网络中使用的移动性管 理方式。最后就本论文的安排和主要工作做了大体的介绍。 1 1 移动通信现状和发展1 ，1 9 2 1 】 现代移动通信集中了无线通信、有线通信、网络和计算机等的最新技术成就与成果。 移动通信系统从模拟通信发展到数字移动通信阶段，并朝着个人通信这一更高阶段发展， 其最终目标是实现任何人在任何地点，任何时间与其他任何人进行任何方式的通信。移动 通信由于其相关技术、消费需求的保障，正以有史以来最快的速度发展。从上个世纪六、 七十年代贝尔实验室提出蜂窝的概念，九十年代2 g 系统的辉煌，到今天按照国际电信联 盟提出的i m t _ 2 0 0 0 标准进行设计的新一代移动通信系统，移动通信已经经历着三代演变。 第一代移动通信系统是采用频分复用方式的模拟蜂窝系统，如：北美的a m p s ，英国的t a c s 和北欧的n m t 等。模拟通信的主要问题是频率的利用率低，能提供的业务秘类有限，不 能提供高速数据业务，保密性差，易被窃听，移动设备成本高，体积大，网络的管理控制 存在问题等。8 0 年代中期，欧洲推出了全球移动通信系统( g s m ) ，以及之后美国推出的窄 代码分多址( c d m a ) 蜂窝移动通信系统是目前正在广泛使用的第二代数字移动通信系统。 第二代移动通信系统采用t d m a 或c d m a 为主的数字蜂窝系统，主要支持电路交换型业 务，这一系统能支持较高质量的语音传输并提供低速的数据业务和短消息服务。第二代移 动通信系统在技术与市场上都获得了巨大的发展，但社会的发展对通信业务种类和数量的 需求与日俱增，多媒体业务的高速数据量将大大增加，第二代蜂窝移动通信系统不仅远远 不能满足未来用户的业务需求，而且随着用户数的迅猛增加，现在的系统远远不能满足用 户容量的发展需要。于是一种支持多媒体业务且有足够容量的第三代移动通信系统就应运 而生了。第三代移动通信系统主要采用宽带c d m a 技术，将i n t e m e t 与移动通信有机地结 合在一起，对多媒体业务提供强大的支持。第三代移动通信系统标准包括：欧洲w c d m a 、 北美c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 。 w c d m a 是目前全球三种主要的第三代移动通信体制之一，本文主要针对该系统。 1 1 。lw c d m a 系统概述 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 ns y s t e m s ：通用移动通信系统) 是采用 i 南京邮电太学2 0 0 3 级硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了移动通信的基本知识，包括目前的发展状况、系统架构、和各个网元 的作用。接着引入了移动性管理的概念，并简单地介绍了目前移动网络中使用的移动性管 理方式。最后就本论文的安排和主要工作做了大体的介绍。 1 1 移动通信现状和发展1 ，1 9 2 1 】 现代移动通信集中了无线通信、有线通信、网络和计算机等的最新技术成就与成果。 移动通信系统从模拟通信发展到数字移动通信阶段，并朝着个人通信这一更高阶段发展， 其最终目标是实现任何人在任何地点，任何时间与其他任何人进行任何方式的通信。移动 通信由于其相关技术、消费需求的保障，正以有史以来最快的速度发展。从上个世纪六、 七十年代贝尔实验室提出蜂窝的概念，九十年代2 g 系统的辉煌，到今天按照国际电信联 盟提出的订l 2 0 0 0 标准进行设计的新一代移动通信系统，移动通信已经经历着三代演变。 第一代移动通信系统是采用频分复用方式的模拟蜂窝系统，如：北美的a m p s ，英国的t a c s 和北欧的n m t 等。模拟通信的主要问题是频率的舜q 用率低，能提供的业务种类有限，不 能提供高速数据业务，保密性差，易被窃听，移动设各成本高，体积大，网络的管理控制 存在问题等。8 0 年代中期，欧洲推出了全球移动通信系统( g s m ) ，以及之后美国推出的窄 代码分多址( c d m a ) 蜂窝移动通信系统是目前正在广泛使用的第二代数字移动通信系统。 第二代移动通信系统采用t d m a 或c d m a 为主的数字蜂窝系统，主要支持电路交换型业 务，这一系统能支持较高质量的语音传输并提供低速的数据业务和短消息服务。第二代移 动通信系统在技术与市场上都获得了巨大的发展，但杜会的发展对通信业务种类和数量的 需求与日俱增，多媒体业务的高速数据量将大大增加，第二代蜂窝移动通信系统不仅远远 不能满足未来用户的业务需求，而且随着用户数的迅猛增加，现在的系统远远不能满足用 户容量的发展需要。于是一种支持多媒体业务且有足够容量的第三代移动通信系统就应运 而生了。第三代移动通信系统主要采用宽带c d m a 技术，将i n t c m v t 与移动通信有机地结 合在一起，对多媒体业务提供强大的支持。第三代移动通信系统标准包括：欧洲w c d m a 、 北美c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 。 w c d m a 是目前全球三种主要的第三代移动通信体制之 ，本文主要针对该系统。 1 1 1w c d m a 系统概述 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 ns y s t e m s ：通用移动通信系统) 是采用 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 ns y s t e m s ：通用移动通信系统) 是采用 l 堕塞业皇查堂三! 婴堑婴主型塑生堂垡堡苎 苎二兰笪笙 w c d m a 空中接口的第三代移动通信系统。通常也把u m t s 系统称为w c d m a 通信系统。 w c d m a 系统由三部分c n ( 核心网) 、u t r a n ( 无线接入网) 和u e ( 用户装置) 组成。c n 与 u t r a n 的接口定义为i u 接口，u t r a n 与u e 的接口定义为u u 接口。 1 m s ( 移动台)m s ( 或称u e ) 是用户终端设备。它主要包括射频处理单元、基带 处理单元、协议栈模块以及应用层软件模块等。w c d m a 系统支持两种接入网络技术，即 g s m g p r s 的b s s 和u t r a n 。因此，系统中可能有三种终端：g s m g p r s 终端、 w c d m a 终端、同时支持g s m g p r s 和w c d m a 接入的双模终端。g s m g p r s 终端通 过u m 接口接入b s s 子系统，w c d m a 终端通过u u 接口接入到u t r a n 。而双模终端可 以通过两个接入网与网络设备通信。m s 为用户提供电路域和分组域的备种业务功能，包 括话音、短信、移动数据业务。w c d m a 终端和双模终端更可以提供宽带话音和高速的数 据通信。m s 包括两部分：m e ( m o b i l e e q u i p m e n t ) 、s l m ( s u b s c r i b e r m o d u l e ) 或 u s i m ( u m t s s u b s c r i b e tm o d u l e ) 。 2 接入网络w c d m a 第一阶段的系统中包括两类接入网络：g s m g p r s 的 b s s ( b a s i c s t a t i o ns y s t e m ) 和u t r a n 。b s s 系统与g s m g p r s 终端和双模终端进行通信， 主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制器( b s c ) 和 基站收发信台饵t s ) 。u t r a n 与w c d m a 终端和双模终端通信，包括基于基站( n o d eb ) 和无线网络控制器( r n c l 两部分。u t r a n 比b s s 系统更复杂，r n c 之间可以直接相连。 并能提供c d m a 特有的软切换。u t r a n 系统基于a t m 网络，因此提供了更高的信令和 数据速率。它针对话音传输采用了a m r ( a d a p t i v em u l t ir a t e ) 技术，可以提高话音质量和 系统容量。同时，u t r a n 比b s s 系统更开放b s c 和b t s 之间的a b i s 接口是b s s 厂家 的私有接口。而n o d e b 和r n c 之叫的l u b 接口和r n c 之问的l u r 接口都是3 g p p 所规定 的公共接口。 3 核心网络核心网络负责与其他网络的连接和对m s 的通信和管理。核心网分成 两个子系统：电路域和分组域。电路域基于电路交换网络，链路需要建立和释放。通信过 程中链路独占的方式保证了电路域的通信质量。电路域的设备中包括m s c v l r 和g m s c 等。分组域基于分组交换网络，信令和数据都是以数据包形式在分组网中传输。更加有效 地利用了网络资源，从而提供更加高速的传输速度。 1 1 2 网络架构i l l 】 r 4 版本的w c d m a 的网络结构如下 南京邮电大学2 0 0 3 级硕士研究生学位论文 第章绪论 c n 与r n s 的接口为i u 接口，r n s 与m s 的接口为u u 。 1 1 2 1 核心网c n 网元实体 r 4 的核心网主要包括以下网元实体：m o w 、( g ) m s cs e r v e r 、s g s n 、g g s n 、 h l 刚a u c 、e i r 等。 1 媒体网关m g w ( m e d i ag a t e w a y ) c s - - m g w 用来定义c s 域的媒体网关，本文由于不涉及i p 多媒体予系统，所以不做 概念上的区分，用m o w 代指c s - - m o w 。 针对一个定义的网络来说，m g w 可以认为是p s t n p l m n 传输的终止点，包含断点 承载和媒体处理设备( 如码转换器、回波补偿设备等) 。 3 堕室塑皇查堂! 塑! 堡堡圭里塞生兰垡丝苎； 兰= 童堕堡 m o w 可以终结从一个电路交换网络和分组网络( 如：i p 网中的r t p 流等) 的承载信 道。在i u 接口上，m g w 可以支持媒体转化、承载控制和有效载荷处理( 编解码器、回升 补偿设备) 以支持不同的c s 域业务的i u 接口选项( 基于a a l 2 a 1 m ，也可以基于 r t p u d p i p ) 。 m o w 支持的功能有： 针对实现资源控制与m s cs e v e r 和g m s cs e v e r 交互； 拥有和处理资源，如回波补偿设备等； 必须有编解码器： m g w 将提供必须的支持i i m t s ，g s m 传输媒体的必须资源。m g w 承载控制和有效 载荷处理能力将必须支持移动特定的功能，如s r n s 重定位切换等。 2 m s cs e r v e r m s cs e r v e r 主要由m s c 的呼叫控制和移动控制部分组成。 m s cs e r v e r 主要负责移动始发和移动终结的c s 域呼叫的呼叫控制。它终结用户到网 络的信令并将其转换成网络到网络的信令。 m s cs e r v e r 也包含一个v l r 以保持移动用户的签约数据以及c a m e l 相关数据。 m s cs e r v e r 针对m g w 的媒体信道，控制适合连接控制的呼叫状态部分。 3 g m s cs e r v e r ( g a t e w a ym s cs e r v e r ) o m s cs e r v e r 主要由g m s c 的呼叫控制和移动控制部分组成。 4 s g s n s g s n 是g p r s 业务支持节点，是p s 域网络的核- t b 。它对m s 的位置进行跟踪，完 成安全鉴权功能与接入控制，并与g g s n 共同完成p d p 连接的建立、维护与删除工作。 对于2 g 基站来说s g s n ，是通过g b 口与g p r sb s s 相连接，对于3 g 基站来说，s g s n 是通过i u 接口与3 g r n s 相连接。 5 g g s n o g s n 是g p r s 网关支持节点。可以将g g s n 理解为连接核心网分组域与外部网络 的网关。核心网p s 域通过g g s n 与外部的分组网相连，一般来说，是指x 2 5 网络或i n t e m e t ( t c w i v ) n ，由于x 2 5 网络并不代表未来发展的方向，所以绝大多数核心网分组域只提供 与i n t e m e t 网络的接口。 6 h l r 归属位置寄存器( h l r ) 是系统的数据中心，它存储着所有在该h l r 签约的移动用 户的位置信息、业务数据、帐户管理等信息。并可实时地提供对用户位置信息的查询和修 4 壹塞塑皇盔堂! ! ! ! 塑堡主堕壅生堂垡堕壅苎二妻堕堡 改，及实现各类业务操作，包括位置更新、砰叫处理、鉴权、补充业务等，完成移动通信 网中用户移动性管理。 一个h l r 能够控制若干个移动交换区域移动用户的所有重要的静态数据都存储在 h l r 中这包括移动用户识别号码访问能力用户类别和补充业务等数据另外h l r 还存储且 为m s c 提供有关移动用户实际漫游所在区域的动态信息数据。 7 a u c 鉴权中心( a u c ) 用于系统的安全性管理，a u c 存储着鉴权信息和加密密钥，用来防 止无权用户接入系统和保证通过无线接口的移动用户通信的安全。 8 e i r 移动设备识别寄存器( e i r ) 存储着移动设备的国际移动设备识别码( i m e i ) ，通过 核查白色清单、黑色清单或灰色清单这三种表格，在表格中分别列出准许使用的、出现故 障需监视的、失窃不准使用的移动设备的i m e i 号码，使得运营部门对于不管是失窃还是 由于技术故障或误操作而危及网络正常运行的u e 设备，都能采取及时的防范措施，以确 保网络内所使用的移动设备的唯一性和安全性。 1 2 - 2 2 无线网络子系统( r n s ) 网元实体 r n s ( 无线网络子系统) 通过无线接口( u u ) 直接与移动台相接，负责无线信号的发 送接受和无线资源管理。另一方面，r n s 与m s c 、s o s n 相连。实现移动用户之间或移动 用户与固定网用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等，r n s 子系统包括r n c 和n o d e b 两部分。 1 r n c r n c 是r n s 的控制部分，主要负责各种接口的管理，承担无线资源和无线参数的管 理。它主要与m s c 和s g s n 以i u 口相连，u e 和u t r a n 之间的协议在此终结。 2 n o d e b n o d eb 属于k n s 的无线部分，由k n c 控制，服务于某个小区的无线收发信设备， 完成空中接1 ：3 与物理层相关的处理( 信道编码、交织、速率匹配、扩频等) ，同时它还完 成一些内环功率控制等无线资源管理功能。 1 。2 移动性管理的简介1 7 1 1 2 。1 概念的弓l 入 移动通信网络区别于固定网络的主要特点是它的“移动性”，即移动终端或移动用户 5 南京邮电大学2 0 0 3 级硕士研究生学位论文 第一章绪论 不受地域限制，随时随地发送和接收信息( 话音或数据) 的能力。移动性包括设备移动性和 用户移动性。设备移动性是用户移动性的基础，我们所讨论的“移动设备”，也就是“移 动台”的移动性a 为了支持移动台的设备移动性，移动通信网络要建立一套有效的移动性 管理机制。移动台发送信息的过程比较简单，它首先r a j 网络请求一定的资源，然后就能够 与网络实现信息交互了。移动性管理的难点在于，由于移动台接入点的不可预知性，网络 如何把发送给移动台的信息转发到移动台的当前位置。 移动性管理有大量的信令流量在无线接口和网络上处理，这些信令流量主要是两个主 要内容：定位和寻呼。通过定位能或多或少精确地得到用户的位置信息，以便较快地找到 呼入的路由，定位和用户移动性关系密切。寻呼是对移动终端可能位于的所有小区发送寻 呼消息，只有呼入业务需要寻呼，寻呼和呼入率有关。如果定位开销越大的话( 用户的位置 知道得越精确) ，寻呼开销就越低( 只需相对小的区域上发送寻呼消息) ；如果定位开销低( 仅 仅近似地知道用户位黉) ，那么寻呼开销就越高( 寻呼信息将需要在较大范围内发送) 。从节 省网络资源角度出发，定位和寻呼应能达到一个最佳的折衷方案。为了接收呼入信号，每 个移动用户首先必须定位，也就是说，系统必须确定该用户的大体位薰。 1 2 2 目前的移动性管理策略 目前的移动通信系统中，广泛使用了蜂窝技术：将提供移动通信业务的区域划分为许 多近似六边形的小区域，在此基础上，在相应的六边形中央设立基站，进而，每个基站覆 盖的范围，称为“小区”。对于系统而言，用户的移动性，体现为移动台在不同小区之间 的移动。在系统数据库中存储移动台所在的小区的编号，移动台每发起一次位置更新报告 流程，就将当前小区的编号等信息报告给系统，系统进而借助于此，实现对用户移动性的 管理。在用户的位置更新策略中，存在两中极端的情况： 1 “用户一直不更新”策略，该种情况下，用户从一小区进入另一小区，不需要向系 统报告，即不发起位置更新报告流程； 2 “用户一直更新”策略，该种情况下，一旦用户从某一小区进入到另一小区，马上 向系统报告，立即发起位置更新报告流程。 在第一种策略中，系统实际上不知道用户当前的位置，一旦系统需要寻找移动台，如 用户发起被叫时，系统需要在大范围内寻找，即在大范围内发寻呼消息，如果在一覆盖范 围较大，并且用户较多的移动网络中，这样的策略，系统寻找移动台的开销就会过大。 在第二种策略中，系统清楚地知道用户当前所在的小区，一旦系统需要寻找移动台， 系统只需要在某一特定小区中寻找，即在该小区中发寻呼消息，这种策略，系统寻找移动 堕塞塑皇查兰! ! 婴塑堡圭婴塑生堂堡堕苎苎二童堕堕 台的开销非常小。但是，这种策略要求移动台每发生一次小区位置改变。都须向系统报告， 这样用于位置更新的开销将十分可观，并且有很多位最更新信息是无用的，比如：用户在 两个小区来回移动，而此期闻系统并没有针对该用户的寻找要求，这样每次移动，都将发 起位置更新流程，占用一定的系统资源，而这种开销对系统而言，不是必要的。 由此可见，所谓位簧更新策略，本质上就是种权衡：位置更新的代价与寻找用户 的代价之间平衡，一般而言，一种代价大，另一种代价就小一些。因此，实际中的位置管 理策略也就是在这两者之间寻找一个最佳的平衡点，使系统的总开销达到最低点。 1 3 论文的安排及主要贡献 本论文着重研究了第三代移动通信中的移动性管理，以及w c d m a h l r 中的实现。 第一章首先介绍了移动通信的基本架构，在此基础上引出了移动性管理的概念，并对当前 网络中使用的移动性管理做了介绍；第二章探讨了目前业界研究的几种主要的移动性管理 策略，其中详细分析了最具实际实现价值的s u p e r - c h a r g e r 策略，阐述了其对现网的影响； 第三章介绍了h l r 网元具体的设计和实现方案；第四章结合作者在中兴通信实习期间实 际负责的模块，详细阐述了h l r m a p 的实现，其中就其关键技术和难点做了较详细的描 述，并且结合位置更新流程展示了m a p 的处理流程；第五章结合作者在青海移动参加的 实际入网测试项目，详细描述了试验环境和手段。 本文的主要贡献； 1 在大量研究了现有移动性管理策略的基础上，对s u p e r - c h a r g e r 策略进行了深入的 理论分析，并指了一旦引入该策略对现网可能产生的影响： 2 将h l r 网元m a p 在w c d m a 系统中实现( 与项目组成员一起) ，并通过大规模的 商用测试( 就目前公开发表的资料，是最早通过移动3 g 核心网带2 g 无线测试并获取入网 许可证1 ，证明了前期工作的有效性。 南京邮电大学2 0 0 3 级硕士研究生学位论文第二章移动性管理技术的研究 第二章移动性管理技术的研究 移动通信是目前通信业发展最迅猛的领域，随着第三代移动通信在全球范围内地逐步 推广和使用，这一势头将更加显著，仅中国大陆而言，3 g 及相关的市场容量就将达近万亿 人民币。移动性是移动通信有别与其它通信方式的最重要的特征，移动性管理技术就是研 究如何以最小的代价实现这一特征。本章首先介绍了一般位置更新的基本流程，接着介绍 了当前业界研究地较多的几种移动性管理的方式，最后详细介绍了目前最具实用价值的 s u p e r - c h a r g e r 策略，探讨了其实现方式其对现网的影响。 2 1 一般位置更新的基本信令流程t 1 6 1 下面就当前实际中使用得最多的一种移动性管理方式，简单介绍跨v l r 时的位置更 新流程： 图2 1 手机通过接受网络的广播，判断当前的l 筋号码与之前的l a 号码不一致，得知手 机已经从一个位置区( l o c a t i o n a r e a ) 移动到另一个位置区，随即触发位景更新的流程：通过 无线接口向网络发送l o c m i o nu p d a t er e q 消息，该消息经n o d e b 、r n c 、m s c v l r 到达 h l r ，h l r 随即向手机原来所在的m s c v l r 发c a n c e ll o c a t i o nr e q 消息，并且向当前所 在的m s c n l r 发插入用户数据消息，这样一次跨v l r 的位置更新结束。在这种位置管理 方式中，将若干连续个小区组成一个所谓的位置区，一般来说，一个m s c n l r 中有一个 或以上的位置区，手机如果只在位置区内移动，对核心网来说是透明的，就是说核心网并 不关心手机在同一个位置区内的移动；如果有对手机的入呼，网络将在这个位置区内广播。 r 南京邮电大学2 0 0 3 级硕士研究生学位论文第二章移动性管理技术的研究 2 2 目前研究的几种改进的移动性管理策略t 2 - s j 显然上述的移动性管理方法中有一个明显的缺陷：由于移动台越区有局部性，在越 区移动中真正经过的不同的位置区的个数要比越区次数小，比如：手机用户驾车从位置区 a b 一 c 一 d 一 c 一 b ，并且期闻未发生被g q 。那么从结果的角度来看，其实就 是从a 移动到b ，但如果按照上节的处理方式耍做五次位置更新，然而，其中真正有用的 修改只有一次：a 一 b ，从而造成系统资源的大量浪费，降低系统的效率和性能。 以下介绍一下就目前研究比较多的几种改进的移动性管理策略，最后着重分析最有可 能在商用的使用的一种改进：s u p e r - c h a r g e r 方式。 2 2 。l 指针前转策略 指针前转策略的基本思想是：使位置更新主要集中在v l r 间进行，而不涉及h l r 。 从而降低位置更新的代价。当移动台到达一新的位置区l a 时，向新l a 的v l r 发出登 记消息，而该当前v l r 则通知前一v l r 移动台已离开其区域，从而使前一v l r 删除 该移动台的用户记录，并建立一前转指针指向当前v l r 。由此，位置更新时形成v l r 间 的指针链。 图2 - 2 指针前转策略 呼叫建立时，h l r 沿前转指针链最终定位劲移动台当前所在的v l r 。在呼叫建立后， h l r 中关于该m s 的记录的指针直接指向当前v l r ，并删除原来的v l r 指针链。另外， 在指针链形成过程中，当移动台重复经过某一l 芦l 时，以该l a 为起始和终点的一段闭合 的指针链将被删除。 9 南京邮电大学2 0 0 3 级硕士研究生学位论文第二章移动性管理技术的研究 2 2 2 有门限的指针前转门限策略 显而易见，”指针前转策略”仍有一些弊端：如果手机的移动性比较大，在查找它时， 需要遍历很长的指针才能找到该手机，消耗的资源和时延仍比较大，带门限的指针推进策 略可以缓解这一矛盾： 我们引进一个正整数作为门限v ，设n 为移动台经过的位置区的个数，当n v l r 2 当手 机从l a l 2 进入到l a l 3 时，系统删除原有的指针v l r 0 - - v l r 2 ，新建指针v l r 0 - - v l r 3 ； 这时的“锚点”起到h l r 的作用。 当系统查找手机时，先在h l r 中查询，沿指针h l r 一 v l r 0 一 v l r 3 找到手机。在 锚点策略中，“锚点”的选择可以是静态，也可以是动态的，这两中方法都是将手机最近 一次接受到呼叫时所在的v l r 作为“锚点”，在动态的锚点策略中将手机移动及呼入的情 况，列入考虑改变“锚点”的因素。 南京邮电大学2 0 0 3 级硕士研究生学位论文 第二章移动性管理技术的研究 2 2 4s u p e r c h a r g e 策略的研究分析 概念的弓i 入 有关移动性位置登记管理的改进，目的是尽可能地降低由于位置更新引起的，在无线 接口和核心网信令两方面的信息交换和处理开销。对现有的第二代移动系统的统计数据表 明，位置更新不仅占用宝贵的无线射频资源，并且对核心网的开销也相当客观，尤其是频 繁地对v l r 插入用户数据，占用了大量带宽和系统处理能力，特别现代中心城市中，用 户数密度高，移动性大，严重时甚至导致系统的饱和。 为了降低i n t e r - v l r 和i n t e r - s g s n 位置更新的移动性管理的成本，在w c d m a 标准 中引入了s u p e r c h a r g e r 的概念和方法，这种方法主要是针对用户数据管理的改进，从而达 到降低移动性管理成本的目的，值得一提的是，这种改进并不需要对现有网络的结构和功 能特性作改变。 具体实现方式 基于目前2 g 的实现方式，当移动用户漫游到不同的v l r 或s g s n 时，新的v l r 或 s g s n 必须从h l r 处重新下载用户数据，同时原v l r 或s g s n 的用户数据将被删除。当 用户频繁漫游于不同的v l r 或s g s n 之间时，需要频繁地下载和删除用户数据，将会造 成大量的信令负荷。 s u p e r - c h a r g e r 概念提出的出发点是在对信令流程进行少量修改的情况下。减少v l r 或s g s n 间位置更新过程中的移动性管理开销。我们知道，在一个城市中，尤其是密集市 区，会设置有多个v l r 或s g s n ，移动用户频繁漫游于v l r 或s g s n 之间。s u p e r - c h a r g e r 技术就是针对以上问题提出的一种解决方案，利用v l r 或s g s n 的空闲存储空间存储访 闯过该节点的用户数据，当用户漫游出该位置区时不进行删除操作。可以在不需增加新的 网络实体、不需增加任何功能特性的情况下，降低网络的信令负荷。 具体做法是：当用户漫游到不同的服务m s c v l r 时，不去发起位置取消的流程，使 用这样的方式的益处在于，一旦用户漫游回到原来的那个m s c v l r 时，用户的数据已经 存在，这样就可以省去位置更新中的插入用户数据流程，从而达到了减少位置更新中信令 流量的目的。 以某个c s 域用户的上下班为例：早上用户从家中赶去公司上班，沿途所漫游到的v l r 将进行下载和删除用户数据操作；晚上从公司回到家中，沿途所漫游到的v l r 将再次进行 下载和删除用户数据操作。在v l r 的网络中，其流程如图所示： 1 2 南京邮电大学2 0 0 3 级硕士研究生学位论文第二章移动性管理拉米的研究 圈2 - 4s u p e r c h a r g e r 网络中早晨飙屠所到办公地点的位置更新流程囤 由图2 4 可见，当用户漫游出家庭所在的v l r 时，用户数据仍在v l r 中保留，不进行删 除操作。 圈2 - 5s u p e r c h a r g er 网络中夜晚从办公地点到居所的位置更新谶程墅 由图2 5 可见，当用户漫游回原拜访过的家庭所在的v l r 时，用户数据仍在v l r 中保翟， 如v l r 中数据没有更改则v l r 中用户数据可用，“位置更新”信令流程将不需要。通过这种 方法，减少了移动性管理开销。 当然，采用了s u p e r - c h a r g e r 技术的网络，当用户漫游出v l r 时，v l r 中仍然保留 1 3 南京邮电大学2 0 0 3 级硕士研究生学位论文 第二章移动性管理技术的研究 用户数据，将对v l r 的存储空间有较高的要求。为满足对新漫游入用户的服务，可以采 用两种方法来解决v l r 存储空间的问题。一是可以采用对过期用户数据进行周期性删除 的方法，要求v l r 对用户数据进行核实；二是动态的删除用户数据以腾出空间。 以下分别是未使用s u p e r - c h a r g e r 与使用s u p e r c h a r g e r 网络的位置更新信令流程图 n e w0 t d m sb s sm s c n l rm s c v l r h l r 图2 - 6 现有网络中( 未使用s u p e r g h a r g e r ) v l r 问位置更新的消息流程 图2 - 6 中给出了在当前第二代移动通信网络中v l r 间位置更新的消息流程。在该流 程中，位置更新请求al ur e q u e s t 消息中带有原v l r 的l a i 信息，这将使新v l r 触 发流程去原v l r 索取鉴权三元组( 通过s e n di dr e q u e s t 消息) ，新v l r 随后向h l r 进行位置更新请求，在删除原有v l r 用户数据后，在新v l r 插入用户数据，随后新v l r 向m s 发送位置更新确认消息并完成t m s i 重分配。 南京邮电大学2 0 0 3 级硕士研究生学位论文第二章移动性管理技术的研究 m s n e w b s s m s c v l r o l d m s c ，v l r 图2 - 7 支持s u p e r - c h a r g e r 网络中v l r 间位置更新的消息流程 图2 7 中给出了在支持s u p e r - c h a r g e r 的网络中v l r 间位置更新的消息流程。本流程 中假设移动用户先前接受过该m s c v l r 的服务，并且v l r 中保存了该用户数据，并且该 数据可用。在该流程中，位置更新请求a l ur e q u e s t 消息中带有原v l r 的l a i 信息， 这将使新v l r 触发流程去原v l r 索取鉴权向量( 通过s e n d i d r e q u e s t 消息) ，新v l r 随后向h l r 进行“l o c a t i o nu p d a t e ”请求，参数中携带v l r 中所存储用户数据的 最新更改日期时间。h l r 进行核实后，用户数据未改变。既然h l r 和v l r 都支持 s u p e r - c h a r g e r ，则不必发送“c a n c e l l o c a t i o n ”消息和“i n s e r ts u b s c r i b e r d a t a ” 消息。 s u p e r - c h a r g e r 技术引入对网络的影响 s u p e r - c h a r g e f 机制通过修改位置更新流程来减少v l r 或s g s n 间的移动性管理。实现 s u p e r - c h a r g e r 需要对v l r 或s g s n 间的位置更新操作进行如下修改： 1 ) 在每一个“m a p _ u p d a t e _ l o c a t i o n ”和“m a p _ u p d a t e _ ( 3 p r s _ l o c a t i o n ” 消息中增加一个新的参数，用以指示该v l r 或s g s n 间是否支持s u p e r - c h a r g e r ， 同时提供 1 5 南京邮电大学2 0 0 3 级硕士研究生学位论文 箱二章移动性管理技术的研究 从h l r 所获取用户数据的最新更新日期时间： 2 ) 在“i n s e r t _ s u b s c r i b e r _ d a t a ”消息中增加一个参数用于描述用户数据最新更 改日期时间： 3 ) h l r 不再对支持s u p e r c h a r g e r 的v l r 或s g s n 间发送“m a p c a n c e ll o c a t i o n ” 消息： 4 ) 在v l r 或s g s n 间对数据的管理进程中，当一些非激活的用户数据时，将不再向h u l 发送“m a p m s p u r g e ”消息给h l r 去通知信息已删除； 图2 - 8 支持s u p e r + c h a r g e r 的网络 以下以一个例子说明引入s u p e r - c h a r g e r 后网络信令消息的变化。一个城市中移动网 络由5 个m s c v l r 组成如图所示。假设移动用户从m 地( 由v l r c 覆盖) 到n 地( 由b 覆 盖) 并且返回n 地，在没有s u p e r - c h a r g e r 时，将有8 个“i n s e r ts u b s c r i b e rd a t a ”对话和8 个“c a n c e ll o c a t i o n ”消息需要和h l r 进行交互。另外v l r 间将有8 个“u p d a t el o c a t i o n ” 消息交互。在采用s u p e r - c h a r g e r 的情况下，如果图中所有的m s c v l r 都能够保存用户数 据，那么从m 地到n 地将有4 个“i n s e r ts u b s c r i b e rd a t a ”对话，没有“c a n c e ll o c a t i o n ” 消息需要和h l r 进行交互：因为从n 再回到m 地时，各v l r 中还保存着该用户数据， 所以将不再有“i n s e r ts u b s c r i b e rd a t a ”对话和“c a n c e ll o c a t i o n ”消息和v l r 进行交 互。总结一下，就上述的例子而言，在没有s u p e r - c h a r g e r 的情况下，v l r 之间位置更新 的总信令开销为：( 位鼋更新开销+ 插入用户数据开销+ 取消数据开销) 8 ；当采用 s u p e r - c h a r g e r 时，v l r 之间位置更新的总信令开销为：( 位置更新开销+ 插入用户数据开 销) + 4 ； 1 6 南京邮电大学2 0 0 3 级硕士研究生学位论文 第二章移动性管理技术的研究 从上述计算可得，采用s u p e r - c h a r g e r 后，v l r 间位置更新的信令开销将节省5 0 左右。如果用户数据在拜访过的v l r 存储时间更长，用户在v l r 间频繁漫游时，