GSM VLR原理

Intel

1、VLR简介
全球移动通信系统（Global System of Mobile communications）简称为GSM， 主要由四部分组成网络子系统（NSS）、基站子系统（BSS）、操作维护中心（OMC）以及大量的移动台MS。
各个子系统之间以及子系统内部各功能实体之间存在一系列接口，GSM技术规范对这些接口及通信协议作了详细的规定。通过这些规范的接口和协议，各功能实体即可协调地完成通信功能。
其中网络子系统NSS是整个系统的核心，它对GSM移动用户之间及移动用户与其它通信网用户之间通信起着交换连接与管理的功能，包括了MSC、VLR、HLR、EIR等设备。基站子系统BSS是GSM系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分，它通过无线接口直接与移动台相连，负责无线信息的发送接收无线资源管理及功率控制等。同时它与NSS相连实现移动用户间或移动用户与固定网络用户之间的通信连接、传送系统信息和用户信息等，当然也要与操作支持子系统OSS之间实现互通。
移动交换中心（MSC）在物理上包含VLR，逻辑上包含SSP的移动交换中心MSC，是NSS网络的核心交换设备。MSC为漫游到该MSC控制范围内的移动终端设备提供所需的相关交换功能，为移动台的来去话提供路由，如处理话务信令、收集计费信息、位置区登记寻呼、话务管理等。支持基本的电信和承载业务及增值业务。
访问位置寄存（VLR）是一种用于存储来访用户位置信息的数据库。一个VLR通常为一个MSC控制区服务，也可为几个相邻MSC控制区服务。VLR内嵌在MSC中，用于存储使用该MSC控制下网络中所有移动台的用户信息。该用户信息用于建立移动台的来去话连接，提供基本业务补充业务和移动性管理，并参与以下的功能业务处理：
1）移动台终止和移动台始发的呼叫；
2）去话限呼业务；
3）条件前转业务；
4）呼叫等待等补充业务；
5）移动台始发SMS-MO,移动台终止SMS-MT的短消息；
6）Closed User Groups业务；
7）补充业务查询等业务；
VLR支持移动性管理中TMSI（Temporary Mobile Subscriber Identify）、IMSI（International Mobile Subscriber Identify）附着分离过程中的位置区登记。当移动用户漫游到新的MSC控制区时，它必须向该地区的VLR申请登记。VLR要从该用户的HLR查询有关的参数，要给该用户分配一个新的漫游号码（MSRN），并通知其HLR修改该用户的位置信息，准备为其它用户呼叫此移动用户时提供路由信息。如果移动用户由一个VLR服务区移动到另一个VLR服务区时，HLR在修改该用户的位置信息后，还要通知原来的VLR，删除此移动用户的位置信息。
2、VLR的数据库功能
VLR是GSM系统中一个很重要得数据库单元。移动通信网有多种数据库，这些数据库除了具有通常数据库的功能外（如数据的独立性、安全性、完整性、共享、并发控制、故障恢复等），还要满足严格的实时性要求。目前移动通信系统的数据库包括：归属位置寄存器（HLR）、拜访位置寄存器（VLR）、设备识别寄存器（EIR）和鉴权中心（AUC）。在现有蜂窝通信系统中，支持终端和用户移动性的主要是HLR和VLR。HLR是移动通信系统的中央数据库，存放签约用户的所有数据信息，包括鉴权数据、位置数据、基本业务数据和补充业务数据等。VLR存放的大部分用户数据来源于HLR，它作为HLR数据库的副本，与HLR中的数据保持一致。这种分布式数据存放降低了网络负荷，减少了访问时延，是移动通信网的显著特征。
不论是VLR还是HLR，它们的主要功能都是实现移动应用部分的协议，其数据库与上层应用紧密结合。尤其是VLR，由于容量较小，可以采用嵌入式解决方案，并将数据库与协议功能捆绑在一起。总之，这些数据库都要进行大量实时性要求高的事务处理。它们应满足以下性能要求：（1）至少98％的查询响应时间必须小于150ms；（2）更新的响应时间不得超过秒级；（3）高可靠性：每周7天和每天24小时可用，每年故障时间控制在3分钟。
VLR数据库处理的事务包括外来消息（如位置更新等）激励所引发的事务和内部触发器（如定时器等）所引发的事务。在数据库中，通过设置触发器，可为实时应用提供有力支持。在实时数据库应用中，环境动态变化，需要不断监视和采用事件驱动控制。主动数据库除存储数据外，还存储控制信息，这些数据库融合了实时数据库和主动数据库特征。
GSM系统的移动性管理都基于双层结构，上层为HLR，下层为VLR，每个VLR管辖多个位置区。HLR记录用户当前所在的VLR地址，VLR记录用户所在的位置区地址。当移动台移动到新的位置区域时，立即向该位置区所属VLR申请位置更新。该VLR可能与前一个VLR相同，也可能是一个新的VLR。在后一种情形下，VLR向HLR发出登记申请，由HLR通知前一个VLR进行位置删除。呼叫建立时，首先引发查找过程，移动交换中心（MSC）向被叫的HLR发查询请求，HLR找出移动台当前所在VLR，并向它发查询请求，VLR将被叫在该VLR管辖范围内更详细的位置信息告诉HLR，HLR再将所得位置信息告诉MSC。
上述有关GSM的移动性管理策略的数据库网络结构在保证一定的数据分布性的基础上，减少了网络链路负荷，而且相应的数据库更新、故障恢复。并发性控制及一致性维护的技术已很成熟，未来移动通信技术的发展将会与目前的结构相兼容。
在通常的GSM移动性管理策略中，有赖于VLR的存在使得用户数据的副本尽可能放在靠近用户的位置，但这远远满足不了未来移动通信系统的要求。今后的数据库将朝着增加数据的副本数，提高分布性，保证数据副本的一致性等方向发展，在提高系统容量的同时，保证安全性和实时性。
GSM系统中VLR的数据管理方法是影响网络负荷和系统性能的重要因素，它包括如何组织数据和将数据分区，数据之间的关系，数据的访问。更新和并发控制及数据的一致性维护。在GSM移动通信网中，由于用户移动引发的数据库数据更新频率不仅与用户的移动特征有关，网络结构及移动性管理方法对此也有很大影响。用户移动性管理带来的数据库更新处理负荷，取决于跟踪用户位置的算法、位置区大小、业务区大小及无线网络的结构。
随着用户数量日益增加，必须研究出新方法，在保证对移动用户呼叫有效进行的同时，尽可能降低位置更新的频率。目前，移动性管理的研究已取得一定成果（如基于记录和基于前向指针的管理策略等），它们对减少对数据库的访问次数。降低网络负荷和提高整个系统的性能有重要意义。
GSM的移动交换机是一个实时系统，要求系统能及时收集各个用户的当前状态数据，对这些数据加以分析处理，并及时作出相应反应。这些操作必须在限定的时间内完成，否则将丢失有关信息而导致操作失败。例如当固定用户拨打GSM移动用户的手机号码时，要经历查询路由信息、索取漫游号、呼叫建立等过程，经过较多的环节，有较大的时延，当时延过大时，有可能因为呼叫过程超时被系统释放，或被用户放弃，导致呼损。
减少时延有几种方法，除选择高速率传输线传输信令外，更重要的是减少每次查询VLR和HLR的数据库的时间。数据库的查询效率依赖于良好的设计，大型数据库的实时性能在很大程度上依赖于合理组织数据、查询方法等。
作为移动交换系统的中央数据库， HLR一般采用高可靠性的双机HA系统，具有自启动、数据备份和数据恢复等功能。底层平台选用 RISC／UNIX结构，数据库平台可采用大型关系型数据库（如Oracle等），也可自行开发基于网状的数据库管理系统，数据的存储可采用廉价冗余磁盘阵列（RAID），并采取妥善的数据备份机制。与HLR不同，VLR中存放的数据都可以从外界获得，如用户签约数据可以从HLR处获得，用户位置信息可由手机作位置更新获得，因此它对可靠性的要求不像HLR那样高，而且数据库容量较小，完全可以放在内存中。当交换机发生主备切换时，为了保证正在进行的通话不中断，备份VLR必须及时备份用户数据和相关的事务处理过程，因此对主备交换机数据间的备份提出较高的要求。
用户的移动性加重了网络数据库的访问负荷，使这些数据库不仅要处理大量的查询请求，还增加了频繁的更新处理。因此，在GSM移动通信中，必须引入新的监督机制，制定新的优先级，增加数据库的副本数量，并在此基础上实行对数据库访问负荷的动态平衡，以有效地缓解过载问题。
VLR的位置管理功能
移动通信支持个人移动性和终端移动性，用户可以在任何时间和任何地点，使用任何固定或移动终端，通过个人通信号码和任何人进行通信。为了将呼叫传递给随意移动的用户，需要有一个高效的位置管理系统来跟踪用户的位置。位置管理主要由两部分组成。第一是位置登记。在这个过程中，移动终端周期性地向移动网报告其所在的接入点，以便移动网对其进行鉴权并更新位置记录。第二是呼叫传递，这一步要向移动网查询用户的位置记录以此来得知移动终端的位置。
当前GSM网络位置管理采用的是双层数据库，即归属位置寄存器HLR和访问位置寄存器VLR。通常一个移动通信网的位置管理系统由一个HLR（存储在其网络内注册的所有用户的信息，包括用户预定的业务、记费信息、位置信息等）以及若干个VLR（它管理该网络中若干个位置区LA（Location Area）一个位置区由一定数量的蜂窝小区组成）之内的移动终端组成。诸如呼叫处理、位置登记等网络管理功能通过7号信令系统实现。
当前用在移动通信网中的位置管理标准通常有两类：EIA/TIA的IS-41和GSM的MAP。IS-41一般用在北美的AMPS、IS-54、IS-136以及PACS中，而GSM的MAP协议主要用在欧洲的GSM、DCS-1800、PCS-1900等系统中。这两类标准都采用两层数据库结构，管理策略也非常相似。
1）位置登记
为了正确无误地传递呼叫，移动通信网必须对每一个移动终端MS进行位置跟踪，如前所述，位置信息存储在两种数据库VLR和HLR中，当MS在GSM移动通信网覆盖区域内移动时，存储在这些数据库中的数据可能不再准确。为了保证呼叫成功，应该周期性地更新数据库。
当MS向系统报告其当前位置时，位置登记就开始了。当前采用的是MS一进入新LA就进行位置更新的方法。这里每一个LA由几个小区构成，一般地，属于同一个LA的BTS与相同的MSC连接。下面是位置登记过程中顺序执行的一些操作：
(1)MS进入一个新LA并向新BS发送位置更新消息；
(2)BS向MSC转发位置更新消息，MSC向其相应的VLR发出登记请求；
(3)VLR更新MS的位置记录。如果新LA属于同一个VLR，则位置登记过程结束。如果属于不同的VLR，则新VLR根据MS终端标识号确定MS的HLR地址，并向HLR发送一个位置登记消息；
(4)HLR执行必要的操作对MT进行鉴权及记录新VLR的ID。HLR向新VLR发送登记应答消息；
(5)HLR向旧VLR发送登记删除消息；
(6)旧VLR删除MS的记录并向HLR发送一个删除应答消息；
在(3)-(6)步，信令消息在到达目的地之前可能经过几个中间STP，这取决于MS的当前位置和原籍位置。例如，一个在中国开户的移动电话用户很自然地分配一个位于中国的HLR。当这个用户漫游在美国纽约时，其移动电话的每一次位置更新都导致了四次7号信令的越洋传输，这些消息在到达目的地前在7号信令网中经过数个STP，产生了额外的负荷。这样，位置更新可能给7号信令网带来严重的流量负荷。随着移动用户数目的不断增加，这种负荷会越来越严重。
2）呼叫传递
呼叫传递过程主要分为两步：a、确定为被叫MS服务的VLR；b、确定被叫MS当前正访问的小区。确定为被叫MS服务的VLR的数据库查询过程如下：
（1）主叫MS通过附近的基站向为其服务的MSC发出呼叫初始化信号；
（2）MSC通过GT确定被叫MS的HLR位址并向该HLR发送一个位置请求消息；
（3）HLR 确定出为被叫MS服务的VLR，并向该VLR发送路由请求消息；该VLR将该消息发给为被叫服务的MSC；
（4）MSC给被叫MS分配一个临时本地号码MSRN(Mobile Station Roaming Number)，并向HLR发送一个带有MSRN的应答消息；
（5）HLR将上述消息转发给为主叫MS服务的MSC；
（6）主叫MSC通过SS7网络向被叫MSC请求呼叫建立。
上述过程允许网络建立从主叫MS到为被叫MS服务的MSC的连接。但由于每个MSC与一个LA相联系，而每个LA又有多个小区，这就需要一种机制来确定被叫MT所在的小区位置。在当前的移动通信网中，这一过程是通过寻呼来完成的。