泛在无线网络统一化位置管理架构

赵 聪，郭 伟

ZHAO Cong,GUO Wei

（电子科技大学 通信抗干扰技术国家级重点实验室，成都 611731）

0 引言

位置管理是无线网络移动性管理中的关键技术之一，用于实现跟踪、存储、查找和更新移动目标的位置信息。它包括定位和寻呼两个过程：定位（又叫位置更新）是指移动目标向网络系统报告其位置变更的过程，寻呼（又叫位置查询）则是网络系统查找移动目标所在位置的过程[1,2]。

移动通信的目标就是要实现任何人可在任何时候、任何地方、与任何人以及相关的物进行任何形式的通信，但值得注意的是，在移动通信从2G向3G发展的近10年来，产生了许多种不同的无线传输技术，如G S M、C D M A、W C D M A、CDMA2000、TD-SCDMA、802.11a/b/g等，而目前各国又在研究新的B3G和4G的传输技术。显然，未来网络的异构性将更加充分，是一种由多种异构网络组成的混合网络。但是，现有的位置管理技术都是针对某一特定网络设定的，无法满足异构网络的需求，这就需要我们设计一种新的支持泛在、异构网络的位置管理架构[2,3]。

面对这个新的挑战，一些学者们进行了研究，但是这些研究更多的是研究由两种网络组成的异构网络的移动性管理，不能提供多种网络混合的异构网位置管理功能[4～7]。也有学者提出加入网际网关进行相应处理来适应多种网络混合的异构网络的位置管理方式[8,9]，但这方式需要网络在两两之间建立设备，过于复杂。还有学者提出了一种统一化移动性管理技术(UMM)，提出利用超级数据库(super HLR)来实现多协议的位置管理[10～13]，这种方法虽然比较好的实现了异构网的位置管理功能，但是这种方法需要重新建立一个性能要求相当高的中心管理节点，成本很大。文献[15]在卫星网络的环境下提出了一种用地理位置坐标作为基准，寻呼时进行实时计算的方法，虽然是针对的单一网络，但是它提供了一种对于所有无线接入网络都可以映射使用的位置参数。在前人研究的基础上，本文提出了一种适合于无线异构网络的统一化位置管理架构。该架构既可以完成UMM的功能，又大大减少了UMM节点的数据量，并且不需要设立异构网络之间的两两转换。

对于泛在网络两大特点，本文主要针对异构特点进行研究，所提架构主要解决异构网络带来的问题；对大规模用户的这一特点只在全文最后做出简单说明，不作为本文讨论重点。

本文组织如下：第1节在简单总结现有无线网络位置管理异同点的基础上，提出了一种统一化位置管理架构并对其基本处理方式做出描述；第2节给出了在该架构下的一个具体实例；第3节分析了该架构的性能；第4节是结束语。

1 异构网统一化位置管理架构

分析现有常见的位置管理协议，无论是在链路层实现的蜂窝网位置管理协议，还是在网络层实现的MIP协议，抑或是在应用层实现的SIP协议，我们发现，所有的位置管理架构都有一个位置管理数据库，用于存放与用户位置相关的数据，例如GSM的归属位置寄存器（HLR）和MIP的家乡代理（HA），但由于网络的不同，各个数据库存放的是不同类型的位置数据，如HLR存放用户所在访问位置寄存器（VLR），HA存放终端现在所处路由器的地址。在位置更新操作中，不同网络向数据库报告的位置参数是不同的；在寻呼操作中，网络操作也是不同的，例如GSM查询的是位置区和基站，而MIP查询的是终端的ip地址和服务路由器。UMM难以实现的原因就在于此。如果不同网络都采用一个相同的参数来表示位置信息，那么UMM的位置数据库存储规模将会大大减小，而各异构网络设立映射网关后也可以分布式地进行呼叫处理，大大降低中心节点的工作量。GPS定位是目前非常成熟的一种技术，可以提供非常精确的用户地理位置经纬度坐标，而这个坐标就可以作为这个参数。

图1 统一化位置管理架构示意图

统一化位置管理架构示意图如图1所示。在该架构中，我们对现有网络不做太大改动，只增加呼叫网关和新的更新模块，对已有网络提供的服务保持不变，不影响现有用户正常使用。现有用户终端按原有方式进行处理，新的需要泛在服务的用户终端按照新的统一化位置管理架构进行处理。在新架构下，用户终端可以同时接入多个覆盖的异构网络也可以选择某一个网络进行接入，各个网络有一个位置更新模块和寻呼网关模块，进行相应的操作。UMM模块中存放用户的位置经纬度信息，而各个异构网络不存放用户的位置信息。

1.1 位置更新流程

用户终端首先自主的利用GPS信号进行定位，得到自己的经纬度坐标，然后根据自己的使用偏好和自己所处的网络情况任意选择一种网络报告自己的经纬度坐标，网络位置更新模块收到后并不在本地存储，直接向UMM发送信息。如图2所示。

图2 位置更新流程示意图

1.2 呼叫处理流程

在寻呼时，主角用户根据自己的网络接入情况和偏好选择合适的网络发送呼叫请求。主叫网络向UMM节点询问被叫用户位置，UMM查询数据库后向主叫网络呼叫网关返回被叫用户位置（经纬度坐标），主叫网络呼叫网关根据业务类型选择一定的被叫网络网关进行呼叫请求。被叫网络呼叫网关收到请求后，根据被叫用户的位置进行实时计算，确定被叫用户处于哪个基站的覆盖下，并发送呼叫请求。被叫用户收到请求后返回呼叫应答，然后呼叫建立成功，开始进行数据传输。如图3所示。

图3 呼叫处理流程示意图

2 统一化位置管理架构实例

为了更好地说明异构网统一化位置的处理流程，我们取一个实际的场景来进行描述。

如图4所示。用户1是机载用户，没有地面网络覆盖，只能通过海事卫星接入。用户2 是地面移动用户，同时被蜂窝网络、无线局域网以及卫星网络覆盖。两个用户进行远程视频通信。

图4 异构网实例

在位置更新阶段，通过GPS定位，机载用户将自己的位置坐标（x1，y1）通过卫星和地面信关站发送到UMM，移动用户选择覆盖性好的蜂窝网将坐标（x2，y2）通过基站和MSC发送到UMM。具体流程如图5所示。

图5 实例位置更新流程示意图

在呼叫阶段，机载用户只有卫星覆盖，所以选择卫星网络进行呼叫，通过卫星向网络发送呼叫请求，呼叫网关（信关站）收到请求后向UMM查询被叫用户地址坐标，并根据业务类型（视频）选择带宽比较大的无线局域网进行接入，向WLAN网关发送呼叫请求。WLAN网关收到请求后根据被叫用户位置坐标（x2，y2）得到其所在接入路由器，并通过网络向被叫用户发送呼叫请求。被叫用户应答后建立连接，进行数据传输。如图6所示。

图6 实例呼叫流程示意图

3 统一化位置管理架构性能分析

本文所提统一化位置管理的用户信息虽然也是存放在UMM节点，但是由于存放的是经纬度信息，而不是所有网络相关信息（例如同时存放GSM的位置区、MIP的家乡代理地址、WLAN的目标路由器地址），所以和现有UMM相比，中心节点的数据存储规模将大大减小。而且由于更新处理只选择最合适的网络进行一次操作，而不是所有可以接入的网络都进行位置管理操作，所以无线链路上的开销也大大降低。

以第2节的实例为例，本文所提架构在UMM节点只存放用户经纬度位置信息，在各异构网络网关也不存放用户信息；而现有UMM架构[11]在中心数据库中将存放接入卫星号，接入信关站号，蜂窝所属位置区编号和基站编号，WLAN所属路由器ip地址等；而网络转换架构（网际网关）虽然[8]没有中心节点，但各个异构网将独立存放各自相应信息。如图7所示。在位置更新阶段，地理映射UMM架构由于报告的是坐标，所以只需要选择一个合适的网络进行位置更新处理即可，而两位两种方式由于同时需要的各个异构网络的位置信息，所以用户能接入的所有网络都需要进行位置更新操作。如实例中，用户1需要进行一次操作，而用户2需要进行三次操作。如图8所示。

图7 异构网实例数据库规模比较

图8 异构网实例位置更新无线链路开销比较

4 结束语

位置管理作为移动性管理的关键技术之一，主要包括位置更新和寻呼两大功能。现有各种网络中的位置管理机制均不相同，无法满足未来以IP为基础平台的泛在网络位置管理需求。

本文在对现有位置管理方式的总结上，提出了一种使用绝对地理位置映射的统一化位置管理架构。该架构在基本不改变现有网络内部结构的条件下，既可以完成泛在异构网络的位置管理功能，又避免了现有异构网位置管理机制的弊端，具有一定的参考价值。

本文所提架构主要解决了泛在网络异构性特点带来的问题，对于网络的大规模特性没做考虑。在以后的研究中，将会对大规模这一特点带来的问题进行专门的研究，例如可以采用分区域设置UMM节点的方法或者采用将UMM的信息用两层数据库的方式来进行存放。

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