移動通信中的位置管理新技術

2019-11-03 09:42:04

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供稿：網友

　　1、引言

當前，移動通信產業正高速增長，截止1999年底，全球移動用戶已超過4億，預計2000年底接近6億。人們在滿足了話音和低速數據等基本業務后，更希望能發展會議電視，圖像等多媒體業務。這便是下一代移動通信系統即第三代的發展目標。

第三代移動通信支持個人移動性和終端移動性，用戶可以在任何時間和任何地點，使用任何固定或移動終端，通過個人通信號碼和任何人進行通信。為了將呼叫傳遞給隨意移動的用戶，需要有一個高效的位置管理系統來跟蹤用戶的位置。位置管理主要由兩部分組成。第一是位置登記。在這個過程中，移動終端周期性地向移動網報告其所在的接入點，以便移動網對其進行鑒權并更新位置記錄。第二是呼叫傳遞，這一步要向移動網查詢用戶的位置記錄以此來得知移動終端的位置。

當前位置管理的技術包括數據庫結構的設計、信令網內不同部分之間信令消息的傳輸。隨著移動用戶數目的增加，需要新的或改進的方式來有效地支持連續不斷增長的用戶。其他問題包括：安全、動態數據庫更新、排隊時延、終端尋呼方式以及尋呼時延等。

　　２、當前的位置管理策略

當前位置管理采用的是雙層數據庫，即原籍位置寄存器HLR和訪問位置寄存器VLR。通常一個移動通信網的位置管理系統由一個HLR（存儲在其網絡內注冊的所有用戶的信息，包括用戶預定的業務、記費信息、位置信息等）以及若干個VLR（它管理該網絡中若干個位置區LA（Location Area）（一個位置區由一定數量的蜂窩小區組成）之內的移動終端組成。諸如呼叫處理、位置登記等網絡管理功能通過7號信令系統實現。。

　　2.1　位置登記

為了正確無誤地傳遞呼叫，移動通信網必須對每一個移動終端MT進行位置跟蹤，如前所述，位置信息存儲在兩種數據庫VLR和HLR中，當MT在移動通信網覆蓋區域內移動時，存儲在這些數據庫中的數據可能不再準確。為了保證呼叫成功，應該周期性地更新數據庫。

當MT向通信網報告其當前位置時，位置登記就開始了。當前采用的是MT一進入新LA就進行位置更新的方法。這里每一個LA由幾個小區構成，一般地，屬于同一個LA的BTS與相同的MSC連接。圖3所示為MT進入一個新LA的位置登記過程。下面是位置登記過程中順序執行的一些操作：

　　(1) MT進入一個新LA并向新BS發送位置更新消息；

　　(2) BS向MSC轉發位置更新消息，MSC向其相應的VLR發出登記請求；

　　(3) VLR更新MT的位置記錄。如果新LA屬于同一個VLR，則位置登記過程結束。如果屬于不同的VLR，則新VLR根據MT的移動終端標識號MIN確定MT的HLR地址，并向HLR發送一個位置登記消息。

　　(4) HLR執行必要的操作對MT進行鑒權及記錄新VLR的ID。HLR向新VLR發送登記應答消息。

　　(5) HLR向舊VLR發送登記刪除消息；

　　(6) 舊VLR刪除MT的記錄并向HLR發送一個刪除應答消息。

在(3)-(6)步，信令消息在到達目的地之前可能經過幾個中間STP，這取決于MT的當前位置和原籍位置。例如，一個在中國北京開戶的移動電話用戶很自然地分配一個位于北京的HLR。當這個用戶漫游在美國紐約時，其移動電話的每一次位置更新都導致了四次SS7信令的越洋傳輸(如圖3的(3)-(6)步)，這些消息在到達目的地前在SS7網中經過數個STP，產生了額外的負荷。這樣，位置更新可能給SS7網帶來嚴重的流量負荷。隨著移動用戶數目的不斷增加，這種負荷會越來越嚴重。

　　2.2　呼叫傳遞

呼叫傳遞過程主要分為兩步：a確定為被叫MT服務的VLR；b確定被叫MT當前正訪問的小區。確定為被叫MT服務的VLR的數據庫查詢過程如下：

　　（1）主叫MT通過附近的基站向為其服務的MSC發出呼叫初始化信號；

　　（2） MSC通過GTT確定被叫MT的HLR位址并向該HLR發送一個位置請求消息；

　　（3） HLR 確定出為被叫MT服務的VLR，并向該VLR發送路由請求消息；該VLR將該消息發給為被叫服務的MSC；

　　（4） MSC給被叫MT分配一個臨時本地號碼TLDN(Temporary Local Directory Number)，并向HLR發送一個帶有TLDN的應答消息；

　　（5） HLR將上述消息轉發給為主叫MT服務的MSC；

　　（6）主叫MSC通過SS7網絡向被叫MSC請求呼叫建立。

上述過程允許網絡建立從主叫MT到為被叫MT服務的MSC的連接。但由于每個MSC與一個LA相聯系，而每個LA又有多個小區，這就需要一種機制來確定被叫MT所在的小區位置。在當前的移動通信網中，這一過程是通過尋呼來完成的。

　　3.　位置登記和呼叫傳遞的新技術

在這個領域的研究一般分為兩類：其一是基于集中式數據庫結構，是IS-41位置管理策略的延伸，就是在保持基本的數據庫網絡結構不變的前提下來對IS-41進行改進。這種方案的優點是無須做重大的修正即可用于當前的移動通信網。另一種方案采用全新的數據庫結構，需要一套新方法進行位置登記和呼叫傳遞，大部分這類方法是基于分布式數據庫結構。下面分別討論集中式和分布式管理策略。

　　3.1　集中式管理策略

在這種策略下，位置管理數據庫由基于IS-41的雙重數據庫組成，另外還采用了一些優化措施，以達到減小位置管理開銷的目的。

　　a) 動態分層方案

第一個集中式數據庫體系結構是[1]提出的。其基于IS-41標準并新加入了一級叫目錄寄存器DR的數據庫。每一個DR覆蓋數個MSC的服務區域。DR的首要功能是為在其服務區內的MT進行周期性的計算及存儲位置指針的配置。每一個MT都有其唯一的指針配置。DR有三種位置指針：

　　1）存儲在為MT服務的DR中的本地指針，該指針指出當前為MT服務的MSC；

　　2）存儲在遠端DR中的直接遠端指針，指出當前為MT服務的MSC；

　　3）存儲在遠端DR中的間接遠端指針，其指出當前為MT服務的DR；

此外，MT的HLR可以配置存儲一個指針或者配置指向MT的服務DR或者指向MT的服務MSC。但有時可能不設任何指針，而采用純IS-41方案反而會更有效。

該方案的功能采用下述方法能更好地進行描述。設想給定的MT的HLR位于北京，而現在它漫游在成都。如果有相當數量的來自南京的電話呼叫該MT，則在南京的DR中可以為MT設置一個直接或間接的遠端指針。當來自南京的該MT的下一個呼叫發起時，主叫的MSC首先查詢該DR，則呼叫就可以立即轉向成都而不必查詢位于北京的HLR，這就減少了呼叫傳遞的信令開銷。另外，HLR可以通過設置來記錄為MT服務的DR的ID（而不是為MT服務的MSC）。當MT在成都的同一個LA內從一個MSC進入另一個MSC時，為MT服務的DR的本地指針必須更新，沒有必要訪問位于北京的HLR，這就減少了位置登記的信令開銷。可見，這種方案的好處是位置登記和呼叫傳遞的開銷都可以減小。

　　b) 每用戶位置緩存方案

每用戶位置緩存方案的基本思想是通過在一個MT附近的STP中緩存一個位置信息來減小定位MT的信令開銷和訪問數據庫的通信流量。只要通過STP訪問MT，則該MT的入口就添加到緩存中，該緩存包含一個從MT的ID到為其服務的VLR的映射圖。當對該MT發起另外一個呼叫時，該STP首先檢查是否存在該MT的緩存入口。如果沒有緩存入口，則采用前面所述的IS-41呼叫傳遞方案來確定該MT的位置；如果緩存入口存在，則STP查詢緩存所對應的VLR，如果MT仍然滯留在該VLR中，則該MT被找到，如果該MT已經進入不屬于該VLR的其他位置區，則采用IS-41的呼叫傳遞方法來定位該MT。

當從MT1到MT2的呼叫發起時，系統可以通過STP1的緩存信息來確定MT2的位置，無須訪問MT2的HLR就可成功地定位MT2。與IS-41方案相比較，每用戶位置緩存使STP能夠僅查詢一個緩存的位置信息就可確定被叫MT的VLR的位置。然而，這僅在被叫MT的緩存位置信息可得到的情況下才行。當被叫MT的緩存位置信息不可得時，每用戶位置緩存的開銷比IS-41高。可以根據系統參數來確定最小有效率。

將本地呼叫/移動比LCMR定義為單位時間內從一個給定的源STP發起的針對一個MT的呼叫平均數與該MT改變其VLR的平均次數之比。可以得到獲得最小有效率所必須的最小LCMR。為了減小丟失概率，建議經過一定的時間間隔后應將緩存入口設置為無效。根據移動性和呼叫到達參數，可以給出一個門限，以確定一個特定的緩存的用戶位置信息何時被刪除，以降低呼叫傳遞的額外開銷。

　　c) 用戶文檔備份方案

根據用戶文檔備份方案[2]，選擇本地數據庫備份用戶文檔。當呼叫一個遠端MT時，網絡首先檢查在本地數據庫中是否存在被叫MT的用戶文檔備份。如果備份存在，則無須訪問HLR，網絡根據本地數據庫中的備份文檔即可確定被叫MT的位置。否則，網絡通過IS-41的步驟確定被叫MT的位置。當MT進入另一個位置區時，網絡需要更新所有的該MT的備份文檔，這使得位置登記的信令開銷偏高。該方案是否可以顯著地減小信令開銷，取決于MT的移動率和呼叫到達率。[2]介紹了一種對每個MT確定備份方案的方法。根據該方法，由一個中央系統決定備份，該中央系統有時必須收集所有用戶的移動性和呼叫參數。這對當前的移動通信網來說不大可能，因為這要牽涉到眾多的網絡提供者，而且給眾多的用戶備份是一個計算復雜、耗時的過程，需要很大的網絡帶寬。

　　d) 前向指針方案

前向指針方案[3]的基本思想是設置一個由舊VLR指向新VLR的前向指針，取代MT每次進入屬于不同VLR的區域時都要向HLR報告其位置的做法。當呼叫一個MT時，網絡首先確定指針鏈頭的VLR，然后沿指針鏈找到當前被叫MT的服務VLR來確定該MT的位置。為減小定位MT產生的時延，指針鏈的最大長度預先設定為K，當指針鏈的長度達到K時，就不允許再加入指針，位置登記必須向HLR報告。圖6所示為前向指針方案的操作過程。當MT從MSC1到MSC2，再從MSC2到MSC3時指針設置為從VLR1到VLR2再到VLR3。設K=2，則指針鏈不能再加長了。如果MT從MSC3到MSC4，則需通過HLR進行位置登記。源指針則被刪除，而HLR記錄MT的當前服務VLR。這表明該方案相對于最初的IS-41而言并不是總能減小開銷，還取決于移動性、呼叫到達參數和K值的大小。

　　e) 本地緩存方案

在本地緩存方案[4]中，選擇臨近MT的一個VLR作為其本地緩存，MT的位置變化不向HLR報告，而只報告給本地緩存。由于本地緩存靠近MT，由位置登記產生的信令負荷就減小了。HLR保存著一個指向本地緩存的指針。當呼叫MT時，HLR向該MT的本地緩存發出請求，該MT再向服務VLR發出請求以獲得一個路由地址。圖7所示為本地緩存方案。假設MT1的本地緩存是VLR1，當MT1從VLR2移到VLR3時，將位置變化報告給VLR1。為MT選擇本地緩存的方法有兩種：靜態法和動態法。在靜態法中，在上一次呼叫期間，MT的服務VLR成為其本地緩存。當下一個呼叫到達時，本地緩存已經改變了。靜態本地緩存徹底避免了向HLR報告位置變化。然而，與前面介紹的位置緩存和前向指針類似，靜態本地緩存并不總能提高性能。非常相似的是，動態法是當呼叫到達時將服務VLR改為本地緩存。但是，在每次移動后網絡都要根據MT的移動性和呼叫到達參數來決定是否將MT的本地緩存改設在新VLR。結果表明，動態本地緩存的開銷小于或等于原IS-41的開銷。

　　3.2　分布式管理策略

分布式管理策略的數據庫體系結構由分布在網絡覆蓋區域內的多個數據庫構成。 a) 全分布式數據庫結構方案

在這種方案中，為位置登記提出了一種分布式數據庫體系結構。IS-41標準中的雙層數據庫被眾多的位置數據庫所代替。這些位置信息數據庫被設置成樹狀拓撲結構。MT與位于最低層次的位置信息數據庫（葉數據庫）相對應，每一個位置信息數據庫保存位于其"子樹"內的MT的位置信息。MT1位于LA1中，從MT1的當前位置到"樹根"的每一級數據庫都保存著該MT的入口。當呼叫發起時，網絡沿著被叫MT的數據庫入口確定其位置。例如，由MT2呼叫MT1，節點A接收到呼叫請求，由于節點A的數據庫沒有MT1的訪問入口，呼叫請求被轉發給節點B，依次類推。當呼叫請求最后到達節點D時，發現了MT1的訪問入口，經過另外三次數據庫查詢，MT1的位置最終被確定下來。當MT漫游到屬于不同的葉數據庫的LA時，相關的數據庫都必須得到更新，以正確指示MT的位置。與基于集中式數據庫體系結構（如IS-41）相比，該方案降低了信令消息的傳輸距離。然而，該方案增加了數據庫更新的次數，由此增加了位置登記和呼叫傳遞的時延。

　　b) 分塊方案

[5]介紹了一種分塊方案。由于MT的移動方式在各個位置都不盡相同，因此將移動頻繁的MT的位置服務器進行分塊。根據[5]介紹的方案，位置登記僅在MT進入一個新的分塊時執行。分塊P2由5個位置服務器組成，它們僅有一個共同的上級服務器LS2。當MT進入P2時，位置服務器LS2被更新，以指示該MT滯留在其分塊覆蓋的范圍內。當MT漫游到同一個分塊內其他位置服務器覆蓋的區域內時并不進行位置登記。該方案減少了在MT的移動性強的區域內位置登記的次數。仿真表明，分塊方案能有效地降低信令消息的開銷。然而，開銷的減少還依賴于MT的移動性、呼叫到達方式以及尋找分塊的方式。

　　c) 數據庫分層方案

在這種方案中，MT的位置可登記在樹的任何一個節點（不限制在葉節點）。樹根保持一個數據庫，但在其他節點沒有必要都設置數據庫。這些數據庫保存MT的指針。如果MT滯留在一數據庫的支干中，則該數據庫設置了一個指針沿MT的路徑指向下一個數據庫。如果沿該路徑沒有數據庫，則指針指向MT所滯留節的點。當樹上某節點發起一個呼叫，則可以根據被叫MT的指針確定其位置。圖10所示為該方案的操作過程。呼叫在節點A發起，被叫MT在節點B，搜尋被叫MT的路徑如圖10所示，如果搜尋到的某數據庫沒有被叫MT的指針，則查詢去樹根路徑上的下一個數據庫。

　　４、總結討論

上述每一種位置管理方案都可使IS-41的性能有不同程度的提高。但是選擇一種對所有系統參數來說都明顯好于其他的方案是很困難的。大多數情況下，上述方案僅在一定的移動性和呼叫到達參數下性能優于IS-41，當采用不同的參數，性能差別會很大。但是我們可以總結出一些普遍性的規律。

正如第3小節所述，當前對位置管理的研究集中在集中式和分布式兩個方面。集中式是將所有MT的位置信息記錄在HLR中，在位置登記和呼叫傳遞期間，信令消息在MT當前位置的VLR和HLR之間交換。隨著MT數量的增加，信令業務量可能使移動通信網的性能嚴重降低。還有一種不希望出現的結果是連接建立時延可能很長。然而，集中式的優點是數據庫的更新次數和位置登記與呼叫傳遞請求的次數相對比較低，這就縮短了因數據庫訪問而引起的時延。分散式方案的優點是數據庫的訪問本地化了，對遠端數據庫的訪問或更新僅在必要時才進行。但是因位置登記和呼叫傳遞引起的數據庫訪問次數比起集中式來說有明顯的增加。

可以看出，理想的位置管理方案應當介于集中式和全分布式之間。實際上，大多數正在進行的研究集中在：

　　①提高集中式數據庫結構下位置信息的分布性。

　　②在分布式數據庫結構中減小位置信息的分布性。

此外，用戶的移動性和呼叫到達方式各不相同，希望能根據各個不同的用戶動態調整位置更新和呼叫傳遞過程。動態方案通常要求即時收集和處理數據，這會消耗很大的計算功率，有必要仔細設計，保證網絡有效地支持計算。

今后對位置登記和呼叫傳遞的研究應該集中在網絡結構的設計上，應在一定程度上將全分布式和集中式結合起來。此外，還應開發實時確定MT的移動情況和呼叫到達參數的方法，以及如何根據每個用戶動態地限制或增強位置信息的分布性。

摘自《中國移動》

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