趙 聰，郭 偉

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

在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，位置管理主要是使網(wǎng)絡(luò)能在呼叫建立時(shí)定位用戶終端的當(dāng)前位置，它包含兩方面內(nèi)容，定位(又叫位置更新)和呼叫(又叫位置查詢)。在位置更新過(guò)程中，用戶周期性或當(dāng)用戶移動(dòng)到新位置區(qū)時(shí)向系統(tǒng)報(bào)告其位置，使系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)及時(shí)更新該用戶位置信息；在呼叫建立過(guò)程中，系統(tǒng)訪問(wèn)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)以獲得用戶當(dāng)前所在位置區(qū)，同時(shí)利用尋呼過(guò)程確定用戶所在的具體位置。因此，減少位置更新的代價(jià)或減少尋呼的代價(jià)都可以提升系統(tǒng)的性能。但是這兩者卻是矛盾的：如果位置更新開銷越大，用戶的位置知道得越精確，尋呼開銷就越低；相反，如果定位開銷越低，則尋呼開銷就越高。要降低系統(tǒng)位置管理的信令開銷，需要在定位和尋呼之間達(dá)到一個(gè)最佳的折中[1-3]。

在3種基本的動(dòng)態(tài)位置管理策略(基于時(shí)間[4]、基于移動(dòng)[5]和基于距離[6])中，基于距離的位置管理策略已被證明是最優(yōu)的[7]，很多研究都旨在對(duì)其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)、優(yōu)化和改進(jìn)。其中的一種思路是對(duì)用戶終端進(jìn)行分類，對(duì)不同特征(用戶移動(dòng)速度和呼叫到達(dá)率)的用戶進(jìn)行不同的管理策略，從而進(jìn)一步降低位置管理的系統(tǒng)總開銷[8-12]，但是該思路下無(wú)法運(yùn)用用戶之間的一些相關(guān)性，從而常進(jìn)行很多重復(fù)性操作，造成了資源的浪費(fèi)。另外有學(xué)者提出一種樹形的全分布式位置管理數(shù)據(jù)庫(kù)[13]，其結(jié)構(gòu)利用了用戶移動(dòng)中位置區(qū)相鄰的特點(diǎn)，但該方法在用戶遠(yuǎn)距離移動(dòng)時(shí)性能并不好，而且系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，所以并沒有得到很好的使用。近年來(lái)，很多學(xué)者提出了移動(dòng)子網(wǎng)(NEMO)的解決方案，運(yùn)用縱向切換、移動(dòng)代理的方法[14-16]，大大提高了系統(tǒng)的整體性能，但該方案需要增加移動(dòng)路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，成本投入較大，并且在用戶進(jìn)入和離開移動(dòng)子網(wǎng)時(shí)系統(tǒng)的操作也比較復(fù)雜。

本文借鑒移動(dòng)子網(wǎng)的一些特點(diǎn)，提出了一種位置管理的用戶聚合算法。該算法在不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的情況下，利用簡(jiǎn)單的指針處理，就可以充分利用用戶之間的相關(guān)信息，大大降低了系統(tǒng)的重復(fù)操作，并可與已有的各種優(yōu)化算法同時(shí)使用，互相不沖突，在已有的優(yōu)化算法上進(jìn)一步提升了系統(tǒng)性能。

1 傳統(tǒng)的位置管理方法

目前廣泛使用的傳統(tǒng)位置管理方法，采用2層數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)和位置區(qū)劃分的方式，即系統(tǒng)將網(wǎng)絡(luò)分為若干位置小區(qū)，每個(gè)小區(qū)由一系列蜂窩組成，每個(gè)小區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)(VLR)，存放用戶當(dāng)前的位置信息，系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)用戶歸屬數(shù)據(jù)庫(kù)(HLR)，存放用戶的所有信息，特別是指向用戶屬于哪個(gè)VLR的信息。當(dāng)移動(dòng)用戶移動(dòng)到新的小區(qū)后將進(jìn)行位置更新，在新的VLR中進(jìn)行注冊(cè)，新VLR向HLR報(bào)告移動(dòng)用戶新位置信息，同時(shí)HLR通知舊VLR刪除用戶的信息；當(dāng)有呼叫時(shí)，通過(guò)查找HLR中的信息，傳遞呼叫到用戶所在的VLR，建立呼叫，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)位置管理方式

但是，當(dāng)有很多用戶的移動(dòng)特征相同時(shí)，如在汽車、火車、飛機(jī)等公共交通上，用戶具有相同的地理位置和移動(dòng)特性，如果按照傳統(tǒng)處理方式，所有用戶的位置更新信息將是相同的，這必然帶來(lái)大量冗余。在圖1中，3個(gè)用戶進(jìn)行相同的移動(dòng)就進(jìn)行了3次相同的操作。

2 用戶聚合算法

2.1 用戶聚合算法基本思想

用戶聚合算法的基本思想是：當(dāng)具有相同移動(dòng)特征的用戶組成一個(gè)群(邏輯群)時(shí)，在群中選擇一個(gè)用戶作為群首，其他用戶在歸屬數(shù)據(jù)庫(kù)中寫入指針指向群首。當(dāng)用戶群移動(dòng)時(shí)，只有群首用戶進(jìn)行相關(guān)的位置更新處理，而其他用戶不做任何處理，這樣就大大減少了冗余的重復(fù)操作；當(dāng)有呼叫到達(dá)，系統(tǒng)查詢被叫用戶時(shí)，通過(guò)指針指向訪問(wèn)群首用戶的記錄，然后直接尋呼被叫用戶，由于被叫用戶和群首用戶處于同一位置，所以不會(huì)增加額外的信令開銷。

2.2 群首用戶

本文所提算法的核心是由選定的群首用戶信息代替所有的用戶信息，所有的位置管理相關(guān)操作也全部由群首用戶代勞。理論上，任意選擇群首用戶都可以達(dá)到減少重復(fù)操作的目的，但事實(shí)上，群首用戶和群的一致性越大，性能改善越明顯。如果群首用戶選擇不當(dāng)，用戶入群操作和離群操作帶來(lái)的額外開銷，特別是群首用戶離群進(jìn)行的更換群首開銷，甚至?xí)哂跍p少的重復(fù)操作開銷。所以，在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，選用公共交通工具綁定的通信終端作為群首用戶，如車載或機(jī)載的終端。而這些選定的群首終端可以很容易地實(shí)現(xiàn)群內(nèi)的小范圍廣播功能，方便普通用戶確定何時(shí)進(jìn)行入群和離群操作。

由于用戶信息比較復(fù)雜，除了移動(dòng)特征外，對(duì)系統(tǒng)性能影響比較大的參數(shù)還有呼叫到達(dá)率等，在設(shè)置群首用戶的操作參數(shù)(如更新頻率)時(shí)，可以將這些納入考慮。本文為了仿真實(shí)現(xiàn)的方便，在對(duì)群首用戶的參數(shù)選取時(shí)沒有考慮呼叫到達(dá)率等參數(shù)。

2.3 用戶聚合算法具體處理流程

2.3.1 入群更新過(guò)程

當(dāng)用戶進(jìn)入群(將具有與群相同的移動(dòng)特征)，收到群首用戶的消息(如用戶進(jìn)入飛機(jī)接收到機(jī)載終端的群內(nèi)廣播消息)后，將向網(wǎng)絡(luò)發(fā)起一個(gè)位置更新處理流程，在其所屬的VLR中刪除相關(guān)信息，然后在其HLR中寫入指針，指向群首(機(jī)載終端)在HLR的位置。群首用戶保持自己正常的位置管理操作，而普通用戶進(jìn)入群移動(dòng)模式，將不再進(jìn)行任何位置更新方面的操作。

2.3.2 位置更新過(guò)程

當(dāng)用戶群移動(dòng)到一個(gè)新的位置區(qū)時(shí)，將進(jìn)行位置更新過(guò)程。對(duì)于群首用戶，其操作方式和傳統(tǒng)的位置管理方法中的位置更新處理流程完全相同；而其他的非群首用戶則不做任何更新處理。相比之下，用戶聚合算法的位置更新處理只有一個(gè)用戶進(jìn)行了操作，比其傳統(tǒng)方法所有用戶都進(jìn)行操作，系統(tǒng)開銷將大大降低。

2.3.3 尋呼過(guò)程

當(dāng)呼叫到達(dá)時(shí)，系統(tǒng)訪問(wèn)被叫用戶的HLR，由于入群過(guò)程中寫入了指針，系統(tǒng)可以找到群首用戶所在，然后查詢?nèi)菏椎腣LR位置，并直接向群首所在位置尋呼被叫用戶。由于被叫用戶和群首處于同一位置，所以呼叫可以直接成功建立。與傳統(tǒng)位置管理處理方式相比，只增加了一次HLR在本地的查詢過(guò)程，代價(jià)不大。

2.3.4 離群更新過(guò)程

當(dāng)用戶離開群(不再具有與群相同的移動(dòng)特征)后，如飛機(jī)降落后，用戶離開不再收到機(jī)載終端的群內(nèi)廣播信息，將發(fā)起一個(gè)位置更新過(guò)程，用戶在其現(xiàn)今所屬VLR進(jìn)行注冊(cè)，VLR向HLR報(bào)告用戶信息，同時(shí)HLR將指針刪除重新寫入的新的VLR信息。

2.4 用戶移動(dòng)模型

對(duì)于單個(gè)群來(lái)說(shuō),每隔一段距離將會(huì)到達(dá)一個(gè)“站”，沿線各站每站進(jìn)出群的終端數(shù)會(huì)有所不同。對(duì)于任意終端，從某一站進(jìn)群后，它有可能從任一站出群，但在每一站出群的概率不一樣。設(shè)一條線有m站，其概率矩陣可以表示為[17]：

式中，pij為從第i站進(jìn)，第j站出的概率。

3 場(chǎng)景與仿真結(jié)果

針對(duì)本文提出的算法，設(shè)置了3種網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。假設(shè)所有群移動(dòng)的線路都比較平滑(不存在短距離往復(fù))，用戶終端在沒有進(jìn)入群的時(shí)候以5 km/h的速率步行前進(jìn)，位置區(qū)半徑為10 km。

由于用戶聚合算法只對(duì)位置更新的有較大影響，而在尋呼階段只有數(shù)據(jù)庫(kù)本地多了一次查詢帶來(lái)的開銷很小，實(shí)現(xiàn)該算法后整體系統(tǒng)性能的變化主要由位置更新時(shí)的系統(tǒng)開銷決定，所以在仿真時(shí)，只對(duì)位置更新的性能做比較。

與現(xiàn)有優(yōu)化算法的性能比較，采用文獻(xiàn)[10]使用的模型，按速率將用戶分成高速、中速和低速3類用戶，對(duì)每類用戶設(shè)置不同大小的小區(qū)半徑。民航飛機(jī)場(chǎng)景的用戶群使用高速用戶的設(shè)置，長(zhǎng)途客運(yùn)場(chǎng)景的用戶群使用中速用戶的設(shè)置，市內(nèi)公共交通場(chǎng)景的用戶群使用低速用戶的設(shè)置。

3.1 民航飛機(jī)場(chǎng)景

設(shè)置一架飛機(jī)載客200人，不考慮乘客與飛機(jī)相互干擾的情形，飛機(jī)速率900 km/h，飛行距離10 000 km，仿真結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，不管是傳統(tǒng)方式還是優(yōu)化方式，使用了用戶聚合算法后的系統(tǒng)開銷均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于未使用時(shí)，原因在于聚合算法節(jié)省了大量的重復(fù)冗余信息。而且，隨著用戶的增多，距離的增長(zhǎng)，可以預(yù)見，該性能的差別將會(huì)更大。

圖2 飛機(jī)場(chǎng)景性能比較

3.2 長(zhǎng)途客運(yùn)場(chǎng)景

設(shè)置一輛長(zhǎng)途客車，汽車載客30人，汽車速率80 km/h，移動(dòng)距離200 km，其中在100 km處有用戶上下車，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 長(zhǎng)度客運(yùn)場(chǎng)景性能比較

從圖3可以看出，使用了用戶聚合算法的系統(tǒng)處理開銷分別小于傳統(tǒng)方式和優(yōu)化處理方式，并且可以在使用優(yōu)化算法對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行優(yōu)化后進(jìn)一步提升性能。但是在用戶最初進(jìn)行入群操作時(shí)的開銷會(huì)有一個(gè)峰值，造成其開銷高于傳統(tǒng)方式和優(yōu)化方式，但總體上，依然提高了系統(tǒng)性能。

3.3 市內(nèi)公共交通場(chǎng)景

設(shè)置一輛城市公交車，移動(dòng)速率40 km/h，每隔1 km處有用戶上下車，仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，用戶聚合算法和傳統(tǒng)的處理方式性能相差不大，而且在一開始的時(shí)候聚合算法的系統(tǒng)開銷還要更高一些。這主要是由于用戶之間的相關(guān)性已經(jīng)不大，算法節(jié)省的系統(tǒng)開銷和新帶來(lái)的額外開銷相差不多。

圖4 市內(nèi)公共交通運(yùn)輸場(chǎng)景性能比較

4 結(jié) 論

本文充分利用用戶之間的相關(guān)性，借用移動(dòng)子網(wǎng)的思路，利用簡(jiǎn)單的指針處理，提出了一種位置管理的用戶聚合算法。仿真結(jié)果表明，該算法使系統(tǒng)在處理過(guò)程中減少了重復(fù)操作，節(jié)省了大量的系統(tǒng)資源。在用戶相關(guān)性不大的城市公交系統(tǒng)中，該算法和傳統(tǒng)算法性能相似。但在飛機(jī)、遠(yuǎn)洋輪船、長(zhǎng)途客車等用戶移動(dòng)關(guān)聯(lián)性很大的情況下，該算法可以大大提升系統(tǒng)性能，而且隨著用戶數(shù)量的增多，同行距離的增大，系統(tǒng)性能提升將更明顯。

本文算法不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并可以同時(shí)使用已有的各種優(yōu)化算法，大大提升了系統(tǒng)性能，具有很強(qiáng)的工程參考價(jià)值。除了民用網(wǎng)絡(luò)以外，對(duì)于軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗單元接入軍事網(wǎng)絡(luò)等場(chǎng)景，該算法也有一定的參考意義。

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