CN102791010B - 一种基于双通道的异构系统垂直切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，公开了一种基于双通道的垂直切换方法，本发明通过在3GPP系统间切换锚点P-GW中增加垂直切换管理实体，当处于3GPP系统（第一通信系统）的多模终端首次切换至非授信non-3GPP移动通信系统（第二通信系统）时，垂直切换管理实体代理多模移动终端向第一通信系统中核心网控制节点MME定时发送跟踪域更新消息，维护多模终端在第一通信系统中的默认PDN连接，即第一通道。多模终端在第二通信系统建立专用PDN连接进行正常通信，即本发明所述第二通道。当多模终端重新返回至第一通信系统时，仍然通过第二通道接收数据，待重建第一通信系统上空口连接后，即可切换至第一通道，减少了信令交互过程。

Description

一种基于双通道的异构系统垂直切换方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于双通道的异构系统垂直切换方法。

背景技术

伴随着无线通信技术的发展，业务需求的不断变化，网络的异构性在未来很长一段时间内成为了无线网络环境的重要特征。此外，业务内容的丰富化、网络能力的多样化及终端功能的差异化使得在复杂多变的异构环境中如何让用户享受到无缝的最佳业务体验，成为了下一代无线通信系统面临的难题。在现有的异构网络部署下，如无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)、全球微波互联接入（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX）被第三代合作伙伴项目（3rd Generation Partnership Project，3GPP）视为非授信non-3GPP网络。非授信non-3GPP网络由于覆盖范围的限制，一般是以热点或孤岛的形式部署在现有长期引进（Long TermEvolution，LTE）网络（3GPP移动通信网）中，因此，3GPP移动通信网和非授信non-3GPP移动通信网之间会进行频繁的互操作。

LTE在设计之初，就考虑到对多种接入技术的支持，如图1所示，特别是和其他非授信non-3GPP接入技术之间的移动性。2002年，3GPP组织在TR22.934提出了从简单互联到完全无缝互联的3GPP/非授信non-3GPP系统间互操作的6个场景，分别为：场景1，公共计费和客户服务；场景2，基于3GPP系统的接入和计费；场景3，将3GPP数据域业务引入到非授信non-3GPP；场景4，服务连续性；场景5，无缝的服务；场景6，将3GPP电路域业务引入到非授信non-3GPP。这6个场景依次递进，从场景3开始进行系统间的服务内容整合。场景4要求基于3GPP系统的分组域服务在两系统间切换时，仍然能保有服务的连续。但是，用户可能会察觉其中的转换变化，而且某些服务在此架构下并无法提供。场景5要求基于3GPP系统的分组域服务能达成系统间无缝切换，即在3GPP/非授信non-3GPP系统间尽可能切换丢包率和切换的延迟时间，在服务质量上的差异性也要尽量缩小。图1中的运营商IP业务有IMS（IP多媒体系统）、PSS等。

当多模终端从3GPP系统切换至非授信non-3GPP系统，由于非授信non-3GPP网络无法提供完善的认证授权计费（AuthenticationAuthorization Accounting，AAA)机制，按照上述场景2的要求，多模终端首先与3GPP AAA服务器进行认证和鉴权，再由3GPP AAA服务器从归属用户服务器（Home Subscriber Server，HSS）获得多模终端的签约上下文，重建分组数据网（Packet Data Network，PDN）连接。此后，HSS将通知3GPP核心网控制节点移动性管理实体（MobilityManagement Entity，MME）删除多模终端的移动性管理上下文和演进的分组系统（Evolved Packet System，EPS)承载，进一步触发MME在3GPP网络发起隐性去附着过程，如图2所示。

当多模终端从非授信non-3GPP系统切换至3GPP系统，尽管多模终端在非授信non-3GPP系统中仍然通过服务网关（ServerGateway，S-GW）和分组数据网关（Packet Data Network Gateway，P-GW）连接到核心网的IP业务，但是在MME看来，多模终端在3GPP系统内的EPS移动性管理（EPS Mobility Management，EMM）状态和EPS连接管理（EPS Connection Management，ECM）状态都处于非注册状态（EMM_DEREGISTERED、ECM_DEREGISTERED）。因此，当多模终端重新返回3GPP系统时，必须首先执行切换附着过程，如图3所示。

当多模终端从非授信non-3GPP网络切换到3GPP网络，需要进行接入安全认证以及鉴权，在核心网控制节点MME处重建移动性管理上下文，在核心网数据节点S-GW和P-GW处重建EPS承载，在演进型基站（Evolved Node B，eNodeB）处重建空中接口上的连接，这将交互较多的接入层（Access Stratum，AS）以及非接入层（NonAccess Stratum，NAS）信令而导致切换上下行中断时延较大，无法达到异构融合场景5所规定的平滑切换的需求。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何减少切换过程中的信令交互过程。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于双通道的垂直切换方法，包括以下步骤：

S1、多模终端注册在第一通信系统，当漫游到第二通信系统时发起垂直切换；

S2、多模终端建立在第二通信系统中的PDN连接，即第二通道，即可切换至第二通信系统；

S3、垂直切换管理实体代理所述多模终端周期性地向所述第一通信系统中的MME发送跟踪域更新消息，维持多模终端在第一通信系统中的默认PDN连接不被释放，所述默认PDN连接为第一通道；

S4、当多模终端漫游到第一通信系统，再次发起垂直切换，但仍通过所述第二通道进行通信直到恢复在所述第一通信系统中的空口连接，再将数据平面从第二通道切换至第一通道，即可切换至第一通信系统。

优选地，所述垂直切换管理实体位于所述第一通信系统间的切换锚点：分组数据网关处。

优选地，所述步骤S3中所述垂直切换管理实体周期性地向所述第一通信系统中的MME发送跟踪域更新消息具体包括：

S31、当多模终端切换到第二通信系统后，垂直切换管理实体启动周期性跟踪域更新计时器；

S32、当周期性跟踪域更新计时器超时后，垂直切换管理实体向第一通信系统中核心网控制节点MME发送跟踪域更新消息，并再次启动周期性跟踪域更新计时器。

优选地，所述步骤S2具体包括：

S21、多模终端监听第二通信系统中接入点周期性广播的信标帧，完成与接入点的同步；

S22、多模终端通过接入点与第一通信系统中核心网中认证鉴权计费服务器完成鉴权和认证；

S23、多模终端基于移动互联协议向第一通信系统中分组数据网关发起代理绑定过程，建立在第二通信系统中的第二通道。

优选地，步骤S2与步骤S3之间包括步骤：

405、当基站检测到多模终端在第一通信系统内没有数据发送时，释放多模终端在第一通信系统空口上的连接，并请求MME释放基站侧的UE上下文；

406，MME向S-GW发送承载修改请求消息，S-GW删除下行到S1-U接口GPRS隧道协议的隧道端点标识，关于该多模终端的所有EPS承载上下文信息仍然保留在S-GW中；

407，MME向基站发送UE上下文释放消息，基站释放本地保存的UE上下文信息，关于该多模终端的所有EPS承载上下文信息和移动性管理上下文信息仍然保留在MME中。

优选地，所述EPS承载上下文信息包括：EPS承载服务质量信息，S-GW/P-GW S5/S8接口上下行GTP TEID、PDN连接参数、IP地址和计费信息。

优选地，所述移动性管理上下文信息包括：用户标识、跟踪区域信息、鉴权信息、加密密钥和完整性保护密钥、多模终端支持的加密算法。

优选地，所述第一通信系统为3GPP移动通信系统，所述第二通信系统为non-3GPP移动通信系统。

（三）有益效果

上述技术方案具有如下优点：本发明通过垂直切换管理实体代理多模终端向第一通信系统中MME发送跟踪域更新消息，维护其在第一通信系统中的默认PDN连接。尽管多模终端切换到第二通信系统之后，其在第一通信系统中的空口资源被释放，但是其在核心网的连接仍然存在，因此，当多模终端重新切换至第一通信系统时，只需重建空口上的连接即可重新开始正常的通信，缩短了多模终端在第一通信系统中从空闲状态跃迁到激活状态的时间，减少了信令交互过程。

此外，本发明提出基于双通道的异构垂直切换方法，从第二通信系统切换至第一通信系统时，多模终端仍然通过第二通道进行通信直到恢复在第一通信系统中的空口连接，再将数据平面切换至第一通道，因此，与现有方案相比，缩短了切换时延的同时降低了切换丢包率。

附图说明

图1为现有技术方案下，非授信non-3GPP接入技术非漫游架构示意图；

图2为现有技术方案下，从3GPP系统切换到非授信non-3GPP系统的流程图；

图3为现有技术方案下，从非授信non-3GPP系统切换到3GPP系统的流程图；

图4为本发明所提出的基于双通道的异构系统垂直切换的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

现有3GPP标准（TS 23.402）规定，3GPP移动通信网（第一通信系统）和非授信非授信non-3GPP移动通信网（第二通信系统）切换流程中，切换的锚点在P-GW。在本发明中，假设切换的锚点均设在P-GW。

本发明假设垂直切换判决方法采用由移动终端判决的垂直切换判决方法，如图4所示，包括：

步骤401，多模终端注册在第一通信系统，当漫游到第二通信系统时发起垂直切换；

步骤402，多模终端通过监听第二通信系统中接入点（AccessPoint，AP）周期性广播的信标帧（Beacon Frame，BF），完成与AP的同步；

步骤403，多模终端通过AP与3GPP AAA服务器完成鉴权和认证。其认证算法可以是基于GSM SIM的可扩展认证协议(ExtensibleAuthentication Protocol Method for GSM Subscriber Identity Module，EAP-SIM)或是基于UMTS认证和密钥协商的可扩展认证协议(Extensible Authentication Protocol Method for UMTS Authenticationand Key Agreement，EAP-AKA)。对于成功完成鉴权和认证的多模终端，3GPP AAA服务器会向HSS请求多模终端的签约数据并通知多模终端；

步骤404，基于移动互联协议（Mobile Internet Protocol，MIP），多模终端向P-GW发起代理绑定过程；

执行完以上步骤402至404后，则多模终端在第二通信系统中建立了在第二通信系统中的专用PDN连接，即第二通道，即可切换至第二通信系统。

步骤405，eNodeB检测到多模终端在第一通信系统内没有数据发送时，释放多模终端在第一通信系统空口上的连接，并请求MME释放eNodeB侧的UE上下文；

步骤406，MME向S-GW发送承载修改请求消息，S-GW删除下行到S1-U接口GPRS隧道协议（GPRS Tunnel Protocol，GTP）的隧道端点标识（Tunnel End Identifier，TEID），但是关于该多模终端的所有EPS承载上下文信息仍然保留在S-GW中。其中，EPS承载上下文信息包括：EPS承载服务质量（Quality of Service，QoS）信息，服务网关（Serving GateWay,S-GW）与分组数据网关（Packet DataNetwork Gateway，P-GW）之间的S5/S8接口上下行GTP TEID、PDN连接参数、IP地址、计费信息等；

步骤407，MME向eNodeB发送UE上下文释放消息，eNodeB释放本地保存的UE上下文信息，但是关于该多模终端的所有EPS承载上下文信息和移动性管理上下文信息仍然保留在MME，其中所述EPS承载上下文信息包括：EPS承载QoS信息，S5/S8接口上下行GTP TEID、PDN连接参数、IP地址、计费信息等；所述移动性管理上下文信息包括：用户标识、跟踪区域信息、鉴权信息、加密密钥和完整性保护密钥、多模终端支持的加密算法等；

步骤408，垂直切换管理实体代理多模终端周期性地向第一通信系统中的MME发送跟踪域更新（Tracking Area Update，TAU）消息，维持多模终端在第一通信系统中的默认PDN承载（第一通道）不被释放，因此，在第一通信系统的核心网侧，多模终端的NAS层仍然处于ECM_IDLE状态和EMM_REGISTERED状态。垂直切换管理实体定时发送跟踪域更新消息过程包括下述操作内容：（11）当多模终端切换到第二通信系统后，垂直切换管理实体启动周期性跟踪域更新计时器；（12）当周期性跟踪域更新计时器超时后，垂直切换管理实体向第一通信系统中核心网控制节点MME发送跟踪域更新消息，并再次启动周期性跟踪域更新计时器。

步骤409，当多模终端漫游到第一通信系统，再次发起垂直切换，但是仍然从第二通信系统的第二通道进行数据通信；

步骤410，为了从ECM_IDLE状态跃迁到ECM_CONNECTED状态，重建第一通信系统的空口连接，多模终端NAS EMM子层发送NAS服务请求过程；

步骤411，多模终端的无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）子层触发RRC连接建立过程，多模终端向eNodeB发送RRC连接建立完成消息，并捎带NAS服务请求消息；

步骤412，eNodeB收到RRC连接建立完成消息后，将其中的NAS消息通过S1接口初始UE消息透传给MME；

步骤413，MME收到初始UE消息，发送S1接口消息：初始UE上下文建立请求，激活该多模终端的所有EPS承载；

步骤414，eNodeB收到初始UE上下文建立请求消息，先执行AS安全激活过程，完整性保护和加密将被用于多模终端后续接收和发送的所有信令以及数据；

步骤415，eNodeB将EPS承载的QoS映射成Uu接口上无线承载的QoS，向多模终端发送RRC连接重配消息来建立相应多模终端的无线承载；

步骤416，多模终端收到RRC连接重配消息，执行相应的无线承载配置后，向eNodeB发送RRC连接重配完成消息，并向NAS EMM子层指示AS层无线资源建立完成，至此，第一通信系统上行通道恢复完成，多模终端将上行数据切换到第一通道，重新开始上行数据发送；

步骤417，eNodeB收到多模终端发送的RRC连接重配完成消息，确定AS层无线承载建立完成，向MME发送初始UE上下文建立完成消息，并分配下行到eNodeB的SI-U接口TEID；

步骤418，MME收到eNodeB的初始UE上下文建立完成消息后，MME向S-GW发送修改承载请求消息，并告知S-GW下行到eNodeB的S1-U接口TEID。并且，由于多模终端的位置信息已经发生改变，MME会在修改承载请求消息中携带多模终端的位置信息；

步骤419，S-GW接收到修改承载请求消息后，保存下行到eNodeB的S1-U接口TEID。由于该消息中携带了多模终端的位置信息，因此，S-GW向P-GW发送修改承载请求消息。P-GW收到修改承载请求消息，知道多模终端已经返回第一通信系统，则将下行数据平面从第二通道切换至第一通道，重新开始下行数据的发送，即可切换至第一通信系统。

由以上实施例可以看出，本发明通过垂直切换管理实体代理多模终端向第一通信系统中MME发送跟踪域更新消息，维护其在第一通信系统中的默认PDN连接。尽管多模终端切换到第二通信系统之后，其在第一通信系统中的空口资源被释放，但是其在核心网的连接仍然存在，因此，当多模终端重新切换至第一通信系统时，只需重建空口上的连接即可重新开始正常的通信，缩短了多模终端在第一通信系统中从空闲状态跃迁到激活状态的时间，减少了信令交互过程。

此外，本发明提出基于双通道的异构垂直切换方法，从第二通信系统切换至第一通信系统时，多模终端仍然通过第二通道进行通信直到恢复在第一通信系统中的空口连接，再将数据平面切换至第一通道，因此，与现有方案相比，缩短了切换时延的同时降低了切换丢包率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于双通道的垂直切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、多模终端注册在第一通信系统，当漫游到第二通信系统时发起垂直切换；

S2、多模终端建立在第二通信系统中的分组数据网PDN连接，即第二通道，即可切换至第二通信系统；

S3、垂直切换管理实体代理所述多模终端周期性地向所述第一通信系统中的移动性管理实体MME发送跟踪域更新消息，维持多模终端在第一通信系统中的默认PDN连接不被释放，所述默认PDN连接为第一通道；

S4、当多模终端漫游到第一通信系统，再次发起垂直切换，但仍通过所述第二通道进行通信直到恢复在所述第一通信系统中的空口连接，再将数据平面从第二通道切换至第一通道，即可切换至第一通信系统；

其中，步骤S2与步骤S3之间包括步骤：

405、当基站检测到多模终端在第一通信系统内没有数据发送时，释放多模终端在第一通信系统空口上的连接，并请求MME释放基站侧的用户设备UE上下文；

406、MME向服务网关S-GW发送承载修改请求消息，S-GW删除下行到S1-U接口GPRS隧道协议的隧道端点标识，关于该多模终端的所有演进的分组系统EPS承载上下文信息仍然保留在S-GW中；

407、MME向基站发送UE上下文释放消息，基站释放本地保存的UE上下文信息，关于该多模终端的所有EPS承载上下文信息和移动性管理上下文信息仍然保留在MME中。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述垂直切换管理实体位于所述第一通信系统间的切换锚点：分组数据网关处。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中所述垂直切换管理实体周期性地向所述第一通信系统中的MME发送跟踪域更新消息具体包括：

S31、当多模终端切换到第二通信系统后，垂直切换管理实体启动周期性跟踪域更新计时器；

S32、当周期性跟踪域更新计时器超时后，垂直切换管理实体向第一通信系统中核心网控制节点MME发送跟踪域更新消息，并再次启动周期性跟踪域更新计时器。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

S21、多模终端监听第二通信系统中接入点周期性广播的信标帧，完成与接入点的同步；

S22、多模终端通过接入点与第一通信系统中核心网中认证鉴权计费服务器完成鉴权和认证；

S23、多模终端基于移动互联协议向第一通信系统中分组数据网关发起代理绑定过程，建立在第二通信系统中的第二通道。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述EPS承载上下文信息包括：EPS承载服务质量信息，S-GW与分组数据网关P-GW之间的S5/S8接口上下行GPRS隧道协议的隧道端点标识GTP TEID、PDN连接参数、IP地址和计费信息。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述移动性管理上下文信息包括：用户标识、跟踪区域信息、鉴权信息、加密密钥和完整性保护密钥、多模终端支持的加密算法。

7.如权利要求1～6中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一通信系统为3GPP移动通信系统，所述第二通信系统为non-3GPP移动通信系统。