泛在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一化位置管理架構(gòu)

趙 聰，郭 偉

ZHAO Cong,GUO Wei

（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）

0 引言

位置管理是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理中的關(guān)鍵技術(shù)之一，用于實(shí)現(xiàn)跟蹤、存儲(chǔ)、查找和更新移動(dòng)目標(biāo)的位置信息。它包括定位和尋呼兩個(gè)過(guò)程：定位（又叫位置更新）是指移動(dòng)目標(biāo)向網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)報(bào)告其位置變更的過(guò)程，尋呼（又叫位置查詢）則是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)查找移動(dòng)目標(biāo)所在位置的過(guò)程[1,2]。

移動(dòng)通信的目標(biāo)就是要實(shí)現(xiàn)任何人可在任何時(shí)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(dòng)通信從2G向3G發(fā)展的近10年來(lái)，產(chǎn)生了許多種不同的無(wú)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(guó)又在研究新的B3G和4G的傳輸技術(shù)。顯然，未來(lái)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(duì)某一特定網(wǎng)絡(luò)設(shè)定的，無(wú)法滿足異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的需求，這就需要我們?cè)O(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(duì)這個(gè)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(dòng)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(lái)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(guò)于復(fù)雜。還有學(xué)者提出了一種統(tǒng)一化移動(dòng)性管理技術(shù)(UMM)，提出利用超級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)(super HLR)來(lái)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(gè)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(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算的方法，雖然是針對(duì)的單一網(wǎng)絡(luò)，但是它提供了一種對(duì)于所有無(wú)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(wú)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(duì)于泛在網(wǎng)絡(luò)兩大特點(diǎn)，本文主要針對(duì)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(lái)的問(wèn)題；對(duì)大規(guī)模用戶的這一特點(diǎn)只在全文最后做出簡(jiǎn)單說(shuō)明，不作為本文討論重點(diǎn)。

本文組織如下：第1節(jié)在簡(jiǎn)單總結(jié)現(xiàn)有無(wú)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(duì)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(gè)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(yǔ)。

1 異構(gòu)網(wǎng)統(tǒng)一化位置管理架構(gòu)

分析現(xiàn)有常見(jiàn)的位置管理協(xié)議，無(wú)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(gè)位置管理數(shù)據(jù)庫(kù)，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(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)存放的是不同類(lèi)型的位置數(shù)據(jù)，如HLR存放用戶所在訪問(wèn)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(kù)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(gè)相同的參數(shù)來(lái)表示位置信息，那么UMM的位置數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)規(guī)模將會(huì)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(gè)坐標(biāo)就可以作為這個(gè)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(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)不做太大改動(dòng)，只增加呼叫網(wǎng)關(guān)和新的更新模塊，對(duì)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(shí)接入多個(gè)覆蓋的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)也可以選擇某一個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行接入，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)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(gè)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(hào)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(chǔ)，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(shí)，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(qǐng)求。主叫網(wǎng)絡(luò)向UMM節(jié)點(diǎn)詢問(wèn)被叫用戶位置，UMM查詢數(shù)據(jù)庫(kù)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(lèi)型選擇一定的被叫網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行呼叫請(qǐng)求。被叫網(wǎng)絡(luò)呼叫網(wǎng)關(guān)收到請(qǐng)求后，根據(jù)被叫用戶的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，確定被叫用戶處于哪個(gè)基站的覆蓋下，并發(fā)送呼叫請(qǐng)求。被叫用戶收到請(qǐng)求后返回呼叫應(yīng)答，然后呼叫建立成功，開(kāi)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(shuō)明異構(gòu)網(wǎng)統(tǒng)一化位置的處理流程，我們?nèi)∫粋€(gè)實(shí)際的場(chǎng)景來(lái)進(jìn)行描述。

如圖4所示。用戶1是機(jī)載用戶，沒(méi)有地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋，只能通過(guò)海事衛(wèi)星接入。用戶2 是地面移動(dòng)用戶，同時(shí)被蜂窩網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線局域網(wǎng)以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)覆蓋。兩個(gè)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(guò)GPS定位，機(jī)載用戶將自己的位置坐標(biāo)（x1，y1）通過(guò)衛(wèi)星和地面信關(guān)站發(fā)送到UMM，移動(dòng)用戶選擇覆蓋性好的蜂窩網(wǎng)將坐標(biāo)（x2，y2）通過(guò)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(guò)衛(wèi)星向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送呼叫請(qǐng)求，呼叫網(wǎng)關(guān)（信關(guān)站）收到請(qǐng)求后向UMM查詢被叫用戶地址坐標(biāo)，并根據(jù)業(yè)務(wù)類(lèi)型（視頻）選擇帶寬比較大的無(wú)線局域網(wǎng)進(jìn)行接入，向WLAN網(wǎng)關(guān)發(fā)送呼叫請(qǐng)求。WLAN網(wǎng)關(guān)收到請(qǐng)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(guò)網(wǎng)絡(luò)向被叫用戶發(fā)送呼叫請(qǐng)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(shí)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(chǔ)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(wú)線鏈路上的開(kāi)銷(xiāo)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(kù)中將存放接入衛(wèi)星號(hào)，接入信關(guān)站號(hào)，蜂窩所屬位置區(qū)編號(hào)和基站編號(hào)，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(méi)有中心節(jié)點(diǎn)，但各個(gè)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(gè)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(shí)需要的各個(gè)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(kù)規(guī)模比較

圖8 異構(gòu)網(wǎng)實(shí)例位置更新無(wú)線鏈路開(kāi)銷(xiāo)比較

4 結(jié)束語(yǔ)

位置管理作為移動(dòng)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。現(xiàn)有各種網(wǎng)絡(luò)中的位置管理機(jī)制均不相同，無(wú)法滿足未來(lái)以IP為基礎(chǔ)平臺(tái)的泛在網(wǎng)絡(luò)位置管理需求。

本文在對(duì)現(xiàn)有位置管理方式的總結(jié)上，提出了一種使用絕對(duì)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(jià)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(lái)的問(wèn)題，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模特性沒(méi)做考慮。在以后的研究中，將會(huì)對(duì)大規(guī)模這一特點(diǎn)帶來(lái)的問(wèn)題進(jìn)行專門(mén)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(kù)的方式來(lái)進(jìn)行存放。

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