移动通信网中的数据库

移动通信网中的数据库


摘要 移动通信网有多种数据库，由于要对移动用户进行管理，它们与通常的数据库不同。文章分
析了移动通信网数据库系统的技术特征。

关键词 数据库 数据库管理系统 移动性管理

1数据库技术的发展现状

数据库技术的发展经历了三个阶段。第一阶段，1969年IBM公司研制了基于层次模型数据库管
理系统（IMS），并作为商品化软件投入市场，该系统至今还有其特定用户，技术还在继续发展。
第二阶段从60年代到70年代初，美国数据库系统语言协会（CODASYL）下属的数据库任务组
（DBTG）对数据库的方案和技术进行了系统研究，提出了DBTG报告。该报告提出了数据库系统的
许多基本概念、方法和技术，成为网状数据模型的典型代表，奠定了数据库发展的基础。DBTG的
存取效率较高，系统研制较容易，但数据独立性差，用户使用不方便。目前一些实时性要求较高的
专用系统仍采用网状模型。第三阶段，1970年IBM公司的E.F.Codd发表了基于关系模型数据库技术
的论文“大型共享数据库数据的关系模型”，获得1981年ACM图灵奖。

随着数据库技术和计算机软硬件水平的提高，近年来又出现了许多新的数据库技术，如实时
数据库、主动数据库、内存数据库、分布数据库、面向对象数据库、多介质数据库及专家数据库
等。

分布式数据库是数据的集合，它在逻辑上属于同一个整体，但存放在不同节点。在分布式数
据库中，每个节点都有自己的数据库管理系统（DBMS），具有高度的自治性，其位置对于用户而
言是透明的，与集中式数据库相比，可靠性和灵活性更高。考虑到系统的性能和效率，分布式数据
库往往把数据集的不同副本存放在不同节点，以减少网络传输的开销，但同时又增加了副本数据库
更新操作所需的开销。因此对副本数据库存放策略进行研究，是分布式数据库设计的重要任务。

传统的DBMS无法满足存取大量共享数据和控制信息的应用要求（如过程控制和网络管理
等），这类应用的共同要求是 DBMS能监视系统状态，无须用户干预就能调度相关任务，并使其满
足定时和一致性等要求。因此人们提出了主动数据库的概念。主动DBMS扩展了以下功能：（1）用
户可显式地定义想要监视的情形（事件和条件）；（2）系统能自动检测和评价出现的状态；（3）
一旦定义的状态出现，即进行相应的工作。这些功能除了支持外部应用，还可实现或扩展DBMS本
身的功能，如完整性及安全性控制等。

实时数据库系统（RTDBS）是业务和数据都有定时特性或显式时间限制的数据库系统。系统的
正确性不仅依赖逻辑结果，还依赖逻辑结果产生的时间。RTDBS是数据库和实时系统的结合，它集
成两者的概念和要求，同时处理定时性和一致性。对RTDBS而言，实时指的是能设置和处理“显
式”的定时限制，即通过“识时协议”处理有关的截止时间或定时限制。

随着计算机硬件技术的不断发展，动态随机存取存储器（DRAM）的容量越来越大，这无疑为
计算机内存的不断扩大提供了硬件基础，但在并行数据库，后端机I／O瓶颈越来越突出，因此出现
了内存数据库（MMDB），它将整个数据库或大部分热点数据存放在主存中，消除了I／O瓶颈。在
传统的面向磁盘数据库DRDB中，数据库主备份位于磁盘，在MMDB中则位于主存。对不同的存储介
质，DBMS采取的策略也各不相同。数据驻留内存，可以大部分或全部在内存中存取数据，缩短系
统的响应时间，对于实时数据库系统有重要意义。

2移动通信网的数据库

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HLR还是VLR，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。

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。

2.1数据库在网络中的位置

CISM、Is－41和CDMA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～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。

在通常的移动性管理策略中，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。

2.2数据管理方法

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。

2.3数据库的实时性

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。

2.4数据库的可靠性

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。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。

2.5数据库的过载控制

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。

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