CN105636021A - 漫游无线电设备项与网络接入网关之间的数据通信方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及漫游无线电设备项与网络接入网关之间的数据通信方法，数据以分组的形式来组织，分组包括至少一个第一内部报头和第二外部报头，该方法包括：初始信息交换阶段，该阶段包括：由无线电通信设备项向网关发送来自外部报头的字段和内部报头的字段的至少一个可预测字段的步骤(310)；由无线电通信设备项从网关接收外部报头的至少一个可预测字段的步骤(410)；至少一个数据分组的发送的阶段，该阶段包括：删除至少一个数据分组的内部报头和外部报头的步骤(302)；在至少一个数据分组中生成比网络层低的层级的包括来自内部报头的字段的至少一个不可预测字段的报头的步骤(303)；发送至少一个数据分组的步骤(304)。

Description

漫游无线电设备项与网络接入网关之间的数据通信方法
技术领域
本发明涉及漫游移动运营商需要与通信网络进行通信的通信系统的领域。嵌入在漫游运营商中的通信系统需要根据运营商的位置而通过不同的网络接入网关连接到网络。因此，本发明涉及在网络级管理移动性的通信网络。本发明最后涉及优化移动运营商与网络接入网关之间的无线电链路上的带宽的使用的领域。
本发明更具体地涉及一种漫游无线电设备项与网络接入网关之间的通信方法，该方法允许优化在此通信链路上消耗的频谱资源。
背景技术
图1表示移动运营商P(例如，飞行器)与固定的基础设施R的网络进行通信的通信系统的示例。例如，这样的系统适用于实现由国际民用航空组织(ICAO)指定的ATN(航空通信网络)标准。
移动运营商P包括至少一个机载嵌入式无线电通信设备项101，该设备项使它能够连接到机载局域网102。
移动运营商P通过接入网关103、104、105连接到固定的基础设施网络R。该网关根据无线电通信技术来建立与机载通信设备项101的无线电链路(例如卫星通信链路)。移动运营商P连接到在其无线电范围内的接入网关103、104、105。因此，能够经由不同的接入网关103、104、105进行对网络R的接入。每个接入网关连接到归属代理106、107，这些归属代理是网络R的实体，其作用是管理希望经由接入网关连接到网络的设备项的移动性。每个无线电通信设备项101与归属代理106、107相关联。归属代理106可以实施在不同于接入网关103的设备项中，同时被连接到该网关，或实施在与接入网关103相同的设备项中。同一个归属代理106可以连接到多个接入网关103、104、105。
在图1的示例中，作为图示，考虑了嵌入式设备项101与连接到网络R的远程终端108之间的通信链路。移动运营商P从第一网关105的无线电范围内的第一区域移动到第二网关103的无线电范围内的第二区域。
为了建立和保持嵌入式设备项101与远程终端108之间的通信(而不管移动运营商P的位置)，建立了两个网络链路。
在嵌入式设备项101与远程终端108之间建立第一网络链路。该链路从嵌入式设备项101的永久网络地址和远程终端108的永久网络地址建立。
为了管理运营商P的移动性，在属于与接入网关相同的网络的嵌入式设备项101的临时网络地址与负责移动性管理的归属代理106的网络地址之间，以隧道模式建立第二网络链路。该临时网络地址由网络接入网关分配。
当运营商P在其移动过程中改变了接入网关时，该移动性管理机制使得能够避免实现复杂的路由机制。
然而，对于相同的点对点通信，使用两个网络链路(包括一个通过隧道的网络链路)导致缺点。发送的数据分组包括显著大小的两个网络报头，这两个网络报头具体地说是针对使用IPv6协议的网络。IPv6报头具有40个八位字节的大小。现在，移动运营商P与网络接入网关之间的无线电链路比不是具有低可用带宽的链路更频繁，航空通信链路的情况尤其如此。使用两个IPv6报头来建立通信链路导致在无线电信道上可用的资源的非最佳使用，因为在每个发送的分组中引入两个网络报头相应减少了可用于被发送的有用数据的带宽。
一种可以基于IP网络协议来优化发送情况下的无线电资源的已知解决方案在于使用网络报头压缩机制，例如由IETF组织根据参考RFC3095标准化的RoHC(鲁棒性报头压缩)机制。
这种机制使得能够减小网络报头的大小，但的确存在其它的缺点。针对每个交换会话，它需要主机的初步连接的初始阶段并且实现起来复杂。此外，它还需要维持每个主机所保存的内容之间的同步，以能够正确地操作报头的解压缩，且因此对任何不同步的现象敏感。
发明内容
本发明提出了一种在嵌入在移动运营商中的无线电设备项与至固定网络的接入网关之间的发送方法，该方法能够优化可用的带宽资源。
本发明提出的解决方案在于，删除网络报头的可预测字段的发送并且在接收时重建被删除的报头。
本发明的主题是一种在旨在嵌入至漫游运营商中的无线电通信设备项与连接到网络的网关之间的数据通信方法，数据以分组的形式来组织，这些分组包括至少一个第一网络报头和第二网络报头，所述第一网络报头称为内部报头，对应于在属于嵌入在所述运营商上的局域网的本地通信设备项与连接到所述网络的远程通信设备项之间的网络链路；所述第二网络报头称为外部报头，对应于在所述无线电通信设备项与连接到该网关的归属代理之间的网络链路，所述方法的特点在于，它至少包括：
-初始信息交换阶段，该阶段包括：
由该无线电通信设备项向该网关发送或由该网关从该无线电通信设备项接收来自该外部报头的字段和该内部报头的字段的至少一个可预测字段，
由该无线电通信设备项从该网关接收或由该网关向该无线电通信设备项发送该外部报头的至少一个可预测字段，
-至少一个数据分组的发送的阶段，该阶段包括：
删除该至少一个数据分组的该外部报头和该内部报头，
在所述至少一个数据分组中生成比网络层低的层级的、包括来自该内部报头的字段的至少一个不可预测字段的报头，
发送所述至少一个数据分组。
本发明的另一个主题是一种在旨在嵌入在漫游运营商中的无线电通信设备项与连接到网络的网关之间的数据通信方法，数据以分组的形式来组织，这些分组包括至少一个第一网络报头和第二网络报头，所述第一网络报头称为内部报头，对应于在属于嵌入在所述运营商上的局域网的本地通信设备项与连接到所述网络的远程通信设备项之间的网络链路；所述第二网络报头称为外部报头，对应于在所述无线电通信设备项与连接到该网关的归属代理之间的网络链路，所述方法的特点在于，它至少包括：
-初始信息交换阶段，该阶段包括：
由该无线电通信设备项向该网关发送或由该网关从该无线电通信设备项接收来自该外部报头的字段和该内部报头的字段的至少一个可预测字段，
由该无线电通信设备项从该网关接收或由该网关向该无线电通信设备项发送该外部报头的至少一个可预测字段，
-数据接收阶段，该阶段包括：
接收包括比网络层低的层级的报头的至少一个数据分组，
在该数据分组中重建内部网络报头，该内部网络报头至少来自在该初始阶段期间发送的至少一个可预测字段和包括在比所述数据分组的网络层低的层级的该报头中的至少一个不可预测字段，所述内部网络报头对应于属于嵌入在所述运营商上的局域网的本地通信设备项与连接到所述网络的远程通信设备项之间的网络链路，
在该数据分组中重建外部网络报头，该外部网络报头至少来自在该初始阶段期间发送的至少一个可预测字段，该外部网络报头对应于所述无线电通信设备项与连接到该网关的归属代理之间的网络链路，
删除所述数据分组中的比网络层低的层级的该报头。
根据本发明的特定方面，该内部报头的可预测字段至少包括该无线电通信设备项的永久网络地址的前缀。
根据本发明的特定方面，该内部报头的不可预测字段至少包括连接到所述网络的该远程通信设备项的网络地址。
根据本发明的特定方面，该内部报头的可预测字段包括该无线电通信设备项的永久网络地址的后缀。
根据本发明的特定方面，该外部报头的可预测字段至少包括由该网关分配的该无线电通信设备项的临时网络地址的一部分和该归属代理的网络地址。
根据本发明的特定方面，该无线电通信设备项的临时网络地址由通过该网关分配的前缀和从特定于该无线电通信设备项的标识符生成的后缀构成，并且该初始信息交换阶段包括：
由该无线电通信设备项向该网关发送或由该网关从该无线电通信设备项接收该标识符，
由该无线电通信设备项从该网关接收或由该网关向该无线电通信设备项发送由该网关分配的该前缀。
本发明的又一个主题是一种包括指令的计算机程序，该程序在由处理器执行时，这些指令用于执行根据本发明的数据发送方法和/或数据接收方法。
本发明的再一个主题是一种旨在嵌入至漫游运营商中的无线电通信设备项，该无线电通信设备项包括适用于检测依据至少包括网络层和链路层的分层模型的网络架构的通信装置，该通信装置被配置为执行根据本发明的数据通信方法。
本发明的又一个主题是一种网络网关，该网络网关旨在经由网络的归属代理连接到该网络，并且包括适用于检测依据至少包括网络层和链路层的分层模型的网络架构的通信装置，该通信装置被配置为执行根据本发明的数据通信方法。
附图说明
结合附图阅读以下描述，本发明的其它特征和优点将变得更加明显，附图表示：
图1是移动运营商可以连接到固定的基础设施网络的通信网络的框图，
图2是图示了图1的网络中的通信链路的协议实现的图，
图3是图示了根据本发明的数据发送方法的流程图。
具体实施方式
图2示意性图示了在嵌入式通信设备项101与连接到网络R的远程终端108之间的发送中所实现的机制。
网络R使用基于包括至少四个层的类型模型的协议架构：应用层AP、网络层IP、数据链路层LD和物理层PHY。协议架构模型特别是受到包括七个层的OSI(开放系统互连)模型的启发。
图2示出了由嵌入式设备项101发起的、旨在针对远程终端108的发送。对于从远程终端108到嵌入式设备项101的通信所应用的发送机制是类似的。
在嵌入式设备项101的应用层或连接到嵌入在移动运营商P中的局域网的设备项的应用层生成数据分组P10。所生成的分组P10被发送到IP网络层，以在网络分组中相继封装两次。为此，添加第一内部网络报头，该报头特别是包括源无线电设备项101的永久网络地址和目的地远程终端108的永久网络地址。还添加第二网络报头，以在无线电设备项101与归属代理106之间以隧道模式建立网络链路。第二外部网络报头包括由网关103分配的无线电设备项101的临时网络地址、以及归属代理106的永久网络地址。例如，内部网络报头和外部网络报头是IPv6报头。
适时构建的网络数据分组P11被发送到数据链路层，该数据链路层还添加特定的报头，以生成新的分组P12，该分组被发送到物理层，随后通过无线电信道被发送到网关103。
网关103将接收到的分组P32解封装成IP网络层的层级。在这一层级，网关103将网络分组P61发送到归属代理106，该归属代理删除外部网络报头并且将网络分组P60传送到目的地终端108，该目的地终端恢复应用分组P80。
在无线电设备项101与归属代理108之间使用第二IP隧道允许管理可连接到不同的网络接入网关的运营商P的移动性。归属代理106对于每个运营商P来说是唯一的，这使得可以有效地管理分组到其目的地的路由，而不管运营商P的位置。
如前文中所指出的，给每个分组添加两个网络报头生成了运营商P与网关103之间的无线电链路的带宽的过度消耗，有害于分配到有用数据的比特率。
本发明提出了解决这个问题的机制。
图3图示了根据本发明的数据发送方法。
该方法包括嵌入式无线电设备项101与网关103之间的第一初始信息交换阶段，随后是第二数据发送阶段。
当运营商P希望通过它最接近并且在无线电范围内的网关103在网络R上注册时，第一信息交换阶段发生。
无线电设备项101首先在将被发送的分组的两个网络报头中识别出在来自或至无线电设备项101或嵌入在运营商P中的局域网的任何发送中是可预测的字段。“可预测字段”这里应该理解为意味着不管通信是来自无线电设备项101还是至无线电设备项101，其值是固定或不变的报头字段。
在内部网络报头中，可预测字段是无线电设备项101的永久地址字段，或者在该永久地址的后缀被用于分配寻址到在嵌入在运营商P中的局域网内连接的不同设备项的永久网络的情况下，可预测字段是该永久地址的前缀。远程终端108的地址通常是不可预测的，因为不会先知无线电设备项101可能需要与之进行通信的终端。然而，在运营商P与同一个远程终端进行系统通信的特定情况下，它也是可以预测的。
在外部网络报头中，可预测字段是归属代理106的地址字段。实际上，每个漫游运营商P与负责管理该运营商在网络R中的移动性的归属代理之间存在唯一配对。
无线电设备项101的临时网络地址(其也包括在外部网络报头中)由接入网关103来分配，且因此也是可预测的，因为涉及无线电设备项101的所有通信将使用该临时地址。
在本发明的特定实施方案中，仅临时网络地址的前缀由接入网关分配。临时网络地址的后缀是从前缀和从特定于无线电设备项101的标识符(例如，EUI64型的标识符)确定的。接入网关将后缀发送到无线电设备项，该无线电设备项然后可以从标识符生成所有临时网络地址。
总之，在根据本发明的方法的初始交换阶段中，在301，无线电设备项101识别它知道的两个网络报头中的可预测字段，然后将它们发送到网关103。类似地，在401，网关103识别它知道的可预测字段，并且将它们发送到无线电设备项101。
在初始阶段结束时，无线电链路中直接涉及的两个实体101、103各自具有两个网络报头的可预测字段的本地副本。
在第二数据发送阶段，来自网络层的数据分组P11在数据链路层LD的层级被拦截。在302，两个网络报头被删除。在303，分组被添加链路报头。该链路报头包括两个网络报头的不可预测字段。例如，该链路报头包括远程终端108的目的地地址。当使用无线电设备项101的永久网络地址的后缀来给位于运营商P上的设备项分配若干永久地址时，换句话说，当在运营商上的若干设备项在向网关注册运营商时所分配的前缀内是可寻址的时，该链路报头还可以包括无线电设备项101的永久网络地址的后缀。
在304，包括根据本发明所生成的链路报头的分组然后被发送到物理层，然后通过无线电信道被发送到网关103。
在接收到分组时，由网关在数据链路层LD的层级执行以下处理操作。在404，从包含在链路报头中的不可预测字段和从在初始阶段期间交换的可预测字段重建内部网络报头。在403，从在初始阶段期间交换的可预测字段重建外部网络报头。然后，在402，删除链路报头。
在图2中，在由嵌入式设备项101向远程终端108发起通信的非限制性示例中描述了根据本发明的发送机制。然而，也可以反方向执行发送。在后一种情况下，将分别由无线电设备项101和网关103执行的处理操作反向。
在不脱离本发明的范围的前提下，根据本发明的发送方法也可以在物理层的层级、或位于比网络层低的层级的任何抽象层的层级来实现。
当本发明与IPv6协议相关联时，本发明可以有利地适用，因为在这种情况下，本发明能够在通过删除IPv6报头而节省的发送资源上得到更高的增益。然而，本发明也适用于IPv4协议和允许网络内的主机的唯一寻址的任何网络协议。
在网络报头的重建阶段期间，可以从包含在链路报头中的字段或从缺省值或甚至从在初始交换阶段期间交换的值重建除了源地址和目的地地址以外的报头字段。
根据本发明的方法可以从硬件和/或软件元件来实现。特别是，它可以被实现为计算机程序，该计算机程序包括用于其执行的指令。计算机程序可以被存储在处理器可读存储介质上。该介质可以是电子的、磁性的、光学的或电磁性的。
具体地说，本发明可以由包括处理器和存储器的设备来实现。处理器可以是通用处理器、专用处理器、专用集成电路(也称为缩写ASIC)或现场可编程门阵列(也称为缩写FPGA)。
设备可以使用一个或多个专用电子电路或通用电路。本发明的技术可以在执行程序(其包括指令序列)的可重新编程的计算机器(例如，处理器或微控制器)、或专用计算机器(例如，一组逻辑门，如FPGA或ASIC，或任何其它的硬件模块)上来实现。
根据一个实施方案，该设备包括编码有计算机程序(即，若干可执行指令)的至少一个计算机可读存储介质(RAM、ROM、EEPROM、闪存或其它存储器技术、CD-ROM、DVD或其它光盘介质、磁带盒、磁带、磁存储盘或其它的存储设备，或其它非瞬态计算机可读存储介质)，当在处理器上或者多个处理器上执行该计算机程序时，该计算机程序执行之前描述的本发明实施方案的功能。
本发明可以在嵌入在漫游运营商中的无线电通信设备项101和网络接入网关103中实施。本发明在数据链路层的层级或位于比网络层低的层级的任何抽象层的层级实施。
为了给出适用于实施本发明的硬件架构的示例，根据本发明的设备可以包括：通信总线，中央处理单元或微处理器(CPU)连接到该通信总线；只读存储器(ROM)，其可以包括实施本发明所需的程序；随机存取存储器或高速缓冲存储器(RAM)，其包括适用于存储在上述程序的执行过程中创建和修改的变量和参数的寄存器；以及通信接口或I/O(输入/输出)，其适用于发送和接收数据。
对在被执行时执行之前描述的功能中的任何一个功能的计算机程序的参考并不限于在单个主计算机上运行的应用程序。相反，术语计算机程序和软件在这里都以一般意义使用，以指代可以用来编程一个或多个处理器以实现这里描述的技术的方面的任何类型的计算机代码(例如，应用软件、固件、微代码或任何其它形式的计算机指令)。特别是，可以根据对等技术(可能的话)来分配(云计算)计算机装置或资源。软件代码可以在任何适合的处理器(例如，微处理器)或处理器核或一组处理器上执行，无论它们被提供在单个计算设备中还是分布在多个计算设备之间(例如，在设备的环境中可能访问的设备)。使得可编程设备能够实施根据本发明的过程的每个程序的可执行代码可以存储在例如硬盘或只读存储器中。通常，在被执行之前，一个或多个程序将能够被加载到设备的存储装置的一个存储装置中。中央处理单元可以控制和指示根据本发明的一个或多个程序的软件代码的指令或部分(被存储在硬盘或只读存储器或甚至其它上述存储元件中的指令)的执行。
本发明具有节约通过无线电链路发送的信令数据的优点，有利于有用数据比特率的增加。
特别是，当本发明被应用到IPv6协议时，通过删除两个网络报头而提供的增益从56变化至64个八位字节，在某些情况下甚至有80个八位字节。
本发明关联的另一个优点在于，从通过无线电链路发送的每个分组的报头删除可预测字段使得能够避免这些字段受传播信道关联的发送错误的影响。

Claims (10)

1.一种无线电通信设备项(101)与网关(103)之间的数据通信方法，所述无线电通信设备项(101)旨在嵌入至漫游运营商(P)中，所述网关(103)连接到网络(R)，数据以分组的形式来组织，这些分组包括至少一个第一网络报头和第二网络报头，所述第一网络报头称为内部报头，对应于在属于嵌入在所述运营商(P)上的局域网(102)的本地通信设备项与连接到所述网络(R)的远程通信设备项(108)之间的网络链路；所述第二网络报头称为外部报头，对应于所述无线电通信设备项(101)与连接到网关(103)的归属代理(106)之间的网络链路，所述方法的特征在于，其至少包括：
-初始信息交换阶段，该阶段包括：
由无线电通信设备项向网关发送或由网关从无线电通信设备项接收来自外部报头的字段和内部报头的字段的至少一个可预测字段的步骤(310)，
由无线电通信设备项从网关接收或由网关向无线电通信设备项发送外部报头的至少一个可预测字段的步骤(410)，
-至少一个数据分组的发送的阶段，该阶段包括：
删除所述至少一个数据分组的外部报头和内部报头的步骤(302)，
在所述至少一个数据分组中生成比网络层低的层级的包括来自内部报头的字段的至少一个不可预测字段的报头的步骤(303)，
发送所述至少一个数据分组的步骤(304)。
2.一种无线电通信设备项(101)与网关(103)之间的数据通信方法，所述无线电通信设备项(101)旨在嵌入至漫游运营商(P)中，所述网关(103)连接到网络(R)，数据以分组的形式来组织，这些分组包括至少一个第一网络报头和第二网络报头，所述第一网络报头称为内部报头，对应于在属于嵌入在所述运营商(P)上的局域网(102)的本地通信设备项与连接到所述网络(R)的远程通信设备项(108)之间的网络链路；所述第二网络报头称为外部报头，对应于所述无线电通信设备项(101)与连接到网关(103)的归属代理(106)之间的网络链路，所述方法的特征在于，其至少包括：
-初始信息交换阶段，该阶段包括：
由无线电通信设备项向网关发送或由网关从无线电通信设备项接收来自外部报头的字段和内部报头的字段的至少一个可预测字段的步骤(310)，
由无线电通信设备项从网关接收或由网关向无线电通信设备项发送外部报头的至少一个可预测字段的步骤(410)，
-数据接收阶段，该阶段包括：
接收包括比网络层低的层级的报头的至少一个数据分组步骤(304)，
在数据分组中重建内部网络报头的步骤(404)，内部网络报头至少来自在初始阶段期间发送的至少一个可预测字段和包括在比所述数据分组的网络层低的层级的报头中的至少一个不可预测字段，所述内部网络报头对应于属于嵌入在所述运营商上的局域网的本地通信设备项与连接到所述网络的远程通信设备项之间的网络链路，
在数据分组中重建外部网络报头的步骤(403)，所述外部网络报头至少来自在初始阶段期间发送的至少一个可预测字段，外部网络报头对应于所述无线电通信设备项与连接到网关的归属代理之间的网络链路，
删除所述数据分组中的比网络层低的层级的报头的步骤(402)。
3.根据前述权利要求之一所述的无线电通信设备项(101)与网关(103)之间的数据通信方法，其中，内部报头的可预测字段至少包括无线电通信设备项的永久网络地址的前缀。
4.根据前述权利要求之一所述的无线电通信设备项(101)与网关(103)之间的数据通信方法，其中，内部报头的不可预测字段至少包括连接到所述网络的远程通信设备项的网络地址。
5.根据权利要求4所述的无线电通信设备项(101)与网关(103)之间的数据通信方法，其中，内部报头的不可预测字段包括无线电通信设备项的永久网络地址的后缀。
6.根据前述权利要求之一所述的无线电通信设备项(101)与网关(103)之间的数据通信方法，其中，外部报头的可预测字段至少包括由网关分配的无线电通信设备项的临时网络地址的一部分和归属代理的网络地址。
7.根据权利要求5所述的无线电通信设备项(101)与网关(103)之间的数据通信方法，其中：
-无线电通信设备项的临时网络地址由通过网关分配的前缀和从特定于无线电通信设备项的标识符生成的后缀构成，
-初始信息交换阶段包括：
由无线电通信设备项向网关发送或由网关从无线电通信设备项接收标识符，
由无线电通信设备项从网关接收或由网关向无线电通信设备项发送由网关分配的前缀。
8.一种包括指令的计算机程序，当程序由处理器执行时，这些指令用于执行根据前述权利要求之一所述的数据发送方法和/或数据接收方法。
9.一种无线电通信设备项(101)，其旨在嵌入至漫游运营商(P)中，所述无线电通信设备项包括适用于检测根据至少包括网络层和链路层的分层模型的网络架构的通信装置，所述通信装置配置为执行根据权利要求1至7之一所述的数据通信方法。
10.一种网络网关(103)，其旨在经由网络(R)的归属代理(106)连接到网络并且包括适用于检测根据至少包括网络层和链路层的分层模型的网络架构的通信装置，所述通信装置配置为执行根据权利要求1至7之一所述的数据通信方法。
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