The marvelous development of wireless communication technology over the fast two decades makes us dream forward to "wireless overwhelming wireline". The wireless mobile communications have the ubiquitous availability that they can support the exchange of information between mobile users independent of time, user location, and user movement. To realize this vision, it is fundamentally necessary to track users who move from place to place, which is supported by location management function. The location management performs two elementary operations, such as location update and paging. The location update, also known as a location registration, in which each mobile user updates its location information informs the network about user's current location, and paging in which the network searches for the camped-on cell makes a connection between the called user and the base station of the camped-on cell. Thus, the location update and the paging enable the network to track the user's location and to deliver an incoming call to the user, respectively. The need of supporting the tremendously growing number of mobile subscribers and the desire of providing worldwide roaming have critically increased the importance of efficient location update and paging algorithms that result in a low signaling cost, a low database access cost, and a low delay.
In this thesis, we open up a new field of research in location management. We research location updates and pagings for transportation systems in mobile communication networks, which have not been researched ever. Transportation systems such as trains and coaches have three specific characteristics compared with pedestrians: high velocity of movement, large number of users in the system, and the same location for all users in the system. By using these characteristics, two new concepts of group location register and representative identity are introduced to manage all users in the transportation systems as a group. We develop new location management schemes based on these new ideas.
First, we propose a new location update scheme, which is called a group location tracking, based on two new concepts: group location register that is used to save location in-formation of a transportation system, and representative identity that is employed to identify each transportation system. In the previous location update schemes based on location area, each mobile terminal informs the corresponding home location register of location information whenever it moves into a new location area, which causes too frequent location updates in high speed transportation systems. In the proposed group location tracking scheme, only a base station implemented on a transportation system updates location information of the system at the group location register. This group location update implicitly updates location information of all users on the transportation system. The home location register queries the group location register about user location information, only when an incoming call arrives. Numerical results achieved from analysis in view of the signaling cost for location update and call delivery show that the group location tracking becomes more efficient than the IS-41 scheme, as the number of users increases or as user mobility becomes larger. The proposed scheme results in the significant reduction of the signaling cost.
Second, we propose a distributed group location tracking scheme based on several group location registers and representative identities to reduce the overhead cost for group management. We describe the implementation skill by defining the relationship between group location registers and representative identities. The home location register of a passenger selects the nearest one among several group location registers which are listed in a group registration request message, and then uses the selected one for group management. We analyze the performance of the proposed scheme with considering the database access cost as well as the signaling cost, and also determine the region in which the distributed scheme has better performance than the IS-41 scheme and group location tracking scheme. Numerical results show that the distributed group location tracking achieves better performance than IS-41 scheme. The proposed scheme has a lower total location management cost than the group location tracking when the weighting factor for database access cost is low. The proposed scheme achieves better performance as the mobility or the number of passengers increases.
Finally, we propose a hierarchical group location update scheme with the aim to reduce the paging cost in transportation environment. The proposed scheme performs two hierarchical location updates: global group location update and local group location update. In the global group location update, the base station on the transportation system informs the group location register of transportation system's location information whenever the transportation system moves into a new location area. On the other hand, the local group location update is performed each time the transportation system moves into a new cell in a location area. This local group update is locally executed between the base station on the transportation system and the serving mobile switching center. The global update enables the group location register to know information about the location area in which the transportation system is located, and the local update enables the serving mobile switching center to obtain information about the exact cell on which the called mobile terminal camps. Thus, the hierarchical group location tracking scheme that pages only a camped-on cell using local group location update information significantly reduces the paging cost. Compared with the previous schemes, the proposed scheme reduces the location management cost including the location update cost and the paging cost. This proposed scheme is a candidate scheme to support mobility of subscribers on transportation systems, especially in the system with high paging-cost.
지난 이십년간의 무선 통신 기술의 놀라운 발전은 "유선을 능가하는 무선" 시대를 향한 꿈을 꾸게 하고 있다. 무선 개인 이동통신의 이상은 시간이나 사용자의 위치와 이동에 관계없이 이동 사용자들간에 정보를 교환할 수 있는 서비스를 제공하는 것이다. 이러한 비젼을 실행하기 위해서 이동하는 사용자들의 위치를 판별하는 위치관리 기능이 필수적으로 요구된다. 위치 관리 기능은 두 가지의 기본적인 기능을 수행한다. 위치 등록이라고도 불리는 위치 갱신에서는 각각의 이동 사용자들이 망에 현재의 사용자 위치 정보를 알려주고, 페이징에서는 사용자가 위치한 셀을 찾는 기능을 수행한다. 위치 갱신과 페이징은 망으로 하여금 각각 사용자의 위치를 추적하고 사용자에게 수신되는 호를 전달할 수 있도록 한다. 급속히 증가하는 사용자에 대한 수용과 세계적인 이동성의 지원에 대한 요구는 위치 갱신과 페이징 방식의 중요성을 증가시키고 있다.
본 논문에서는 위치 관리 분야에서 새로운 연구 분야를 개척하였다. 본 논문에서는 무선 이동 통신망에서 기존에 연구가 전혀 수행되지 않은 운송 시스템 환경하에서 이동통신 가입자의 이동성을 지원하기 위한 위치 갱신과 페이징을 연구한다. 기차나 대형 버스, 혹은 지하철과 같은 운송 시스템은 보행자와는 다른 고유한 특징을 가진다. 많은 사용자가 존재하는 시스템이 고속으로 움직이며 시스템 안의 모든 사용자들은 모두 동일한 위치를 가진다는 점이다. 이러한 특성들을 고려하여 시스템 내의 모든 사용자들을 하나의 그룹으로 관리하기 위하여 그룹 위치 등록기와 대표 번호라는 두 가지의 새로운 개념을 도입한다.
첫째, 운송 시스템의 위치 정보를 저장하기 위해서 사용되는 그룹 위치 등록기와 특정 운송 시스템을 다른 운송 시스템과 구분하기 위해서 사용되는 대표 번호에 기반한 그룹 위치 추적 방식이라고 명명되는 새로운 위치 갱신 방안을 제안한다. 위치 지역에 기반한 기존의 위치 갱신 방법은 사용자가 새로운 위치 지역으로 이동할 때마다 매번 해당하는 홈 위치 등록기에 사용자 위치 정보를 갱신해야 한다. 반면에, 제안한 그룹 위치 갱신방식에서는 운송 시스템에 설치된 기지국만이 그룹 위치 등록기에 시스템의 위치 정보를 갱신한다. 이러한 그룹 위치 갱신은 운송 시스템 내에 있는 모든 사용자들의 위치 정보의 갱신을 의미한다. 홈 위치 등록기는 사용자에게 수신호가 도착했을 경우에만 그룹 위치 등록기에게 사용자의 위치를 조회한다. 위치 등록과 호 전달로 인한 신호 비용 관점에서의 분석을 통한 수식적인 결과로부터 사용자의 수가 증가할수록, 혹은 이동성이 증가할수록 그룹 위치 추적 방식이 기존의 IS-41 방식에 비해서 훨씬 효율적이다는 것을 알 수 있다. 제안한 방법을 사용함으로써 위치 갱신 비용의 상당한 절감을 가져올 수 있다.
둘째, 그룹 관리로 인한 부가적인 비용을 줄이기 위해서 다수의 그룹 위치 등록기들과 대표 번호들을 이용한 분산 그룹 위치 추적 방식을 제안하고, 실질적인 구현 방안을 기술하기 위해서 위치 등록기들과 대표 번호들의 관계를 정의한다. 제안된 방식에서는 홈 위치 등록기는 그룹 등록 요청 메시지에 포함된 다수의 그룹 위치 등록기들중에서 가장 가까운 그룹 위치 등록기를 선택하고 이를 그룹 관리를 위해서 사용함으로써 신호 비용을 줄인다. 신호 비용뿐만 아니라 데이터베이스 접속 비용을 고려하여 분석을 수행하고 분산 그룹 위치 추적 방식이 IS-41 방식과 그룹 위치 추적 방식에 비해서 우수한 성능을 가지는 영역을 결정한다. 수식적인 결과를 통해서 분산 그룹 위치 갱신 방법이 IS-41 방식에 비해서 훨씬 우수한 성능을 보임을 알 수 있으며, 데이터베이스 접속에 대한 가중치가 작은 경우에 그룹 위치 추적 방식에 비해서 훨씬 성능이 우수함을 알 수 있다. 이러한 제안 방식은 사용자의 이동성이 증가할 수록, 사용자의 수가 증가할 수록 더 우수한 성능을 보인다.
마지막으로, 운송 시스템에서 페이징 비용을 줄이기 위한 계층 그룹 위치 갱신 방법을 제안한다. 제안하는 방법은 광역 그룹 위치 갱신과 국부 그룹 위치 갱신의 두가지 계층화된 위치 갱신을 수행한다. 광역 그룹 위치 갱신에서는, 운송 시스템이 새로운 위치 영역으로 이동할 때마다 운송 시스템에 설치된 기지국이 그룹 위치 등록기에 운송 시스템의 위치 정보를 갱신한다. 반면에, 국부 그룹 위치 갱신에서는 운송 시스템이 하나의 위치 영역내에서 새로운 셀로 이동할 때마다 운송 시스템에 탑재된 기지국과 이동 스위치 사이에서 위치 갱신이 이루어진다. 이러한 광역 갱신은 그룹 위치 등록기에게 운송 시스템의 위치 영역 정보를 제공하고, 국부 갱신은 서비스중인 이동 스위치에게 현재 운송 시스템이 머무르고 있는 셀에 관한 정확한 정보를 제공한다. 따라서 국부 위치 갱신 정보에 의해서 하나의 셀에만 페이징을 해도 수신호를 전달할 수 있는 계층 그룹 위치 갱신 방법은 페이징 비용을 상당히 줄인다. 기존의 방법과 비교하였을 때, 제안한 방법은 위치 갱신 비용과 페이징 비용을 포함하는 위치 관리 비용을 줄인다. 또한, 하나의 셀을 페이징 하는데 소모되는 비용이 증가할수록 더욱 효율적이다.
