CN103313305B - 网关装置及基站系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种网关装置，包括:设有多个与基站S1接口连接的数据接口的接入模块、路由模块，以及分别与所述路由模块连接的信令汇聚模块和数据转发模块；上述网关装置，可以连接多个基站，在实现多个基站信令数据和业务数据的路由功能的基础上，对多个基站的信令数据进行汇聚，再通过统一的信令链路与核心网进行信令数据交互，多个基站与核心网之间只有一条信令链路，从而极大地减轻了核心网侧信令数据的通信压力，避免了通信拥塞，提高了通信效率、保证了通信质量。本发明还提供一种包括上述网关装置的基站系统。

Description

网关装置及基站系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种网关装置及基站系统。

背景技术

随着无线通信技术的发展，大多数设备厂商都开发出满足LTE标准的无线通信设备，TD-LTE技术在TD-SCDMA的基础上演进的4G标准，各种微型基站得到了广泛的应用，这些微型基站特点是覆盖范围小，数量多，如大量布署在家庭、企业和热点地区的NANO-Cell、Femto Cell、SmallCell的微型基站。

在无线通信领域中，UE(User Equipment，用户设备)要进行数据通信时，需要通过所覆盖的基站在与核心网来进行数据交互，其中，UE通信的数据包括信令数据和业务数据，信令数据与核心网的MME(Mobile Managenment Entity，移动管理实体)网元进行交互，业务数据与核心网的SGW(Seving GateWay)网元进行交互。

传统的基站与核心网的交互技术，基站直接与核心网进行直接的通信连接，UE的上发的数据通过上行数据形式发送至网关的路由器，然后直接路由至核心网的MME网元的设备，在核心网响应后得到下行数据，再通过路由器回传至对应的基站。

在上述基站在与核心网进行数据交互时，每个基站都需要建立与核心网之间的通信链路，例如，在进行信令数据交互时，每个基站都需要与核心网建立一条信令链路，如果一个地区分布着大量的基站，如上述的各种微型基站，则在控制面上，建立和维持数量庞大的信令链路必然会导致核心网的资源消耗过大，使得核心网侧的信令数据的通信压力骤增，严重时会造成通信拥塞，严重降低了通信效率、影响通信质量。

发明内容

基于此，有必要针对上述降低通信效率、影响通信质量的问题，提供一种网关装置及基站系统。

一种网关装置，包括：设有多个与基站S1接口连接的数据接口的接入模块、路由模块，以及分别与所述路由模块连接的信令汇聚模块和数据转发模块；

在上行链路中：

所述接入模块，用于通过所述数据接口接入各个基站的上行数据；

所述路由模块，用于将所述上行数据中的用户信令数据路由至所述信令汇聚模块，以及将所述上行数据中的上行业务数据路由至所述数据转发模块；

所述信令汇聚模块，用于汇聚并解析所述用户信令数据，将所述用户信令数据的源IP修改为网关装置的IP地址，将目标IP修改为MME网元的IP地址，将用户标记转换为相对于网关装置唯一的用户标记，并将所述用户信令数据发送至MME网元；

所述数据转发模块，用于将所述上行业务数据转发至SGW网元；

在下行链路中：

所述数据转发模块，用于接收SGW网元下发的下行业务数据，并转发至所述路由模块；

所述信令汇聚模块，用于汇聚并解析所述响应信令数据，将所述响应信令数据的源IP修改为网关装置的IP地址，将目标IP修改为目的基站的IP地址，将用户标记转换为相对于目的基站唯一的用户标记，并将所述响应信令数据发送至所述路由模块；

所述路由模块，用于根据所述响应信令数据或下行业务数据的目的基站，将其路由至接入模块对应数据接口；

所述接入模块，用于通过所述数据接口将所述响应信令数据或下行业务数据发送至对应的目的基站S1接口。

上述网关装置，可以连接多个基站，在实现多个基站信令数据和业务数据的路由功能的基础上，对多个基站的信令数据进行汇聚，再通过统一的信令链路与核心网进行信令数据交互，多个基站与核心网之间只有一条信令链路，从而极大地减轻了核心网侧信令数据的通信压力，避免了通信拥塞，提高了通信效率、保证了通信质量。

一种基站系统，包括如上述的网关装置。

附图说明

图1为一个实施例的网关装置的结构示意图；

图2为一个实施例的信令汇聚模块的结构示意图；

图3为一个优选实施例的网关装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的网关装置的具体实施方式作详细描述。

图1示出了一个实施例的网关装置的结构示意图，所述网关装置设于基站与核心网之间，可以连接多个基站，包括：设有多个与基站S1接口连接的数据接口的接入模块、路由模块，以及分别与所述路由模块连接的信令汇聚模块和数据转发模块。

在上行链路中：

所述接入模块，用于通过所述数据接口接入各个基站的上行数据。

具体的，接入模块可以通过公网或者专网与所连接的各个基站S1接口连接，主要是建立IPSEC(Internet Protocol Security，因特网协议安全性)通道及SCTP(Stream Control Transmission Protocol，流控制传输协议)链路，各基站根据配置的参数，将上行数据进行打包，然后通过SCTP链路发送至接入模块，其中，上行数据包括需要发送至信令汇聚模块的用户信令数据和需要发送至数据转发模块的上行业务数据。

优选的，接入模块还用于根据设定的容量判断接入的基站数量，当达到最大容量时停止与基站建立新的连接；具体地，预设基站与网关装置建立IPSEC通道的最大数量，当超过设定的值时停止建立新的IPSEC通道，设定SCTP链路的数量，当超过设定值时则不允许建立连接，避免出现拥塞。

所述路由模块，用于将所述上行数据中的用户信令数据路由至所述信令汇聚模块，以及将所述上行数据中的上行业务数据路由至所述数据转发模块。

具体的，路由模块接收到上行数据后，根据内部ARP(AddressResolutionProtocol，地址解析协议)的交互的IP地址与MAC地址的对应关系，根据下一跳的IP地址找到下一跳设备的MAC(Media AccessControl)，将数据包转发至下一跳的设备，用户信令数据路由至信令汇聚模块，上行业务数据路由至数据转发模块。

所述信令汇聚模块，用于汇聚并解析所述用户信令数据，将所述用户信令数据的源IP修改为网关装置的IP地址，将目标IP修改为MME网元的IP地址，将用户标记转换为相对于网关装置唯一的用户标记，并将所述用户信令数据发送至MME网元；

具体的，信令汇聚模块汇聚所述用户信令数据，对用户信令数据进行解析，得到源IP、将目标IP及用户标记，然后将目标IP修改为MME网元的IP地址，将源IP修改为网关装置的IP地址，将原来相对于基站唯一的用户标记将用户标记转换为相对于网关装置唯一的用户标记。

由于用户信令数据在信令汇聚模块汇聚后，再统一转发至核心网的MME网元，网关装置所连接的各个基站与核心网之间只需建立一条信令链路，核心网无需分别与各个基站都建立信令链路，这就极大地减少了信令链路数量。

所述数据转发模块，用于将所述上行业务数据转发至SGW网元。

具体的，数据转发模块接收到上行业务数据后，将其至核心网的SGW网元的对应设备，即采用IP透传的方式直接发送。

在下行链路中：

所述数据转发模块，用于接收SGW网元需要发往网关装置所连接基站的下行业务数据，然后直接将其转发至路由模块，即采用IP透传的方式直接发送。

所述信令汇聚模块，用于汇聚并解析MME网元下发的响应信令数据，将所述响应信令数据的源IP修改为网关装置的IP地址，将目标IP修改为基站的IP地址，将用户标记转换为相对于基站唯一的用户标记，并将所述响应信令数据发送至所述路由模块；

具体的，MME网元对UE上发的用户信令数据进行响应，得到响应信令数据，回传至对应的UE，信令汇聚模块接收MME单元需要下发至网关装置所连接的各个基站的响应信令数据，对响应信令数据进行解析，得到源IP、将目标IP及用户标记，将源IP修改为网关装置的IP地址，将目标IP修改为基站的IP地址，将原来相对于网关装置唯一的用户标记转换为相对于基站唯一的用户标记，然后将响应信令数据转发至路由模块。

所述路由模块，根据所述响应信令数据或下行业务数据的目的基站，将其路由至接入模块对应数据接口；

具体的，路由模块根据响应信令数据或下行业务数据的目标基站的IP地址，将数据发送至接入模块与目标基站S1接口对应的数据接口。

所述接入模块，用于通过所述数据接口将所述响应信令数据或下行业务数据发送至对应的基站S1接口。

具体的，接入模块通过所述数据接口将响应信令数据或下行业务数据发送至对应的基站S1接口，各基站接收到响应信令数据或下行业务数据后，根据相对于基站唯一的用户标记将其下发至相应的UE。

本发明的网关装置，在上行链路中，首先通过接入模块接入各基站的上行数据，然后通过路由模块分别将用户信令数据、上行业务数据路由至信令汇聚模块和数据转发模块；在信令汇聚模块中，首先汇聚并解析各个基站的用户信令数据，然后对用户信令数据进行相应的IP地址和用户标记的转换，再通过统一的信令链路转发至核心网的MME网元，上行业务数据则由数据转发模块直接转发至SGW网元。在下行链路中，发往各个基站的响应信令数据通过统一的信令链路下发至信令汇聚模块，在信令汇聚模块汇聚并解析后，对响应信令数据进行相应的IP地址和用户标记的转换，再转发至路由模块，下行业务数据经数据转发模块直接转发至路由模块，路由模块再将响应信令数据、下行业务数据路由至接入模块的数据接口，接入模块再将数据发送至基站的S1接口。

综上所述，本发明的网关装置，可以连接多个基站，基站可以与核心网进行正常的通信，同时，在实现多个基站信令数据和业务数据的路由功能的基础上，利用IP回传技术对控制面的信令数据进行汇聚和转发，对用户面的业务数据采用直接转发方式，多个基站与核心网之间只有一条信令链路，从而极大地减轻了核心网侧信令数据的通信压力，避免了通信拥塞，提高了通信效率、保证通信质量。

在一个实施例中，参见图2所示，图2为一个实施例的信令汇聚模块的结构示意图，所述信令汇聚模块包括：信令汇聚单元、IP修改单元、标记转换单元以及信令转发单元。

所述信令汇聚单元，用于根据上发顺序接收并缓存各个基站的用户信令数据，对所述用户信令数据进行信令解析获得源IP、目标IP以用户标记及用户标记。

考虑到用户信令数据的突发性，通过缓存用户信令数据，可以避免用户信令数据的丢失。

所述IP修改单元，用于将所述用户信令数据的源IP修改为预设的网关装置IP地址，将目标IP修改为MME网元设备对应的IP地址。

上述IP地址信息，可以通过配置动态记录在数据库中，然后进行动态调用。

所述标记转换单元，用于根据预设的用户标记转换关系，将所述用户信令数据的相对于基站唯一的用户标记修改为相对于网关装置唯一的用户标记。

由于UE发送的用户信令数据中的用户标记，只是相对于其所连接的基站是唯一的，而通过设置网关装置后，网关装置连接多个基站，则不同基站UE的用户标记相同，这就会导致在信令数据回传是，在网关装置中无法区别UE属于哪个基站的情况，因此，根据预设的转换关系，将原来相对于基站唯一的用户标记转换为相对于网关装置唯一的用户标记，在回传时，再根据转换关系将相对于网关装置唯一的用户标记转换为相对于基站唯一的用户标记，回传时即可区别区别UE属于哪个基站。

例如，网关装置连接基站A、B，两个基站所连接的UE用户标记分别为a，b，此时，将基站A(a，b)、B(a，b)中的UE对应的用户标记转换为相对于网关装置唯一的用户标记：1、2、3、4；其中，1、2分别对应于基站A的a、b，3、4分别对应于基站B的a、b。

所述信令转发单元，用于将所述用户信令数据进行重新封装，然后发送至MME网元设备的硬件物理网口。

MME网元的设备在接收到用户信令数据后，分别对用户信令数据进行响应，得到响应信令数据。

在下行链路中：

所述信令汇聚单元，用于根据下发顺序接收并缓存MME网元下发的响应信令数据，对所述响应信令数据进行解析获得源IP、目标IP以用户标记及用户标记。

具体的，信令汇聚单元根据下发顺序接收响应信令数据，然后将其进行缓存，再对其进行解析获得源IP、目标IP以用户标记及用户标记，响应信令数据的源IP为MME网元的IP地址，目标IP为网关装置的网关IP地址。

所述IP修改单元，用于将所述响应信令数据的源IP修改为所述网关装置IP地址，将目标IP修改为基站的IP地址。

所述标记转换单元，用于根据用户标记转换关系，将所述响应信令数据的相对于网关装置唯一的用户标记修改为相对于基站唯一的用户标记。

在上行链路中，各基站UE用户信令数据的用户标记作了相应的转换，根据所述转换关系信息，将相对于网关装置唯一的用户标记转换为相对于各基站唯一的用户标记，即可按原路径将响应信令数据返回至对应基站的UE。

例如，将相对于网关装置唯一的用户标记：1，2，3，4转换为相对于基站唯一的用户标记：A(a，b)、B(a，b)。

所述信令转发单元，用于将所述响应信令数据进行重新封装，然后发送至路由模块。

参见图3，图3为一个优选实施例的网关装置的结构示意图。

在一个实施例中，网关装置还可以包括连接在所述接入模块和路由模块之间的加解密模块，用于根据设定的核心协议和加解密算法对上行数据进行解密，以及对响应信令数据和下行业务数据进行加密。

优选的，所述核心协议包括AH协议、ESP协议，所述加解密算法包括MD5算法、SHA-1算法。

在一个实施例中，网关装置还可以包括连接所述接入模块的接入控制模块，用于对基站进行鉴权和认证，控制所述接入模块连接合法的基站。

具体的，预设网关装置所服务的基站和用户，然后根据基站上报的参数，如跟踪区(TAC)、用户标记等进行对比，完成基站鉴权和合法性检测。

在一个实施例中，网关装置还可以包括系统管理模块，用于配置所述接入模块、路由模块、信令汇聚模块、数据转发模块的工作参数。

具体的，通过CLI或LMT工具，在界面或命令行输入相应的参数，如SGW、MME的IP地址、转发数据下一跳IP等到数据库，同时动态更新到接入模块、路由模块、信令汇聚模块、数据转发模块的工作参数以完成相应的功能。

进一步地，系统管理模块还用于查询UE的运行状态，包括每个UE处理模式(空闲模式或连接模式)，注册状态(注册状态或未注册状态)，当前基站在线UE数量，已注册UE数量等信息。

在一个实施例中，本发明的网关装置所连接的基站包括NANO-Cell、FemtoCell、SmallCell架构的微型基站。

本发明的网关装置，可以利用编程语言实现上述的网关装置的各个功能模块，并将其布署在不同的板卡上面运行。该装置已利用C++编程语言在TD-LTE通信系统中成功应用，能够有效合理的完成数据加解密，数据路由以及业务数据转发和信令汇聚转发功能，经过多种测试都能正确无误的运行。

在实际应用中，如果某一区域有100个基站，则每个基站都需要与核心网进行直接连接，核心网需要与100个基站建立100个信令链路，通过本发明的网关装置，网关装置连接100个基站，汇聚100个基站的信令数据，然后通过统一的信令链路进行转发，网关装置与核心网之间只有一个信令链路，这就极大地减少了基站与核心网之间的信令链路数量。

下面对本发明的TD-LTE基站系统的具体实施方式作详细描述。

本发明的基站系统，包括上述任一实施例所述的网关装置。通过该网关装置，本发明的基站系统中，多个(微型)基站与网关装置连接，在网关实现信令汇聚及业务数据转发功能，网关装置与核心网只有一个信令链路，从而减少了基站系统与核心网的信令链路，减轻了核心网侧的信令处理压力，保证了基站系统与核心网的通信质量。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种网关装置，其特征在于，包括：设有多个与基站S1接口连接的数据接口的接入模块、路由模块，以及分别与所述路由模块连接的信令汇聚模块和数据转发模块；

在上行链路中：

所述接入模块，用于通过所述数据接口接入各个基站的上行数据；

所述路由模块，用于将所述上行数据中的用户信令数据路由至所述信令汇聚模块，以及将所述上行数据中的上行业务数据路由至所述数据转发模块；

所述信令汇聚模块，用于汇聚并解析所述用户信令数据，将所述用户信令数据的源IP修改为网关装置的IP地址，将目标IP修改为MME网元的IP地址，将用户标记转换为相对于网关装置唯一的用户标记，并将所述用户信令数据发送至MME网元；

所述数据转发模块，用于将所述上行业务数据转发至SGW网元；

在下行链路中：

所述数据转发模块，用于接收SGW网元下发的下行业务数据，并转发至所述路由模块；

所述信令汇聚模块，用于汇聚并解析MME网元响应所述用户信令数据下发的响应信令数据，将所述响应信令数据的源IP修改为网关装置的IP地址，将目标IP修改为目的基站的IP地址，将用户标记转换为相对于目的基站唯一的用户标记，并将所述响应信令数据发送至所述路由模块；

所述路由模块，用于根据所述响应信令数据或下行业务数据的目的基站，将其路由至接入模块对应数据接口；

所述接入模块，用于通过所述数据接口将所述响应信令数据或下行业务数据发送至对应的目的基站S1接口。

2.根据权利要求1所述的网关装置，其特征在于，所述信令汇聚模块包括：信令汇聚单元、IP修改单元、标记转换单元以及信令转发单元；

在上行链路中：

所述信令汇聚单元，用于根据上发顺序接收并缓存各个基站的用户信令数据，对所述用户信令数据进行信令解析获得源IP、目标IP以及用户标记；

所述IP修改单元，用于将所述用户信令数据的源IP修改为预设的网关装置IP地址，将目标IP修改为MME网元对应的IP地址；

所述标记转换单元，用于根据预设的用户标记转换关系，将所述用户信令数据的相对于基站唯一的用户标记修改为相对于网关装置唯一的用户标记；

所述信令转发单元，用于将所述用户信令数据进行重新封装，然后发送至MME网元的硬件物理网口；

在下行链路中：

所述信令汇聚单元，用于根据下发顺序接收并缓存MME网元下发的响应信令数据，对所述响应信令数据进行解析获得源IP、目标IP以及用户标记；

所述IP修改单元，用于将所述响应信令数据的源IP修改为所述网关装置IP地址，将目标IP修改为目的基站的IP地址；

所述标记转换单元，用于根据用户标记转换关系，将所述响应信令数据的相对于网关装置唯一的用户标记修改为相对于目的基站唯一的用户标记；

所述信令转发单元，用于将所述响应信令数据进行重新封装，然后发送至路由模块。

3.根据权利要求1所述的网关装置，其特征在于，所述接入模块还用于根据设定的容量判断接入的基站数量，当达到最大容量时停止与基站建立新的连接。

4.根据权利要求1至3任一项所述的网关装置，其特征在于，还包括连接在所述接入模块和路由模块之间的加解密模块，用于根据设定的核心协议和加解密算法对上行数据进行解密，以及对响应信令数据和下行业务数据进行加密。

5.根据权利要求4所述的网关装置，其特征在于，所述核心协议包括AH协议、ESP协议，所述加解密算法包括MD5算法、SHA-1算法。

6.根据权利要求1至3任一项所述的网关装置，其特征在于，还包括连接所述接入模块的接入控制模块，用于对基站进行鉴权和认证，控制所述接入模块连接合法的基站。

7.根据权利要求1至3任一项所述的网关装置，其特征在于，还包括系统管理模块，用于配置所述接入模块、路由模块、信令汇聚模块、数据转发模块的工作参数。

8.根据权利要求7所述的网关装置，其特征在于，所述系统管理模块还用于查询UE的运行状态。

9.根据权利要求1所述的网关装置，其特征在于，所述基站包括NANO-Cell、Femto Cell、SmallCell架构的微型基站。

10.一种基站系统，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的网关装置。