CN101047952B - 一种移动通信中控制用户平面数据转发的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种移动通信系统中控制用户平面数据转发的方法，该方法中，切换控制功能实体根据用户的业务服务质量要求控制业务数据单元从切换源端的业务数据单元缓存实体向切换目标端的转发，针对不同的业务类型，本发明方法采用了一系列的切换源端和切换目标端相互配合的转发处理机制。本发明的方法可以降低切换执行过程中的通信中断时间对业务数据流行为的影响，有效保证了不同业务的端到端用户体验需求。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信系统，尤其涉及具有控制平面和用户平面的移动通信系统中控制切换源端用户平面业务数据向切换目标端进行转发的技术。
背景技术
移动通信系统自诞生以来，以其能够为用户提供移动状态下不间断通信能力作为其基本特征之一而获得了巨大的发展。在第三代移动通信系统的逐渐部署以及对后续长期演进计划(LTE)的研究中，移动通信系统所支持的业务及应用类型不断丰富，业务的传输速率等级也由早期的单一速率逐渐发展到多种速率共存、速率等级之间的差异逐渐扩大。这些变化趋势为现有移动通信系统及其新一代移动通信系统的设计提出了日益增加的挑战，特别是一直作为移动通信系统的性能瓶颈之一的切换环节的设计和实践。
目前在LTE系统中，基本接受了如图1所示的系统架构，该系统架构的确定也同时受到了第三代移动通信合作伙伴计划(3GPP)的另一项演进计划——业务与架构演进(SAE)计划的影响。在该系统架构中，包括完成传统基站功能和无线资源管理功能的E-Node B实体和主要完成核心网接入处理功能的aGW实体，与3GPP系统的网络架构相比，无线网络控制器(RNC)实体不再存在，其功能被分解而分别存在于E-Node B和aGW实体以及可选的无线资源管理服务器。由于采用了分布式的处理方式，完成切换功能控制的实体在LTE系统中就是E-Node B实体。目前关于该系统的切换研究分成两个部分：控制平面切换流程和用户平面切换机制，其中控制平面切换流程的基本框架已经确定，但是关于用户平面的切换机制还在讨论中。从目前公开的文献和发展趋势看，用户平面的切换机制在以下几个方面是确定的：
(1)在切换准备期间，切换源端的E-Node B和切换目标端的E-Node B之间要建立用户面隧道；
(2)在切换执行期间，用户数据是从切换源端的E-Node B转发至切换目标端E-Node B。
然而，由于切换过程中切换执行时间的不确定性，以及存在在向目标基站切换失败后回切到原来基站的可能性，不加区分地对所有的业务采用相同的机制可能会对业务数据流的行为产生影响，并由此而影响端到端的用户体验。目前的移动通信系统中，就业务的服务质量参数而言，将业务类型分为会话类业务、流类业务、交互类业务和后台类业务。例如，对于实时性很强的会话类业务，进行业务数据的转发，反而会增加用户平面的传输时延。而对于可忍受较大传输时延的后台类业务，过早地向切换目标端转发业务数据增加了切换失败时网络不必要的传输负担。
发明内容
本发明的目的是提供一种在移动通信系统中控制用户平面数据转发的方面，用于解决现有技术中没有针对不同业务的类型进行有区分地处理，从而使切换执行所造成的通信中断时间对不同的业务产生不同性质的影响业务流行为的问题，本发明的方法可以改善不同业务的端到端的用户体验。
为此，本发明提供如下的技术方案：
一种移动通信系统中控制用户平面数据转发的方法，所述的移动通信系统包括用于传输信令的控制平面和用于传输业务数据的用户平面，其特征在于，切换控制功能实体根据用户的业务服务质量参数控制业务数据单元从切换源端的业务数据单元缓存实体向切换目标端的转发，具体是：预先根据用户的业务服务质量参数将系统支持的业务分为若干切换转发类别，并为每种切换转发类别设置一个转发业务数据单元的延迟时间；切换控制功能实体根据用户的业务服务质量参数确定业务的切换转发类别，并在收到切换目标端的切换响应消息后，再延迟相对应的所述延迟时间后开始向切换目标端转发业务数据单元。
如果切换控制功能实体确定需要将切换源端业务数据单元缓存实体中的业务数据单元转发给切换目标端，则进一步包括控制在切换源端和切换目标端之间建立用户平面隧道的步骤；如果切换控制功能实体确定不需要将切换源端业务数据单元缓存实体中的业务数据单元转发给切换目标端，则不包括控制在切换源端和切换目标端之间建立用户平面隧道的步骤。
所述的切换控制功能实体可以是移动通信系统中的基站、基站控制器、或连接切换源端和切换目标端的移动性管理实体。所述的业务数据单元缓存实体是指设置了一定的存储空间，用于临时存放向小区内发送下行方向用户数据的实体。
可选地，切换源端的业务数据单元缓存实体在向切换目标端转发时，按照先转发后接收到的业务数据单元的原则进行转发。
可选地，所述的切换转发类别至少是根据业务服务质量参数中的业务类型参数确定的。
可选地，所述的切换转发类别至少是根据业务服务质量参数中的业务数据包容错率确定的。
另外，本发明还提供用于切换中切换目标端业务数据缓存实体的一种移动通信系统中控制用户平面接收转发数据的方法，所述的移动通信系统包括用于传输信令的控制平面和用于传输业务数据的用户平面，其特征在于，
切换目标端在向切换源端发送切换响应消息后开启一个定时器，切换目标端的业务数据单元缓存实体在定时器未到达计时终点时，能够接收切换源端转发的业务数据单元，当定时器到达计时终点后，切换目标端的业务数据单元缓存实体将不再接收切换源端转发的任何业务数据单元。所述定时器的时长为T1+Tx+Td’，其中T1为切换源端和切换目标端之间的平均传输时延、Tx为切换源端接收到切换响应消息到向移动终端发出切换命令的处理时间，Td’为业务的切换时延要求，所述的切换时延要求Td’根据该业务的服务质量参数中的传输时延参数以及预先确定的不同传输时延参数的范围所对应的切换时延要求来确定。
所述的方法还包括，切换目标端与进行切换的移动终端建立无线连接后，向移动终端发送下行数据，并优先按照当前业务数据单元缓存实体中的业务数据单元序号进行处理。
本发明的方法有效利用了不同业务的服务质量参数信息，在切换对不同的业务采用不同的用户平面切换处理机制，例如，如果切换中断时延对业务的实时性有明显影响，则切换不对这类业务的业务数据单元进行转发，对于可忍受一定数据包容错率和传输时延的业务，则采取优先并尽快转发的处理方式，而切换目标端则对切换时延超过一定范围的用户数据单元不进行接收，从而保证了后续业务数据单元的传输时延要求，而对于数据包容错率要求很高并且对传输时延不敏感的业务，在切换时则尽量使得切换目标端在于移动中断建立无线连接后才开始接收到转发的业务数据单元。通过本发明的方法，对不同的业务在切换过程中采用了不同的业务数据单元转发机制，从而可以最大程度地保证各种业务的服务质量要求，取得改善端到端用户体验的效果。
附图说明
图1为实施本发明的移动通信系统的网络架构示意图；
图2为本发明中的移动通信系统切换控制流程的示例；
图3为本发明方法的实施流程图；
图4本发明方法的各时间点的定时关系。
具体实施方式
本发明的核心在于针对移动通信系统的切换过程中对业务平面的业务数据单元从切换源端向切换目标端转发时，根据业务的服务质量参数采用不同的转发处理机制。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1所示为目前在3GPP LTE中进行标准化的宽带无线移动通信系统，其中，aGW(Access GateWay)表示宽带无线移动通信系统的接入服务网关实体，用于完成系统内用户的接入以及系统内信令和业务的路由转发等功能。附图1中的E-Node B表示新型的Node B逻辑节点，用于完成空中接口物理层及部分高层协议，是移动终端接入系统时首次访问的节点。图1中的RRM Server是一个可选的功能实体，它主要用于辅助完成宽带无线移动通信系统中小区之间的无线资源管理过程，它还可能为多小区间移动性管理过程提供数据源。图1中尚未示出用于无线资源配置的操作维护实体，此操作维护实体与E-Node B间具有开放接口，是宽带无线移动通信系统的必备实体。
图1中所示的X1接口表示宽带无线移动通信系统中E-Node B之间的连接关系，是E-Node B之间控制平面信令传输的通道，是无线接入网中的内部接口。图1中所示的S1接口是宽带无线移动通信系统中无线接入网络与其上级节点之间的接口，用于提供控制平面和用户平面的传输链路。图1中所示的O1接口，是一个可选的接口，当系统部署了RRM Server这个可选的功能实体时，E-Node B需要通过安装O1接口来实现与RRM Server之间的连接。
图1所示的宽带无线移动通信系统并不限定无线资源控制RRC(RadioResource Control)过程的执行位置，也就是说，RRC可能由E-Node B完成，也可能由aGW来完成，甚至两者可能配合完成或者各承担RRC的部分功能。当RRC的过程由aGW来完成时，实际上意味着aGW实现了传统意义上的某些无线接入网功能。本发明中所指的切换控制功能可以视为无线资源控制功能的一部分，因此，完成切换控制功能的实体在本发明中可以是图1中的E-Node B，即基站实体，也可以是aGW实体，另外也可以是现有3GPP R4或R5等版本定义的无线网络控制器实体，本发明中尽管是以图1的LTE系统来进行具体实施例的说明，但显然本发明的思想是具有很广的适应性的。在图1的移动通信系统中，切换源端即移动终端在切换之前进行通信的E-Node B，切换目标端即移动终端切换之后进行通信的E-Node B，业务数据单元缓存实体也就是E-Node B实体，但是在3GPP R4或R5等版本定义的其它移动通信系统中，业务数据单元缓存实体则是无线网络控制器。尽管存在这些实体功能与实际物理实体上映射的差别，但这些均应不影响本发明的使用范围。
本发明所指用户平面切换机制基于如图2所示的系统内移动性管理过程即切换控制流程。图2所示的切换控制流程涉及MS(移动终端)、切换源端功能实体、切换目标端功能实体以及aGW。切换源端功能实体和切换目标端功能实体可能由E-Node B完成，也可能由aGW完成。该切换控制流程遵循如下步骤：
步骤201，切换源端功能实体为MS生成测量区域限制信息，这些限制主要来源于漫游限制，将这些信息应用到切换测量过程中可避免不必要的测量。
步骤202，切换源端功能实体根据测量区域限制信息控制MS的测量过程。
步骤203，切换源端功能实体根据MS汇报的测量结果，以及其他无线资源管理过程决定MS要切换到一个由别的无线资源管理功能实体控制的小区Cell上。
步骤204，切换源端功能实体请求切换目标端功能实体准备在目标侧的切换。
步骤205，切换目标端功能实体接到请求以后，开始预留资源做切换入的准备工作，如为切换用户分配资源等。
步骤206，当切换目标端功能实体为当前切换准备成功或成功分配资源后，向切换源端功能实体返回切换响应。
步骤207，切换源端功能实体收到切换目标端功能实体发送的切换响应后，便命令移动终端执行切换动作。
步骤208，移动终端尝试获得与目标端的E-Node B进行系统同步，尝试建立与目标端的无线连接。
步骤209，当移动终端与目标端的E-Node B完成同步，建立与目标端的无线连接之后，给切换目标端功能实体发送指示表明切换已经成功。
步骤210，切换目标端功能实体收到移动终端切换成功的指示后，立即给aGW发送切换完成消息表明移动终端已经位于目标小区。系统将根据此消息执行用户平面路径切换，即aGW将后续的业务数据单元开始向目标端发送，这种方式称为晚切换机制，与此相对应还有早切换机制，但这些都属于aGW实体具体采用的机制，不影响本发明的实施。
步骤211，由切换目标端功能实体触发对切换源端功能实体所占资源的释放过程。
步骤212，如果所切换到的小区属于新的TA(TrackArea，即跟踪区域)，移动终端需要通过aGW实体向网络登记，这个过程又会刷新步骤201所指的针对MS的测量区域限制信息。
3GPP演进系统LTE中对一个业务的服务质量QoS还没有完全明确的定义，但是从最新的标准化进程来看，3GPP演进系统趋向于采用与目前UMTS系统中雷同的QoS分层体系(参照TR23.907和TS23.107标准)，因此不难假定UMTS中无线接入网范畴的某些QoS参数将在3GPP演进系统中继续被利用。本发明所述方法以目前UMTS系统中无线接入网范畴的QoS参数为基础，但是并不排除3GPP演进系统以后定义的新型QoS参数应用于本发明。
本发明述及的QoS参数主要包括业务类型(Traffic Class)、传输时延(Transfer Delay)要求、数据包的容错率(Error Ratio)、最大比特率、最大包长、保证比特率、业务处理优先级等。其中业务类型(Traffic Class)是指UMTS系统中规定的四类业务即会话类(Conversational)、流类(Streaming)、交互类(Interactive)和后台类(Background)。
本发明的控制用户平面数据转发的方法应用于上述步骤的207至步骤211之间，具体如下：
步骤301，切换源端控制功能实体在向移动终端发送切换命令后利用该切换业务的服务质量参数确定针对该业务的数据转发开始时间点。
数据转发的开始时间点可以选择附图2所示的切换流程的步骤207到步骤211之间。首先可以针对某些不能承受数据转发所带来的时延的业务，例如在这里，可以认为实时会话类业务具有这样的特性，对这类业务可以确定不进行业务数据单元的转发，而对其它业务则确定需要进行业务数据单元的转发。
如果切换控制功能实体确定需要将切换源端业务数据单元缓存实体中的业务数据单元转发给切换目标端，则进一步包括控制在切换源端和切换目标端之间建立用户平面隧道的步骤；如果切换控制功能实体确定不需要将切换源端业务数据单元缓存实体中的业务数据单元转发给切换目标端，则不包括控制在切换源端和切换目标端之间建立用户平面隧道的步骤。
对于会话类业务采用不转发的原理，即源端E-Node B即使缓冲了当前业务的数据包PDU，也不转发给目标端E-Node B。目标端E-Node B仅在接收到aGW的数据包后才开始向移动终端发送下行数据包PDU。这种方法要求网络在切换执行过程中丢弃当前业务的下行数据包。切换执行之前，移动终端从源端E-Node B接收到了PDU1。因为切换执行过程，移动终端未能从源端E-Node B接收到PDU2和PDU3。目标端E-Node B从aGW首次接收到的用户平面数据包是PDU4，因此直接将PDU4发送给移动终端。在切换中断窗口之内，移动终端损失的业务数据单元是PDU 2和PDU3。
而对于其它业务则采用数据转发原理，即源端E-Node B需要将缓冲的当前业务的尚未发送过的数据包PDU，全部转发给目标E-Node B。目标E-NodeB需要负责将这些数据包投递给移动终端。该方法可能导致目标E-Node B同时接收到来自源端E-Node B和aGW针对当前移动终端的数据包。这种方法要求源端E-Node B转发完其缓冲的全部数据以后才拆除其与目标端E-NodeB之间的数据隧道，而不管其是否在转发过程接收到切换完成触发的资源释放命令。切换执行之前，移动终端从源端E-Node B接收到了PDU 1。因为切换的执行过程，源端E-Node B缓冲了PDU2、PDU3和PDU4，PDU5是目标端E-Node B从aGW接收到的数据包。在切换执行期间源端E-Node B向目标端E-Node B转发其缓冲的数据包PDU，转发原则是先转发后接收到的数据包PDU，因此PDU4最先被转发，PDU2最后被转发，但是这个转发原则并不保证这些PDU按相同的次序到达目标端。目标端为保证发往移动终端的PDU是按序投递的，只有在接收到PDU2时才开始向移动终端发送数据包。
当然如果经过实际应用表明，对于会话类业务这种实时性很强的业务，如果也可以承受因为转发而带来的延迟，则也可以对所有的业务都采取转发的措施。但是，为了满足业务的差异性，可以对不同的业务采取控制不同的转发时间起始点的方式。这种控制方式可以预先根据业务的服务质量参数将系统支持的业务分为若干切换转发类别，并为每种切换转发类别设置一个转发业务数据单元的延迟时间。在切换过程中，切换控制功能实体根据业务的服务质量参数确定业务的切换转发类别，并在收到切换目标端的切换响应消息后，再延迟相对应的所述延迟时间后开始向切换目标端转发业务数据单元。切换转发类别可以根据业务服务质量参数中的业务类型参数确定，例如，针对会话类、流类、交互类和后台类4个业务类别，可定义对应4个不同的转发时间延迟点，其中顺序在前的类别应尽快进行转发，这是因为这4种业务的传输时延依次敏感程度下降。或者也可以根据业务服务质量参数中的业务数据包容错率确定。例如，根据数据包容错率的定义，移动通信系统所支持的数据包数量级在10e-1到10e-8之间。可以规定针对数据包容错率在10e-1到10e-3之间的业务，源端切换控制功能实体选择在切换执行阶段的第207步(附图2)转发缓冲数据，针对数据包容错率在10e-6到10e-8之间的业务，源端切换控制功能实体选择在切换执行阶段的第211步(附图2)转发缓冲数据，而数据包容错率在10e-4到10e-5之间的业务，则源端切换控制功能实体可以选择在第207步之后的某一段时间(令为K毫秒)开始转发缓冲数据。根据当前3GPP演进系统对切换中断时间的需求，可以认为切换中断时间在几十毫秒之间，因此上述中的K值也应在几十毫秒量级，为说明起见，可以令K＝25ms。上面的阐述可以利用如下表格说明。
| 业务数据包容错率 | 10e<sup>-1</sup>到10e<sup>-3</sup> | 10e<sup>-4</sup>到10e<sup>-5</sup> | 10e<sup>-6</sup>到10e<sup>-</sup> |
| 转发时间点 | 图2中第207步 | 图2中第207步延时K毫秒(如K＝25ms) | 图2中第211步 |
上述示例仅用于说明如何利用业务的QoS参数确定源端切换控制功能实体转发缓冲数据包的时机，具体应用上述方法时应利用3GPP演进系统中定义的类似参数，而且可以根据切换中断时延的经验数值进一步细分系统的转发时间点，也可以综合考虑QoS参数中的各参数进行细分。
步骤302，切换目标端E-Node B在向切换源端E-Node B发送切换响应消息后开启一个定时器，切换目标端的业务数据单元缓存实体在定时器未到达计时终点时，可以接收切换源端转发的业务数据单元，当定时器到达计时终点后，切换目标端的业务数据单元缓存实体将不再接收切换源端转发的任何业务数据单元。
原则上切换目标端在向切换源端发出切换响应消息后，就可以等待接收切换源端转发的业务数据单元了，但在这过程中实际上还需要有一个在源端和目标端的E-Node B之间建立数据传输隧道的过程，此外，源端和目标端之间的信令传输时延以及数据包传输时延等因素的影响也使得目标端真正接收后转发的第一个PDU还需要一个滞后时间。
步骤303，当移动终端与目标端的E-Node B完成同步，建立与目标端的无线连接之后，如果目标端E-Node B的缓存中已经存在待发送给该终端的业务数据单元，则按照业务数据单元的编号顺序经过E-Node B的底层进行编码等处理后发送给移动终端。
在此可以看到切换源端采取逆序向切换目标端转发PDU的好处，即切换目标端可以确认哪些PDU在经过了转发之后影响了其传输时延，如果序号在先的那些PDU到达目标E-Node B后，经判断其传输时延不可忍受，则目标端可以不接收这些PDU而将其抛弃。
上述步骤中的定时器时长可以设为T1+Tx+Td’，如图4所示，其中T1为切换源端和切换目标端之间的平均传输时延、Tx为切换源端接收到切换响应消息到向移动终端发出切换命令的处理时间，Td’为该业务的切换时延要求，即从源端开始转发业务数据单元到目标端停止接收业务数据单元的时间。Td’可以考虑作为LTE系统中的一项新的服务质量参数而提出，另外，也可以根据该业务的服务质量参数中的传输时延参数确定，并根据预先确定的不同传输时延参数的范围所对应的定时器时长Td’而确定，例如简单地建立一个数据关系映射表格，该映射表格中参数可根据经验预先设定。
进一步举例说明如下，假定某次切换的执行时间为60ms，该切换业务的切换响应的时间点为Tr；源端E-Node B和目标端E-Node B之间的定时偏差为T1＝10ms；切换时延要求为Td’＝50ms；源端E-Node B从接收到切换响应到发出切换命令所经历的时间为Tx＝5ms；源端E-Node B选择在图2所示的步骤207之后的5ms开始转发缓冲数据，即K＝5ms。利用上述提出的方法，此时可确定如图4所示的时间点定时关系。图4中还示出了目标端E-Node B理想的数据接收时间点，这是其从源端接收到第一个缓冲包的理想时间。
本发明的方法，通过合理地设置目标E-Node B中用于接收缓冲数据包目的的时延窗口可以最大程度地将转发的业务数据单元发送给移动终端，同时也可以减少过度转发对业务数据流的影响，避免因等待转发的业务数据单元在无线接口上的传输而影响后续的业务数据单元的传输，这一特性尤其对实时性较强的业务有着很大的影响。
本发明的方法可以解决现有技术中没有针对不同业务的类型进行有区分地处理，从而使切换执行所造成的通信中断时间对不同的业务产生不同性质的影响业务流行为的问题，本发明的方法可以改善不同业务的端到端的用户体验。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (5)
1.一种移动通信系统中控制用户平面数据转发的方法，其特征在于：
切换控制功能实体根据用户的业务服务质量参数控制业务数据单元从切换源端的业务数据单元缓存实体向切换目标端的转发，具体是：
预先根据用户的业务服务质量参数将系统支持的业务分为若干切换转发类别，并为每种切换转发类别设置一个转发业务数据单元的延迟时间；
切换控制功能实体根据用户的业务服务质量参数确定业务的切换转发类别，并在收到切换目标端的切换响应消息后，再延迟相对应的所述延迟时间后开始向切换目标端转发业务数据单元。
2.如权利要求1所述的移动通信系统中控制用户平面数据转发的方法，其特征在于，所述的切换转发类别至少是根据业务服务质量参数中的业务类型参数确定的。
3.如权利要求1所述的移动通信系统中控制用户平面数据转发的方法，其特征在于，所述的切换转发类别至少是根据业务服务质量参数中的业务数据包的容错率确定的。
4.一种移动通信系统中控制用户平面接收转发数据的方法，其特征在于，
切换目标端在向切换源端发送切换响应消息后开启一个定时器，切换目标端的业务数据单元缓存实体在定时器未到达计时终点时，能够接收切换源端转发的业务数据单元，当定时器到达计时终点后，切换目标端的业务数据单元缓存实体将不再接收切换源端转发的任何业务数据单元，其中
所述定时器的时长为T1+Tx+Td’，其中T1为切换源端和切换目标端之间的平均传输时延、Tx为切换源端接收到切换响应消息到向移动终端发出切换命令的处理时间，Td’为业务的切换时延要求，所述的切换时延要求Td’根据该业务的服务质量参数中的传输时延参数以及预先确定的不同传输时延参数的范围所对应的切换时延要求来确定。
5.如权利要求4所述的移动通信系统中控制用户平面接收转发数据的方法，其特征在于，切换目标端与进行切换的移动终端建立无线连接后，向移动终端发送下行数据，并优先按照当前业务数据单元缓存实体中的业务数据单元序号进行处理。
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