Mobility Management

为什么要进行移动性管理？

• 网络需要跟踪移动用户
• 在有线网络中，一个设备和它的位置之间存在着固定的关系
• 在无线网络中，移动设备可以自由移动，因此它的网络接入点会随着它在网络覆盖区的移动而改变。
  • 一个移动设备的ID不再提供移动设备的位置信息
  • 每个设备的位置都必须由网络来维护

The main objectives

• 位置管理 - 确定移动设备在某一特定时间的位置
  • 位置信息对于建立连接和信息传递是必需的。
  • 随着移动设备的开机、移动或关机，位置信息需要在位置数据库中更新。
  • 移动用户的移动造成了设备位置的不确定性，需要由网络来处理。
• 交接管理 - 在移动设备继续移动和改变其对网络的接入点时保持连接

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蜂窝网络中的移动性管理

Handoff Management

Handoff process

• The process of transferring an ongoing call from one channel connected to the core network to another channel;
• During the call, the old traffic channel is released and a new traffic channel is assigned

Reasons for handoff

• Mobile user moves out of the coverage of a BS「移动基站」
• 信号强度恶化「deteriorates」，低于阈值「threshold」
• Traffic load management

Four stages

1. Handoff initialization: User or network agent identifies the need for handoff
2. New connection generation: 网络为交接连接寻找资源，并为连接的建立执行额外的路由操作。
3. Data-flow control: Network controls the delivery of the data-flow from the former connection path to the new connection path according to the agreement upon the service「网络根据服务协议控制数据流从原来的连接路径向新的连接路径的传输。」
4. Handoff completion: The unneeded resources of the previous connection are released

Dissociation and re-association operations

• Dissociation
  • MS is dissociated with old BS
  • Traffic channel assigned to MS in old BS is released
• Re-association
  • MS is associated with new BS
  • Traffic channel in new BS is assigned to MS to support the ongoing call

Handoff Decision Algorithms

交接决策算法决定了 触发启动交接过程决定的条件

交接决策算法是基于 当前 和 邻近cell 的 接收信号强度（RSS）或 接收信号功率P。

切换过程的类型：硬切换和软切换

• Hard handoff
  • “Break before make” connection
    • MS stays connected to only one cell at a time
    • 在与目标cell建立连接之前，MS中断与旧cell的连接
  • 在切换期间造成瞬间通话中断
  • 例如，FDMA 和 TDMA 系统使用硬切换
• Soft handoff
  • “Make before break” connection
    • 在执行交接时，MS可以同时连接到多个cell，并使用合并的多个信号
    • 然后，它选择一个单元，并放弃其他单元
  • MS 立即从旧连接切换到新连接而不会中断通话
  • 例如，CDMA系统使用软交接。

Intra-cell vs Inter-cell vs Inter-MSC

• Intra-cell handoff
  • MS在cell内移动，但跨越扇区边界，或者MS在原流量信道中遇到无法忍受的信号强度下降
  • BS在同一cell找到一个具有适当信号强度的新流量通道
  • User’s call is transferred to the new channel
  • MS’s dissociation/re-association involve the traffic channels within the same cell
  • MSC does not involve in the handoff
• Inter-cell handoff
  • 移动台进入相邻cell
  • 用户的呼叫被转移到目标cell的一个新的流量通道上
  • 交接发生在由同一MSC管理的不同BS之间
  • MS的分离/再分离涉及两个BS的流量通道，以及每个BS和同一个MSC之间的链接，所有这些都在MSC的协调下进行
• Inter-MSC handoff
  • MS的移动跨越了两个细胞的边界，而这两个细胞是由不同的MSCs管理的。
  • Handoff occurs between different BSs that connect to different MSCs
  • MS的分离/重新关联涉及两个BS的流量通道，通过不同MSC和BS之间的链接，以及MSC之间的链接。
  • 两种MSC都涉及交接

Location Management

Location management

• Locate and track MSs
• Discover the current access point of the MS for call/message delivery
• Update the location database

Two main methods for location management

• Without location update
• Location update with location areas (LAs)

Without Location Update

• Basic idea
  • 网络没有维护 MS 的当前位置信息
  • 每当有呼叫到达时，网络就会在覆盖区域内发送搜索信息。
  • 当 MS 收到搜索信息时，MS 对信息进行回复，以便网络找到 MS 的位置。
• Advantages
  • Simplicity「简洁性」
  • No location update cost
• Disadvantages
  • High searching cost for incoming calls
  • Need some response time for searching MS

Location Update with Location Areas

Location area (LA)

• 网络被划分为若干个不重叠的分区
• 每个分区由一定数量的相邻单元组成，称为LA
• LA对位置的不确定性提出了一个上限「upper bound」

• Basic idea
  • MS 向系统报告其当前的 LA 信息 - 位置更新：周期性地或当 MS 移动穿过 LA 边界时
  • 系统通过位置更新维护 MS 的 LA
    • 它知道MS位于哪个LA
    • 但它不知道 MS 精确定位在哪个 cell
  • 当一个新信息到达时，系统只搜索 LA 内部的 MS
• Advantage
  • 由于系统将搜索区域限制在 LA 内，因此节省了搜索成本

Location Database

位置信息被保存在两个位置数据库中：归属位置寄存器「home location register」 (HLR) 和 访客位置寄存器visitor location register」 (VLR)

• HLR
  • A home DB for each MS「每个MS的主数据库」
  • Located at a pre-specified zone「位于一个预先指定的区域」
  • 在 "用户档案 "中维护用户数据和当前的LA
  • 当MS移动时，LA信息将被更新。
• VLR
  • 一个动态数据库，包含关于MS的临时信息。
  • 位于MSC，为来访的MS提供服务
  • 当一个MS移动到一个新的MSC区域时，该MSC的VLR将从HLR请求关于MS的信息。
  • 如果MS稍后进行呼叫，VLR将拥有呼叫设置所需的信息，而不必每次都查询HLR。

Location Management Operations

• Subscription：当用户订阅服务时，在 HLR 中永久创建用户配置文件记录
• Location update (registration)
  • MS在需要时向网络发送位置更新报告（例如，当它通电时，或移动到新的区域）。
  • 网络更新位置数据库中 MS 的 LA 信息
  • Network authenticates the MS
  • 网络更新位置数据库中MS的LA信息
• Call delivery
  • Network queries the precise location information of MS when a call arrives「当呼叫到达时，网络查询MS的精确位置信息」
  • 网络要求BSs在本地广播「broadcast」一个寻呼「paging」信息
  • Target MS replies so that the network knows the precise cell where MS locates
  • Call is delivered to the BS of the found cell

Location Update Process算法设计

• U1: MS进入新的LA并向BS发送位置更新信息
• U2：信息转发给MSC，MSC向VLR发起注册查询
• U3：如果MS被VLR知道，VLR更新成新的位置，注册完成；
  否则VLR确定MS的HLR的位置并向HLR发送位置注册消息。
• U4：HLR对MS进行认证，更新数据库中当前VLR的身份，并向VLR确认位置注册；
  用户资料的全部或部分可能被转发给新的VLR。
• U5：HLR向旧的VLR发送注册取消信息
• U6：旧VLR删除MS的记录并确认取消

Call Delivery Process算法设计

• C1: MS x makes a call request to BS for MS y
• C2：消息被转发到 MSC 并且查询 y 的 VLR 以获取 y 的位置
• C3：如果失败，查询接收者y的HLR
• C4：HLR确定y的当前VLR，并向VLR发送路由请求信息。
• C5：y 的 VLR 对其 HLR 的响应
• C6：HLR将位置信息转发给x的MSC
• C7：呼叫x的MSC建立到y的接收MSC的连接
• C8: Receiving MSC pages y via all the cells in the LA in which y is currently located
• C9: y通过服务BS回复；MSC将cell内的业务信道分配给y，完成x和y之间的呼叫连接

Paging Process算法设计

1. 当呼叫到达时，系统通过要求MS可能居住的cell的BS在本地广播寻呼信息，启动对目标MS的搜索。
2. 所有的MS都能听到寻呼信息，但只有目标MS会发回响应信息
3. 该地区的几个BS可能会听到响应信息。他们都会向MSC报告MS在他们的覆盖范围内，并报告信号强度的测量结果。
4. MSC收到这些报告，选择信号最强的一个作为目标MS的服务BS。

Parallel Paging vs Sequential Paging

• Parallel paging
  • All cells are paged simultaneously「所有单元格同时被分页」
  • 减少延迟 - 有利于有延迟限制的分页
• Sequential paging
  • Cells are paged once a time until the MS is located
    • 最短距离优先：系统从MS最后更新的位置开始，按照最短距离第一的顺序对小区进行排序，并根据顺序对小区进行分页
    • 最高定位概率优先：系统估计MS可能在LA内的每个单元中定位的概率，按照概率递减的顺序对单元进行排序，并按照顺序对单元进行排序。
  • 节省带宽 - 有利于在没有延迟限制的情况下进行传呼

Location Management Cost 计算题

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Location Management Issues

影响位置管理性能的因素很多

• Size of location area
• Location update methods
• Location database organization

位置管理需要

• 最大限度地降低位置管理成本（数据库的更新成本和查询成本）。
• 在位置更新成本和呼叫传递成本之间做出权衡

Size of Location Areas

Big size vs. small size

• Big LA
  • 降低位置更新成本
  • 增加寻呼成本
• Small LA
  • 增加位置更新成本
  • 降低寻呼成本

Location Update Methods算法设计

Static LAs vs. dynamic LAs

• Static LAs 是固定的区域，可能不符合流动性变化和呼叫模式。例如，位于LA边界的用户可能在两个LA之间来回移动，这导致频繁的位置更新信息
• dynamic LAs 可以根据某些标准来确定。MS的位置更新过程可以基于时间、用户移动水平和用户密度水平等因素
  • 例如，用户的高流动性可能导致大量的LA
  • 结合使用位置更新和传呼操作
  • 在它们之间做一个权衡

动态位置更新方案

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• 基于时间：MS 以固定时间间隔（使用时间阈值）定期执行位置更新
• 基于距离：MS定位更新是通过移动到离前一个位置足够远的位置来触发的（使用距离阈值）
• 基于运动：MS的定位更新是通过跨越一定数量的不同小区边界来触发的（使用移动阈值）。
  • 在某些情况下是有用的，例如，用户在LA边界之间来回移动

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Location Database Organization

位置信息应该被组织起来，以减少查询成本和更新成本。

HLR/VLR的缺点

• HLR对一个MS的分配是永久性的
  • 用户可以永久移动到一个新的地方，但仍然必须联系以前的 HLR
  • 例如，如果MS被转移到欧洲，而其HLR在中国，成本将非常高。
• 没有利用流动的地域性
  • 用户倾向于在当地流动
  • 如果MS目前位于远离其HLR的地方，例如MS在欧洲漫游而其HLR在中国，那么成本也会非常高。

Enhanced schemes

• 用于最小化HLR查询成本的呼叫传递方案

  • 每个用户的位置缓存
    • 每次调用用户x时，x的VLR被缓存在调用者c的MSC的VLR中。
    • 随后对x起源的任何调用，只要x没有移动到一个新的LA，任何从该MSC发起的对x的后续调用都可以重复使用这一信息。
    • 问题：如何处理无效的缓存？
      • 急切的缓存 - 每当一个用户移动到一个新的LA，这个用户的VLR的所有缓存条目都会被更新。如果用户经常移动，位置更新成本会增加
      • 惰性缓存：不执行缓存更新；调用时，先访问缓存的VLR；如果被击中，完成；如果错过，请联系 HLR。错过时有额外的成本，因为必须先访问缓存的VLR。
  • 用户资料复制
    • 观察：每个用户通常与少数用户进行频繁的交流
    • 如何利用这一观察？
      • 提前在选定的VLR上复制这些经常被呼叫的用户的用户资料
      • 当从某个LA发起呼叫时，相应的MSC会确定被叫MS的用户配置文件的复制是否在本地可用。
        • 如果可用，则不需要 HLR 查询
    • 当MS移动到另一个LA时，网络会更新MS的用户配置文件的所有复制。
    • 查询HLR的成本可以降低，但位置更新的开销会更高。

• 用于最小化HLR位置更新成本的方案

  • Pointer forwarding
    • 每当一个MS移动到一个新的LA，一个转发指针就会从它以前的VLR建立到新的VLR上。
    • 对MS的呼叫将首先查询HLR以确定第一个VLR，然后沿着链路到达当前VLR
    • 指针链的长度可以被限制在一个最大值K，以减少定位MS的延迟。
    • 当指针链的长度达到K时，不允许额外的转发，并将位置变化报告给HLR
    • 这种方法可以减少更新HLR的成本，但可能会导致更长的搜索延迟。
  • Local anchoring
    
    • 靠近 MS 的 VLR 被选为本地锚点
    • 当 MS 移动到一个新的LA时，MS将对本地锚进行位置更新，而不是MS的HLR
    • 在对 MS 的呼叫请求到达之前，MS 的本地锚点不会更改
    • 当有新的呼叫到来时，为用户服务的 VLR 成为新的本地锚点，并向 HLR 进行位置更新
    • 这个方案可以避免频繁更新HLR
    • 缺点是，当用户不断移动而没有收到任何呼叫时，对本地锚点的更新可能会变得无用。

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无线 IP 网络中的移动性管理

Mobile IP

IP stands for Internet protocol

• 一个用于互联网的网络层协议
• IP假设终端主机在固定的物理位置，IP地址与终端主机绑定在一起
  • 每个IP地址都有网络部分和主机部分（网络ID+主机ID）。
• IP地址使IP路由算法能够将数据包发送到正确的网络。
  • 中间路由器在转发数据包时查看网络ID

如果主机在网络之间移动会怎样？

• 移动主机「Mobile Host（MH）」移动到一个新的网络时不能改变IP地址
• 如果没有特定的支持，当 MH 远离其专用网络时，消息传递到 MH 是不可能的
• The solution is using mobile IP

移动IP是作为一种透明地处理MH的流动性的手段而开发的。

• 尽管移动主机可能连接到任何 assess point，但允许使用永久地址将数据包路由到 M H
• 使MH能够在网络之间无缝移动，而不会在发送数据包时中断进程
• 不需要更改 非MHs/路由器 的软件
• 不需要更改 IP 地址或 IP 地址格式
• 需要额外的基础设施组件

Mobile IP Architecture

• Mobile host (MH): 移动主机（MH）可以在不改变其IP地址的情况下从一个网络改变其接入点到另一个网络。
• Home address: When a MH has been registered at the home network, it has a permanent IP address called its home address
• Home network: 当 MH 在归属网络注册后，它有一个永久的 IP 地址，称为归属地址
• Foreign network: The network where the MH currently accesses the network
• Care-of-address (COA): 当一个MH在国外网络中定位时，它有一个临时的IP地址，称为 "关心地址"，它可以识别MH在国外网络中的当前位置。
• Home agent (HA): 位于 MH Home network 中的路由器
• 具有额外的功能
  • Advertise itself periodically
  • Bind MH’s home address with its COA
  • Forward packets to foreign network when MH is away
  • Encapsulate messages that are delivered to MH
• Foreign agent (FA)
  • 位于外部网络的另一台路由器用于 MH
  • 具有增强的功能
    • Advertise itself periodically
    • 当 MH 远离 HA 时，它使用 FA 向 HA 发送/接收数据
    • 转发MH的注册请求
    • 解封传递给MH的信息
• Correspondent host (CH)「通讯员」：一个CH，不管是固定的还是移动的，都可以向MH发送数据包。

Location Management

• Agent Discovery
• Registration
• Data Delivery

Agent Discovery

MH 使用发现程序来识别他们的 HA 和 FA

• MH must determine if it is attached to its home network or a foreign network
  • MH 侦听来自 HA 和 FA 的周期性 ICMP 路由器通告消息
  • 如果需要立即发布广告，MH也可以发出一个ICMP路由器请求消息。
  • MH compares network ID of the router's IP address with the network ID of MH’s IP address
    • The same network ID, MH stays at home network
    • Different network IDs, MH locates at a foreign network
  • 如果MH被转移到另一个国外网络，它需要从FA获得一个新的COA

Registration

• MH must register when
  • 一个MH进入了一个新的网络区域
  • 注册的计时器已过期
• 注册包括
  • MH registers itself with the FA and gets a COA
  • MH 向它的 HA 注册自己，通知它的 HA 当前的 COA。这是由 FA 代表 MH 完成的
  • MH 过期续签
• Deregistration：当MH返回主网络时，它自己取消了注册。

Registration Procedure

MH 使用注册程序将其 COA 通知 HA。

• MH向FA发送注册请求，并提供其 Home address
• FA 将注册请求转发给 HA
• 如果 HA 接受注册，它会更新将 MH 的 Home address 与其 COA 相关联的移动性绑定表
• HA 通知 FA 注册被接受
• FA 更新其访客列表，将 MH 的 Home address 映射到其 MAC 地址和 FA 地址
• FA通知MH，注册已被接受

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Data Delivery

隧道「Tunneling」 - 在本地网络和外国网络之间建立一个隧道，并在隧道中向该MH发送封装的数据。

• 当CH向MH发送数据包时，所有数据包的目的地址都是MH的Home address，因此，所有数据包都被发送到Home network。
• 在接收到数据包后，HA识别出数据包的目标地址属于MH。然后
  • HA在其移动性绑定表中查找MH的COA
  • 该数据包被包裹在一个新的数据包中，COA作为新数据包的目标地址 - 被称为封装。
  • HA将数据包转发到拥有COA的国外网络。
• FA 识别 COA，解包（简称解封装）并使用其原始 home address 发送给 MH

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Routing Inefficiency

• 隧道化导致路由效率低下
• Triangle routing
• Double crossing

Routing Optimization

路由优化—让 MH 将其 COA 告知 CH，因此 CH可以直接将数据包发送给MH

• 当HA收到不在家的MH的数据包时，HA会向CH发送绑定更新信息。
  • 绑定更新信息有MH的当前COA
  • CH缓存COA，未来的数据包直接发送到COA。
• 当MH移动到新的FA时，缓存在CH中的COA就会变得陈旧。
  • 如果不重新传输到新地址，发送到旧FA的数据包可能会被丢弃。
  • 绑定可能会过时，然后 CH 向 MH 的 HA 发送绑定请求消息

Handoff Management

当 MH 移动到新的 FA2

• FA 定期发送广告信息
• MH 注册到新的FA2
• FA2向HA发送移动性绑定
• FA2通知旧FA1更新MH的位置
• FA1 向 FA2 发送 ACK
• FA1将MH的任何数据包转发给FA2
• FA2向MH发送交接完成信息

当 CH 向旧 FA 发送数据包时

• 如果老FA知道MH现在的FA
• 该数据包被转发到当前的FA
• 老的 FA 向 HA 发送绑定警告信息
• HA 向 CH 发送绑定更新消息
• 未来的数据包将直接发送到新的FA

如果旧的FA不知道MH的现任FA

• 该数据包被转发到HA
• HA将数据包转发给当前的FA
• HA向CH发送绑定更新消息
• 未来的数据包将直接发送到新的FA