CN112954737B - 移动网络中用于QoS感知的GTP-U传输的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了移动网络中用于QoS感知的GTP‑U传输的装置和方法。本发明的实施例扩展了分布式单元(DU)、中央单元(CU)和F1的控制平面(F1‑C)的能力，使得F1‑U的差异化DRB在于等效QoS的差异化传输网络组件。这通过传输感知的DU和CU来实现，所述传输感知的DU和CU可以将每个F1‑U DRB映射到适当的OSI层2‑4报头中并且可以随后存储此类映射。F1‑C接口被扩展以将从传输网络控制器获取的层2‑4报头分配给DU和CU。在传输网络控制器与CU/DU之间定义新的控制接口TN‑C。此外，那些实施例的一般映射也适用于N3接口，这解决了回程传输网络上的相同问题。

Description

移动网络中用于QoS感知的GTP-U传输的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于第5代(及后续世代)蜂窝网络的前传和回传组件的系统和方法，包括无线电接入网络(RAN)和诸如无源光网络(PON)或SDN的传输网络。
背景技术
在整个说明书中对现有技术的任何讨论决不应被认为是承认这种现有技术是公知的或形成了本领域的公知常识的一部分。
通过将无线电接入网络(RAN)分解成分布式单元(DU)的更密集部署，已实施了5G的高位率和覆盖范围要求，其中这些小型单元被部署在流量要求可能很高的任何地方并且由中央单元(CU)管理。实际上，CU及其对向DU的集合形成逻辑基站gNodeB或gNB。这种分解创建了在DU与CU之间定义被称为‘F1接口’的另一接口的必要性。F1具有用户平面和控制平面组件两者：F1-C(也被称为F1AP)支持CU与DU之间的信令信息交换，而F1-U支持在上行链路和下行链路方向上的数据传输。
如在4G网络中一样，F1-C使用由基于IP协议的IETF定义的流控制传输协议(SCTP)，而F1-U使用基于IP的UDP和GTP-U隧道(参见TS 38.470)。F1AP定义SCTP上的信令消息的应用层(参见TS 38.473)。每个F1-C接口的信令和UE与包括无线电资源控制(RRC)(参见TS 38.331)和初始上下文建立(ICS)(参见TS 38.413)的eNodeB之间的信令基本上相同。
类似于F1接口，CU与5G分组核心网络元件之间的回传网络连接支持控制平面通信与用户平面通信的分离。对于控制平面通信，每个CU以及接入和移动性管理功能(AMF)具有N2接口，也被称为NG-C或NGAP，用于支持非接入层(NAS)功能。N2使用SCTP和IP协议(参见TS38.413)。对于用户平面通信，5G核心的每个CU和用户平面功能(UPF)具有N3接口，也被称为NG-U。N3使用UDP和IP协议(参见TS 38.414)。
3GPP设计了可切片的5G移动网络基础架构以在公共的单个物理网络上提供许多逻辑网络段(参见TR 28.801)。服务提供商面临的主要技术挑战之一是如何能够时限未来服务需要的大量网络性能特性。此类性能特性是带宽、延迟、分组丢失、安全性和可靠性-所有这些都会因服务不同而存在很大差异。诸如机器人的远程操作、大规模IoT和自动驾驶汽车等新兴应用需要互联性，但是特性却大不相同。诸如虚拟化、网络可编程性和网络切片等新技术使得逻辑网络能够经过定制以满足每个应用的服务质量(QoS)需求。每个切片可以根据容量、覆盖范围、互联性、安全性和性能特性进行优化。此外，由于切片在控制平面和用户平面中都是彼此隔离的，因此网络切片的用户体验将与如同它是物理上分离的网络的情况相同。5G数据无线电承载(DRB)承载关于用户数据切片的QoS要求的信息。该信息被承载在F1-C以及承载用户数据的F1-U接口上。
标准化致力于基于应用/服务定义特定切片及其要求。例如，用户设备(UE)现在可以使用分组报头中被称为网络切片选择辅助信息(NSSAI)的新字段直接指定其期望的切片。NSSAI是最多8个单NSSAI(S-NSSAI)的集合。S-NSSAI的子字段是用于指示切片类型的切片/服务类型(SST)。标准已定义最常用的网络切片，并且保留了对应的标准化SST值(参见TS23.501)。例如，SST值1、2和3分别对应于增强型移动宽带(eMBB)、超可靠和低延迟通信(uRLLC)和大规模IoT(MIoT)的切片类型。这些服务反映最常规划的新服务。通常，作为UE的初始注册程序的一部分来触发UE的网络切片选择实例。核心网络的AMF检索用户的订阅所允许的切片，并且与核心网络的网络切片选择功能(NSSF)交互以在RAN上选择用于这样的流量的适当网络切片实例。
尽管UE的切片信息和隐式QoS被承载在F1-C或N2上的上下文建立消息中，并且间接地被承载于在有效载荷中承载DRB的GTP-U隧道的隧道端标识符(TEID)内，但是唯一定义的机制将用于可选地将流的QoS定义(即，5G QoS标识符(5QI))映射到F1-U和N3两者中的IP报头的DiffServ位(参见TS 38.474和TS 38.414)。仅从5QI映射到DiffServ位不足以满足QoS要求这是因为以下两个原因：(1)基于切片的QoS要求不是完全可映射的，因为它们在NSSAI中是通过简单地设定DiffServ位而定义的；(2)传输网络可能更喜欢在层2-4中使用其它QoS区分机制，而并不是(或者代替)设定DiffServ位。尤其是当前传网络是CU及其DU组之间的无源光网络时，需要一种机制将QoS信息从较低层中继到较高层。通常，PON是采用虚拟LAN(VLAN)以分离出不同流量流的层2传输网络。然而，PON可以使用其它隧道技术。因此，概括地说，我们使用术语‘传输信道’来表示在层2中使用的任何类型的隧道。需要一种机制来将每个DRB映射到满足每个切片的QoS要求的正确的传输信道(及其层2-4报头信息)中。更一般而言，由于每个DRB都被映射到不同的GTP-U隧道，因此需要一种机制来映射具有某些QoS要求的每个GTP-U隧道，其中这些QoS要求可以简单地从隧道内承载的DRB的那些要求转移到具有等同QoS能力的传输信道。注意，5G架构将‘QoS流’定义为最低粒度的数据流，并且通过每个分组中的QoS流Id(QFI)对所述流进行标识。每个QFI与5QI、包括分组流处理参数(分组丢失、分组延迟、可靠性等)的集合并且在现有技术中公知的指示符以及由NSSAI表示的切片Id有关。DRB由具有相同的5QI和NSSAI的那些‘QoS流’的集合形成。然后将每个DRB映射到F1-U接口上的GTP-U隧道中，这表示隧道可以承载具有相同的5QI和NSSAI的多个QoS流。
前述映射功能可以包括用于将无线电QoS要求智能地映射到传输信道的智能和状态决策机制。当传输信道资源不足以满足无线电的QoS要求时，映射功能负责根据QoS流的优先级将QoS满意度最大化来将所述流映射到传输信道。此外，映射功能的责任还在于，没有QoS流会耗尽所有传输信道资源，这可以阻止低优先级流量流的传输。为了满足可靠性要求，映射可以将数据流配置为通过错误率较低的路径路由，或者被分配到行进通过物理上不相交的路径的克隆传输设施上。映射功能必须具有这种智能决策机制来跟踪各种假设场景，上面概述了其中的一些场景。这里没有提供映射功能的内部机制的设计，因为现有技术可以使用许多可能的算法。人工智能和机器学习仅是提及的几例。
通过本发明的各种不同实施例克服了前述缺陷，藉此通过传输网络控制器将传输网络的QoS能力与CU和DU通信。类似地，当创建新切片时，CU和DU可以与要求具有特定QoS能力的传输信道的传输网络控制器进行通信。最简单的映射实施例是通过对F1-U或N3接口上的每个QoS类别使用不同的传输信道(例如VLAN)以及通过在DU和CU中存储VLAN-切片/QoS关联来实现的。
根据第一实施例，传输网络控制器将传输网络能力传送于CU以及所有DU。CU和DU在表示无线电级别QoS的DRB类型(基于5QI和NSSAI)的QoS能力与表示传输级别QoS的现有传输信道的QoS能力(例如，分组丢失、延迟、延迟变化和带宽)之间执行它们自己的映射。当将新的DRB映射到可由隧道ID(TEID)识别的GTP-U隧道上时，CU和DU两者都执行无线电级别QoS到传输级别QoS的正确映射，并且识别提供所述传输级别QoS的特定传输信道。随后，将TEID与选择的传输信道的层2-4报头信息的关联存储在本地数据库中。每次GTP-U有效载荷内的分组(由其在GTP报头处的TEID标识)到达DU(或CU)时，都会从数据库中检索对应的报头信息，并且构造传输分组报头。该实施例需要：(a)DU和CU的每一个与传输网络控制器之间的接口；(b)CU和每个DU内用于在无线电级别QoS与传输级别QoS之间进行映射的映射功能；(c)CU和每个DU中存储TEID到层2-4报头信息的映射数据库。在不改变逻辑结构的情况下，映射功能可以在物理上于DU和CU之外实施。
根据第二实施例，传输网络控制器将传输网络能力仅传送给CU。CU执行上述映射并将映射表存储在其数据库中。然后，CU将映射表分配给其所有对向DU。该实施例需要：(a)传输网络控制器与仅CU之间的接口，(b)CU内用于在无线电级别QoS与传输级别QoS之间进行映射的映射功能，(c)CU和DU中存储TEID到层2-4报头信息的映射数据库，以及(d)使用F1-C的新消息类型(即，新的F1AP类型)，其传送来自CU和每个DU的映射表。在不改变该逻辑结构的情况下，映射功能可以在物理上于CU之外实施。
第一实施例和第二实施例将适用于承载沿着回传(backhaul，回程)网络在CU与UPF之间的QoS流的N3接口，所述回程网络可以是(i)具有传输控制器的层2网络，或者(ii)具有控制器的层3网络，诸如具有SDN控制器的软件定义网络(SDN)。
根据第三实施例(来自第二实施例的直接映射)，假设回程网络是SDN，则SDN控制器将层3网络能力与UPF进行通信。UPF执行不同类型的QoS流的QoS级别(注意，由于仅QoS流在GTP-U隧道中是暴露的，因此DRB的概念不适用于该接口)与层3网络路由能力之间的映射，并且将TEID到层2-4报头信息的映射表存储在其数据库中。然后，UPF将映射表发送到CU-形成承载QoS流的特定N3接口的另一端。该实施例需要：(a)SDN控制器与仅UPF之间的接口；(b)UPF内用于在路由QoS与流QoS之间进行映射的映射功能；(c)CU和UPF中存储TEID到层2-4报头信息的映射数据库；以及(d)使用作为N3的控制平面接口的N2接口的新消息类型(即，新的N2AP类型)，其传送来自UPF和CU的映射表。在不改变该逻辑结构的情况下，映射功能可以在物理上于UPF之外实施。
类似地，可以将第一实施例直接且一般地映射到用于N3接口的第四实施例中，因此这里不再叙述。
传输网络控制器的上述新接口可以用于以下两种能力：(a)从传输控制器到移动网络组件(诸如CU、DU和UPF)的单向通信；以及(b)双向通信，使得前传网络和回传网络的移动网络组件(诸如CU、DU和UPF)可以发送创建新传输段(诸如用于新创建的切片类型的VLAN类型)的请求，或者当不再支持特定的切片类型时删除诸如VLAN等现有的传输段的请求。
本发明的实施例是对现有技术的系统和方法的改进。
发明内容
在5G中，在物理上将多个逻辑基站(gNodeB)分解为单个中央单元(CU)和许多分布式单元(DU)，从而产生了对CU与其对向DU之间的前传传输网络的需要。可能的前传传输网络是无源光网络(PON)，其包括：许多光网络终端(ONT)，每个ONT附接到DU；以及附接到CU的光线路终端(OLT)。智能传输控制器控制ONT组及其OLT。尽管DU与CU之间的用户平面接口F1-U承载具有一定服务质量和分配的切片类型的数据无线电承载(DRB)，但是现有技术中没有提供任何机制来将这些上层QoS要求与传输网络的下层QoS能力相关联，从而在F1-U上在上层与下层之间产生了很大的空隙。对于在另一种类型的回传传输网络上承载的N3接口，也确实存在相同的问题。本发明中的实施例扩展了DU、CU和F1(F1-C)能力的控制平面以填充空隙，使得F1-U的差异化DRB在于等同QoS的差异化传输网络组件。这通过智能(即，传输感知的)DU和CU来实现，所述智能DU和CU可以将每个F1-U DRB映射到适当的OSI层2-4报头中并且存储它们。F1-C接口被扩展以将从传输网络控制器获取的前述层2-4报头分配给所述DU和CU。在传输网络控制器与CU/DU之间定义新的控制接口TN-C。此外，那些实施例的一般映射适用于N3接口，并且解决了回传传输网络上的相同问题。
在一个实施例中，本发明提供了一种用于将移动网络中的多个数据流中的每一个的无线电级别服务质量(QoS)映射到传输网络的多个传输信道的等效传输级别QoS并在所述多个传输信道内选择适用于通用分组无线电服务(GPRS)隧道协议用户平面(GTP-U)隧道的传输信道的方法，所述GTP-U隧道承载所述多个数据流中的至少一个数据流，所述多个传输信道由传输控制器控制，在第一节点中实施的所述方法包括：(a)通过第一接口向传输控制器订阅关于所述第一节点与第二节点之间的传输级别QoS能力的信息；(b)响应于(a)中的请求，从所述传输控制器接收识别所述多个传输信道中提供所述第一节点与所述第二节点之间的传输级别QoS能力的一个或多个传输信道的信息；(c)基于(b)中接收到的信息，针对所述无线电级别QoS的每个级别和所述传输级别QoS的每个级别，映射QoS能力并将其存储在映射表中；(d)在所述映射表中存储在(b)中识别的所述一个或多个传输信道内的至少一个传输信道的附加映射数据，所述附加映射数据对应于与所述GTP-U隧道相关联的隧道端点标识符(TEID)；(e)通过所述第一接口将所述映射表发送到所述第二节点；并且其中所述第一节点和所述第二节点在向彼此发送分组之前利用与所述TEID相对应的报头信息。
在另一个实施例中，本发明提供了一种用于将移动网络中的多个数据流中的每一个的无线电级别服务质量(QoS)映射到传输网络的多个传输信道的等效传输级别QoS并在所述多个传输信道内选择适用于通用分组无线电服务(GPRS)隧道协议用户平面(GTP-U)隧道的传输信道的方法，所述GTP-U隧道承载所述多个数据流中的至少一个数据流，所述多个传输信道由传输控制器控制，所述方法包括：(a)第一节点和第二节点两者分别通过第一接口和第二接口向所述传输控制器订阅所述第一节点与所述第二节点之间的传输级别QoS能力；(b)响应于(a)中的请求，由所述第一节点和第二节点从所述传输控制器接收识别所述多个传输信道中提供所述第一节点与所述第二节点之间的传输级别QoS能力的一个或多个传输信道的信息；(c)在所述第一节点和第二节点处，基于(b)中接收到的信息，针对所述无线电级别QoS的每个级别和所述传输级别QoS的每个级别，映射QoS能力并将其存储在映射表中；(d)在所述第一节点和第二节点处，在所述映射表中存储在(b)中识别的所述一个或多个传输信道内的至少一个传输信道的附加映射数据，所述附加映射数据对应于与所述GTP-U隧道相关联的隧道端点标识符(TEID)；并且其中所述第一节点和所述第二节点在向彼此发送分组之前利用与所述TEID相对应的报头信息。
在另一个实施例中，本发明提供了一种将无线电级别QoS映射到传输级别QoS并且选择要使用哪个传输信道来满足由移动网络中的每个通用分组无线电服务(GPRS)隧道协议用户平面(GTP-U)承载的数据分组的无线电级别QoS要求的系统，所述系统包括：(a)映射功能，所述映射功能映射所述无线电级别QoS和传输级别QoS，(b)映射数据库，所述映射数据库存储每个GTP-U隧道的TEID与用于所述特定的GTP-U隧道的所述传输信道的对应选择的层2、层3和层4报头信息之间的所述映射，以及(c)多个传输控制器的多个接口，所述多个接口用于发送和接收关于传输信道的传输级别QoS信息的消息。
附图说明
根据一个或多个各种示例，参考以下附图详细描述本公开。附图的提供仅出于说明目的，并且仅描绘了本公开的示例。提供这些附图是为了帮助读者理解本公开，并且不应认为这些附图限制了本公开的广度、范围或适用性。应当注意，为了清楚起见和易于说明，这些附图不一定按比例绘制。
图1示出了根据现有技术的F1接口的组件。
图2示出了根据现有技术的N2和N3接口的组件。
图3描绘了根据现有技术的PON组件上的VLAN标签和对应的GEM端口。
图4示出了本发明的第一实施例。
图5示出了根据本发明的示例性TN-C接口消息序列。
图6示出了本发明的第二实施例。
图7描绘了与第一实施例相对应的消息传送图。
图8描绘了与第二实施例相对应的消息传送图。
具体实施方式
尽管在优选实施例中示出和描述了本发明，但是本发明可以许多不同的配置来产生。在附图中描绘并且在本文中将详细描述本发明的优选实施例，应当理解，本公开应被视为本发明的原理及其构造的相关联的功能规范的例证，并且不意指将本发明限制于所示的实施例。本领域技术人员将设想在本发明的范围内的许多其它可能的变化。
注意，在本说明书中，对“一个实施例”或“实施例”的引用表示所引用的特征包括在本发明的至少一个实施例中。此外，在本说明书中对“一个实施例”的单独引用不一定是指相同的实施例；然而，除非另有说明并且对于本领域普通技术人员而言是显而易见的，否则此类实施例不是互斥的。因此，本发明可以包括本文描述的实施例的任何各种组合和/或集成。
电子设备(例如，基站、路由器、交换机、网关、硬件平台、控制器等)使用机器可读介质(诸如非暂时性机器可读介质(例如，机器可读存储介质，诸如磁盘；光盘；只读存储器；闪存设备；相变存储器)和暂时性机器可读传输介质(例如，电气、光学、声学或其它形式的传播信号-诸如载波、红外信号))存储代码(由软件指令组成)和数据并传输(在内部和/或通过网络与其它电子设备进行传输)代码(由软件指令组成)和数据。另外，此类电子设备包括硬件，诸如一个或多个处理器的集合，其耦接到一个或多个其它组件(例如，一种或多种非暂时性机器可读存储介质(用于存储代码和/或数据)和网络连接(用于使用传播信号传输代码和/或数据)以及用户输入/输出设备(例如，键盘、触摸屏和/或显示器)。处理器的集合与其它组件的耦接通常通过电子设备内的一个或多个互连件(例如，总线和可能的桥接器)而进行。因此，给定电子设备的非暂时性机器可读介质通常存储用于在所述电子设备的一个或多个处理器上执行的指令。可以使用软件、固件和/或硬件的不同组合来实施本发明的实施例的一个或多个部分。
为了简单起见，作为前传网络技术，将仅描述PON，其中可能存在其它替代的层2技术选择。此外，在下图中仅详述了前传网络组件，因为可以一般地推导从前传网络组件到回程网络组件(即，从F1到N3接口)的映射。
如本文中所使用的，诸如基站、交换机、路由器、传输控制器、OLT或ONT等网络设备是联网组件，包括与网络的其它设备(例如，其它网络设备和终端系统)通信地互连的硬件和软件。此外，OLT和ONT提供与其它网络设备(诸如交换机、网关和路由器)的网络互联性，和/或为来自多个应用服务(例如，数据、语音和视频)的流量提供支持，其它网络设备表现出多层联网功能(例如，层3交换、桥接、VLAN(虚拟LAN)交换、层2交换、服务质量和/或订户管理)。用户设备(UE)通常是一种移动设备，诸如蜂窝电话、传感器或无线地连接到移动网络的另一种类型的设备。类型、ID/名称、媒体接入控制(MAC)地址和因特网协议(IP)地址识别网络中的任何物理设备。
每个OLT最多可以附接8、32、64或128个ONT，这取决于OLT实施方式的大小。ONT将经由光纤传输的光信号转换为电信号，反之亦然。在上游方向上，UE将分组数据经由蜂窝信号发送到DU，进而DU将所述分组数据转换为电信号并且将所述电信号发送到其附接的ONT，所述ONT进而将所述电信号转换为光信号并且将所述光信号发送到上游OLT，所述上游OLT进而将所述光信号转换回电信号并且将所述电信号发送到CU。
每个ONT汇总并整理来自DU的不同类型的数据，并将所述数据发送到上游OLT。整理是优化和重组数据流的过程，因此可以更高效地进行传送。OLT支持动态带宽分配(DBA)算法(有时实施多于一种的算法)，所述算法支持在多个ONT之间公平分配上行光纤容量，以支持以突发脉冲形式来自UE的流量。OLT、其附接的ONT和光分配网络形成无源光网络(PON)。现有技术中已知各种类型的PON，诸如千兆位PON(GPON)、以太网PON(EPON)和ATMPON(APON)，这取决于所支持的能力和层2协议。典型的PON在OSI的层1和层2操作，但是也可以执行一些有限的层3功能，诸如IP报头查找和处理。
UE的数据流通过应用层隧道(在设备间数据平面接口中被称为GTP-U隧道)承载。注意，在这种描述中，对“GTP-U隧道”的引用覆盖了应用层隧道，所述应用层隧道包含承载在UE的数据流的IP分组上的GTP-U报头的通用或扩展格式。GTP-U隧道的扩展报头可以包括用于F1接口的NR RAN容器、用于N3接口的PDU会话容器，或任何其它扩展的专有或标准接口特定扩展，而无需改变通用的GTP-U报头结构(参见TS 29.281)。在本发明中，较低层(诸如GTP-U报头的层2-4)的配置被认为对于GTP-U数据流是可编程的。由TEID识别的GTP-U数据流的示例性报头信息对于层2包括源MAC地址和目的地MAC地址以及VLAN标签，对于层3包括源IP地址和目的地IP地址，并且对于层4，包括TCP或UDP端口号。
图1示出了包括DU 101和DU 102以及CU 104的现有技术分布式gNodeB。DU 101和DU 102分别具有F1-C接口模块131和132，以发送和接收F1-C接口的控制平面消息。类似地，DU 101和DU 102分别具有F1-U接口模块141和142，以发送和接收包括数据无线电承载(DRB)的F1-U接口的用户平面消息。F1-C 131和132经由诸如PON等传输网络分别附接到连接109和110。PON在DU接口处执行信号的电光转换，并且在CU接口处执行从光到电的转换。连接109和110终止于CU 104上的F1-C 137上。类似地，F1-U 141和142经由诸如PON等传输网络分别附接到连接118和117。这些连接终止于CU 104的F1-U 138上。注意，连接109和118附接到传输网络103的同一ONT 105。而且，连接110和117附接到传输网络103的同一ONT106。在CU侧上，所有光学连接都终止于OLT 107上，该OLT执行到电的转换。DU 101和102中的功能151和152分别表示对所有消息的物理、MAC和RLC层处理。CU 104中的互补功能是功能139，其向上层提供分组数据融合协议(PDCP)，即，用于控制平面的RRC和用于用户平面的服务数据适配协议(SDAP)。该图示出了DU 101与CU 104之间的DRB 1和DRB 2，以及DU 102与CU 104之间的DRB 4和DRB 5。DRB 1和DRB 4具有用于承载因特网流量的尽力而为型(best effort)QoS流。尽管DRB 2的QoS流具有更高的QoS优先级来承载语音(会话发起协议-SIP)流量，但是DRB 5的QoS流具有更低的QoS优先级来承载IoT流量。
QoS流是5G中用来表示执行策略和收费的最低粒度级的术语。SDAP功能将回传QoS流映射到DRB。在图中，QoS流1和2被映射到DRB 1中，而QoS流3被映射到DRB 2中。因此，QoS流1和2在相同的数据流中传输，并且无法通过传输网络103相互区分。所有DRB都是在CU104中接收到的，并且以GTP-U隧道内的QoS流的形式发送到核心网络。CU 104与DU 101之间在UE上下文建立和更新程序中共享QoS流到DRB映射信息(参见TS38.473)。当UE最初连接到DU时，其CU发送上下文建立请求消息，所述上下文建立请求消息包括DRB到QoS流映射、每个流的QoS流标识符(QFI)、通过指定5QI数据类型针对每个流和每个DRB的QoS要求、以及作为NSSAI的切片信息。通过UE的上下文建立修改请求消息将对这些信息元素的任何改变发送到DU。对于每个QoS流或每个DRB，5QI数据类型包括各种各样的服务要求，包括但不限于最大延迟、最小带宽、最大带宽、可靠性等。在现有技术中，ONT 105、106和OLT 107的传输网络能力由传输网络单独处理，而对于DU和CU是未知的。
图2示出了附接到用于控制平面功能的AMF和用于用户平面功能的UPF的两个CU(即，CUa和CUb)的现有技术配置。这些功能之间的传输网络180被示为层3网络，所述网络提供每个CU与作为虚拟网络功能(VNF)跨核心网络分布的多个控制和用户平面功能之间的路由功能。所述路由在该网络段中提供了更灵活的传输网络选项，这是由于可以根据当日时间或特定控制功能的工作量而将控制流量路由到(相同类型的)不同VNF。相反，F1接口流量始终在DU与特定CU之间，因此永远不需要路由到其它位置。因此，诸如PON等的层2网络最适合于前传网络。路由器331、332、334和335在图2中部署为紧邻每个功能，但是在其它实施例中，单个路由器可以连接到多个CU和/或多个控制和用户平面功能。
CU 104a具有N2接口163，而CU 104b具有N2接口功能165，以用于利用AMF 161进行控制平面N2消息传送。类似地，CU 104a具有N3接口功能164，而CU 104b具有N3接口功能166，以用于利用UPF 162进行用户平面消息传送。朝向UPF 162的接口183和184上的用户平面流量的多个QoS流具有不同的QoS特性。路由器331向AMF 161转发CU 104a的N2流量，并且向UPF 162转发N3流量。AMF 161控制NAS功能105，如附接、分离和移交，而UPF 162控制回传隧道(即，隧道路由)156与外部网络之间的路由。由于AMF 161和UPF 162在现有技术中可获得，因此这里并不意图呈现AMF 161和UPF 162的完整的功能描述。
类似于F1接口，N3接口可以在UPF 162与CUa/CUb 104a/104b之间的单个GTP-U隧道中承载多个QoS流(参见TS 38.413)。会话管理功能(SMF)控制N3 GTP-U隧道的建立(参见TS 23.501)。在UE上下文程序期间执行GTP-U隧道初始化或删除。当SMF初始化隧道时，它将上行链路隧道ID(TEID)信息发送到AMF。然后，AMF通过N2接口在UE上下文建立请求消息或UE上下文建立修改请求消息中与CU共享上行链路TEID、QoS流-隧道匹配信息、每个流的QFI、作为5QI的流的QoS信息以及作为NSSAI的切片信息。当CU接收到这些消息时，以用于隧道的下行链路TEID做出响应以完成隧道建立程序。与F1相比，N3接口还在用户平面中承载QFI，所述QFI可以用于传输网络180中的流量优先级排序。然而，现有技术未提供传输层(路由器331、332、334、335)与移动网络功能(CUa 104a、CUb 104b、AMF 161、UPF 162)之间的任何协调来反映QoS的跨层转移(translation)。
注意，图2的层3传输网络可以包括软件定义网络(SDN)，其中框331、332、334和335不是路由器，而是交换机，这表示路由决策是由控制器做出的。此外，控制器将每个路由及其属性(诸如QoS)以指令的形式下载到每个交换机上。此类指令包括针对特定流量流的QoS设置，所述流量流由VLAN标签、MPLS标签、其它隧道报头或IP地址和UDP/TCP端口号来识别。每个切片的层3传输网络可以包括不同的网络设施和分配给所述切片并且可能由切片所特有的控制器控制的不同UPF组。
图3示出了具有ONT 105和106以及OLT 107和传输网络控制器192的简单传输网络。ONT 105承载两个上游VLAN，即，VLAN 1和VLAN 2，而ONT 106具有上游VLAN 3。OLT 107具有三个下游VLAN，即，VLAN 1、VLAN 2和VLAN 3。
流量容器(T-CONT)是ONT内的流量承载对象，所述流量承载对象表示一组逻辑连接，并且被视为单个实体，以用于在PON上进行上游带宽分配。在上游方向上，它用于承载服务流量。每个T-CONT由ALLOC_ID唯一地标识，由OLT分配，即，T-CONT只能由OLT上的每个PON接口的一个ONT使用。
GPON封装方法(GEM)端口是用于执行所谓的GEM封装以在GEM信道中在OLT与ONT之间传输帧的虚拟端口。每个不同的流量类(TC)被分配有不同的GEM端口ID。T-CONT由一个或多个GEM端口组成。每个GEM端口通常承载与服务质量相对应的一种服务流量。GEM端口ID由OLT唯一地分配。在ONT与OLT之间，层2帧通过由GEM端口ID标识的GEM帧来承载。每个GEM端口ID对于每个OLT是唯一的，并且表示OLT与ONT之间的特定流量或一组流。GEM信道用于传输从ONT到OLT的上游流量，并且用于传输下游流量，所述下游流量始终是从OLT到所有ONT的广播流量。每个ONT基于接收到的GEM帧中的匹配GEM端口ID来识别发往到其的流量。总而言之，GEM端口用于区分不同的流量类(TC)。如图3所示，GEM端口和T-CONT被分配给由VLANid或标签识别的不同流量类。注意，ONT和OLT上有三个不同的双向GEM端口，其对应于这三个VLAN。
每个ONT中的流量分类器根据VLAN标签来整理流量并且将其在上游方向上发送到对应的GEM端口。每个GEM端口对VLAN流量执行GEM封装，并且将GEM信道中的分组转发到OLT上的GEM端口。与VLAN 1、2和3相对应的接收到的流量由不同的流量分类器(例如，T-CONT1、2和3)处理，并且根据流量类优先级和使用不同的排队算法(诸如严格优先级和加权公平排队)分配给该类的上游带宽来进行调度以便进行传送。此类流量分类器和排队算法是现有技术。类似过程适用于下游方向，其中所述角色颠倒，即，现在分类和调度都在OLT中。
核心网络的控制平面将具有唯一TEID的单向GTP-U隧道分配给不同类型的每个用户的DRB。例如，图1的UE 111可以具有两个DRB：DRB 1和DRB 2，每个DRB在DU与CU之间使用不同的GTP-U隧道。每个DRB包含至少一个QoS流。每个DRB具有作为5QI的QoS要求定义，而每个流也具有其自己的5QI定义。此外，每个UE具有其自己的NSSAI，NSSAI定义UE 111的服务/切片类型。在NSSAI中，最多有8个S-NSSAI来定义UE 111的切片订阅。S-NSSAI的字段被称为标准切片类型(SST)，对于增强型移动宽带eMB，所述字段的值SST＝1，对于超可靠和超低延迟通信uRLLC，所述字段的值SST＝2，而对于大规模IoT(mIoT)，所述字段的值SST＝3。为了满足5QI定义的所有QoS要求以及NSSAI在前传和回传网络上进行的优先级排序，这些较高层QoS定义应被映射到较低层属性(诸如VLAN的那些属性)，所述较低层属性可以通过ONT、OLT、交换机、路由器等进行区分。
可能会有多组GTP-U隧道承载具有相同QoS要求的DRB。一旦在F1-U中识别了不同的GTP-U隧道组，其中每个隧道组具有不同的服务质量配置文件，属于同一组的那些隧道在逻辑上应放置在由唯一VLAN标签标识的同一VLAN上，所述WLAN提供其承载的隧道组的服务质量。替代地，可能有多个VLAN会提供相同的传输级别QoS(例如在不同的物理链路上)，在这种情况下，来自同一组的隧道可以被分配在这些VLAN上。尽管F1-C流量未被承载在GTP-U隧道中，但是所述流量段可以被视为具有服务质量要求(诸如低分组丢失)的特殊服务类，并且被放置在仅为F1-C流量分配的特殊控制VLAN上(所谓的VLANc)上。
唯一VLAN标签/id可以与在传输网络内具有服务质量要求的不同集合的每个VLAN关联。传输网络控制器可以分配和保持这些标签以及相关联的GEM端口和T-CONT，以确保在每个VLAN上交付指定的服务质量。VLAN标签由DU在上游方向上插入并且由CU删除。VLAN标签仅在网络的前传部分内有意义且可见，因为它们在流量离开CU去往AMF或UPF之前就已被删除。为了简单起见，这里的实施例在F1-U上的每个GTP-U隧道(或隧道组)仅考虑一个VLAN标签，以及一个VLANc标签或F1-C。
图4示出了本发明的第一实施例。在该实施例中，传输网络控制器192具有朝向DU的TN-C接口231a和朝向CU的TN-C接口231b。DU具有被称为QoS映射202a的新功能，而CU具有互补功能202b。DU具有被称为QoS映射数据库207a的新数据库，而CU具有互补功能207b。这种配置的简单映射也可适用于CU与UPF之间，其中CU和UPF都具有朝向传输网络控制器的TN-C接口。因此，这里将不叙述。
尽管在图4中为了简单起见示出了单个传输网络控制器，但是可能存在多个传输网络控制器(特别是当每个传输网络控制器与特定切片相关联时)，因此在每一端均具有多个TN-C接口。切片与TN-C接口之间的映射存储在DU、CU和UPF中。
基本的TN-C接口消息在图5中示出并且包括：
1.传输网络更新订阅请求：QoS映射202初始化与传输网络控制器192的连接。在该初始化消息中，QoS映射202订阅一个或多个信息对象，诸如：
a.对DU与CU之间的传输网络拓扑改变的通知。
b.对添加或删除VLAN标签的通知。
c.对VLAN流量的QoS属性的改变的通知。
d.对用于报告拥塞的高流量负载的通知。
2.传输网络更新订阅响应：传输网络控制器192对于一个或多个订阅信息对象可以以成功/失败来响应。
3.传输网络更新：传输网络控制器192将关于订阅的信息对象的更新发送到QoS映射202。
4.传输网络QoS请求：QoS映射202将新的QoS要求发送到传输网络控制器192。
5.传输网络QoS响应：传输网络控制器192以成功或失败来响应。
QoS映射202a将每个DRB类型的无线电级别QoS和切片要求映射到传输级别QoS。映射作为表格在QoS映射功能中不时地存储和更新。当它从TN-C接口接收到关于影响VLAN的拓扑改变的新信息时，它会更新映射。因此，该功能基本上确定使用哪个传输信道来满足无线电级别QoS。然而，每次形成新的GTP-U隧道时，QoS映射数据库207a存储特定的TEID到层2-4报头信息映射。当隧道抓住机会存在时，将所述映射从数据库中删除。互补功能在CU中独立于DU执行。当从UE出现新类型的无线电级别QoS需求时，QoS映射202a也可以从传输网络控制器生成对新VLAN的请求。尽管我们在本上下文中将VLAN和VLAN标签用于示例性目的，但是它可以是某种其它类型的传输层2-4。
图6示出了本发明的第二实施例。在该实施例中，传输网络控制器192具有仅朝向CU的TN-C接口231。CU 201具有被称为QoS映射202b的新功能和被称为QoS映射数据库207b的新数据库。基本的TN-C接口消息在图5中示出。与第一实施例相比，第二实施例的DU不具有QoS映射功能，并且它们的QoS映射数据库207a由QoS映射202b功能更新。
为了向DU提供QoS映射信息，通过引入新的F1 AP来扩展F1-C能力，使得CU可以将TEID到层2-4报头信息映射信息传播到对向DU。可以通过使用以下两种方法在F1接口上实施这种扩展：(1)将VLAN标签信息嵌入到上下文建立程序消息中(例如，可以将VLAN标签信息嵌入在TS38.473的第9.3.2.1节中定义的“UP传输层信息”结构中)；或者(2)在F1接口上定义两种额外消息，诸如：
1.具有三种操作类型的传输映射请求：
a.添加：添加与TEID相对应的层2-4报头信息。
b.更新：更新与TEID相对应的层2-4报头信息。
c.删除：删除与TEID相对应的层2-4报头信息。
2.传输映射响应：DU可以以成功/失败来对传输映射请求做出响应。
QoS映射202b在两个流量方向上具有映射。数据存储在QoS映射数据库207b中。当从UE出现新类型的DRB时，QoS映射202b也可以从传输网络控制器生成对新VLAN的请求。QoS映射数据库207a是207b的副本。CU使用上述消息通过使用F1-C接口来传送信息。尽管我们在本上下文中将VLAN和VLAN标签用于示例性目的，但是它可以是某种其它类型的传输隧道机制。
与第一实施例相对应的示例性消息流在图7中示出。所述过程开始于使用F1-C接口在DU与CU之间进行UE上下文建立程序。当CU将针对特定DRB的GTP-U隧道的上行链路(UL)TEID连同由NSSAI、流5QI和DRB 5QI识别的相关联的无线电级别QoS配置文件一起移交给DU时，DU将该信息发送到其QoS映射功能。QoS映射首先使用现有传输信道的QoS能力来测试新QoS要求的可实现性。如果现有VLAN的QoS属性无法实现新的QoS要求，则QoS映射功能向传输网络控制器发送传输网络QoS请求消息，以添加与请求的QoS配置文件相对应的新传输网络能力(诸如新的VLAN标签、GEM端口、TCONT等)。取决于传输网络QoS响应的成功或失败，QoS映射生成层2-4报头信息。QoS映射构造与UL TEID相对应的层2-4报头并将其存储在数据库中。此后，F1-U模块针对具有UL TEID的每个分组查询与UL TEID的QoS配置文件相对应的层2-4报头信息，相应地构造GTP-U隧道有效载荷和报头，并且在F1-U接口上将分组发送到CU。对于第一实施例，还针对CU 202b的QoS映射、针对DRB的DL TEID定义了图7中的消息序列的对称版本。
与第二实施例相对应的示例性消息流在图8中示出。所述过程开始于使用F1-C接口在DU与CU之间进行UE上下文建立程序之前。F1-C创建UL TEID，并将其与由NSSAI、流5QI和DRB 5QI识别的相关联的QoS配置文件一起发送到QoS映射功能。QoS映射首先通过传输网络的可用VLAN来测试现有VLAN对新QoS要求的可实现性。如果现有VLAN的QoS属性无法实现新的QoS要求，则QoS映射功能向传输网络控制器发送传输网络QoS请求，以添加与请求的QoS配置文件相对应的新传输网络能力(诸如新的VLAN标签、GEM端口、TCONT等)。取决于传输网络QoS响应的成功或失败，QoS映射为DRB的上行链路QoS配置文件和下行链路QoS配置文件两者生成层2-4属性。QoS映射功能首先将具有TEID的UL层2-4报头信息发送到CU的F1-C以便转发到DU。CU的F1-C通过直接嵌入到上下文建立消息中或通过使用被称为传输映射请求的新消息类型来将UL层2-4报头信息连同UL TEID一起发送。当DU的F1-C获得UL TEID时，它生成DL TEID并将DL TEID发送到CU。当CU的F1-C获得DL TEID时，它将DL TEID转发到QoS映射功能。QoS映射功能对生成具有DL TEID的层2-4报头信息，并将其写入CU QoS映射数据库。类似地，DU的F1-C将接收到的UL TEID及其层2-4属性写入DU QoS映射数据库。此后，DU和CU两者的F1-U模块都查询每个传入分组的TEID以获得上行链路和下行链路两者的层2-4属性，并相应地构造GTP-U隧道有效载荷和报头。
计算机可执行指令包括例如使通用计算机、专用计算机或专用处理装置执行某个功能或功能组的指令和数据。计算机可执行指令还包括由计算机在独立或网络环境中执行的程序模块。通常，程序模块包括执行特定任务或实施特定抽象数据类型的例程、程序、组件、数据结构、对象以及专用处理器等设计中固有功能。计算机可执行指令、相关联的数据结构和程序模块表示用于执行本文公开的方法的步骤的程序代码装置的示例。此类可执行指令或相关联的数据结构的特定序列表示用于实施在此类步骤中描述的功能的对应动作的示例。
作为示例，适用于执行计算机程序的处理器包括通用和专用微处理器，以及任何种类的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者中接收指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器以及用于存储指令和数据的一或多个存储器设备。通常，计算机还将包括用于存储数据的一个或多个大容量存储设备(例如，磁盘、磁光盘或者光盘)，或者可操作地耦合以从大容量存储设备中接收数据或向大容量存储设备传送数据、或两者。
在本说明书中，术语“软件”意图包括驻留在只读存储器中的固件或存储在磁性存储设备或闪存(例如固态驱动器)中的应用程序，所述应用程序可以被读取到存储器中以供处理器处理。同样，在一些实施方式中，可以将多种软件技术实施为较大程序的子部分，同时保留独特的软件技术。在一些实施方式中，多种软件技术也可以被实施为单独程序。最后，一起实施此处描述的软件技术的单独程序的任何组合都在本技术的范围内。在一些实施方式中，软件程序在被安装以在一个或多个电子系统上操作时定义执行软件程序的操作的一种或多种特定的机器实施方式。
计算机程序(也被称为程序、软件、软件应用程序、脚本或代码)可以任何形式的编程语言(包括编译语言或解释语言、陈述性或程序性语言)编写，并且它可以任何形式(包括作为独立程序或作为电路、部件、子程序、对象或适于用于计算环境中的任何其它单元)进行部署。计算机程序可以但不必对应于文件系统中的文件。程序可以存储在保存其它程序或数据的文件的一部分中(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)、专用于所讨论程序的单个文件中、或多个协调的文件中(例如，存储一个或多个模块、子程序或代码的部分的文件)。计算机程序可以被部署成在一个计算机上、或者在位于一个站点处或跨多个站点分布且通过通信网络互连的多个计算机上执行。
上述这些功能可以在数字电子电路、计算机软件、固件或硬件中实施。可以使用一种或多种计算机程序产品来实施所述技术。可编程处理器和计算机可以包括在移动设备中或被封装为移动设备。过程和逻辑流可以由一个或多个可编程处理器以及由一个或多个可编程逻辑电路来执行。通用和专用计算设备和存储设备可以通过通信网络互连。
一些实施方式包括电子组件，例如微处理器、将计算机程序指令存储在机器可读或计算机可读介质(替代地称为计算机可读存储介质、机器可读介质或机器可读存储介质)中的存储设备和存储器。这种计算机可读介质的一些示例包括RAM、ROM、只读光盘(CD-ROM)、可记录光盘(CD-R)、可重写光盘(CD-RW)、只读数字多功能光盘(例如，DVD-ROM、双层DVD-ROM)、各种可记录/可重写DVD(例如，DVD-RAM、DVD-RW、DVD+RW等)、闪存(例如，SD卡、mini-SD卡、micro-SD卡等)、磁性或固态硬盘驱动器、只读和可记录光盘、超密度光盘、任何其它光学或磁性介质以及软盘。计算机可读介质可以存储可由至少一个处理单元执行的计算机程序，并且包括用于执行各种操作的指令集。计算机程序或计算机代码的示例包括例如由编译器产生的机器代码，以及包括由计算机、电子组件或微处理器使用解译器执行的高级代码的文件。
尽管以上讨论主要是指执行软件的微处理器或多核处理器，但是一些实施方式是由一个或多个集成电路(例如，专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA))执行的。在一些实施方式中，此类集成电路执行存储在电路本身上的指令。
如本说明书和本申请的任何权利要求中所使用的，术语“计算机可读介质”和“计算机可读介质”被完全限于以由计算机可读的形式存储信息的有形物理对象。这些术语不包括任何无线信号、有线下载信号和任何其它临时信号。
总结
在以上实施例中已经示出了用于在移动网络中有效实施用于QoS感知的GTP-U传输的装置和方法的系统和方法。尽管已经示出和描述了各种优选实施例，但是应当理解，无意通过这种公开内容来限制本发明，而是意图涵盖落入如在所附权利要求中所定义的本发明精神和范围内的所有修改。

Claims (11)

1.一种计算机联网方法，用于将移动网络中的多个数据流中的每一个的无线电级别服务质量QoS映射到传输网络的多个传输信道的等效传输级别QoS并在所述多个传输信道内选择适合于通用分组无线电服务GPRS隧道协议用户平面GTP-U隧道的传输信道，所述GTP-U隧道承载所述多个数据流中的至少一个数据流，所述多个传输信道由传输网络控制器控制，所述方法在第一节点中实施，并包括：
(a)通过第一接口利用所述传输网络控制器订阅以接收关于所述第一节点与第二节点之间的所述传输网络的传输级别QoS能力的信息，其中，所述第一节点是所述移动网络的中央单元和用户平面功能中之一，以及所述第二节点是所述移动网络的分布式单元和中央单元中之一；
(b)响应于(a)中的订阅，从所述传输网络控制器接收识别所述多个传输信道中用于提供所述第一节点与所述第二节点之间的所述传输网络的传输级别QoS能力的一个或多个传输信道的信息；
(c)基于(b)中接收到的信息，针对所述无线电级别QoS的每个级别和所述传输级别QoS的每个级别，映射QoS能力并将映射的QoS能力存储在映射表中；
(d)在所述映射表中存储在(b)中识别的所述一个或多个传输信道内的至少一个传输信道的附加映射数据，所述附加映射数据对应于与所述GTP-U隧道相关联的隧道端点标识符TEID；以及
(e)将所述映射表通过第二接口发送到所述第二节点；以及
其中所述第一节点和所述第二节点中的至少一者封装具有包括所述TEID和附加映射数据的报头信息的所述数据流的分组并经由所述传输网络输出封装的映射数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述附加映射数据包括层2、层3和层4报头信息。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一节点是中央单元CU，而所述第二节点是分布式单元DU。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一节点是用户平面功能UPF，而所述第二节点是中央单元CU。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，(a)中的所述订阅包括：向所述传输网络控制器发送消息，以请求在层2或层3网络层级上添加新的传输级别QoS能力或删除现有的传输级别QoS能力。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，(a)中的所述订阅包括：向所述传输网络控制器发送消息，以请求包括特定的层2、层3和层4报头信息的所述多个传输信道的每个传输信道的相应的传输级别QoS能力。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：
由所述第一节点从所述传输网络控制器接收消息，以更新所述多个传输信道的现有传输级别QoS能力，包括每个传输信道的特定的更新的层2、层3和层4报头信息，其中所述消息以以下方式发送：(1)定期地；(2)在传输QoS能力变化时；(3)在传输网络拓扑变化时；或(4)响应于来自所述第一节点或第二节点的特定消息。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一接口包括F1-C接口和N2接口中之一。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，(e)中的所述发送：包括发送具有三种操作类型的传输映射请求消息：(a)添加与所述TEID相对应的层2、层3和层4报头信息；b)更新与所述TEID相对应的层2、层3和层4报头信息；或者(c)删除与所述TEID相对应的层2、层3和层4报头信息。
10.一种计算机联网系统，包括与存储介质通信的处理电路，所述处理电路配置为执行权利要求1-9中任一项所述的方法。
11.一种非暂时性计算机可读存储介质，包括指令，所述指令用于使操作为第一节点的计算设备实施权利要求1-9中任一项所述的方法。
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