泛在無線網絡統一化位置管理架構

趙 聰，郭 偉

ZHAO Cong,GUO Wei

（電子科技大學 通信抗干擾技術國家級重點實驗室，成都 611731）

0 引言

位置管理是無線網絡移動性管理中的關鍵技術之一，用于實現跟蹤、存儲、查找和更新移動目標的位置信息。它包括定位和尋呼兩個過程：定位（又叫位置更新）是指移動目標向網絡系統報告其位置變更的過程，尋呼（又叫位置查詢）則是網絡系統查找移動目標所在位置的過程[1,2]。

移動通信的目標就是要實現任何人可在任何時候、任何地方、與任何人以及相關的物進行任何形式的通信，但值得注意的是，在移動通信從2G向3G發展的近10年來，產生了許多種不同的無線傳輸技術，如G S M、C D M A、W C D M A、CDMA2000、TD-SCDMA、802.11a/b/g等，而目前各國又在研究新的B3G和4G的傳輸技術。顯然，未來網絡的異構性將更加充分，是一種由多種異構網絡組成的混合網絡。但是，現有的位置管理技術都是針對某一特定網絡設定的，無法滿足異構網絡的需求，這就需要我們設計一種新的支持泛在、異構網絡的位置管理架構[2,3]。

面對這個新的挑戰，一些學者們進行了研究，但是這些研究更多的是研究由兩種網絡組成的異構網絡的移動性管理，不能提供多種網絡混合的異構網位置管理功能[4～7]。也有學者提出加入網際網關進行相應處理來適應多種網絡混合的異構網絡的位置管理方式[8,9]，但這方式需要網絡在兩兩之間建立設備，過于復雜。還有學者提出了一種統一化移動性管理技術(UMM)，提出利用超級數據庫(super HLR)來實現多協議的位置管理[10～13]，這種方法雖然比較好的實現了異構網的位置管理功能，但是這種方法需要重新建立一個性能要求相當高的中心管理節點，成本很大。文獻[15]在衛星網絡的環境下提出了一種用地理位置坐標作為基準，尋呼時進行實時計算的方法，雖然是針對的單一網絡，但是它提供了一種對于所有無線接入網絡都可以映射使用的位置參數。在前人研究的基礎上，本文提出了一種適合于無線異構網絡的統一化位置管理架構。該架構既可以完成UMM的功能，又大大減少了UMM節點的數據量，并且不需要設立異構網絡之間的兩兩轉換。

對于泛在網絡兩大特點，本文主要針對異構特點進行研究，所提架構主要解決異構網絡帶來的問題；對大規模用戶的這一特點只在全文最后做出簡單說明，不作為本文討論重點。

本文組織如下：第1節在簡單總結現有無線網絡位置管理異同點的基礎上，提出了一種統一化位置管理架構并對其基本處理方式做出描述；第2節給出了在該架構下的一個具體實例；第3節分析了該架構的性能；第4節是結束語。

1 異構網統一化位置管理架構

分析現有常見的位置管理協議，無論是在鏈路層實現的蜂窩網位置管理協議，還是在網絡層實現的MIP協議，抑或是在應用層實現的SIP協議，我們發現，所有的位置管理架構都有一個位置管理數據庫，用于存放與用戶位置相關的數據，例如GSM的歸屬位置寄存器（HLR）和MIP的家鄉代理（HA），但由于網絡的不同，各個數據庫存放的是不同類型的位置數據，如HLR存放用戶所在訪問位置寄存器（VLR），HA存放終端現在所處路由器的地址。在位置更新操作中，不同網絡向數據庫報告的位置參數是不同的；在尋呼操作中，網絡操作也是不同的，例如GSM查詢的是位置區和基站，而MIP查詢的是終端的ip地址和服務路由器。UMM難以實現的原因就在于此。如果不同網絡都采用一個相同的參數來表示位置信息，那么UMM的位置數據庫存儲規模將會大大減小，而各異構網絡設立映射網關后也可以分布式地進行呼叫處理，大大降低中心節點的工作量。GPS定位是目前非常成熟的一種技術，可以提供非常精確的用戶地理位置經緯度坐標，而這個坐標就可以作為這個參數。

圖1 統一化位置管理架構示意圖

統一化位置管理架構示意圖如圖1所示。在該架構中，我們對現有網絡不做太大改動，只增加呼叫網關和新的更新模塊，對已有網絡提供的服務保持不變，不影響現有用戶正常使用。現有用戶終端按原有方式進行處理，新的需要泛在服務的用戶終端按照新的統一化位置管理架構進行處理。在新架構下，用戶終端可以同時接入多個覆蓋的異構網絡也可以選擇某一個網絡進行接入，各個網絡有一個位置更新模塊和尋呼網關模塊，進行相應的操作。UMM模塊中存放用戶的位置經緯度信息，而各個異構網絡不存放用戶的位置信息。

1.1 位置更新流程

用戶終端首先自主的利用GPS信號進行定位，得到自己的經緯度坐標，然后根據自己的使用偏好和自己所處的網絡情況任意選擇一種網絡報告自己的經緯度坐標，網絡位置更新模塊收到后并不在本地存儲，直接向UMM發送信息。如圖2所示。

圖2 位置更新流程示意圖

1.2 呼叫處理流程

在尋呼時，主角用戶根據自己的網絡接入情況和偏好選擇合適的網絡發送呼叫請求。主叫網絡向UMM節點詢問被叫用戶位置，UMM查詢數據庫后向主叫網絡呼叫網關返回被叫用戶位置（經緯度坐標），主叫網絡呼叫網關根據業務類型選擇一定的被叫網絡網關進行呼叫請求。被叫網絡呼叫網關收到請求后，根據被叫用戶的位置進行實時計算，確定被叫用戶處于哪個基站的覆蓋下，并發送呼叫請求。被叫用戶收到請求后返回呼叫應答，然后呼叫建立成功，開始進行數據傳輸。如圖3所示。

圖3 呼叫處理流程示意圖

2 統一化位置管理架構實例

為了更好地說明異構網統一化位置的處理流程，我們取一個實際的場景來進行描述。

如圖4所示。用戶1是機載用戶，沒有地面網絡覆蓋，只能通過海事衛星接入。用戶2 是地面移動用戶，同時被蜂窩網絡、無線局域網以及衛星網絡覆蓋。兩個用戶進行遠程視頻通信。

圖4 異構網實例

在位置更新階段，通過GPS定位，機載用戶將自己的位置坐標（x1，y1）通過衛星和地面信關站發送到UMM，移動用戶選擇覆蓋性好的蜂窩網將坐標（x2，y2）通過基站和MSC發送到UMM。具體流程如圖5所示。

圖5 實例位置更新流程示意圖

在呼叫階段，機載用戶只有衛星覆蓋，所以選擇衛星網絡進行呼叫，通過衛星向網絡發送呼叫請求，呼叫網關（信關站）收到請求后向UMM查詢被叫用戶地址坐標，并根據業務類型（視頻）選擇帶寬比較大的無線局域網進行接入，向WLAN網關發送呼叫請求。WLAN網關收到請求后根據被叫用戶位置坐標（x2，y2）得到其所在接入路由器，并通過網絡向被叫用戶發送呼叫請求。被叫用戶應答后建立連接，進行數據傳輸。如圖6所示。

圖6 實例呼叫流程示意圖

3 統一化位置管理架構性能分析

本文所提統一化位置管理的用戶信息雖然也是存放在UMM節點，但是由于存放的是經緯度信息，而不是所有網絡相關信息（例如同時存放GSM的位置區、MIP的家鄉代理地址、WLAN的目標路由器地址），所以和現有UMM相比，中心節點的數據存儲規模將大大減小。而且由于更新處理只選擇最合適的網絡進行一次操作，而不是所有可以接入的網絡都進行位置管理操作，所以無線鏈路上的開銷也大大降低。

以第2節的實例為例，本文所提架構在UMM節點只存放用戶經緯度位置信息，在各異構網絡網關也不存放用戶信息；而現有UMM架構[11]在中心數據庫中將存放接入衛星號，接入信關站號，蜂窩所屬位置區編號和基站編號，WLAN所屬路由器ip地址等；而網絡轉換架構（網際網關）雖然[8]沒有中心節點，但各個異構網將獨立存放各自相應信息。如圖7所示。在位置更新階段，地理映射UMM架構由于報告的是坐標，所以只需要選擇一個合適的網絡進行位置更新處理即可，而兩位兩種方式由于同時需要的各個異構網絡的位置信息，所以用戶能接入的所有網絡都需要進行位置更新操作。如實例中，用戶1需要進行一次操作，而用戶2需要進行三次操作。如圖8所示。

圖7 異構網實例數據庫規模比較

圖8 異構網實例位置更新無線鏈路開銷比較

4 結束語

位置管理作為移動性管理的關鍵技術之一，主要包括位置更新和尋呼兩大功能。現有各種網絡中的位置管理機制均不相同，無法滿足未來以IP為基礎平臺的泛在網絡位置管理需求。

本文在對現有位置管理方式的總結上，提出了一種使用絕對地理位置映射的統一化位置管理架構。該架構在基本不改變現有網絡內部結構的條件下，既可以完成泛在異構網絡的位置管理功能，又避免了現有異構網位置管理機制的弊端，具有一定的參考價值。

本文所提架構主要解決了泛在網絡異構性特點帶來的問題，對于網絡的大規模特性沒做考慮。在以后的研究中，將會對大規模這一特點帶來的問題進行專門的研究，例如可以采用分區域設置UMM節點的方法或者采用將UMM的信息用兩層數據庫的方式來進行存放。

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