CN104202743A - 家用基站连接的网络的泛在接入 - Google Patents
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Abstract
一种利用位于家用基站接入网络上的家用基站接入点，使移动设备与本地IP网络主机与外部IP网络主机进行通信的系统及方法。本地网关连接至家用基站接入网络用于接收在家用基站接入网络上传输的数据包，并根据与数据包相关的目标地址，用于将数据包路由至本地IP网络与外部IP网络中的至少一个。家用基站接入网络包括LTE网络、连接至EPC的EVDO网络或者连接至EPC的WiMax 802.16e/m网络。
Description
本申请是申请号为200980115909.9、申请日为2009年4月29日、发明名称为“家用基站连接的网络的泛在接入”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及家用基站网络，尤其涉及一种允许用户设备，不论用户设备在家用基站内工作时，还是该用户设备在家用基站外工作时，都访问连接至家用基站的户内电子设备的系统及方法。
背景技术
无线载波利用蜂窝塔产生大型的蜂窝用于在大片物理区域如大型都市或农村地区进行无线通信。大型蜂窝或宏蜂窝可能覆盖直径为1至5千米的范围。蜂窝塔向遍及宏蜂窝的用户设备或移动手机发送或从其处接收无线信号。
许多种不同的建筑物位于宏蜂窝内，这些建筑物能阻碍、反射或干扰无线信号。例如，除其它的建筑物外，用户典型地试图在如家中和商业建筑这类建筑物内使用移动设备。这些建筑物可能由高损耗材料建成，如混凝土或金属材料，此类材料会阻碍无线信号穿透这些建筑物。由于无线信号强度较弱，所以这些建筑物内的接收通常较差且不稳定。而接收差则意味着移动用户所享受的服务质量较差。家用基站或微蜂窝则位于这些高损耗的建筑物内，通过现有宽带回程基础设施为宏网络路由信号传输。期望的是允许位于家用基站内进行相互通信的多个如蜂窝和网络设备的这类设备的系统及方法，当该用户设备不仅在家用基站内进行操作时，而且当该用户设备在家用基站外进行操作时。此外，期望的是允许用户设备与家用设备，如数据存储设备、打印设备或其它设备进行通信的系统及方法。
发明内容
本发明有力地提供一种方法及系统，不论用户设备位于家用基站内还是用户设备位于家用基站外，该方法及系统都允许通过家用基站连接的多个设备，如用户设备及网络终端设备进行相互通信。本发明还允许用户设备与家用设备，如数据存储设备、打印设备或其它设备进行相互通信。
提供一种系统，用于使移动设备与使用家用基站接入点的本地IP网络主机和外部IP网络主机在家用基站接入网络上进行通信。该系统包括连接到家用基站接入网络的本地网关，并且接收在家用基站接入网络上传输的数据包。根据与该数据包相关的目标地址，该数据包被路由至本地IP网络或外部IP网络。
还提供一种系统，用于允许连接至宏蜂窝网络的移动设备通过宏蜂窝接入网络与使用家用基站蜂窝接入网络的本地IP网络进行通信。本地网关接收由宏蜂窝接入网络传送的数据包，并将这些数据包路由至连接到本地IP网络的终端设备。
提供一种方法，用于使用家用基站来促进移动设备与至少一个终端设备进行通信。该方法包括为本地网关分配本地IP地址，并在本地网关处接收移动设备传送的数据包。该数据包经解析来确定其本地目标地址，并路由到至少一个终端设备。该数据包无需传送至核心网关就能保留在本地网络中。
附图说明
通过参考以下详细描述并结合附图，可对本发明更全面的理解、本发明的有关优点及其特点将会更容易理解。其中：
图1说明根据本发明的原理构建的户内本地疏导(local breakout)网络架构的框图。
图2说明根据本发明的原理构建的对以家庭为基础的网络架构进行远程访问的框图。
图3说明根据本发明的原理进行家用基站蜂窝本地疏导(localbreakout)的流程图。
具体实施方式
本发明提供家用基站或家用型演进Node-B设备，该可安装于建筑物内以改进蜂窝服务质量以及改善与连接到家用网络的设备之间的通信。例如，除其它的建筑物外，该家用基站可安装于住所或商业建筑等建筑物内。该家用基站可能在大约+15dBm的家用功率范围内工作，且可能提供大约50米的工作范围。
该家用基站利用无线蜂窝技术与用户设备(“UE”)，如蜂窝电话、个人数字助理或其它UE进行通信。该家用基站可利用现有宽带回程基础设施通过公共交换电话网络对如互联网和/或宏网络的这类网络进行访问。该家用基站可与数字用户线路(“DSL”)设备或线缆调制解调器以及局域网(“LAN”)进行连接。
除其它的蜂窝网络外，本发明可利用现有蜂窝技术，如CDMA20001xRTT、演进优化数据(“EV-DO”)及长期演进(“LTE”)网络来工作。
UE102可包括多种不同的电子设备，包括但不限于移动电话、个人数字助理(“PDA”)及类似设备。这些设备使用了各种通信技术，如先进的移动电话系统(“AMPS”)、分时多址(“TDMA”)、码分多址(“CDMA”)、全球移动通信系统(“GSM”)、通用分组无线业务(“GPRS”)、1X演进优化数据(简称为“EV-DO”或“1x EV-DO”)及通用移动通信系统(“UMTS”)。UE102还包括为与家用基站及增强型节点(enhancednodes)(“eNB”)进行无线通信所需的控制面板功能提供适当支持的硬件和软件。除其它的硬件外，这类硬件可以包括接收器、发射器、中央处理器、非易失性存储器、易失性存储器以及输入/输出设备。
本发明旨在在宏蜂窝环境下部署数个家用基站。虽然许多家用基站是整个通信网络的组成部分，但是各家用基站与现有宏蜂窝及任何相邻的家用基站又相互独立且有所区别。在移动过程中，该系统将用户设备通信会话由家用基站传递至宏蜂窝，或反之亦然。或者，该系统可将用户设备通信会话由一家用基站蜂窝传递至另一家用基站。
根据一个实施例，宏蜂窝及家用基站采用了切换程序，当由如蜂窝网络或家用基站网络的这类有源网络发出的信号强度值下降到低于预定阈值参数时，该切换程序启动。UE102可能探测到由“有源”接入网发出的信号强度较弱，且可能向有源接入网报告信号较弱来启动转换到信号强度较强的“空闲”接入网的切换，如家用基站网络或蜂窝网络。
或者，切换程序可以启动卸载由蜂窝网络到家用基站网络的终端设备的通信量。该家用基站是用于每个相应的建筑物的个人的和专用的基站，如家用或商业建筑。该家用基站与支持宏蜂窝的蜂窝网络一起独立地支持网络通信。
家用基站110可直接或间接与集线器/交换机106、DSL/线缆调制解调器107和/或路由器108连接。这些设备可以包括相互独立的硬件设备或硬件设备的组合体。集线器/交换机106及路由器108被提供来同UE102共享系统资源，如终端设备104。除其它的终端设备外，终端设备104可能包括个人电脑、便携式电脑、打印机及媒体播放器等。
本发明提供家用基站110，该家用基站110包含具有家用接入点名称(“APN”)的本地PDN网关(“PGW”)112以及将户内数据请求发送至与局域网113相连的终端设备104的服务网关(“SGW”)114。单个接入点名称可分配给多个用户，并解析至目标本地PGW112。此外，多个接入点名称也可分配给多个用户。
长期演进(“LTE”)及演进高速率分组数据(“eHRPD”)为典型的4G技术，该技术通过提供简化的、全数据包架构对通用移动通信系统(“UMTS”)移动电话标准进行了改进。UMTS技术支持移动互联网协议(“IP”)服务，如音乐下载、视频共享、IP宽带接入语音服务，以及为便携电脑、个人数字助理(“PDA”)及其它终端设备104提供的其它的IP服务。LTE通过提升效率、降低成本、提高峰值数据速率、减少延迟、改进服务、改善与其它开放式标准的整合性，提高了目前UMTS的容量。本发明进一步支持家用基站接入网，包括LTE网络、EVDO或与演进分组核心(“EPC”)相连接的演进高速率分组数据(eHRPD)网络以及与EPC连接的WiMax802.16e/m。
应该说明的是，虽然本发明参照LTE网络进行描述，但本发明的原理经一名本技术领域的技术员调整后包括其它网络，如WiMAX(802.16)网络、其它CDMA2000网络以及任何其它本技术领域中已知的网络或后续开发的网络。
现在参照附图，在图中同样的引用指示符代表同样的组件。图1说明通常标示为“100”的系统的典型框图，该系统包括采用蜂窝技术的用户设备102和工作于家用基站范围内的局域网的终端设备104。本发明使UE102可访问位于家用基站范围内的终端设备104。可给UE102分配本地IP地址。家用基站110包括具有家用接入点名称(“APN”)的本地分组数据网络(“PDN”)网关(“PGW”)112，以及将蜂窝间数据请求路由至户内局域网113的本地服务网关(“SGW”)114。“基于家庭的”PDN或本地PGW112允许UE102连接到局域网113上的终端设备104。
本地PGW112通过家用基站110提供UE102与连接至家用局域网113的终端设备104的直接连接。例如，UE102可直接连接至终端设备104，包括打印机、媒体播放器、显示设备或其它终端设备。本地PGW112及本地SGW114使UE102不必再向运营商的宏网络132发送数据。因此，互联网流量可由服务供应商的无线网络卸载至回程IP基础设施中。可对家用基站110、本地PGW112及本地SGW114可配置成UE102能通过一个或多个本地PGW112同步访问一个或多个分组数据网络(“PDN”)。
为支持此性能，除支持家用或本地SGW114及本地PGW112外，家用基站110还支持除其它UE外的S5及S11接口。家用基站网关(“GW”)120，除聚集(aggregating)S1-MME接口外，还可改进以支持S11及S5聚集(aggregation)。
家用基站110可能包括中央处理器(“CPU”)、发射器、接收器、输入/输出设备及存储设备，如非易失性存储器和易失性存储器，以执行上述功能。家用基站110可通过无线接口与UE102进行通信。
家用基站110通过IPsec遂道116连接至家用基站GW120。IPsec遂道116可提供安全的公共网络连接，防止搭线窃听、通信量操纵或其它安全威胁。家用基站GW120为外部网络的接口，且可连接至多个家用基站110。例如，家用基站GW120可连接并管理成百上千个家用基站110。此外，家用基站GW120可配置为授权本地疏导(local breakout)的认证系统。
根据一个实施例，可配备移动管理实体(“MME”)134作为控制面板实体以在LTE网络内管理UE102并对UE102进行认证。MME134可连接至家用基站110。MME134仅为信令实体，从而不在MME134处对UE102发出的IP数据包进行处理。除其它的功能外，MME134可实现多种功能，包括非接入层(“NAS”)信令、NAS信令安全、为处于空闲及激活模式下的移动终端跟踪区域列表管理、分组数据网络网关(“PDN-GW”)选择及服务网关(“S-GW”)选择、漫游、认证以及承载管理功能。
家用基站GW120与分组数据网络网关(“PDNGW”)或(“PGW”)130进行通信。除其它的界面外，采用S5参考点进行通信。PGW130可通过一个或多个PGW130使UE102同时对一个或多个PDN进行访问。PGW130为UE102提供锚点(anchor point)，并在整个通信会话中，不论UE102是否移动至不同的网络节点，PGW130始终保持与UE102之间的通信。PGW130配置成不接收使用UE102与户内终端设备104之间的家用基站110传输的数据。根据运营商的要求，外部互联网流量可能通过户内或本地PGW112或PGW130路由至终端设备104。除实现其它的功能外，PGW130可实现多种功能，包括以单个用户为基础进行数据包过滤、截听、移动终端IP地址分配、上行链路(“UL”)及下行链路(“DL”)服务层计费(charging)、选通及速率控制以及下行链路中的传输层分组标记。此外，PGW130可管理4G网络与非4G网络之间的移动性。
服务网关(“SGW”)136可连接至演进UMTS陆地局域网(e-RTRAN)及移动管理实体134，以对PGW130和e-RTRAN环境间的分组转发上行链路及下行链路进行管理。除其它的功能外，SGW136还可实现多种功能，包括作为用于eNB间切换的本地移动锚点、用于4G间移动的移动性锚定(anchoring)、截听、分组路由及转发、上行链路及下行链路中的传输层分组标记、每移动终端的上行链路与下行链路、PDN及服务质量类别识别器(“QCI”)、计算运营商间计费(Charging)的用户及QCI间隔尺寸(granularity)。IP多媒体子系统(“IMS”)核心140可连接至PGW130以处理请求或会话、实时会话协商与管理。归属用户服务器(“HSS”)可连接至MME 134以保持用户的物理位置。HSS可被提供具有订阅与位置信息的主数据库。
图2所示为使位于远程位置的UE102能够与户内的终端104设备进行通信的系统的示意框图。本发明使用户连接宏网络时可对家用网络113进行访问。额外的PDN连通性使用户可将家用PDN指定为目标PDN。位于宏网络的SGW136为用户的户内PDN建立S5通道，使UE102可访问位于本地网络的终端设备104。图2中的组件同图1中的组件相同，但图2包括一条由SGW136至家用基站GW120的通信路径，为了便于向本地PGW112的路由请求。UE102在宏网络中与e-UTRAN135进行通信，在该网络中UE102被认证且数据包转发至SGW136。SGW136对UE102的数据包进行分析，且决定是否将收到的数据通过家用基站GW120发送至本地或基于家用的PGW112。UE102可通过如动态主机配置协议(“DHCP”)或另一地址管理协议，在远程网络及本地或基于家用的网络113上各获取一个IP地址。家用基站GW120可将数据包直接发送(direct)至本地或以基于家用的PGW112。本地PGW112可将数据包发送至用于分配给目标户内终端设备104的户内局域网113。
图3所示为在家用基站110上进行本地疏导(local breakout)的典型流程图。在步骤S302中，将家用基站配置成包括家用接入点名称。在步骤S304中，在宏网络处接收数据包。在步骤S306中，在移动管理实体中对数据包进行评估，并将数据包转发至家用基站GW。在步骤S308中，将数据包转发至相应的本地PGW。在步骤S310中，将数据包路由至户内疏导(breakout)设备。在步骤S312中，与户内设备进行通信。
应该说明的是，虽然本发明参照LTE网络进行描述，但本发明的原理经一名本技术领域的技术员调整后适用于任何网络，包括其它网络，如1xRTT网络、EVDO网络、UMTS网络、WiMAX(802.16)网络、其它CDMA2000网络以及任何本技术领域中其它已知的网络或后续开发的网络。
本发明可由硬件、软件或软硬件的组合体来实现。任何计算系统、或其它执行这里描述的方法而改装的设备都适于实现此处所描述的功能。
硬件与软件的典型组合体可以是专用计算机系统，该系统具有一个或多个处理部件及存储在存储介质上的计算机程序，当程序被加载和执行时，该存储介质可对计算机系统进行控制，从而执行这里描述的方法。本发明也可嵌入计算机程序产品中，该产品包括所有实现这里所描述方法的特征，且当该计算机程序产品在计算系统加载时可以执行这些方法。存储介质涉及任何非易失性存储设备和易失性存储器设备。
本申请中的计算机程序或应用是指任何一种语言、代码或符号的一组指令的任何表达形式，旨在促使具有信息处理能力的系统直接或在进行以下任何一种或两种处理后完成特定功能的：A)转换成另一种语言、代码或符号；B)以不同材料形式再现。
此外，除非上文有相反的说明，应注意所有附图并非按比例绘制。重要的是，本发明可以在不偏离本发明的实质或必不可少的特征属性的情况下，以其它特定形式予以体现，因此，在指明本发明的范围时，应参照以下权利要求，而非上述说明。
该技术领域的专业人员都应重视，本发明并不限于上述具体说明和描述的内容。此外，除非上文有相反的说明，应注意所有附图并非按比例绘制。不偏离下述权利要求所限定的本发明范围及实质的情况下，可以根据上述描述做出多种修改或变化。
Claims (15)
1.一种用于使移动设备与本地IP网络和宏蜂窝网络通信的方法，包括：
在家用基站接入点处执行以下操作：
接收由移动设备传送的第一数据包；
分析第一数据包以识别该数据包的第一目标地址；
响应于确定第一数据包标识了在本地IP网络内的终端设备的目标地址，家用基站接入点将第一数据包路由到所述终端设备，其中将第一数据包路由到所述终端设备包括：将第一数据包保留在本地IP网络中而不将第一数据包传送到宏蜂窝网络；
接收由移动设备传送的第二数据包；
分析第二数据包以识别该数据包的第二目标地址，其中第二目标地址不同于第一目标地址；和
响应于确定第二数据包标识了外部目标地址，将第二数据包路由到宏蜂窝网络。
2.如权利要求1所述的方法，其中将第一数据包路由到所述终端设备包括：将第一数据包保留在本地IP网络中而不将第一数据包传送到宏蜂窝网络的核心网关。
3.如权利要求1所述的方法，还包括：
将与移动设备相关联的控制平面信息传递到宏蜂窝网络的移动性管理实体(MME)。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述终端设备包括媒体播放器、打印机、计算机或数据存储器中的至少一个。
5.如权利要求1所述的方法，其中将数据包路由到所述终端设备包括将所述数据包传送到本地IP网络的路由器。
6.如权利要求1所述的方法，其中家用基站接入点提供家用基站接入网络，其中家用基站接入网络包括LTE网络。
7.一种家用基站接入点，被配置为使移动设备与本地IP网络和宏蜂窝网络通信，包括：
通信电路系统，用于执行与一个或多个移动设备、本地IP网络和宏蜂窝网络的通信；
处理硬件，连接到所述通信电路系统，其中所述处理硬件被配置为与通所述信电路系统操作以：
接收由移动设备传送的数据包；
分析所述数据包以识别所述数据包的目标地址；
响应于确定所述数据包标识了本地IP网络内的目标地址，将所述数据包在本地IP网络内路由，其中所述路由包括将所述数据包保留在本地IP网络中而不将所述数据包传送到宏蜂窝网络的核心网关；和
响应于确定所述数据包标识了外部目标地址，将所述数据包路由到宏蜂窝网络的核心网关。
8.如权利要求7所述的家用基站接入点，其中所述处理硬件还被配置为与所述通信电路系统操作，以将与移动设备相关联的控制平面信息传送到宏蜂窝网络的移动性管理实体(MME)。
9.如权利要求7所述的家用基站接入点，其中确定所述数据包标识了本地IP网络内的目标地址包括：确定所述数据包标识了本地IP网络内的终端设备的目标地址，并且其中响应于确定所述数据包标识了本地IP网络内的目标地址而将所述数据包在本地IP网络内路由是针对所述终端设备执行的。
10.如权利要求9所述的家用基站接入点，其中所述终端设备包括媒体播放器、打印机、计算机或数据存储器中的至少一个。
11.如权利要求7所述的家用基站接入点，其中将数据包在本地IP网络内路由包括：将所述数据包传送到本地IP网络内的路由器。
12.如权利要求7所述的家用基站接入点，其中家用基站接入点提供家用基站接入网络，其中家用基站接入网络包括LTE网络。
13.一种用于使移动设备与本地IP网络和宏蜂窝网络通信的系统，包括：
用于接收由移动设备传送的第一数据包的装置；
用于分析第一数据包以识别该数据包的第一目标地址的装置；
用于响应于确定第一数据包标识了在本地IP网络内的终端设备的目标地址，家用基站接入点将第一数据包路由到所述终端设备的装置，其中将第一数据包路由到所述终端设备包括：将第一数据包保留在本地IP网络中而不将第一数据包传送到宏蜂窝网络；
用于接收由移动设备传送的第二数据包的装置；
用于分析第二数据包以识别该数据包的第二目标地址的装置，其中第二目标地址不同于第一目标地址；和
用于响应于确定第二数据包标识了外部目标地址而将第二数据包路由到宏蜂窝网络的装置。
14.如权利要求13所述的系统，其中将第一数据包路由到所述终端设备包括：将第一数据包保留在本地IP网络中而不将第一数据包传送到宏蜂窝网络的核心网关。
15.如权利要求13所述的系统，还包括：
用于将与移动设备相关联的控制平面信息传递到宏蜂窝网络的移动性管理实体(MME)的装置。
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