（通信与信息系统专业论文）移动通信系统中位置管理策略分析与研究.pdf

耍妻至墨盔堂塑壁塞皇堂篁笙塞筻! 夏 摘要 移动通信系统的位置管理是其资源管理的一个重要组成部分，它 的主要任务就是跟踪用户，明确用户当前所在的位置。其中主要有 两个基本操作：寻呼和位置更新。寻呼操作涉及移动终端被呼叫的 频率，就是呼叫到达率；而更新操作涉及移动终端的移动率。这两 个操作都消耗资源，包括移动台和基站间通信链路的信令交换，空 中接口带宽，无线网络带宽，网络数据库资源和其他系统资源。 未来的无线个人通信网络( p c n ) 将支持更高密度，更高移动性 的用户并支持采用不同接入网与核心网的用户进行网间漫游。这 将会产生巨量的系统资源消耗。为此要对现有的位置管理方案进行 改进以提高效率。 目前位置管理的研究主要放在系统数据库结构的优化和缩短信 令在网内的传输等方面，考虑的因素主要是在激增的移动用户数量 下如何减少数据库更新，缩短移动终端的寻呼步骤，减少寻呼延迟 等。 文中描述了现有移动通信系统采用的位置管理方法，介绍了位置 管理研究使用的分析模型和研究方法，对三种新提出的位置更新方 案进行了数学分析，针对3 g 系统的用户特点提出了一个m l r 绑定方 案以实现用户在3 g 系统的网间漫游：比较了3 种情况下网间通信的 开销：在不同的参数下推导出结合基于移动的位景更新加最短距离 优先寻呼策略的提出方案与现有位置管理的位置管理总开销公式， 进行了数学仿真；给出了实现用户在位置区中移动的环境仿真的c 语言程序。 最后总结全文，并提出未来的展望。 关键词：位置管理，位置更新，寻呼，分析，仿真 亘查塞鎏查堂塑主堑塞皇堂堡堡塞蔓望夏 a b s t r a c t l o c a t i o n m a n a g e m e n ti s o n eo ft h e i m p o r t a n tp a r t o fr e s o u r c e m a n a g e m e n t f o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s i t a c h i e v e su s e r t r a c k i n ga n da s c e r t a i nt h ep o s i t i o nofu s e rt h r o u g ht w om a i no p e r a t i o n s ， p a g i n ga n dl o c a t i o nu p d a t i n g a sw ek n o w ，p a g i n gn e e dt oc o n s i d e rt h e c a l la r r i v a lr a t ea n dl o c a t i o nu p d a t i n g ，a n dc o n c e r n st h em o b i l i t yr a t eo f t h em o b i l et e r m i n a l t h u sm a n yr e s o u r c e ss u c ha ss i g n a l i n gi n t e r c h a n g e b e t w e e nm o b i l et e r m i n a l sa n db a s es t a t i o n s ，a i ri n t e r f a c e s p e c t r u m w i r e l e s sn e t w o r kb a n d w i d t h ，n e t w o r kd a t a b a s er e s o u r c ea n de t c w i l lb e c o n s u m e dd u r i n gt h e s et w oo p e r a t i o n s f u t u r ew i r e l e s sp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ( p e n ) w i l ls u p p o r t i n t e r n e t w o r k r o a m i n gb e t w e e nd i f f e r e n t a c c e s sn e t w o r k sa n dc o r e n e t w o r kf o rh i g h e rd e n s i t ya n dh i g h e rm o b i l i t yu s e r st h a tw i l ll e a dt o l a r g eq u a n t i t i e so fs y s t e mr e s o u r c e sc o n s u m i n g s oi t i sv e r yi m p o r t a n t t o o p t i m i z e t h ec u r r e n tl o c a t i o n m a n a g e m e n t s c h e m e st oa c h i e v e e f f i c i e n c y m a i nt o p i c sf o rl o c a t i o nm a n a g e m e n tr e s e a r c hc u r r e n t l ya r et r y i n gt o o p t i m i z e t h e s y s t e m d a t a b a s es t r u c t u r ea n dm i n i m i z et h e s i g n a l i n g i n t e r c h a n g e b o t ho f t h e mi n t e r e s ti nh o wt or e d u c ed a t a b a s eu p d a t i n g ， p a g i n gs t e p so f m o b i l et e r m i n a la n dp a g i n gd e l a yi nt h ec a s eo fm o b i l e u s e rb u r s ti n c r e a s e t h et h e s i si l l u s t r a t e so nt h el o c a t i o nm a n a g e m e n ts c h e m e sa n dt h e i r p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，f i r s tw eg i v e s o m ei n f o r m a t i o na b o u tl o c a t i o n m a n a g e m e n t a n di t s a n a l y t i c a lm o d e l s ，t h e n a c o m p a r i s o n i sm a d e a m o n g t h r e el o c a t i o nu p d a t i n gs c h e m e sn e w l yp r o p o s e d ，m e a n w h i l ew e p r o p o s eam l r b o u n ds c h e m ef o r3 gc h a r a c t e r i s t i cu s e r s i no r d e rt o r e a l i z ei n t e r n e t w o r k r o a m i n g i nc h a p t e r 2 ，w ec o m p a r e t h e i n t c r n e t w o r kc o s ti nt h r e ec o n d i t i o n s a n dt h e n ，n u m e r i c a la n a l y s i s a b o u to v e r a l lc o s to fl o c a t i o nm a n a g e m e n ti sg i v e nt h r o u g ht h ef o r m u l a w e d e r i v i n g 。i nc h a p t e r4 ，w es i m u l a t et h ee n v i r o n m e n t u s e r sm o v i n gi n t h el o c a t i o na r e a a tl a s t ，t h et h e s i si sc o n c l u d e da n df u t u r ew o r ki sp r o p o s e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 k e yw o r d s ：l o c a t i o nm a n a g e m e n t ，l o c a t i o nu p d a t e ，p a g i n g ，a n a l y s i s ， s i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 位置管理简介 1 1 1 位置管理的作用 第1 章绪论 用户的移动性和移动自主管理是移动通信系统的基础。当用户在 整个移动网中漫游时，为了把数据或语音信息快速、准确地传输给 用户，必须有效地跟踪用户，明确用户所处的位置。所以在移动通 信中引入了移动性管理的概念。 位置管理( l o c a t i o nm a n a g e m e n t ) 是移动性管理的一个重 要组成部分，它的主要任务就是跟踪用户，明确用户当前所在的位 置。其中有两个基本的操作：寻呼( p a g i n g ) 和位置更新( l o c a t i o n u p d a t i n g ) 。 1 1 2 位置管理的内容 寻呼就是向移动通信网络查询用户的位置记录，以此来得知移动 终端( m t ) 的位置。其基本过程是网络寻找确定的访问端口以到达 该移动终端。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。寻呼主要操作包括数据 库查询和终端寻呼。 位置更新就是移动终端周期性地向移动网络报告其所在的接入 蜂窝，以便移动网络对其进行鉴权并更新位置记录，作用是移动终 端用一些触发器通告网络关于它的当前位置信息，这样可以避免通 过全部可能的基站进行穷举查找该用户，节约有限的信道资源。位 置更新主要操作包括身份验证和数据库更新。 在此，可以提出量化的位置管理总开销的公式 觋m = 。+ c w ( 1 - 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 操作产生的信令开销。 位置更新过程一般要消耗大量的手机电池能量，空中接口带宽， 无线网络带宽，系统计算机资源和其他系统资源。从资源消耗的角 度看，如果位置更新的花费高( 知道用户的精确位置) ，则寻呼的花 ：_ = - _ 一一 亘堂奎亟查堂塑主受塞皇堂篁堡奎蔓! 夏 费低( 寻呼信息只要发送到较小的区域) ；如果定位的花费低( 只知 道用户的大致位置) ，则寻呼的花费高( 寻呼信息需要发送到较大的 区域) ，二者在占用系统资源方面是对立的，一般需要在二者之间取 一个折中的方案。 图1 ，l 位置管理的基本操作 1 2 位置管理的现有方法 1 2 1 当前普遍使用的2 g 系统的位置管理 在第一代和第二代蜂窝移动通信网( g s m ，i s 9 5 等) 中，使用得最 为广泛的是通过位置区( 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l a 时 若需要与该用户建立连接，只需在该l a 内的蜂窝区中发送寻呼信号。 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 于一个双层的数据库结构，也就是用两种网络位置数据库( 归属位置 寄存器h l r 和访问位置寄存器v l r ) 来跟踪m t 。如图1 2 所示，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 的数量和位置备不相同，每个v l r 存储有访问它所覆盖区域的非本地注册的m t 的信息( 从h l r 拷贝而 来) 。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 一4 1 和g s m 的m a p ，前者用于北美的i s 一9 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 w c d m a 和t d s c d m a 等系统的基础。它们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的问 题。 图1 2 现有位置管理采用的网络架构 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 求用户定时向网络报告其身份。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) ，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l a 识别码。当移动终端 接收到的l a 识别码与所广播的l a 不同时，自动进行位置更新。 以目前世界上覆盖面积最大、用户最多、技术最成熟的移动通信 系统g s m 为例，g s m 中定义的位置管理方法结合了周期性位置更新 和越区位置更新2 种。每当移动终端检测到它在跨越位置区时就产 生一次位置更新。如果网络和移动终端之间在一段固定的时间内( 比 如3 小时) 都没有通信( 即移动终端处于空闲模式) ，移动终端也应产 生位置更新，以便在系统数据库记录失败的情况下恢复用户位置数 据。这里用户的位置信息存储在2 个不同的地方，即h l r 和v l r 中。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 h l r 存储归属网络中所有用户的相关信息f 接入权限、用户位置等) 。 控制安全参数与算法的a u c ( 鉴权中心) 通常也被看作h l r 的一部分。 而每个v l r 则存储它所辖位置区内的部分访闻用户数据。 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 砜。h = + + q ( 1 - 2 ) 1 2 。22 5g 系统中的位置管理应用 2 5 g ( 第2 5 代移动通信系统) 是在现有2 g 蜂窝网络基础上， 主要由“个人通信业务( p c s ) ”运营商而非系统供应商提出的，借以 转化到由i m t 一2 0 0 0 规范参考规定的下一代无线通信技术的一组方 法。可以使无线网络运营商在3 g 平台可用之前就能够部署数字分组 业务，并尽量使2 g 系统到3 g 系统的过渡平滑。目前的2 5 g 技术平 台主要有通用分组无线电业务( g p r s ) 、g s m 演进增强型数据率 ( e d g e ) 、码分多址( c d m a 2 0 0 0 ，1 x ) 。 图1 3g p r s 网络架构 下面以g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 为例介绍2 5 g 的位 置管理策略。如图1 3 的网络架构从技术上看，2 5 g 主要是在2 g 系统核心网的基础上增加了基本上独立于标准系统交换和传输网络 的一种分组数据交换和传输网络。其位置管理基本沿用2 g 系统的两 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 级数据库结构，没有改变。只是在进行位置管理操作时要增加分组 数据交换业务端的信令交换量。因此可以认为2 5 g 的位置管理策略 与2 g 相同。 1 2 3 第三代移动通信系统( 3 g ) 及其位置管理应用研究 目前蜂窝移动通信以直接传输和处理数字信息为主要的特征的 第二代数字移动通信系统已投入商业运营13 年了( 以1 9 9 1 年芬兰 建成的第一个g s m 网络为准) 。例如中国2 0 0 3 年底已拥有2 亿7 0 0 0 万移动电话用户，其中2 0 0 3 全年新增6 0 0 0 万。第三代蜂窝移动电 话系统( 简称3 g ) 将移动和固定，语音和数据等服务融合在一起， 提供一个综合服务平台。它的主要特征是无缝的在全球漫游，至少 2 m b i t s 的传输速率和无缝的提供服务。国际电信联盟( i t u ) 把第 三代移动通信系统称为i m t 一2 0 0 0 ，而欧洲则把第三代移动通信系统 称为u m t s ( 通用移动通信系统) 。其移动通信网络主要包括无线接入 网和支持无线接入的核心网。空中接口的选择是3 g 面临的一个重要 且必须及早解决的问题。3 g p p ( 3 gp a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 和3 g p p 2 第三代合作项目是为加速开放的全球认可的3 g 技术规范而设立的 项目。3 g p p 的宗旨是制定以g s m 为核心网，w c d m a 为主要无线 接口的标准。3 g p p 2 的宗旨是制定以a n s i i s - 4 l 为核心网， c d m a 2 0 0 0 为主要无线接口的标准。 t d s c d m a 全称为t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc d m a ( 时分同 步c d m a ) ，其技术特点是时分双工( t d d ) ，采用c d m a t d d 方式， 系统的核心网是基于g s m m a p 的，与基站的连接需借助g p s 的 严格同步方式。其技术特点是使用了智能天线技术，而且越区切换 也采用了不同于w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 的越区接力切换技术。这是 由我国大唐电信公司提出的3 g 标准，该标准提出不经过2 5 代的中 间环节，直接向3 g 过渡，非常适用于g s m 系统向3 g 升级。图卜4 为3 g 系统不同核心网与接入网连接的示意图。 在位置管理上，为降低信令业务量和优化网络规程，3 g 系统基 于现有两级数据库体系作了部分改进。例如3 g p p 2 3 1 1 9 规范提出了 在v l r 与h l r 间引入网关位置寄存器( g l r ) 来限制国际漫游信令 在被访问移动网络和归属移动网络间的业务量。此方案适用于不同 类的无线接入网在的g s m 核心网络的综合。 另外文献i2 】也提出了一种基于b l a ( 边界位置区) 和b l r ( 边界 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 位置寄存器) 新的位置管理机制，它支持在不同技术和网络架构的 网络闻的漫游。对g l r 方案及b l r 方案我们将在第4 章详细介绍与 分析。 核心网c c n ) i无k 豢黧网-kj1j l1 ，f ，7 = 一二二 砖i 广一l 7 _ i 。4 愤。网垆 、 1i 匿1 43 g 系统示意图 1 3 目前所采用位置管理策略的不足 目前采用的两级数据库+ 固定位置区的位置管理策略主要有以 下缺点： 1 穿越位置区边界触发的位置更新所产生的信令负载集中在位 置区边界的蜂窝上，以致无线信令在不同蜂窝及蜂窝内不同位置的 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 将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终端在相邻位置区间来 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基本的移动模型，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 型是为特定的早期蜂窝手机用户提供的一个粗糙的模型，这些早期 亘壹奎鋈盔堂塑主堡塞皇茎丝迨塞蔓! 更 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。随着几个方面的因素，包括价格下降， 信号覆盖面积的增加，紧凑轻量的终端设备，过去的几年，全世界 的蜂窝通信市场面对爆炸性的增长。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，如有目的的运动和人们经 常去的遗方( 工厂，学校或家庭) ，用户在这些地方驻留天中的绝 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 再反映此种真实情况。 而且在不同的地区用户的移动模式也表现为不同的情况。如在大 城市的中心繁华区段，蜂窝密度大，覆盖范围小，用户密度大，呼 叫建立频繁，呼叫连接较短，移动速度较低( 这里的移动速度定义 为单位时间用户穿越蜂窝的次数) ：在城市的城郊结合部蜂窝密度较 低，覆盖范围是沿公路主干道的狭长区域，用户密度较低，呼叫建 立较少，呼叫连接较长，移动速度较快；在人口密度较低的乡村或 小城镇，蜂窝密度较小，覆盏范围大，用户密度小，呼叫建立和呼 叫连接介于前二者之间，由于单个蜂窝覆盖范围太于市中心和城郊 结合部分，相对用户的移动速度是三者中最低的。不同区域的用户 移动模式和蜂窝布设可见表1 1 。 式 大城市中心商住宅区、学校城郊结合部分乡村及小城镇 贸区等人口密集区公路主干道人口稀少区域 密集分布 以5 15 层公 高速公路辐射通常包括建筑物 区域特点1 0 2 0 层以上分布建筑以不超过3 层人口 的高楼 寓式住宅为主 l 5 层为主稠密的区域 大，有固定的大，通信量稳一般，且通信少，且无明显变 通信量 通信量高峰区定无明显变化量稳定化 半径百米级，半径数百米半径千米级。半径3 5 千米 蜂窝范围覆盖o 5 k i n 2 以级，覆盖l 一3覆盖范围覆盖范围 内k m 2 左右1 5 k i n 2 左右5 0 1 0 0 k m 2 沿公路主干道 蜂窝形状正六边形正六边形正六边形 分布的矩形 建立频繁，连建立较频繁建立较频繁。建立频度与时延 呼叫情况 接较长连接较短连接较长一般 频繁，且接近少，接近室内频繁，且接近用户移动少但 用户移动 户外步行速度固定使用情况户外车行速度接近车行速度 表l 一1 不同区域的移动通信特征 1 4 位置管理方案的研究现状 目前在位置管理对系统影响方面的研究着眼于减少位置处理产 生的信令业务量和处理负荷。其方案从系统网络结构上可分为两类。 1 4 1 集中式位置管理 目前2 g 系统所采用的i s 一4 l 就是一种集中式位置管理方式。h l r 和v l r 组成的两级数据库集中处理网络中的信令交换和传递。而集 中式位置管理的研究就是在保持基本的数据库网络结构不变的前提 下( 即为h l r 和v l r 组成的两级数据库) 来对i s 4 1 进行改进。采 用优化措施以达到减小位置管理开销的目的。这种方案的优点是无 需做重大的修正即可用于当前的移动通信网络。目前的大部分研究 就是采用这条路线。 1 4 2 分布式位置管理 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。i s 4 1 标准中的两级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。如图2 一l 所示， 网络数据库分多层，m t 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m t 的位 霞信息。级别越高其所容纳的m t 位置信息越多，呈指数增长。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。 由于i m t 2 0 0 0 要组成一个全国乃至全球性网络，网络由采用不 同核心网、不同接入网的子网组成，因此数据库在本质上是分布式 的。3 g 系统的位置管理可以看作是由大量的超大容量数据库组成的 分布式位置管理方式。而各国在各自的2 g 2 5 g 系统设计时未考虑 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 移动终端在各系统间的漫游，导致用户只能在各自的通信系统网络 内漫游，这些系统网络实际上只是一些物理上相互隔绝的集中式两 极数据库弼络。 图2 1 分布式数据库结构方案 1 5 位置管理的研究热点 当前使用一种基于l a 的位置更新算法和覆盖轮询寻呼机制( 该 寻呼机制将在下文提及) 。其缺点主要是对一个蜂窝很多的l a ，每 个呼叫到达要消耗大量的无线带宽。它在更大容量用户的未来无线 宽带网络中的可升级性不高。另外。靠近一个l a 边界的移动用户在 两个l a 中往返会产生巨量的位置更新，增加网络数据库的信令和处 理负担。而且，每个用户都有自己的移动模式，很难选择一个l a 尺 寸对所有用户最优。当前研究主要在基于单个用户的算法，使位置 更新和终端寻呼过程基于单个用户的呼叫和移动模式动态调整。 1 5 1 位置更新的研究 位置更新算法分为动态和静态两类。静态中，位置更新的触发基 于网络拓扑。动态中，基于用户呼叫和移动模式。 1 选择l a 更新【) j 其原理是一个日常通勤者只是在网络中固定数量的l a 内往返穿 越，但只在一些l a 中驻留很短的时间。胜于每穿越一个l a 就执行 一个更新，不如省略一些特定l a 的更新。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 采用该方案时，要求移动通信系统确定单个用户在不同l a 间穿 越的概率和驻留时间的相关信息。为评估一个特定用户在不同l a 间 的穿越概率，要用很长时间观察用户全天的移动。适用于移动性非 常规律而严格，日常改变的概率很少的用户情况。因为在当前的p c n 中采用基于l a 的更新方案，所以它从一个l a 到另一个l a 的跃迁 频率信息可以从数据库中找到。对系统的硬件设备改动较小。 2 基于移动模式的更新 4 】f 5 i 也口q 选择性位置策略，利用用户移动模式来减少更新开销。网络 保存每个用户的简表( p r o f i l e ) ，包括一个用户在不同时间段最有可 能所处的乙a 的连续列队列。这个列队列按照一个用户能被找到的最 大到最小可能l a 来分类。当有一个呼叫到达，队列中的l a 按照顺 序寻呼。只要移动终端在队列中的l a 间移动，就不产生位置更新。 只有在移动终端移动到一个列表中没有的l a 时才执行位置更新。列 表可以从用户的移动历史中生成。 采用该方案时，每个移动终端必须保存一个有效的连续的列表对 应特定的时间段。这个列表要随时更新。适用于移动规律较明显且 有时会有改变的用户情况。而且对系统的修改要结合对用户端的改 进。 3 基于运动的更新【 1 2 】 每个移动终端计数因它的运动导致的蜂窝边界穿越次数。位置更 新在次数达到一个预先确定的界限m 时执行。这个方案允许对单个 用户动态确定其移动界限。 采用该方案，移动终端只需要对蜂窝边界的穿越次数进行纪录， 计数器在到达运动界限时重置。还要用到蜂窝身份码( i d ) ，每个蜂 窝被指定一个编码，根据蜂窝复用的概念，这个编码并不需要唯一。 编码用来识别同一l a 内蜂窝相对其它蜂窝的相对方向。每个蜂窝通 过下行控制信道周期性的广播它的识别码。移动终端使用这个信息 来决定更新操作。 4 基于时间的更新1 8 j 【“】 每个移动终端每t 个时间单位更新一次他的位置。方案不需要移 动终端在两个更新之间的时间内纪录或处理移动信息。计时器界限 能通过移动终端的硬件或软件计时器规划解决。工程实现的复杂度 同基于移动的方案，但该方案产生的位置管理开销在相同条件下要 大于后者。 堕查窑塑盔堂塑主墅塞皇堂焦堡塞篁! ! 蔓 5 基于距离的方案f 9 j 【1 0 】 。 每个移动终端跟踪自己自从上次更新而移动的距离( 用蜂窝数计 算) ，并在距离到达一个特定界限的时候传送一个更新信号。为了鉴 别距离界限内的蜂窝或到达距离界限边界，移动终端需要每次位置 更新后下载一系列蜂窝i d 。 采用该方案时，位置区内的每个蜂窝都要纪录其他蜂窝相对自己 的距离，在用户进入时传送给移动终端用于位置更新决策。 6 基于状态的方案1 1 3 】 移动终端基于自己当前的状态决定是否执行位置更新。状态信息 包括进入l a 后驻留的时间或从上次更新以来穿越的蜂窝数字，当 前和最后注册位置之间的蜂窝距离，或一些其他的标准。这样，保 存不同的状态信息以对应不同的位置更新方案。 基于状态的方案可以看作是以上各种方案的综合，自然也结合了 各方案的优缺点。要在系统中适应各种不同的位置更新触发条件必 须进行大规模的系统改造，相应的，其位置更新信令开销可以达到 最优化。 1 5 2 寻呼的研究 1 覆盖轮询 移动终端所在l a 内的所有蜂窝在呼叫到达的时候同时被轮询。 由于移动终端位于l a 内，所以在一个单循环轮询内就可以确定它的 位置。这个寻呼策略正在配置在基于l a 的位置更新中用于现有p c n 中。其优点是容易实现且不用考虑寻呼延迟约束，寻呼延迟约束在 服务质量( q o s ) 中是很重要的指标。缺点是因为现在一个典型l a 内的蜂窝数很大，所以寻呼开销很高。 2 最短距离优先【“1 网络寻呼从用户上次位置更新所在蜂窝开始，以最短距离优先 的方式向外移动。距离以蜂窝数为单位。如果使用一个基于界限的 更新策略，寻呼或驻留区域就是边界。移动终端可以在一个固定数 字的轮询循环内确定。每个轮询循环的寻呼延迟约束对应不同距离 的蜂窝群。 如图2 2 所示的六边形蜂窝拓扑，中心蜂窝为上次位置更新的蜂 窝。假设基于距离的方案移动界限为3 ，就是说移动终端在移动到第 4 圈蜂窝时执行位置更新。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 若不带寻呼延迟约束，寻呼次序是 0 ，l ，2 ，3 ，就是先轮询0 ， 如果一个定时间段内没有收到m t 的回应，就寻呼1 内的所有蜂窝。 直到移动终端发送回应或次序列表内的所有蜂窝都被轮询过。 若带寻呼延迟约束，不同圈或距离内的蜂窝可以在一个群内被轮 询。如假设最大寻呼延迟为3 ，寻呼次序列表可以是“0 1 ， 2 ， 3 ) 。这就是说，0 或1 圈内的蜂窝在第一个轮询循环内。2 层和3 层分别在第二和第三个轮询循环。 该方案相对于覆盖轮询明显降低了寻呼开销，也易于实现。但由 于把一步寻呼分为多步寻呼，增加了寻呼操作消耗的时间，对q o s 有影响。为了降低这种影响要附加寻呼延迟约束。实现该方案实际 上就是在寻呼信令开销与寻呼延迟时间二者之间寻找最佳平衡点。 图2 2 六边形蜂窝拓扑 3 基于用户位置概率的顺序寻呼【l 副l l 6 1 移动终端的当前位置采用基于他的位置概率分布来预测。轮询信 号只是传送到他最可能所在的位置。如果不加寻呼延迟约束，以递 减的概率顺序寻呼用户可能所处蜂窝寻呼开销就是最小的。很明显， 统一的位置分布会带来最大的寻呼开销和延迟。 如果有寻呼延迟的约束，在每个轮询循环都有一群蜂窝被轮询。 动态程序可以用来确定群的最佳大小来最小化寻呼开销。有的用平 均寻呼延迟约束来获得最佳寻呼顺序以最小化寻呼开销。j 顷序寻呼 顺序用来分析基于时间和状态的位置更新方案。理论上基于用户位 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 置概率的顺序寻呼可以极大的减少寻呼操作的开销，但在实现中有 一定的困难。问题主要有：如何评估基于测量的时不同位置概率? 什么条件下开始位置概率的一个更新? 如何有效的在网络数据库中 储存位置概率? 4 速度寻呼u 7 1 通过减小寻呼区尺寸来减少寻呼开销。不同速度的用户分成不同 的群，呼叫到达时，基于用户最后注册的时间和速度分类指标动态 生成寻呼区。这种寻呼方法可以配置在基于单个用户的位置更新算 法之上。也可以极大的减少寻呼操作的开销。但同样在执行时要面 对很多困难。为执行这个寻呼策略，在用户的数据库概况中要有用 户的最后已知位置，速度分类等级和最后注册时间。这些都需要在 系统网络数据库中添加大量功能模块。 1 5 3 研究小结 目前提出的位鼍更新算法大多还是基于l a 的执行方案，依靠相 同的位置更新机制：如果移动终端( 以下用m t 表示) 在它自己的 当前l a ，一个位置更新过程将被执行：寻呼在l a 内的寻呼区( p a ) 进行。p a 的范围根据不同的方案等于或小于l a ，或动态变化。另 外一些位置更新的触发不需要把网络覆盖区域分割成l a 。网络中唯 一有用的位置信息是和m s 最后联系的位置点。这些非源于l a 的位 置更新方法是基于单个用户的，可以使参数对每个独立用户达到最 优化。另一个个优点是位置更新实际上可以被分配给网络中全部的 蜂窝，比源于l a 的方法更能达到均匀分布信令负担。它的一个重要 闳题是数据库系统和整个网络架构的容量。不同于基于l a 的概念， 非源予l a 的方法常常没考虑到建立连接产生的信令开销和在骨干 网络中的路由以及现在的固定基站设备中没有储存这些信息的数据 库。要采用这种方法得对现有系统的软硬件进行重大调整，耗资也 是十分的巨大。 根据研究，在网络中执行t - i l k 和v l r 位置更新通常比轮询一个 蜂窝消耗更多的无线和有线带宽设备和计算机资源。开销也一样。 因此，大部分的位置管理研究着眼于减少位置更新产生的倍令消耗 和网络数据库资源。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 1 6 论文解决的问题以及组织结构 本论文主要研究了包括动态位置更新和静态位置更新算法之间 的不同点和分别适应的移动模型和网络拓扑。分析了带延迟约束和 不带延迟约束的几种寻呼算法，并分别配用不同的位置更新策略， 在不同的移动性和用户模式下分析基于运动、基于时间和基于距离 的三种方案中的位置管理总开销的最小方案。 分析了现有系统下用户网间漫游的实现技术，提出了一个m l r 绑定方案，并延伸到3 g 系统分析在不同用户移动性、不同方式下产 生的网间漫游寻呼信令开销。在不同的参数下推导出结合基于移动 的位置更新加最短距离优先寻呼策略的提出方案与现有位置管理的 位置管理总开销公式，进行了数学仿真；给出了实现用户在位置区 中移动的环境仿真的c 语言程序。 全文共分6 章。第l 章为绪论，介绍了位置管理的背景，当前 发展以及所应用的3 g 系统及其位置管理。第2 章是几种动态位置更 新方案的比较。第3 章为移动通信系统网间漫游技术的性能分析。 第4 章是结合第2 章与第3 章结论并加上最短距离优先寻呼策略的 位置管理总开销方案的性能分析比较。论文最后的总结给出了一个 用户在位置区漫游情况的环境仿真程序，总结了全文并提出了未 来的研究方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第2 章移动通信系统位置管理方案研究与分析 2 1 三种主要动态位置更新算法性能分析 对采用两级数据库架构，在以l a 为基础的位置管理研究中，对 现有系统设备改动最小的方案，随p a 尺寸的不同，主要有3 种不同 的动态位置更新方案：基于移动的位置更新，基于距离的位置更新 和基于时间的位置更新。类似于现有的静态位置更新方案，动态位 置更新方案中一个m t 进入l a 时也要执行h l r 位置更新。在基于 距离的位置更新方案中，一个m t 穿越l a 边界或当前蜂窝和v l r 最后一次更新所在的蜂窝距离根据蜂窝数量到达一个极限d 时v l r 执行位置更新。在基于时间的位置更新方案中，一个m t 穿越l a 边 界或v l r 每t 个时间单位执行一次更新。基于移动的位置更新方案 中，一个m t 穿越l a 边界或m t 在蜂窝中完成m 次移动，m 是移 动的门槛值。文献 2 2 】 2 3 】中对以上三种方法进行了初步分析，但所用 的模型极为简单，不适合移动通信系统( 一个是初步的蜂窝模型， 一个是m e s h 模型) 。下文所作分析采用随机步行模型结合六边形蜂 窝的简化方案，在不同的参数下所得结果与文献所得结果有较大差 别。文献中用简单模型得出基于距离的方案在任何时候都优于基于 距离和基于时间的方案。 为统一进行性能分析，我们假设类似于图2 2 的理想l a 架构， 最里面的蜂窝“0 ”叫中心蜂窝：标着“1 ”的蜂窝形成包围“0 ”的 第一圈。标着“2 ”的蜂窝形成包围“0 ”的第二圈，如此类推。每 一圈根据到中心的距离标示，这样，l 指距离蜂窝“0 ”第一圈的蜂窝。 ，七他= 1 ，2 ，) 指距离中心蜂窝第k 圈。距离和l a 根据数字圈度量，这 样从中一1 5 , 蜂窝到庸蜂窝的距离就是k 圈。由( 七) 表示的位置区是一组 蜂窝，其中最远的蜂窝距离中心蜂窝船圈。其所容纳的蜂窝数为 k ( = 6 k + l = 3 k 2 + 3 k + l ( 2 1 ) i - l 为模拟用户的移动我们假设时间分片，在一个时间片内用户最多 只能完成一次移动，即穿越一个蜂窝。各用户间的移动都是随机独 立的。用户在l a 内也是独立统一分布的，设在一个时间片内用户移 出驻留蜂窝的概率为p ，用户的运动方向有6 种选择，任何一个临近 塑室奎垄盔堂塑主堡窭竺堂堡迨塞蔓! 垒夏 的蜂窝被选到的概率都是一样的。则他驻留在原蜂窝的概率就为1 厂 ( o 一 工y d 卅m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 时所在蜂窝的距离为0 时的概率p r o m ，1 1 1 为经过m 次运动用户仍然 驻留在上次位置更薪时蜂窝。此时有工= y ， p r t o l m = 。萎m t 2 。c = 一。c 嚣2 。= j 1p h ；p ) j f l 一吾p r 2 j 一，j11 = g c 三一。( p ) “( 1 一睾p ) ”“( 2 1 4 ) 一0 j j 下面我们推导p r 【d l m 】，在d 0 时，对任意0 0 有x d ，x + y 刖，可以得到以下p r e o l m 的概率等式 l j 11， p r d i m = 2 萎c e ：唁p ) 唁p ) ”。( 1 一号p ) ”2 “扎“( 2 - 1 5 ) 弘d oo 可得预期搜索次数 = l + a p r a i n _ 1 + 2 砉1 铌( 一1 。( 抄- d ( 1 一p 2 z j + “( 2 “) = 1 + 2 d 铌i p ) 。( p ) “。( 1 一i p ) “( 2 1 6 ) j - lj d jjo 2 , 4 对基于时间的方案 对基于时间的方案，很明显，我们得到 = 去( 2 - 1 7 ) 计算预期搜索次数要求确定用户在t 时间片内完成的运动次数 p r m l t 。此为一个贝努利概型。根据方案和概率知识，表达式为 p r m l t = c ，( p ) ”( 1 一p ) “ 预期搜索次数可以被表达为 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 品= l + fp r m | f 】 p r m f 州 其中p r 渺 m 】为确定完成m 次运动后用户移动距离为d 的概率。 j 墨! 芝j p r 叫m 】= 砉1 c c 2 专。专广4 专广2 h d 带入p r m l t 和p r d l m 的表达式可得 s r = 1 + 2 c r ( p ) ”( 1 - p ) 。8 d p r + d i m = t + z 粪凹( p 九一p r 4 姜d 。砉1 q x 。x 。哇1 t t h 争“咕厂“( z t s ) = l + 2 凹( p ) ”( 1 一p ) 4 d 。q 。一，) 。( 争”。暗) ”“( 2 1 8 ) m 2 udj d oo 。 其中s 。和s 的伪代码算法如下： 1 对如 s t l n l i = 0 ： f o rd ：1 ：l ：m s l l m = 0 ： f o rx = d ：1 ：f i x ( ( m + d ) 2 ) s u m = s u m + 阶乘( m ) ( 阶乘( x ) $ 阶乘( m x ) ) 阶乘( m x ) ( 阶乘 ( x d ) 章阶乘( m 一2 木x + d ) ) ( p 3 ) ( 2 * x d ) $ ( 1 2 p 3 ) ( m 2 * x + d ) ： 2 对足： s u m 2 = o ： f o rm = o ：l ：t s u m l = 0 ： mis 水 ，q + lmus = l d m l n u m e s us d n 2 e 十 i | i ms 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 f o rd = 1 ：l ：m s u m = o ： f o rx = d ：l ：f i x ( ( m + d ) t 2 ) s u m = s u m + j ic h e n g ( m ) ( 阶乘( x ) 木阶乘( i l l - - x ) ) 十阶乘( m x ) ( 阶乘 ( x d ) 阶乘( m - 2 * x + d ) ) ( 1 3 ) ( m ) ： e n d s u m l = s u m l + d 木s u m ： e n d s u m 2 = s u m 2 +阶乘( t ) (阶乘( m ) $阶乘 ( t m ) ) ( p ) m $ ( 卜p ) ( t