（计算机应用技术专业论文）基于代价优化的3g移动终端位置管理策略的研究.pdf

r e s e a r c ho nc o s t - b a s e do p t i m i z a t i o no f 3g m o b i l et e r m i n a l sl o c a t i o nm a n a g e m e n ts t r a t e g y at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fs c i e n c e b y c h e ny a j u a n s u p e r v i s e db y p r o f j i ny u a n p i n g d e p a r t m e n to fc o m p u t e r s c i e n c e e n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a p r i l2 0 1 0 东南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的研究成果。尽我所知，除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论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 得东南大学或其它教育机构的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。 研究生签名： 这b j 雌日期：盖吐尘旦虹上生 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论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。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密 期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、 英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名1 蛐导师签名 摘要 位置管理是对移动终端的位置进行管理，在一个寻呼到达时，网络能够快速准确的定位 移动终端的位置，成功建立呼叫链路，同时使网络资源得到有效利用。随着无线网络技术的 发展，移动用户的数量大幅增加，用户的漫游范围不断扩大，在3 g 系统中位置管理策略的 研究具有重要的意义。位置管理涉及网络处理能力和网络通信能力，相关研究工作主要围绕 无线侧的移动终端位置更新和寻呼以及网络侧的位置登记和呼叫传递两方面进行。 本文集中研究了3 g 网络三层数据库结构下的位置管理方法。深入分析了当前2 g 网络基 于两层数据库结构的静态位置管理方法，3 g 网络中引入g l r 处理移动终端在漫游区的位置管理 方法以及现有的相关位置管理策略的优缺点，在此基础上提出了一种基于移动域的3 g 移动终端的 动态位置管理方法，同时充分利用g l r 在3 g 网络中的作用，综合本地路由法和缓存法，优化 了3 g 网络中的呼叫建立流程。数值分析和仿真实验结果表明，存在一个最优的移动域门限值来 平衡位置更新的代价和终端寻呼的代价，获得最小的位置管理总代价；采用本地路由和缓存策略 能够有效减少呼叫传递过程中的系统开销。 关键词：位置管理，3 g 网络，网关位置寄存器，位置更新，终端寻呼，呼叫传递 a b s t r a c t l o c a t i o nm a n a g e m e n ti st om a n a g et h el o c a t i o no fm o b i l et e r m i n a l s ，i t i sm a i n l ya i m e dt o q u i c k l yt r a c et h ea c c u r a t el o c a t i o no fm o b i l et e r m i n a l s ，f a c i l i t a t et h e d e l i v e r yo fi n c o m i n gc a l l st o d e s t i i l a t i o nu s e r s ，a n dm a k eam o r ee f f i c i e n tu s eo fn e t w o r kr e s o u r c e s w i t ht h ed e v e l o p m e n t 嘧e l e 鸥n e t w o r kt e c h n o l o g y ，t h en u m b e ro fs u b s c r i b e r si n c r e a s i n g ，a n dt h es c o p eo ft h e u s e r s r o a m i n ge x p a n d i n g ，s t u d y i n gs t r a t e g i e so f3g l o c a t i o nm a n a g e m e n tb e c o m e so fg r e a ts i g n i f i c a n c e l 0 c a t i o nm a n a g e m e n ti sr e l a t e dt op r o c e s s i n gp o w e r a n dc o m m u n i c a t i o nc a p a b i l i t i e so f t h ew i r e l e s s n e t w 伪k a n dt h er e l e v a n tr e s e a r c hw o r ki sm a i n l yc a r r i e do u ti nt w om a j o ra r e a s , 1 e ，l o c a t m n u p d a t ea n dp a g i n gi nw i r e l e s ss i d e ，l o c a t i o nr e g i s t r a t i o na n d c a l ld e l i v e r yo fn e t w o r ks i d e t i f f sp a p e rf o c u s e so nt h el o c a t i o nm a n a g e m e n tm e t h o d so f3 gn e t w o r kw i t ht h r e e - t l e r d a t a b a s ea r c h i t e c t u r e w i t hat h o r o u g ha n a l y s i so fs t a t i cl o c a t i o nm a n a g e m e n t o fc u r r e n t2 gn e t w o r k b a s e do n 帆t i e rd a t a b a s ea r c h i t e c t u r e ，t h em e t h o d so fi n t r o d u c i n gg l r t ot r e a tm o b i l et e r m i n a l sm r o a r i l i n g z o n e si n3 gn e t w o r k ， a n ds t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e s o fe x i s t i n gr e l a t e dl o c a t i o n m a n a g e m e n ts t r a t e g i e s ，am o v i n g d o m a i n - b a s e dd y n a m i c l o c a t i o nm a n a g e m e n tm e t h o do f3 g m o l b i l et e 删n a l sw a sp r o p o s e d m e a n w h i l e ，b ym a k i n gf u l lu s eo fg l r i nt h e3 gn e t w o r ka n d i n t e g r a t i n gm e t h o d so fl o c a lr o u t i n ga n dc a c h i n g ，t h ec a l ls e t u pp r o c e s sw a s o p t i m i z e d - n u m e r i c a l a n a l y - s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei s a no p t i m a lt h r e s h o l dt ob a l a n c el o c a t i o nu p d a t e a n dt e r m i n a lp a g i n gc o s tt oo b t a i nt h em i n i m u mt o t a lc o s to fl o c a t i o nm a n a g e m e n t ，a n du s i n gl o c a l r o u t i n ga n dc a c h i n gp o l i c i e sc a ne f f e c t i v e l y r e d u c et h es y s t e mc o s to ft h ec a l ld e l i v e r yp r o c e s s k e y w o r d s ：l o c a t i o nm a n a g e m e n t , 3 gn e t w o r k ，g a t e w a yl o c a t i o nr e g i s t e r , l o c a t i o nu p d a t e ， m o b i l et e r m i n a lp a g i n g ，c a l l i n gd e l i v e r 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论- l 一 1 1 课题的研究背景和意义- l - 1 2 课题的研究现状和本文的研究目标- 2 一 1 3 本文的章节安排一3 一 第二章位置管理概述- - 4 - 2 1 位置管理的主要内容- 4 - 2 2 当前2 g 系统的位置管理方法- 4 2 3 第三代移动通信系统及其位置管理- 4 2 4 两种数据库结构的性能比较- 4 2 5 本章小结- 4 - 第三章位置管理的相关策略4 3 1 位置更新策略4 3 2 呼叫传递策略一4 - 3 3 终端寻呼策略- 4 3 4 本章小结- 4 第四章基于g l r 的动态位置管理方法的研究- 4 4 1 引言- 4 - 4 2 位置管理方案设计- 4 4 3 代价分析- 4 4 4 仿真实验- 4 - 4 5 本章小结- 4 - 第五章基于g l r 的呼叫建立机制的改进4 5 1 引言一- 4 5 2 基于g l r 的呼叫建立机制的研究- 4 - 5 3 算法性能分析- 4 5 4 仿真实验与性能分析- 4 - 5 5 本章小结- 4 - 第六章总结与展望- 4 一 6 1 本文工作的总结：_ ，：- 4 - 6 2 需要进一步研究的内容一4 - 至5 谢。j ：4 参考文献一4 一 作者简介一4 - h i 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 第一章绪论 在移动通信网络环境中，移动终端( m o b i l et e r m i n a l ) 的位置总是在频繁变化，移动终 端位置的变化影响到用户的管理、无线资源的分配、通信连接的建立等，因此要实现网络中 的移动终端间的正常通信，移动终端的位置管理尤为重要。位置管理使网络能在呼叫建立时 定位移动终端的当前位置。随着3 g 移动通信网络系统的建设和实施，便携式终端设备的普 及，移动用户的数量大幅增加，用户的漫游范围不断扩大，用户有着“始终在线”的需求，期 望网络能够在任何时间、任何地点、以任何方式提供信息服务。在一个寻呼到达时，快速准 确的查询到移动终端的位置信息，建立呼叫链路，在3 g 中的位置管理面临更严峻的挑战。 当前的个人通信服务网络( 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 ) 使用蜂窝状的结构，通常由 二组分散在不同区域的固定基站和一些固定的主干网络设备组成。基站b s ( b a s es t a t i o n ) 主要 完成其服务区域内无线信号的发送和接收，而主干网络设备则完成移动用户的信息交换和与 其它网络的连接。每个基站负责的无线信号的服务区常称为基站的覆盖区域，其物理覆盖区 域划分成许多蜂窝( c e l l ) ，每个c e l l 可容纳一定数量的移动终端m t ，一个基站服务于一个 c e l l ，m t 通过b s 与网络连接。当前普遍采用的无线基站对业务区域的覆盖方式是每个基站 覆盖一个类似蜂窝状的区域，所以这种网络也被称为无线蜂窝网络。几个b s 连接到一个基 站控制器b s c ( b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ) 上，多个b s c 再连接到一个移动交换中心m s c ( m o b i l e s w i t c h i n gc o n t r o l l e r ) ，多个m s c 再连接到公共电话交换网络p s t n ( p u b l i cs w i t c ht e l e p h o n e n e t w o r k ) 。当前移动通信系统中，通过位置区l a ( l o c a t i o na r e a ) 进行位置管理，移动网络的 服务区分成若干连续的l a ，每个l a 由一定数量的蜂窝小区组成。 位置管理主要是使网络能在呼叫建立时定位用户终端当前位置，在移动蜂窝网中用户的 位置即其所在的c e l l 。位置管理包含位置更新和寻呼两方面的内容。位置更新主要用于网络 跟踪空闲态移动终端的位置，使得系统的相关数据库能够及时更新该用户位置信息。寻呼是 在呼叫到达时发起的查找移动终端位置的过程，系统访问相关数据库以获得用户当前所在位 置区，同时利用终端寻呼过程确定用户所在的具体c e l l 。位置管理中减少位置更新的代价或 者减少终端寻呼的代价都可以提升系统的性能。但是这两者可能是相互制约的：用户的位置 知道得越精确，位置更新的开销可能就会越大，而用户位置知道的越精确，寻呼时只需要在 小范围内发送寻呼信息，寻呼开销相对越低；相反，如果定位开销越低，则寻呼开销可能就 越高。两个极端的例子是，m t 从来不更新，那么寻呼该m t 时必须对所有的c e l l 进行寻呼； m t 每越过一个c e l l 都进行更新，那么呼叫该m t 时就只对一个c e l l 寻呼就行。在极端情况 下，网络的位置管理的总成本是较大的。位置管理的策略研究需要在定位和寻呼之间寻找一 个最佳的折衷。 一 以g s m 、i s - 4 1 为代表的第二代移动通信系统中的位置管理是基于双层结构【1 】，上层为 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 ) ，下层是访问位置寄存器v l r ( v i s i t o rl o c a t i o n r e g i s t e r ) 。h l r 存储归属网络中所有用户的相关信息( 接入权限、用户位置等) ，每个v l r 存 储它所辖定位区内的用户的部分数据。为了减少h l r 和v l r 之间的通信链路负荷，在3 g 核心网络系统中引入了网关位置寄存器g l r 2 ( g a t e w a yl o c a t i o nr e g i s t e r ) ，形成了三层数据 库结构。g l r 是漫游网络的v l r 和归属网络的h l r 之间的一个网络节点，主要功能是处理 漫游用户在访问网络中跨越不同位置区时的位置更新，v l r 的更新请求仅需发给g l r ，而不 需要发送给移动终端所属的h l r ，从而有效减少了访问网络和归属网络之间的信令负荷。 位置管理的研究主要集中在两方面，减少位置更新的信令开销和缩短位置查询的时间， 降低呼叫建立的延迟。两层数据结构和三层数据库结构的位置更新流程是完全不同的，目前 的大多数研究都是针对2 g 网络的两层数据库结构，针对3 g 网络三层数据库结构研究的文章 还不多。随着3 g 移动通信网络系统的建设和实施，移动用户的数量将大幅增加，用户的漫 东南大学硕士学位论文 游范围不断扩大，研究已有位置管理策略的优劣性，选择高效的位置管理方案，在一个寻呼 到达时，快速准确的查询到移动终端的位置信息，建立呼叫链路，在3 g 移动通信系统研究 中具有重要的意义。 1 2 课题的研究现状和本文的研究目标 位置管理涉及网络处理能力和网络通信能力，相关研究工作主要围绕着无线侧的移动节 点位置更新和寻呼以及网络侧的位置登记和呼叫传递两大方面进行的。位置管理的目标就是 尽可能减少与位置管理相关的处理负荷和信令流量，同时尽可能快地确定移动节点的确切网 络位置。这就要迸一步优化位置信息数据库结构、位置更新策略和寻呼策略。需要考虑的因 素主要包括如何进行位置区设计、如何减少位置数据库更新与查询次数、如何缩短位置管理 信令在网络内的传输、如何减少寻呼步骤和时延等。 移动节点位置更新策略主要分为基于固定位置区划分的静态位置管理策略和基于动态位 置区划分的动态位置管理策略。一般而言，高移动性、低呼叫率的移动节点适于分配较大的 位置区，而低移动性、高呼叫率的移动节点适于分配较小的位置区。静态位置管理策略中固 定位置区的大小是根据所有用户的平均呼叫率和移动模式进行设定的，根据一些固定的状态 来触发位置更新，如时间周期或位置区的改变等，其工程实现相对较简单。但是，静态位置 管理策略未考虑到各个用户移动特性与呼入特性( 呼叫移动模型) 的动态性和差异性，很难选 择对所有用户都是最优的位置区大小。 动态位置管理策略一般针对用户个体移动特性来设定位置区，主要有基于时间、移动( 计 数1 、距离或预测因素等方法。动态位置管理需要实时收集和处理用户数据，对终端处理能力 的要求相对较高，以及对用户与网络间信息交互也有较高要求，其工程实现较复杂。而在实 际移动通信系统的设计中，通常的要求是尽量减少终端的处理负担和存储消耗以及用户与网 络间的信令交互。 寻呼策略，本质上是如何在有限的时间内精确搜索到用户的位置，一般需要在时间开销 和系统开销之间折中。静态寻呼策略是指，事先固定组织确定的寻呼区域，然后采用并行寻 呼方式( 单次寻呼) 向该区域所有蜂窝区寻呼。由于移动节点越区移动具有局部性，该策略会 造成系统资源的较大浪费。动态寻呼策略是指，首先组织寻呼区域为一个个的群，然后基于 如距离、分布概率、移动速度等组织寻呼群序列分别进行寻呼( 多次寻呼) 。现在许多研究者 都朝着限制寻呼时延且最小化寻呼开销的方向进行研究。目前学者们提出的一些主要的寻呼 策略包括：地毯式寻呼、最短距离优先寻呼、基于用户所在位置区概率大小顺序寻呼、速度 寻呼等几种寻呼策略。 ：+ 对于网络侧的位置管理，主要的研究是围绕位置数据库的网络结构展开，即怎样组织和 存储位置信息数据。位置信息应该及时有效，以便快速查找，减少路由和重选路由的延迟。 “ 相关研究方案包括有集中式、分布式和混合式等，目前需要研究更加分布，具有更多复制的 高效的位置数据库结构，以便尽可能快地获得移动节点位置信息，减小通信的时延。相关研 究策略有指针转发、局部锚点、本地路由和缓存等策略。 一 在g s m g p r s 移动通信系统所采用的两级数据库结构的位置管理方案中，与移动节点 相关联的h l r 记录了移动节点当前在哪一个v l r 的管理区域，而v l r 则动态记录了其所辖 区域内的移动节点当前所在的位置区。g s m g p r s 系统使用的是基于越区位置更新和周期 性位置更新相结合的位置更新策略，当移动节点漫游到离归属地( h l r ) 较远的位置区时，将 会增加位置更新和查找的时延，并会增加中继网络的信令负荷。针对此问题，3 g 移动通信系 统在h l r 和v l r 问引入了网关位置寄存器( g l r ) 来限制在访问网络和归属网络间的信令传 输。文献 3 】 4 】通过数学分析的方式分析了3 g 网络基于移动的三层动态位置管理的性能，考 虑了当移动终端经过k 次越区切换后便执行位置更新还考虑了当移动终端跨越l a 时的情形； 文献 5 】通过仿真分析的方式，证明了三层数据库结构相对于2 层结构的优越性；文献 6 】在 4 】 基础上提出了一种基于3 g 中三层数据库的增强型位置管理方法，减少位置更新代价；文献 7 】 采用基于g l r 缓存对3 g 中三层数据库的呼叫建立机制进行了优化。 目前国内外位置管理主要集中在位置更新和终端寻呼两方面，而且多数研究针对2 g 移 动通信系统的，针对3 g 网络的还很少。本文围绕三层数据库架构下的位置管理展开，充分研究 现有位置管理方法，综合已有的各种位置更新策略和寻呼策略、位置登记和呼叫建立机制的优缺 点，提出一种基于g l r 的动态位置管理方法，优化其呼叫建立机制，并通过理论分析和仿真实验， 证明该位置管理策略的有效性。 1 3 本文的章节安排 本文共有六章，内容安排如下： 第一章，阐述了本文的研究对象的相关背景知识，目前该课题的研究现状，本论文的研究目 标以及文章的结构安排。 第二章，概述了位置管理的主要内容，详细分析了当前2 g 系统中的位置管理的方法和具 体处理流程，讨论了3 g 网络引入g l r 处理移动终端在漫游区位置更新的流程，同时分析了静态 位置管理方法的不足，最后比较了这两种数据库结构的性能。 第三章，研究了位置管理的相关策略进行，介绍了固定位置区、动态位置区以及常见的 三种动态位置更新等位置更新策略，分析了本地路由、缓存、复制以及前向指针等呼叫传递 策略，讨论了地毯式寻呼、按概率分批寻呼、最短距离优先、按速度寻呼等终端寻呼策略。 第四章，基于g l r 的三层数据库结构，提出了一种基于移动域的动态位置管理方法，根据移 动呼叫比选择合适的呼叫策略，通过代价计算验证该策略的有效性。 第五章，基于g l r 的三层数据库结构，综合采用本地路由和缓存方法优化呼叫建立机制，计 算呼叫建立过程中的总时延和总代价，通过数值仿真分析证明其有效性。 第六章，总结了本文的工作，并提出有待进一步深入研究的相关内容。 东南大学硕士学位论文 2 1 位置管理的主要内容 第二章位置管理概述 用户的移动性是移动通信的基础，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、准确地传递给用户，必须有效地跟踪用户，明确用户所处的位置。位置管理( l o c a t i o n m a n a g e m e n t ) 是移动通信系统的关键技术之一，它的主要任务就是跟踪用户，明确用户当前所 在的位置。位置管理包括两个部分，如图2 一l 所示，一部分是位置更新( l o c a t i o no p d a t e ) ，另 外一部分是位置寻呼( p a g i n g ) 。在位置更新中，移动终端周期性的、或被网络强制性的向网络 提供自己当前的位置信息，以确保储存在网络中该用户的位置信息是最新的，由移动终端用 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。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当前的位置。其基本过程是网络 寻找确定的访问路由到达该移动终端。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。 图2 1 ：位置管理 目前的位置管理技术包括数据库结构设计以及如何在信令网络的各部分之间传送信令消 息。随着移动用户数量的增长，需要新的或改进的方法来有效的支撑不断增长的移动用户。 另外，其他的一些研究方向包括安全、动态数据库更新、查询时延、终端寻呼方法、寻呼时 延等。 2 2 当前2 g 系统的位置管理方法 2 2 12 g 系统位置管理的数据库结构 在第二代蜂窝移动通信网( g s m ，i s - 4 1 等) 中，通过位置区l a ( l o c a t i o na r e a ) 进行位置管 理8 1 。移动网络的服务区分成若干连续的l a ，每个l a 由一定数量的蜂窝小区组成，每个小 区中有一个基站b s ( b a s es t a t i o n ) 通过不断地广播信息与移动终端保持联系，小c e l l 通信电 力消耗少并且允许更大的频率复用。几个b s 连接到一个基站控制器b s c ( b a s es t a t i o n c o n t r o l l e r ) 上，多个b s c 再连接到一个移动交换中心m s c ( m o b i l es w i t c h i n gc o n t r o l l e r ) ，多个 m s c 。再连接到公共电话交换网络p s t n ( p u b l i cs w i t c ht e l e p h o n en e t w o r k ) 。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，目前使用得最为广泛的是两级数据库结构，如图2 - 2 所示的2 层数据库的位置管理结构，一个称为归属位置寄存器( h l r ) ，另一个是访问位置 寄存器( r ) 。通常，每个网络都有一个h l r ，每个用户都永久归属于其所属网络的h l r 。 每个移动终端的用户信息，如用户标识、允许的业务类型和位置信息，都存储在h l r 的用户 档案中。v l r 的个数及位置在不同网络中是不一样的。每个v l r 把访问在其下的用户信息 暂时存储在自己的数据库中，直到用户离开该v l r 的管辖区。网络管理功能，如呼叫处理和 第二章位置管理概述 位置登记，都是通过信令网络交换信令信息来完成的。 图2 - 2 ：当前2 g 系统位置管理的网络结构 当前2 g 系统采用的位置更新的方式是周期性位置更新和越区位置更新。周期性位置更 新要求用户定时向网络报告其位置，采用周期性位置更新时常会造成不必要的资源浪费( 比如 移动终端较长一段时间都在某一个l a 内) ，因此常和越区位置更新结合使用。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。当移动终端存储的l a 识别码与所在 小区广播的l a 识别码不同时，自动进行位置更新。 以目前世界上覆盖面积最广、用户最多、技术最成熟的移动通信系统g s m 为例，在g s m 移动通信系统中，使用h l r v l r 机制来进行用户的移动性管理，整个服务区被分成许多个 位置区l a ，用h l r 来永久登记那些临时移动到它管辖的网络内的用户，而每个v r l 则存储 它所辖位置区内的部分访问用户数据。当用户进入到一个新的位置区时，如果新位置区和原 位置区都由同一个v r l 服务，那么就不向h l r 产生任何更新请求，如果新位置区与原位置 区不是由同一个v l r 服务，h r l 就进行位置更新操作。如果网络和移动终端之间在一段固 定的时间内( 比如几个小时) 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。 2 2 22 g 系统的位置管理过程 当用户在某一个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 ) 网络中注册服务时，h l r 就为该用 户建立了一个记录。h l r 给每个用户分配一个识别符，包括目录号、简表信息、当前位置和 有效期等。当移动用户访问一个不是自己归属系统的p c s 网络时，在该系统的v l r 中就要 为该用户建立一个临时记录。v l r 暂时为来访的用户存储注册信息，以便对应的m s c 为其 服务。h l r 保持一个指向用户当前所处v l r 的指针，而v l r 保持一个指向用户确切位置( 即 小区) 的指针。图2 - 3 给出了2 g 系统中位置管理过程，它包括位置更新处理过程和呼叫建立 过程两个部分。 国岛国留留 东南大学硕士学位论文 p l 畸 图2 - 3 ：2 g 系统的位置管理过程 位置更新处理过程从u l 到u 6 ( 假设新旧l a 属于不同的v l r ) ： u 1 ：当移动终端从一个位置区进入一个新的位置区时，发现位置区改变，引发位置更新 过程，通过基站向管辖该l a 的移动交换中心( m s c ) 发送一个位置更新请求信息； u 2 ：m s c 向对应的且发送位置注册请求； u 3 ：v l r 从m t 的移动识别号( m i n ) 中找到该m t 所属h l r 的地址，并向该h l r 发 送位置注册请求； u 4 ：h l r 对该m t 身份验证，并给v l r 返回位置注册响应； u 5 ：h l r 通知m t 原来所在的v l r 删除该m t 的数据； u 6 ：原来的v l r 返回h l r 数据删除相应。 呼叫建立过程c l 从到c 7 ： c l ：移动终端m t l 发起呼叫； c 2 - b s 转发请求给m s c ； c 3 ：m s c 联系被叫移动终端m t 的h l r ； c 4 ：h l r 联系被叫m t 的v l r ； c 5 ：v 】且向h l r 返回相应； 一 c 6 ：h l r 发送主叫v l r 的位置信息； c 7 ：整个l a 寻呼被叫移动终端，进而建立主叫和被叫m s c 的链接。 2 3 第三代移动通信系统及其位置管理 在第三代移动通信系统中，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。3 g p p 2 3 1 1 9 1 2 规范提出了在v l r 与h r l 间引入网关位置寄存器 ( g l r ) 来限制漫游信令在被访问移动网络和归属移动网络间的业务量。 2 3 1 基于g l r 的网络模型 g l r 部署在漫游网络的边界，位于h l r 和v l r 之间，充当漫游用户的h l r ，存储着漫 游用户的签约信息和位置信息，处理用户在漫游网络内部的位置管理。通过在漫游网络内营 造漫游用户的归属环境以优化位置管理的网络间信令传输，g l r 系统的逻辑模型如图2 - 4 所 示，主要包括g l r 、i m - m s c ( i n t e r m e d i a t em s c ) 和i m - g s n ( i n t e r m e d i a t eg s n ) 。 第二章位置管理概述 信令接口 信令和数据传输接1 3 。 图2 - 4 ：基于g l r 的网络逻辑结构 ( 1 ) g l r ：漫游网络中的虚拟的h l r ，存储漫游用户的信息，处理移动终端在漫游网络 内的位置管理。g l r 对其他网络节点是透明的，因此g l r 与h l r 的接口如同v l r ( 或s g s n ) 和h l r 的接口；g l r 与v l r ( 或s g s n ) 的接口如同h l r 与的v l r ( 或s g s n ) 接口。 ( 2 ) i mm s c ：漫游网络中的虚拟的m s c 。有些服务( 如终接短信) 直接从归属网络的 某些节点( 如短信网关m s c ) 向服务的m s c 发送消息。这时，消息首先传到i mm s c ，i mm s c 通过向g l r 查询后将消息转发给实际为用户服务的m s c 。 ( 3 ) i m - g s n ：位于漫游网络中的虚拟的g s n 。一些从归属网络发来的g t p ( g p r st u n n e l i n g p r o t o c 0 1 ) 信令消息( 如p d u - n o t i f i c a t i o nr e q u e s t r e s p o n s e ) 将会先传到i m g s n ，i m - g s n 通过 向g l r 查询后再将消息转发给实际为用户服务的s g s n 。 ( 4 ) g a t en o d e 代表各种网关设备，如g m s c 、g m l c 、s m s - g m s c 。 在3 g 网络中g l r 和h l r 的关系就如同2 g 网络中v l r 同h l r 的关系。从访问网络 v l r 的角度看，g l r 可以被看作漫游用户位于访问网络的h l r ；从归属网络的h l r 的角度 看，g l r 可以被看作v l r ，同时一个g l r 可以和多个v l r 交叉。 2 3 2m t 在漫游网络的位置管理方法 1 m t 在漫游网络的第一次位置更新流程 用户在配备了g l r 的漫游网络位置更新时，v l r 向归属网络h l r 的位置更新请求将被路 由至g l r ，基于g l r 的第一次位置更新流程如图2 5 所示。( 1 ) 当g l r 收到且的位置更新 请求时，由于第一次位置更新，g l r 中没有用户数据，首先g l r 在数据库中为该用户创建纪 录，存储实际为用户提供服务的v l r 号码和m s c 号码；然后将v l r 号码替换成g l r 号码，m s c 号码替换成i m - m s c 号码后的位置更新请求发送给归属网络的h l r 。( 2 ) h l r 收到为更新请 求后，存储请求信息中的v l r 和m s c ( 实际上是g l r 和i m - m s c ) ，并给g l r 发送漫游用户 的数据。( 3 ) 从h l r 收到用户数据后，g l r 将用户数据存入数据库，同时记录用户归属的 h l r ，将位置更新响应中的h l r 号码替换为g l r 号码后发送给v l r 。 + 东南大学硕士学位论文 1 位置更新请求 2 插入用户位置信息 2 插入用户位置信息响 3 位置更新响应 归属舟络 尸_ 厂丽 1 位置更新请求 2 插入用户位置信息响 3 位置更新响应 图2 5 ：漫游网络中第一次位置更新流程 完成了第一次位置更新以后，v l r 中存储的h l r 号码实际是g l r 号码，h l r 中纪录的用 户所在的v l r 、m s c 实际上是g l r 和i m m s c ，同时g l r 中存储了v l r 需要的所有用户数据， 并且纪录了用户归属的h l r 号码和实际为用户服务的m s c 、v l r 号码，为独立处理漫游用户 的再一次位置更新做好了准备。 2 m t 在漫游网络的再次位置更新流程 用户在漫游网络再次进行位置更新过程如图2 6 所示：在g l r 收到新v l r 发送的位置更新 请求后，首先发送位置删除请求通知原v l r 删除用户数据。接着，g l r 将存储的用户数据发 送给新的v l r ，然后g l r 用新的v l r 号码和m s c 号码更新实际为用户服务的v l r 和m s c 号 码。最后，g l r 向新v l r 发送位置更新响应，响应中h l r 号码置为g l r 号码。 再次位置更新时，g l r 已经存储了用户数据，可以独立的向v l r 提供所有需要的用户数 据。另外，h l r 存储的位置信息是g l r 号码，不需要关心用户在漫游网络内位置区的变化。 因此，g l r 不必访问h l r 也能够完成位置更新过程。通过这种方式，g l r 对归属网络屏蔽了 用户在漫游网络的位置区变化，因此能够有效减少位置更新过程中网络间的信令传输。 访问网络 归属网络 ， 、尸_ 卜 图2 - 6 ：漫游网络中的再次位置更新 3 通知g l r 删除位置信息的流程 在移动终端离开该g l r 位置管辖区后，h l r 需要通知原g l r 删除该移动终端的位置信 息，如图2 - 7 所示，移动终端在回到归属网络后的，向v l r 发起位置更新，此时h l r 需要 给移动终端漫游时所在的g l r 发送c a n c e ll o c a t i o n 消息，通知g l r 删除位置信息。 杰 第二章位置管理概述 访b - j 网络 尸- - 、 归属网络 ，| - 、一、 图2 7 ：通知g l r 删除位置信息的流程 4 基于g l r 的呼叫建立流程 规范3 g p pt s 2 3 1 1 9 1 2 q b 给出的三层数据库呼叫建立机制的基本过程是：当主叫呼叫被 叫用户时，主叫当前所在的移动交换中, t 1 , m s c 向被1 1 q h l r 发送查询请求，被叫h l r 向被叫当 前所在的g l r 发送查询请求，g l r 贝j j 向被叫当前所在的v l r 发送查询请求，v l r 将被叫在该 v l r 管辖范围内更详细的位置信息经g l r 转发给h l r ，h l r 将得到的被叫当前位置告诉主叫 当前所在的m s c ，主叫m s c 与被叫m s c 之间建立连接，然后被叫m s c 寻呼被叫移动终端，若 被叫移动终端响应寻呼并通过鉴权过程，则系统建立了主被叫之间的连接。 图2 - 8 ：基本呼叫建立流程 在移动通信系统中部署g l r 是有代价的。首先，漫游用户的数据同时存储于h l r 、v l r 和g l r 中，数据一致性的维护比较复杂；其次，g l r 可靠性、实时性要求很高，增加了运营 成本。但是，用户数据的冗余存储在增加数据致性维护开销的同时，也提高了用户数据的 可靠性；g l r 的引入在增加运营成本的同时，大大节约了网络间信令传输量，提升了移动通 信网的整体性能，改善了对漫游用户的服务质量。更重要的是，g l r 不改变现有移动通信网 的网络结构和实体功能，可以完全透明的引入至i j 2 g 和3 g 系统中，最大程度的保护了运营商的 已有投资。随着移动用户全球漫游的日益普遍，如何充分利用现有设备为漫游用户提供良好 服务已经成为各运营商无法回避的难题。部署g l r 向运营商展示了一个很好的解决方案。 2 3 3 存在的不足 当前的2 g 和3 g 系统中采用的固定位置区的位置管理策略主要有以下缺点： 1 信令分布不均匀性，尤其是无线信令分布的不均匀性。移动终端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； 东南大学硕士学位论文 2 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的局部性运动，形成 多次不必要的位置更新； 3 不能根据用户在不同时间的不同移动一呼入特征作自适应的动态调整； 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呼入 请求的时延，同时会大量增加中继网络的信令负荷； 5 整个l a 中所有小区同时寻呼，造成大量网络资源浪费，同时没有考虑到呼叫业务本地 化的特性，远程信令和数据库查询开销比较大，呼叫业务本地化指本地用户呼叫本地移动用 户( 漫游或非漫游) 占本地用户呼叫移动用户总次数的比例很大，约7 0 8 0 左右。 当前使用的是一种静态位置更新策略，其效率不高，一方面是因为对所有用户是等同的； 另一方面是因为处于位置区边界的小区必然承载较多的位置更新负荷。不单3 g 网络系统面 临这些问题，2 g 系统中也同样面临这些问题，同时位置更新和寻呼过程都要经过h l r ，大 大增加h r l 信令处理负荷和数据库查询时延，