CN112714484B - 电信系统中传输不频发小数据的方法、系统和计算机程序 - Google Patents

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Abstract

一种在电信系统中执行通信的方法，其中电信系统包括用户设备(20)、无线接入网(30)、接入和移动性管理功能(40)和用户平面功能(60)，该方法包括以下步骤：接入和移动性管理功能(40)从用户设备(20)接收承载上行链路数据的非接入层(NAS)分组数据单元(PDU)，其中上行链路数据包括不频发的小数据；以及接入和移动性管理功能(40)在从用户设备接收到NAS消息之后，将上行链路数据发送到用户平面功能(60)。

Description

电信系统中传输不频发小数据的方法、系统和计算机程序
本申请是申请日为2019年1月21日，申请号为2019800060431，发明名称为“电信系统中传输不频发小数据的方法、系统和计算机程序”的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于执行相关功能的电信方法、电信系统和计算机程序。更具体地，本发明涉及在电信系统，特别是无线通信系统中，不频发的小数据的传输。
背景
随着物联网(IoT)和下一代通信标准和系统的出现，越来越多的设备被连接以生成和报告、传送、共享和/或处理数据。在这种情况下，设想蜂窝网络可以包括大量的小型自治设备，这些设备通常，以及或多或少不频繁地(例如，每周一次至每分钟一次)仅发送和接收少量数据。这种流量模式有时被称为“小数据”或“不频发的小数据”。这些设备中的大多数与人类无关，而是不同种类的传感器或致动器，它们与蜂窝网络内部或外部的应用服务器(其配置设备并从设备接收数据)通信。因此，这种类型的通信有时被称为机器对机器(M2M)通信。可选的术语是机器类型通信(MTC)设备或蜂窝物联网(CIoT)设备(这些术语标识了更通用术语用户设备(UE)的子集)。预期CIoT设备的数量将呈指数级增长，而每台设备的数据量将保持很小。在某些使用场景中，CIoT设备(如公用事业计量表)可能在其整个使用期内都是不可移动的。用于CIoT的UE实际上可以是移动的或运动的/静态的。
此外，新一代电信系统处于以5G系统或NR(新无线)的名义由3GPP的开发下。5G系统是由5G接入网(AN)、5G核心网和UE组成的3GPP系统，如3GPP TS 23.501v.15.0.0中所述。如图1所示，已知的5G系统体系结构由几个网络功能(NF)和实体组成。5G核心网络的网络功能尤其包括接入和移动性管理功能(AMF)、会话管理功能(SMF)和连接到数据网络(DN)的用户平面功能(UPF)。
接入和移动性管理功能(AMF)具有控制核心网络和设备之间的信令、用户数据的安全性、空闲状态移动性和认证的功能。在AMF和移动设备之间运行的功能有时被称为非接入层(NAS)，而所谓的接入层(AS)处理在移动设备和RAN之间运行的功能。
会话管理功能(SMF)除了其他功能之外，还处理针对用户设备的IP地址分配、策略实施的控制以及一般会话管理功能。
用户平面功能(UPF)是在RAN和外部网络(如互联网或更一般的数据网络)之间的网关。UPF执行报文路由和转发、报文检查、服务质量处理和报文过滤以及流量测量。如有必要，UPF还用作(RAT间)移动的锚点。
在5G的背景下，文件3GPP TR 23.724V0.1.0讨论了如何在5G CN中支持已识别的CIoT/MTC功能，并具有与WB-EUTRA(eMTC)和/或用于5GS能力的设备的NB-IoT的强效连接。
发明内容
技术问题
在上述背景下，在新一代电信系统的开发中要解决的问题是如何有效地支持不频发的数据的传输。特别是，要解决的问题是如何为至少低复杂性、功率受限和低数据速率的CIoT UE提供支持有效的非频发小数据的传输的解决方案。
因此，本发明的目的是提供一种针对如何在电信系统中恰当处理不频发的小数据传输的问题的解决方案。
解决方案
为了满足或至少部分满足上述目标，在所附权利要求中限定了根据本发明的方法、系统和计算机程序。
具体地，根据一方面，提供了一种用于电信系统中执行通信的方法，其中该电信系统包括用户设备、无线接入网、接入和移动性管理功能以及用户平面功能。该方法包括以下步骤：
接入和移动性管理功能从用户设备接收承载上行链路数据的非接入层(NAS)分组数据单元(PDU)，其中上行链路数据包括不频发的小数据；以及
接入和移动性管理功能在从用户设备接收到NAS消息之后，将上行链路数据发送到用户平面功能。
根据又一方面，NAS PDU封装PDU会话标识(ID)或单网络辅助切片选择信息(S-NASSI)。
根据又一方面，NAS PDU由用户设备经由无线接入网发送到接入和移动性管理功能，NAS-PDU作为无线资源控制(RRC)消息的一部分由用户设备发送到无线接入网。
根据又一方面，NAS PDU包括PDU会话ID，以及在一接收到NAS PDU时，接入和移动性管理功能基于PDU会话ID选择电信系统的会话管理功能。
根据又一方面，接入和移动性管理功能经由电信系统的会话管理功能向用户平面功能发送上行链路数据。
根据又一方面，在一从用户设备接收到NAS PDU时，接入和移动性管理功能向会话管理功能发送PDU会话创建请求。优选地，PDU会话创建请求包括上行链路数据。在一实施例中，PDU会话创建请求包含PDU会话ID、数据网络名称(DNN)和/或单网络辅助切片选择信息(S-NASSI)。当接收到包括DNN和S-NASSI的PDU会话创建请求时，会话管理功能基于DNN和S-NSSAI选择用户平面功能。在一接收到PDU会话创建请求时，会话管理功能向用户平面功能发送会话建立请求，并且同时将上行链路数据转发给用户平面功能。
根据又一方面，一接收到会话建立请求时，如果下行链路数据可用，则用户平面功能向会话管理功能发送承载下行链路数据的会话建立响应。此外，一接收到会话建立响应，如果来自用户平面功能的会话建立响应中承载下行链路数据，则会话管理功能向接入和移动性管理功能发送承载下行链路数据的PDU会话创建响应。
根据又一方面，接入和移动性管理功能经由接入和移动性管理功能和用户平面功能之间的接口(Nx)向用户平面功能发送上行链路数据。
根据又一方面，在一从用户设备接收到NAS PDU时，接入和移动性管理功能向电信系统的会话管理功能发送PDU会话创建请求，以在接入和移动性管理功能和用户平面功能之间为PDU会话建立用户平面隧道，以及会话管理功能在一接收到PDU会话创建请求时，在接入和移动性管理功能和用户平面功能之间为PDU会话建立隧道。在一实施例中，PDU会话创建请求包括AMF地址和下行链路隧道端点标识(TEID)信息，该方法还包括以下步骤：(i)会话管理功能在一接收到PDU会话创建请求时，将AMF地址和下行链路TEID发送到用户平面功能，(ii)用户平面功能响应于从会话管理功能接收到AMF地址和下行链路TEID，将用户平面功能的上行链路TEID发送到会话管理功能，以及(iii)会话管理功能在一从用户平面功能接收到上行链路TEID时，将上行链路TEID发送到接入和移动性管理功能。在一从会话管理功能接收到上行链路TEID时，接入和移动性管理功能通过在接入和移动性管理功能和用户平面功能之间为PDU会话建立的隧道向用户平面功能(60)发送上行链路数据。
根据一实施例，电信系统是5G系统。
由于上述提出的方法，有可能在移动通信系统中实现不频发的小数据的传输，并具有资源高效的系统信令负载(尤其是通过无线接口)、5G系统中的用于CIoT的令人满意的安全机制水平、以及5GS系统中用于CIoT的用户设备的降低的功耗水平。
附图说明
现将参照附图描述本发明的实施例，这些实施例是为了更好地理解本发明的构思而提出的，以及不应被视为对本发明的限制。在附图中：
图1示出了根据现有技术的5G核心网络的主要网络功能；
图2示出了根据本发明的可选实施例，在核心网络内传输不频发的小数据的两种可能的数据路由；
图3示出了根据本发明的第一实施例的在核心网络的功能之间交换的消息的顺序；
图4示出了根据本发明的第二实施例的在核心网络的功能之间交换的消息的顺序；
图5示出了实现网络功能和/或用户设备和/或无线基站的装置的实施例。
实施例的详细描述
图2示出了电信系统。电信系统包括用户设备20、无线接入网30、接入和移动性管理功能40以及用户平面功能60。电信系统还可以包括会话管理功能50。电信系统可以包括多个用户设备、多个接入和移动性管理功能、多个会话管理功能和多个用户平面功能(未示出)。
电信系统可以是例如无线通信系统，例如3GPP系统；优选地，电信系统可以是5G系统，包括5G接入网、接入网(RN)(也称为无线接入网(RAN))、5G核心网和用户设备(UE)。然而，电信系统不限于此，可以是由3GPP规定的任何3GPP兼容无线通信系统，或者可以是非3GPP兼容的无线通信系统。
具体而言，用户设备(UE)可以是M2M设备、MTC设备、蜂窝物联网(CIoT)设备、物联网(IoT)设备等。然而，用户设备不限于以上引用的示例，以及可以是被配置在电信系统中使用的任何用户设备。
电信系统的接入网包括例如节点AN 30，例如无线基站，在下文中也称为RAN 30(无线接入网)。无线接入网30可以包括多个无线基站。
电信系统的核心网络(CN)包括AMF(接入和移动性管理功能)40、SMF(会话管理功能)50和UPF(用户平面功能)60。如图2所示，UPF 60可以连接到数据网络(DN)70，例如IP网络等。在UE 20和AMF 40之间定义接口N1。在AN 30和AMF 40之间定义接口N2。在AMF 40和SMF 50之间定义接口N11。在SMF 50和UPF 60之间定义接口N4。在UPF 60和DN 70之间定义接口N6。此外，如下文将进一步解释的，根据本发明的实施例，可以在AMF 40和UPF 60之间定义另一接口Nx(图2中的附图标记80)。
本发明的公开旨在支持在电信系统中经由非接入层分组数据单元(NAS PDU)的不频发的小数据的传输。不频发的小数据是指与蜂窝物联网设备(CIoT)和/或应用相关联的数据。例如，不频发的小数据是由实现了CIoT设备、M2M设备、运行MTC应用的设备等之一的UE来传输的数据。例如，不频发的小数据是由CIoT设备发送或接收的数据。不频发的小数据可以例如以至少30秒的连续传输(或突发)之间的间隔来传输；例如，每次传输可以总计少于100字节。然而，也可以设想其他的传输间隔和传输数据量。
在本公开中，不频发的小数据被封装在非接入层(NAS)分组数据单元(PDU)中，并经由N2-AP接口从UE 20传输到核心网络，特别是AMF 40。事实上，没有为这种数据传输建立的在(AN 30和UPF 40之间)N3接口上的接口GRPS隧道用户面协议(GTP-U)隧道和在(UE 20和AN 30之间)Uu接口上的数据资源承载(DRB)。这允许以资源高效的系统信令负载(尤其是通过无线接口)来实现不频发的小数据的传输。
封装小数据的NAS PDU还应承载数据相关信息，PDU会话ID或单网络辅助切片选择信息(S-NASSI，在电信领域也称为S-NSSAI)。
根据实施例，由用户设备20经由无线接入网30将NAS PDU发送到接入和移动性管理功能40；用户设备20将NAS PDU作为无线资源控制(RRC)消息的一部分，特别是用于建立RRC连接的消息，发送到无线接入网30。这提高了上行链路中不频发的小数据的传输效率。
如图2所示，本发明人设计了核心网络中两种可能的数据路由方式用于不频发的小数据。第一种数据路由方式是经由SMF转发，即经由SMF 50，在AMF 40和UPF 60之间路由不频发的小数据。第一种数据路由方式对应于图2中的路由81。第二种数据路由方式是直接通过AMF 40和UPF 60之间的新接口Nx 80路由不频发的小数据。第二种数据路由方式对应于图2中的路由82。
根据本发明的第一实施例，第一数据路由81用在用于执行传输不频发的小数据的通信的方法中。将参照图3描述第一实施例。在第一实施例中，在AMF 40和UPF 60之间没有接口。在第一实施例中，电信系统可以是5G系统。
如图3所示，根据第一实施例的用于执行通信的方法包括以下步骤。
步骤1-2：UE20建立无线资源控制(RRC)连接，并发送作为其一部分的完整性保护的NAS PDU。具体而言，如图3所示，NAS PDU可以作为RRC消息(例如用于建立RRC连接的消息)的一部分被发送。NAS PDU承载上行链路数据，该上行链路数据包括将要由UE发送的不频发的小数据。除了上行链路数据之外，NAS PDU还可以包括PDU会话信息；例如，NAS PDU可承载PDU会话ID或S-NASSI。UE20经由RAN 30向AMF 40发送NAS PDU。具体地，在步骤1，RAN30从UE20接收RRC消息中的NAS PDU。在步骤2，RAN 30在步骤2将NAS-PDU作为初始UE消息的一部分在N2-AP接口上转发给AMF 40。
步骤3：AMF 40接收并解码NAS-PDU；此外，在解码NAS-PDU时，AMF可以基于包括在接收到的NAS PDU中的PDU会话ID来选择适当的SMF。
步骤4：如果没有为PDU会话建立N11隧道或者没有建立PDU会话，则AMF 40启动N11隧道建立过程，承载上行链路数据以及PDU会话ID、DNN(数据网络名称)和/或S-NASSI信息。在该步骤中，在解码NAS PDU时，AMF 40向SMF 50发送PDU会话创建请求，其中PDU会话创建请求至少包括上行链路数据。优选地，除了上行链路数据之外，该PDU会话创建请求还包括PDU会话ID、DNN和/或S-NASSI信息。
步骤5：如果需要，SMF 50考虑DNN和S-NASSI来执行UPF选择，然后向UPF 60请求会话建立，同时向UPF 60转发上行链路数据。当在步骤4接收到来自AMF 40的PDU会话创建请求时，则在该步骤中，SMF 50可以向UPF 60发送包括上行链路数据的会话建立请求。
步骤6：UPF 60响应SMF 50，并承载下行链路数据(如果可用的话)。在该步骤中，响应于在步骤5接收的会话建立请求，UPF 60向SMF 50发送会话建立响应，该会话建立响应可以包括下行链路数据(如果下行链路数据可用的话)。
步骤7：当在步骤6从UPF 60接收到会话建立响应时，SMF 50将下行链路数据(如果存在于会话建立响应中)连同N11隧道建立响应一起转发给AMF 40。在步骤7传输的消息也可以被称为PDU会话创建响应。
步骤10：AMF 40在N2-AP接口上向RAN 30发送UE消息。该UE消息包括NAS PDU，该NAS PDU包括PDU会话ID。NAS PDU可以包括从SMF 50接收的下行链路数据(如果存在的话)。
步骤11：RAN 30向UE 20发送包括步骤10中从AMF 40接收到的NAS PDU的RRC消息。
在第一实施例中，在建立N11隧道期间，上行链路数据可以从AMF 40被发送到SMF50。这允许执行不频发的小数据的高效传输。此外，通过减少开销，寻址到UE的下行链路数据可以在建立N11隧道期间被传输，这进一步有助于改善不频发的小数据的传输。
根据本发明的第二实施例，第二数据路由82用在用于执行传输不频发的小数据的通信的方法中。将参照图4描述第二实施例。在第二实施例中，提供了AMF 40和UPF 60之间的接口Nx 80。在第二实施例中，电信系统可以是5G系统。
如图4所示，根据第二实施例的用于执行通信的方法包括以下步骤。
步骤1-3：这些步骤以与参考图3针对第一实施例描述的步骤1-3相同的方式执行。
步骤4’：AMF 40请求SMF 50在AMF 40和UPF 60之间建立用于PDU会话的用户平面隧道，并为下行链路数据转发提供AMF地址和TEID信息。在该步骤中，当在步骤3接收并解码NAS PDU时，AMF 40向SMF 50发送包括用于下行链路数据转发的AMF地址和TEID信息的PDU会话创建请求。
步骤5’：SMF 50为PDU会话建立隧道，并向UPF 60提供AMF地址和下行链路TEID信息。在该步骤中，当在步骤4’接收到PDU会话创建请求时，SMF 50向UPF 60发送会话建立请求，其中会话建立请求承载从AMF 40接收的AMF地址和下行链路TEID信息。
步骤6’：UPF 60向SMF 50提供上行链路TEID信息。在该步骤中，响应于在步骤5’接收的会话建立请求，UPF 60向SMF 50发送会话建立响应。由UPF 60发送的会话建立响应包括上行链路TEID信息。
步骤7’：SMF 50通过传输UPF 60的TEID信息来响应AMF 40。在该步骤中，当在步骤6’中从UPF 60接收到会话建立响应时，SMF 50向AMF 40发送包括UPF TEID信息的PDU会话创建响应。
步骤8：通过Nx接口在AMF 40和UPF 60之间的隧道上传输上行链路数据。具体而言，在步骤7’AMF从SMF接收到PDU会话创建响应之后，包括不频发的小数据的上行链路数据从AMF 40被发送到UPF 60。在该步骤中，上行链路数据可以与QFI(服务质量流标识)和S-NASSI信息一起被传输。
步骤9：如果下行链路数据在UPF 60是可用的，可选的下行链路数据通过Nx接口在AMF 40和UPF 60之间的隧道上被传输。在该步骤中，下行链路数据可以与QFI(服务质量流标识)和S-NASSI信息一起被传输。
步骤10-11：这些步骤以与参考图3针对第一实施例描述的步骤10-11相同的方式执行。
在第二实施例中，当在NAS PDU中接收到上行链路数据时，AMF 40启动在AMF 40和UPF 60之间的Nx接口上用于建立Nx隧道的过程。当建立Nx隧道时，不频发的小数据可以通过Nx接口传输到UPF 60，从而实现高效的小数据传输。
图5是在本发明的实施例中可用于实现上述AMF、SMF或UPF之一的示例性装置10的示意图。
如所示，装置10包括处理单元101、存储器102和收发器103。处理单元101可以包括处理器、微处理器或可以解释和执行指令的处理逻辑。存储器102可以包括随机存取存储器(RAM)或者可以存储由处理单元101执行的信息和指令的另一种类型的动态存储设备，和/或可以存储由处理单元101使用的静态信息和指令的任何类型的静态存储设备。收发器103可以包括使得装置10能够与其他设备和/或系统(例如与通信终端或其他网络节点)通信的任何电路。装置10可以为接入和移动性管理功能40、会话管理功能50和用户平面功能60中的任何一个执行上述某些操作或过程。具体地，装置10可以响应于处理单元101执行包含在存储器102中的软件指令来执行这些操作。存储器102还可以包括计算机可读介质。计算机可读介质可以被限定为物理或逻辑存储设备。例如，逻辑存储设备可以包括在单个物理存储设备内或者分布在多个物理存储设备上的存储空间。
包含在存储器102中的计算机程序的软件指令可以使得处理单元101执行本文描述的操作或过程。可选地，硬连线电路可以代替软件指令或者与软件指令结合使用，以实现本文描述的过程和/或操作。因此，本文描述的实现不限于硬件和软件的任何特定组合。
装置10也可以由多个装置的分布式系统代替，这些装置协作来实现本文描述的功能。换句话说，AMF 40、SMF 50和/或UPF 60中的每一个的功能可以由包括多个装置的分布式计算机系统执行的软件来执行。此外，执行AMF、SMF和/或UPF功能的装置的物理资源可以随时间动态分配和改变。
装置10还可以用于实现如上所述的用户设备20和/或RAN 30的节点(例如无线基站)。
网络节点或功能的任何一个上述单元可以以硬件、软件、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、固件以及上述的混合的方式来实现。
在本发明的另外的实施例中，上述流程、步骤或过程中的任何一个可以使用计算机可执行指令来实现，例如以计算机可执行流程、方法等的形式，以任何种类的计算机语言，和/或以固件、集成电路等上的嵌入式软件的形式。
由于上述方法、系统和计算机程序，有可能在移动通信系统中实现不频发的小数据的传输，并具有资源高效的系统信令负载(尤其是通过无线接口)、5G系统中的用于CIoT的令人满意的安全机制水平、和5GS系统中用于CIoT的UE的降低的功耗水平。
尽管已经基于详细的示例描述了本发明，但详细的示例仅用于向技术人员提供更好的理解，而不旨在限制本发明的范围。本发明的范围更确切地说是由所附权利要求来限定的。

Claims (10)

1.一种在电信系统中执行通信的方法，其中所述电信系统包括用户设备(20)、无线接入网(30)、接入和移动性管理功能(40)和用户平面功能(60)，所述方法包括以下步骤：
所述接入和移动性管理功能(40)从所述用户设备(20)接收承载上行链路数据的非接入层NAS分组数据单元PDU，其中所述上行链路数据包括不频发的小数据；以及
所述接入和移动性管理功能(40)在从所述用户设备接收到NAS消息之后，将所述上行链路数据发送到所述用户平面功能(60)，
其中，所述NAS PDU包括PDU会话ID，以及在接收到所述NAS PDU时，所述接入和移动性管理功能(40)基于所述PDU会话ID选择所述电信系统的会话管理功能(50)，
其中，所述接入和移动性管理功能(40)经由所述电信系统的会话管理功能(50)向所述用户平面功能(60)发送所述上行链路数据，
其中，在从所述用户设备(20)接收到所述NAS PDU时，所述接入和移动性管理功能(40)向所述会话管理功能(50)发送PDU会话创建请求，
其中，所述PDU会话创建请求包括所述上行链路数据，
其中，所述PDU会话创建请求包含PDU会话ID、数据网络名称DNN和/或单网络辅助切片选择信息S-NASSI，
其中，当接收到包括所述DNN和所述S-NASSI的PDU会话创建请求时，所述会话管理功能(50)基于所述DNN和所述S-NSSAI选择所述用户平面功能(60)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述NAS PDU封装PDU会话ID或单网络辅助切片选择信息S-NASSI。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中，所述NAS PDU由所述用户设备(20)经由所述无线接入网(30)发送到所述接入和移动性管理功能(40)，所述NAS-PDU作为无线资源控制RRC消息的一部分由所述用户设备发送到所述无线接入网。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在接收到所述PDU会话创建请求时，所述会话管理功能(50)向所述用户平面功能(60)发送会话建立请求，并且同时将所述上行链路数据转发给所述用户平面功能(60)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在接收到所述会话建立请求时，如果下行链路数据可用，则所述用户平面功能(60)向所述会话管理功能(50)发送承载下行链路数据的会话建立响应。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在接收到所述会话建立响应时，如果来自所述用户平面功能(60)的所述会话建立响应中承载所述下行链路数据，则所述会话管理功能(50)向所述接入和移动性管理功能(40)发送承载所述下行链路数据的PDU会话创建响应。
7.根据权利要求1-2、4-6中任一项所述的方法，其中所述电信系统是5G系统。
8.一种系统，其包括接入和移动性管理功能(40)和用户平面功能(60)，其中所述接入和移动性管理功能(40)和所述用户平面功能(60)被配置为执行根据权利要求1-3中任一项所述的方法。
9.根据权利要求8所述的系统，还包括会话管理功能(50)，其中所述接入和移动性管理功能(40)、所述会话管理功能(50)和所述用户平面功能(60)被配置为执行权利要求1、4-7中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读介质，所述计算机可读介质用于存储计算机程序，所述计算机程序包括用于执行根据权利要求1-7中任一项所述的方法的指令。
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