趙 聰，郭 偉

ZHAO Cong,GUO Wei

（電子科技大學(xué) 通信抗干擾技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611731）

0 引言

位置管理是無線網(wǎng)絡(luò)移動性管理中的關(guān)鍵技術(shù)之一，用于實(shí)現(xiàn)跟蹤、存儲、查找和更新移動目標(biāo)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(biāo)向網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)報(bào)告其位置變更的過程，尋呼（又叫位置查詢）則是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)查找移動目標(biāo)所在位置的過程[1,2]。

移動通信的目標(biāo)就是要實(shí)現(xiàn)任何人可在任何時候、任何地方、與任何人以及相關(guān)的物進(jìn)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(fā)展的近10年來，產(chǎn)生了許多種不同的無線傳輸技術(shù)，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(shù)。顯然，未來網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性將更加充分，是一種由多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組成的混合網(wǎng)絡(luò)。但是，現(xiàn)有的位置管理技術(shù)都是針對某一特定網(wǎng)絡(luò)設(shè)定的，無法滿足異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的需求，這就需要我們設(shè)計(jì)一種新的支持泛在、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的位置管理架構(gòu)[2,3]。

面對這個新的挑戰(zhàn)，一些學(xué)者們進(jìn)行了研究，但是這些研究更多的是研究由兩種網(wǎng)絡(luò)組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的移動性管理，不能提供多種網(wǎng)絡(luò)混合的異構(gòu)網(wǎng)位置管理功能[4～7]。也有學(xué)者提出加入網(wǎng)際網(wǎng)關(guān)進(jìn)行相應(yīng)處理來適應(yīng)多種網(wǎng)絡(luò)混合的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的位置管理方式[8,9]，但這方式需要網(wǎng)絡(luò)在兩兩之間建立設(shè)備，過于復(fù)雜。還有學(xué)者提出了一種統(tǒng)一化移動性管理技術(shù)(UMM)，提出利用超級數(shù)據(jù)庫(super HLR)來實(shí)現(xiàn)多協(xié)議的位置管理[10～13]，這種方法雖然比較好的實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)網(wǎng)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(dāng)高的中心管理節(jié)點(diǎn)，成本很大。文獻(xiàn)[15]在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下提出了一種用地理位置坐標(biāo)作為基準(zhǔn)，尋呼時進(jìn)行實(shí)時計(jì)算的方法，雖然是針對的單一網(wǎng)絡(luò)，但是它提供了一種對于所有無線接入網(wǎng)絡(luò)都可以映射使用的位置參數(shù)。在前人研究的基礎(chǔ)上，本文提出了一種適合于無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一化位置管理架構(gòu)。該架構(gòu)既可以完成UMM的功能，又大大減少了UMM節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量，并且不需要設(shè)立異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的兩兩轉(zhuǎn)換。

對于泛在網(wǎng)絡(luò)兩大特點(diǎn)，本文主要針對異構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行研究，所提架構(gòu)主要解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)帶來的問題；對大規(guī)模用戶的這一特點(diǎn)只在全文最后做出簡單說明，不作為本文討論重點(diǎn)。

本文組織如下：第1節(jié)在簡單總結(jié)現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)位置管理異同點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種統(tǒng)一化位置管理架構(gòu)并對其基本處理方式做出描述；第2節(jié)給出了在該架構(gòu)下的一個具體實(shí)例；第3節(jié)分析了該架構(gòu)的性能；第4節(jié)是結(jié)束語。

1 異構(gòu)網(wǎng)統(tǒng)一化位置管理架構(gòu)

分析現(xiàn)有常見的位置管理協(xié)議，無論是在鏈路層實(shí)現(xiàn)的蜂窩網(wǎng)位置管理協(xié)議，還是在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)的MIP協(xié)議，抑或是在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)的SIP協(xié)議，我們發(fā)現(xiàn)，所有的位置管理架構(gòu)都有一個位置管理數(shù)據(jù)庫，用于存放與用戶位置相關(guān)的數(shù)據(jù)，例如GSM的歸屬位置寄存器（HLR）和MIP的家鄉(xiāng)代理（HA），但由于網(wǎng)絡(luò)的不同，各個數(shù)據(jù)庫存放的是不同類型的位置數(shù)據(jù)，如HLR存放用戶所在訪問位置寄存器（VLR），HA存放終端現(xiàn)在所處路由器的地址。在位置更新操作中，不同網(wǎng)絡(luò)向數(shù)據(jù)庫報(bào)告的位置參數(shù)是不同的；在尋呼操作中，網(wǎng)絡(luò)操作也是不同的，例如GSM查詢的是位置區(qū)和基站，而MIP查詢的是終端的ip地址和服務(wù)路由器。UMM難以實(shí)現(xiàn)的原因就在于此。如果不同網(wǎng)絡(luò)都采用一個相同的參數(shù)來表示位置信息，那么UMM的位置數(shù)據(jù)庫存儲規(guī)模將會大大減小，而各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)立映射網(wǎng)關(guān)后也可以分布式地進(jìn)行呼叫處理，大大降低中心節(jié)點(diǎn)的工作量。GPS定位是目前非常成熟的一種技術(shù)，可以提供非常精確的用戶地理位置經(jīng)緯度坐標(biāo)，而這個坐標(biāo)就可以作為這個參數(shù)。

圖1 統(tǒng)一化位置管理架構(gòu)示意圖

統(tǒng)一化位置管理架構(gòu)示意圖如圖1所示。在該架構(gòu)中，我們對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)不做太大改動，只增加呼叫網(wǎng)關(guān)和新的更新模塊，對已有網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)保持不變，不影響現(xiàn)有用戶正常使用?，F(xiàn)有用戶終端按原有方式進(jìn)行處理，新的需要泛在服務(wù)的用戶終端按照新的統(tǒng)一化位置管理架構(gòu)進(jìn)行處理。在新架構(gòu)下，用戶終端可以同時接入多個覆蓋的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)也可以選擇某一個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行接入，各個網(wǎng)絡(luò)有一個位置更新模塊和尋呼網(wǎng)關(guān)模塊，進(jìn)行相應(yīng)的操作。UMM模塊中存放用戶的位置經(jīng)緯度信息，而各個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行定位，得到自己的經(jīng)緯度坐標(biāo)，然后根據(jù)自己的使用偏好和自己所處的網(wǎng)絡(luò)情況任意選擇一種網(wǎng)絡(luò)報(bào)告自己的經(jīng)緯度坐標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)位置更新模塊收到后并不在本地存儲，直接向UMM發(fā)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(jù)自己的網(wǎng)絡(luò)接入情況和偏好選擇合適的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送呼叫請求。主叫網(wǎng)絡(luò)向UMM節(jié)點(diǎn)詢問被叫用戶位置，UMM查詢數(shù)據(jù)庫后向主叫網(wǎng)絡(luò)呼叫網(wǎng)關(guān)返回被叫用戶位置（經(jīng)緯度坐標(biāo)），主叫網(wǎng)絡(luò)呼叫網(wǎng)關(guān)根據(jù)業(yè)務(wù)類型選擇一定的被叫網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行呼叫請求。被叫網(wǎng)絡(luò)呼叫網(wǎng)關(guān)收到請求后，根據(jù)被叫用戶的位置進(jìn)行實(shí)時計(jì)算，確定被叫用戶處于哪個基站的覆蓋下，并發(fā)送呼叫請求。被叫用戶收到請求后返回呼叫應(yīng)答，然后呼叫建立成功，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如圖3所示。

圖3 呼叫處理流程示意圖

2 統(tǒng)一化位置管理架構(gòu)實(shí)例

為了更好地說明異構(gòu)網(wǎng)統(tǒng)一化位置的處理流程，我們?nèi)∫粋€實(shí)際的場景來進(jìn)行描述。

如圖4所示。用戶1是機(jī)載用戶，沒有地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋，只能通過海事衛(wèi)星接入。用戶2 是地面移動用戶，同時被蜂窩網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)覆蓋。兩個用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻通信。

圖4 異構(gòu)網(wǎng)實(shí)例

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

圖5 實(shí)例位置更新流程示意圖

在呼叫階段，機(jī)載用戶只有衛(wèi)星覆蓋，所以選擇衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行呼叫，通過衛(wèi)星向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送呼叫請求，呼叫網(wǎng)關(guān)（信關(guān)站）收到請求后向UMM查詢被叫用戶地址坐標(biāo)，并根據(jù)業(yè)務(wù)類型（視頻）選擇帶寬比較大的無線局域網(wǎng)進(jìn)行接入，向WLAN網(wǎng)關(guān)發(fā)送呼叫請求。WLAN網(wǎng)關(guān)收到請求后根據(jù)被叫用戶位置坐標(biāo)（x2，y2）得到其所在接入路由器，并通過網(wǎng)絡(luò)向被叫用戶發(fā)送呼叫請求。被叫用戶應(yīng)答后建立連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如圖6所示。

圖6 實(shí)例呼叫流程示意圖

3 統(tǒng)一化位置管理架構(gòu)性能分析

本文所提統(tǒng)一化位置管理的用戶信息雖然也是存放在UMM節(jié)點(diǎn)，但是由于存放的是經(jīng)緯度信息，而不是所有網(wǎng)絡(luò)相關(guān)信息（例如同時存放GSM的位置區(qū)、MIP的家鄉(xiāng)代理地址、WLAN的目標(biāo)路由器地址），所以和現(xiàn)有UMM相比，中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲規(guī)模將大大減小。而且由于更新處理只選擇最合適的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一次操作，而不是所有可以接入的網(wǎng)絡(luò)都進(jìn)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(jié)的實(shí)例為例，本文所提架構(gòu)在UMM節(jié)點(diǎn)只存放用戶經(jīng)緯度位置信息，在各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)也不存放用戶信息；而現(xiàn)有UMM架構(gòu)[11]在中心數(shù)據(jù)庫中將存放接入衛(wèi)星號，接入信關(guān)站號，蜂窩所屬位置區(qū)編號和基站編號，WLAN所屬路由器ip地址等；而網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換架構(gòu)（網(wǎng)際網(wǎng)關(guān)）雖然[8]沒有中心節(jié)點(diǎn)，但各個異構(gòu)網(wǎng)將獨(dú)立存放各自相應(yīng)信息。如圖7所示。在位置更新階段，地理映射UMM架構(gòu)由于報(bào)告的是坐標(biāo)，所以只需要選擇一個合適的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(gòu)網(wǎng)絡(luò)的位置信息，所以用戶能接入的所有網(wǎng)絡(luò)都需要進(jìn)行位置更新操作。如實(shí)例中，用戶1需要進(jìn)行一次操作，而用戶2需要進(jìn)行三次操作。如圖8所示。

圖7 異構(gòu)網(wǎng)實(shí)例數(shù)據(jù)庫規(guī)模比較

圖8 異構(gòu)網(wǎng)實(shí)例位置更新無線鏈路開銷比較

4 結(jié)束語

位置管理作為移動性管理的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要包括位置更新和尋呼兩大功能?，F(xiàn)有各種網(wǎng)絡(luò)中的位置管理機(jī)制均不相同，無法滿足未來以IP為基礎(chǔ)平臺的泛在網(wǎng)絡(luò)位置管理需求。

本文在對現(xiàn)有位置管理方式的總結(jié)上，提出了一種使用絕對地理位置映射的統(tǒng)一化位置管理架構(gòu)。該架構(gòu)在基本不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的條件下，既可以完成泛在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的位置管理功能，又避免了現(xiàn)有異構(gòu)網(wǎng)位置管理機(jī)制的弊端，具有一定的參考價值。

本文所提架構(gòu)主要解決了泛在網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性特點(diǎn)帶來的問題，對于網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模特性沒做考慮。在以后的研究中，將會對大規(guī)模這一特點(diǎn)帶來的問題進(jìn)行專門的研究，例如可以采用分區(qū)域設(shè)置UMM節(jié)點(diǎn)的方法或者采用將UMM的信息用兩層數(shù)據(jù)庫的方式來進(jìn)行存放。

[1] Akyilaiz,I.,F.,McNair,J.,Ho,J.,S.,M.,Uzunalioglu,H.and Wang,W.Mobility management in next-generation wireless systems[J].Proceedings of the IEEE,1999,87(8)：1347-1384.

[2] 陳山枝,時巖,胡博.移動性管理理論與技術(shù)的研究[J].通信學(xué)報(bào),2007,28(10)：123-133.

[3] 張平,紀(jì)陽.移動泛在業(yè)務(wù)環(huán)境及其體系架構(gòu)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào),2005,28(5)：1-3,37.

[4] 汪靜,王能.基于HIP協(xié)議的異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)間移動管理方案[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào),2006,4：134-140.

[5] Jaseemuddin,M.An architecture for integrating UMTS and 802.11 WLAN networks[C].Proceedings of IEEE Symposium on Computers and Communication,2003(ISCC 2003)：716-723.

[6] Huang,Y.-H.,Chen,J.-Y.,Chen,W.-S.,Yang,C.-C.,Chu,H.-T.A comparison between SIP and network layer mobility management protocols in IP-based wireless networks[C].Fifth IEE International Conference on 3G Mobile Communication Technologies 2004： 317-321.

[7] Xiuhua Fu,Wenan Zhou,Junli Xu,Junde Song.Extended mobility management challenges over cellular networks combined with cogni-tive radio by using multi-hop network[C].SNPD 2007：683-688.

[8] Assouma,A.D.,Beaubrun,R.,Pierre,S..Mobility management in heterogeneous wireless networks[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2006,24(3)：638-648.

[9] Assouma,A.D.,Beaubrun,R.,Pierre,S..A location management scheme for heterogeneous wireless networks[C].WiMob'2005：Vol.2,51-56.

[10] Hadjiantonis,A.M.,Charalambides,M.,Pavlou,G..A policybased approach for managing ubiquitous networks in urban spaces[C].ICC2007：2089-2096.

[11]Haase,O.,Murakami,K.,LaPorta,T.F.Unified mobility manager：enabling efficient SIP/UMTS mobile network control[J].IEEE Wire-less Communications,2003,10(4)：66-75.

[12]Haase,O.,Ming Xiong;Murakami,K.Multi-protocol profiles to support user mobility across network technologies[C].Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Mobile Data Management,2004：100-105.

[13]Ben Rayana,R.;Bonnin,J.-M. Mobility aware application manager for mobile networks[C].ITST2008：337-342.

[14]Yan Zhang,Mingtuo Zhou,Shaoqiu Xiao,Masayuki Fujise.A study on evaluating authentication traffics in the next generation wireless networks[C].ICC 2006：5517-5521.

[15]Cong Zhao,Wei Guo,Fang Liu.An adaptive distance-based location management of LEO system using coordinates approach[J].The In-ternational Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering(COMPEL),2010,29(2)：468-476.