CN104270738A - 用于本地路由数据业务的网络设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于本地路由数据业务的网络设备和方法。该网络设备包括用于交换数据分组的接口并且还包括分组过滤器，该分组过滤器用于连接到复制移动网络中的锚点的数据连接上下文的本地锚点，并且用于基于包含于所述数据分组中的至少一个目的地址来确定所述数据分组是否具有所述本地网络内的目的地。

Description

用于本地路由数据业务的网络设备和方法

本申请为申请号200910137875.5、申请日2009年5月5日、名称为“用于本地路由数据业务的网络设备和方法”的分案申请。

技术领域

本发明一般涉及无线通信领域，具体地涉及具有pico或femto无线基站的本地网络。

背景技术

在蜂窝无线系统中，越来越多的无线用户设备单元(UE)经由至一个或多个核心网的无线接入网而通信。用户设备可以是移动电话设备、膝上型电脑、PDA或任何其他无线设备。

无线接入网覆盖了被分成多个小区的地理区域。每个小区由至少一个基站服务。小区被定义成由基站的无线基站设备提供无线覆盖的地理区域。每个小区由唯一的身份标识，该身份在小区内被广播。基站通过无线接口与基站范围内的用户设备单元(UE)通信。

近来，所谓的femto无线基站已经被引入以用在住宅或较小的商务环境中。这种住宅或较小的商务环境可以构成本地网络。Femto基站通过宽带(例如DSL或电缆)将本地网络连至服务提供商的核心网。Femto基站使得服务提供商能够扩展室内服务范围，尤其是在接入被限制或不可用的地方。它包括典型的基站功能性但是将其扩展成允许更简单的自包含部署，例如包含具有回传以太网的节点B、RNC和SGSN的UMTS基站。网关GPRS支持节点(GGSN)用作通用分组无线系统(GPRS)无线数据网络与其他例如互联网或专用网的网络之间的网关。GGSN是实现用户终端在GPRS/UMTS网络中的移动性的锚点。它维持对于将协议数据单元(PDU)经由隧道传送至服务于特定移动用户的SGSN所必需的选路。无线网络控制器(RNC)是UMTS无线接入网络中负责控制节点B(即连至该控制器的基站)的管理单元。服务GPRS支持节点(SGSN)负责从和向在其地理服务区域内的移动台递送数据分组。在核心网侧，SGSN与一个或多个GGSN相连。在无线接入网侧，SGSN与RNC相连。节点B是UMTS无线接入网中的、负责在一个或多个小区中从/向用户设备进行无线发射/接收的逻辑网络组件。节点B与其覆盖范围内的一个或多个用户设备以及网络侧的RNC相连。

尽管为了应用femto无线基站需要更多地关注UMTS，然而本领域技术人员应当清楚，该方法可以容易地适用于所有标准，包括GSM、CDMA2000、TD-SCDMA和WiMAX方案。然而，本发明所要解决的问题是以UMTS网络作为例子来说明的。

UMTS femto基站是用于家庭和公司的低成本、低功率的UMTS接入点。移动运营商非常关注将femto基站用作改进室内覆盖以及从室外U MTS无线网络卸载业务的解决方案。对于终端用户而言，femto基站提供了在家中使用常规蜂窝电话来进行便宜的语音呼叫和数据或多媒体会话的可能性。同样，对于移动运营商而言，femto基站提供了在减轻其主网络负担的同时提供高带宽终端用户服务的可能性。

在femto基站解决方案中，存在femto基站的不同实现。不同femto基站方法之间的主要区别在于家庭基站上的移动网络功能性和可以对主网络减负的相应程度。

Femto基站的一个共同特征是在移动设备之间被交换或被发送给本地网络中的固定设备的数据总是经过移动核心网。

为此，一种实现方式是经由femto网关(即femto基站与移动运营商网络之间的用于提供聚集和安全网关功能性的网络设备)、在GTP(GPRS隧道协议)隧道上将所有基于分组的终端用户数据服务从住宅侧的femto基站传送至移动运营商的核心网中的SGSN或在一些情况下直接传送至GGSN。从技术和商业这两个角度来看，这对于被发送至互联网或者位于自己的住宅或公司环境之外的终端用户的业务而言是一种很好的方法。此外，它提供femto基站与宏小区之间的切换可能性，因为移动性锚点位于移动网络中(在GGSN中)。

然而，对于在与femto基站相同的本地网络内的移动设备与PC/膝上型电脑/机顶盒之间被交换的、或在移动设备与连至femto基站的另一移动设备之间被交换的数据而言，这个解决方案不但昂贵而且低效，因为所有业务在被发送回住宅之前必须经过运营商的核心网。随着移动终端变得越来越强大并且支持各种不同的多媒体应用，针对住宅设备与移动终端的之间的数据交换和同步的需求不断增加，因此需要更好的解决方案。

当前，利用用户设备(UE)的单个IP地址将用户业务锚定在两个不同的位置(家庭网络中的本地业务和运营商核心网中的外部业务)是不可能的。

GPRS规范使得用户能够与单个或多个GGSN建立多个“PDP上下文”会话。在这种情况下，每个GGSN从其本地地址池中的一个不同的IP地址分配给终端。GGSN选择机制是基于由UE在分组数据协议(PDP)建立期间所指定的APN(接入点名称)的。利用这种解决方案，可以将GGSN之一定位在本地网络中以处理本地业务。然而，这个解决方案具有多个缺点：

1.终端需要处理多个IP地址，例如选择针对每个应用或对等节点的正确IP地址所产生的多宿问题。

2.哪个IP地址被用于哪个会话对于应用不是透明的。对于IPv4而言，每个终端的多个IP地址迅速导致公共IPv4地址的短缺。这又迫使运营商分配专用地址，这导致NAT(网络地址和端口转换)的已知问题，像应用层网关引入那样。

3.该解决方案涉及APN管理。终端用户需要向本地GGSN明确地请求PDP上下文，其不是透明的。

4.当用户从他的femto基站切换至室外宏小区时，本地锚点需要被释放。同样，从femto基站到室外基站中断了本地会话。

因此，需要一种能够克服现有技术缺陷的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够利用单个IP地址将用户业务锚定在两个不同位置的网络设备和网络结构。本发明的另一目的是提供一种用于从移动核心网卸载数据业务的方法。

本发明提供了一种用于服务于与移动网络相连的本地网络的网络设备。所述网络设备包括用于交换数据分组的接口。所述设备还包括被安排用于连接到本地锚点的分组过滤器，该本地锚点复制移动网络中的锚点的数据连接上下文。分组过滤器也被安排用于基于包含于数据分组中的目的地址而确定数据分组是否具有本地网络内的目的地。

在有利的实施例中，本地锚点包含于所述网络设备中。

优选地，所述设备还被安排用于存储用于转发数据分组的规则。

本发明的网络设备通常是femto基站或家庭网关。

在网络设备是femto基站的情况下，所述分组过滤器优选地按照GTP协议或MIP协议操作。

本发明还涉及一种本地网络，其包括至少一个如前文所述的网络设备和用于复制移动网络中的锚点的数据连接上下文的本地锚点。如已经提及的那样，所述本地锚点可以有利地集成到所述网络设备中。

在另一方面中，本发明涉及一种用于从移动网络卸载数据业务的方法，由此所述移动网络连接到本地网络。该方法包括下列步骤：

-利用所述本地网络中的网络设备的分组过滤器、基于待交换的数据分组中的目的地址来确定该待交换的数据分组是否具有所述本地网络内的目的地，由此所述网络设备中的分组过滤器连接到复制移动网络中的锚点的数据连接上下文的本地锚点，

-如果是，则将该数据分组转发至所述本地网络内的目的地址，

-否则，将该数据分组转发至所述移动网络。

在优选的实施例中，所述方法还包括利用数据分组转发规则来配置所述分组过滤器的步骤。

在有利的实施例中，所述移动网络经由宽带接入网而连接到本地网络。

确定的步骤可以有利地基于目的地址并结合包含于所述数据分组中的其他数据。

附图说明

图1示出了本发明的各种实施例；

图2示出了包括femto基站和家庭网关的端到端解决方案的功能图；

图3示出了会话建立的示例；

图4示出了下行链路分组的转发；

图5示出了上行链路分组的转发。

具体实施方式

本发明提供了一种对用户设备和移动核心网透明的解决方案，其实现了移动终端与通常连至同一本地数据网络的IP主机之间的高效数据交换，同时非本地业务仍以传统方式在移动核心网中被路由。在这里，透明性是指对于本地和外部IP通信均使用单个IP地址以及当执行向或从室外基站的切换时维持IP会话连续性的能力。

本地数据传送的一些例子是：

-将最新的图片从移动终端上载至台式PC或TV机顶盒，

-将最新的mp3播放列表下载至移动终端，

-同步邮件、联系地址和日历数据，

-将音频图书下载至移动终端，

-下载最新的铃音、背景、GIF等，和

-同一家庭或小型公司中的成员之间的基于IMS的多媒体和语音服务。

尽管重要的应用领域是针对住宅femto基站的，然而如这里描述的相同机制也可以应用于公司环境，并且如已经提到的那样应用于其他蜂窝解决方案，例如WiMAX，CDMA 2000，TD-SCDMA或LTE(长期演进，第四代移动电话标准)。

为了解决多重IP地址和GGSN选择的问题，第二镜像/虚拟GGSN被引入本地网络。当连接到femto基站时，所有新的和现有的分组数据协议(PDP)上下文被自动复制到本地GGSN。本地PDP上下文关联于与其外部对应体相同的IP地址和属性。这样做高效地创建了两个数据锚点，一个本地和一个外部锚点，这两个锚点都能够过滤进入的分组并将其转发至正确的PDP上下文。

除了本地GGSN镜像之外，GTP分组过滤器或业务流模板对于确定要向其上行发送分组的GGSN实例而言也是必需的。GTP分组过滤器的任务是基于目的IP地址、可能地结合内部GTP分组的其他参数来确定目标GGSN。如果目的地址对应于本地网络内的IP地址或连至同一femto基站(同一本地网络中的另一femto基站)的移动终端，则GTP隧道被重新定向至复制核心网络中的GGSN的数据上下文的本地锚点，所有其他分组被发送至移动运营商网络中的GGSN。

对于从本地PC或IP主机被发送至连接到本地网络中的femto基站的移动终端的分组而言，在家庭网关需要类似的过滤器。作为目的地址而具有用户设备单元(UE)地址的分组必须被家庭网关重新定向至服务femto基站。通过家庭网关与femto基站之间的专用信令消息或通过由femto基站使用ICMP(互联网控制消息协议)重定向和无偿ARP(地址解析协议)，能够设定正确的转发规则。ICMP重定向确保当无偿ARP消息允许将移动终端的IP地址关联于femto基站的MAC地址时第三层选路表被调整。

由于上行链路和下行链路过滤由本地网络内的网络单元(femto基站和家庭网关)执行，因此整个过程对于移动终端和移动核心网二者都是透明的。

从femto基站至室外覆盖的切换可以如下进行。当在本地网络内完成分组过滤时，从室内femto至室外蜂窝网络的GPRS会话切换导致所有分组被转发至移动运营商的GGSN。当femto基站检测到移动终端已经切换会话时，它必须指示家庭网关重设针对该特定终端的第二层和第三层转发规则。重设第二层和第三层转发规则导致去往用户设备的分组被家庭网关转发至核心网络中的移动锚点。该移动锚点又将分组递送至当前连接到宏小区的移动设备。这确保了切换发生之后的服务连续性。

从室外基站到femto基站的切换可以如下进行。室外基站到femto基站的切换对应于当前GPRS网络内已知的SGSN间的切换。在SGSN间切换期间，所有PDP上下文信息从旧的SGSN被推送至femto基站的目标SGSN。在PDP上下文信息中，所有必需的信息被复制并且被推送至本地GGSN。在femto基站已检测到用户设备已成功切换会话之后，它按照前面说明的方法来配置家庭网关和femto基站的分组过滤器中的合适的转发规则。

上面描述的解决方案是基于3GPP TS 23.060和组合节点B、RNC和SGSN功能性且连至运营商网络内的GGSN的femto基站的。相同的原理也可以一个用于其他femto基站实现变型，如下文所说明的那样。图1示出了三个变型。

在一个实施例中，femto基站组合了节点B和RNC功能性并且与运营商网络内的SGSN相连。在用户平面内，RNC和SGSN之间的接口是基于GTP-U的并且等同于SGSN与GGSN之间的接口。

可选地，femto基站可以组合所有GPRS功能性(节点B、RNC、SGSN、GGSN)并且经由移动IP(MIP)接口而连至运营商网络内的MIP归属代理(HA)。尽管协议是不同的(MIP与GTP)，然而可以像在GTP实施例中那样应用相同的过滤标准和规则。

作为另一个选项，femto基站可以在相关移动网络支持“直接隧道”特征的情况下组合节点B和RNC功能性。直接隧道化是3GPP中说明的一个选项，其将SGSN功能性限制成纯粹的控制实体。数据平面从RNC被直接隧道传送至GGSN。这个方案组合了利用基于网络的SGSN的方案的控制面的优点(例如更安全且受限的归属位置寄存器(HLR)信令)和在集中式GGSN方案中可用的最佳数据路径。

相同的原理也适用于WiMAX或基于LTE的结构以及其后继者，其中锚点分别称为归属代理(HA)和分组数据网络网关(PDN-GW)。

图2示出了经由基于DSL的宽带接入网与移动核心网中的锚点互连的femto基站的功能图。移动核心网中的锚点是GGSN。所述femto基站是包括节点B/RNC、SGSN、GTP过滤器和本地GGSN功能性的网络设备。所述femto基站经由包括DSL调制解调器和路由器以及NAT功能性的网关与本地网络互连。网关还包括用于经由DSL线与外部数据网络互连的装置。一个或多个无线用户设备(UE)与femto基站通信以交换数据分组。

标号1的链路代表基站与移动核心网中的锚点之间的、用于在UE与外部网络间交换数据的数据路径。在这个实施例中，标号1的链路上的UE数据分组通过GTP(GPRS隧道协议)而被隧道化。

标号2的链路代表用于在连至femto基站的无线UE与IP主机或连至本地网络的PC之间通信的本地数据路径。通过标号2的链路交换的数据分组未被隧道化。标号1和2的链路代表逻辑链路而非物理链路。

对于来自UE的上行链路分组而言，GTP过滤器基于上行链路分组的目的地址来确定数据分组是应当被发送至本地GGSN还是移动核心网中的GGSN。外部数据沿着标号1的链路而被发送至移动核心网中的GGSN。具有本地IP主机作为目的地的数据由本地GGSN处理。本地GGSN端接GTP隧道化并且将本地分组转发至网关，该网关又将该分组递送给本地IP主机。

对于下行链路分组而言，是由网关来确定分组应被发送至外部网络(通过DSL链路)还是本地femto基站。该网关基于接收自本地IP主机的分组的目的IP地址来执行这个转发。如果目的IP地址匹配于连接到本地femto基站的UE之一的地址，则该网关将数据分组转发给相应的femto基站。家庭网关的分组过滤器中的转发规则由femto基站在检测到具有激活PDP上下文的连接上的UE时动态地设置。

图3示出了用于按照3GPP TS 23.060建立GPRS PDP上下文的典型信令流。添加了附加的步骤从而实现优化的本地数据选路。前两个消息表示UE连接到femto基站所必需的信令。必需的信息被存储在HLR(归属位置寄存器)中。在连接到femto基站之后，UE可以开始建立去往移动核心网中的锚点的PDP上下文。在PDP上下文激活期间，在femto基站与移动核心网之间交换所有必需的信息以成功地建立从UE至移动核心网的IP会话。所交换的信息可以包括所需要的QoS、UE的IP地址、GGSN的选择等等。能支持优化的本地数据选路的femto基站基于在PDP上下文激活期间交换的信息来创建GGSN的本地复制。GTP分组过滤器也能够与本地锚点一起基于预设置的配置信息。在成功的PDP上下文激活之后，已经创建两个锚点，一个在移动核心网中的用于外部数据的锚点和一个用于本地数据交换的本地锚点，这两个锚点都能够接收进入的UE数据分组并且将它们转发给相应的UE。

最后一步包括利用与分配给UE的IP地址相对应的转发规则来更新网关。这可以通过组合ICMP重定向和无偿ARP或通过femto基站与网关之间的直接信令来完成。这个新的IP转发规则确保具有作为目的地址的UE地址的分组被中继到服务于该UE的femto基站。

在成功的PDP上下文激活之后(如图3所示)，所有正确的功能就位以正确地路由数据分组。图4示出了处理由本地IP主机发送给连至本地femto基站的UE的外部和本地数据分组中的差异。分组过滤标准在上面两个方框中说明。图的上半部示出了由本地IP主机发送给连至本地femto基站的UE的下行链路分组处理。

由本地IP主机发送的分组被网关拦截并且将其目的IP地址与网关转发表中的条目相比较。对于连接到本地femto基站的UE而言，转发表中的条目指向femto基站的MAC地址。在图中，UE IP地址用HoA(归属地址)表示。网关将具有UE IP地址作为目的地的分组路由至本地femto基站。在femto基站内，本地GGSN复制处理进入的分组并且将其置于正确的PDP上下文。

图的下半部(虚线以下)表示由UE通过femto基站发送给本地IP主机或连至外部网的IP主机的分组的处理。

UL转发表由femto基站中的GTP分组过滤器使用以确定分组是应当被发送至本地GGSN还是远程GGSN。GTP隧道中的内部分组的IP目的地址匹配于IP子网掩码(10.255.255.255)。如果目的地在同一子网内，则GTP隧道就被转发至本地GGSN实例。本地GGSN端接GTP隧道并将明文IP分组转发至本地网络的网关。该网关将分组直接转发至本地IP主机。当目的IP地址与本地主机的子网不匹配时，所有GTP隧道化分组被转发至停驻于移动核心网中的GGSN。

如果不再需要，则PDP上下文可以被释放。图5示出了这种PDP上下文释放。除了标准的PDP上下文释放过程之外，PDP上下文的释放导致了网关的分组过滤规则的删除和本地GGSN中的相关PDP上下文信息的释放。当UE切换至宏小区时也需要类似的动作。GTP分组过滤器复制所有去往本地GGSN的GTP-C消息。在收到来自移动网中的GGSN的PDP上下文释放确认后，femto基站释放网关中针对该UE地址的分组转发规则。在针对该UE地址的转发规则被重设之后，网关停止将分组转发至本地锚点而是通过宽带接入网发送它们。

本发明因而描述了关于终端用户和设备的透明机制，其组合了锚定在针对外部数据的移动运营商网络的传统数据与归属环境中的设备间的优化本地业务。本发明以对移动终端和移动核心网均为透明的方式而解决了UMTS移动终端与家庭设备之间的本地业务交换。

尽管参考特定实施例描述了本发明，然而本领域技术人员应当认识到，本发明不限于前面说明的实施例的细节，并且本发明可以以各种不脱离其精神和范围的改变和修改而得到体现。本发明的实施例因而是说明性而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求限定而不是前面的描述，因此包含了在与权利要求等价的含义和范围内的所有改变。换言之，设想覆盖了在基本原理的精神和范围内并且其基本属性在本申请中被主张权利的所有的修改、变型或等价物。此外，本专利申请的读者应当理解，词语“包括”并不排除其他单元或步骤，词语“一个”并不排除多个，并且例如计算机系统、处理器或另一集成单元的单个单元可以实现权利要求中描述的几个装置的功能。权利要求中的任何参考标记不应但被看作对各个有关权利要求的限制。说明书和权利要求中使用的术语“第一”、“第二”、“第三”、“a”、“b”、“c”等被用来区分相似的单元或步骤而并非规定顺序或时序。类似地，术语“上”、“下”等指示用于进行描述而并非表示相对位置。应当理解，所使用的术语在合适的情况下是可互换的，并且本发明的实施例能够按照本发明以其他顺序操作，或者以与上文所说明的不同的方向操作。

Claims (11)

1.一种用于服务于与移动网络连接的本地网络的网络设备，所述网络设备包括用于交换数据分组的接口，其特征在于，还包括分组过滤器，该分组过滤器用于连接到复制所述移动网络中的锚点的数据连接上下文的本地锚点，并且用于基于包含于所述数据分组中的目的地址来确定该数据分组是否具有在所述本地网络内的目的地。

2.根据权利要求1所述的网络设备，其中，所述本地锚点包含于所述网络设备中。

3.根据权利要求1或2所述的网络设备，其中，所述分组过滤器用于存储数据分组转发规则。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的网络设备，其中，所述设备是femto基站。

5.根据权利要求4所述的网络设备，其中，所述分组过滤器是按照GTP协议或MIP协议操作的。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的网络设备，其中，所述设备是网关。

7.一种本地网络，包括根据权利要求1至6中任一项的至少一个网络设备和用于复制移动网络中的锚点的数据连接上下文的本地锚点。

8.一种用于从移动网络卸载数据业务的方法，所述移动网络与本地网络相连，所述方法包括下列步骤：

-利用所述本地网络中的网络设备的分组过滤器、基于待交换的数据分组中的目的地址来确定所述待交换的数据分组是否具有在所述本地网络内的目的地，由此所述网络设备内的所述分组过滤器连接到用于复制移动网络中的锚点的数据连接上下文的本地锚点，

-如果是，则将所述数据分组转发至所述本地网络内的所述目的地址，

-否则，将所述数据分组转发至所述移动核心网。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括利用数据分组转发规则来配置所述分组过滤器。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述移动网络经由宽带接入网而与所述本地网络相连。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中，所述确定的步骤是基于所述目的地址并结合包含于所述数据分组中的其他数据的。