CN101351020B - 移动通信系统中实现移动台位置管理的系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种移动通信系统中实现移动台位置管理的系统及方法，系统包括设置于移动台侧的位置更新子系统、蜂窝网络侧的位置管理子系统和寻呼控制子系统，移动台侧的位置更新子系统中的收发装置通过无线数据链路与蜂窝网络侧的位置管理子系统和寻呼控制子系统相连接。方法包括业务外位置更新操作过程、业务中位置报告操作过程和蜂窝网络寻呼控制操作过程。采用该种移动通信系统中实现移动台位置管理的系统及方法，联合使用业务外和业务中位置信息进行更加准确的预测，减少移动台和网络位置信息交互，提高了网络有效利用率；共享了业务外和业务中移动台位置信息，较之现有技术和传统基于路径的位置管理方法提高了性能，降低了位置更新和寻呼成本。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信领域，特别涉及移动通信系统中移动台定位技术领域，具体是指一种移动通信系统中实现移动台位置管理的系统及其方法。
背景技术
在无线通信网络中，如何跟踪定位用户的位置是一个重要的问题。由于用户能在网络覆盖的区域内自由移动，为了随时能与用户建立通信，网络首先需要知道该用户的位置，因此对用户当前位置信息的管理是非常重要的。
在当前的蜂窝网络中，位置管理(Location Management，LM)通常分为两个部分：寻呼(paging)和位置区更新(location updating)/路由区更新(routing area updating)。网络使用寻呼来定位移动台(mobile station，MS)，由于当前位置管理技术中，位置区/路由区是网络能确定移动台位置的最小区域，网络必须在移动台所在位置区/路由区中的所有小区(cell)内发送寻呼消息，如果寻呼成功，移动台将向某个小区的基站发送一个寻呼响应消息，从而网络就能确定移动台的位置，之后可以建立通信连接；而位置区/路由区更新是移动台所在的位置区/路由区发生改变时，主动向网络报告当前的位置信息，来降低寻呼成本和减少延时。
请参阅图1所示，其是现有技术在UMTS网络中实现路由区更新的示意图。在UMTS网络中，整个网络被划分成许多较小的逻辑区域，称为路由区(routing area)，一个路由区又被划分成多个小区。每个小区中基站(base station，BS)将周期性广播其所属路由区的标识RAI(routing area identifier)，当移动台检测到广播的路由区标识与之前存储的不同时，即移动台进入了新的路由区，一方面移动台更新其内部保存的位置信息；另一方面移动台触发路由区更新过程，向网络发送路由区更新请求，网络收到后将响应该请求，同时进行蜂窝网络侧的相关更新，从而网络能时刻掌握移动台的位置。其他无线蜂窝网络(如，GSM)中也有类似的操作。
虽然不同网络中逻辑位置区的叫法各不相同，但含义基本相近，为了叙述方便，以下统称为位置区。
这样，当前的寻呼和位置更新技术将大量消耗本来就匮乏的无线网络资源，另外由于移动台必需经常发送或接收信号，也将消耗移动台的功率，减少使用时间。在当前的技术中，为了减少寻呼成本，需要缩小位置区的大小，当一个位置区仅包含一个小区时，成本最小，只需在一个小区中进行寻呼；同时，当位置区不断缩小时，由于用户的移动性，进出位置区的次数将不断增加，位置更新的成本也将随之增加。为了解决这一问题，已经提出了多种位置管理技术，如基于路径的位置管理。如果用户的位置能提前被预测，那么就不需要显式的位置更新，并且最优的位置区是单一小区，使得寻呼成本最小。
另一方面，在实际的生活工作中，绝大多数用户的活动都是有规律的，一般有一条或多条路径，如家→公司→家、家→学校→家等。每个用户的移动模式(mobility pattern)是其运动路径的反应，移动模式的重复特性暗示了m阶马尔可夫信源产生的符号序列的稳定性，任何时刻信源符号发生的概率只与前面发生过的若干个符号有关。通过对用户运动历史的观察研究，当移动模式重现时，就能预测用户当前的位置。移动预测方法来源于优化的数据压缩算法，在数据压缩中，数据集(如文本文件，图像)被分解成一串符号序列，并使用尽可能少的位编码。可见，短的码字被认为该事件发生的可能性就大，而长的码字被认为该事件发生的可能性就小，因此，好的数据压缩器也是好的预测器。
同时，随着微处理技术的不断发展，移动台的处理能力变得非常强大，很多处理都能放在移动台中去做。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种能够联合利用业务外和业务中的位置信息形成移动台历史运动路径来对移动台进行位置管理、能够实现更加准确的位置预测、减少移动台和蜂窝网络位置信息的交互、有效提高网络利用率的移动通信系统中实现移动台位置管理的系统及其方法。
为了实现上述的目的，本发明的移动通信系统中实现移动台位置管理的系统及其方法如下：
该移动通信系统中实现移动台位置管理的系统，其主要特点是，所述的系统包括设置于移动台侧的位置更新子系统、蜂窝网络侧的位置管理子系统和寻呼控制子系统，所述的移动台侧的位置更新子系统包括收发装置、业务外位置更新子系统、业务中位置报告子系统和位置更新请求装置，所述的位置更新请求装置分别与收发装置、业务外位置更新子系统、业务中位置报告子系统相连接，所述的收发装置与业务外位置更新子系统相连接；所述的收发装置通过无线数据链路分别与蜂窝网络侧的位置管理子系统和寻呼控制子系统相连接。
该移动通信系统中实现移动台位置管理的系统的移动台侧的业务外位置更新子系统包括当前位置确定装置、当前路径存储装置、路径序列比较装置、历史路径序列存储数据库，所述的移动台侧的业务中位置报告子系统包括业务中位置信息报告判决装置，所述的收发装置依次通过所述的当前位置确定装置、当前路径存储装置、路径序列比较装置与历史路径序列存储数据库相连接，所述的位置更新请求装置分别与路径序列比较装置、业务中位置信息报告判决装置和收发装置相连接。
该移动通信系统中实现移动台位置管理的系统的蜂窝网络侧的位置管理子系统包括位置信息收发装置、位置更新装置、路径信息提取装置、历史路径信息存储数据库，所述的位置信息收发装置依次通过所述的位置更新装置、路径信息提取装置、历史路径信息存储数据库与所述的寻呼控制子系统相连接，所述的位置信息收发装置通过无线数据链路与移动台的收发装置相连接。
该移动通信系统中实现移动台位置管理的系统的蜂窝网络侧的寻呼控制子系统包括移动台位置预测装置、寻呼控制装置、寻呼信息收发装置，所述的寻呼信息收发装置依次通过所述的寻呼控制装置、移动台位置预测装置与所述的历史路径信息存储数据库相连接，所述的寻呼信息收发装置通过无线数据链路与移动台的收发装置相连接。
该利用上述的系统实现移动通信系统中移动台位置管理的方法，包括业务外位置更新操作过程、业务中位置报告操作过程和蜂窝网络寻呼控制操作过程，其主要特点是，所述的业务外位置更新操作过程包括以下步骤：
(1)移动台在业务外的移动过程中通过收发装置持续接收蜂窝网络的广播信息；
(2)所述的业务外位置更新子系统根据该广播信息判断是否需要进行位置更新；
(3)如果不需要，则返回上述步骤(1)；如果需要，则将更新请求送至位置更新请求装置；
(4)位置更新请求装置根据该更新请求进行常规的位置更新过程；
(5)业务外位置更新子系统对当前路径序列信息进行数据压缩，并将包含该当前路径序列信息的位置更新请求通过收发装置发给蜂窝网络；
(6)蜂窝网络侧的位置管理子系统接收移动台的位置更新请求，并进行蜂窝网络侧位置更新过程和移动台历史路径信息更新过程；
(7)位置更新成功后，移动台更新历史路径序列信息；
所述的业务中位置报告操作过程包括以下步骤：
(1)移动台在业务过程中进行当前路径信息存储操作；
(2)移动台在业务过程中，业务中位置报告子系统指示位置更新请求装置进行位置报告；
(3)对当前路径序列信息进行数据压缩，并将包含该当前路径序列信息的位置信息报告通过收发装置发给蜂窝网络；
(4)蜂窝网络侧的位置管理子系统接收移动台的位置信息报告，并进行蜂窝网络侧位置更新过程和移动台历史路径信息更新过程；
(5)位置报告成功后，移动台更新历史路径序列信息；
所述的寻呼控制子系统包括移动台位置预测装置、寻呼控制装置、寻呼信息收发装置，所述的蜂窝网络寻呼控制操作过程包括以下步骤：
(1)所述的位置预测装置获取移动台历史路径信息，并根据部分匹配预测算法对移动台的位置进行预测，得到相应蜂窝小区的预测概率信息；
(2)所述的寻呼控制装置对所述的预测概率信息进行排序，并控制寻呼信息收发装置在概率最大的蜂窝小区中发出寻呼请求；
(3)如果该蜂窝小区中的寻呼信息收发装置收到移动台的响应消息，则寻呼成功，寻呼过程结束；反之则寻呼控制装置控制寻呼信息收发装置继续在概率次大的小区中发出寻呼请求；
(4)重复前一步骤，直到寻呼信息收发装置收到移动台的响应消息，则寻呼成功，寻呼过程结束。
该实现移动通信系统中移动台位置管理的方法中的移动台侧的业务外位置更新子系统包括当前位置确定装置、当前路径存储装置、路径序列比较装置、历史路径序列存储数据库，所述的业务外位置更新子系统根据广播信息判断是否需要进行位置更新包括以下步骤：
(1)所述的当前位置确定装置根据接收到的广播信息判断移动台所在的小区是否与存储的小区位置信息相同；
(2)如果不同，则当前位置确定装置存储当前的小区位置信息，同时将移动台位置改变信息送至所述的当前路径存储装置；
(3)所述的当前路径存储装置根据收到的移动台位置改变信息，将移动台新的小区位置信息存储到所述当前路径序列中，并将移动台当前路径序列送至所述的路径序列比较装置；
(4)所述的路径序列比较装置将接收到的移动台当前路径序列与该移动台的历史路径序列进行比较；
(5)如果历史路径序列中包含当前路径序列，则返回不需要进行位置更新的结果；如果历史路径序中不包含该当前路径序列，则返回需要进行位置更新的结果。
该实现移动通信系统中移动台位置管理的方法中的移动台更新历史路径序列信息包括以下步骤：
(1)移动台把当前路径序列更新到所述的历史路径序列存储数据库中；
(2)删除所述的当前路径存储装置中的当前路径序列信息。
该实现移动通信系统中移动台位置管理的方法中的蜂窝网络侧的位置管理子系统包括位置信息收发装置、位置更新装置、路径信息提取装置、历史路径信息存储数据库，所述的位置管理子系统接收移动台的位置更新请求并进行蜂窝网络侧位置更新过程和移动台历史路径信息更新过程包括以下步骤：
(1)所述的位置信息收发装置接收移动台的位置更新请求，并送至所述的位置更新装置；
(2)所述的位置更新装置进行常规的蜂窝网络侧更新，并通过位置信息收发装置对移动台进行响应；
(3)所述的路径信息提取装置从所述的位置更新请求中提取出移动台的当前路径序列信息，并将该当前路径序列信息更新到所述的历史路径信息存储数据库中。
该实现移动通信系统中移动台位置管理的方法中的蜂窝网络侧的位置管理子系统包括位置信息收发装置、位置更新装置、路径信息提取装置、历史路径信息存储数据库，所述的位置管理子系统接收移动台的位置信息报告并进行蜂窝网络侧位置更新过程包括以下步骤：
(1)所述的位置信息收发装置接收移动台的位置信息报告，并送至所述的位置更新装置；
(2)所述的位置更新装置进行常规的蜂窝网络侧更新；
(3)所述的路径信息提取装置从所述的位置信息报告中提取出移动台的当前路径序列信息，并将该当前路径序列信息更新到所述的历史路径信息存储数据库中。
该实现移动通信系统中移动台位置管理的方法中的业务外位置更新子系统包括当前位置确定装置、当前路径存储装置、路径序列比较装置、历史路径序列存储数据库，所述的移动台在业务过程中进行当前路径信息存储操作包括以下步骤：
(1)所述的收发装置持续接收移动台当前小区位置信息，并送至所述的当前位置确定装置；
(2)所述的当前位置确定装置根据接收到的当前小区位置信息判断移动台所在的小区是否与存储的小区位置信息相同；
(3)如果不同，则当前位置确定装置存储当前的小区位置信息，同时将移动台位置改变信息送至所述的当前路径存储装置；
(4)所述的当前路径存储装置根据收到的移动台位置改变信息，将移动台新的小区位置信息持续存储到所述当前路径序列中。
该实现移动通信系统中移动台位置管理的方法中的业务中位置报告子系统包括业务中位置信息报告判决装置，所述的业务中位置报告子系统指示位置更新请求装置进行位置报告为：
所述的业务中位置信息报告判决装置指示位置更新请求装置需要进行业务中位置报告操作。
采用了该发明的移动通信系统中实现移动台位置管理的系统及其方法，由于其根据移动台历史运动路径来对移动台进行位置管理，并联合使用了out-of-session和in-session的位置信息，从而能够进行更加准确的预测，进而减少了移动台(MS)和网络位置信息的交互，提高了网络的有效利用率；同时，本发明是在更加现实的假定条件下提出的一种基于路径的位置管理方法和系统，共享了业务外和业务中的移动台位置信息，与现有技术的位置管理方法相比大大提高了性能，降低了位置更新和寻呼的成本。
附图说明
图1为现有技术在UMTS网络中路由区更新的示意图。
图2为本发明的移动通信系统中实现移动台位置管理的系统在移动台侧的功能模块示意图。
图3为本发明的移动通信系统中实现移动台位置管理的系统在蜂窝网络侧的功能模块示意图。
图4为本发明的真实网络环境的拓扑结构模型。
图5为本发明中根据L-Z数据压缩算法将字符串分解后形成的概率模型树。
图6为本发明中根据移动预测方案对移动台运动路径序列解析后形成的概率模型树。
图7a、7b分别为本发明中的概率模型树的指针数组和链表的实现方案示意图。
图8a、8b、8c分别为现有技术的方法、传统基于路径的方法和根据本发明的方法进行位置管理的过程示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
首先，在本发明中，业务外(out-of-session)是指上次业务结束到下次业务开始这段时间，移动台处于空闲状态；业务中(in-session)是指一次业务过程中的这段时间，移动台处于连接状态。
请参阅图2所示，该移动通信系统中实现移动台位置管理的系统，包括设置于移动台侧的位置更新子系统、蜂窝网络侧的位置管理子系统和寻呼控制子系统，所述移动台侧的位置更新子系统包括收发装置100、业务外位置更新子系统、业务中位置报告子系统和位置更新请求装置105，所述的位置更新请求装置105分别与收发装置100、业务外位置更新子系统、业务中位置报告子系统相连接，所述的收发装置100与业务外位置更新子系统相连接；所述的收发装置100通过无线数据链路分别与蜂窝网络侧的位置管理子系统和寻呼控制子系统相连接。
其中，该业务外位置更新子系统包括当前位置确定装置101、当前路径存储装置102、路径序列比较装置103、历史路径序列存储数据库104，所述的业务中位置报告子系统包括业务中位置信息报告判决装置106，所述的收发装置100依次通过所述的当前位置确定装置101、当前路径存储装置102、路径序列比较装置103与历史路径序列存储数据库104相连接，所述的位置更新请求装置105分别与路径序列比较装置103、业务中位置信息报告判决装置106和收发装置100相连接。
同时，请参阅图3所示，该移动通信系统中实现移动台位置管理的系统的蜂窝网络侧的位置管理子系统包括位置信息收发装置201、位置更新装置202、路径信息提取装置203、历史路径信息存储数据库204，所述的位置信息收发装置201依次通过所述的位置更新装置202、路径信息提取装置203、历史路径信息存储数据库204与所述的寻呼控制子系统相连接，所述的位置信息收发装置201通过无线数据链路与移动台的收发装置100相连接；该寻呼控制子系统包括移动台位置预测装置213、寻呼控制装置212、寻呼信息收发装置211，所述的寻呼信息收发装置211依次通过所述的寻呼控制装置212、移动台位置预测装置213与所述的历史路径信息存储数据库204相连接，所述的寻呼信息收发装置211通过无线数据链路与移动台的收发装置100相连接。
在实际应用当中，本发明的系统中，移动台侧的位置更新装置具有业务外(out-of-session)位置更新和业务中(in-session)位置报告功能，所包括的装置的相应功能如下：
(1)收发装置100，用于接收网络的广播信息(位置信息)及收发与网络的之间的位置管理信息(发送请求，接收响应等)；
(2)当前位置确定装置101，根据接收到的广播信息来确定当前移动台的位置，并获取位置信息；
(3)当前路径存储装置102，用于保存移动台当前运动路径信息(访问过的小区序列)，在每次与网络位置管理成功之后，都要把之前存储的路径信息更新到历史路径序列存储数据库104中，并删除自己保存的路径信息；
(4)路径序列比较装置103，用于比较当前路径存储装置102中保存的路径信息在历史路径序列存储数据库104中是否存在，如果不存在，则说明该路径为新路径，需要进行位置更新过程；
(5)历史路径序列存储数据库104，该数据库中存储该用户所有历史路径序列信息；
(6)位置更新请求装置105，在需要进行位置更新的情况下，创建相应的请求消息(包含当前的路径信息)，并指定收发装置发送该请求，进行正常的位置更新过程；
(7)业务中位置信息报告判决装置106，由于业务中的移动信息对移动预测方案是非常重要的，因此in-session的移动信息也需要发送给网络，该装置用于判断是否要进行in-session位置信息报告过程，如果需要，则指令位置更新请求装置105进行位置信息报告。
另外，蜂窝网络侧的位置管理分为位置管理和寻呼控制两个部分，所包括的装置的相应功能如下：
(1)位置信息收发装置201，用于与MS之间位置管理信息的收发；
(2)位置更新装置202，用于进行正常的位置更新过程，并根据移动台的位置进行蜂窝网络侧相关信息的更新；
(3)路径信息提取装置203，用于获取移动台位置管理消息中包含的路径信息；
(4)历史路径信息存储数据库204，存储网络中每个移动台的历史路径信息，为了有效利用存储空间，需要对存储的移动台路径长度设置上限；
(5)位置预测装置213，根据移动台的历史路径信息，对移动台目前所在的小区进行预测，并给出相应的概率分布；
(6)寻呼控制装置212，根据预测的结果，控制寻呼收发装置211依次在概率由大到小的小区中发送寻呼消息，直到网络收到移动台的响应；
(7)寻呼收发装置211，发送网络寻呼消息，和接收移动台的响应。
本发明的方法的基本思想如下：
移动台保存其运动路径信息，根据Lempel-Ziv数据压缩算法把其历史路径分解成一系列路径序列，并在位置更新或正常业务过程中把当前路径序列信息发送给网络，网络获取了该移动台的历史路径信息后，根据部分匹配预测(PPM，the Prediction by Partial Matching)算法就能预测移动台之后将要进入的小区，那么在寻呼时只需要在该小区发出寻呼请求，从而降低位置更新和寻呼成本。
基于以上思想，本发明中利用上述的系统实现移动通信系统中移动台位置管理的方法，包括业务外位置更新操作过程、业务中位置报告操作过程和蜂窝网络寻呼控制操作过程，其中，所述的业务外位置更新操作过程包括以下步骤：
(1)移动台在业务外的移动过程中通过收发装置100持续接收蜂窝网络的广播信息；
(2)所述的业务外位置更新子系统根据该广播信息判断是否需要进行位置更新，包括以下步骤：
(a)所述的当前位置确定装置101根据接收到的广播信息判断移动台所在的小区是否与存储的小区位置信息相同；
(b)如果不同，则当前位置确定装置101存储当前的小区位置信息，同时将移动台位置改变信息送至所述的当前路径存储装置102；
(c)所述的当前路径存储装置102根据收到的移动台位置改变信息，将移动台新的小区位置信息存储到所述当前路径序列中，并将移动台当前路径序列送至所述的路径序列比较装置103；
(d)所述的路径序列比较装置103将接收到的移动台当前路径序列与该移动台的历史路径序列进行比较；
(e)如果历史路径序中包含当前路径序列，则返回不需要进行位置更新的结果；如果历史路径序中不包含该当前路径序列，则返回需要进行位置更新的结果；
(3)如果不需要，则返回上述步骤(1)；如果需要，则将更新请求送至位置更新请求装置105；
(4)位置更新请求装置105根据该更新请求进行常规的位置更新过程；
(5)位置更新请求装置105对当前路径序列信息进行数据压缩，并将包含该当前路径序列信息的位置更新请求通过收发装置100发给蜂窝网络；
(6)蜂窝网络侧的位置管理子系统接收移动台的位置更新请求，并进行蜂窝网络侧位置更新过程和移动台历史路径信息更新过程，包括以下步骤：
(a)所述的位置信息收发装置201接收移动台的位置更新请求，并送至所述的位置更新装置202；
(b)所述的位置更新装置202进行常规的蜂窝网络侧更新，并通过位置信息收发装置201对移动台进行响应；
(c)所述的路径信息提取装置203从所述的位置更新请求中提取出移动台的当前路径序列信息，并将该当前路径序列信息更新到所述的历史路径信息存储数据库204中；
(7)位置更新成功后，移动台更新历史路径序列信息，包括以下步骤：
(a)移动台把当前路径序列更新到所述的历史路径序列存储数据库104中；
(b)删除所述的当前路径存储装置102中的当前路径序列信息；
所述的业务中位置报告操作过程包括以下步骤：
(1)移动台在业务过程中进行当前路径信息存储操作，包括以下步骤：
(a)所述的收发装置100持续接收移动台当前小区位置信息，并送至所述的当前位置确定装置101；
(b)所述的当前位置确定装置101根据接收到的当前小区位置信息判断移动台所在的小区是否与存储的小区位置信息相同；
(c)如果不同，则当前位置确定装置101存储当前的小区位置信息，同时将移动台位置改变信息送至所述的当前路径存储装置102；
(d)所述的当前路径存储装置102根据收到的移动台位置改变信息，将移动台新的小区位置信息持续存储到所述当前路径序列中；
(2)移动台在业务过程中，业务中位置报告子系统指示位置更新请求装置105进行位置报告，该操作为：
所述的业务中位置信息报告判决装置106指示位置更新请求装置105需要进行业务中位置报告操作；
(3)位置更新请求装置105对当前路径序列信息进行数据压缩，并将包含该当前路径序列信息的位置更新请求通过收发装置100发给蜂窝网络；
(4)蜂窝网络侧的位置管理子系统接收移动台的位置信息报告，并进行蜂窝网络侧位置更新过程和移动台历史路径信息更新过程，包括以下步骤：
(a)所述的位置信息收发装置201接收移动台的位置信息报告，并送至所述的位置更新装置202；
(b)所述的位置更新装置202进行常规的蜂窝网络侧更新；
(c)所述的路径信息提取装置203从所述的位置信息报告中提取出移动台的当前路径序列信息，并将该当前路径序列信息更新到所述的历史路径信息存储数据库204中；
(5)位置报告成功后，移动台更新历史路径序列信息，包括以下步骤：
(a)移动台把当前路径序列更新到所述的历史路径序列存储数据库104中；
(b)删除所述的当前路径存储装置102中的当前路径序列信息；
所述的蜂窝网络寻呼控制操作过程包括以下步骤：
(1)所述的位置预测装置213获取移动台历史路径信息，并根据部分匹配预测算法对移动台的位置进行预测，得到相应蜂窝小区的预测概率信息；
(2)所述的寻呼控制装置212对所述的预测概率信息进行排序，并控制寻呼信息收发装置211在概率最大的蜂窝小区中发出寻呼请求；
(3)如果该蜂窝小区中的寻呼信息收发装置211收到移动台的响应消息，则寻呼成功，寻呼过程结束；反之则寻呼控制装置212控制寻呼信息收发装置211继续在概率次大的小区中发出寻呼请求；
(4)重复前一步骤，直到寻呼信息收发装置211收到移动台的响应消息，则寻呼成功，寻呼过程结束。
在实际应用当中，本发明使用了更加现实的模型、数据压缩算法和移动预测算法，下面对这些技术作简单的介绍：
(1)网络拓扑结构：在之前的研究中使用了图形模型，如六边形、正方形小区，但这些并不能代表真实的蜂窝网络，真实情况下，小区的形状和大小随着天线的发射模式和无线传播环境的不同而各不相同。本发明使用通用的图形来建模真实的网络环境，模型如下：
G＝(V，E)；
其中，顶点集V表示基站的集合，这里假设每个基站控制单一小区；边缘集E表示相邻的小区对，另外在网络中没有假设位置区。
请参阅图4所示，其中是这种网络模型的一个例子，其中：
V＝{a，b，c，...，1}；
E＝{(a，b)，(a，e)，...，(k，1)}。
(2)信道占用时间和小区占据时间：信道占用时间，在给定的小区中，一次业务连接占用信道的时间。小区占据时间：移动用户待在该小区中的总时间。一些研究中假定这两种时间服从几何或指数分布，并且在所有小区中是相互独立的，然而在真实网络中这两种时间并不是总是服从上述分布的，因此可以假定它们服从一般分布。
(3)用户移动模型：对称随机行走模型被广泛应用于个体运动特征的研究中，在该模型中，移动用户离开当前小区进入相邻小区的概率是相同的。在蜂窝网络中，用户的移动性可以用一个符号序列表示，如C1，C2，C3，...，其中，Ci表示移动台当前所在小区的标识。由于用户常常带有目的移动的，因此用户之后的位置通常与他的运动历史有关。在本发明的模型中，假定符号序列C1，C2，C3，...有m阶马尔可夫信源产生，用户进入特定小区的概率与当前所处小区的位置或最近访问小区有关。
(4)数据压缩算法：基于字符的Lempel-Ziv数据压缩算法，这种算法理论上是最优的，并且实现方便。该算法把字符串以某种方式分解成各不相同的子串x1，x2，...，xn，这些子串具有以下性质：当j≥1时，子串xj去掉最后一个字符将与之前的某个子串xi相同，其中0≤i<j。此算法能形成概率模型或“树”(trie)，这个模型能给算术编码器提供概率信息，该编码器编码一个概率为p的序列需要log2(1/p)＝-log2(p)比特。下面用一个例子来说明该算法。
例1：为了方便，假定字母表为{a，b，c}，输入字符串为“abcabababcabcab...”，L-Z编码器把该字符串被分解成“(a)(b)(c)(ab)(aba)(bc)(abc)(ab...)”，这些子串能形成如图5所示的树，这是棵多叉树，从根节点到任何节点的路径都表示一个子串。在这些子串中有4个以a开头，2个以b开头，1个以c开头，那么在根节点下a的概率为4/7，b的概率为2/7，c的概率为1/7；类似的，在4个以a开头的子串中，3个以ab开头，则在{a，4}节点ab的概率为3/4，以此类推可得出所有的概率信息。任何从根节点到叶节点序列经过的概率分别为p1，p2，p3，...，且Пipi＝1/7，编码器需要1o927个比特编码该序列。
(5)移动预测方案：移动预测方案与部分匹配预测(PPM，the Prediction by PartialMatching)数据压缩算法相似，PPM算法的基本原理是马尔可夫预测器，信源的前m个不同的序列值决定了下一个时刻发送某个符号的概率。为了使PPM算法很好的运行，需要维护所有0，1，...，m阶的上下文，树被用来把所有上下文合并到一个单一数据结构中，网络的移动数据库包含每个移动台的这样的一棵移动性树，这棵树同样也是一个概率模型并与L-Z算法的相似，以下给出了移动预测方案的伪代码：
wait for a sequence s
if(the mobility trie of the mobile exists)
add sequence s to the mobility trie
increase the frequencies for every prefix of
sequence s
in the mobility trie
else
create a mobility trie:＝single sequence s
initialize the frequencies for every prefix of
sequence s
n the mobility trie:＝1
calculate the probabilities of possible location of the
mobile
下面举例来说明该预测方案是如何工作的：
例2：假定移动台访问过的小区序列是“abcabababcabcab...”，与例1相同。
移动台把“压缩的”小区序列发送给网络(注意移动台最后访问的两个小区“ab”没有发送到网络)，最后在网络端形成如图6所示的树，预测器根据MS最后访问的三个小区“abc”来预测移动台目前所在小区的概率。根据图6中的概率树模型，使用0，1，2阶来评估概率的分布：
第一、2阶预测中，路径“bc”后只有子节点“a”，设置P2a＝1，P2b＝0，P2c＝0；
第二、1阶预测中，在路径＂c＂后只有子节点＂a＂，设置P1a＝1，P1b＝0，P1c＝0；
最后、0阶预测中，从根开始，显而易见，P0a＝5/13，P0b＝5/13，P0c＝3/13。
假设加权向量为W＝{W0，W1，W2}，则加权后概率为：
Pa＝W2×P2a+W1×P1a+W0×P0a
Pb＝W2×P2b+W1×P1b+W0×P0b
Pc＝W2×P2c+W1×P1c+W0×P0c
权值可以是固定值或者自适应值，根据PPM算法有多种不同方法确定权值。
(6)实现考虑：移动预测方案需要维护一棵概率统计树，一个重要的问题是这个模型如何实现，有许多方法来实现这个树，图7给出了实现方法的例子。一个简单的方法是为树中的每个节点创建一个指针数组，每个字符有一个计数器和一个指针，如图7a所示，这种方法浪费了大量的存储空间，尤其是当一些字符很少使用时；另一个可选的方法是每个节点使用链表，如图7b所示，在链表中每个节点仅需要两个指针(一个指向子节点，一个指向兄弟节点)，一个计数器和一个字符，这个结构使用11个字节(每个指针4字节，计数器2字节，字符1字节)，链表的方法能提高存储器的使用率，但会增加处理复杂度。树同样也可以用哈希表实现，详细说明可参考算法和数据结构的书。
在实现时，为了减少存储器使用空间和计算复杂度，需要限制该数据结构的大小，有多种可选方法，最简单的就是设置该结构的上限M，当到达这个上限时，该结构被刷新和重建；另外最新最少使用(LRU，least-recently-used)策略可更加有效的控制该结构的大小。
本领域的技术人员将能够理解上面所述的概念、模型和算法。
在图2中，其是移动台进行位置管理的系统的功能框图，其中，移动台侧位置更新分为out-of-session位置更新和in-session位置报告两个部分。移动台具有一个收发装置100，一个当前位置确定装置101，一个当前路径存储装置102，一个路径序列比较装置103，一个历史路径序列存储数据库104，一个位置更新请求装置105，和一个in-session位置信息报告判决装置106。其中，当前路径存储装置102、路径序列比较装置103和历史路径序列存储数据库104实现了上面所述L-Z数据压缩算法的功能。
图3是网络进行位置管理和寻呼控制的系统的功能框图，其中，网络包括一个位置信息收发装置201，一个位置更新装置202，一个路径信息提取装置203，一个历史路径信息存储数据库204，一个寻呼收发装置211，一个寻呼控制装置212，一个位置预测装置213。其中，历史路径信息存储数据库204和位置预测装置213实现了上面所述移动预测功能。
业务外位置更新过程如下：
(1)移动台在移动过程中，收发装置100不断接收网络的广播信息；
(2)当前位置确定装置101根据接收到的广播信息判断移动台所处的位置，即移动台所在的小区，如果与之前存储的位置信息相同，则移动台位置没有改变；如果不同，则表示移动台离开了之前的小区进入了新小区，当前位置确定装置101存储当前的位置信息，同时指示当前路径存储装置102移动台位置发生改变；
(3)当前路径存储装置102收到移动台位置改变指示后，存储移动台新的位置信息到当前路径序列中，并向路径序列比较装置103指示移动台当前路径发生改变；
(4)路径序列比较装置103把当前的路径序列与该移动台的历史路径序列进行比较，如果历史路径序中包含当前路径序列，则不需要进行位置更新，返回到上述(1)；如果历史路径序中没有该路径序列，移动台进入了新的路径，则需要进行位置更新，指示位置更新请求装置105进行位置更新，继续下面的步骤；
(5)位置更新请求装置105收到更新请求后，进行正常的位置更新过程，同时将压缩的当前的路径序列通过收发装置100发给网络；
(6)网络的位置信息收发装置201收到移动台的位置更新请求之后，指示位置更新装置202进行正常的蜂窝网络侧更新，并对移动台进行响应，本领域的技术人员将能够理解正常的位置更新过程；
(7)路径信息提取装置203从收到的位置信息提取出该移动台的当前路径序列信息，并将该序列更新到历史路径信息存储数据库204中；
(8)位置更新成功后，移动台把当前路径序列更新到历史路径序列存储数据库104中，同时删除当前路径存储装置102中的路径信息。
业务中位置报告过程如下：
(1)在移动台通信过程中，收发装置100、当前位置确定装置101和当前路径存储装置102都将正常工作，从上次位置更新或in-session位置报告后，移动台所经过的路径都会保存在当前路径存储装置102中；
(2)移动台正常业务过程中(一般在结束前)，in-session位置信息报告判决装置106指示需要进行in-session位置报告过程；
(3)位置更新请求装置105收到指示后，通过收发装置100把当前的路径信息发送给网络；
(4)网络收到移动台的in-session位置信息报告后，指示位置更新装置202进行正常的蜂窝网络侧更新，路径信息提取装置203从收到的位置信息提取出该移动台的当前路径序列信息，并将该序列存储到历史路径信息存储数据库204中；
(5)in-session位置信息报告成功后，移动台把当前路径序列更新到历史路径序列存储数据库104中，同时删除当前路径存储装置102中的路径信息。
蜂窝网络侧的寻呼控制过程如下：
(1)假设网络需要寻呼移动台M，位置预测装置213从历史路径信息存储数据库204中提取移动台M的历史路径信息，之后按照前面介绍的移动预测方案对移动台的位置进行预测，得到相应小区的概率信息；
(2)寻呼控制装置212对预测的概率信息进行排序，并控制寻呼收发装置211在概率最大的小区中发出寻呼请求；
(3)如果该小区中寻呼收发装置211收到移动台的响应消息，则表示寻呼成功，寻呼过程结束；如果没有收到，则说明移动台不在该小区中，寻呼控制装置212控制寻呼收发装置211在概率其次的小区中发出寻呼请求；
(4)以此类推，直到收到移动台的响应消息，寻呼成功。
下面举例来说明本发明的位置管理系统的实际工作过程：
请参阅图8a、8b和8c所示，其中图示符号的含义如下：
in-session位置信息报告
假定移动台访问的小区序列为“abcabaBabcabCaB...”，该序列与上述例1和例2相同，其中大写字母表示在该小区中移动台有业务连接，即in-session位置信息；小写字母表示在该小区中移动台没有业务连接，即out-of-session位置信息。对于现有位置管理技术，假定小区a和小区b属于位置区1，小区c属于位置区2；对于传统基于路径的和本发明的位置管理方法，不假定位置区。
在现有的位置管理技术中，当位置区发生改变时需要进行位置更新过程，并且在整个位置区中发送寻呼消息，如当移动台位于位置区1中时，会在小区a和小区b都发送寻呼消息，浪费了大量的网络资源。
假设移动台在时间T时被其它用户呼叫，网络能从移动台之前的路径信息中预测移动台当前所在的小区，根据之前的位置预测方案，可得到移动台所在小区的概率信息Pa，Pb，Pc，网络按照概率从大到小依次在各小区中寻呼来确定移动台当前的位置。
传统的基于路径的位置管理方法不使用in-session的位置信息，然而在定位移动台时in-session的信息非常重要，尤其是CMR(call-to-mobility ratio)很高时。因此，在本发明的方法中使用了in-session的位置信息，移动台在连接期间向网络报告了位置信息，但须注意移动台在报告它的位置和位置改变信息时需要一些额外的资源。在in-session的位置信息报告之后，移动台只有经过了新的路径才会发送位置更新消息，如图8c中，移动台在小区B处报告了in-session的位置信息之后，新的out-of-session序列”abc”会被发送给网络。图8c中时间T之前有5次位置更新，比图8a和图8b的7次要少。不丧失一般性，本发明中CMR越高，在连接期间报告的位置信息越多，需要的位置更新消息就越少。
另一方面，由于本发明同时使用了in-session和out-of-session的移动信息，网络能用更新的信息来进行预测，如图8b使用“abC”，图8c使用“CaB”，显而易见，新的方案预测将更加准确。
通过以上描述可以看出，本发明的方法有效利用了in-session的移动信息，帮助MS和网络进一步改进了位置管理功能。
采用了上述的移动通信系统中实现移动台位置管理的系统及其方法，由于其根据移动台历史运动路径来对移动台进行位置管理，并联合使用了out-of-session和in-session的位置信息，从而能够进行更加准确的预测，进而减少了移动台(MS)和网络位置信息的交互，提高了网络的有效利用率；同时，本发明是在更加现实的假定条件下提出的一种基于路径的位置管理方法和系统，共享了业务外和业务中的移动台位置信息，与现有的位置管理技术和传统的基于路径的位置管理方法相比大大提高了性能，降低了位置更新和寻呼的成本。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (8)
1.一种移动通信系统中实现移动台位置管理的系统，其特征在于，所述的系统包括设置于移动台侧的位置更新子系统、蜂窝网络侧的位置管理子系统和寻呼控制子系统，所述的移动台侧的位置更新子系统包括收发装置、业务外位置更新子系统、业务中位置报告子系统和位置更新请求装置，所述的位置更新请求装置分别与收发装置、业务外位置更新子系统、业务中位置报告子系统相连接，所述的收发装置与业务外位置更新子系统相连接；所述的收发装置通过无线数据链路分别与蜂窝网络侧的位置管理子系统和寻呼控制子系统相连接，所述的业务外是指上次业务结束到下次业务开始这段时间，移动台处于空闲状态；所述的业务中是指一次业务过程中的这段时间，移动台处于连接状态；
所述的移动台侧的业务外位置更新子系统包括当前位置确定装置、当前路径存储装置、路径序列比较装置、历史路径序列存储数据库，所述的移动台侧的业务中位置报告子系统包括业务中位置信息报告判决装置，所述的收发装置依次通过所述的当前位置确定装置、当前路径存储装置、路径序列比较装置与历史路径序列存储数据库相连接，所述的位置更新请求装置分别与路径序列比较装置、业务中位置信息报告判决装置和收发装置相连接，其中：
当前位置确定装置，根据接收到的广播信息来确定当前移动台的位置，并获取位置信息；
当前路径存储装置，用于保存移动台当前运动路径信息，即访问过的小区序列，并在每次与网络位置管理成功之后，把之前存储的路径信息更新到历史路径序列存储数据库中，并删除自己保存的路径信息；
路径序列比较装置，用于比较当前路径存储装置中保存的路径信息在历史路径序列存储数据库中是否存在，如果不存在，则说明该路径为新路径，需要进行位置更新过程；
历史路径序列存储数据库，用于存储用户所有历史路径序列信息；
业务中位置信息报告判决装置，用于判断是否要进行业务中的位置信息报告过程，如果需要，则指令位置更新请求装置进行位置信息报告；
所述的蜂窝网络侧的位置管理子系统包括位置信息收发装置、位置更新装置、路径信息提取装置、历史路径信息存储数据库，所述的位置信息收发装置依次通过所述的位置更新装置、路径信息提取装置、历史路径信息存储数据库与所述的寻呼控制子系统相连接，所述的位置信息收发装置通过无线数据链路与移动台的收发装置相连接，其中：
位置信息收发装置，用于与移动台之间位置管理信息的收发；
位置更新装置，用于进行正常的位置更新过程，并根据移动台的位置进行蜂窝网络侧相关信息的更新；
路径信息提取装置，用于获取移动台位置管理消息中包含的路径信息；
历史路径信息存储数据库，存储网络中每个移动台的历史路径信息；
所述的蜂窝网络侧的寻呼控制子系统包括移动台位置预测装置、寻呼控制装置、寻呼信息收发装置，所述的寻呼信息收发装置依次通过所述的寻呼控制装置、移动台位置预测装置与所述的历史路径信息存储数据库相连接，所述的寻呼信息收发装置通过无线数据链路与移动台的收发装置相连接，其中：
位置预测装置，根据移动台的历史路径信息，对移动台目前所在的小区进行预测，并给出相应的概率分布；
寻呼控制装置，根据预测的结果，控制寻呼收发装置依次在概率由大到小的小区中发送寻呼消息，直到网络收到移动台的响应；
寻呼收发装置，发送网络寻呼消息，并接收移动台的响应。
2.一种利用权利要求1所述的系统实现移动通信系统中移动台位置管理的方法，包括业务外位置更新操作过程、业务中位置报告操作过程和蜂窝网络寻呼控制操作过程，其特征在于，所述的业务外位置更新操作过程包括以下步骤：
(a1)移动台在业务外的移动过程中通过收发装置持续接收蜂窝网络的广播信息；
(a2)所述的业务外位置更新子系统根据该广播信息判断是否需要进行位置更新；
(a3)如果不需要，则返回上述步骤(a1)：如果需要，则将更新请求送至位置更新请求装置；
(a4)位置更新请求装置根据该更新请求进行常规的位置更新过程；
(a5)业务外位置更新子系统对当前路径序列信息进行数据压缩，并将包含该当前路径序列信息的位置更新请求通过收发装置发给蜂窝网络；
(a6)蜂窝网络侧的位置管理子系统接收移动台的位置更新请求，并进行蜂窝网络侧位置更新过程和移动台历史路径信息更新过程；
(a7)位置更新成功后，移动台更新历史路径序列信息；
所述的业务中位置报告操作过程包括以下步骤：
(b1)移动台在业务过程中进行当前路径信息存储操作；
(b2)移动台在业务过程中，业务中位置报告子系统指示位置更新请求装置进行位置报告；
(b3)对当前路径序列信息进行数据压缩，并将包含该当前路径序列信息的位置信息报告通过收发装置发给蜂窝网络；
(b4)蜂窝网络侧的位置管理子系统接收移动台的位置信息报告，并进行蜂窝网络侧位置更新过程和移动台历史路径信息更新过程；
(b5)位置报告成功后，移动台更新历史路径序列信息；
所述的寻呼控制子系统包括移动台位置预测装置、寻呼控制装置、寻呼信息收发装置，所述的蜂窝网络寻呼控制操作过程包括以下步骤：
(c1)所述的位置预测装置获取移动台历史路径信息，并根据部分匹配预测算法对移动台的位置进行预测，得到相应蜂窝小区的预测概率信息；
(c2)所述的寻呼控制装置对所述的预测概率信息进行排序，并控制寻呼信息收发装置在概率最大的蜂窝小区中发出寻呼请求；
(c3)如果该蜂窝小区中的寻呼信息收发装置收到移动台的响应消息，则寻呼成功，寻呼过程结束；反之则寻呼控制装置控制寻呼信息收发装置继续在概率次大的小区中发出寻呼请求；
(c4)重复前一步骤，直到寻呼信息收发装置收到移动台的响应消息，则寻呼成功，寻呼过程结束；
所述的业务外是指上次业务结束到下次业务开始这段时间，移动台处于空闲状态；所述的业务中是指一次业务过程中的这段时间，移动台处于连接状态。
3.根据权利要求2所述的实现移动通信系统中移动台位置管理的方法，其特征在于，所述的移动台侧的业务外位置更新子系统包括当前位置确定装置、当前路径存储装置、路径序列比较装置、历史路径序列存储数据库，所述的业务外位置更新子系统根据广播信息判断是否需要进行位置更新包括以下步骤：
(d1)所述的当前位置确定装置根据接收到的广播信息判断移动台所在的小区是否与存储的小区位置信息相同；
(d2)如果不同，则当前位置确定装置存储当前的小区位置信息，同时将移动台位置改变信息送至所述的当前路径存储装置；
(d3)所述的当前路径存储装置根据收到的移动台位置改变信息，将移动台新的小区位置信息存储到所述当前路径序列中，并将移动台当前路径序列送至所述的路径序列比较装置；
(d4)所述的路径序列比较装置将接收到的移动台当前路径序列与该移动台的历史路径序列进行比较；
(d5)如果历史路径序列中包含当前路径序列，则返回不需要进行位置更新的结果；如果历史路径序中不包含该当前路径序列，则返回需要进行位置更新的结果。
4.根据权利要求2所述的实现移动通信系统中移动台位置管理的方法，其特征在于，所述的移动台更新历史路径序列信息包括以下步骤：
(e1)移动台把当前路径序列更新到所述的历史路径序列存储数据库中；
(e2)删除所述的当前路径存储装置中的当前路径序列信息。
5.根据权利要求2所述的实现移动通信系统中移动台位置管理的方法，其特征在于，所述的蜂窝网络侧的位置管理子系统包括位置信息收发装置、位置更新装置、路径信息提取装置、历史路径信息存储数据库，所述的位置管理子系统接收移动台的位置更新请求并进行蜂窝网络侧位置更新过程和移动台历史路径信息更新过程包括以下步骤：
(f1)所述的位置信息收发装置接收移动台的位置更新请求，并送至所述的位置更新装置；
(f2)所述的位置更新装置进行常规的蜂窝网络侧更新，并通过位置信息收发装置对移动台进行响应；
(f3)所述的路径信息提取装置从所述的位置更新请求中提取出移动台的当前路径序列信息，并将该当前路径序列信息更新到所述的历史路径信息存储数据库中。
6.根据权利要求2所述的实现移动通信系统中移动台位置管理的方法，其特征在于，所述的蜂窝网络侧的位置管理子系统包括位置信息收发装置、位置更新装置、路径信息提取装置、历史路径信息存储数据库，所述的位置管理子系统接收移动台的位置信息报告并进行蜂窝网络侧位置更新过程包括以下步骤：
(g1)所述的位置信息收发装置接收移动台的位置信息报告，并送至所述的位置更新装置；
(g2)所述的位置更新装置进行常规的蜂窝网络侧更新；
(g3)所述的路径信息提取装置从所述的位置信息报告中提取出移动台的当前路径序列信息，并将该当前路径序列信息更新到所述的历史路径信息存储数据库中。
7.根据权利要求2所述的实现移动通信系统中移动台位置管理的方法，其特征在于，所述的业务外位置更新子系统包括当前位置确定装置、当前路径存储装置、路径序列比较装置、历史路径序列存储数据库，所述的移动台在业务过程中进行当前路径信息存储操作包括以下步骤：
(h1)所述的收发装置持续接收移动台当前小区位置信息，并送至所述的当前位置确定装置；
(h2)所述的当前位置确定装置根据接收到的当前小区位置信息判断移动台所在的小区是否与存储的小区位置信息相同；
(h3)如果不同，则当前位置确定装置存储当前的小区位置信息，同时将移动台位置改变信息送至所述的当前路径存储装置；
(h4)所述的当前路径存储装置根据收到的移动台位置改变信息，将移动台新的小区位置信息持续存储到所述当前路径序列中。
8.根据权利要求7所述的实现移动通信系统中移动台位置管理的方法，其特征在于，所述的业务中位置报告子系统包括业务中位置信息报告判决装置，所述的业务中位置报告子系统指示位置更新请求装置进行位置报告为：
所述的业务中位置信息报告判决装置指示位置更新请求装置需要进行业务中位置报告操作。
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