衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的位置管理研究進(jìn)展

［黎其京 王利飛］

衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的位置管理研究進(jìn)展

［黎其京 王利飛］

位置管理 位置更新 動(dòng)態(tài)位置區(qū)

黎其京

重慶郵電大學(xué)通信與信息工程，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信。

王利飛

重慶郵電大學(xué)通信與信息工程，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信。

1 引言

衛(wèi)星通信與傳統(tǒng)的地面蜂窩移動(dòng)通信相比，其突出的優(yōu)點(diǎn)是不可取代的。首先，衛(wèi)星通信系統(tǒng)通過空中衛(wèi)星作為其中繼站，對(duì)移動(dòng)終端的上行信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，使得通信的覆蓋區(qū)域大，通信距離遠(yuǎn)。其次，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，只要是在衛(wèi)星的波束覆蓋區(qū)域內(nèi)，所有的地球站以及移動(dòng)終端都能利用這顆衛(wèi)星進(jìn)行機(jī)動(dòng)靈活的相互間的具有多址聯(lián)接性通信，并且衛(wèi)星采用的是微波頻段，其通信頻帶寬，通信容量大。最后，衛(wèi)星通信系統(tǒng)都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即通信的成本與距離無關(guān)，通信線路穩(wěn)定，質(zhì)量好［4］。

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，由于中、低軌衛(wèi)星系統(tǒng)路徑損耗小，傳播時(shí)延低，對(duì)用戶終端的有效全向輻射功率和接收機(jī)品質(zhì)因素的值要求低，可支持手持機(jī)直接通過衛(wèi)星進(jìn)行通信，因此低軌通信衛(wèi)星系統(tǒng)是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)。移動(dòng)性管理技術(shù)作為衛(wèi)星移動(dòng)通信的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，關(guān)系到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能［2］。隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，通信系統(tǒng)小區(qū)容量不斷的增加，用戶接入的增加使得網(wǎng)絡(luò)在處理終端移動(dòng)性的信令開銷和數(shù)據(jù)庫(kù)的負(fù)荷也隨著增加，良好的移動(dòng)性管理策略可以大大的降低系統(tǒng)運(yùn)行的負(fù)荷，顯著提高系統(tǒng)的性能。移動(dòng)性管理（mobility management）是移動(dòng)通信領(lǐng)域的一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題。

2 位置管理

移動(dòng)性管理主要包括：位置管理和切換管理。在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，移動(dòng)終端可以不受固定的點(diǎn)到點(diǎn)的限制而自由的移動(dòng)，并且移動(dòng)終端可以在任何時(shí)刻、任何地方、隨時(shí)隨地的接入到通信系統(tǒng)中，亦能和網(wǎng)絡(luò)時(shí)刻的建立鏈接，進(jìn)行相關(guān)的業(yè)務(wù)功能。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)越性為移動(dòng)性終端提供了動(dòng)態(tài)服務(wù)，系統(tǒng)如何識(shí)別移動(dòng)終端的位置信息，并且為其保證正常的通信，成為移動(dòng)通信的重要特征，這主要是通過位置管理來實(shí)現(xiàn)的。位置管理主要負(fù)責(zé)跟蹤、存儲(chǔ)、查找和更新移動(dòng)終端的位置信息，位置區(qū)管理主要包括位置區(qū)更新和位置尋呼，位置區(qū)更新的目的是為了使得網(wǎng)絡(luò)能實(shí)時(shí)的獲取終端所在的位置，以便網(wǎng)絡(luò)要對(duì)終端進(jìn)行尋呼時(shí)，可以通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)獲得終端最近一次更新的位置區(qū)識(shí)別碼對(duì)終端進(jìn)行精確快速的呼叫［5～7］。

位置管理是滿足移動(dòng)終端可以在移動(dòng)通信系統(tǒng)覆蓋的范圍內(nèi)自由移動(dòng)，不受任何地域限制的前提。位置管理能夠使網(wǎng)絡(luò)跟蹤移動(dòng)終端的位置，是網(wǎng)絡(luò)為傳遞呼叫而定位移動(dòng)終端確定移動(dòng)終端當(dāng)前接入點(diǎn)的過程。而這就需要移動(dòng)終端按照一定的準(zhǔn)則向網(wǎng)絡(luò)報(bào)告其位置信息。這一過程就屬于移動(dòng)終端的位置區(qū)更新過程。

3 靜態(tài)位置管理

靜態(tài)位置管理策略是與地面通信系統(tǒng)一樣，將衛(wèi)星點(diǎn)波束固定的劃分為若干的位置區(qū)，或者將地球站的覆蓋區(qū)域固定的劃分為若干的位置區(qū)，或者是兩者的結(jié)合。都采用的是兩層位置數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，即HLR和VLR。HLR存儲(chǔ)了所有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)注冊(cè)用戶的各種信息，包括位置信息。VLR存儲(chǔ)所管轄區(qū)域中移動(dòng)終端的來話、去話呼叫所需檢索的信息以及用戶簽約業(yè)務(wù)和附加業(yè)務(wù)的信息。

基于靜態(tài)固定的位置區(qū)劃分，其位置區(qū)更新流程如下：

（1）終端開機(jī)注冊(cè)，首先向管轄當(dāng)前LA的VLR0，發(fā)起位置區(qū)更新請(qǐng)求。

（2）VLR0登記終端的位置信息，并發(fā)給HLR。

（3）HLR登記終端的當(dāng)前位置信息。

（4）終端跨位置區(qū)移動(dòng)，位置區(qū)ID發(fā)生改變，終端發(fā)起位置區(qū)更新請(qǐng)求。

（5）VLR1登記終端的位置信息，并發(fā)給HLR。

（6）HLR記錄終端位置信息，并指示VLR0刪除終端的位置信息。

李重俊是唐中宗冊(cè)立的太子，卻受到武三思的嫉恨?！叭甲映缬?xùn)尚安樂公主，常教公主凌忽重俊，以其非韋氏所生，常呼之為奴。或勸公主請(qǐng)廢重俊為王，自立為皇太女，重俊不勝忿恨。三年七月，率左羽林大將軍李多祚、右羽林將軍李思沖、李承況、獨(dú)孤祎之、沙咤忠義等，矯制發(fā)左右羽林兵及千騎三百余人，殺三思及崇訓(xùn)于其第，并殺黨與十余人。又令左金吾大將軍成王千里分兵守宮城諸門，自率兵趨肅章門，斬關(guān)而入，求韋庶人及安樂公主所在?！币蛱浦凶诔霈F(xiàn)在玄武門樓，李重俊率領(lǐng)的兵將臨陣倒戈，兵敗后為左右所殺。

（7）VLR0刪除終端的位置信息，表明終端已不在其管轄的位置區(qū)之內(nèi)。

由于低軌衛(wèi)星繞著地球的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，繞地球一周的時(shí)間平均約為114分鐘，故使得終端的波束覆蓋時(shí)間很短，以衛(wèi)星波束劃分位置區(qū)的方法會(huì)造成頻繁的位置區(qū)更新，這樣會(huì)使得信令開銷大大增加，而以固定的地球站劃分的位置區(qū)則容易因終端于兩個(gè)LA之間頻繁移動(dòng)，造成乒乓效應(yīng)，為了解決上述問題提出了動(dòng)態(tài)位置管理。

4 動(dòng)態(tài)位置管理

4.1 基于運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)位置管理

基于運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)位置區(qū)管理為根據(jù)單個(gè)移動(dòng)終端的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來動(dòng)態(tài)的為終端劃定一個(gè)位置區(qū)更新范圍，通常將稱運(yùn)動(dòng)門限值為M，當(dāng)終端移動(dòng)跨越的小區(qū)超過門限值M將執(zhí)行一次位置更新?；谠摶A(chǔ)上提出了基于可變位置區(qū)的動(dòng)態(tài)位置區(qū)管理算法［9］，該算法基于二維六邊形多級(jí)位置區(qū)蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及液體流動(dòng)運(yùn)動(dòng)模型假設(shè)，先根據(jù)用戶的呼叫和運(yùn)動(dòng)模式來優(yōu)化運(yùn)動(dòng)門限，再確定更新的位置區(qū)大小，其優(yōu)點(diǎn)在于位置區(qū)大小的變化頻率低，系統(tǒng)不必頻繁的切換位置區(qū)的級(jí)別且可以避免“乒乓效應(yīng)”。移動(dòng)終端進(jìn)行位置區(qū)更新后，系統(tǒng)通過終端的運(yùn)動(dòng)確定位置區(qū)的范圍。

文獻(xiàn)［16］提出了三重運(yùn)動(dòng)門限值，三個(gè)門限值分別為q、n、m，q為跨越不同位置區(qū)的個(gè)數(shù)，n為跨越不同小區(qū)的個(gè)數(shù)，m為跨越小區(qū)的個(gè)數(shù)。當(dāng)跨越小區(qū)數(shù)達(dá)到閾值n和m時(shí)，執(zhí)行VLR更新；當(dāng)跨越小區(qū)數(shù)達(dá)到閾值n和m時(shí)，并且跨越的位置區(qū)數(shù)達(dá)到閾值q，則執(zhí)行VLR和HLR更新。

與靜態(tài)位置管理類似，基于時(shí)間的動(dòng)態(tài)位置管理也需要設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，所不同的是靜態(tài)位置區(qū)管理的定時(shí)器的閾值是固定不變的，而基于時(shí)間的動(dòng)態(tài)位置管理的定時(shí)器閾值在每次觸發(fā)位置區(qū)更新之后，或根據(jù)移動(dòng)終端的移動(dòng)速度，或根據(jù)移動(dòng)終端的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，或根據(jù)移動(dòng)終端的呼叫到達(dá)率等信息，來動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的調(diào)整定時(shí)器的閾值。

文獻(xiàn)［8］中提到了根據(jù)移動(dòng)終端的業(yè)務(wù)狀態(tài)和呼叫到達(dá)率來動(dòng)態(tài)的設(shè)置定時(shí)器的閾值一種算法，其假設(shè)用戶的業(yè)務(wù)為呼叫業(yè)務(wù)，且服從泊松分布，用λcur表示用戶當(dāng)前時(shí)間段的呼叫到達(dá)率，λpre為上一時(shí)間段的呼叫到達(dá)率，由此可得終端的呼叫業(yè)務(wù)變化率為：

便可根據(jù)終端的呼叫歷史來統(tǒng)計(jì)出終端的平均到達(dá)率λ。

為了避免呼叫到達(dá)時(shí)過長(zhǎng)的無位置更新狀態(tài)，使得尋呼時(shí)間變長(zhǎng)，應(yīng)該保證位置更新率不小于呼叫到達(dá)率λ，即強(qiáng)制更新時(shí)間周期T應(yīng)小于或等于終端的平均呼叫間隔時(shí)間。故，按照下式計(jì)算定時(shí)器的時(shí)間T：

即在某一時(shí)刻根據(jù)歷史的呼叫平均到達(dá)率，從服從［1/2λ，1/ λ］的均勻分布中取一個(gè)隨機(jī)數(shù) （rand表示取一個(gè)隨機(jī)數(shù)），然后取T為大于ρ的整數(shù)作為定時(shí)器的更新時(shí)間閾值。

5 目前存在的問題

（1）固定位置區(qū)劃分策略是基于絕對(duì)地理位置，根據(jù)事先設(shè)定的位置區(qū)大小來劃分各個(gè)位置區(qū)的邊界，當(dāng)用戶越過邊界時(shí)便觸發(fā)更新，尋呼時(shí)根據(jù)用戶所在的固定位置區(qū)來傳遞尋呼信息。固定位置區(qū)策略方案雖然較為簡(jiǎn)單，用戶的更新及尋呼都是根據(jù)事先在地理上已經(jīng)劃定的位置區(qū)來進(jìn)行，但容易對(duì)在兩個(gè)位置區(qū)之間的來回運(yùn)動(dòng)的用戶造成“乒乓效應(yīng)”。且靜態(tài)位置區(qū)管理將用戶的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，移動(dòng)速度和呼叫類型與位置區(qū)管理隔離開來，對(duì)所有的移動(dòng)用戶使用同一的位置區(qū)管理策略，在適用性上明顯存在不足，不能根據(jù)用戶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，移動(dòng)速度和呼叫類型來動(dòng)態(tài)優(yōu)化位置區(qū)管理開銷。

（2）基于運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)位置管理可能會(huì)對(duì)大部分時(shí)間處于低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的用戶，由于某些時(shí)段的高速運(yùn)動(dòng)而設(shè)置位置區(qū)的更新半徑過大，用戶長(zhǎng)時(shí)間的無位置區(qū)更新；而大部分時(shí)間處于高速運(yùn)動(dòng)的用戶，卻因某些時(shí)段低速運(yùn)動(dòng)而設(shè)置的位置區(qū)更新半徑過小，導(dǎo)致頻繁的位置區(qū)更新。同樣，基于時(shí)間的動(dòng)態(tài)位置管理僅僅根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)類型和呼叫到達(dá)率來設(shè)置用戶的位置區(qū)更新半徑，這種方式對(duì)不同運(yùn)動(dòng)速度的用戶適應(yīng)性不夠強(qiáng)，可能會(huì)導(dǎo)致低速用戶在計(jì)時(shí)器時(shí)間段內(nèi)頻繁的進(jìn)行位置區(qū)更新，而高速用戶頻繁越區(qū)后不能及時(shí)的進(jìn)行位置區(qū)更新，從而增加尋呼開銷。

6 下一步研究方向

（1）采用動(dòng)態(tài)位置區(qū)管理的策略，針對(duì)單個(gè)用戶的移動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、呼叫到達(dá)率等因素，避免靜態(tài)位置區(qū)管理對(duì)不同用戶的適應(yīng)性低，靈活性差的缺點(diǎn)，并且避免處于位置區(qū)邊緣的移動(dòng)用戶在兩個(gè)位置區(qū)之間頻繁切換造成的“乒乓效應(yīng)”。在確保尋呼到達(dá)率的前提下，盡可能的減小移動(dòng)終端由于自身的自由移動(dòng)性在位置區(qū)之間跨越時(shí)，進(jìn)行位置區(qū)綁定更新的信令開銷，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)信令資源，減輕系統(tǒng)的負(fù)荷。

（2）針對(duì)移動(dòng)用戶的移動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、呼叫到達(dá)率等特點(diǎn)，結(jié)合時(shí)間與運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)位置管理策略，解決基于運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)位置算法下的大部分時(shí)間處于低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的用戶，由于某些時(shí)段的高速運(yùn)動(dòng)而設(shè)置位置區(qū)的更新半徑過大，用戶長(zhǎng)時(shí)間的無位置區(qū)更新；而大部分時(shí)間處于高速運(yùn)動(dòng)的用戶，卻因某些時(shí)段低速運(yùn)動(dòng)而設(shè)置的位置區(qū)更新半徑過小，導(dǎo)致頻繁的位置區(qū)更新。以及基于時(shí)間的動(dòng)態(tài)位置管理算法下可能會(huì)導(dǎo)致低速用戶在計(jì)時(shí)器時(shí)間段內(nèi)頻繁的進(jìn)行位置區(qū)更新，而高速用戶頻繁越區(qū)后不能及時(shí)的進(jìn)行位置區(qū)更新，從而增加尋呼開銷的問題。

7 總結(jié)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)是未來個(gè)人通信重要組成部分，而移動(dòng)性管理技術(shù)又是其中不可或缺的部分。本文重點(diǎn)介紹了衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)位置管理，基于時(shí)間、運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)位置管理相較靜態(tài)位置管理，在節(jié)省信令開銷，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源方面更具有優(yōu)勢(shì)。針對(duì)目前動(dòng)態(tài)位置管理存在的問題，未來可基于各種運(yùn)動(dòng)模型，以及個(gè)人呼叫業(yè)務(wù)等因素方面，對(duì)動(dòng)態(tài)位置管理策略進(jìn)行優(yōu)化，減小網(wǎng)絡(luò)開銷，提高網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能。

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在衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，位置管理性能的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。位置管理中的位置更新和位置尋呼是其中的關(guān)鍵，低頻率的位置區(qū)更新以及一次尋呼成功能降低信令開銷，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置。而基于動(dòng)態(tài)位置區(qū)的更新策略，可動(dòng)態(tài)調(diào)整位置區(qū)的更新時(shí)刻，減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。