第 1O期
2OOO年 10月
电 子 学 报
ACTA ELECI~ONICA SIM CA
Vol_28 No 10
Oct． 200O
7
个人通信信令系统性能分析
蛰 t， 尹
杭州电子工业肇院信息通信系，杭州 310037；2 浙江大学信息与电子工程学系，杭州 310~z7)
可 “ |i 。／
摘 要： 本文提出 一种，r人通信信令系统分析的通用模型，用它对OSM和采用E~-41信令系统的负荷进行了性
能分析
关键词： 个人通信；信令系统；全球移动通信网 (GSM)；IS-41
中图分类号： TNg15．02 -文 磊 —— 文章编号： 0372-2112(20co)10-0078-04
Analysis of Signaling Sy~em Performance for Personal Communications
ZHANG Jiaa一~41'U ，YAO Qing．d0
l1． 跏 uinstitute矿E~ectrordc E~ rtng， 州商 310037，Or／ha
2．Zhejiangllrdxers ，Haag-Jton 310027，( )
Abstract： This paper present．~a meti~lology to evaluate the signaling s~tem loading for p㈣ l
dependent of~sumptaons．We use this mell】o[10l。 to evalua~ the signali~ system leading of GSM and 1S-41 system
Key nD ： pe聊 嘲1 commmficafious；signaling s~tem；G ； 41
1 引言
对个人通信日益增长的需要 ，现有的信令系统能否满足
高密度、高移动性 、多媒体业务的需求引趋 丁人们极大的关
注．在过去研究信争和网络数据库 10 J时主要考虑 GSM系
统，对 L~-41的讨论不多，研究主要考虑分布式结构 和话音／
数据集成的影响【 ．北美蜂窝系统互连标准 IS-411]0‘。 的发
表．使人们对蜂窝系统的信令有 了一个明确的认识
我国数字移动通信网采用三级结构的 Ho 7信令网．高级
信争转接点(HSrP)设置在大区移动业务汇接中心(TMSCI)，
低级信 令转 接点 (LSTP)设置在 二级 移 动业务{[接 中心
(TMSC2)，移动网中的每个移动交换中心(MSC)／访问者位置
寄存器 (Ⅵ且)、设 备识别 寄存器 (EIR)、归属位置 寄存器
(HLR)／鉴权 中心 (AUC)、短消息 中心 (SC)和基 站控制器
(BsC)中均设置信令点(SP)．目前、 ／vLR通常为一个物理
实体，台设一个 SP；HLR／AUC通常为一个物理实体，合设一个
SP；当 c／v蛆 、EIR与 }Ⅱ且／AUC合设于一个物理实体中，可
设置一个 sP．数字移动通信网与N0．7网的关系如图 1所示．
个人通信系统的基本结构与数字移动通信网的结构基本
一 致，信令网的连接方式也基本相同l_
在过去，对信令的研究通常只考虑一个特殊系统，每个研
究建立在一系列假设之上~2,3,13 这些假设包括 Ms的密度、
穆动性和呼叫格式，这些结果通常都建立在移动性的简单模
型上或略作改进的模型之上．因此对不同的研究结果进行比
较往往十分困难．
收稿日期：1999-08．18；修回日期 ：20004)4-18
that are1n-
文献[14]中提出了一种独立于任何一种特殊移动模型的
通用分析框架，并推导了相对信号与系统负荷大的精确表达
式．本文对文献[14]一些情况进行了修正．并用它对 CSM系
统和采用 IS-41一C信令系统的负荷情况进行了分析
No．7倍々阿
Ts；长途局，Ls：市话局，sP：信々点 STP 信々转接点
图 1 数字移动网与 H0 7信令网的关系圈
2 个人通信信令系统的描述与分析
根据话务统计，目前移动通信系统中信令业务大约占系
统总业务量的 80％1] ．因此对个人通信信令系统性能进行评
估十分重要．
一 个无线用户的信令系统负载为以下 5部分之和：移动
台主呼；移动台被呼；位置登记(位置更新)；切换 ；鉴权．
一 个交换小区的总信令负荷(字节数／小时)为上述 5部
分负荷之和：
．
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第 l0 期 章坚武：个人通信信令系统性能分析
塑 ：幽 箍邀 交换区 一 交换区
移动台被叫总字节数／／J、时
交换区
矍塾鱼 芏茔塾 尘盟
交换区
． 整 鱼焦量里堑盟主堇塾 尘盟
交换区
． 堕叠鱼鳖 璺主蔓墼 盟 f¨
变换区 ¨
以上每一项，每小时字节数代 丧作为一次特殊活动进入
ss7网络通信流量．这里井未考虑蜂窝结构内部 Bs和 MSC之
间的通信流量问题．SS7发生在两 个 或 MS(3和 HLR或
VLR，或两个数据库 }Ⅱ 和 VLR之间．
上面公式叉可继续表选如下：
X P{主呼)
x + 交换区 一次移动台被呼
P(被呼)×
一 次移动台 、 ⋯
x +高 x 丽 =
+ 磷 x
壁 鱼墼垦
一 个小区
量基堑达塾 盟
位置登记数目
丝冀壁坦塾旦．主苴堑 望鉴塑l筮塾 尘 交换区 一次鉴权 交换区 (2)
其中：P(主呼)是移动台所有呼叫救数中发起主呼的概率，P
(被呼)=1一P(主呼)。为了获得较为简洁表达式．可通过对
每交换区的移动台(Ms)总数目和每个 Ms的呼叫到达率(即
每小时呼叫次数)的乘积进行归一化，转换成交换医每次呼叫
的s$7字节数：
ss7字节数
一 次呼叫
简写为：
哪：‰ P(主呼)+ 被呼)+
+ 品+ 丽AC (4)
s砌v为一次P( 呼叫的总信令负荷 C 、c 、c肿、c 、 c
分别为移动台主叫(MO)，移动台被叫(MT) 切换(HO)、位置
更新(u『)、鉴权(AC)所需的信夸成术；HO／呼叫表示一次呼
叫中平均切换次数；u_／呼叫表示二 次呼叫之间发生的平均
位置更新次数；AC／呼叫表示二欢呼叫之间发生的平均鉴权
次数
位置更新成本 c 要看位置更新是在一十位置登记区
(LA)完成，还是两个或两个 上 LA里完成 ．因此，位置更新
的成本可以表示成两部分的线性相加．设 为在一个 LA
的位置更新成本．cf 为两个或两个以上 LA的位置更新成
本．这样
cm=c∽ n+c∞ 一 、
其中：Four=
和 Four+ =1
(6)
[7)
3 数学分析
文献[14]提供位置更新和切换出现的相对比值：
LU／呼叫 (1一E一 ) ⋯
一
HO／I~ntl
式中： 为每个交换医包含的小区数；虬 为每个位置包含的
小区数；E矾为一十移动台产生和接收到业务量的爱尔兰数．
对于实际系统，假设每个交换区最多只有 4十登记区，而
且每个用户不会产生多于 0．2爱尔兰业务量，即
Nsr／* ≥^4 (9)
E ≤0 2 (1O)
> 【11)
考虑式(8)～(10)，故有等 8 (12)
由式(12)可见，位置登记的产生速率比过境切换的产生
速率大许多．即式(4)中的切换(第三项)比移动性管理(第四
项)要小许多，可忽略．
由此，给出式(4)的相对信号负荷的下限为
sP c郴．P{主叫{+c胛P{被叫；
+C LL／呼叫+C ·AC／呼叫 (13)
注意到移动台被叫成本 Cur总比移动台主呼成本c啪要太．其
下限为： ≥‰ + · + 04)
注意式(4)依靠 8个量，式(13)依靠 6个量，式(14)依靠 4个
量．用于限制信令系统负载的式(13)要求的变量很容易分成
两组：一组为特定已知参数；一组为随机参量
已知参数：( )C ，移动台主呼所需的字节数；(b)Cur"，
移动台被呼所需的字节数；(c)6c，移动 台鉴权所需的字节
数．
随机参量：(a)LU／Ca／／，二次呼叫之间发生的平均位置更
新数；(6)Pl主呼l，移动台主呼的概率；移动台被呼的概率 尸
被呼【-1一PI主呼I．在实际系统中．这两个概率可 确定，
主呼和被呼之同的分布对于每次呼叫的位置更新数目具有第
二重要的作用；(c) ，一次独立的位置更新所需的比特数，
由于它依靠式(6)，因此它是一个随机量；(d)AC／Catl，二次呼
叫之间发生的平均鉴权次数．
坐
／ 数区 堇换 主交 盘
盟
吐
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电 子 学 报 瑚 0年
4 性能分析
使用文献[14]给的移动性模型，确定下列方式中经过两
次交换区的位置更新量．穿越交换区域的数 目与每个位置区
中的小区个数的平方根成正比．交换区域的小区数 目与位置
区域的小区数目的比值给出了交换区域的位置区域数 目，将
这些假设代^式(6)，每个交换区的位置区域数目记为 ^
Four=l (15)
和 Fin=1一Four通过合并式(6)和式(15)可得到位置更新的相
对成本：
c = ·( 一1)／q'k+cH -1／v／k (16)
将式(16)分别代^式(13)、(14)，得到：
s 兰‰ P{主呼 + {被呼}+[ h +c
V
+ ]． +q ． (17) 。 ’ ⋯
≥‰ +[‰ +‰ ]- + 。 (18)
V ⋯
其中：交换区中位置区数目 可用于系统大小的测量；昂 并
不直接依赖 ‘，通过 米测量；参数 LE／C~ 被看作移动性
的指标，信夸系统负荷主要依靠这一参数 ，选它米作所有性能
曲线的 z轴．对于 IS41一C，有三种鉴权方案【l 6l：非 SSD共享方
案 、SSD与原服务系统共享方案及 SSD与被访系统共享方案
MS主呼和被呼时所花的鉴权成本相同．它与位置登记所花的
鉴权成本可由访问数据库次数确定，而访问一次数据库大约
需花费 4byte E“J．因此，可以得出采用 同鉴权方案时鉴权所
需的 SS7比特数。见表 1．
寰 1 不同鉴权方案时鉴权所需 SS7比特数
一 旦选择 塔^主呼／被呼，位置登记进行鉴权，单独鉴权
的成本与位置登记 比较可以忽略．式(17)、(1 8)可进一步简
化：
刚 {主呼i+ {被呼：+
+‰击]。 LU (19)
‰ +[ +‰ ]’ LU (∞)
为了研究 k的依赖性，可考虑两1、有兴趣的例子．
(1)对 =^4．每个交换四个位置区域．
≥ +{ ‰+‰]- (21)
该表达式有个有趣的特性，即剐好包括交换区内所有位
置更新成本的一半
(2)对于 k=∞，每个交换有授大的位置区域，即：所有位置更
新均在一个单一的交换机内完成．
‰ +‰ (22)
如果一个用户从投有离开该交换机，所有位置登记均在
交换机内完成．它只能发生在一种限制情况，即交换机足够
大 。能处理全部的小区．
如果假设所有的呼叫是移动台作被叫， =4时：
+{ ‰+‰ - (23)
对于 k=∞
≥ +c ’ (24)
从上面的例子，一个交换区无数个位置区系统的信令负
荷要小于一个交换区四个位置 区的系统．在位置区域保持固
定的情况下，随着交换区的尺寸增大，每个呼叫的信夸负荷减
少 ．
下面给出四张图进行分析讨论．
{毫
镬
夺
埋
{毫
镬
夺
迎
LU／C l
图2 MSC／VI,R一体化． =4的信令负荷
LU，C l
图3 MSC／VLR一体化， =*的信夸负荷
5 结论
本文提出一种分析个人通信对信令系统负荷的通用方
法．该方法不需要一些假设前提．将它应用到 GSM、IS-41一B、IS-
41．c系统
定义了每次呼叫位置更新数 目的移动性指标，作为每个
用户每小时位置更新和每个用户每小时呼叫到达的信令流
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第 lO 期 章坚武
：个人通詹信令系统性能分析
柱
也
埕
埋
LU／CalJ
图4 Msc／VLR非一体他
，。 4的信争负荷
⋯ ．．
弓c Vn 非一件化， = 的信令负荷
作为这个咎动性指标的 数的 负荷的准
确表达式 ⋯ ⋯
苎 苎 !结论_【1)由于鉴权过程在㈣中有，而在IS-4
— 有 ，相埘信争负荷是最大的两倍 ( ；VL
⋯ R 在 宝 算机中，印Msc／Ⅵ且，信令 Ⅵ ： 化减少蜘％左右；(3)从停夸负 虿 孟
： 于无鉴权，负荷垃低，l 4】一c s 访系
孝 考r 后是SSD非共宰、s∞与 C
,SM 苎 ；当 vLR 体化 三 41
-C墨 芋 竺 ，较GS~．I系统负荷小(4) ’ ，⋯IS4 1 GSM舶信令负荷越小
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箍庹糠 浙江大学信电幂教授
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