無線ATM 網路使用續存性位置管理機制之研究

無線 ATM 網路使用續存性位置管理機制之研究

黎碧煌 黃史舜 陳信北 吳泰均

國立台灣科技大學電機系

摘 要

近年個人行動通訊服務(personal communication service; PCS)蓬勃發展，其 中無線通訊中的移動性(mobility)是主要討論的課題，提供使用者可以隨意移動 的能力，在行動通訊系統中，尤其位置管理是相當重要的技術之一。位置管理 主要目標在處理無線網路下如何有效率地找到無線使用者。本文提出的續存性 分散式位置管理(survivable distribution location management; SDLM)機制，是針 對固定式無線非同步傳輸模式(wireless asynchronous transfer mode; WATM)網 路用分群式(grouping)的方法做階層化(hierarchy)進行改良。除了現行的集中式 管理方式外，我們以分散式的概念將網路拓樸在邏輯上重新定義，用分散式來 取代集中式的管理，並且納入備援的考量。經模擬證明在一般的網路拓樸下，

SDLM 可有效解決集中式 HLR(home location register; HLR)負荷太重、傳遞訊 息次數過多、以及階層式連線時間過長等缺點。因此，SDLM 可以有效降低位 置管理的成本且與現實使用備援的情況相呼應。

關鍵詞：無線 ATM 網路、移動性、位置管理、續存性的位置管理。

STUDY ON SURVIVABLE LOCATION MANAGEMENT SCHEME IN WIRELESS ATM NETWORKS

Bih-Hwang Lee Su-Shun Huang Hsin-Pei Chen Tai-Ghun Wu Department of Electrical Engineering

National Taiwan University of Science and Technology Taipei, Taiwan, 106, R.O.C.

Key Words: wireless ATM, mobility, location management, survivable location management.

ABSTRACT

In recent years, personal communication service (PCS) technology has

rapidly advanced such that random motion in wireless communications is

one of the most discussable issues in the field now. Location management

therefore has become one of the most important topics to study to enhance

the ability to locate wireless users efficiently. This paper proposes a

survivable distribution location management (SDLM) scheme that

improves the grouping and hierarchy of the mobile ATM switch in the

wireless asynchronous transfer mode (WATM). Different from the

traditional centralised management approach, this paper uses

decentralization and backup concepts instead and attempts to redefine the

network topology for decentralized location management. Simulation

results allowed us to compare and contrast our results with current centralized location management system results, resulting in evidence to indicate that our proposed method more efficiently lowers the cost of location management and more readily responds to actual backup systems.

一、簡 介

隨著個人行動通訊普及率越來越高，MT 數量驚人成 長，為了在有限頻譜內擴充系統的容量，採用微細胞 (micro-cell)BS 的概念是非常可行的。利用頻率重覆使用 (frequency reuse)的觀念，相鄰的微細胞分配不同的頻率，

以避免相鄰的微細胞發生干擾，在適當的距離外，該頻率 的強度降低到某範圍以下，該微細胞的頻率可以再度為其 他的微細胞所使用。由於微細胞 BS 的建置，所涵蓋的範 圍變小，因此行動裝置(mobile terminal; MT)在移動時，容 易跨越 BS 服務範圍導致交接(handoff)的次數及位置更新 的訊息量增加，對於 MT 的位置追蹤是需要許多的訊號傳 送及資料庫的查詢與更新動作，因此對於 MT 的位置掌控 就必須用有效即時的管理機制。由於非同步傳輸模式 (asynchronous transfer mode; ATM)網路網路具備了高傳輸 率(transmission rate)、高頻寬(bandwidth)、低延遲(delay)、

低細胞遺失率(cell loss rate; CLR)、低位元錯誤率(bit error rate; BER) [1] 、 可 動 態 分 配 頻 寬 (dynamic allocation bandwidth)並能夠針對各種不同頻寬需求種類的服務提供 多元化的服務品質保證(quality of service; QoS)等多項優 點，因此成為高速網路的發展主軸，使得許多骨幹網路均 採用 ATM 網路為基礎。因為有線 ATM 網路的成功，許多 學術界與產業界的專家學者們希望能夠將有線 ATM 網路 的優點延伸至無線網路上，並提供人們需求的服務，因此 無線 ATM (wireless ATM; WATM)網路便成為當今熱門的 研究主題。

位置資料庫架構(location database architectures)主要分 為 集 中 式 (centralized) 及 分 散 式 (distributed) 。 GSM(global system for mobile communication)的 MAP(mobile application part)採用二層式(two-level)位置資料庫架構[1-5]，包括本籍 位置記錄器/客籍位置記錄器(home location register/visiting location register; HLR/VLR) ， 是 屬 於 集 中 式 位 置 管 理 (centralized location management; CLM)的方式，MT 每次移 動到新的註冊區域或被其他 MT 呼叫時，就必須在 HLR 與 VLR 之間傳遞訊號。其缺點是當 MT 數量龐大時，勢必 增加訊號流量及資料庫存取次數，增加位置管理的負擔成 本(cost)。

分散式架構的位置資料庫採用樹狀結構組織而成的 階 層 式 位 置 資 料 庫 架 構 (hierarchical location database architecture) [6-12]，是屬於分散式位置管理(distributed

圖 1 無線 ATM 網路架構

location management; DLM)的方式，當 MT 常在固定範圍 內移動或是收到來自相近地理位置的其他 MT 呼叫時，此 架構可以明顯降低系統中訊號傳遞量，但是對於地理位置 相距甚遠的其他 MT 欲呼叫該 MT 時，所花費在查詢該 MT 位置的呼叫成本，可能遠高於用 CLM 的呼叫成本。

本文以無線 ATM 為系統架構，即以 ATM 為骨幹網 路，配合蜂巢式(cellular)架構，建構出無線行動通訊的環 境，如圖 1 所示。其中，基地台(base station; BS)提供有線 和無線網路之間的介面，一個 BS 控管一個 WATM 細胞 (cell)。ATM 交換機(switch)具有支援行動通訊傳輸的能 力，一個 ATM 交換機可同時連結多個 BS。一個 ATM 交 換機管轄一個位置區域，假設每個 ATM 交換機都具有做 位置註冊用的位置資料庫，如此位置資料庫間是階層式的 關聯，且位置資料庫扮演的角色是行動交換中心(mobile switching center; MSC)或是 VLR。我們提出一個續存性分 散 式 位 置 管 理 機 制 (survivable distributed location management; SDLM)，並加入異地備援的機制來提昇系統 的存活率，有效降低在 HLR/VLR 架構下將 MT 開機時註 冊，及移動時做位置更新的成本，可避免在分散式的階層 式架構下發話者與受話者因地理位置相距甚遠，造成查詢 成本過大的情形。經由模擬得到 CLM、DLM 及 SDLM 三 種位置管理方法的成本，針對平均每個 MT 的位置更新成 本及平均每通要求連線通話的位置查詢成本，結果顯示 SDLM 均低於 CLM、DLM。

二、位置管理資料庫相關研究

日益增多的論文探討二層式位置資料庫架構應用在 無線網路的位置管理。本節首先介紹屬於集中式位置管理 資料庫的相關研究，其次是分散式架構的位置資料庫。

集中式位置管理資料庫，一般以 GSM 架構為代表，

其行動服務範圍是由 BS 的集合所涵蓋組成的。BS 主要負 責傳遞呼叫到所涵蓋區域範圍內的 MT，或是傳遞由範圍 內 MT 所發出的呼叫。MT 可以透過交接的機制在不同的 細胞內來回行動而不影響通話[13]。BS 會經由路上的連結 與 MSC 做溝通。這裡的 MSC 主要是用來連結 BS 和後端 公 眾 交 換 電 話 網 路 (public switched telephone network;

PSTN)，為 MT 透過 BS 連接公眾交換電話網路的介面。個 人通訊服務系統使用兩種資料庫來儲存用戶的位置資訊，

分別為 HLR 和 VLR。系統對於網路中的所有 MT，皆建立 一個永久記錄存放在 HLR 內，這記錄包含 MT 資訊、目前 所在位置和核准使用期限等相關資訊。VLR 則是暫時儲存 涵蓋服務範圍內，所有拜訪用戶的相關資訊等，其相對應 的行動交換中心就可以藉由這些資訊，提供相關服務。

目前行動通訊的標準，主要是採用位置區域(location area; LA)的概念，將整個網路所涵蓋的服務範圍，分割成 許多位置區域，其中一個位置區域是由一個或多個 BS 所 涵蓋服務範圍的細胞所組成，其允許 MT 在位置區域裡面 漫遊而無須執行位置更新。只有當 MT 跨過預先定義位置 區域的邊界時，所註冊的位置才會被更新。其中網路中的 一個行動交換中心，可以涵蓋一個或數個位置區域，每一 個行動交換中心或數個行動交換中心，則設有一個 VLR 來儲存相關的用戶位置資訊。在實際網路環境中，細胞的 分配工作，是由系統業者自行定義，但有個限制就是每一 個位置區域所涵蓋的細胞，只能由一個行動交換中心所服 務。以 GSM 系統為例，當 MT 從目前的位置區域移動到 新的位置區域，或是 MT 由舊的 VLR 所涵蓋的範圍，移動 到新的 VLR 所涵蓋的範圍時，MT 就必須對負責新位置區 域的 VLR 做註冊的動作，新的 VLR 就會告知該 MT 所屬 的 HLR 更新位置記錄。因此，當有呼叫需要傳送時，網路 就可以從最後一次更新位置區域內的所有細胞進行呼叫，

直到找到目標 MT 確切位置。雖然現行的位置管理方式可 以在有呼叫時，保證找得到 MT，可是當 MT 被呼叫的機 會不高時，MT 同樣必須依照更新策略，在跨過 VLR 所涵 蓋服務範圍的邊界時，執行更新的動作。因此，MT 在這 樣的情形下，花費大量的成本在執行位置更新的程序。

文獻[14]描述三種不同的位置管理策略，包含以時間 為基準(time-based)、以移動量為基準(movement-based)及 以距離為基準(distance-based)的位置管理策略。其主要概 念都是設定一個門檻值，只有當參考的基準值超過此門檻 值的時候，MT 才執行位置更新的動作。以時間為基準的

位置管理策略是，每當 MT 距離上一次的更新時間超過預 先設定的時間門檻時，MT 就對 HLR，執行更新的動作。

以移動量為基準的位置管理策略是，當 MT 跨過細胞邊界 的次數超過預先設定的門檻值時，MT 執行更新的動作。

以移動量為基準的位置管理策略，則是當 MT 目前所在的 細胞與最後一次更新細胞的距離，超過預先設定的門檻值 時，MT 執行更新的動作。前述所列的位置管理策略，雖 然達到了降低更新成本的目的，但也可能因為所建立的位 置區域，未考量使用者移動型態，而在呼叫時，產生過多 的呼叫成本。另一種被提出的是前遞指標位置管理策略 (forwarding pointer strategy)[15]，其主要的概念是當 MT 從 一個 VLR 移動到另一個 VLR 時，建立一個指標從舊的 VLR 指向新的 VLR，藉由在 VLR 間建立指標，來取代傳 統必須對網路中的 HLR，執行更新的動作，達到降低網路 訊號負載的目的。這種位置管理策略在呼叫方面，則是當 有呼叫需要被建立時，網路沿著前遞指標鏈(forwarding pointer chain)呼叫，直到找到 MT 為止。為了預防前遞指 標鏈過長，這種策略會預先定義一個 k 值，當指標的長度 等於或是超過 k 值時，MT 執行 HLR 的位置更新。區域 固定點更新的位置管理策略(local anchor strategy)[16]，其 主要概念是透過區域的定點的位置更新，來取代傳統必須 對網路中的 HLR 執行位置更新。當 MT 在預先定義的局部 區域內移動時，則只須對區域內中的代理人(agent)執行更 新動作；只有跨過預先定義的局部區域，才會執行 HLR 的更新動作。這裡的代理人即是存在 HLR 中，最後一次更 新的 VLR 位置。在呼叫程序部分，區域固定點更新的位置 管理策略可經由三個步驟找到 MT，首先網路從 HLR 中，

查詢 MT 最後一次更新的 VLR 位置，即目前 MT 所在局部 區域的代理人，再從代理人查訊 MT 所在的 VLR，最後從 VLR 中呼叫 MT。以方向為基準的位置更新策略[17]，其 主要概念是當 MT 察覺移動方向改變時，則執行位置更 新。這種位置更新策略採用了一種適用於標準六角形蜂巢 式架構的編碼方式，並以此做為行動終端設備判斷移動方 向改變與否的依據。當網路要對 MT 進行呼叫時，只要從 MT 最後一次的更新資訊中，沿著同一直線的方向進行呼 叫即可。藉由這種直線呼叫(line paging)的呼叫方式，可以 解決其他位置更新策略，採用環形呼叫可能產生過多呼叫 成本的問題。

分散式架構的位置資料庫，由於對未來的行動網路的 需求日漸增多及用戶密度日高下，在用戶位置不斷更新和 詢問的負荷對位置資料庫將非常沉重[18]，造成二層式位 置資料庫管理效能降低。文獻[12]提出的多重樹(multitree) 資料庫架構由許多資料庫子系統組成，每個子系統是一個 三層樹架構(three-level tree)並且只透過它的根連接其他子 系統。透過利用呼叫和移動性樣式的區域性特質，可有效 地降低資料庫負荷和位置更新及查詢之信號流量。

文獻[19]提出]在每一服務區域(service area)設置一個 HLR 資料庫，當 MT 移動至另一服務區域，則複製此 MT

圖 2 分散式位置管理之位置更新與查詢

位置資訊到新服務區域之 HLR 資料庫，並修改資料表查詢 之程序，以增加位置更新及查詢之效率，但是隨著服務區 域數目增加，複製 HLR 資料庫數目必定增加。文獻 [20]

在細胞中間及二個邊角各置一個中繼器(repeater)，以備援 BS 損害時，可繼續保持通訊正常，如此是線路上備援機制。

以下針對分散式位置更新及查詢分別說明：

分散式位置更新演算法：（配合圖 2 說明）

步驟一： 若 MTk由舊位置區域 VLRe移動到新位置區域 VLRd，並向新的 VLR 註冊。（虛線箭號 i）

步驟二： 新位置區域 VLR 接受 MTk的註冊後，此一訊息 沿著樹狀結構路徑由新位置區域 VLR 傳送到群 組中的 MSC（VLRc），MSC 更新 MTk在資料庫 中的資料。（虛線箭號 ii）

步驟三： 若 MTk的移動未跨越群組，位置註冊的程序就完 成。若 MTk是由另外一個群組跨越進來，除了完 成群組內的註冊外，還得到先前所在的群組的 MSC 將先前的位置記錄刪除，並且由先前群組的 MSC 發送確認訊息(acknowledgement message)返 回現在的群組的 MSC。（虛線箭號 iii）

分散式位置查詢演算法：（配合圖 2 說明）

步驟一： 在某一 VLRd管轄位置區域中的某一 MTi欲呼叫 另一個 MTj，MTi須透過 BS 發送搜尋訊號至 VLR_d。（實線箭號 1）

步驟二： 查詢 MTj所在位置的搜尋訊息，由管轄位置區域 中的 MTi之 VLRd沿著樹狀結構路徑往上至 MTi

群組的 MSC（VLRc）（實線箭號 2）。若 MTi所 屬群組的 MSC 查詢到 MTj位在同一個群組內的 某一個 VLR 內，則 MTi群組的 MSC 沿著查詢路 徑回送確認訊息給管轄位置區域中的 MTi的

VLR，如此便完成位置查詢的程序，建立連線；

反之，若 MTi所屬群組的 MSC 查詢不到 MTj的 位置時，則接續步驟三。

步驟三： 接著搜尋訊息會由 MTi所屬群組的 MSC 沿著 MSC 間的 ATM 網路 對其 他的 MSC 以群播 (multicast)方式發出搜尋 MTj的訊息（實線箭號 3），若 MTj在系統內有記錄，則系統內的一 MSC 回傳確認訊息給 MTi所屬群組的 MSC，此 MSC 會將確認訊息回傳給管轄位置區域中的 MTi的 VLRd，如此便完成位置查詢的程序，建立連線。

三、續存性分散式位置管理機制

基於對位置管理資料庫及信號流量的成本效益，須將 HLR 資料庫分散各位置區域，並加入備援機制以期當系統 崩潰或是預期有崩潰的威脅時能有效的應變及復原，使系 統作業能順利執行及使損失降至最低。為了有效降低位置 管理的整體成本必須考慮下列兩點：一是做位置更新時降 低訊息傳遞的次數，以減少網路資源的使用量，尤其是對 經常在移動的 MT。另一是做位置查詢時減少接聽通話的 等待時間，所以在建立連線的時候不希望做太多的資料庫 存取的動作，或經過太長的路徑才找到被呼叫端。

SDLM 位置管理機制是針對階層式進行改良，將現實 中的固定式 ATM 網路，用分群式(grouping)的方法做階層 化 (hierarchy) 管 理 ， 而 網 路 中 每 個 節 點 (node) 皆 為 行 動 ATM 交換機具有 HLR/VLR 功能。分群後的每個群組(group) 中選出一個節點，也就是一台 ATM 交換機做為 MSC，以 做為與其他群組交換資訊的橋樑。有別於在 GSM 標準系 統中的 MSC，除了具有與 PSTN 做交換的功能外，還新增 與其他群組的 MSC 相互以 ATM 網路連結並可以交換訊息 的功能。每個群組內除了一個選定為 MSC 的節點之外，

其他的節點都是 VLR。被選為 MSC 的節點除了做 VLR 之 外，還得兼具 HLR 的能力，管轄群組內的 VLR，利用群 組內節點的連結以 MSC 為樹根(root)建立起最小節點樹 (minimum-hops tree)，以達到群組內的 MT 做位置更新時有 較低的更新成本。本文提出具備系統續存性的備援機制，

以異地續存性行動通訊交換中心(survivable MSC; SMSC) 週期性地與各 MSC 更新備份資料，以便在做位置查詢時，

可適時的提供支援。以下針對 SDLM 位置更新及查詢分別 說明。

1. SDLM 位置更新機制

SDLM 位置更新機制採用分散式位置更新方式。當 MT 移動，而且跨越現在所在的位置區域時，MT 必須向新 的位置區域的記錄器做註冊的動作及所在群組的 MSC 做 更新的動作，並且如果有跨越群組的時候須向新的群組的 MSC 做註冊的動作，此步驟稱為位置更新。同時為了降低

圖 3 SDLM 位置管理之位置更新

註冊負載，可以先從降低除錄成本著手，利用週期性重覆 註冊的方法，即是 MT 週期性對 VLR 註冊，如果 VLR 一 定時間內沒有收到 MT 重新註冊的訊息，這個記錄就會被 刪除，如此可以省去計算除錄時的成本。

SDLM 位置更新演算法：（配合圖 3 說明）

步驟一： 若 MTj由舊位置區域 VLRold移動到新位置區域 VLR_new，並向新的 VLR 註冊。

步驟二： 新位置區域 VLR 接受 MTj的註冊後，此一訊息 沿著樹狀結構路徑由新位置區域 VLR 傳送到群 組中的 MSC（VLRc），MSC 更新 MTj在資料庫 中的資料。

步驟三： 若 MTj的移動未跨越群組，位置註冊的程序就完 成；若 MTj是由另外一個群組跨越進來，除了完 成群組內的註冊外，還得到先前所在的群組的 MSC 將先前的位置記錄刪除，並且由先前群組的 MSC 發送確認訊息返回現在的群組的 MSC。

步驟四：若是 MTj在不同群組的 VLR 間移動位置，則新 群組的 MSC 做位置更新的程序，並且在週期性 時間內自動向 SMSC 做備份的動作。

2. SDLM 位置查詢機制

當 MT 要呼叫另一個 MT 時，必須先找到被呼叫者所在的 位置，此步驟稱為位置查詢。SDLM 位置查詢機制包含群 組內查詢與具續存性備援位置查詢。演算法如下：

SDLM 位置查詢演算法：（配合圖 4 說明）

步驟一： 在某一 VLRd管轄位置區域中的某一 MTi欲呼叫 另一個 MTj，MTi須透過 BS 發送搜尋訊號至 VLR_d。

步驟二：查詢 MTj所在位置的搜尋訊息，由管轄位置區域 中的 MTi之 VLRd沿著樹狀結構路徑往上至 MTi

群組的 MSC（VLRc）。若 MTi所屬群組的 MSC 查詢到 MTj位在同一個群組內的某一個 VLR 內，則 MTi群組的 MSC 沿著查詢路徑回送確認

圖 4 具續存性備援位置查詢

訊息給管轄位置區域中的 MTi的 VLR，如此便完 成位置查詢的程序，建立連線；反之，若 MTi所 屬群組的 MSC 查詢不到 MTj的位置時，則接續 步驟三。

步驟三： 接著搜尋訊息會由 MTi所屬群組的 MSC 發出至 做異地備援的 SMSC，搜尋 MTj的位置記錄，若 MT_j在系統內有記錄，SMSC 回傳確認訊息給 MTi

所屬群組的 MSC，此 MSC 也會將確認訊息回傳 給管轄位置區域中的 MTi的 VLRd，如此便完成 位置查詢的程序，建立連線。若 SMSC 內查詢不 到 MTj的資料或是查詢到的資料是過時的，因而 造成無法找到正確位置(即 SMSC-miss)的情況，

便改由 MTi群組的 MSC 沿著 MSC 間的 ATM 網 路對其他的 MSC 以群播方式發出搜尋 MTj的訊 息，若 MTj在系統內有記錄，則系統內的一 MSC 會回傳確認訊息給 MTi所屬群組的 MSC，此 MSC 將確認訊息回傳給管轄位置區域中的 MTi的 VLR_d，如此便完成位置查詢的程序，建立連線。

當呼叫者(MTi)與被呼叫者(MT_j)不在同一個群組內，

呼叫者(MTi)所屬群組的 MSC 發出搜尋訊息至做異地備援 的 SMSC，搜尋 MTj的位置記錄，若被呼叫者(MTj)不在系 統內有記錄，代表查詢到的資料是過時，也就是在週期時 間內被呼叫者(MTj)的資料尚未更新至 SMSC，在此情形視

「週期時間」長短，以決定多播(multicast)數量多少。只會 於被呼叫者執行跨群組的 MSC 越區移交且未達更新週期 時間時，因此發生的機率很低。

(a)位置更新

(b)位置查詢

圖 5 SMSC 做分散式管理的訊息交遞圖

3. 異地備援機制

在網路拓樸中配置一個統籌管理的 SMSC，及各個群 組的 MSC 在網路負載輕時，或週期性的間隔時間向統籌 管理的 SMSC 做資料備份的動作，除了各 MSC 與 SMSC 相連之外，若擔心網路有斷線的疑慮，則各群組須有任意 一個或一個以上的節點與 SMSC 相連。若是有任何一個群 組的 MSC 遭遇災禍停機時或是發生錯誤的時候，以 SMSC 當做暫時性的 MSC 取代發生問題而停機的 MSC，若同時 發生兩個或兩個以上的 MSC 有問題時，就將出問題的 MSC 內所管轄的 VLR 全部交由 SMSC 來接管，以維持原 本正常運作的 VLR 運行，避免 MSC 出問題的群組因此全 部癱瘓；若是同一時間所有的 MSC 都無法作業，則所有 的群組皆由 SMSC 管理，如此即為集中式位置管理。

圖 5 以訊息遞交圖來說明 SMSC 訊息交遞的流程。在 圖 5(a)中，若是 MT 在群組內的 VLR 間移動位置，只須要 與同一群組的 MSC 做更新的動作；若是 MT 在不同群組 的 VLR 間移動位置，則須與新群組的 MSC 做位置更新的 程序，並且由新的 MSC 向先前的 MSC 做取消位置記錄的 程序。不管移動是否跨越群組，在週期性時間內 MSC 都 會自動向 SMSC 做備份的動作，以供查詢及備援之用。在 圖 5(b)中，發話端 MT 對系統查詢受話端 MT 的位置，若 是兩者在同一群內直接由同一群組的 MSC 即可查詢到受 話端 MT 所在的 VLR；若在不同群組，則到 SMSC 查詢。

若是在 SMSC 仍查不到，則用群播方式。

4. 位置管理成本分析

本節分析 CLM、DLM 及 SDLM 三種不同位置管理方 法的成本，推算平均每個 MT 做位置更新的成本和平均每 通要求連線通話做位置查詢的成本。位置管理的總成本可 由(1)式求得[21-22]：

C

= W

C

+ W

C

同時我們針對各種不同的位置管理方法歸納求得不同的總 成本如下：

(一) CLM 位置管理方法所需的成本

) (

2

_{, ,}

, H H

C _{u CLM} = _VLR

_HLR + _VLR

_HLR

(

2

_{, ,}

, H H

C _{q CLM} = _VLR

_HLR + _{HLR VLR}

CLM q q CLM u u

CLM W C W C

C = _, + _,

(二) DLM 位置管理方法所需的成本

) (

2

_{, ,}

, H H

C _{u DLM} = _VLR

_MSC + α _{MSC MSC}

G

H

C q , DLM =

VLR

, MSC

+ β

DLM q q DLM u u

DLM W C W C

C = _, + _,

(三) SDLM 位置管理方法所需的成本

) (

2

_{, ,}

, H H

C _{u SDLM} = _VLR

_MSC + α _{MSC MSC}

(

2

_{, ,}

, H H G

C _{q SDLM} = _VLR

_MSC

+ γ _MSC

_MSC + δ

SDLM q q SDLM u u

SDLM W C W C

C = _, + _,

針對各種不同的位置管理方法，若系統內所有 MT 的總數是

N

可由(11)式表示；若系統內所有要求連線通話的總數是

N

A

mt M u M

u

N

C

A

=

c M q M

q

N

C

A

=

表一 相關系統參數的假設值

系統假設參數 假設值

系統觀察時間 15 小時 (8:00~23:00) CMR 值 0.5,1,2,3,4,5

MT 數目（N_mt） 1,000,000

網路節點數 24

兩通電話平均間隔時間(1/λ) 1 小時 一個 MT 待在系統的平均時間 12 小時 MT 待在系統的最長時間 15 小時

MT 在 VLR 的平均停留時間 0.5,1,2,3,4,5 小時 位置更新的權重

Wu

位置查詢的權重

Wq

OGQR 0.1~0.5

圖 6 二維隨意移動模型

四、系統模擬結果及分析

1. 模擬環境

本節將用程式模擬整個系統在無線環境下所展現的 特性，來驗證所提之具續存性的分散式位置管理演算法機 制能有效降低位置管理所花費的總成本。本文以圖 4 所示 的拓樸並參考圖 6 的 MT 移動的二維隨意移動模型[2]，以 驗證本文提出的機制。二維隨意移動模型中每個正方格都 代表一個位置區域，也就是由一個位置記錄器所管轄的範 圍。假設 MT 的移動方向可隨意往上、下、左、右四個方 向移動，而且具有相同的機率 0.25。同時，呼叫行動比

圖 7 系統模擬拓樸之位置更新成本比較

圖 8 OGQR=0.3 及 OGQR=0.4 時，位置管理機制之 位置查詢成本比較

(call-to-mobility ratio; CMR)也列入考慮。假設 λ 為待接電 話的平均到達率(arrival rate)，依定義 CMR 為 MT 在一個 VLR 的平均停留時間(T_m)與接聽兩通電話之平均間隔時 間(1/λ)的比值[4]，亦即 CMR=λ×

T

其它相關的系統參數與對應的假設值如表一所示。

2. 模擬結果

針對集中式的位置管理方法，圖 4 四中 VLRq節點可 得到最低的平均更新成本及平均查詢成本，因此為了與後 面兩個分散式的位置管理機制做比較，本文選擇 VLRq節 點做為此拓樸的集中式位置管理的 HLR。

圖 7 是 MT 在每個 VLR 平均停留時間長短不同的情

表二 位置管理機制之成本比較表（數字越小表示成 本相對越低）

位置管理機制

比較項目

CLM DLM SDLM

位置更新成本 2 1 1

位置查詢成本（OGQR=0.3 時） 3 2 1 位置查詢成本（OGQR=0.4 時） 2 3 1 總成本（OGQR=0.3 時） 3 2 1 總成本（OGQR=0.4 時） 3 2 1

圖 9 不同的 OGQR 值時，位置管理機制之位置查詢 成本比較(以發話端做查詢時經過的節點數做為 單位)

況下，配合上一節的分析式(2)、(5)、(8)及(11)推算的位置 更新成本。假設平均連線時間固定，則停留在一個 VLR 時間越短的情況下，自然會移動經過較多個 VLR。每次到 新的 VLR 時勢必進行位置更新的程序，所需成本較高，然 後依停留時間的遞增，位置管理的成本則遞減，由圖中明 顯看出 CLM 的位置更新成本較 DLM 與 SDLM 高，而 SDLM 與 DLM 均以群組方式以個別的 MSC 做位置管理，

因此兩者的位置更新成本幾乎相同。

圖 8 是配合上一節的分析式(3)、(6)、(9)及(12)計算出 平 均 發 話 端 M T 建 立 一 通 連 線 所 需 的 查 詢 成 本 。 在 OGQR=0.3 時，A_q,DLM低於 Aq,CLM，但 OGQR=0.4 時 Aq,DLM

就高過 Aq,CLM。這是由於由群組外的 MT 傳呼群組內的 MT，在 DLM 下必須藉由群播的方式查詢，若是越多群組 外的 MT 傳呼，則會造成查詢成本迅速地上升，在相同 OGQR 值下，SDLM 的查詢成本均較 CLM 及 DLM 低。在 圖 9 中可以看出 DLM 在 OGQR 增加時，查詢的成本會不 斷上升甚至超過 CLM，但是 SDLM 都保持最低成本，因 為查詢異地備援的成本低於做群播的查詢成本。因 SDLM 不見得每次都會順利在 SMSC 查詢到資料，因此在圖 10 中比較 SMSC 查詢成功的機率不同時所花費的成本。

SDLM 做位置查詢的程序時，考慮其查詢成功的機率為

圖 10 OGQR=0.3 時，位置管理機制之位置查詢成本 比較(以 SMSC 不同的成功率來做比較)

圖 11 OGQR=0.3 及 OGQR=0.4 時，位置管理機制之 總成本比較

100%、70%、50%及 30%；圖中 SDLM 的查詢成本會隨著 查詢成功機率的昇高而降低，因為在 SMSC 查詢不成功的 時候，便改採群播的方式進行位置查詢，所以查詢成本就 會提高，但是仍比 CLM 和 DLM 低。

圖 11 是配合上一節的分析式(4)、(7)、及(10)計算出 在 OGQR=0.3 及 OGQR=0.4 時的位置管理的總成本。由於 先前的結果都顯示 SDLM 的位置更新及位置查詢的成本都 是最低，所以具 SMSC 的分散式管理機制的總成本，確實 能降低位置管理成本。

若考慮二維隨意移動模型，在 CLM 中，若 HLR 是放 置在拓樸中央，位置管理機制的位置查詢成本、更新成本、

總成本及不同的 OGQR 值比較圖其結果類似圖 7~圖 11。

模擬驗證 SDLM 仍是優於 CLM 和 DLM，且適合應用在 WATM 階層式的網路環境下。

3. 結果分析與比較

經由模擬結果的驗證，由圖 7 看出 DLM 不論在預設 的拓樸或是在二維隨意移動模型中，對 MT 進行位置更新 時都會比 CLM 有效降低成本，這是因為分散式位置更新

的時候不須到拓樸中央的 HLR 做位置更新的程序，只要向 群組內的 MSC 做位置更新，則位置更新所需的成本較少。

因此在位置更新時，採用 DLM 可以有效降低位置更新的 成本，對於降低位置管理的總成本是有助益的。

在位置更新時，DLM 可以獲得較優異的效能，但是 在位置查詢的時候就因為受話端所在位置的不確定，使得 查詢受話端位置的成本會因為發話端與受話端是否同屬一 個群組而差異甚大，所以藉由調整 OGQR 看出其差異。由 圖 8 看出，在 OGQR=0.3 時，DLM 位置查詢的成本比 CLM 位置查詢低。但是在

OGQR=0.4 時，DLM 位置查詢的成

而 SDLM 藉由 SMSC 的輔助可以獲得比 CLM 及 DLM 更 低的查詢成本，且查詢成本不會因 OGQR 不同的影響而高 過 CLM，這點可由圖 9 看出。

由於 DLM 在進行位置更新的時候成本較 CLM 低很 多，所以在位置查詢的時候，DLM 會因 OGQR 不同而稍 微高過 CLM，不過 DLM 的總成本還是會低於 CLM，而 SDLM 因為位置更新成本及位置查詢成本均是最低的，所 以在圖 11 中可以看出總成本最低的是 SDLM，其次是 DLM，最後才是 CLM。

經整理圖 7、圖 8、圖 10 及圖 11，得表二之位置管理 機制之成本比較表，以說明本文提出之 SDLM 在成本上較 CLM、DLM 低。

五、結 論

本文所提出具續存性的分散式資料庫之位置管理機 制，可解決在 CLM 花費較高的位置更新成本，以及 DLM 可能發生傳呼時連線時間過長的問題。經由各種拓樸模擬 出來的結果，SDLM 皆優於 CLM 及 DLM，如此驗證所提 出的位置管理機制在無線 ATM 環境下，可以獲得較優異 的結果。DLM 原本在位置更新的成本上較佔優勢，然而在 系統傳呼上，卻有著先天上的弱勢，在部分的情形下傳呼 成本會遠高於集中式管理。本文所提出的 SDLM 除了在位 置更新上佔優勢，並用異地備援輔助系統傳呼的方式改良 系統傳呼的劣勢。

在未來的機制改良上，建議可以朝位置更新時的除錄 動作做改良。藉由對除錄程序的簡化或改良以降低更新的 成本，以及在系統傳呼上可以用快取記憶(cache)的方式將 呼叫過的 MT 位置加以記錄供群組內其他用戶查詢之用。

誌 謝

承蒙 行政院國科會 補助本研究部 分經費 (NSC 91- 2213-E-011-077)，特此致謝。

符號索引

C

M 位置管理方法所需的全部成本

其中

x ∈ {u, q} ， M ∈ {CLM, DLM, SDLM} ， u 是

C

M 位置管理方法進行 x 程序所需的成本

G 群組的個數(即 MSC 的個數)

H

VLR

VLR

VLR

W

x 程序的權重。因不同的程序其訊息長度、

網路負載、資料庫存取的次數、及資料庫處理的 複雜度也都不同，所以不同程序各有對應的成本 比值

α

α

α

β

β

β

γ

援查詢到位置則

γ

γ

δ 若受話端的 MT 不在同一群組內，又無法經由異 地備援查詢到正確位置，以群播方式來查詢則δ

=1，否則δ=0

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2003 年 11 月 05 日 收稿

2004 年 02 月 10 日 初審

2004 年 04 月 26 日 複審

2004 年 06 月 25 日 接受