用于本地路由數據業務的網絡設備和方法
【專利摘要】本發明涉及用于本地路由數據業務的網絡設備和方法。該網絡設備包括用于交換數據分組的接口并且還包括分組過濾器，該分組過濾器用于連接到復制移動網絡中的錨點的數據連接上下文的本地錨點，并且用于基于包含于所述數據分組中的至少一個目的地址來確定所述數據分組是否具有所述本地網絡內的目的地。
【專利說明】用于本地路由數據業務的網絡設備和方法
[0001]本申請為申請號200910137875.5、申請日2009年5月5日、名稱為“用于本地路由數據業務的網絡設備和方法”的分案申請。
【技術領域】
[0002]本發明一般涉及無線通信領域，具體地涉及具有pico或femto無線基站的本地網絡。
【背景技術】
[0003]在蜂窩無線系統中，越來越多的無線用戶設備單元(UE)經由至一個或多個核心網的無線接入網而通信。用戶設備可以是移動電話設備、膝上型電腦、PDA或任何其他無線設備。
[0004]無線接入網覆蓋了被分成多個小區的地理區域。每個小區由至少一個基站服務。小區被定義成由基站的無線基站設備提供無線覆蓋的地理區域。每個小區由唯一的身份標識，該身份在小區內被廣播。基站通過無線接口與基站范圍內的用戶設備單元(UE)通信。
[0005]近來，所謂的femto無線基站已經被引入以用在住宅或較小的商務環境中。這種住宅或較小的商務環境可以構成本地網絡。Femto基站通過寬帶(例如DSL或電纜)將本地網絡連至服務提供商的核心網。Femto基站使得服務提供商能夠擴展室內服務范圍，尤其是在接入被限制或不可用的地方。它包括典型的基站功能性但是將其擴展成允許更簡單的自包含部署，例如包含具有回傳以太網的節點B、RNC和SGSN的UMTS基站。網關GPRS支持節點(GGSN)用作通用分組無線系統(GPRS)無線數據網絡與其他例如互聯網或專用網的網絡之間的網關。GGSN是實現用戶終端在GPRS/UMTS網絡中的移動性的錨點。它維持對于將協議數據單元(TOU)經由隧道傳送至服務于特定移動用戶的SGSN所必需的選路。無線網絡控制器(RNC)是UMTS無線接入網絡中負責控制節點B (即連至該控制器的基站)的管理單元。服務GPRS支持節點(SGSN)負責從和向在其地理服務區域內的移動臺遞送數據分組。在核心網側，SGSN與一個或多個GGSN相連。在無線接入網側，SGSN與RNC相連。節點B是UMTS無線接入網中的、負責在一個或多個小區中從/向用戶設備進行無線發射/接收的邏輯網絡組件。節點B與其覆蓋范圍內的一個或多個用戶設備以及網絡側的RNC相連。
[0006]盡管為了應用femto無線基站需要更多地關注UMTS，然而本領域技術人員應當清楚，該方法可以容易地適用于所有標準，包括GSM、CDMA2000、TD-SCDMA和WiMAX方案。然而，本發明所要解決的問題是以UMTS網絡作為例子來說明的。
[0007]UMTS femto基站是用于家庭和公司的低成本、低功率的UMTS接入點。移動運營商非常關注將femto基站用作改進室內覆蓋以及從室外U MTS無線網絡卸載業務的解決方案。對于終端用戶而言，femto基站提供了在家中使用常規蜂窩電話來進行便宜的語音呼叫和數據或多媒體會話的可能性。同樣，對于移動運營商而言，femto基站提供了在減輕其主網絡負擔的同時提供高帶寬終端用戶服務的可能性。
[0008]在femto基站解決方案中，存在femto基站的不同實現。不同femto基站方法之間的主要區別在于家庭基站上的移動網絡功能性和可以對主網絡減負的相應程度。
[0009]Femto基站的一個共同特征是在移動設備之間被交換或被發送給本地網絡中的固定設備的數據總是經過移動核心網。
[0010]為此，一種實現方式是經由femto網關(即femto基站與移動運營商網絡之間的用于提供聚集和安全網關功能性的網絡設備)、在GTP(GPRS隧道協議)隧道上將所有基于分組的終端用戶數據服務從住宅側的femto基站傳送至移動運營商的核心網中的SGSN或在一些情況下直接傳送至GGSN。從技術和商業這兩個角度來看，這對于被發送至互聯網或者位于自己的住宅或公司環境之外的終端用戶的業務而言是一種很好的方法。此外，它提供femto基站與宏小區之間的切換可能性，因為移動性鋪點位于移動網絡中(在GGSN中)。
[0011]然而，對于在與femto基站相同的本地網絡內的移動設備與PC/膝上型電腦/機頂盒之間被交換的、或在移動設備與連至femto基站的另一移動設備之間被交換的數據而言，這個解決方案不但昂貴而且低效，因為所有業務在被發送回住宅之前必須經過運營商的核心網。隨著移動終端變得越來越強大并且支持各種不同的多媒體應用，針對住宅設備與移動終端的之間的數據交換和同步的需求不斷增加，因此需要更好的解決方案。
[0012]當前，利用用戶設備(UE)的單個IP地址將用戶業務錨定在兩個不同的位置(家庭網絡中的本地業務和運營商核心網中的外部業務)是不可能的。
[0013]GPRS規范使得用戶能夠與單個或多個GGSN建立多個“PDP上下文”會話。在這種情況下，每個GGSN從其本地地址池中的一個不同的IP地址分配給終端。GGSN選擇機制是基于由UE在分組數據協議(TOP)建立期間所指定的APN(接入點名稱)的。利用這種解決方案，可以將GGSN之一定位在本地網絡中以處理本地業務。然而，這個解決方案具有多個缺點:
[0014]1.終端需要處理多個IP地址，例如選擇針對每個應用或對等節點的正確IP地址所產生的多宿問題。
[0015]2.哪個IP地址被用于哪個會話對于應用不是透明的。對于IPv4而言，每個終端的多個IP地址迅速導致公共IPv4地址的短缺。這又迫使運營商分配專用地址，這導致NAT(網絡地址和端口轉換)的已知問題，像應用層網關引入那樣。
[0016]3.該解決方案涉及APN管理。終端用戶需要向本地GGSN明確地請求PDP上下文，其不是透明的。
[0017]4.當用戶從他的femto基站切換至室外宏小區時，本地錨點需要被釋放。同樣，從femto基站到室外基站中斷了本地會話。
[0018]因此，需要一種能夠克服現有技術缺陷的方法。
【發明內容】
[0019]本發明的目的是提供一種能夠利用單個IP地址將用戶業務錨定在兩個不同位置的網絡設備和網絡結構。本發明的另一目的是提供一種用于從移動核心網卸載數據業務的方法。
[0020]本發明提供了一種用于服務于與移動網絡相連的本地網絡的網絡設備。所述網絡設備包括用于交換數據分組的接口。所述設備還包括被安排用于連接到本地錨點的分組過濾器，該本地錨點復制移動網絡中的錨點的數據連接上下文。分組過濾器也被安排用于基于包含于數據分組中的目的地址而確定數據分組是否具有本地網絡內的目的地。
[0021]在有利的實施例中，本地錨點包含于所述網絡設備中。
[0022]優選地，所述設備還被安排用于存儲用于轉發數據分組的規則。
[0023]本發明的網絡設備通常是femto基站或家庭網關。
[0024]在網絡設備是femto基站的情況下，所述分組過濾器優選地按照GTP協議或MIP協議操作。
[0025]本發明還涉及一種本地網絡，其包括至少一個如前文所述的網絡設備和用于復制移動網絡中的錨點的數據連接上下文的本地錨點。如已經提及的那樣，所述本地錨點可以有利地集成到所述網絡設備中。
[0026]在另一方面中，本發明涉及一種用于從移動網絡卸載數據業務的方法，由此所述移動網絡連接到本地網絡。該方法包括下列步驟:
[0027]-利用所述本地網絡中的網絡設備的分組過濾器、基于待交換的數據分組中的目的地址來確定該待交換的數據分組是否具有所述本地網絡內的目的地，由此所述網絡設備中的分組過濾器連接到復制移動網絡中的錨點的數據連接上下文的本地錨點，
[0028]-如果是，則將該數據分組轉發至所述本地網絡內的目的地址，
[0029]-否則，將該數據分組轉發至所述移動網絡。
[0030]在優選的實施例中，所述方法還包括利用數據分組轉發規則來配置所述分組過濾器的步驟。
[0031]在有利的實施例中，所述移動網絡經由寬帶接入網而連接到本地網絡。
[0032]確定的步驟可以有利地基于目的地址并結合包含于所述數據分組中的其他數據。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1示出了本發明的各種實施例；
[0034]圖2不出了包括femto基站和豕庭網關的端到端解決方案的功能圖；
[0035]圖3示出了會話建立的示例；
[0036]圖4示出了下行鏈路分組的轉發；
[0037]圖5示出了上行鏈路分組的轉發。
【具體實施方式】
[0038]本發明提供了一種對用戶設備和移動核心網透明的解決方案，其實現了移動終端與通常連至同一本地數據網絡的IP主機之間的高效數據交換，同時非本地業務仍以傳統方式在移動核心網中被路由。在這里，透明性是指對于本地和外部IP通信均使用單個IP地址以及當執行向或從室外基站的切換時維持IP會話連續性的能力。
[0039]本地數據傳送的一些例子是:
[0040]-將最新的圖片從移動終端上載至臺式PC或TV機頂盒，
[0041]-將最新的mp3播放列表下載至移動終端，
[0042]-同步郵件、聯系地址和日歷數據，
[0043]-將音頻圖書下載至移動終端，
[0044]-下載最新的鈴音、背景、GIF等，和
[0045]-同一家庭或小型公司中的成員之間的基于MS的多媒體和語音服務。
[0046]盡管重要的應用領域是針對住宅femto基站的，然而如這里描述的相同機制也可以應用于公司環境，并且如已經提到的那樣應用于其他蜂窩解決方案，例如WiMAX，CDMA2000，TD-SCDMA或LTE (長期演進，第四代移動電話標準)。
[0047]為了解決多重IP地址和GGSN選擇的問題，第二鏡像/虛擬GGSN被弓丨入本地網絡。當連接到femto基站時,所有新的和現有的分組數據協議(F1DP)上下文被自動復制到本地GGSN。本地PDP上下文關聯于與其外部對應體相同的IP地址和屬性。這樣做高效地創建了兩個數據錨點，一個本地和一個外部錨點，這兩個錨點都能夠過濾進入的分組并將其轉發至正確的PDP上下文。
[0048]除了本地GGSN鏡像之外，GTP分組過濾器或業務流模板對于確定要向其上行發送分組的GGSN實例而言也是必需的。GTP分組過濾器的任務是基于目的IP地址、可能地結合內部GTP分組的其他參數來確定目標GGSN。如果目的地址對應于本地網絡內的IP地址或連至同一 femto基站(同一本地網絡中的另一 femto基站)的移動終端，則GTP隧道被重新定向至復制核心網絡中的GGSN的數據上下文的本地錨點，所有其他分組被發送至移動運營商網絡中的GGSN。
[0049]對于從本地PC或IP主機被發送至連接到本地網絡中的femto基站的移動終端的分組而言，在家庭網關需要類似的過濾器。作為目的地址而具有用戶設備單元(UE)地址的分組必須被家庭網關重新定向至服務femto基站。通過家庭網關與femto基站之間的專用信令消息或通過由femto基站使用ICMP(互聯網控制消息協議)重定向和無償ARP(地址解析協議)，能夠設定正確的轉發規則。ICMP重定向確保當無償ARP消息允許將移動終端的IP地址關聯于femto基站的MAC地址時第三層選路表被調整。
[0050]由于上行鏈路和下行鏈路過濾由本地網絡內的網絡單元(femto基站和家庭網關)執行，因此整個過程對于移動終端和移動核心網二者都是透明的。
[0051]從femto基站至室外覆蓋的切換可以如下進行。當在本地網絡內完成分組過濾時，從室內femto至室外蜂窩網絡的GPRS會話切換導致所有分組被轉發至移動運營商的GGSN。當femto基站檢測到移動終端已經切換會話時，它必須指示家庭網關重設針對該特定終端的第二層和第三層轉發規則。重設第二層和第三層轉發規則導致去往用戶設備的分組被家庭網關轉發至核心網絡中的移動錨點。該移動錨點又將分組遞送至當前連接到宏小區的移動設備。這確保了切換發生之后的服務連續性。
[0052]從室外基站到femto基站的切換可以如下進行。室外基站到femto基站的切換對應于當前GPRS網絡內已知的SGSN間的切換。在SGSN間切換期間，所有PDP上下文信息從舊的SGSN被推送至femto基站的目標SGSN。在PDP上下文信息中，所有必需的信息被復制并且被推送至本地GGSN。在femto基站已檢測到用戶設備已成功切換會話之后，它按照前面說明的方法來配置家庭網關和femto基站的分組過濾器中的合適的轉發規則。
[0053]上面描述的解決方案是基于3GPP TS 23.060和組合節點B、RNC和SGSN功能性且連至運營商網絡內的GGSN的femto基站的。相同的原理也可以一個用于其他femto基站實現變型，如下文所說明的那樣。圖1示出了三個變型。
[0054]在一個實施例中，femto基站組合了節點B和RNC功能性并且與運營商網絡內的SGSN相連。在用戶平面內，RNC和SGSN之間的接口是基于GTP-U的并且等同于SGSN與GGSN之間的接口。
[0055]可選地，femto基站可以組合所有GPRS功能性(節點B、RNC、SGSN、GGSN)并且經由移動IP(MIP)接口而連至運營商網絡內的MIP歸屬代理(HA)。盡管協議是不同的(MIP與GTP)，然而可以像在GTP實施例中那樣應用相同的過濾標準和規則。
[0056]作為另一個選項，femto基站可以在相關移動網絡支持“直接隧道”特征的情況下組合節點B和RNC功能性。直接隧道化是3GPP中說明的一個選項，其將SGSN功能性限制成純粹的控制實體。數據平面從RNC被直接隧道傳送至GGSN。這個方案組合了利用基于網絡的SGSN的方案的控制面的優點(例如更安全且受限的歸屬位置寄存器(HLR)信令)和在集中式GGSN方案中可用的最佳數據路徑。
[0057]相同的原理也適用于WiMAX或基于LTE的結構以及其后繼者，其中錨點分別稱為歸屬代理(HA)和分組數據網絡網關(PDN-GW)。
[0058]圖2示出了經由基于DSL的寬帶接入網與移動核心網中的錨點互連的femto基站的功能圖。移動核心網中的錨點是GGSN。所述femto基站是包括節點B/RNC、SGSN、GTP過濾器和本地GGSN功能性的網絡設備。所述femto基站經由包括DSL調制解調器和路由器以及NAT功能性的網關與本地網絡互連。網關還包括用于經由DSL線與外部數據網絡互連的裝置。一個或多個無線用戶設備(UE)與femto基站通信以交換數據分組。
[0059]標號I的鏈路代表基站與移動核心網中的錨點之間的、用于在UE與外部網絡間交換數據的數據路徑。在這個實施例中，標號I的鏈路上的UE數據分組通過GTP(GPRS隧道協議)而被隧道化。
[0060]標號2的鏈路代表用于在連至femto基站的無線UE與IP主機或連至本地網絡的PC之間通信的本地數據路徑。通過標號2的鏈路交換的數據分組未被隧道化。標號I和2的鏈路代表邏輯鏈路而非物理鏈路。
[0061 ] 對于來自UE的上行鏈路分組而言，GTP過濾器基于上行鏈路分組的目的地址來確定數據分組是應當被發送至本地GGSN還是移動核心網中的GGSN。外部數據沿著標號I的鏈路而被發送至移動核心網中的GGSN。具有本地IP主機作為目的地的數據由本地GGSN處理。本地GGSN端接GTP隧道化并且將本地分組轉發至網關，該網關又將該分組遞送給本地IP主機。
[0062]對于下行鏈路分組而言，是由網關來確定分組應被發送至外部網絡(通過DSL鏈路)還是本地femto基站。該網關基于接收自本地IP主機的分組的目的IP地址來執行這個轉發。如果目的IP地址匹配于連接到本地femto基站的UE之一的地址，則該網關將數據分組轉發給相應的femto基站。家庭網關的分組過濾器中的轉發規則由femto基站在檢測到具有激活PDP上下文的連接上的UE時動態地設置。
[0063]圖3示出了用于按照3GPP TS 23.060建立GPRS PDP上下文的典型信令流。添加了附加的步驟從而實現優化的本地數據選路。前兩個消息表示UE連接到femto基站所必需的信令。必需的信息被存儲在HLR(歸屬位置寄存器)中。在連接到femto基站之后，UE可以開始建立去往移動核心網中的錨點的PDP上下文。在PDP上下文激活期間，在femto基站與移動核心網之間交換所有必需的信息以成功地建立從UE至移動核心網的IP會話。所交換的信息可以包括所需要的QoS、UE的IP地址、GGSN的選擇等等。能支持優化的本地數據選路的femto基站基于在PDP上下文激活期間交換的信息來創建GGSN的本地復制。GTP分組過濾器也能夠與本地錨點一起基于預設置的配置信息。在成功的PDP上下文激活之后，已經創建兩個錨點，一個在移動核心網中的用于外部數據的錨點和一個用于本地數據交換的本地錨點，這兩個錨點都能夠接收進入的UE數據分組并且將它們轉發給相應的UE。
[0064]最后一步包括利用與分配給UE的IP地址相對應的轉發規則來更新網關。這可以通過組合ICMP重定向和無償ARP或通過femto基站與網關之間的直接信令來完成。這個新的IP轉發規則確保具有作為目的地址的UE地址的分組被中繼到服務于該UE的femto基站O
[0065]在成功的PDP上下文激活之后(如圖3所示)，所有正確的功能就位以正確地路由數據分組。圖4示出了處理由本地IP主機發送給連至本地femto基站的UE的外部和本地數據分組中的差異。分組過濾標準在上面兩個方框中說明。圖的上半部示出了由本地IP主機發送給連至本地femto基站的UE的下行鏈路分組處理。
[0066]由本地IP主機發送的分組被網關攔截并且將其目的IP地址與網關轉發表中的條目相比較。對于連接到本地femto基站的UE而言,轉發表中的條目指向femto基站的MAC地址。在圖中，UE IP地址用HoA(歸屬地址)表示。網關將具有UE IP地址作為目的地的分組路由至本地femto基站。在femto基站內，本地GGSN復制處理進入的分組并且將其置于正確的PDP上下文。
[0067]圖的下半部(虛線以下)表示由UE通過femto基站發送給本地IP主機或連至外部網的IP主機的分組的處理。
[0068]UL轉發表由femto基站中的GTP分組過濾器使用以確定分組是應當被發送至本地GGSN還是遠程GGSN。GTP隧道中的內部分組的IP目的地址匹配于IP子網掩碼(10.255.255.255)。如果目的地在同一子網內，則GTP隧道就被轉發至本地GGSN實例。本地GGSN端接GTP隧道并將明文IP分組轉發至本地網絡的網關。該網關將分組直接轉發至本地IP主機。當目的IP地址與本地主機的子網不匹配時，所有GTP隧道化分組被轉發至停駐于移動核心網中的GGSN。
[0069]如果不再需要，則PDP上下文可以被釋放。圖5示出了這種PDP上下文釋放。除了標準的PDP上下文釋放過程之外，PDP上下文的釋放導致了網關的分組過濾規則的刪除和本地GGSN中的相關PDP上下文信息的釋放。當UE切換至宏小區時也需要類似的動作。GTP分組過濾器復制所有去往本地GGSN的GTP-C消息。在收到來自移動網中的GGSN的TOP上下文釋放確認后，femto基站釋放網關中針對該UE地址的分組轉發規則。在針對該UE地址的轉發規則被重設之后，網關停止將分組轉發至本地錨點而是通過寬帶接入網發送它們。
[0070]本發明因而描述了關于終端用戶和設備的透明機制，其組合了錨定在針對外部數據的移動運營商網絡的傳統數據與歸屬環境中的設備間的優化本地業務。本發明以對移動終端和移動核心網均為透明的方式而解決了 UMTS移動終端與家庭設備之間的本地業務交換。
[0071]盡管參考特定實施例描述了本發明，然而本領域技術人員應當認識到，本發明不限于前面說明的實施例的細節，并且本發明可以以各種不脫離其精神和范圍的改變和修改而得到體現。本發明的實施例因而是說明性而非限制性的，本發明的范圍由所附權利要求限定而不是前面的描述，因此包含了在與權利要求等價的含義和范圍內的所有改變。換言之，設想覆蓋了在基本原理的精神和范圍內并且其基本屬性在本申請中被主張權利的所有的修改、變型或等價物。此外，本專利申請的讀者應當理解，詞語“包括”并不排除其他單元或步驟，詞語“一個”并不排除多個，并且例如計算機系統、處理器或另一集成單元的單個單元可以實現權利要求中描述的幾個裝置的功能。權利要求中的任何參考標記不應但被看作對各個有關權利要求的限制。說明書和權利要求中使用的術語“第一”、“第二”、“第三”、“a”、“b”、“c”等被用來區分相似的單元或步驟而并非規定順序或時序。類似地，術語“上”、“下”等指示用于進行描述而并非表示相對位置。應當理解，所使用的術語在合適的情況下是可互換的，并且本發明的實施例能夠按照本發明以其他順序操作，或者以與上文所說明的不同的方向操作。
【權利要求】
1.一種用于服務于與移動網絡連接的本地網絡的網絡設備，所述網絡設備包括用于交換數據分組的接口，其特征在于，還包括分組過濾器，該分組過濾器用于連接到復制所述移動網絡中的錨點的數據連接上下文的本地錨點，并且用于基于包含于所述數據分組中的目的地址來確定該數據分組是否具有在所述本地網絡內的目的地。
2.根據權利要求1所述的網絡設備，其中，所述本地錨點包含于所述網絡設備中。
3.根據權利要求1或2所述的網絡設備，其中，所述分組過濾器用于存儲數據分組轉發規則。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的網絡設備，其中，所述設備是femto基站。
5.根據權利要求4所述的網絡設備，其中，所述分組過濾器是按照GTP協議或MIP協議操作的。
6.根據權利要求1至3中任一項所述的網絡設備，其中，所述設備是網關。
7.一種本地網絡，包括根據權利要求1至6中任一項的至少一個網絡設備和用于復制移動網絡中的錨點的數據連接上下文的本地錨點。
8.一種用于從移動網絡卸載數據業務的方法，所述移動網絡與本地網絡相連，所述方法包括下列步驟: -利用所述本地網絡中的網絡設備的分組過濾器、基于待交換的數據分組中的目的地址來確定所述待交換的數據分組是否具有在所述本地網絡內的目的地，由此所述網絡設備內的所述分組過濾器連接到用于復制移動網絡中的錨點的數據連接上下文的本地錨點， -如果是，則將所述數據分組轉發至所述本地網絡內的所述目的地址， -否則，將所述數據分組轉發至所述移動核心網。
9.根據權利要求8所述的方法，還包括利用數據分組轉發規則來配置所述分組過濾器。
10.根據權利要求8或9所述的方法，其中，所述移動網絡經由寬帶接入網而與所述本地網絡相連。
11.根據權利要求8至10中任一項所述的方法，其中，所述確定的步驟是基于所述目的地址并結合包含于所述數據分組中的其他數據的。
【文檔編號】H04W8/08GK104270738SQ201410527954
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2009年5月5日 優先權日:2008年5月7日
【發明者】S·勒魯瓦, A·烏列 申請人:阿爾卡特朗訊公司