CN109429563A - 5g网络中的海量物联网通信的会话管理 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制面(control plane，CP)网络实体(305)，用于管理无线通信系统(300)的接入网(access network，AN)和核心网(core network，CN)之间的通信，其中，所述CP网络实体(305)包括处理器，用于响应于来自第一物理设备(301a)的连接请求，将所述第一物理设备(301a)分配给虚拟设备(301)并建立所述虚拟设备(301)的聚合CN承载。在一个实施例中，所述第一物理设备(301a)与设备类别参数相关联，其中，响应于来自第二物理设备(301b)的连接请求，所述处理器用于：如果与所述第二物理设备(301b)相关联的设备类别参数与所述第一物理设备(301a)的设备类别参数相同，将所述第二物理设备(301b)分配给所述虚拟设备(301)，或者如果与所述第二物理设备(301b)相关联的设备类别参数与所述第一物理设备(301a)的设备类别参数不同，将所述第二物理设备(301b)分配给另一虚拟设备并为所述另一虚拟设备建立另一聚合CN承载。

Description

5G网络中的海量物联网通信的会话管理

技术领域

一般而言，本发明涉及通信网络。更具体地说，本发明涉及5G网络中的海量物联网通信的会话管理设备和方法。

背景技术

通信网络领域的当前研究和标准化活动将海量物联网通信(massive machinetype communications，mMTC)视为下一代网络的关键用例之一。有两方面的原因。一方面，mMTC将海量物联网相关的广泛用例集合在一起，预计未来几年其将产生相关市场和业务影响。另一方面，支持mMTC会产生一系列具有挑战性的性能和功能要求，这些要求很难通过对4G系统(即符合LTE/EPC Rel 13或更早的版本)的任何成本有效的重新设计来实现。用例的相关性也反映在专用的3GPP版本14SA1SI中，其中分析了关键要求(参见3GPP TR 22.861版本1.0.0(2016-02)，海量物联网新服务和市场技术推动者的可行性研究)；第1阶段(版本14))。

在演进分组系统(evolved packet system，EPS)中，会话管理依赖于基于“EPS承载”和“永久在线”概念的连接模型。

3GPP TS 23.401版本13.6.1(2015-12)演进型通用陆地无线接入网(evolveduniversal terrestrial radio access network，E-UTRAN)接入的通用分组无线业务(general packet radio service，GPRS)增强(版本13)中规定，演进分组系统(evolvedpacket system，EPS)提供用户设备(user equipment，UE)与公共陆地移动网(public landmobile network，PLMN)外部分组数据网(packet data network，PDN)之间的连接。这称为PDN连接业务。特别地，还提供了一种IP PDN连接业务。

IP PDN连接业务支持由一个或多个业务数据流(service data flow，SDF)组成的业务流聚合的传输。在3GPP TS 23.203版本13.7.0(2016-03)策略和计费控制架构(版本13)中将SDF定义为通过与业务数据流模板匹配的PCEF携带的包级流的集合。

EPS承载是在EPS内提供服务质量、移动性和安全性的最小粒度。这意味着，映射到同一EPS承载的SDF将使用相同的服务质量、移动性和安全策略进行处理。

当UE附着到PDN时，在认证之后，UE分配有IP地址和EPS承载，并且在PDN连接的整个生命周期中保持该承载的建立，以向UE提供到该PDN的永久在线IP连接。该承载称作默认承载。建立到同一PDN的任何附加EPS承载称作专用承载。当UE发出服务请求时，或者当网络触发服务请求时，建立专用承载。

基于签约数据，由网络分配默认承载的初始承载级服务质量(quality ofservice，QoS)参数值。只能由EPC决定建立或修改专用承载，并且总是由EPC分配承载级QoS参数值。

如果在建立承载时永久分配EPS承载关联的保证比特率(guaranteed bit rate，GBR)值相关的专用网络资源，则将该EPS承载称作保证比特率(guaranteed bit rate，GBR)承载。否则，将该EPS承载称作non-GBR承载。

EPS承载由无线承载、S1承载和S5/S8承载级联组成，如图1所示。

EPS承载唯一地标识在UE和PDN GW之间接收公共QoS处理的业务流。EPS承载还与决定数据包将在该承载上将接收的处理的数据包过滤器相关联。

EPS承载业务流模板(traffic flow template，TFT)是与该EPS承载相关联的所有数据包过滤器的集合。上行链路业务流模板(uplink traffic flow template，UL TFT)是TFT中的上行链路数据包过滤器的集合。下行链路业务流模板(downlink traffic flowtemplate，DL TFT)是TFT中的下行链路数据包过滤器的集合。每个专用EPS承载都与TFT相关联。TFT也可以分配给默认EPS承载。UE通过UL TFT将业务映射到上行链路方向上的EPS承载。PCEF通过DL TFT将业务映射到下行链路方向上的EPS承载。UE可以通过UL TFT和DL TFT将EPS承载激活或修改过程与应用和该应用的业务流聚合相关联。因此，PDN网关(PDNgateway，PDN GW)应在“专用承载创建请求”和“更新承载请求”消息中提供所有可用的业务流描述信息(例如，源和目的IP地址、端口号以及协议信息)。

更详细地请参考图2，其示出了标准TS 23.401的EPS承载组成，EPS承载通过以下元件实现。在UE中，UL TFT将业务流聚合映射到上行链路方向上的EPS承载。在P-GW中，DLTFT将业务流聚合映射到下行链路方向上的EPS承载。无线承载在UE和eNB之间传输EPS承载的数据包。如果存在无线承载，则在EPS承载和该无线承载之间存在一对一映射。S1承载在eNB和S-GW之间传输EPS承载的数据包。E-UTRAN无线接入承载(E-UTRAN radio accessbearer，E-RAB)是指S1承载和相应无线承载的级联。S5/S8承载在S-GW和P-GW之间传输EPS承载的数据包。UE存储上行链路数据包过滤器和无线承载之间的映射，以在上行链路上创建业务流聚合和无线承载之间的映射。P-GW存储下行链路数据包过滤器和S5/S8承载之间的映射，以在下行链路上创建业务流聚合和S5/S8承载之间的映射。eNB存储无线承载和S1承载之间的一对一映射，以在上行链路和下行链路中都创建无线承载和S1承载之间的映射。S-GW存储S1承载和S5/S8承载之间的一对一映射，以在上行链路和下行链路方向上都创建S1承载和S5/S8承载之间的映射。

P-GW基于分配给PDN连接中的EPS承载的TFT中的下行链路数据包过滤器将下行链路数据包路由到不同的EPS承载。在接收到下行链路数据包时，P-GW首先评估匹配具有最低评估优先级索引的下行链路数据包过滤器，且如果没有找到匹配项，则按照评估优先级索引从小到大的顺序继续评估下行链路数据包过滤器。执行该过程直到找到匹配项，在该情况下，将下行链路数据包通过隧道在与匹配的下行链路数据包过滤器的TFT相关联的EPS承载上传送到S-GW。如果未找到匹配项，则下行链路数据包将通过没有分配任何TFT的EPS承载发送。

建立默认承载需要eNB、MME和S-GW/P-GW上的时间、计算和存储资源。由于根据几种部署模型，mMTC设备预期将超过几个数量级的智能手机和数据卡，因此需要进行网络重新设计/重新规划以应对mMTC设备。

永远在线的概念假设UE在附着时将需要频繁的数据交换，这证明需要永久分配资源支持默认承载。对于mMTC来说，这种假设可能是错误的，因为传输量小且非经常性的数据传输看似优势模型。

mMTC的当前增强仍然假设将mMTC设备视为UE，即，尽管过程和定时器正在更新以适应遵循传输量小且非经常性的业务模型的预期设备行为，仍然mMTC设备依赖于“承载”和“永久在线”概念。

US20130301611 A1公开了一种用于UE空闲状态期间通过无连接传输在无线蜂窝网中进行上下行数据包传输的方法和系统。该方法直接参考EPS系统，并且其提出在无线接入网(radio access network，RAN)节点与服务网关(serving gateway，S-GW)之间建立S1公共承载，在S-GW与分组数据网网关(packet data network gateway，P-GW)之间建立S5公共承载。该方法还定义了UE与RAN节点之间的改进Uu接口。该方法将UE标识(Identifier，ID)和路由信息作为数据包报头信息附加到数据包中，以通过无线蜂窝网独立地路由数据包。该方法通过提供完整性和加密保护来保护数据包。该方法避免了建立专用承载，并减少了Uu接口上的信令开销，从而提高网络效率和UE的续航能力。

WO2014186935 A1从数据面的角度解决了EPS系统中的传输量小的数据传输效率的问题。在基于LTE/EPC IP的EPS系统中，由于IP/GTP-U封装，数据产生开销，导致传输量小的数据传输的实质数据面效率低下。WO2014186935 A1公开了一种数据传输方法、设备和系统，包括：(1)检测接收到的GTP-U数据包中包含的数据的类型；(2)如果该类型与给定条件匹配，解封装GTP-U数据包以获得数据和目的地址；(3)将数据和目的地址发送到消息网关，以使(4)消息网关根据目的地址转发目标类型(即，与该条件匹配的那个类型)的数据。

参见华盛顿大学西雅图分校的2015年第12届IEEE年度传感及通信网络(Sensing,Communication,and Networking，SECON)国际会议第247-255页，R.Piqueras Jover和I.Murynets的论文“用于LTE移动网上的IoT设备的无连接通信”中提出了用于LTE移动网上的IoT设备的无连接通信协议，其在EPC上不需要控制面信令。该技术专为具有低吞吐量和低容迟业务的M2M嵌入式设备而设计，低吞吐量和低容迟业务通常是EPC的信令负荷方面的最坏情况。该方法减少了信令，但不支持QoS。作为潜在的替代方案，该论文还提到了在eNB和P-GW之间设置和维护永久承载的可能性。在驻留在给定小区的M2M连接设备上发起或终止的所有无连接业务之后都将通过该永远在线承载路由到P-GW，其中，在标准LTE架构中执行防火墙、网络地址转换(Network Address Translation，NAT)和其他安全功能。

在C.Kahn和H.Viswanathan的论文“移动蜂窝网的无连接接入”中提出用于蜂窝网络的有效小突发传输的无连接接入方法的另一提案，参见《IEEE通信杂志》第53卷9号第26-31页，2015年9月。该论文提出了一种新的无连接接入协议，旨在减少无线信令。其重点不在核心网上。

WO2014047920 A1公开了一种通过控制面传输少量上行链路数据的方法。根据该提案，基站通过使用基站和MME之间的信令消息将上行链路数据发送到MME。MME还通过MME与P-CSCF之间的信令消息将上行链路数据发送给对应的应用服务器。该方法避免了通过数据面承载进行无连接通信。然而，它不适用于海量MTC类型通信，因为大量的小数据可能使控制面过载并降低整体系统性能。

因此，需要一种用于通信网络，尤其是5G网络中的会话管理的改进的设备和方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种通信网络，尤其是5G网络中的会话管理的改进的设备和方法。

上述和其它目的通过独立权利要求的主题来实现。进一步的实现形式在从属权利要求、具体说明和附图中体现。

本发明实施例基于用于下一代网络的新型面向连接的连接模型，其定制为尤其是支持静态mMTC服务。本发明实施例提供符合网络切片概念的mMTC裁剪的架构和控制面/数据面过程，以保证在未来的5G系统中有效地支持mMTC，尤其是有效地支持mMTC会话管理。更具体地，本发明实施例解决了核心网控制面和数据面问题，未来的5G网络中需要连接的大量通信设备将会引起这些问题。

因此，根据本发明的第一方面，提供了一种控制面(control plane，CP)网络实体，用于管理无线通信系统的接入网(access network，AN)和核心网(core network，CN)之间的通信，其中，所述CP网络实体包括处理器，用于响应于来自第一物理设备的连接请求，将所述第一物理设备分配给虚拟设备并建立所述虚拟设备的聚合CN承载。在基于EPS的实施例中，聚合CN承载包括S1承载和S5/S8承载。

因此，提供了一种用于通信网络，尤其是5G网络中的会话管理的改进CP网络实体。

根据第一方面，在所述CP网络实体的第一种实现形式中，所述处理器用于在将所述第一物理设备分配给所述虚拟设备时，将虚拟地址VD ADD提供给所述虚拟设备。

根据第一方面或其第一种实现形式，在所述CP网络实体的第二种实现形式中，所述处理器用于提供物理设备标签(physical device tag，PDTAG)并将所述物理设备标签(physical device tag，PD TAG)分配给所述第一物理设备以标识所述物理设备为所述虚拟设备的一部分。

根据第一方面的第二种实现形式，在所述CP网络实体的第三种实现形式中，所述第一物理设备与设备标识和设备类别参数相关联，其中，所述物理设备标签(physicaldevice tag，PDTAG)基于所述第一物理设备的设备标识和所述设备类别参数的组合，尤其是级联的哈希值。所述设备类别参数可以定义mMTC要求。所述虚拟设备与其分配有的物理设备属于相同的设备类别。因此，聚合CN承载的概念允许根据为物理设备和关联的虚拟设备所属的设备类别定义的要求处理为这些物理设备生成的/指向这些物理设备的数据。

根据第一方面或其第一至第三种实现形式中的任一种实现形式，在所述CP网络实体的第四种实现形式中，所述处理器用于为所述虚拟设备的接入CN承载分配接入CN承载标识。

根据第一方面或其第一至第四种实现形式中的任一种实现形式，在所述CP网络实体的第五种实现形式中，所述第一物理设备与第一设备类别参数相关联，所述处理器响应来自于第二物理设备的连接请求，用于：如果与所述第二物理设备相关联的第二设备类别参数与所述第一物理设备的第一设备类别参数相同，将所述第二物理设备分配给所述虚拟设备，或者如果与所述第二物理设备相关联的第二设备类别参数与所述第一物理设备的第一设备类别参数不同，将所述第二物理设备分配给另一虚拟设备并为所述另一虚拟设备建立另一聚合CN承载。

根据第一方面的第五种实现形式，在所述CP网络实体的第六种实现形式中，所述处理器用于：响应于来自所述第二物理设备的连接请求，如果与所述第二物理设备相关联的第二设备类别参数与所述第一物理设备的第一设备类别参数相同，且已经分配给所述第一虚拟设备的物理设备的数量大于等于定义每个虚拟设备的最大物理设备数的参数，将所述第二物理设备分配给另一虚拟设备并为所述另一虚拟设备建立另一聚合CN承载。

根据第一方面的第六种实现形式，在所述CP网络实体的第七种实现形式中，所述处理器用于针对不同的设备类别使用不同的定义每个虚拟设备的最大物理设备数的参数。

根据第一方面的第七种实现形式，在所述CP网络实体的第八种实现形式中，所述处理器用于动态调整定义每个虚拟设备的最大物理设备数的参数。

根据第一方面或其第一至第八种实现形式中的任一种实现形式，在所述CP网络实体的第九种实现形式中，所述处理器用于：在所述第一物理设备和分配给所述虚拟设备的任何其他物理设备在一段时间内没有活动的情况下，移除所述虚拟设备的聚合CN承载，其中，所述一段时间大于等于非激活时间段。

根据第一方面的第九种实现形式，在所述CP网络实体的第十种实现形式中，所述处理器用于：响应于来自AN实体的指示所述第一物理设备和分配给所述虚拟设备的任何其他物理设备在一段时间内没有活动的消息，移除所述虚拟设备的聚合CN承载，其中，所述一段时间大于等于所述非激活时间段。

根据第一方面或其第一至第十种实现形式中的任一种实现形式，在所述CP网络实体的第十一种实现形式中，所述第一物理设备与设备类别参数相关联，其中，所述处理器用于基于所述第一物理设备的设备类别参数为所述虚拟设备建立所述聚合CN承载。换言之，所述CP网络实体可用于根据由所述虚拟设备和与其相关联的物理设备的设备类别定义的要求来建立所述聚合CN承载。在实现形式中，所述虚拟设备和与其相关联的物理设备的设备类别可以定义以下要求中的一个或多个：QoS模板、最小可靠性、最小可用性、支持的PDN以及PDN特定要求等。

根据第一方面或其第一至第十一种实现形式中的任一种实现形式，在所述CP网络实体的另一种实现形式中，所述CP网络实体实现为移动性管理实体(mobility managemententity，MME)。

因此，本发明第一方面及其不同实现形式所述的CP网络实体允许定义由驻留在相同小区上并属于相同设备类别的多个物理设备聚合组成的虚拟设备。在本发明实施例中实现的虚拟设备的概念允许核心网，尤其是CP网络实体，处理多个物理设备，就像该多个物理设备是单个(虚拟)设备一样。此外，本发明第一方面及其不同实现形式所述的CP网络实体允许提供横跨AN实体到核心网的DPG网络实体的聚合CN承载，例如，演进型基站到S-GW、P-GW或其组合的聚合CN承载。其中，每个聚合CN承载与虚拟设备相关联，以将与虚拟设备相关联的所有物理设备生成的数据从AN实体传输到DPG网络实体，反之亦然。在本发明实施例中，CP网络实体可以将“设备已连接”状态或“设备未连接”状态分配给每个物理设备。在本发明实施例中，物理设备的状态与分配有该物理设备的虚拟设备的状态相同。在本发明实施例中，虚拟设备的状态可以是“设备已连接”或“设备未连接”。

本发明实施例符合AN支持的无连接和面向连接的方法这两者。对于接入网支持面向连接的方法即支持等效的EPS无线承载的实施例，聚合CN承载导致聚合CN承载和无线承载之间的一对多映射。

根据第二方面，本发明涉及一种通信系统，包括根据第一方面或其第一至第十一种实现形式中的任一种实现形式所述的CP网络实体，其与AN实体和DPG网络实体进行通信，尤其是与演进型基站和SGN、PGN或其组合进行通信。

根据第三方面，本发明涉及一种操作控制面(control plane，CP)网络实体的方法，其用于管理无线通信系统的接入网(access network，AN)和核心网(core network，CN)之间的通信，其中，所述方法包括以下步骤：响应于来自第一物理设备的连接请求，将所述第一物理设备分配给虚拟设备；建立所述虚拟设备的聚合CN承载。

本发明第三方面所述的方法可以由本发明第一方面所述的CP网络实体执行。根据本发明第三方面所述的方法的进一步特征可以直接从根据本发明第一方面及其不同实现形式所述的CP网络实体的功能中得到。

根据第四方面，本发明涉及一种计算机程序，包括：程序代码，用于在计算机上运行时执行根据本发明第三方面所述的方法。

本发明可以硬件和/或软件的方式来实现。

附图说明

本发明的具体实施方式将结合以下附图进行描述，其中：

图1是4G网络的承载业务架构的示意图；

图2是4G网络的EPS承载组成的示意图；

图3是一个实施例提供的包括网络实体的通信系统的示意图；

图4是一个实施例提供的首个物理设备连接建立过程的示意图；

图5是一个实施例提供的滞后物理设备连接建立过程的示意图；

图6是一个实施例提供的从与虚拟设备相关联的物理设备到网络的数据传输的示意图；

图7是一个实施例提供的从网络到与虚拟设备相关联的物理设备的数据传输的示意图；

图8是一个实施例提供的虚拟设备连接断开过程的示意图；

图9是一个实施例提供的控制面和数据面协议栈的示意图；

图10a是一个实施例提供的示例性下行数据包结构的示意图；

图10b是一个实施例提供的示例性上行数据包结构的示意图；

图11是一个实施例提供的操作网络实体的方法的示意图。

在附图中，相同或功能对等的特征采用相同的图例编号。

具体实施方式

以下结合附图进行描述，所述附图是本发明的一部分，并通过图解说明的方式示出可以实施本发明的具体方面。可以理解的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以将本发明置于其他方面中，并且可以做出结构或逻辑上的改变。因此，以下详细的描述并不当作限定，本发明的范围由所附权利要求书界定。

可以理解的是，与所描述的方法有关的内容对于与用于执行方法对应的设备或系统也同样适用，反之亦然。例如，如果描述了一个具体的方法步骤，对应的设备可以包括用于执行所描述的方法步骤的单元，即使此类单元未在图中详细阐述或说明。

另外，在以下具体描述以及权利要求中，描述了包含相互连接或进行信号交互的功能方框或处理单元的实施例。可以理解的是，本发明也涵盖了包含附加功能方框或处理单元的实施例，这些附加功能方框或处理单元设置在以下所述的实施例中的功能方框或处理单元之间。

最后，应理解，除非另有说明，否则本文中描述的各种示例性方面的特征可彼此组合。

图3是一个实施例提供的通信系统300的示意图。在一个实施例中，通信系统是5G网络或其一部分。

在图3所示的实施例中，通信系统300包括第一用户设备(user equipment，UE)301a和第二用户设备(user equipment，UE)301b，其用于通过空口或无线接口302与以通信系统300的基站303形式的接入网(access network，AN)实体进行通信。在一个实施例中，AN实体303是演进型基站(evolved NodeB，eNB)。AN实体303用于处理接入网上的控制面(control plane，CP)和数据面(data plane，DP)业务。应理解，用户设备301a和301b是由AN实体303建立的网络小区内的多个用户设备的示例性代表。该多个用户设备可以包括传感器、仪表、执行器和需要连接的类似设备。

此外，通信系统300包括：网络实体305(这里称为CP网络实体305)，用于在核心网中执行控制面(control plane，CP)功能；网络实体307(这里称为AAA网络实体307)，用于执行认证、授权和计费(authentication,authorization and accounting，AAA)功能；以及网络实体309(这里称为DPG网络实体309)，用于在核心网中执行数据面网关功能以与数据分组网(data packet network，DPN)311通信。在一个实施例中，CP网络实体305是基于3GPP标准的移动性管理实体(mobility management entity，MME)。在一个实施例中，AAA网络实体307是基于3GPP标准的归属位置寄存器(home location register，HLR)。在一个实施例中，DPG网络实体309是基于3GPP标准的服务网关(serving gateway，S-GW)、基于3GPP标准的PDN网关(PDN gateway，P-GW)或其组合。在一个实施例中，AN实体303、CP网络实体305、AAA网络实体307和/或DPG网络实体309可以至少部分地实现为物理网络架构的逻辑元件和/或功能，例如，由软件提供的在物理网络架构上实现的网络功能。

如图3中所示以及如以下在附加附图的上下文中的描述，在本发明实施例中，第一用户设备301a和第二用户设备301b(其也将称为第一物理设备PhD1和第二物理设备PhD2)尤其是由CP网络实体305视为单个虚拟设备(ViD1)301。

根据以下描述可以理解，本发明实施例对静态mMTC物理设备形式的用户设备特别有益，例如，智能传感器、智能仪表以及智能执行器等。在一个实施例中，物理设备301a和301b分别可具有唯一的设备标识(device identifier，设备ID)。在一个实施例中，设备数据可以端对端加密。在一个实施例中，AN实体303和/或CP网络实体305上可能没有定义状态。在一个实施例中，仅为物理设备301a和301b和虚拟设备301定义“已连接”或“未连接”状态。

为了在图2至图11的上下文中对以下实施例进行描述，假设图3所示的通信系统300基于5G网络架构。然而，应理解，本发明实施例也可以在基于不同架构的通信系统或网络中实现，其中，以下描述的功能可以由不同的网络实体提供。

图4示出了连接建立过程的实施例，其可用于在以下场景中建立连接。第一和第二物理设备301a和301b尚未尝试通过AN实体303发送任何连接请求。尚未连接虚拟设备301等虚拟设备。第一物理设备(PhD1)301a开机，处于“未连接”状态并且需要连接到数据分组网311。由于在这种场景下还没有连接物理设备，触发了图4所示的连接建立过程的第一物理设备310a也将称为首个(early bird)物理设备301a。

在一个实施例中，第一物理设备301a和第二物理设备301b属于相同的设备类别。示例性地，设备类别是“智能传感器”和“智能仪表”等。在一个实施例中，第一和第二物理设备301a和301b的设备类别由相应的设备类别标识(设备类别)定义。

在图4的第一步骤中，第一物理设备(PhD1)301a，即首个物理设备，向AN实体303发送“连接请求”消息。

在图4的第二步骤中，AN实体303向第一物理设备301a发送“连接确认”消息。

在图4的第三步骤中，第一物理设备301a向AN实体303发送“连接完成”消息。该“连接完成”消息包含要转发到CP网络实体305的“连接请求”消息。该“连接请求”消息携带包括(但不限于)设备ID、设备类别和mMTC PDN ID(即海量物联网通信分组数据网ID)的信息。

在图4的第四步骤中，AN实体303向CP网络实体305发送“连接请求转发”消息。

在图4的第五步骤中，CP网络实体305向AAA网络实体307发送“凭证验证”消息，包括例如设备ID、设备类别和mMTC PDN ID。

在图4的第六步骤中，AAA网络实体307向CP网络实体305发送“凭证验证成功”消息。

由于没有为第一物理设备301a设备类别连接即没有实例化虚拟设备，CP网络实体305向第一物理设备301a，即首个物理设备301a分配新虚拟设备地址“VD ADD”和物理设备标签或标识“PD TAG”。这样，CP网络实体305就可以创建虚拟设备(ViD1)301，因为新虚拟设备地址“VD ADD”唯一地标识网络内的虚拟设备(ViD1)301。在一个实施例中，CP网络实体用于通过计算级联设备ID和设备类别的哈希值，生成第一物理设备301a的物理设备标签“PDTAG”。物理设备标签“PD TAG”唯一地标识虚拟设备301内的第一物理设备301a。

在图4的第八步骤中，CP网络实体305向DPG网络实体309发送“VD ADD到Ext ADD映射规则”消息，定义映射规则，从而允许DPG网络实体309将虚拟地址VD ADD映射到外部网络地址。

在图4的第九步骤中，CP网络实体305在AN实体303和DPG网络实体309之间建立到所选择的mMTC PDN 311的聚合CN承载。聚合CN承载由接入CN承载ID(access CN bearerID，ACNB_ID)标识，其由CP网络实体305分配。在建立聚合CN承载的上下文中，CP网络实体305根据“连接请求”消息所指示的设备类别所需的QoS来配置AN实体303和DPG网络实体309，以正确处理承载上携带的数据。在一个实施例中，聚合CN承载可包括S1承载和S5/S8承载。

在图4的第十步骤中，CP网络实体305向AN实体303发送“连接请求确认”消息，包括以下数据：设备ID、物理设备类别、mMTC PDN ID、VD ADD和PD TAG。

在图4的第十一步骤中，AN实体303向第一物理设备301a发送封装有“连接请求确认”消息的“连接重配置”消息。

在图4的第十二步骤中，第一物理设备301a向AN实体303发送“连接重配置确认”消息。

因此，作为图4中所示的过程的结果，第一物理设备301a和虚拟设备301(至少从CP网络实体305的角度来看)现在“已连接”到网络。当与第一物理设备301a属于相同设备类别的第二物理设备301b随后打开并且需要连接时，可以执行图5中描绘的过程以便连接第二物理设备301b，其也称为滞后物理设备301b。

在图5的第一步骤中，第二物理设备301b，即滞后物理设备，向AN实体303发送“连接请求”消息。

在图5的第二步骤中，AN实体303向第二物理设备301b发送“连接确认”消息。

在图5的第三步骤中，第二物理设备301b向AN实体303发送封装有连接请求(设备ID、设备类别、mMTC PDN ID……)的“连接完成”消息。

在图5的第四步骤中，AN实体303向CP网络实体305发送“连接请求转发”消息。

在图5的第五步骤中，CP网络实体305向AAA网络实体307发送“凭证验证”消息(设备ID、设备类别、mMTC PDN ID……)。

在图5的第六步骤中，AAA网络实体303向CP网络实体305发送“凭证验证成功”消息。

由于已为第二物理设备301b所属的设备类别连接虚拟设备301，并且与虚拟设备301相关联的物理设备的数量不超过每个虚拟设备的最大物理设备数的可预定义参数(这里也称为“每个虚拟设备的最大物理设备数参数”)，图5步骤7中的CP网络实体305将虚拟设备地址(virtual device address，VD ADD)与第二或滞后的物理设备301b关联，该VD ADD分配给了设备类别相同的所有物理设备，例如，第一或首个物理设备301a，并将物理设备标签(physical device tag，PD TAG)(设备ID+物理设备类别的哈希)分配给第二物理设备301b。

根据一个实施例，CP网络实体305用于：如果与虚拟设备301关联的物理设备的数量超过每个虚拟设备的最大物理设备数参数，则将新虚拟设备地址(virtual deviceaddress，VD ADD)分配给第二物理设备301b(从而创建新虚拟设备)。在一个实施例中，定义每个虚拟设备的最大物理设备数的参数可以为10、100、1000或10000。

在图5的第八步骤中，CP网络实体305向AN实体303发送“连接请求确认”消息，包括：设备ID、设备类别、mMTC PDN ID、VD ADD和PD TAG。

在图5的第九步骤中，AN实体303向第二物理设备301b发送封装有“连接请求确认”消息的“连接重配置”消息。该消息允许向第二物理设备301b传送“连接请求确认”消息，且通知第二物理设备301b其请求已接受并且现在已连接。可以提供类似的消息来重新配置无线连接。

在图5的第十步骤中，第二物理设备301b现在作为虚拟设备301的一部分向AN实体303发送“连接重配置确认”消息。

当包括第一物理设备301a和第二物理设备301b的虚拟设备301现在“已连接”到网络时，可能出现第一物理设备301a和/或第二物理设备301b可能需要将数据发送到PDN 311的情况。在一个实施例中，物理设备301a和301b可能需要异步发送数据。图6示出了一个实施例提供的将数据从第一物理设备301a传输到其连接的mMTC PDN 311的过程。

在图6的第一步骤中，第一物理设备301a向AN实体303发送“准备发送数据”消息，以指示它想要向PDN 311发送数据。

作为响应，AN实体303在图6的第二步骤中向第一物理设备301a发送UL数据令牌授权。

在UL数据令牌授权的基础上，第一物理设备301a在图6的第三步骤中向AN实体303发送数据包消息，包括数据有效载荷、分配给第一物理设备301a所属的虚拟设备301的虚拟地址，即VD ADD，以及分配给第一物理设备301a的标签，即PD TAG。该消息由AN实体303通过分配给虚拟设备301的聚合CN承载转发到DPG网络实体309和PDN 311。

图6中所示的过程涉及来自物理设备301a和301b的数据传输，而图7示出了从PDN311例如从该PDN 311所连接的mMTC服务器向属于虚拟设备301的物理设备301a或301b传输数据的过程的实施例。例如，在图7中，假设将数据发送到第一物理设备301a。

在图7的第一步骤中，在DPG网络实体309上接收“数据包”消息。在一个实施例中，DPG网络实体309用于通过VD ADD到Ext Add转换规则转换该“数据包”消息的目的地址。将“数据包”消息中包括的目的地址转换为虚拟地址VD ADD和用于识别虚拟设备301和第一物理设备301a的物理设备标签(physical device tag，PD TAG)。

在图7的第二步骤中，DPG网络实体309通过聚合CN承载将“数据包转发”消息(封装有数据包)发送到AN实体303。

在图7的第三步骤中，AN实体303向第一物理设备301a发送“数据已就绪”消息，以唤醒第一物理设备301a。该消息充当“设备唤醒”信令，允许支持低功率设备。

在图7的第四步骤中，第一物理设备301a向AN实体303发送“准备接收”消息。

在图7的第五步骤中，AN实体303向第一物理设备301a发送封装有数据包的“数据传输”消息。

根据一个实施例，CP网络实体305用于：当AN实体303检测到与虚拟设备301相关联或分配给虚拟设备301的所有物理设备的扩展非激活时间时，断开或释放虚拟设备301。该物理设备例如为第一物理设备301a和第二物理设备301b。该实施例节省了网络资源。在一个实施例中，CP网络实体305用于：当AN实体303在比预定义非激活时间长的时间段内没有检测到与虚拟设备301相关联的任何物理设备的活动时，断开虚拟设备301。

图8中示出了断开虚拟设备301的过程的实施例。

非激活定时器到期事件表明与所连接的虚拟设备301相关联的所有物理设备处于非活动状态(图8的第一步骤)。

这触发了AN实体303在图8的第二步骤中向CP网络实体305发送“虚拟设备断开”消息。

作为响应，CP网络实体305向AN实体303和DPG网络实体311执行聚合CN承载释放过程。聚合CN承载释放过程解除分配保留在AN实体303和DPG网络实体311上的虚拟设备上下文资源，并解除分配与聚合CN承载相关联的网络资源，以满足符合该设备类别的QoS要求。

图9、图10a和图10b示出了可以在本发明实施例中使用的协议栈和数据包格式。从这些图中可以看出，在一个实施例中，CP网络实体305可以将虚拟设备地址(virtualdevice address，VD ADD)和物理设备标签(physical device tag，PD TAG)定义为所分配的Ext L3地址的函数，其中，其具体类型和格式取决于mMTC服务所需的寻址方案。在一个实施例中，Ext L3地址可以基于IPv4、IPv6或为mMTC定制的另一种寻址方案。

更具体地，图9示出了用于控制面和数据面的上述设备和实体，即PhD、AN、CP、AAA和DPG，的协议栈的可能实施例。图10a示意性地表示下行链路数据包结构的可能实施例。该图示出了由mMTC服务器应用生成的数据包，以及在DPG网络实体309上接收的数据包，该数据包是由mMTC服务器应用加上外部L3地址(Ext L3Add)生成的数据包。此外，图10a还示出了根据一个实施例，在通过聚合CN承载发送之前DPG网络实体309上接收的数据包如何进行分段，以及每个分段如何能与虚拟地址VD Add和物理设备标签(physical device tag，PDTAG)关联。类似地，图10b示意性地表示上行链路数据包结构的可能实施例。

如上所述，根据一个实施例，CP网络实体305用于将虚拟设备地址(virtualdevice address，VD ADD)分配给虚拟设备，例如虚拟设备301。根据一个实施例，可以在CP网络实体305中预先配置关于如何将物理设备映射到虚拟设备的规则和策略。根据一个实施例，这样的规则和策略也可以由第三方服务提供商提供。

如上所述，CP网络实体305可用于仅允许最大数量的物理设备与虚拟设备相关联。在一个实施例中，对于不同的设备类别，物理设备的最大数量可以是不同的。例如，“智能仪表”设备类别的虚拟设备的最大物理设备数量可小于“智能传感器”设备类别的虚拟设备的最大物理设备数量。在一个实施例中，CP网络实体305能够用于：例如，响应于变化的网络状况，动态调整与虚拟设备相关联的物理设备的最大数量。在一个实施例中，与虚拟设备相关联的物理设备的最大数量可以取决于分配给聚合CN承载的带宽、聚合CN承载使用的当前带宽或类似参数。如上所述，CP网络实体305允许处理驻留在(与AN实体303相关联的)相同小区并且属于相同设备类别的一个或多个虚拟设备。

如上所述，属于相同虚拟设备的物理设备的数量可以增加或减少，例如，由于通电或断电，新物理设备可以加入现有虚拟设备或离开虚拟设备。如果物理设备位于小区的边缘，则例如，由于来自相邻小区的传输功率调整，其可以在不同的时间选择不同的小区。因此，物理设备可能会离开一个虚拟设备并加入另一个虚拟设备。

图11是一个实施例提供的操作CP网络实体305的方法1100的示意图。该方法1100包括如下步骤。步骤1101：响应于来自第一物理设备(301a)的连接请求，将第一物理设备(301a)分配给虚拟设备(301)。步骤1103：建立虚拟设备(301)的聚合CN承载。

本发明实施例还提供了以下优点。

本发明实施例简化了CN CP状态机。这是因为，本发明实施例尤其适合于支持静态mMTC设备，而不需要核心网的所有移动性相关状态。

本发明实施例减少了CN CP信令。这是因为，本发明实施例尤其适合于支持静态mMTC设备，通过仅为每个虚拟设备建立一个CN承载，不需要为每个物理设备提供专用承载。

本发明实施例能够支持QoS，并且将在CN侧支持业务分离，相比旨在减少CP信令的无连接方案，提供了益处。

本发明实施例可在AN实体303上提供保证的QoS。由于在本发明实施例中实现的连接模型与接入网上的任何方案兼容(即，无连接或面向连接方案)，本发明实施例可以支持QoS以及AN上的业务分离。

本发明实施例可支持具有低功率资源的物理设备，因为在本发明实施例中实现的连接模型提供“物理设备唤醒”机制。

尽管本发明的特定特征或方面可能已经仅结合几种实施方式或实施例中的一种进行公开，但此类特征或方面可以和其它实施方式或实施例中的一个或多个特征或方面相结合，只要对于任何给定或特定的应用是有需要或有利。而且，在一定程度上，术语“包括”、“有”、“具有”或这些词的其他变形在详细的说明书或权利要求书中使用，这类术语和所述术语“包含”是类似的，都是表示包括的含义。同样，术语“示例性地”，“例如”仅表示为示例，而不是最好或最佳的。可以使用术语“耦合”和“连接”及其派生词。应当理解，这些术语可以用于指示两个元件彼此协作或交互，而不管它们是直接物理接触还是电接触，或者它们彼此不直接接触。

尽管本文中已说明和描述特定方面，但所属领域的技术人员应了解，多种替代和/或等效实施方式可在不脱离本发明的范围的情况下替代所示和描述的特定方面。该申请旨在覆盖本文论述的特定方面的任何修改或变更。

尽管以上权利要求书中的元件是利用对应的标签按照特定顺序列举的，除非对权利要求的阐述另有暗示用于实施部分或所有这些元件的特定顺序，否则这些元件不必限于以所述特定顺序来实施。

通过以上启示，对于本领域技术人员来说，许多替代、修改和变化是显而易见的。当然，所属领域的技术人员容易认识到除本文所述的应用之外，还存在本发明的众多其它应用。虽然已参考一个或多个特定实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将认识到在不偏离本发明的范围的前提下，仍可对本发明作出许多改变。因此，应理解，只要是在所附权利要求书及其等效物的范围内，可以用不同于本文具体描述的方式来实践本发明。

Claims (15)

1.一种控制面(control plane，CP)网络实体(305)，其特征在于，用于管理无线通信系统(300)的接入网(access network，AN)和核心网(core network，CN)之间的通信，其中，所述CP网络实体(305)包括处理器，用于响应于来自第一物理设备(301a)的连接请求，将所述第一物理设备(301a)分配给虚拟设备(301)并建立所述虚拟设备(301)的聚合CN承载。

2.根据权利要求1所述的CP网络实体(305)，其特征在于，所述处理器用于在将所述第一物理设备(301a)分配给所述虚拟设备(301)时，为所述虚拟设备提供虚拟地址(VD ADD)。

3.根据权利要求1或2所述的CP网络实体(305)，其特征在于，所述处理器用于提供物理设备标签(physical device tag，PDTAG)并将所述物理设备标签(PDTAG)分配给所述第一物理设备(301a)以标识所述第一物理设备(301a)为所述虚拟设备(301)的一部分。

4.根据权利要求3所述的CP网络实体(305)，其特征在于，所述第一物理设备(301a)与设备标识和设备类别参数相关联，其中，所述物理设备标签(PDTAG)基于所述第一物理设备(301a)的设备标识和所述设备类别参数的组合，尤其是级联的哈希值。

5.根据前述权利要求中任一项所述的CP网络实体(305)，其特征在于，所述处理器用于为所述虚拟设备(301)的接入CN承载分配接入CN承载标识。

6.根据前述权利要求中任一项所述的CP网络实体(305)，其特征在于，所述第一物理设备(301a)与设备类别参数相关联，所述处理器响应来自于第二物理设备(301b)的连接请求，用于：

如果与所述第二物理设备(301b)相关联的设备类别参数与所述第一物理设备(301a)的设备类别参数相同，将所述第二物理设备(301b)分配给所述虚拟设备(301)，

或者如果与所述第二物理设备(301b)相关联的设备类别参数与所述第一物理设备(301a)的设备类别参数不同，将所述第二物理设备(301b)分配给另一虚拟设备并为所述另一虚拟设备建立另一聚合CN承载。

7.根据权利要求6所述的CP网络实体(305)，其特征在于，所述处理器用于：响应于来自所述第二物理设备(301b)的连接请求，如果与所述第二物理设备(301b)相关联的设备类别参数与所述第一物理设备(301a)的设备类别参数相同，且已经分配给所述第一虚拟设备(301)的物理设备的数量等于定义每个虚拟设备的最大物理设备数的参数，将所述第二物理设备(301b)分配给另一虚拟设备并为所述另一虚拟设备建立另一聚合CN承载。

8.根据权利要求7所述的CP网络实体(305)，其特征在于，所述处理器用于针对不同的设备类别使用不同的定义每个虚拟设备的最大物理设备数的参数。

9.根据权利要求8所述的CP网络实体(305)，其特征在于，所述处理器用于动态调整定义每个虚拟设备的最大物理设备数的参数。

10.根据前述权利要求中任一项所述的CP网络实体(305)，其特征在于，所述处理器用于：在所述第一物理设备(301a)和分配给所述虚拟设备(301)的任何其他物理设备在一段时间内没有活动的情况下，移除所述虚拟设备(301)的聚合CN承载，其中，所述一段时间大于非激活时间段。

11.根据权利要求10所述的CP网络实体(305)，其特征在于，所述处理器用于：响应于来自AN实体(303)的指示所述第一物理设备(301a)和分配给所述虚拟设备(301)的任何其他物理设备在一段时间内没有活动的消息，移除所述虚拟设备(301)的聚合CN承载，其中，所述一段时间大于所述非激活时间段。

12.根据前述权利要求中任一项所述的CP网络实体(305)，其特征在于，所述第一物理设备(301a)与设备类别参数相关联，所述处理器用于基于所述第一物理设备(301a)的设备类别参数为所述虚拟设备(301)建立所述聚合CN承载。

13.一种无线通信系统(300)，其特征在于，包括根据前述权利要求中任一项所述的CP网络实体(305)，其与AN实体(303)和DPG网络实体(309)进行通信，尤其是与演进型基站和SGN、PGN或其组合进行通信。

14.一种操作控制面(control plane，CP)网络实体(305)的方法(1100)，其特征在于，其用于管理无线通信系统(300)的接入网(access network，AN)和核心网(core network，CN)之间的通信，所述方法(1100)包括以下步骤：

响应于来自第一物理设备(301a)的连接请求，将所述第一物理设备(301a)分配(1101)给虚拟设备(301)；

建立(1103)所述虚拟设备(301)的聚合CN承载。

15.一种计算机程序，其特征在于，包括：程序代码，用于在计算机上运行时，执行根据权利要求14所述的方法(1100)。