CN102656932B

CN102656932B - 在包括多个设备且连接至互联网的本地网络中分配ip子网地址

Info

Publication number: CN102656932B
Application number: CN201080052731.0A
Authority: CN
Inventors: 詹姆斯·G·休利特; 理查德·B·帕金森
Original assignee: Alcatel Optical Networks Israel Ltd
Current assignee: Alcatel Optical Networks Israel Ltd
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2030-10-22
Also published as: KR101455127B1; JP5536895B2; US20120289237A1; KR20120091376A; WO2011060875A1; JP2013511869A; CN102656932A; EP2326129B1; EP2326129A1

Abstract

包括多个设备且连接至互联网的本地网络被提供。该网络被配置为本地IP子网，其中所述多个设备每个具有对应的IP子网地址，所述多个设备中的一个设备为飞小区基站。被连接至该飞小区基站的用户终端被分配IP子网地址，以便能够发起与该本地网络中所述多个设备中的另一个设备的通信。

Description

在包括多个设备且连接至互联网的本地网络中分配IP子网地址

技术领域

本发明涉及电信领域，特别涉及无线通信。

背景技术

无线通信系统是众所周知的。许多此类系统为蜂窝式，因为无线覆盖是通过一束被称为小区的无线覆盖区域来提供的。提供无线覆盖的基站位于每一小区中。传统基站在相对较大的地理区域提供覆盖，对应的小区通常被称为宏小区。

在宏小区中建立较小规模的小区是可能的。小于宏小区的小区有时被称为微小区(microcell)、微微小区(picocell)或飞小区(femtocell)，但我们将术语飞小区一般地用于小于宏小区的小区。建立飞小区的一种方式包括提供运行于宏小区覆盖区域内相对有限范围的飞小区基站。利用飞小区基站的一个例子包括在建筑物内提供无线通信覆盖。

飞小区基站具有相对低的发射功率，因而每一飞小区具有相比宏小区的小覆盖区域。

飞小区基站主要用于特定家庭或办公室内的用户。飞小区基站可为私有接入或公共接入。在私有接入的飞小区基站，接入仅限于注册用户，例如家庭成员或特定雇员群体。在公共接入的飞小区基站，其他用户也可使用飞小区基站，服从于某些限制以保护注册用户所接收到的服务质量。

飞小区基站包括连接至用于无线通信的天线的射频(RF)收发装置。飞小区基站有时被称为毫微微基站。

一种已知类型的飞小区基站利用宽带互联网协议(IP)连接作为“回程”(backhaul)，即用于连接至核心网络。一种类型的宽带互联网协议连接包括非对称数字用户环路(ADSL)。ADSL路由器将该飞小区基站连接至核心网络。

IP连接允许经由所支持的飞小区基站来提供的语音通话和数据业务。

在IP网络中，网络中的节点拥有一个或多个IP地址。这些地址被用于识别数据包的源节点和目的节点。数据包有时被称为数据报。每一数据报包括包含源IP地址及目的IP地址的报头，数据报基于该等地址在网络中被路由。

通常，IP网络中的节点包括计算机，有时被称为“主机”或“服务器”，它们不移动。数据报的路由被自动管理，但在特定数据会话——如网上冲浪会话——期间一般是固定的。

如图1所示，在涉及IP的用于移动通信的已知网络2中，一些节点移动。例如，移动用户终端为IP主机。移动用户终端经常被表示为用户终端或用户设备UE。如图1所示，为提供至用户终端UE的IP数据连接，移动网络为该用户终端提供固定连接点4，然后从该固定连接点通过隧道将数据报发送至该用户终端或者从该用户终端接收数据报。在第三代合作伙伴项目3GPP的第三代3G网络中，该固定连接点4包括网关GPRS支持节点GGSN，其中GPRS表示通用分组无线系统。该固定连接点4具有格式如10.x.y.z的IP地址，如图1所示。

正如所知，该IP地址由GGSN提供，被用户终端UE用于与网络中的其他节点的通信。当用户终端UE经由飞小区基站(“毫微微基站”)被连接时，该飞小区基站终止延伸自GGSN的移动隧道，该用户终端使用该固定连接点——即GGSN——的IP地址。

互联网协议为所谓的第3层协议，其中，IP地址具备结构。特别地，IP地址采用四个数字的系列的形式，每一数字在0与255之间。

如图1所示，所有连接至ADSL路由器的设备，诸如便携式电脑、打印机和飞小区基站，具有属于相同IP子网的IP地址。这是因为作为家庭网关的ADSL路由器，以IP方式，提供第2层网络功能。位于相同IP子网意味着该等设备各自的IP地址的多个最高位是相同的。在图1所示的示例中，该IP子网中的设备均具有格式为192.168.0.x的地址。这些设备经由共享的第2层网络节点，也就是ADSL路由器，利用其IP子网地址相互直接通信。这些地址直接关联这些设备的第2层——介质访问控制MAC——接口。

在该IP子网中，有多达254个地址可利用，192.168.0.1至192.168.0.254。家庭网关自身使用这些地址中的一个。其余地址可用于分配给该IP子网中的各个设备，在该示例中，该IP子网可被认为是家庭IP网络。这些地址相似且属于单个“私有IP”地址范围。这些地址仅具有局部意义，因此在别处的IP路由器不能够向这样的私有IP地址路由数据报。这意味着该家庭IP网络中的设备可发起与互联网中节点的数据连接，但未必接收IP数据通信。

相反地，待发送至不同IP子网中节点的数据报，由ADSL路由器转发至另一个第2层网络中的节点，该另一个第2层网络在指向目的节点的路径上。

当飞小区基站被部署于家庭中时，像被连接至ADSL路由器的其他设备一样，该飞小区基站被分配一个本地IP子网地址。当无线附着至该飞小区基站的用户终端具有活动的数据会话时，该飞小区基站终止向回延伸至固定连接点——即GGSN——的移动隧道。当该用户终端使用该GGSN的IP地址时，在该示例中该IP地址有格式10.x.y.z，该用户终端与该家庭网络中的设备不在同一个第2层网络中。相应地，该用户终端与ADSL路由器及连接至该ADSL路由器的设备——包括飞小区基站——不在同一个IP子网中。该用户终端然后拥有一个不在家庭网络所使用的IP地址范围(在该示例中，192.168.0.1至192.168.0.254)的IP地址。

因此，该用户终端不能发起与那些设备的数据连接。例如，该用户终端不能使用本地服务，如共享磁盘文件夹或者利用本地打印机，即使该打印机连接至家庭中的飞小区基站。

为解决该问题，人们知道，使该飞小区基站本身成为本地IP固定连接点，以便允许用户终端利用家庭网络中的设备。两种已知方法：一个涉及该飞小区基站中的网络地址转换(NAT)，而另一个涉及将GGSN功能迁移至该飞小区基站。这些在下面更详细概述。

如图1和图2所示，在网络地址转换(NAT)中，该飞小区基站包括一滤波器，该滤波器过滤从该用户终端至3G核心网络的上行数据流量以识别具有本地IP子网中的源IP地址的数据报。该飞小区基站还包括NAT阶段，其中该源地址被变换为该飞小区基站的地址。任何作为响应所发送的数据报然后被该飞小区基站接收，该飞小区基站将所接收的数据报中的目的地址变换为该IP子网地址。在这种情况下，该IP子网地址为该用户终端的地址。该方法涉及飞小区基站保存关于将所接收数据报发送至哪些用户终端的详细记录。而且，由于过滤及地址转换并未通过信号传递至3G核心网络，该3G核心网络的运营商并不能较好地控制该过程，例如基于每条请求来控制飞小区基站。

另一已知的备选方案包括将GGSN功能迁移至飞小区基站，以使该飞小区基站变成IP固定连接点。这需要对至3G核心网络的信令作相当大的改变，例如在该飞小区基站与GPRS业务支持节点(SGSN)之间提供Gn接口。

发明内容

读者可参见所附加的独立权利要求。一些优选特征在从属权利要求中被列出。

本发明的一个示例为包含多个设备且被连接至互联网的本地网络，该网络被配置为本地IP子网，其中所述多个设备每个具有对应的IP子网地址，所述多个设备中的一个设备为飞小区基站，其中，被连接至该飞小区基站的用户终端被分配IP子网地址，以便能够发起与该本地网络中所述多个设备中的另一个设备的通信。

一些优选实施例使连接至在本地IP子网中与其他设备相连接的飞小区基站的用户终端能够与该等其他设备通信。该等其他设备可包括本地打印机。该等其他设备可包括本地存储设备，如在家庭中且提供语音的服务器。

附图说明

通过举例并参照附图，本发明的实施例现在将被描述，其中：

图1为示出已知无线通信网络(现有技术)的示意图，

图2为示出在图1网络中运用的网络地址转换(现有技术)的已知过程的示意图，

图3为示出根据本发明的第一实施例的无线通信网络的示意图，

图4为示出图3所示飞小区基站的之一的示意图，该飞小区基站包括子网地址分配阶段(“映射GGSN”)，及

图5为示出通过图4所示飞小区基站分配子网地址至用户终端的消息序列示意图。

具体实施方式

我们现在描述包括飞小区基站的网络，然后更详细地研究飞小区基站结构，以及在分配子网地址至附着于该飞小区基站的用户终端中的功能。

网络

如图3所示，在涉及互联网16及IP的用于移动通信的网络12中，一些节点移动。例如，移动用户终端包括IP主机。移动用户终端18经常被表示为用户终端或用户设备UE。如图3所示，为提供至用户终端UE的IP数据连接，3G核心网络20为该用户终端提供固定连接点14，然后从该固定连接点通过隧道将数据报发送至该用户终端或者从该用户终端接收数据报。在第三代合作伙伴项目3GPP的第三代3G网络中，该固定连接点14包括网关GPRS支持节点GGSN，其中GPRS表示通用分组无线系统。该固定连接点14具有格式如10.x.y.z的IP地址，如图3所示。

该GGSN的IP地址被用户终端UE用于与网络中其他节点的通信。当用户终端UE18经由飞小区基站(“毫微微基站”)22被接入时，该飞小区基站终止延伸自该GGSN的移动隧道，该用户终端18使用该固定连接点14——即该GGSN——的IP地址，作为其发送的数据报中的源地址及其接收的数据报中的目的地址。

如图3所示，连接至ADSL路由器28的设备，诸如便携式电脑24、打印机26和飞小区基站22，具有属于相同IP子网30的IP地址。这些设备可被认为是本地网络中的节点。作为家庭网关的ADSL路由器28，以IP方式，提供第2层网络功能。位于相同IP子网30意味着该等设备24，26，28各自的IP地址的多个最高位是相同的。在图3所示的示例中，该IP子网30中的设备均具有格式为192.168.0.x的地址。这些设备经由共享的第2层网络节点，也就是ADSL路由器，利用其IP子网地址相互直接通信。这些地址直接关联这些设备的第2层——介质访问控制MAC——接口。

在该IP子网中，有多达254个地址可利用，即192.168.0.1至192.168.0.254。家庭网关28自身使用这些地址中的一个。其余地址可用于分配给该IP子网30中的各个设备，在该示例中，该IP子网可被认为是家庭IP网络。这些地址相似且属于单个“私有IP”地址范围。这些地址仅具有局部意义，因此在别处的IP路由器(未示出)不能够路由具有这样的私有IP地址的数据报。

相反地，待发送至不同IP子网中节点(未示出)的数据报，由ADSL路由器28转发至指向目的节点的另一个第2层网络的节点。

飞小区基站有时作为本地IP连接点

在使用中GGSN14作为IP连接点。飞小区基站22也作为本地IP连接点。用户终端18与3G核心网络20之间的信令通过飞小区基站22。该飞小区基站解读并适应信令信息以便作为本地IP连接点。

相应地，在操作中，用户终端具有两个IP连接点。一个为3G核心网络20中的GGSN。另一个为飞小区基站。它们以有些互补的方式被运用。尽管IP连接点在GGSN处被建立，但当用户终端位于其所注册的飞小区时，该GGSN没有被用作该用户终端的连接点。相反，当由飞小区基站注册以与该飞小区基站建立可能的连接的用户终端，位于飞小区覆盖区域时，该飞小区基站成为用于该用户终端的IP连接点。

飞小区基站结构

如图4所示，飞小区基站22包括本地连接点提供者32，该本地连接点提供者32包括非接入层(NAS)检测装置34、IP地址分配装置36、用于用户终端的第2层接口38及第2层网桥40。该飞小区基站还包括第1层物理接口42、飞小区基站自身的第2层接口44及射频接口46。

NAS检测装置

NAS检测装置34监测在用户终端18与核心网络20中的GPRS业务支持节点(SGSN)48/GGSN 14之间的非接入层信令。该监测有时被称为嗅探。该NAS信令被用户终端18运用来建立数据连接，以供如用户终端18上的网页浏览器等应用来使用。

该信令包括用于将用户期望连接的IP数据网络识别为固定连接点的代码。该代码为接入点名称(APN)。飞小区基站22被配置以识别包括APN的数据连接请求，即激活PDP上下文请求，并将其作为接入本地IP子网的请求来处理。飞小区基站22为该可能的连接预留资源，并将该请求转发至3G核心网络20。在核心网络20中，SGSN 48/GGSN 14运用通常的身份验证及授权检查。

若APN中所指定的IP子网为用户终端18被允许接入的子网，SGSN48/GGSN14接受该请求。飞小区基站22检测到该接受并建立连接。

另一方面，若用户终端18不被允许接入APN中所指定的IP子网，然后SGSN 48/GGSN 14拒绝该请求。飞小区基站22检测到该拒绝并释放资源。

IP地址分配装置

这是飞小区基站中的一模块，该模块通过将IP子网地址分配给用户终端，为该用户终端建立IP子网连接点。在该示例中，这是通过动态主机配置协议(DHCP)来完成的。

实际上，IP地址分配装置36作为DHCP客户端，并从本地IP子网30中作为DHCP服务器的家庭网关28请求IP地址。

L2接口

为充分参与本地IP子网，用户终端与飞小区基站在第2层相接口。相应地，飞小区基站为用户终端包括第2层接口38，即该示例中的以太网介质访问控制(MAC)功能。

飞小区基站以多种方式管理该接口38：

-为接口38提供MAC地址；

-利用地址解析协议(ARP)提供MAC地址与IP地址间的映射函数；

-为来自用户终端的数据报提供第2层帧封装，特别地，这包括提供该用户终端正向其发送数据报的本地IP子网中节点的第2层MAC地址，特别地，ARP被用来将目的IP地址映射为目的端的第2层MAC地址；

-为传递至该用户终端的数据报提供第2层解封装；及

-将第3层IP组播/广播数据报映射入第2层。

第2层网桥

由于飞小区基站22仅有一个第1层物理接口42至本地IP子网30，第2层网桥40被用于将飞小区自身的第2层接口44连接至飞小区基站中为用户终端所维持的第2层接口38，以及在本地IP子网30中的其他节点。相应地，飞小区基站22与用户终端18共享第1层物理接口42。

将IP子网地址分配至用户终端的操作

如图5所示，分配IP地址的消息序列包括将IP子网地址分配给连接至飞小区基站的用户终端。

首先，用户终端18经由飞小区基站22及家庭网关28发送(步骤a)激活PDP上下文请求至SGSN 48。

飞小区基站嗅探(步骤b)上行链路NAS信令消息，以便检测该请求。该请求包括本地IP子网的接入点名称。

飞小区基站记录该请求所包括的事务标识符(Transaction Identifier)及网络服务接入点标识符(NSAPI)，并将该请求转发(步骤c)至SGSN48。

SGSN 48识别用户终端的订阅，选择合适的接入点名称(APN)连接点并选择合适的GGSN 14。SGSN然后形成创建PDP上下文请求并将其发送(步骤e)至GGSN 14。

GGSN 14通过将创建PDP上下文响应发送至SGSN 48来响应(步骤f)。

然后，飞小区基站为用户终端分配(步骤g)第2层接口实例38及MAC地址。该MAC地址被添加至所支持的那些MAC地址的列表中，该列表位于飞小区基站自身的第2层接口44中。

然后，通过涉及飞小区基站22与家庭网关28之间的DHCP的一系列消息，本地IP子网中的IP地址由飞小区基站22中的IP地址分配装置36分配给用户终端18。特别地，DHCP发现消息从飞小区基站被发送(步骤h)至家庭网关，该家庭网关回复(步骤i)DHCP提供消息。该飞小区基站然后发送(步骤j)DHCP请求消息至家庭网关，家庭网关回复DHCP确认消息。

自此，飞小区基站通过提供分配给用户终端的相应的MAC地址，响应在本地IP子网中对于该IP地址的请求。

然后，无线接入承载，换言之信道，在控制飞小区基站22的SGSN48的控制下，在飞小区基站22与用户终端18间被建立(步骤l)。SGSN48将RAB标识符RAB_ID分配给该无线接入承载。该RAB_ID为NSAPI。

SGSN 48然后将激活PDP上下文接受的消息返回(步骤m)至与用户终端18相关的飞小区基站。

飞小区基站，利用其之前记录的事务标识符，将该接受消息与相应的PDP上下文请求相匹配。因而，该接受消息被飞小区基站识别，该飞小区基站然后将GGSN 14所提供的PDP IP地址(该示例中，该地址为10.11.12.13)替换为飞小区基站所提供的本地IP子网地址(该示例中为192.168.0.6)。顺便说一下，该接受消息中所包括的其他PDP协议设置也被飞小区基站替换，特别是超越将IP地址映射到域名的GGSN的服务器(未示出)的标识符。

然后该接受消息被转发(步骤o)至用户终端18。

因此，用户终端与本地IP子网中的其他节点进行IP流量交换(步骤p)，因为该用户终端现在具备本地IP子网地址。经由飞小区基站22及家庭网关28，该流量被发送(步骤q)。例如，用户终端或许聆听来源于本地子网中家庭本地设备的数字音乐数据，或者在本IP子网中的打印机上打印邮件。该流量包括单播、组播或广播流量中的任何一个。

当在该无线承载上的用户流量在本地IP子网中被发送时，特别的“保持活动状态”的数据被周期性地发送(步骤r)，以便使至SGSN及GGSN的移动隧道保持活动状态。特别地，ICMP回应请求经由关联的无线接入承载，被发送至超越GGSN的服务器(未示出)。

该示例特别相关于数据业务。在该示例中，语音通话业务不受影响。

一般地

以上举例涉及3GPP 3G网络，然而一些其他实施例或许涉及2G、4G、长期演进(LTE)、WiMax或其他类型的无线通信网络。

在不背离本发明的实质特征下，本发明能够以其他具体形式被实现。描述的实施例应在所有方面被考虑，仅作为说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是前述说明指示。含义和权利要求的等同范围中的所有变化，均涵括在他们的范围之内。

本领域技术人员应能认识到各种以上描述方法的步骤可通过编程计算机来实现。一些实施例涉及程序存储设备，如数字数据存储介质，其为机器或者可读及可编码机器可执行的计算机或者机器可执行的程序指令，其中所述指令执行所述以上描述方法的部分或者全部步骤。程序存储设备可为，如数字存储器，磁路存储介质诸如磁盘及磁带，硬盘驱动其，或者光可读数字数据存储介质。部分实施例涉及计算机编程以实现以上描述方法所述步骤。

Claims

1.包含多个设备且被连接至互联网的本地网络，该网络被配置为本地IP子网，其中所述多个设备每个具有对应的IP子网地址，所述多个设备中的一个设备为飞小区基站，其中，被连接至该飞小区基站的用户终端被分配IP子网地址，以便能够发起与该本地网络中所述多个设备中的另一个设备的通信，

其中，所述飞小区基站在从互联网至所述用户终端的消息中检测出激活分组数据协议上下文接受的消息，并通过利用所述用户终端的本地IP子网地址代替IP地址来修正该消息，并将所修正的消息转发至所述用户终端。

2.根据权利要求1所述的本地网络，还包括本地网关，所述多个设备的每一个被连接至所述本地网关，所述本地网关被连接至互联网。

3.根据权利要求2所述的本地网络，其中，所述飞小区基站在使用中为所述用户终端从所述本地网关获取IP子网地址。

4.根据前述任一权利要求所述的本地网络，其中，所述飞小区基站在来自所述用户终端并经由互联网转发的消息中检测出激活分组数据协议上下文的请求，该请求的检测触发所述飞小区基站为所述用户终端请求IP子网地址。

5.根据权利要求2或3所述的本地网络，其中，所述飞小区基站通过充当与作为DHCP服务器的网关进行通信的动态主机配置协议DHCP客户端，来获取地址。

6.根据权利要求2或3所述的本地网络，其中，为引导数据包，所述飞小区基站通过提供所述用户终端的介质访问控制MAC地址，响应所述用户终端关于本地IP地址的请求。

7.根据权利要求2或3所述的本地网络，经由互联网被连接至电信核心网络，其中，数据在所述飞小区基站和涉及与所述用户终端的会话的核心网之间被周期性地发送，以便在所述用户终端在所述本地网络内通信时，使与该核心网相关的会话保持活动状态。

8.根据权利要求1所述的本地网络，其中，当用户终端被确定位于其被注册的所述飞小区基站的飞小区中时，连接至所述飞小区基站的所述用户终端被分配IP子网地址。

9.一种在本地网络中分配IP子网地址的方法，该本地网络包括多个设备并被连接至互联网，所述多个设备中的一个设备为飞小区基站，

所述方法包括将该网络配置为本地IP子网，其中，所述多个设备每个具有对应的IP子网地址，

将IP子网地址分配给连接至所述飞小区基站的用户终端，以便使所述用户终端能够发起与该本地网络中所述多个设备的另一个设备的通信，

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述飞小区基站在来自所述用户终端并经由互联网转发的消息中检测出激活分组数据协议上下文的请求，并因此为所述用户终端请求IP子网地址。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，该本地网络经由互联网被连接至电信核心网络，其中，数据在所述飞小区基站和涉及与所述用户终端的会话的核心网之间被周期性地发送，以便在所述用户终端在该本地网络内通信时，使与该核心网相关的会话保持活动状态。