移动性管理

**移動性管理**（Mobility Management）是 GSM（2G）和 UMTS（3G）網絡的主要功能之一，它使行動電話得以正常工作。 「移動性管理」的主要目標是：跟蹤簽約用戶（Subscriber）的位置，從而使得呼叫、簡訊以及和其他行動電話服務可以被送達他們。

## 位置更新過程

與所有的蜂窩網絡一樣，GSM 和 UMTS 網絡本質上是由一個個獨立的「蜂窩」（cells）—— 也被稱為「基站」（base stations）—— 組成的無線電台網。 每個基站覆蓋一個小的地理區域，這樣的地理區域是屬於一個被唯一標識的「位置區」（Location Area）的一部分。通過將每個基站所覆蓋的範圍聯合起來，就形成了一個「蜂窩網絡」，可以在一個大得多的範圍上提供廣泛覆蓋的無線電通信服務。在 GSM 網絡中，一個基站稱為一個基地收發機站（Base Transceiver Station，簡稱 BTS），而在 UMTS 網絡中，則被稱為節點 B。 一組基站被命名為一個位置區，或一個路由區。

「位置更新過程」（Location Update Procedure）允許一個移動設備在從一個位置區移動到另一個位置區的時候，通知蜂窩網絡。行動裝置負責檢測位置區碼（Location Area Code，簡稱 LAC）。當行動裝置發現當前更新（update）得到的位置區碼與上次更新得到的位置區碼不同時，它就會執行另一個更新，向其所屬的網絡發送一個「位置更新請求」（Location Update Request），並在請求中帶上之前所在的位置信息，以及它的臨時移動簽約用戶標識（Temporary Mobile Subscriber Identity，簡稱 TMSI）。

行動裝置同時也會將當前的位置區碼（LAC）存儲到 SIM 卡中，將 LAC 添加到「最近使用過的 LAC 列表」的後面。 這樣做的目的是為了在行動裝置被強制關機（例如強行拔電池）、沒來得及通知所屬網絡進行 IMSI 解綁（detach）、然後又很快開機時，無需再次進行不必要的 IMSI 綁定過程（attachment procedure）。由於事實上該行動裝置仍然是關聯到當前位置區的同一個移動交換中心（MSC）/ 拜訪位置暫存器 (VLR)，因此不需要進行任何形式的 IMSI 綁定過程。

多個原因導致一個行動裝置需要向其所屬的網絡提供更新的位置信息。 每當一個行動裝置開機或關機時，網絡會要求它進行一個 IMSI 綁定（attach）或 IMSI 解綁（detach）的位置更新過程。 此外，每個行動裝置都需要使用一個「周期性位置更新」（_periodic location update_）過程，來在一個確定的時間間隔上，定期地報告其位置。 每當一個行動裝置從一個位置區移動到另一個位置區，並且沒有正在進行呼叫時，我們也會要求它進行一個隨機位置更新（_random location_ update）。 當信號衰弱時，行動裝置會重新選擇一個來自處於不同位置區的小區（cell）的信號覆蓋的時候，也會要求進行這種位置更新。 通過這樣的方式，一個簽約用戶就能夠可靠地接入其所屬的網絡，並且可以接收呼叫，同時可以在整個網絡的覆蓋範圍內享受自由移動的便利。

為了將一個呼叫或簡訊送達（deliver to）一個簽約用戶，網絡會對簽約用戶進行尋呼（page）。如果該簽約用戶未能響應這樣的一個尋呼（page），那麼 MSC/VLR 和歸屬位置暫存器（Home Location Register，簡稱 HLR）會同時將該用戶標記為「不在服務區」（absent）（會設置「行動裝置不可及標誌」，即 Mobile not reachable flag，簡稱 MNRF）。 下次當行動裝置進行位置更新操作時，HLR 中的信息會被更新，MNRF 會被清除。

## TMSI

臨時移動簽約用戶標識（Temporary Mobile Subscriber Identity，簡稱 TMSI）是行動裝置與其所屬的網絡之間發送的最常見的標識信息。TMSI 是由 VLR 隨機分配給每個處於該區域的行動裝置的 —— 一旦行動裝置開機，這個標識就會被分配給它。 這個號碼是一個位置區內的本地號碼，因此，每當行動裝置移動到一個新的地理區域的時候，它就需要更新這個號碼。

網絡可以在任何時候選擇更改行動裝置的 TMSI—— 而且它也常常這麼做，用來防止簽約用戶被無線電空口（radio interface）上的偷聽者識別和跟蹤。 經常性更改 TMSI 會使得偷聽者難以追查哪個行動裝置是哪個，除非是在行動裝置剛剛開機，或者當行動裝置中的數據因為這樣或那樣的原因變得無效時的短暫時間內。在這種時候，行動裝置必須將全局的「國際移動簽約用戶識別碼」（IMSI）發送給網絡。IMSI 會被儘可能少地發送，以避免被識別或跟蹤。

TMSI 的一個關鍵用途就是用於對行動裝置的尋呼（paging）。「尋呼」是行動裝置和基站之間一對一的通信。 廣播信息的最重要用途是建立用於「尋呼」的信道（channels）。每種蜂窩通信系統都擁有將這類信息分發給大量行動裝置的廣播機制。

TMSI 的長度為 4 位元組，全由 16 進位數字表示，並且不可以全為「FF」，因為 SIM 卡使用 4 個每一個位都是 1 的字節來表示沒有合法的可用的 TMSI。

## 漫遊

漫遊是一切蜂窩網絡的最基本的移動性管理過程（mobility management procedures）之一。 漫遊的定義是，當一個蜂窩網絡用戶旅行到其歸屬地網絡（home network）之外的地理覆蓋區域時，能通過使用拜訪地網絡（visited network）從而自動地具有發起或接收語音呼叫、發送或接收數據、訪問其他業務 —— 包括歸屬地數據業務的能力。 要實現這一點，只需要讓通信終端（communication terminal）或其他設備在拜訪地網絡中使用簽約用戶標識就可以了。從技術上講，漫遊是由移動性管理、認證、授權和帳務過程來支持的。

## 區域的分類

### 位置區

一個「位置區」（Location Area）是一系列的基站，他們被劃分成一組，以優化信令傳遞（signalling）。通常，幾十甚至上百個基站共用同一個 GSM 網絡中的基站控制器（BSC），或 UMTS 網絡中的無線網絡控制器（RNC）。BSC/RNC 是基站背後的智能處理部分，它負責處理無線電信道分配，接收來自行動電話的測量（measurements），並控制從一個基站到另一個基站的切換（handover）。

每一個位置區都會被分配一個唯一的「位置區碼」（Location Area Code，簡稱 LAC）。每個基站都會以固定的時間間隔廣播它的位置區碼。 在一個位置區內，每個基站會被分配到一個唯一的「小區號」（Cell ID，簡稱 CI），參見小區全局標識（Cell Global Identity）。

如果位置區很大，那麼就會有許多手機在同時運作，從而導致非常高的尋呼流量（paging traffic），因為每一個尋呼請求都需要被廣播到該位置區的每一個基站。這是對帶寬和行動裝置的電量的浪費，因為這會要求它花費過長的時間去監聽廣播消息。 而另一方面，如果把位置區劃分得過小，就會出現太多的小位置區，則行動裝置又不得不過於頻繁地與網絡通信以進行位置改變，這也會過多地消耗行動裝置上的電量。因此，必須要進行一個權衡 [引證需要]。

### 路由區

「路由區」（Routing Area）是在分組交換域中與位置區對等的概念。 一個「路由區」通常是一個「位置區」的細分。綁定（attached）了 GPRS 的行動裝置會要求使用「路由區」。 GPRS 被優化用於適應「迸髮式」（bursty）的數據通信業務，例如無線的網際網路（internet）/ 內聯網（intranet）業務，以及多媒體業務。 它也被稱為 GSM-IP，因為它將用戶直接連接到網際網路服務提供商。

分組業務（註：即上網）流量的「迸髮式」（bursty）的內在特點意味著每個行動裝置都會要求更多的尋呼消息，因此，比傳統的電路交換流量更精確地了解行動裝置的位置就很有用了。 從一個路由區變到另一個路由區（被稱為「路由區更新」）和從一個位置區變到另一個位置區所採用的方式是幾乎完全相同的。主要的差別就是，涉及的相關網元不再是 BSC 或 MSC，而是 SGSN。

### 跟蹤區

跟蹤區（Tracking Area，簡稱 TA）是 LTE 網絡中針對「位置區」和「路由區」的對等概念。 一個跟蹤區是一系列的小區（a set of cells）。 多個跟蹤區可以被劃分到同一個跟蹤區列表（TA list）中，跟蹤區列表（TA list）可以被配置在用戶設備（UE）上。 跟蹤區更新是周期性進行的，也可以在用戶設備（UE）移動到不在跟蹤區列表（TA list）中的跟蹤區時進行。

運營商可以可以向不同的用戶設備（UE）分配不同的跟蹤區列表（TA list）。這可以在一些條件下避免信令尖峰：例如，在這種情況下，一列火車上的所有乘客的用戶設備（UE）就不會同時進行跟蹤區更新。

在網絡側，這裡所涉及的網元是移動性管理的實體（MME）。MME 使用 NAS 消息，例如綁定接受（Attach Accept）、TAU 接受（TAU Accept）以及 GUTI 重分配命令（GUTI Reallocation Command）來配置跟蹤區列表（TA list）。

## 參見

* 切換
* IEEE 802.21
* 移動 IP
* 移動 QoS
* 無線資源管理 (RRM)
* 漫遊
* 垂直切換
* 移動模式

## 參考文獻

## 外部連結

* IP 網絡中的移動性管理
* 3GPP 技術規範 TS23.003，號碼規範、尋址和識別 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 包含定義位置區和基站識別的一個章節，通過 LAI、LAC、RAI、RAC、CI、CGI、BSIC、RSZI、RN、SAI 來實現。位置的地區和基地站，使用 LAI，拉丁美洲和加勒比，萊 RAC，CI,CGI,BSIC，RSZI,LN，SAI。 以及關於移動簽約用戶識別的章節，使用 IMSI、TMSI、P-TMSI、LMSI、TLLI 來實現。
* 3GPP 技術規範 TS23.012 位置管理過程 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 為電路交換域定義位置管理和描述程。
* 3GPP 技術規範 TS23.060 GPRS 業務描述 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 為分組交換域描述了位置管理過程。
* 位置更時序圖（PDF） （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）