（通信与信息系统专业论文）基于gprshlr的移动性管理的研究与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 发，主要包括两个方面：大容量g p r s h l r 系统位置管理模块的实现，以及移 动通信网络中的位置管理信令流程优化。 在位置管理模块的设计和实现中，使用了有限状态机的模型。同时为了满 足大容量的要求，采用了有效的方法来提高程序的效率：其中包括通过合理的 数据组织以减少访问时延；插入用户数据处理中一次性对用户数据的读取模式 从而极大的降低用户对数据库的访问频度；通过动态分包的插入用户数据加快 了用户处理数据的效率；而紧缩结构的使用则极大的减少了消息的冗余度。同 时，在版本兼容性的问题上，提出了预存版本方案，高效的解决了m a p 版本 兼容性的问题。通过上述关键技术的使用，使得位置管理的效率大大提高，最 后经过测试，位置管理模块功能通过率为1 0 0 ，系统容量也达到了1 0 0 万的 用户容量。成功的实现了g p r s h l r 系统中的位置管理功能。 关于位置管理信令优化的研究，本文首先分析了g s m 系统中位置管理的 信令流程，指出了其中的瓶颈所在；并对3 g 中s u p e r - c h a r g e r 网络带来的对位 置管理信令的优化进行了分析，提出了两种切实可行的方案：一种是实时修改 法，另一种是动态标记法。本文对上述两种方案均做了详尽分析，对动态标记 法的具体实现和可能存在的问题提出了所应存储的修改数据项的最大项数，以 及当溢出时对用户数据的一致性保证等。 关键词：g p r s - - h l r 琴统，移动性管理技术，位置管理，插入用房数据，信 令优化、l 7 、 第氪隙鞔弑嗽椭裸欺 统蜘大系良了信黼结通鼬总鲫洳杖蓐g 穆联展北的发肫要豢 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，g s mi s s t r i d i n g f o r w a r dt ot h e3 “g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m g p r s a s a n i m p o r t a n tt r a n s i t i o n a ls y s t e md u r i n gt h ep r o c e s sf r o mg s mt o3 g ，i sak i n do f m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nt h ep a c k e tt r a n s m i s s i o nd a t a t h et h e s i s s u m m a r i z e dt h er e s e a r c ho ft h el a r g ec a p a c i t yg p r s - h l r s y s t e m ，m a i n l yi n c l u d e d 2a s p e c t s ：t h ei m p l e m e n t a t i o no fl o c a t i o nm a n a g e m e n tm o d u l ei nt h el a r g ec a p a c i t y g p r s h l r s y s t e m ，a n d t h e o p t i m i z a t i o n o fl o c a t i o n m a n a g e m e n ts i g n a l i n g p r o c e d u r ei nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt h ei m p l e m e n t a t i o no fl o c a t i o nm a n a g e m e n t m o d u l e ，t h ef m mw a su t i l i z e d a st h eb a s i cs o f t w a r em o d u l e a tt h es a l i t e t i m e ，i no r d e rt os a t i s f i e dt h e r e q u i r e m e n t so fl a r g ec a p a c i t y s e v e r a le f f e c t i v ew a y sw e r eu t i l i z e dt oi m p r o v et h e p r o g r a m se f f i c i e n c y a tf i r s t ，w ed e c r e a s e dt h ea c c e s s i n gt i m ed e l a yt h r o u g ht h e a p p r o p r i a t ed a t ao r g a n i z a t i o n s e c o n d ，d u r i n gt h ep r o c e s so fi n s e r ts u b s c r i b e rd a t a ， w er e d u c e dt h ep r o g r a m sv i s i t i n gf r e q u e n c yt od a t a b a s et h r o u g h r e a d i n gu s e rd a t a f o ro n l yo i t eu m e b ys p e c i f i e da p i ；a l s od y n a m i cd i v i d e dm e s s a g ew a su s e dt o i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fd a t am a n a g e m e n t ，a n dt h eu s eo fc o n t r a c t e ds t r u c t u r e r e d u c e dt h er e d u n d a n c yo fm e s s a g e a tl a s t w ep r o v i d e da ne f f i c i e n ts c h e m et o s o l v et h ep r o b l e mo fm a pv e r s i o nc o m p a t i b i l i t y t h r o u g ht h ee f f e c t i v e e m p l o y m e n t o ft h e k e yt e c h n i q u e s t h a tw e r em e n t i o n e d a b o v e ，t h ee f f i c i e n c y o fl o c a t i o n m a n a g e m e n tm o d u l ew a si m p r o v e dg r e a t l y ，a n dt h el o c a t i o nm a n a g e m e n tm o d u l e w a sr e a l i z e ds u c c e s s f u l l y w i 血r e g a r d t ot h er e s e a r c ho fl o c a t i o nm a n a g e m e n t s i g n a l i n go p t i m i z a t i o n t h e t h e s i sa n a l y z e dt h el o c a t i o nm a n a g e m e n t s i g n a l i n gp r o c e d u r ei ng s m a n dp o i n t e d 华中科技大学硕士学位论文 o u ti t sb o t t l e n e c ka tf i r s t ；a n dt h e nt h ea n a l y s i sa b o u tt h eo p t i m i z a t i o nc o m ef r o m s u p e r - c h a r g en e t w o r ki n3 gw e r ep r o v i d e d ，a tl a s t ，t w oo p t i m i z e ds c h e m e sw e r e p r o v i d e d ：o n ei sr e a l t i m em o d i f ys c h e m e ，t h eo t h e ri sd y n a m i cm a r ks c h e m e t h e p a p e rg a v ead e t a i l e da n a l y s i so nt h ei m p l e m e n t a t i o n o ft h e2s c h e m s ，a i m i n ga tt h e p r o b l e m s t h a tm a yb ee x i s t e di nd y n a m i cm a r ks c h e m e ，s o m es o l u t i o n sw e r e o f f e r e d ， s u c ha st h em a x i u mi t e m st h a ts h o u l db es a v e di nt h eu s e rm o d i f i e dd a t a t a b l e ，a n d t h eg u a r a n t e eo f u s e rd a t a sc o n s i s t e n c y k e y w o r d s ：g p r s h l r s y s t e m ，m o b i l i t ym a n a g e m e n tt e c h n i q u e ，l o c a t i o n m a n a g e m e n t ，i n s e r ts u b s c r i b e rd a t a ，s i g n a l i n go p t i m i z a t i o n h i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本章简述了移动通信的现状和发展，介绍了移动通信中的关键技术一移动性 管理的基本实现方式和目前的概况，说明了本文的研究背景、主要内容和意义， 最后介绍了章节安排。 1 1 移动通信现状及发展 移动通信，自第一代模拟移动通信系统投入运行以来，已经陆续经历了第 二代的g s m 、c d m a 系统，第二代半的g p r s 系统的发展历程，目前正在向 着第三代移动通信系统的实现努力。 第一代为模拟移动电话，采用f d m a 制式，其缺点是：频率利用率低；通 信容量小；保密性差；成本高；只能通电话；标准不统一，漫游困难。目前， 已基本被世界各国淘汰。第二代为数字移动通信【1 4 】，是8 0 年代末9 0 年代初发 展起来的，采用t d m a 和c d m a 两种多址技术，是当今世界各国正在运营的 主要移动通信。第二代的主要系统有二个：一个是g s m ，另一个是i s - - 9 5 ( 窄 带) c d m a 。 第二代与第一代比较，有很多优点：频率利用率大大提高，系统容量大大 增加；不仅可以通话，还可以通数据，所以叫“移动通信”：采用数字技术， 通信保密性强；手机的重量和体积可以不断减小，越来越方便用户使用；标准 化程度比第一代更高，逐步形成国际范围的标准，可以实现国际漫游。 作为第二代移动通信技术g s m 向第三代移动通信( 3 g ) 的过渡技术， 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 ，通用无线分组业务) 是由英国b tc e l l n e t 公司早在1 9 9 3 年提出的，是g s mp h a s e 2 + ( 1 9 9 7 年) 规范实现的内容之一，是 一种基于g s m 的移动分组数据业务，面向用户提供移动分组的巾或者x 2 5 连接。g p r s 是基于现有的g s m 网络实现的，需要在现有的g s m 网络中增加 、 华中科技大学石员士学位论文 一些节点：网关g p r s 支持节点g g s n ( g a t e w a y g p r s s u p p o r t i n gn o d e ) 、服 务g p r s 支持节点s g s n ( s e r v i n g g p r s s u p p o r t i n gn o d e ) 。g g s n 在g p r s 网络 和公用数据网之间起关口站的作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如 i s d n 和l a n 等。s g s n 记录移动台的当前位置信息，并在移动台和各种数据 网络之间完成移动分组数据的发送和接收，为服务区内所有用户提供双向的分 组路由。系统共用g s m 基站，但基站要进行软件更新，并采用新的g p r s 移 动台。g p r s 要增加新的移动性管理程序，通过路由器实现g p r s 骨干网互联。 总的来看，g p r s 是g s m 移动电话系统向第三代移动通信迈进的一个重要 步骤，根据欧洲电信标准化协会对g p r s 发展的建议，g p r s 从试验到投入商 用后，分为两个发展阶段，第一阶段可以向用户提供电子邮件、因特网浏览等 数据业务：第二阶段是e d g e 的g p r s ，简称e - g p r s ，e d g e 是g s m 增强数 据速率改进的技术，它通过改变g s m 调制方法，应用8 个信道，使每一个无 线信道的速率达到4 8 k b i t s ，既可以分别使用，也可以合起来使用。例如，用 一个信道可以通妒电话，用两个信道可以上网浏览，用4 8 个信道可以开电 视会议等等。8 个信道合起来可使一个收发机支持3 8 4 k b i t s 。它是向第三代移 动通信- i 蘑用移动通信系统( u m t s ) 过渡的台阶。 第三代移动通信( 3 g ) 是国际电信联盟制订的全球统一的移动通信标准系 列【4 l 。它将实现全球无缝覆盖的移动通信网；提供宽带多媒体业务；成为全球 统一的一个标准，并能与第二代后向兼容，以利平滑过渡。总的来说，第三代 移动通信系统的目标可以概括为：全球化，提供全球无缝覆盖，支持全球漫游 业务；综合化，提供高速率的多种语音和非话音业务及其综合业务，特别是支 持多媒体业务；个人化，提供大系统容量和强大的多用户管理能力，具有高保 密性。u m t s 是在g s m 系统的基础上开发的，u m t s 是基于妒协议的通信结 构体系，集成了语音、数据及多媒体网络，它实现了可以在世界上任何地方为 任何人提供通用的个人通信业务，包括电视会议、因特网接人和其他的宽带业 务。这种由现有的g s m 系统通过增设g p r s ，再由g p r s 平滑地过渡到u m t s 2 华中科技大学硕士学位论文 第三代移动通信系统的解决方案，可以充分地利用现有的移动通信设备。g s m 系统加上g p r s ，被称为是第2 5 代的移动通信，它采用通用的i p 协议，使灵 活方便的移动通信和信息业务丰富的互联网密切结合无论是对厂商、运营者 或是广大用户都是受到欢迎的一种方案。 1 2 移动性管理的现状 移动性管理是移动通信领域研究中一个十分关键的问题，它的有效性和效 率很大的影响了移动通信网络的性能。在目前的第二代移动通信系统中，移动 性管理主要用于两个方面，其一，当移动用户被呼叫时，确定该移动终端在网 络中的位置；其二，当移动用户在通话中越区时，必须自动的进行越区切换， 而不能丢失信息或中断通话。前者称为位置管理，包含两种操作，一种是位置 更新，即用户位置变化时更新网络的位置数据库；另一种是查找，即呼叫到达 时查询位置数据库确定用户当前位置。后者成为为越区切换。 从实现来看，g s m 、i s 一4 1 和c d m a 的移动性管理都基于一双层结构【扪， 上层为归属位置寄存器( i l l _ r ) ，下层为拜访位置寄存器( v l r ) ，每个v l r 管辖 多个位置区。h l r 记录着用户当前所在的v l r 地址，v l r 记录着用户所在的 位置区地址。当移动台运动到一新的位置区域即向该位置区所属v l r 申请位置 更新。该v l r 可能与前一个v l r 相同，也可能是一个新的v l r 。在后一种情 形下v l r 向h l r 发登记申请，由h l r 通知前一个v l r 进行位置删除。呼叫 建立时首先引发查找过程，移动交换中心( m s c ) 向被叫的h l r 发查询请求，1 - i l r 找出移动台当前所在v l r 并向它发查询请求，v l r 将被叫在该v l r 管辖范围 内更详细的位置信息告诉i t l r ，h l r 将得到的被叫当前位置告诉m s c 。 在g p r s 系统中，移动性管理的基本实现机制仍然是类似的，g p r s 网络 中的s g s n 承担了类似g s m 系统中v l r 的移动性管理功能，负责保存其接人 用户的路由区域信息，管理和维护用户移动性状态。也是基于一双层的数据库 管理模式。 华中科技大学硕士学位论文 在u m t s 中，移动性的概念被大大的扩展了，主要包含了终端移动性、个 人移动性和业务移动性三个方面的概念，目的是要实现用户能够在任何地点、 任何时候、使用任何终端都可以接人个性化的业务。从现况来看，现有的移动 性管理技术已不能适应移动通信发展的需要，研究适应个人通信未来发展的新 的移动性管理技术已成为当务之急。 1 3 本文的研究背景、内容及意义 1 3 1 研究背景 华中理工大学金鹏华中通信研究所是广州金鹏集团有限公司的主要技术依 托单位。一九九七年十二月承担了金鹏j p m 1g s m 移动通信系统的h l r 的研 制工作，一九九八年十一月，该h l r 系统配合金鹏移动交换机在河北省邯郸市 开通实验局，并通过信息产业部组织的入网测试和专家方案评审，于一九九九 年三月获得入网许可证。 随着我国移动通信和互联网业务的飞速发展，移动互联网成为新的市场热 点。广州金鹏集团为适应这一市场变化趋势，与移动通讯的著名企业m o t o r o l a 公司签署了产品合作协议，共同开发g s m 基础上具有较高速率数据接人的 g p r s 系统，金鹏负责其中g p r s h e r 子系统的产品开发任务。经过公司领导 的慎重考虑，决定由华中金鹏研究所继续承担这一任务，与m o t o r o l a 公司密切 合作，达到协议规定的目标。 本文的实践与应用部分是该项目的一个重要组成部分，主要包括g p r s 移 动性管理业务的设计与实现。同时，在基于所作的实际工作的基础上，作者对 移动性管理中的位置管理信令流程做了一定的分析，并提出了信令优化的方案。 1 3 2 内容及意义 本文主要就移动性管理的基本概念作了初步的介绍，对g p r s 网络中移动 性管理的实现做了描述和分析，详细叙述了作者的主要工作：g p r s - h l r 系统 4 华中科技大学硕士学位论文 中位置管理模块的实现，给出了测试结果。最后对第三代移动通信系统中提出 的s u p e r c h a r g e 网络对位置管理信令优化的状况作了具体分析，同时针对其缺 点提出了改进的方案。 本文第一章为概述，描述了移动发展的现状，对移动性管理的现状进行了 简单的介绍，说明了课题的背景来源及其意义。 第二章介绍了移动性管理的基本原理，以及移动性管理在g s m ，g p r s u m t s 网络中的基本实现机制。 第三章介绍了g p r s - h l r 系统的整体结构，以及系统的设计方案和技术难 点。 第四章详细叙述了g p r s i - i l r 系统中位置管理模块的具体实现，包括设计 方案的分析，基本软件结构，关键技术的实现。 第五章里面介绍了模块测试和系统测试，给出了比较全面的g p r s ，h l r 系 统测试结果，包括了系统的基本功能测试和系统容量测试。 第六章对移动通信网络中位置管理信令效率的优化作了进一步探讨，介绍 了第三代移动通信系统中对位置管理流程所作的改进，分析了这种方法的优缺 点。并针对其缺点提出了两种切实可行的方案，并且详细分析了方案的实现和 它对位置管理信令效率带来的优化。 结束语对本文的研究做了总结。 本文的实践工作- - g p r s h l r 位置管理模块的实现，已经作为g p r s h l r 系统中的一个重要部分，通过了h l r m a p 功能测试，为g p r s 系统的商用化 做出了一定的贡献，同时也为作者在文中对位置管理信令优化的分析奠定了基 础。作者关于位置管理信令优化的分析和探讨，对于改进现有移动通信系统的 性能，以及对于后续移动通信的位置管理信令流程设计，都有一定的指导意义 和应用价值。 华中科技大学硕士学位论文 2 移动性管理技术及实现 移动性管理，是目前移动通信实现的关键技术之一，对于将来第三代移动 通信系统中真正意义上地个人通信的实现更是显得非常重要。本章将以g s m 系统为例，阐述移动性管理的基本原理，同时以第二代半移动通信系统g p r s 为例，简述移动性管理在g p r s 系统中的实现。最后则对第三代移动通信系统 u m t s 中移动性管理的实现作一个简单的介绍。 2 1g s m 系统中的移动性管理技术 移动性管理，其目的就是要跟踪移动终端在网络中的位置。使得其他终端 或网络子系统与该移动终端的信息交互成为可能。总的说来，主要包括两个方 面，其一，当移动用户被呼叫时，确定该移动终端在网络中的位置；其二，当 移动用户在通话中越区时，必须自动的进行越区切换，而不能丢失信息或中断 通话。前一种，我们称之为位置管理功能，而后者我们称之为越区切换。g s m 数字蜂窝移动通信系统是第二代移动通信系统的典型代表。因此以下我们将通 过对g s m 系统移动性管理实现的方法来阐述移动性管理的基本实现原理。 2 1 1 位置管理 g s m 系统的位置管理包括三个方面的内容：第一，移动台的位置登记；第 二，当移动台从一个位置区域进入一个新的位置区域时，移动系统所进行的通 常意义下的位置更新；第三，在一定的特定时间内，网络与移动台没有发生联 系时，移动台自动地、周期地( 以网络在广播信道发给移动台的特定时间为周 期) 与网络取得联系，核对数据。 从数据库结构来看，g s m 的位置管理是基于一双层结构，上层为归属位置 寄存器( m 且) ，下层为拜访位置寄存器( v l r ) ，每个v l r 管辖多个位置区( l a ) 。 6 华中科技大学硕士学位论文 h l r 记录着用户当前所在的v l r 地址，v l r 记录着用户所在的位置区地址。 当移动终端运动到一新的位置区域即向该位置区所属v l r 申请位置更新。该 v l r 可能与前一个v l r 相同，也可能是一个新的v l r 。在后一种情形下v l r 向h l r 发登记申请，由h l r 通知前一个v l r 进行位置删除。呼叫建立时首先 引发查找过程，移动交换中一b ( m s c ) 向被叫的i - i l r 发查询请求，h l r 找出移动 台当前所在v l r 并向它发查询请求，v l r 将被叫在该v l r 管辖范围内更详细 的位置信息告诉h l r ，h l r 将得到的被叫当前位置告诉m s c 。 图2 1g s m 系统位置管理基本过程 2 1 2 切换 当移动用户处于通话状态时，如果出现用户从一个小区移动到另一个小区 的情况，为了保证通话的连续，系统需要将对该m s 的连接控制也从一个小区 转移到另一个小区。这种将正在处于通话状态的m s 转移到新的业务信道上( 新 的小区) 的过程称为”切换”( h a n d o v e r ) 。因此，从本质上说，切换的目的是 实现蜂窝移动通信的”无缝隙”覆盖，即当移动台从一个小区进入另一个小区时， 保证通信的连续性。切换的操作不仅包括识别新的小区，而且需要分配给移动 台在新小区的话音信道和控制信道。通常，有以下两个原因引起一个切换： 信号的强度或质量下降到由系统规定的一定参数以下，此时移动台被切换 到信号强度较强的相邻小区。 华中科技大学硕士学位论文 于某小区业务信道容量全被占用或几乎全被占用，这时移动台被切换到业 务信道容量较空闲的相邻小区。 由第一种原因引起的切换一般由移动台发起，由第二种原因引起的切换一 般由上级实体发起。 在g s m 数字移动系统中，对切换的控制是分散控制的。移动台与基站均 参与测量接受信号的强度( r s s i ) 和质量( b e r ) 。对不同的基站r s s i 的测 量在移动台处进行，并以每秒两次的速率，将测量结果报告给基站。同时，基 站对移动台所占用的业务信道t c h 也要进行测量，并报告给基站控制器b s c ， 最后由基站控制器决定是否需要切换。由于g s m 系统采用的是时分多址接人 ( t d m a ) 的方式，它的切换主要是在不同时隙之间进行的，这样在切换的瞬 间，切换过程会使通信发生瞬间的中断，即首先断掉移动台与旧的链路的连接， 然后再接人新的链路。人们称这种切换为”硬切换”。与此相应的，若移动台和 相邻的两个基站同时保持联系，当基站确定移动台彻底进入某一个区域后，才 断开另一个基站的联系，期间没有中断通话，称之为”软切换”。 2 2g p r s 系统中移动性管理技术 2 2 1g p r s 网络系统结构 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 ) 嘲是通用分组无线业务的简称，它是一 种基于分组交换传输数据的高效率方式。g p r s 深刻地改变了终端用户使用移 动数据计算的体验。g p r s 最显著的优点就是能够提供比现有g s m 网9 6 k b i t s 更高的数据率，可达1 7 0 k b i t s 。巨大的吞吐量改变了单一的面向文本的无线应 用，使得包括图片、话音和视频的多媒业务成为现实 。移动用户再也不必通 过拨号专门的i s p ( i n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e r ) 来收发e m a i l 和浏览w e b 页，g p r s 提供了无缝、直接的i n t e m e t 网连接。 华中科技大学硕士学位论文 g p r s 支持x 2 5 协议和对i n t e r n e t 具有深远影响的p 协议7 1 。对于g s m 网现有电路交换数据业务( c s d ) 和短消息业务( s m s ) 来说，g p r s 是一种补充而 不是替代。g p r s 根据用户需要灵活地动态分配无线资源，从而实现多用户共 享，提高频率利用率。同时计费也将由传统的按时方式改为根据用户数据的传 输量来计费。g p r s 不仅被欧洲的第二代移动通信系统g s m 支持，同时也被j e 美的i s 一1 3 6 支持。它的高数据率能够提供第三代中的部分多媒体业务且在时 间进程上提前几年，并且当第三代真正到来的时候，对于那些没有第三代经营 权的运营商来说，g p r s 仍不失为一种竞争业务，因此g p r s 被认为是第二代 移动通信系统向第三代演进的重要一步 9 1 ，目前几大电信公司如n o h a 、 m o t o r o l a 、s i m e n s 等都在积极参与g p r s 的提供。 g p r s 从逻辑上来说”0 】，可以在g s m 网络结构中增添两个新的网络节点来 实现。这两个节点是： g p r s 业务支持节点( s e r v i n g g p r s s u p p o r tn o d e ，s g s n ) ； g p r s 网关支持节点( g a t e w a y g p r s s u p p o r tn o d e ，g g s n ) ； g s m 标准0 3 6 0 对新增节点之间及新增节点与g s m 网原有节点之间的接口进 行了新的定义，如图2 2 所示。 其中s g s n 用于确定移动终端的位置信息t i l l ；执行安全性检测；以及进行 接入控制，即根据a p n 及用户签约数据推导出相应的g g s na d d r e s s 并建立， 维护和释放数据连接。g g s n 则提供s g s n 和p d n ( p a c k e td a t an e t w o r k 分组 数据网络) 之间的接1 2 1 ，实现了数据的存储转发和路由选择功能， 支持节点g s n ( g p r ss u p p o r tn o d e ) 具有支持g p r s 的全部功能。在一个p l m n 中允许有多个g s n 。 分组数据网络对p d p ( p a c k e t d a t a p r o t o c 0 1 ) 的地址进行分析后从g g s n 接人g p r s 网。g g s n 负责存储已经激活( a t t a c h e d ) g p r s 业务的用户的路由信 息，并能根据该信息将p d u s ( p r o t o c o ld a t au n i t s ) 通过隧道( t u n n e l ) 技术发送 9 华中科技大学硕士学位论文 + 。s i g n a l l i n gi n t e r f a c e 。s i g n a u i n ga n t id a m t r a n s f e ri n t e r f a c e 图2 2 ：g p r s 网络结构图 到m s 的当前注册点，也就是s g s n 。g g s n 可以通过g c 接口( 如果存在) 从 h l r 查询该移动用户当前的位置信息。g g s n 是p d n ( p a c k e d d a t a n e t w o r k ) 与 支持g p r s 的g s m p l m n 互联的第一个节点( 即g i 参考点由g g s n 支持) 。 s g s n 是当前正在为m s 提供业务的节点( 即g b 接1 2 由s g s n 支持) 。在激 活g p r s 业务时，s g s n 负责与m s 建立移动性和安全保密性的有关信息。在 p d p 信息被激活时，s g s n 负责与g g s n 建立路由的p d p 信息。 s g s n 与g g s n 的功能既可以由一个物理节点全部实现，也可以在不同的 物理节点上分别实现。它们都应有p 路由功能，并能与p 路由器相连。当s g s n 与g g s n 位于不同的p l m n 时，通过g p 接口互联。g p 接1 2 具有g n 接口的全 部功能以及p l m n 之间相互通信所需的安全功能。通过g s 接口，s g s n 可以 向m s c v l r 传送m s 的位置信息，并能收听来自m s c v l r 的寻呼请求。 2 2 2g p r _ s 中的移动性管理的实现 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 1g p r s 中的移动性管理功能 g p r s 系统中移动性管理【1 2 】功能实体驻留在m s s g s n 信令面协议栈的 g m m s m 层中，如图2 3 所示。该层包含两个子层：g m m ( g p r sm o b i l i t y m a n a g e m e n tg p r s 移动性管理) 予层和s m ( 会话管理) 子层。从原理上讲，移动 性管理功能包括： 1 位置管理为网络提供跟踪m s 位置的能力，维护通信的连续性 2 连接管理为m s 接入网络，建立两者g m m s m 层对等实体的通信。 g s m 连接管理：对m s 与网络的连接进行管理，如m s 的附着与分离、 鉴权与加密； g m m 连接管理：对用户的分组业务连接进行管理，如p d p 上下文的 激活、修改与去活。 2 2 2 1g p r s 移动性管理要素 移动性管理的要素 1 3 1 主要包括以下三项： 1 m m 上下文一一m m 上下文是指g p r s 用户在m s 和g s n 节点中存储的与 m m 有关的信息。这些用户的信息可分两类：预订信息和位置信息。 2 g m m 主要规程： 华中科技大学硕士学位论文 g p r s 附着规程：用于m s 的g p r s 业务的附着，有3 种类型：g p r s 附着、i m s i 已附着时的g p r s 附着以及联合g p r s i m s i 附着。当附着 成功后，g m m 上下文建立起来。 g p r s 分离规程：在分离过程完成之后，g m m 上下文被释放。 鉴权与加密规程：网络利用该规程检验m s 提供的标识是否合法、对 m s 提供的参数计算新的g p r s 密钥，使网络设置加密模式和加密算法。 3 位置管理规程一一该规程使m s 能检测何时进入一个小区或新的路由域 ( r a ) ，确定何时执行周期r a 更新 从功能上讲，g p r s 的m m ( m o b i l i t ym a n a g e m e n t 移动性管理) 功能包括激 活、去活、安全保密、位置管理、用户管理等。对g p r s 用户的移动性管理体 现为m s 在三种v i m 状态之间的相互转换。这三种状态是：空闲( i d l e ) 、守候 ( s t a n d b y ) 、准备a d y ) 。某一时刻的m s 总是处于三种状态之一。 空闲状态下，用户尚未激活g p r s 的移动性管理。m s 与s g s n 中还没有 存储用户的有效位置信息或路由信息，此时不执行与用户有关的任何移动性管 理，m s 不能接收除p t m - - m ( p o i n tt om ul t i p o i n t - - m u l t i c a s t ) 1 ) a g b 的任何消息。 当m s 向s g s n 发起激活请求并被接受后，m s 就转入准备状态，此时m s 可 以收发p d p ( p a c k e td a t ap r o t o c 0 1 ) p d u s ，可以接收p t m - - m 和p 1 m g ( p o i n tt o m u l t i p o i n t - - g r o u p ) 消息。 准备状态下，不管有没有为用户分配无线资源，即使没有数据发送，都应 始终维持m m 联系。有一个专门的定时器有用于监测准备状态下的活动，当定 时满时，m s 转入守侯状态。m s 向s g s n a 发出去活g p r s 的请求并被接受后， m s 转入空闲状态。 守侯状态下，m s 与s g s n 已经为用户的i m s i ( i n t e m a t i o n a lm o b i l es t a t i o n i d e n t i t y ) 建立了m m 联系( c o n t e x 0 。此时m s 可以接收h m m 和p i m g 数 据，也可以接收寻呼p t p 或p r i m g 的消息和信令以及由s g s n 发送的寻呼 华中科技大学硕士学位论文 c s ( c i r c u i ts w i s h e d ) 业务的消息。但是m s 不能收发p t p 数据以及传送p t m g 数据。 图2 4 ( 1 m 蹰淤嘶蛾鳃虢哒# ；凌| ! 图2 崛) s 1 3 s 唾耩嘲磐理崦奄模型 当m s 对寻呼消息做出响应时，m s 转入准备状态，而s g s n 在收到m s 返回的寻呼响应时转入准备状态。 m s 中存储的m m 信息有i m s i 、m m 状态( 空闲、准备或守侯) 、p - - t m s i ( p a c k e tt e m p o r a r y m o b i l es u b s c r i b e ri d e n t i t y ) 、p - - t m s i 签名( 用于身份验 证、当前路由区( r a ) 、当前小区识别( c i ) 、当前使用的密钥k c 、密钥序列号 c k s n 、加密算法、p d p 信息等。m s c v l r 中存储i m s i 、s g s n 编号。h l r 存储i m s i 、m s i s d n 、s g s n 编号、s g s n 地址、g g s n 列表、p d p 信息等。 s g s n 存储i m s i 、m m 状态、p - - t m s i 、p - - t m s i 签名、i m e i ( i n t e r n a t i o n a l m o b i l e e q u i p m e n ti d e n t i t y ) 、m s i s d n 、r a 、c i 、k c 、c k s n 、加密算法、p d p 信息等。 13 华中科技大学硕士学位论文 移动管理的协议由三部分构成，它们是u m 接口采用的l l c 和r l c m a c 协议，s g s n 和h i _ r ( g r ) 之间，s g s n 和e i r ( g f ) 之间采用的m a p 协议，s g s n 和m s c v l r ( g s ) 之间的b s s a p + 协议。 2 2 2 2g p r s 位置管理流程 m s 在开机后，会同时接收到不同基站发出的无线信号。m s 不论在空闲模 式下，还是在专用模式下，都要根据接收的信息( 接收电平、c i 、r a i 、l 越、 蜂窝是否被阻塞等) 来判断是否进行蜂窝或r a 、l a 更新。首先m s 将接收到 的c i 、r a i 、l a i 与其存储的c i 、r a 、l 础进行比较，如发现不同，则要发 起位置更新请求。当m s 处于准备状态时，c i 改变时要发起小区更新请求。当 m s 处于守侯状态时，它只能发起r a 或l a 或c o m b i n e d r a l a 更新请求，而 在同一r a 内c i 改变时，不能发起更新请求。r a 更新分为s g s n 内部r a 更 新与s g s n 之间的r a 更新两种。 小区更新过程当m s 检测到进入一个新小区时，m s 发送含有m s 标识 的任何类型l i _ c 帧给sg s n ，s g s n 记录小区的变化，并在新小区内继续 进行数据的传送。 s g s n 域内路由域更新过程s g s n 对进入新的r a 内的m s 进行认证。 若认证成功，贝l js g s n 更薪m s 的m m 上下文，可分配一个新的p - - t m s i 。 s g s n 域问路由域更新过程新s g s n 向原s g s n 请求获取m m 和p d p 上下文给m s 。原s g s n 若认证成功，则停止下行分组传送。原s g s n 存 储新s g s n 地址，这样原s g s n 可以将分组转发给新s g s n 。 新s g s n 与h l r 交换消息，以更新h l r 中的数据，同时改变新s g s n 中的用 户预订的数据。如果新s g s n 对m s 认证成功，新s g s n 为m s 建立m m 和 p d p 上下文。在新s g s n 与m s 之间建立起逻辑链路，即m s 可以在新r a 中 附着在新s g s n 上。 p - ， 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 2g p r s 连接规程 g p r s 连接规程主要包括g m m 连接和s m 连接。 1 g m m 连接o p r s 附着过程，其目的是激活m m 上下文、建立链路 ( 分配t l l i ) 和鉴权加密。 2 s m 连接一p d p 上下文激活过程，其目的是在m s 与网络之间针对特 定n s a p i 上的q o s 要求建立p d p 上下文。只有在i v i m 上下文建立之 后才能进行p d p 上下文激活过程。 在完成g p r s 附着和p d p 上下文激活两个过程时，m m 上下文和p d p 上 下文都建立起来。s g s n 一方面利用m m 上下文中的i m s i 和p d p 上下文中的 n s a p i 生成一个t i d = ，建立起g p r s 核心网( 在漫游时包括骨 干网) 中的隧道：另一方面，s g s n 与m s 利用附着过程中由p - - t m s i 生成的 本地上i 和m s 选择的n s a p i ，在无线接入网中建立起u 连接通道。这样， 就在g p r s 网络( 无线接入网、核心网和骨干网) 中建立起传送分组的路由。 2 。3 u m t s 系统中的移动性管理技术 2 3 1u m t s 系统网络结构 u m t s ”4 】是通用移动通信系统( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m u n i c a t i o n ) 的简称。 它是r r u 的i m t - 2 0 0 0 第三代移动通信系统( 3 g ) 的重要组成部分。 u m t s 系统将整个网络划分为两部分，即核心控制部分、无线接入部分。 在核心控制部分采用a t m 技术及相应的接口技术达到同时支持电路交换、包 交换两种方式的目的。在无线接入部分采用u t r a ( u m t st e r r e s t r i a lr a d i o a c c e s s ) 作为全球地面无线接入的标