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浙江工业大学硕士学位论文无线移动网络中智能位置管理策略研究 无线移动网络中智能位置管理策略研究 摘要 在无线移动网络中，由于系统支持个人移动性和终端移动性，因 而，用户可以在任何时间、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。当一个呼叫到达时，为了向用户 传递这个呼叫，网络必须能够识别被呼用户的确切位置。由于无线带 宽的匮乏和网络及其支撑数据库的信令承受能力的限制，当移动用户 数不断增加时，如何高效、经济地跟踪移动台，为网络节省不必要的 资源开销，已经成为一个具有挑战性的国际前沿研究热点问题。 无线移动网络的资源管理中，一个重要的组成部分就是位置管理。 位置管理用于跟踪移动台，由位置更新和寻呼两个基本操作所组成。 本文基于增强学习理论与方法，提出了一种自适应的多阶段智能寻呼 策略，通过学习寻呼过程所获得的移动台位置信息，动态调整各寻呼 阶段所寻呼的小区，以减少寻呼代价，进而降低位置管理的总开销。 此外，通过仿真实验，将本文所提出的“自适应寻呼策略”与现行移 动通信网络所用的“基本寻呼策略”以及“无学习的寻呼策略”的性 能进行了比较分析，结果显示：“自适应寻呼策略”能较大地降低寻呼 代价，且优于“基本寻呼策略”及“无学习的寻呼策略”，同时，寻呼 时延也能够降低到一个合适的水平。 关键词：无线移动网络，个人通信网络，移动性管理，位置管理， 增强学习 1 浙江工业大学硕士学位论文 无线移动网络中智能位置管理策略研究 s t u d yo ni n t e l l i g e n tl o c a t i o nm a n a g e a 征扑i t s t ra t e g i e si nw i r e l e s sm o b i l en e t w o r k s i nw i r e l e s sm o b i l en e t w o r k s ，w h i c hs u p p o r tp e r s o n a la n dt e r m i n a l m o b i l i t y , u s e r sc a nu s ea n ym o b i l et e r m i n a l s ( m t s ) w i t l lt h eu s e r s p e r s o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o nn u m b e r st oc o m m u n i c a t ew i t h a n y o n e a n y t i m ea n y w h e r e g e n e r a l l y , w h e nac a l lt oam o b i l eu s e ra r r i v e s ，t h e n e t w o r kn e e d st o e x a c t l yk n o wt h e u s e r sl o c a t i o nt oe s t a b l i s ha c o m m u n i c a t i o nr o u t eb e t w e e nt h ec a l l e ra n dt h em o b i l eu s e rs ot h a tt h e c a l li st r a n s f e r r e dt ot h em o b i l eu s e ri nas h o r tp e r i o do ft i m e w i t ht h e t e n d e n c yo fm o b i l eu s e r s e x p l o s i v eg r o w t h ，b a n d w i d t hl i m i t a t i o na n d s i g n a l i n gt r a f f i co v e r l o a do nt h en e t w o r kh a v eb e c o m eas e r i o u sp r o b l e m t h e r e f o r e ，h o wt oe f f e c t i v e l ya n de f f i c i e n t l yt r a c km o b i l eu s e r st u r n si n t o o n eo f t h er e s e a r c hf r o n t i e r so v e rt h ew o r l d l o c a t i o nm a n a g e m e n t , w h i c hi su s e di nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k st ot r a c km o b i l et e r m i n a l s ，p l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nr e s o u r c e m a n a g e m e n to fw i r e l e s sm o b i l en e t w o r k s i th a st w ob a s i co p e r a t i o n s ： 浙江工业大学硕士学位论文 无线移动网络中智能位置管理策略研究 l o c a t i o nu p d a t ea n dp a g i n g b a s e do nr e i n f o r c e m e n tl e a r n i n g ，am u l t i s t a g e a n da d a p t i v ei n t e l l i g e n tp a g i n gs c h e m ee m b e d d e dar e i n f o r c e m e n tl e a r n i n g m e c h a n i s m ，r e f e r r e dt oa sa na d a p t i v ei n t e l l i g e n tp a g i n g ( a i p ) b e l o w , i s p r o p o s e di nt h i sp a p e r , w h i c hl e a r n sm t s l o c a t i o ni n f o r m a t i o no b t a i n e di n p r e v i o u sp a g i n gp r o c e s s e sa n dd y n a m i c a l l ya d j u s t st h ec e l l si n c l u d e di n e a c hp a g i n gs t a g es ot h a tp a g i n gc o s ti sr e d u c e d i na d d i t i o n ，s i m u l a t i o n a n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i sf i l em a d et oc o m p a r et h ea i pw i t ht h eb a s i c p a g i n gs c h e m e ，u s e di nt h ee x i s t i n gm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ss u c h a sg s m ( g l o b a ls y s t e m sf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) ，a n dt h ep a g i n g s c h e m ew i t h o u tl e a r n i n gm e c h a n i s m s i m u l a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h e k i pi st h eb e s ta m o n gt h et h r e es c h e m e s ，a n dt h a tu n d e rt h ea l pt h ep a g i n g c o s tc a nb er e d u c e dc o n s i d e r a b l ya n dt h ed e l a yc a nb ec o n t r o l l e dw i t h i na r e a s o n a b l er a n g e k e yw o r d s ：w i r e l e s sm o b i l en e t w o r k ，p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s e r v i c e s n e t w o r k s ，m o b i l i t ym a n a g e m e n t ，l o c a t i o nm a n a g e m e n t ， r e i n f o r c e m e n tl e a r n i n g i j i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名： 翰成 日期：汐彩年2 月1 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密留。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：1 律霜舅茸 导师签名： 日期：沙，饵i z 月。日 日期：d 莎年i2 月1 2 日 浙江工业大学硕士学位论文无线移动网络中智能位置管理策略研究 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 信息技术的飞速发展使人们的生活发生了日新月异的变化，通信技术的进步 更是对人类的文明与社会的进步产生了深刻的影响。移动通信系统满足了人们“随 时随地访问所需信息”的需要，已经成为人们生活中不可或缺的一部分，对人们 的生活方式产生了极大的影响。无线通信技术通过不断的发展与完善，解决了人 或设备的移动而产生的信息( 如语音、数据、图像、视频等) 传输与交换的困难， 使人们随时随地、快速可靠地访问多元化信息成为可能。 无线通信网络由最初只用于军队作战与指挥活动发展到现今的民用和商用。 一方面，它为人们的通信提供了便捷、质优的服务。另一方面，它也为众商家带 来了丰厚的利润。据不完全统计，全世界目前已有2 0 多亿的移动用户，全球绝大 多数国家都建立了自己的无线通信网络。特别值得一提的是，无线通信网络在最 近的二十几年呈现出蓬勃发展的趋势，其市场发展速度和规模令人惊叹不已。就 我国来说，自1 9 8 7 年我国电信开办移动电话业务以来到1 9 9 3 年，用户年增长速 度2 0 0 以上，用户数几乎每年翻一番；至2 0 0 1 年8 月时，用户数超过了1 2 亿， 成为世界上移动用户数最多的国家；据中国信息产业部数据显示，至2 0 0 6 年6 月 底，中国移动电话用户数量已达到4 亿多，远远超过了固定电话的用户数量。 人们期望无线移动网络能够随时随地地向他们提供高质量的信息服务。然而， 要达到这样的效果还面临许多困难，例如，当移动终端( 也称为移动台) 在网络 中不停地移动时，导致网络与移动终端链接的不稳定，给网络追踪移动终端带来 困难，无线移动网络难以向用户提供持续的连接和良好的服务质量。此外，当网 络需要与移动台通信( 如有一个对移动台的呼叫产生) 时，网络必须知道这个移 动台的准确位置，才能与之进行通信。与固定终端相比较，移动台的位置是随时 间不断变化的。因而，网络有必要对移动台的位置进行追踪，以确保及时找到这 塑垩三些查兰堡主兰垡丝茎型堡垫璺垒! 塑堡垡墨篁里丝堕竺墨 个移动台。由此可见，怎样有效地管理用户的移动性以提高整个网络系统的性能 已经成为无线通信研究领域的一个重要研究问题。 移动性管理是支持移动台在整个网络覆盖范围内无缝移动，使移动台能够连 续不断地从网络获取服务的一种技术。移动性管理由切换管理与位置管理组成l l 】o 切换管理维持无线网络与移动台的连接的连续性；位置管理使无线网络能够跟踪 及定位移动台。在无线移动网络中，用户可以在系统覆盖范围内任意移动。为了 能把一个呼叫准确传送到随机移动的用户，就必须有一个高效的位置管理系统来 跟踪移动台。 位置管理涉及到两个基本操作：位置更新和位置查找。位置更新由移动台触 发，是移动台将自己的当前位置告诉网络系统，以使系统及时更新其位置信息的 过程；位置查找是系统寻找移动台的过程。在无线通信网络中，配置了位置数据 库以记录移动台的当前位置。位置管理有两个极端情形：“总是更新”和“永不更 新”。在“总是更新”情形下，一旦移动台从一个小区进入到另一个小区，网络就 立即更新位置数据库。这样，移动台的位置信息垂手可得，因而位置查找代价很 低；然而，位置更新代价非常大。在“永不更新”情形下，移动台从一个小区进 入到另一个小区时，网络不更新位置数据库。显然，此时的位置更新代价很低， 几乎为零；然而在查找移动台时需要进行大面积的搜寻，有时甚至是在整个网络 中查找，因而位置查找代价很大。由此可见，在位置管理策略中，位置更新的代 价与位置查找的代价之间，存在一种权衡：其中一个大，另一个就小。 当前许多国家正在使用的无线移动通信系统( 如g s m ，i s - 4 1 ) 采用的是两层 位置数据库结构以支持位置管理，它们是归属位置寄存器0 - m r ，h o m el o c a t i o n r e g i s t e r ) 和访问位置寄存器( v l r ，v i s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r ) 。在这些通信系统中，位 置管理的方法是：同一位置区内的所有基站都周期性的广播其位置区识别号；移 动台将它所存储的位置区识别号与基站广播的位置区识别号进行比较，如果不同， 则执行一次位置更新操作；当呼叫到达时，网络在移动台当前所在位置区内的所 有小区同时查找以确定其精确位置。虽然这种位置管理策略易于实施，但代价较 大，也造成了资源的浪费。例如，当用户经常在几个位置区之间来回地漫游时， 那么系统就产生了很多不必要的位置更新费用。另外，随着移动用户数的成倍增 长，呼叫信令也会成倍增长，而每次呼叫时，需要对位置区中的所有小区进行广 播，将会产生很大的位置查找费用，并且，由于系统本身对信令的承受能力有限， 2 塑堡三些查兰堡主兰垡堡奎 至堡整垫塑垒! 塑些垡墨笪矍苎堕里壅 所以当呼叫信令增加时，就会产生信道拥挤甚至阻塞等问题。 由于移动台数量膨胀，无线频谱有限而移动用户对无线服务质量的需求不断 增长，现行位置管理策略将变得效率低下，因而，有必要对位置管理策略加以研 究。研究位置管理策略对提高当前无线移动网络的性能和效率，对新一代移动通 信系统的设计与高效运行，对优化资源配置以及对移动计算研究领域都有重要的 意义。 1 2 无线移动网络的发展 无线移动通信系统在过去的几十年中得到了一个快速的发展。到目前为止， 无线移动网络已经发展成两类【l 】：一类是基于基础通信设施( 如基站) 的，如蜂 窝移动网络；另一类是无基础通信设施的，如自组网( a dh o cn e t w o r k ) 、传感器网 络( s e n s o r n e t w o r k ) 、个人域网( p a n ，p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ) 和蓝牙网络( b l u e t o o t h p i c o n e t ) 。本文主要研究基于基础通信设施的蜂窝无线移动网络。蜂窝无线移动网 络的发展大致可分为四个阶段：第一代模拟系统( 简称1 0 ) 、第二代数字系统( 简称 2 0 ) 、第三代个人通信服务( p c s ，p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e ) 系统( 简称3 6 ) 、 第四代宽带移动通信系统( 简称4 g ) 。 1 2 1 第一代移动通信系统 第一代移动通信系统的产生是在2 0 世纪7 0 年代，在8 0 年代初期便被用于商 业领域，对应的接入技术是频分多址技术f d m a ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) ，它仅能提供9 6 k b i t s 通信带宽且主要被用于商业中。由于计算机技术和 大规模集成电路技术的快速发展，移动终端的小型化与移动通信的系统设计等主 要问题便得到了较好的解决，而且，在这个阶段，“蜂窝”概念也得到了发展。随 后不久，美国贝尔实验室便开始着手小区制的蜂窝式移动通信系统的开发与研究， 并与1 9 7 8 年成功开发出了a m p s ( a d v a n c em o b i l ep h o n es e r v i c e ) 系统，该系统是 世界上第一种具有随时随地通信的大容量的蜂窝移动通信系统。它采用了频率复 用技术，实现了在整个覆盖区域内自动接入公用电话网的目标，这就使得它较之 以前的系统具有更大的容量和更好的语音质量。到在8 0 年代中期时，日本和欧洲 的英、法等国家也分别研制出了属于自己的蜂窝式移动通信系统，如日本电报电 3 塑坚三兰竺奎兰堡主兰竺堡苎歪堡堑垫壁垒! 塑壁堡墨竺里丝坚里塞 话公共公司推出的m c s l l ( m o b i l ec e l ls e r v i c e l 1 ) 系统、英国的e t a c s ( e u r o p e n a t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 系统、法国的4 5 0 系统，北欧国家的 n m t - 4 5 0 ( n o r d i cm o b i l et e l e p h o n e 4 5 0 ) 系统等。由于这些系统都采用了双工的 f d m a 模拟制式系统，因而这代无线移动通信系统也被称为第一代蜂窝模拟移动 通信系统。 虽然这种蜂窝式模拟移动通信系统的发展取得了很大的成功，但是它在实际 应用当中却暴露了不少问题，比如频谱效率较低、有限的频谱资源不能满足无限 的用户容薰、业务种类单一化、同频干扰和互调干扰严重以及保密性较差等。因 此，蜂窝式模拟移动通信系统经过一段时间的应用之后便面临着巨大的困难和压 力。 1 2 2 第二代移动通信系统 2 0 世纪8 0 年代中期开始，随着超大规模集成电路技术、低速语音编码等技 术的相继出现，数字技术便迎来了它蓬勃发展与应用的时期。正是在这个时期， 移动通信系统便开始由蜂窝式模拟系统逐渐向数字处理系统转化，人们对于第二 代移动通信系统的开发也由此开始了。 使用数字传输技术的第二代移动通信系统是在8 0 年代引入的，对应的接入技 术主要有时分多址技术t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 和码分多址技术 c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 两种，它可以提供9 6 2 8 8 k b i t s 的传输速 率。相对于第一代移动通信系统而言，第二代移动通信系统提供了更高的频谱效 率、更好的数据业务以及更先进的漫游。这一代的典型系统产品有欧洲的 g s m ( g l o b a ls y s t e r n sf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) ，日本的p d c f p e r s o n a ld i s t a l c e l l u l a r ) 、美国的i s - 1 3 6 ( i ) - a m p s ) 和i s 9 5 ( c d m a ) ，其中前三个是t d m a 系统； 它们提供的业务包括语音和低速率的数据业务。无论是第一代还是第二代，主要 针对语音通信设计的，语音仍是当前和未来一段时间内移动通信市场的基石和主 阵地。数字语音移动通信仍是移动通信的主流市场。特别对发展中国家而言，人 们对通信的需求还主要集中在语音领域，所以，在未来几年中，第二代数字语音 通信仍然是这些国家移动通信市场的重点和支柱。 随着全球互联网用户数爆炸式的增长，目前移动数据业务也呈现出迅猛的上 升趋势。一方面为了增加移动通信系统的数据传输能力，另一方面也为了使移动 4 塑翌三些查兰里主兰竺丝苎歪丝整垫旦竺! 塑堑垡里竺墨丝! 堕塞 通信系统与互联网更好的结合，一些新技术如通用无线分组服务g p r s ( g e n e r a l p a c k e tr a d i o s e r v i c e ) 、e d g e ( e n h a n c e d d a t at a t c $ u s i n go p t i m i z e d m o d u l a t i o n e n h a n c e dd a t ar a t e sf o rg s m g l o b a le v o l u t i o n ) 、c d m a 2 0 0 0l x 技术、 无线应用协议w a p ( w i r e l e s s a p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 、蓝牙b l u e t o o t h 技术等。由于这 些系统兼有第二代与第三代移动通信系统的特点，是前者向后者的过渡系统，因 此它们也被称为是第2 5 代无线移动通信系统。 g p r s 是迎合g s m 移动通信市场和全球因特网的迅猛发展和日益融合而推出 的，它为g s m 运营商由仅提供语音业务向提供综合信息服务业务领域的拓展提供 了重要的网络平台，并为g s m 向第三代移动通信的过渡打下基础，被喻为“未来 3 g 系统的助推器”。它有如下特点： 1 从无线部分到有线部分提供端到端的分组数据传输，无线部分可按需动态 分配话音和分组信道，更为有效地利用频率资源； 2 向用户提供更高的接入速率1 1 5 k b i t s 和更短的接入时间； 3 可更为有效地提供短消息、w a p 等原有数据业务； 4 底层基于t c p i p 协议，可与因特网进行无缝连接； 5 可提供按时间、流量、内容等更加灵活的计费方式； 6 依靠g s m 的广阔覆盖，可提供随时随地的数据接入； 7 对原有g s m 设备无需进行大的改动。 g p r s 是g s m 向第三代系统过渡，同时又兼顾现有第二代系统的2 5 g 系统。 1 2 3 第三代移动通信系统 自从数字无线系统实施以来，移动用户的数量得到了急剧增长，因而，用户 对无线服务也提出了更多的需求，大致反应在以下几个方面1 2 】： l 、空间的扩展：在过去的几十年里，用户的漫游区域从当初的局部区域扩大 到了全球范围。 2 、渗透比例的增加：在世界上许多地方，移动用户数正以2 0 - - 5 0 的增长 速度不断增加。 3 、信令量的增长：随着移动用户数的增加，无线网络的信令量也不断增加。 随着用户对服务需求的增长，现有的无线服务已不能满足用户的需要。受公 众对更加高级的服务需求所驱使，无线服务的提供者们正计划实施p c s ( p e r s o n a l 5 塑堡三些查兰堡主兰垡堡苎歪堡堡垫塑竺! 塑堕垡重篁型堕曼堡壅 c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ) 系统。在这种系统下，无线服务的能力将会大大提升，可 以满足用户更多的需求。在欧洲，第三代移动通信系统是指u m t s ( u n i v e r s a l m o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，与此同时，在世界范围内，国际电信联盟( i t u ， i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 提出的第三代系统i m t - 2 0 0 0 ( i n t e m a t i o n a l m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ) 也开始得到应用。美国通信委员会对p c s 系统的定义 是：在该系统中，用户只需用一个个人无线通信号码就能与任何人在任何地点、 任何时间，通过任何设备交换各种信息。它将具有以下几个方面的特征【3 l 【4 】： 1 、具有统一标准的无缝体系结构：p c s 系统的主要目的是整合各种现存的通 信系统，诸如公共陆路移动网络( p l m n ，p u b l i cl a n dm o b i l en e t w o r k ) 、公共交换 电话网络口s t n ，p u b l i cs w i t c h i n gt e l e p h o n en e t w o r k ) 、综合业务数字网( i s d n ， i n t e g r a t e ds e r v i c ei ) i g i t a ln e t w o r k ) 、无线异步传送模式系统( w a t m ，w i r e l e s s a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 和卫星通讯网络等，以此提供一种不考虑用户位置的 无处不在的接入服务。从用户的观点来看，当他们从一个服务网络漫游到另一个 服务网络时，服务网络的改变应该是透明的。 2 、支持高质量的多媒体服务：p c s 系统将为用户提供一个广泛的服务，包括 声音、数据包和多媒体，并能根据需要提供所需的带宽。i t u 规定的第三代移动 通信无线传输技术的最低要求中，必须满足以下三种环境的要求：快速移动环境， 最高速率达1 4 4 k b s ：室外到室内或步行环境，最高速率达3 8 4 k b s ；室内环境， 最高速率达2 m b s 。 3 、支持用户全球漫游。 4 、拥有独一无二的个人无线通信号码( p t n ，p e r s o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n n u m b e r ) ：无论一个用户处于哪个位置，使用哪种设备，系统只需通过一个独一无 二的无线通信号码就能找到该用户。p t n 是用户具有移动性的基础。 5 、服务范围更为广泛：p c s 系统将可以对全球5 0 以上的人口提供服务。 6 、使用通用的手持机：一个小而轻的便携式通信工具将被用于获取所有可获 得的服务。 7 、拥有多种类型的用户：p c s 系统将向有不同服务需求的不同用户提供各种 服务。 8 、服务更加安全：更为高级的认证识别和保护技术将从各种潜在的危险( 例 如由于对不同系统整合和用户漫游所导致的不合法的进入、偷听等) 上对用户实 6 浙江工业大学硕士学位论文 无线移动网络中智能位置管理策略研究 施保护。 同时，还要将综合宽带网的业务尽量延伸到移动环境中，能够传送高达 2 m b i t s 的高质量图像，真正实现“任何人，在任何地点、任何时闻与任何人”都 能便利地通信。 1 2 4 第四代移动通信系统 虽然第三代移动通信系统的目标之一是形成统一的标准，但从现在的发展来 看，其结果不太乐观。因为到目前为止，全球已经出现三种技术标准并存的局面： 美国的c d m a 2 0 0 0 、欧洲和日本的w c d m a ( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 以及我国提出的t d s c d m a ( t t m ed i v i s i o n - s y i l c i 啪n o 邺c o d ed i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 。随着人们生活、工作空间的日益扩大，3 g 不能充分满足人们各 方面的需要。于是，第四代移动通信系统即4 gf f o u r t h g e n e r a t i o n ) 出现了。 4 g 通信技术并没有脱离以前的通信技术，而是以传统通信技术为基础，不断 提高无线通信网络效率和功能。与传统的通信技术相比，4 g 通信技术的优势在于 通话质量及数据通信速度，它可以满足用户在移动过程中看电视( m o b i l et 、收 发多媒体信息等需求。4 g 的容量比3 g 大l o 倍以上，将采用全数字、全m 分组 交换技术，使无线局域网( w l a n ，w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 局 域网等融入到广域网中，提供更高的传输速率和更大的容量 5 1 。4 1 3 也将是为未来 无线通信服务的，它将多媒体包括语音、数据、影像等大量信息透过宽频的信道 传送出去，因而也被称为多功能集成的宽带移动通信系统。它的传输速率：移动 台在静止状态时达到1 0 0 m b s ，以时速1 0 0 英里移动时达到2 0 m b s 。事实上，日 本的n t td o c o m o 公司及s a m s u n g 公司正在试验静止速率1 g b s ，移动速率1 0 0 m b i t s 的系统。 除了高速信息传输技术外，4 g 还包括高速移动无线信息存取系统、移动平台 技术、安全密码技术以及终端间通信技术等，具有极高的安全性，4 ( 3 终端还可用 作诸如定位、告警等。目前，一些发达国家正在研制的4 g 通信具有如下特征旧： 通信速度更快、网络频谱更宽、通信更加灵活、智能性更高、兼容性更平滑、实 现更高质量的多媒体通信以及通信费用更加便宜等。 当前，许多国家正在进行4 g 技术规格的研究制定，如美国电报电话公司 ( a t & t ，a m e r i c a nt e l e g r a p ha n dt e l e p h o n ec o r p o r a t i o n ) 开始在实验室中研究4 g 7 塑坚三些查兰堡主兰竺丝苎至竺堡垫塑竺! 塑丝垡兰笪堡丝堕竺塞 技术，其目的是提高蜂窝电话和其它移动装置无线访问因特网的速率；瑞典爱立 信公司开始着手研究4 g 系统：日本的d o c o m o ( d oc o m m u n i c a t i o n so v e rt h e m o b i l e n e t w o r k ) 移动通信公司也已在日本进行4 g 的研究，并计划在2 0 0 6 年推出 4 g 系统，在2 0 1 0 年左右首度推出4 g 业务并意图使它成为全球的标准；韩国政府 将斥资1 3 5 0 亿韩元用于4 g 通信系统的开发；另外，我国汉网公司研制出的汉网 “宽带无线m 通信系统”使用了4 g 技术和i p 网络技术，为我国4 g 的研发奠定 了基础。 1 3 无线移动网络的基本结构 不同的移动通信网络，有不同的结构，一般由接入网络( a c c e s sn e t w o r k ) 与核 心网络( c o r en e t o w r k ) 组成。接入网络包含了将移动台与网络联接的无线电收发设 备，接入网络之间通过核心网络互连在一起。在g s m 中，接入网络也称为基站子 系统( b s s ，b a s es t a t i o ns u b s y s t e m ) ，核心网络称为移动交换与管理子系统( m o b i l e s w i t c h i n ga n dm a n a g e m e n ts u b s y s t e m ) ，其基本结构如图1 1 所示 7 1 ，其基本部件 有：移动终端( m t ，m o b i l et e r m i n a l ) 或移动台( m s ，m o b i l es t a t i o n ) 、基站( a s ，b a s e s t a t i o n ) 、基站控制器饵s c ，b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ) 、移动交换中心( m s c ，m o b i l e s w i t c h i n gc e n t e r ) ，网关移动交换中心( g m s c ，g a t e w a ym o b i l es w i t c h i n gc e n t e r ) 等。此外，还配置了数据库，如归属位置寄存器( h l r ，h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ) 和 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 ) ，用于支持位置管理。 图1 1g s m 结构川 s 塑垩三些查兰堡主兰竺笙苎 歪垡整垫里竺! 塑丝垒兰篁里丝堕堡壅 1 移动台m s 移动台是用户用于与蜂窝网络通信的一种设备，它内置了无线电接收与发射 设备。移动台的作用是通过空中接口为用户提供通信。移动台有车载台、便携式 台及手持台等类型。 2 基站b s b s 在g s m 中对应b t s ，是一种连接无线台盯和m s c 的无线收发装置。在 b s 内部，安装有无线发射器和无线接收器两种无线电装置。b s 具有无线传输和 无线资源管理作用。一个b s 的无线覆盖区域被称为一个小区或蜂窝( c e l l ) 。 3 基站控制器b s c 每个b s c 都控制着一个位置区中的所有基站，b s c 使得基站与m s c 之间能 够互相通信，并管理无线资源，监督信道的接入与通信( 功率控制、切换等) 。 4 m s c 与g m s c m s c 与g m s c 均属于核心网络，用于支持移动台的移动，如实现定位与切 换，位置管理是m s c 的主要功能之一。m s c 将各b s c 连接到网络，g m s c 将网 络与外部网络( 如i s d n 等) 相连；一个m s c 只对与它相连的b s c 进行服务，而 g m s c 是对整个g s m 服务的。 5 h l r 与v l r h l r 是一个主要的信息数据库寄存器，储存在h l r 中的信息包括：移动用 户的i s d n 号码、国际移动用户识别号、位置信息、基本电信业务签约信息、业 务限制( 例如限制漫游) 以及补充业务表( 包含了业务所涉及的参数) 等。与h l r 相比较，v l r 只是一个储存用户信息的临时数据库。根据用户的注册登记情况， 用户的特征信息既可以被增加进v l r 也可被从中删除掉。 当用户处于某个m s c 的管辖范围时，用户的信息将被从该m s c 对应的h l r 中下载下来，并被储存在一个临时的数据库( 即v l r ) 里。当有一个用户的呼叫请 求到达这个m s c 时，该m s c 首先就会在临时数据库查询用户的信息。如果在l 临 时数据库中查找不到，则再查找对应的h l r 。这就减少了与h l r 的信令通信量。 在建立移动台与网络的连接时，m s c 与g m s c 必须查找下一个交换节点以 建立路由，这需要移动台的当前位置信息，因此m s c 及g m s c 需要与h l r 与 v l r 连接( 如图1 1 ) 。 类似地，g p r s 、u m t s 等网络的结构图可以从文献【7 】中找到，此处就不赘述 。 浙江工业大学硕士学位论文 无线移动网络中智能位置管理策略研究 了。 1 4 本文的研究内容与编排 1 4 1 研究内容 本文基于增强学习的原理与方法，提出了一种自适应的多阶段智能寻呼策略。 该策略在采用顺序寻呼的基础上，通过学习寻呼过程所获得的移动台位置信息， 动态调整各阶段的寻呼区域，旨在降低查找移动台的代价。这种寻呼策略，无需 事先知道移动台的移动模型，可以与已有的位置更新方案结合使用，从而降低位 置管理的总费用。此外，对所提出的智能寻呼策略进行仿真研究，并将“自适应 寻呼策略”、“基本寻呼策略”及“无学习的寻呼策略”的寻呼代价和寻呼时延进 行了比较分析，得出：“自适应寻呼策略”的寻呼代价优于“基本寻呼策略”及“无 学习的寻呼策略”，寻呼时延也能够降低到一个较小的范围。 1 4 2 论文结构编排 第二章介绍了位置管理的主要研究内容，一些常见的位置管理策略，以及位 置管理策略的研究趋势。在第三章，首先介绍了增强学习的概念、主要内容、原 理及应用，然后利用增强学习理论与方法，通过学习寻呼过程所获得的移动台位 置信息，动态调整各阶段所寻呼的小区的组成，提出了一种“自适应寻呼算法”。 第四章对“自适应寻呼算法”进行了仿真研究，并将“自适应寻呼策略”的寻呼 代价与“基本寻呼策略”和“无学习的寻呼策略”的寻呼代价进行了比较分析。 第五章总结全文，并对本文的研究内容进行了展望。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 无线移动网络中智能位置管理策略研究 第二章无线移动网络中的位置管理 2 1 位置管理的主要内容 在无线移动网络的资源管理中，一个重要的组成部分就是位置管理。它的主 要任务就是跟踪用户，明确用户当前所在的位置。位置管理由两个基本的操作组 成：位置更新和终端寻呼。与这两个操作紧密相关的过程是：位置登记过程和呼 叫传递过程。位置管理会受到网络通信能力和网络处理能力的影响。其中，网络 通信能力主要受制于传输位置更新和查询信息所增加的业务量及时延，而网络处 理能力却受到数据库的大小、查询的频率和响应速度等的限制。位置管理所追求 的目标是，降低位置更新和终端寻呼的总代价。 2 1 1 位置更新 位置更新就是移动终端向移动网络报告其所在的接入点，以使移动网络对其 进行鉴权并更新位置记录的过程。移动系统中位置更新的目的是使移动台与网络 保持联系，以便移动台在网络覆盖的范围内的任何一个地方都能接入到网络内； 或者说网络能随时知道移动台所在的位置，以使网络可随时寻呼到移动台。 周期性位置更新发生在：当网络在特定的时间内没有收到来自移动台任何资 讯。比如在某些特定条件下由于无线链路质量很差，网络无法接收移动台的正确 消息，而此时移动台还处于开机状态并接收网络发来的消息，在这种情况下网络 无法知道移动台所处的状态。为了解决这一问题，系统采取了强制登记措施。如 系统要求移动用户在一特定时间内( 例如一个小时) 登记一次。这种位置登记过 程就叫做周期性位置更新。 1 不同m s c ，r 业务区间的位置更新 当m t 从小区1 移向小区2 时( 如图2 1 ) ，小区2 对应的b s 通过新的b s c 把 位置区消息传到新的m s c v l r 。这就是不同m s c n l r 业务区问位置更新。 1 1 浙扛工业大学硕士学位论文 无线移动网络中智能位置管理策略研究 图2 1不同m s c v l r 业务区位置更新 2 相同m s c n l r 不同位置区的位置更新 当m t 从某一小区1 移向同一m s c 中不同的b s c 的另一小区2 时( 参见图 2 2 ) ，m t 通过新的b s 将位置更新消息传给原来的m s c ，m s c 分析出新的位置 区也属本业务区内的位置区，即通知v l r 修改客户数据，并向m t 发送位置更新 确认。 图2 2同m s c n l r 业务区内漫游时的位置更新 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 无线移动网络中智能位置管理策略研究 2 1 2 终端寻呼 终端寻呼就是移动网络查询用户的位置记录从而得知移动终端的确切位置的 过程。如果寻呼成功，移动终端将发送一个寻呼响应到网络。通过寻呼可以建立 网络与移动终端的连接。在每一次的呼叫中，网络将通过下行控制信道向移动终 端可能驻留的小区发送呼叫信息，此时所有的移动终端都处于监听寻呼信息的状 态，只有被呼叫的移动终端才通过上行控制信道向网络发回应答信息。每次寻呼 的时间都有一个限制，即时延，如果移动终端在时延之前作出了响应，则寻呼过 程终止，否则进入下一次寻呼。为避免移动终端掉线，网络必须在允许的时延内 确定移动终端位置。 下面同样以g s m 系统为例来说明终端寻呼操作。当有一个呼叫m t 的路由到 达服务该m t 的m s c 后，m s c 就向该m t 发寻呼消息，这个消息会在整个位置 区l a 内广播，这就是说l a 内的所有基站b s ( 可以是由一个b s c 控制，也可以 是几个b s c 控制的基站) 都要向m t 发送寻呼消息( 见图2 3 ) 。l a 内正在接收公用 控制信道( c c c h ，c o m m o nc o n t r o lc h a n n e l ) 信息的被叫m t 便会接收此寻呼消息 并立即作出响应。 图2 3 寻呼 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 无线移动网络中智能位置管理策略研究 2 1 3 现行位置管理策略 现有移动通信网中的位置管理标准通常有两类：e i a t i a ( e l e c t r i ci n d u s t r i e s a s s o c i a l i o n t e l e c o m m u n i c a t i o n si n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 的i s - 4 1 和g s m 的g s m m a p ( m o b i l e a p p l i c a t i o np a r t ) 。这两类标准都采用两级数据库结构，即归属位置寄存器 ( h l r ) 和访问位置寄存器( v l r ) ，通过位置区( l a ) 进行位置管理，位置管理策略基 本相同( 下称之为“基本策