CN1135046C - 移动通信系统中的恢复 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种从拥有多个处理器的移动通信网络节点内的处理器故障中恢复的方法。使用中，在网络节点和移动站之间建立连接以用于网络节点和移动站间的分组数据通信。基于预定的分类参数为连接划分优先次序。网络节点中至少一个处理器的工作情况受到监视，如果检测到一个处理器故障，就按照连接的已划分优先次序将网络节点内的用户平面连接从故障处理器重定位到另一个处理器。本发明还涉及网络节点。

Description

移动通信系统中的恢复
发明领域
本发明涉及移动通信系统中，更确切地说是移动通信系统的网络节点中恢复过程的方法。本发明还涉及在一个为其用户提供可移动性的通信系统中执行恢复操作的网络节点装置。
发明背景
多种移动通信网络系统，如数字GSM、D-AMPS或PDC系统或模拟NMT或AMPS系统，都是技术人员所熟知的。一般而言，可以说它们已被开发来为能够在无线接口上向网络系统进行通信的移动站的用户提供增强的自由度和可移动性。这些系统经常被称为公用陆地移动网(PLMN)。
也可能借助拥有数据处理能力的移动站(MS)来使用多种数据网络业务，如访问TCP/IP互联网和使用由互联网提供的业务。移动数据传输由数字移动电话系统，如GSM(全球移动通信系统)和模拟移动系统共同支持。
移动通信领域中的发展正被引导朝向更强大和更灵活的解决方案，该解决方案允许其用户除话音和文本信息以外还发送和接收多种类型数据传输，如高分辨率图像或者甚至视频图像。这些改进的解决方案包括通用分组无线业务(GPRS)，它可被称为第二代移动电信系统并基于GSM系统，以及还包括可被称为第三代移动电信系统的通用移动电信系统(UMTS)。GPRS和UMTS都是例如由ETSI(欧洲电信标准学会)定义的相当新的业务。IMT2000是改进的无线业务解决方案的另一个实例。
发展中的移动通信系统，如GPRS或UMTS，其运行环境可被定义为包括一个(或几个)通过核心网络互连的无线网络。核心网络为与PLMN进行通信的移动站用户提供对如互联网的数据网络的访问。移动网络包含多个分组数据业务节点(SN)。每个SN(或服务GPRS支持节点，SGSN)以这种方式连接到无线网络，即它能通过无线网络的基站向拥有数据处理能力的移动站提供分组数据业务。然后中间无线网络在当前SN和MS之间提供分组交换数据传输。不同的移动网络或PLMN通过适当的链接装置，如一个GPRS网关支持节点(GGSN)或几个GGSN，被连接到一个外部数据网络(如全球无连接TCP/IP互联网或分组交换公用数据网，PSPDN)。这样就有可能借助GPRS或相应的分组无线业务在MS和外部数据网络之间提供分组数据传输，其中移动网络对于移动用户而言就象接入网络一样运行。
在GPRS或建议的UMTS中，MS可以有不同的运行状态：空闲状态、待机状态和活动状态。对于MS有可能持续地保持在待机状态，即“总是开通”。换句话说，有可能打开电源、将MS注册到GPRS或UMTS网络中，并保持连接达甚至几个星期而在MS和网络装置间的无线接入载体连接上不发送任何数据。这种注册能够几个星期处于活动状态，但空中接口(物理装置，如基站、逻辑无线接入载体等)上的资源在一定的非活动期之后可能会拆除。
多个MS和移动无线网络之间的无线连接通过无线网络控制器(RNC)或基站控制器(BSC)或类似的被安排用来控制连接的节点进行控制。从RNC的视点来看，待机的用户(即在最后的几分钟/小时期间没有传递任何数据的用户)数量可能比活动的用户(即当前传递数据的用户)数量高很多。
RNC节点包含数个用以处理用户平面业务和相关任务(如所谓的层2处理、空中接口上的重传、加密等)的用户平面处理器。每个用户平面处理器专门用于处理整个用户平面业务的一小部分。用户平面业务连接对不同处理器的分配可通过资源处理器制定。不同处理器间划分用户平面业务的一种可能方法是测量每个处理器中的负荷并为新连接选择具有最低负荷的处理器。
除了用户平面处理器，RNC节点还包含路由处理器。路由处理器在交换终端(ET)卡和适当的用户平面处理器间传递用户数据。ET卡用于将节点连接到传输网络。一个网络节点可含有不止一个ET卡。
除了路由任务，路由处理器还可处理类似协议终接这样的任务。一个路由处理器可同时服务于数个用户平面处理器。在路由处理器和用户平面处理器之间可能有不止一条连接。RNC节点可拥有一个或几个路由处理器。每个路由处理器可有它自己的IP地址(互联网协议地址)，或者然后几个路由处理器可以共享该地址。
发明概述
在其中一个路由处理器中发生故障的情况下，用户平面中实现的所有连接应当立即转移到一个或几个余下的(仍在运行中)路由处理器中。由于一个路由处理器可以有数千条连接，所以向另一个路由处理器的这种转移要进行相当长的时间，并且在以适当方式进行转移的控制安排上存在问题。
转移需要时间是一个基本缺点，因为它直接影响用户所感受的服务级别或质量。如果在路由处理器中发生处理器故障而又不做任何处理，那么所有其用户平面连接中至少有一条通过这个故障处理器中的用户将由于该故障处理器所导致的没有数据能够到达该节点而发现故障。因此，用户必须首先断开当前进行的数据传送会话，然后立刻建立一条新的会话。为了能够做到这一点，假设系统已经注意到故障处理器并能分配一个新的处理器，否则即使对于新的会话也可能尝试使用同一故障处理器，从而不可能启动一个新的会话。
此外，那些处于待机状态的用户可能不知道故障处理器，而是认为一切都状况良好。如果其他的人试图到达被连接到故障处理器的用户终端，则连接无法建立。
因此，需要解决有关用户平面连接从故障处理器到另一处理器的重定位问题以维护合理的总系统负荷。系统的总体性能不应恶化并且另一处理器上的用户平面业务也不应因故障处理器而受到妨碍。
从终端用户的视点来看，处理器故障应尽可能不可见。所有由处理器故障引起的症状应该是这样的：它们可与由互联网性能问题(低速数据传递、丢失数据报等)引起的一般症状相比较，这样上层(TCP(传输控制协议)层和应用层)就可以处理这种情况。
其中一种最成问题的情况就是每个用户将注意到系统故障的情况，而这将同时或多或少地发生。这种情况将发生在用户必须关闭他们的会话且不管他们处于活动状态与否而重启连接。这可导致RNC节点中的超载，更确切地说，导致节点控制平面中(即资源处理器或类似设备中)的超载情况，这可能发生在如果有数千条连接且如果这些连接在处理器发生故障后必须立刻重定位而不管连接状态(活动或待机)的情况中。如果节点或系统自动为所有来自故障处理器的用户平面连接启动重定位进程的话，同样的情况也将发生。此外，多个节点间的信令网络也可由于网络系统的其中一个节点的一个处理器故障而变得超载。更概括而言，重要的是能够避免任何可能导致整个网络节点重启的情况。
因此，克服现有技术方案的缺点和提供一种关于网络节点中的恢复过程的新型解决方案是本发明的目的。更进一步的目的是限制恢复过程仅出现在含有故障处理器的网络节点中。
按照第一个方面，本发明提供了一种从拥有多个处理器的移动通信网络节点内的处理器故障中恢复的方法，其中在网络节点和移动站之间建立连接以用于网络节点和移动站间的分组数据通信，包括基于预定的分类参数为连接划分优先次序，监视网络节点中至少一个处理器的工作情况；以及如果检测到一个处理器故障，就按照连接已划分的优先次序将网络节点内的用户平面连接从该故障处理器重定位到另一个处理器。
按照另一个方面，本发明提供了通信系统中通过无线接口服务于多个移动站的网络节点，其中在移动站和网络节点之间建立连接，该节点包括：被安排用于为连接划分优先次序的控制装置；用于存储连接优先次序的装置；多个处理器；用于监视其中至少一个处理器工作情况的装置；其中所做的安排是如果检测到节点中的一个处理器故障，就按照优先次序将该节点中的用户平面连接从该故障处理器重定位到该节点的另一个处理器。
按照其他实施方案，本发明提供了一种方法，其中分类参数是基于服务质量(QoS)参数的。按照一个方面，实时连接首先被重定位，而没有任何严格实时要求的连接具有较低优先级。在一种可选方案中，没有严格实时要求的连接被定义为较高优先级连接并首先被重定位，而实时连接在检测到处理器故障之后被断开。这种方法可相应进一步包括监视移动站和网络节点间的连接状态，其中分类参数可基于连接活动状态。
通过本发明可获得若干好处，因为与现有的技术方案相比，该方案提供了从移动通信系统节点内，如UMTS RNC、或SGSN或GGSN内的处理器故障中更快的恢复。该方案提供了从故障处理器到另一处理器的透明的或尽可能不恶化的连接转移，这样活动的用户将注意到仅有服务质量的微小(如果有)下降。待机用户可能不会注意到任何情况，但在重新变为活动状态时将使用新的处理器。此外，不需要重新建立连接，而是它将继续通过另一路由处理器。该方案提供了将处理器故障的后果限制在仅在一个节点中可见，而几个节点间的连接不受影响(如在RNC和SGSN之间)的可能性。
本发明及其其他目的及优点将在下面以举例的方式对照附图加以描述，其中全部各种附图的相似参考符号指相似的特性。
附图简述
图1是对RNC节点在正常操作情况下的配置的示意性描述；
图2是对RNC节点重新配置操作后的配置的示意性描述；以及
图3是描述所提议恢复过程的主要操作原理的流程图。
附图详述
图1是对UMTS的无线网络控制器(RNC)节点配置的一种可能性的示意性描述。这里要注意在移动网络安排中与RNC功能相似的节点可被不同地命名，如GPRS的基站控制器(BSC)。此外，还应注意本发明并不只限于RNC类型节点，而是所有无线网络侧和核心网络侧的其他移动通信网络节点，都规定为涵盖在术语网络节点中。
RNC，即无线网络节点1在图1的Iu接口3的左边可以看到，而核心网络节点2，如SGSN节点则显示在Iu接口3的右边。网络节点可通过人们所熟知的ATM(异步传输模式)技术或通过使用任何其他适当的技术来实现。
RNC节点包含数个被安排用来处理用户平面业务和相关任务(如所谓的层2处理、空中接口上的重传、加密等)的用户平面处理器41、42、43、44(图1中显示的4个)。从41到44的每个用户平面处理器专门用于处理整个用户平面业务的一小部分。用户平面业务连接到不同处理器的分配是由控制处理器操作的资源处理器5来制定。
除了用户平面处理器，RNC节点1含有多个路由处理器6(图1显示了两个路由处理器：路由器1、路由器2)。路由处理器6在网络节点1的交换终端(ET)卡7和多个处理器41到44中一个适当的用户平面处理器之间传递用户数据。该安排可以是这样：在ET-卡和路由处理器间例如依靠ATM交换提供一条或数条连接。
一个路由处理器可同时服务于数个用户平面处理器。在路由处理器和每个用户平面处理器之间可能有数条连接，该连接依靠如ATM交换实现。每个路由处理器可有它自己的IP地址(互联网协议地址)，不过该安排也可以是这样：路由处理器具有一个公共IP地址。
在一单个用户平面处理器上可能存在相当多数量的用户平面连接，但它们中仅有一部分可同时处于活动状态。这意味着，例如在成百条用户平面连接中只有其中一对左右连接在同时传递数据。
现在来参考图3，它有利地能将更高优先级的连接(如实际活动的连接)与更低优先级的连接(如备用连接)分开到单独的优先级别中，并按照这些级别对用户平面连接进行重定位。这可通过如检测空中接口上的数据传递状态来做到。如果发生故障，则在检测到故障之后有可能首先集中重定位较高优先级连接而将较低优先级连接留到以后阶段去处理。
故障检测能以多种可选的方式实现。通过资源处理器和来自处理器的心跳传输所进行的轮循在这里作为实现故障检测功能的一个可能方法的实例来给出。
在轮循方案中，资源处理器按预定的时间间隔向节点的处理器发送涉及其工作情况的查询。作为响应，正常工作的处理器发送表明一切正常的响应。故障处理器可依次发送表示存在错误的响应。这个响应可包含某些有关故障性质的更详细的信息，或仅仅是一个说明处理器存在故障/存在错误的简单消息。如果在一定的时间间隔内资源处理器5没有接收到响应，那么它将立刻确认处理器没有在正常地工作。
在心跳可选方案中处理器适于按预定的时间间隔向资源处理器发送表明处理器工作正常的消息或信号。如果资源处理器按预定的方式且在预定的间隔内在没有接收到这个消息，或者如果消息偏离了预定的形式，那么它断定处理器已发生故障并因此进行处理。
可用控制装置将连接划分为不同的优先级类别。这样，实际的用户平面连接的重定位过程可从高优先级连接开始。优先次序可由无线网络系统的服务质量属性推导出。此外，如果没有足够的容量提供给其他处理器上的所有用户平面连接，则甚至一些更低优先级的连接可能掉线。另外，在低优先级活动连接掉线之前，首先使低优先级备用连接掉线可能是有利的。
所有这种被标记为要在以后阶段进行重定位的低优先级连接在更高优先级活动连接的重定位处理完成后可被立刻进行重定位。当重定位更低优先级连接时必须小心以便整个节点负荷不会因这类后台型任务而变得太高。按优先次序设置用户终端和节点间连接的步骤可能例如这样，即基于服务质量属性的优先次序是：首先重定位实时连接，其次重定位没有任何严格实时要求的连接，而尽力传送的连接则仅在首先提到的两类连接之后进行重定位。如果余下的路由处理器存在超载的风险，那么最低优先级连接根本就不被进行重定位而是将被断开。
按照一种方法，那些没有任何严格实时要求的连接被定义为高优先级连接并因此被首先重定位，而实时连接在检测到处理器故障后被断开。依靠这种方法有可能避免对活动状态用户的用户平面连接进行不必要的重定位。这是由于在某些节点中资源处理器在启动重定位过程之前可首先试着重启动该处理器。由于在这种类型的方案中进行重定位的启动可能花10秒或更多的时间，所以大多数情况下活动用户将关闭认为连接已被完全丢失的连接。使那些具有高实时要求(例如互联网呼叫、视频图像的传输等)的连接掉线而不是试着首先重定位它们，将阻止不必要的重定位处理的启动以及由此阻止节点中可能的超载情况的发生。
每个无线接入载体具有在建立(即根据无线链路控制(RLC)协议的无线接入载体连接的建立)过程中所定义的服务质量(QoS)属性。资源处理器5最好在移动站和RNC节点间连接的建立期间同时拥有关于QoS属性的信息。可将信息映射到资源处理器内的图表或类似设施中，如数据库或记录或类似的设施。这里重要的是优先级信息可以通过用于存储连接优先次序的装置以这种方式进行存储使该信息能用于处理器故障后续的优先次序划分的处理。
当然也可能对连接进行分类，使得它们中甚至每一个都有自己的优先级，即所有连接相互间都有优先次序。然而，要考虑到有更好、更简单的方案用于形成优先级和由此具有的连接组，使得每个组相互之间相对地具有一定的优先级。
形成优先级时用到的参数也可基于无线信道的属性。无线信道可以是专用无线信道或公用无线信道，或共享无线信道或寻呼信道。属性类别也可基于涉及RLC层下面的介质访问控制层(MAC)的属性。
按照一种可选的方案，优先级基于主动和被动连接的分离，即主动和被动连接被监视并为了重定位的目的而彼此分离。当监视移动站和网络节点间的无线接入载体(主动或被动)的状态时，一种可能性是要检测RNC节点内的用户平面处理器中(即在层2且更确切地讲在无线链路控制协议层上)的情况。正常情况下，用户平面处理器的无线链路控制协议用于处理在空中接口上的重发数据。RNC节点在层2中还包括队列和重传缓存器以允许数据传输进行。当重新安排和重定位节点中的用户平面连接时可能在连接状态监视中利用缓存器的状态。对此的一种简便算法可以是：
如果发送队列中有未发送的数据或重传缓存器中有数据，那么立即将连接重定位到另一个处理器中，否则将此连接标记为以后传递。
应当注意，除上面的实例外，还有多种其他的提供了适当算法的可能性，如利用缓存器中任何未确认的数据。此外，不同的定时器和/或计数器可被用于连接状态的确定。
图2更为详细地显示了如果处理器出现故障将要发生的情况。本例中，路由器2已出现故障，该故障是如通过上述监视操作检测到的。RNC节点中已检测到处理器故障的资源处理器5知道了节点中的配置以及其他路由处理器的负荷情况，这样它就能将用户平面处理器43和44按预定的优先次序重新连接到ET卡7以便使连接通过路由器1而不是路由器2。在实践中这意味着用户平面处理器43与44和路由器2间的虚连接(VC)必须按优先次序替换为用户平面处理器43与44和路由器1间新的虚连接。路由器2和ET卡7间的虚连接也必须替换为路由器1和ET卡7间新的虚连接。此外，故障路由处理器，即路由器2的IP地址，必须移交给新的路由处理器，即路由器1，以便路由器1能够开始处理最初指定给，即定址到路由器2的那种业务。
按照一种可能性，用户平面连接被复用到用户平面处理器和路由处理器间的一条或几条ATM虚连接中。在这种情况下，整条ATM虚连接将被立刻从故障处理器转移到另一处理器。在这种情况下，用户平面连接的重定位次序可基于优先次序数据，该优先次序数据与从资源处理器到其他替代处理器的连接数据的传输次序有关，该连接数据含有所需的要被重定位的复用连接的参数。这个优先次序数据可基于以上所述的相似特性，如连接状态、服务级别、QoS参数等。因此，即使虚连接被立刻转移，其复用连接也将按照由优先次序数据定义的次序进行重定位。
当更高优先级连接被首先重定位时，更高优先级用户将比更低优先级用户得到更好的服务。在从故障处理器到新处理器的用户平面连接的重定位期间，即使终端用户仍可注意到所提供服务的服务级别中某些下降情况，由RNC处理器故障和用户平面连接的重定位引起的服务级别下降与现有的技术安排相比要小得多。由于分组交换数据网络，如互联网，是无连接的业务概念，所以其故障情况可与分组交换数据网络整体性能的正常差异相比较。从故障处理器到替换处理器的连接的重定位过程在节点内部进行处理，这样不会引起在网络系统的不同节点之间产生任何信令。
更可能的是，不活动的、待机的用户甚至察觉不到服务级别任何临时的降低，因为它们的用户平面连接在待机期间已得到恢复。
因此，本发明提供了一种装置和方法，通过该装置和方法可获得电信系统内恢复过程中的重大改善。应当注意到，本发明实施方案的上述实例并不使本发明的范围局限于以上所述的特定形式，而是，本发明意味着覆盖了包含在本发明精神和范围内的所有修改、类似情况和可选方法，正如附加的权利要求所定义的。

Claims (20)

1.一种从拥有多个处理器的移动通信网络节点内的处理器故障中恢复的方法，其中在网络节点和移动站间通过无线连接来建立连接以用于网络节点和移动站间的分组数据通信，包括：
基于预定的分类参数为连接划分优先次序；
存储连接的优先次序；
监视网络节点中至少一个处理器的工作情况，以及
如果检测到处理器故障，就基于连接的已划分优先次序将网络节点内的用户平面连接接连地从故障处理器重定位到另一个处理器，这些用户平面连接是在网络节点的用户平面处理器和路由处理器之间实现的。
2.依照权利要求1的方法，其中分类参数基于服务质量(QoS)参数。
3.依照权利要求2的方法，其中服务质量(QoS)参数基于构成节点和移动站间至少其中一部分连接的无线接入载体的属性。
4.依照权利要求2的方法，其中服务质量(QoS)参数基于核心网络侧中网络业务的属性。
5.依照前面权利要求中任何一种的方法，其中实时连接首先被重定位，而没有实时要求的连接与实时连接相比具有较低的优先级。
6.依照权利要求1到4中任何一种的方法，其中没有实时要求的连接被定义为比实时连接更高的优先级连接并首先被重定位，而实时连接在检测到处理器故障后被断开。
7.依照权利要求1的方法，还包括监视移动站和网络节点间的连接状态，其中分类参数基于连接活动状态。
8.依照权利要求7的方法，其中分类参数基于无线信道属性，该无线信道为专用无线信道、共享无线信道、寻呼无线信道、公用无线信道的其中之一，或者分类参数基于有关介质访问控制(MAC)层的属性。
9.依照权利要求7的方法，其中活动状态基于无线链路控制(RLC)协议的属性。
10.依照权利要求9的方法，其中使用的无线链路控制协议的属性包括无线链路控制协议和/或服务质量参数的缓存器状态和/或计数器值和/或定时器值中的至少一个。
11.依照权利要求7的方法，其中连接状态的监视包括对用于检测网络节点和移动站间活动连接的网络节点的至少一个用户平面处理器的监视，这最好通过监视节点的队列或缓存器的传输来进行，其中含有未发送数据或未确认数据的队列或缓存器被定义为活动连接。
12.依照权利要求1的方法，其中用户平面连接被复用到至少一条ATM虚连接，并且其中用户平面连接的重定位基于在节点的资源处理器中可获得的优先次序数据，该优先次序数据提供了复用连接重定位的次序。
13.依照权利要求1到4中任何一种的方法，其中网络节点为通用移动电信系统(UMTS)的无线网络控制器(RNC)节点。
14.依照权利要求1到4中任何一种的方法，其中网络节点为通用分组无线业务(GPRS)的基站控制器(BSC)节点。
15.依照权利要求1到4中任何一种的方法，其中网络节点为移动通信系统的核心网络的服务通用分组无线业务支持节点(SGSN)或网关通用分组无线业务支持节点(GGSN)。
16.一种通信系统中通过无线接口服务于多个移动站的网络节点，其中通过无线连接在移动站和网络节点间建立连接，包括：
被安排用来为连接划分优先次序的控制装置；
用于存储连接优先次序的装置；
多个处理器；
用于监视其中至少一个处理器工作情况的装置；
用于分配用户平面连接给不同处理器的资源处理器；
其中的安排是这样：如果检测到节点中的处理器故障，就基于所述优先次序将该节点中的用户平面连接接连地从该故障处理器重定位到该节点的另一个处理器，这些用户平面连接是在网络节点的用户平面处理器和路由处理器之间实现的。
17.依照权利要求16的网络节点，其中划分基于服务质量(QoS)参数。
18.依照权利要求16或17的网络节点，其中网络节点为通用分组无线业务(GPRS)的基站控制器(BSC)节点或通用移动电信系统(UMTS)的无线网络控制器(RNC)或该通信系统的核心网络的服务通用分组无线业务支持节点(SGSN)或网关通用分组无线业务支持节点(GGSN)。
19.依照权利要求16或17的网络节点，其中用户平面处理器处理用户平面业务和相关的任务，而路由处理器在交换终端(ET)卡和适当的用户平面处理器间传递用户数据。
20.依照权利要求16或17的网络节点，还包括用于监视移动站和网络节点间的连接状态的装置。
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