CN1620786A - 网络分组核心功能中业务接口可伸缩性的系统和方法 - Google Patents

网络分组核心功能中业务接口可伸缩性的系统和方法 Download PDF

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Abstract

无线通信网络中的分组控制功能(PCF)包括一种可伸缩结构，允许根据需要或要求增加独立可寻址的分组数据服务节点(PDSN)接口。每个接口用作独立IP接口来支持由PCF和PDSN支持的一个或多个基站控制器(BSC)之间的数据连接。按照这种实施方式，根据在PCF内实施的IP接口数量，对于PDSN来说单一PCF作为一个或多个“伪(pseudo)PCF”出现。每个IP接口支持给定的数据通过量能力，因而可以根据在PCF内实施的IP接口数量来调节PCF的集合数据通过量能力。利用PCF实施的负载分担和故障处理技术还利用为PDSN提供多个IP接口所带来的优点。

Description

网络分组核心功能中业务接口可伸缩性的系统和方法
技术领域
本发明一般涉及无线通信分组数据网络，并且具体涉及在网络分组核心功能中用于选择业务接口的可伸缩性(scalability)规定措施。
背景技术
无线通信网络结构需要随着用户对无线通信业务要求的变化类型而发展。一个普遍性的动力(具有所有其变化多端内容的Internet因特网)已经使分组数据进入了无线接入网络的核心。事实上，接入网络结构的发展趋势朝着在各种各样网络实体之间采用基本上全IP(Internet协议)路由选择的方向发展，这些实体一起给接入终端提供到Internet的连接。按照TIA/EIA/IS-856标准实施的高数据速率(HDR)网络就是单纯数据无线接入网络的一个例子，支持接入终端与Internet或其它分组数据网络(PDN)之间的高速率连接。
在可以在‘856网络或其它高数据速率网络中采用的一种通用网络结构中，接入终端通过RF信令与无线电基站(RBS)通信，而RBS由一个或多个基站控制器(BSC)来控制。每个BSC与一个分组核心功能(也称为分组控制功能(PCF))通信，PCF用作一个专用路由器来管理各个BSC与网关设备之间的业务往来，诸如连接到Internet或其它PDN的一个大容量路由器。称为分组数据服务节点(PDSN)的网关设备和PCF包括各种特征和处理程序，允许它们验证、路由发送(route)以及同步流经网络的IP业务。
例如，按照TIA/EIA/IS-2000标准，PCF与PDSN之间的通信是基于IP的，并且对于HDR网络也是一样。因此，BSC与PDN之间的业务是通过PCF中的一个IP堆栈进行路由选择的并经由PCF与PDSN之间的A10/A11接口进行传送的。从PDSN的角度来看，每个PCF通常向有关的PDSN出示单一IP地址，并且与PCF的所有业务往来都是通过这一个IP地址进行路由发送的。因此，利用常规的方案，PCF通过一个IP堆栈来路由发送所有业务。从移动站或BSC的角度来看，可以利用每个PCF的分组区域(Packet Zone)ID来识别每个PCF。具体地说，BSC通过空间接口向接入终端发送一个分组区域ID，接入终端又可以利用此分组区域ID来识别服务PCF的覆盖区域。在接入终端接收到不同于以前接收到的分组区域ID的新的分组区域ID时，该接入终端就认识到它已经移动进入由一个新的PCF服务的新覆盖区域。
随着数据速率的增加以及需要每个BSC支持更多的用户，由PCF承担的业务量和速率剧增。增加PCF的IP业务通过量是一种挑战，因为单一IP堆栈性能的伸缩必须要增加其纯(raw)处理性能。也就是说，若是采用单一IP堆栈，必须要增加整个协议堆栈按Megabits/秒(Mb/s)的通过量来提高PCF的业务处理容量。这在驱动处理速度增加方面意味着昂贵的代价，并且还要面临不能解决容错问题的缺点。对PDSN采用单一IP接口的缺点是接口的故障可能具有明显的业务丢失结果。
理想地，PCD应该包括一个对PDSN的接口，提供用于按比例调节其性能的实用机制或方案。任何这种可伸缩性的方案都应该有助于系统操作员在设备成本与理想性能之间达成平衡的竞争愿望，并且应该使它自身易于置配。另外，理想的方案应该解决伴随着常规PCF-PDSN接口的单点故障(single-point of failure)问题。
发明内容
本发明包括用于在标准的PCF-PDSN接口框架内基本上实现任何数量的所谓的“伪(pseudo)”或“虚拟”分组控制功能(PCF)的方法和设备。根据本发明改编的一种PCF包括一个或多个伪PCF。每个伪PCF对有关的PDSN提供单独寻址的IP接口，但是组合PCF在BSC一侧提供一个联合接口。组合PCF适于利用多个IP接口中的任意一个IP接口在一个或多个BSC与一个PDSN之间路由发送业务。从PDSN来看，每个组合PCF作为一定数量的各有一个IP接口的独立或伪的PCF出现。从BSC或接入终端来看，每个组合PCF作为具有单一接口的单一实体出现，因为每个组合PCF仅有单个分组区域ID。
按照本发明，可以通过只增加在PCF内采用的IP接口(例如，IP堆栈)的数量来改善PCF业务通过量。例如，可以通过对本发明的PCF只添加标准化的IP接口卡或其它硬件或软件扩展(extension)来实现可伸缩性。这样，系统操作员可以通过简单的配置选择来按比例调节给定PCF的容量，确定由PCF硬件或软件所支持的伪PCF接口的数量。这种按比例调节方案避免将最终的PCF通过量约束到纯处理速度，该方案能够迅速地使成本逐步上升，并且仍然未达到性能目标。
每个伪PCF包括一个独立的协议堆栈，它包括IP层以及链接/物理层，诸如Asynchronous Transfer Mode(ATM)(异步传送模式)和OpticalCarrier(光载体)(OC-3)。可选择地，PCF内的伪PCF可以共享选择的硬件和软件资源。有关多少以及什么资源在伪PCF之间共享的决定特别反映出用于平衡伸缩调节的经济性、性能、结构复杂性以及故障容错的不断变化的优先级。
附图说明
图1是一个示例性无线通信网络的示意图，包括根据本发明改编的PCF。
图2是用于图1的PCF的一个示例性实施例的更具体示意图。
图3是示例性PCF和PDSN协议堆栈的示意图。
图4是用于实现图2的PCF的一种模块化硬件方案的示意图。
图5是一种集成的BSC-PCF的示意图。
具体实施方式
图1是一个示例性无线通信网络10的示意图，包括根据本发明改编的一个分组控制功能(PCF)12。除PCF12之外，网络10还包括通过IP网络16耦合到PCF 12的一个或多个分组数据服务节点(PDSN)14。PDSN14被耦合到一个或多个分组数据网络(PDN)18，这例如可以是Internet。网络10还包括一个或多个基站控制器(BSC)20以及多个基站收发信机系统(BTS)22。
在操作中，网络10在一个或多个接入终端(AT)24与PDN18之间提供数据连接。与用于给定AT24的数据连接有关的分组数据由PCF 12对支持该连接的BSC20往来路由发送。因而，来自PDN18的分组数据通过合适的PDSN14路由发送给PCF12，并且从那由PCF12将其传送到合适的BSC20，后者又将该数据提供给支持与AT24进行无线通信的合适的BTS22。相反地，来自AT24的数据利用RF信令到达一个或多个BTS22，将其继续传送到支持BSC20。BSC20对数据适当地格式化并将其传送到支持PCF12，后者又通过IP网络16将其发送到一个PDSN14，在那再传送至PDN18。
图2是网络10一部分的简化示意图，并提供PCF12的附加细节。常规地，PCF对PDSN14通常是用单个IP接口来识别的，利用单个IP地址与PDSN相关。这样，在PCF12和PDSN14之间路由发送的所有数据常规地流经这单个IP接口。反之，本发明的PCF12包括许多“伪PCF”32，这些“伪PCF”32相对于PDSN14作为独立可寻址IP接口起作用。PCF12进一步包括相对于BSC20为伪PCF32提供统一或组合接口的交换和控制资源30以及用于与一个或多个PDSN14通信的A10/A11接口34。至于A10/A11接口的完整细节，可以参见International Organization forStandards document for interoperability standards(国际标准化组织的互用性标准文件)IOS v4.0。
在操作中，对于PDSN14，PCF12作为许多常规的PCF出现，其数量由PCF12内实施的伪PCF32的数量来确定。每个伪PCF32对PDSN14提供单独的IP接口，表示为IPA、IPB和IPC，对应着所示出的三个伪PCF32。当然，所表示的配置仅仅是示例性的，并且PCF12可以有或多或少数量的伪PCF32。无论如何，交换和控制资源30提供BSC接口，将BSC20与PCF12的伪PCF实施有关的细节隔离。
通过使BSC20与伪PCF实施细节隔离，由PCF12支持的每个BSC20似乎具有与PCF12的单个符合标准的接口。不要求BSC20知道哪一个伪PCF 32在处理其各自的业务(数据连接)。实际上，从操作的观点来看，由PCF12支持的BSC20不必将它识别为不同于常规PCF的任何其他PCF。
将PCF12实施为组合伪PCF32的一个优点在于可以按照在PCF12内实施的伪PCF32的数量来伸缩或调整PCF12的集合(aggregate)数据通过量能力。如下具体所述的，PCF12的物理实施可以是这样的，以致系统操作员根据数据通过量要求简单增或减伪PCF。这种技术与仅仅尝试改善单一IP接口的性能相比是一种更好的方案，因为对个别伪PCF32提出的性能要求可以保持在合理的限度内，同时仍然允许PCF12的高集合数据通过量能力。
每个伪PCF32至少实施支持与PDSN14通信所需的协议堆栈的一部分，其中在伪PCF32内实施的每个协议堆栈用作与PDSN14的独立可寻址的IP接口。按照这种配置，PCF12的交换/控制资源30能够通过A10/A11接口34和伪PCF32的任何一个独立IP接口将来自BSC20的数据路由发送给PDSN14，并且反之亦然。从PCF12的角度来看，伪PCF32和A10/A11接口34至少在某些实施例中可以被视为共同构成PDSN接口。
图3表示可以在每个伪PCF32中实施的示例性协议堆栈。应该注意到，取决于网络10中的具体细节，特别地相对指向堆栈50和52底部的较低级协议(在IP层以下)，PCF协议堆栈50和相应的PDSN协议堆栈52的细节有可能截然不同。事实上，这些低级协议几乎完全是取决于实施的。这里，PCF12通过其上传送IP-over-ATM业务的OC3连接与PDSN14通信。这些特定的实施细节考虑协议堆栈50和52的最底层的配置，并且具体地结合OC3、ATM和ATM Adaption Layer(适配层)5(AAL5)协议层。
一般地，伪PCF32分别至少高达IP层采用一个独立的协议堆栈，使得每个伪PCF32用作对PDSN14的可单独寻址的IP接口。在IP层之上，伪PCF32可以共享协议堆栈50的部分。例如，A10和A11接口使用的Generic或General Routing Encapsulation(通用路由选择封装)(GRE)和User Datagram Protocol(用户数据报协议)(UDP)层可以完全或部分地利用安装在PCF12内的伪PCF32来实施。
图4是更具体表示用于其实施的示例性硬件结构安排的PCF12的示意图。而且，PCF12包括交换和控制资源30，控制通过可单独寻址的IP接口(伪PCF32)的数据路由选择。在图4所示的实施例中，伪PCF32最好在每个卡的基础来实施。因而，对PCF12添加伪PCF32只需要给主板42增加接口卡40。在一些情况中，主板42可以包括一个支架(rack)或次支架(sub-rack)系统。利用这种配置，板42和卡40包括一个实施例的可伸缩PDSN接口，具有利用安装的接口卡40的数量所确定的集合数据通过量能力。可以在多个位置上实施A10/A11接口34，包括卡40、板42或其某种组合。这种可伸缩性结构体现了用于实现模块化PDSN接口的一种技术。这些可伸缩性概念可以应用于不采用板/卡方案的替换结构。
PCF12的伪PCF实施有许多优点。例如，交换和控制资源30中所包括的控制器可以实施使用伪PCF32的任何数量的技术或程序。在其中安装有多个伪PCF32的PCF结构配置中，控制器可以实施负载分担，其中它在可利用的伪PCF32之中动态地分布或分配PCF12支持的数据连接。此类型的负载分担功能允许PCF12有效地利用由伪PCF32一起体现的集合IP接口资源。
在至少一些实施例中，控制器在可利用的伪PCF32之中平均分布整个业务负载。具体地说，控制器可以将数据连接动态或选择分配给有效的伪PCF，以使得总负载在有效的伪PCF32之中平均进行分配。为此，可以将控制器配置为预测未来要通过每个伪PCF32路由发送的业务量。通过将控制器配置为识别例如与每个伪PCF32有关的数据连接的数量并且考虑以前经由每个数据连接路由发送的过去业务来完成这样的预测。
容错是利用多个伪PCF32实施PCF12的另一个附带优点。如上所述，每个伪PCF32对于PDSN14作为常规的PCF(即，仅有单个IP接口的PCF)出现。如果一个给定PCF32发生故障，可以将由出故障的伪PCF32支持的数据连接移交(handoff)给一个操作可利用的伪PCF32。在至少一些实施例中，可以将由出故障的伪PCF32支持的数据连接动态移交给安装在PCF12内的另外一个操作可利用的伪PCF32，并且这种移交操作对于PDSN14来说符合两个常规PCF之间的数据连接的标准移交。
负载管理功能也可以支持静止(dormancy)操作。例如，交换和控制资源30内的一个或多个控制器在处理静止AT24的重新激活时可以在伪PCF32之间实施负载分担功能。给定的AT24可以通过网络10建立数据连接并且随后变成空闲。在这样的空闲周期期间，网络10可以释放与AT24相关的空间业务信道资源，以确保有效利用有限的RF频谱。
在为AT24初始建立连接时，将连接分配给给定一个可利用的伪PCF32。一旦重新激活此连接，控制器可以将连接分配给同一个伪PCF32，或可以根据负载平衡或其它考虑将重新激活的连接分配给不同的伪PCF32。在伪PCF32之间的这种重新分配对于PDSN14来说被视为常规PCF之间的标准连接移交。无论如何，这种资源管理对于在连接的任何一端(即，AT24和PDSN14)上运行的IP应用程序是透明的。
在网络10的某些实施中，可能希望将BSC20的特征与PCF12综合。图5表示一种集成的BSC-PCF60，优选使用常规的BSC结构来集成具有类似于图1中所示的BSC20的能力的BSC功能62与PCF12。应注意，BSC功能62与PCF12之间的接口在这种集成结构中可以仍然按照用于耦合独立的BSC与PCF的A8/A9标准化接口来实施。如前一样，PCF12以在此表示为伪PCF32-1到32-N的伪PCF的形式提供许多独立可寻址IP接口，用于与PDSN14通信。
本领域的技术人员将认识到，上面讨论的伪PCF概念本身可以有明显的改变。例如，PDSN接口模块化可以基于独立和从属(共享)硬件及软件的各种组合。因此，上文所述的示例性细节不应被视为对本发明的限制；相反地只利用权利要求书及其合理等效物来限制本发明。

Claims (30)

1.一种分组控制功能(PCF)，用于在通信网络中在一个或多个基站控制器(BSC)和一个分组数据服务节点(PDSN)之间为数据选择路由，所述分组控制功能包括：
用于与PDSN通信的两个或多个独立可寻址的因特网协议(IP)接口；
与一个或多个BSC通信的BSC接口；以及
按照需要引导数据通过至少一个所述两个或多个IP接口的交换和控制资源。
2.按照权利要求1的PCF，其特征在于，所述交换和控制资源包括在所述两个或多个IP接口之间分配数据的一个控制器。
3.按照权利要求1的PCF，其特征在于，在一个或多个BSC与PDSN之间路由发送的数据与一个或多个数据连接有关，并且交换和控制资源还包括用来为所述两个或多个IP接口选择分配数据的一个控制器。
4.按照权利要求3的PCF，其特征在于，所述控制器在对所述两个或多个IP接口分配数据连接中实现负载分担。
5.按照权利要求3的PCF，其特征在于，所述控制器实施与所述两个或多个IP接口中出故障的一个接口相关的数据连接的基于故障的重新分配。
6.一种分组控制功能(PCF)，用于在通信网络中在一个基站控制器(BSC)和一个分组数据服务节点(PDSN)之间路由发送数据，所述PCF包括：
用于与PDSN通信的一个可伸缩PDSN接口，所述可伸缩PDSN接口包括一个或多个独立可寻址的因特网协议(IP)接口，按照对PDSN的所述独立可寻址IP接口的希望数量来配置所述PCF；
与BSC进行通信的一个BSC接口；以及
用来控制所述PCF的数据路由发送操作的交换和控制资源。
7.按照权利要求6的PCF，其特征在于，所述可伸缩PDSN接口包括一个模块化PDSN接口，具有基于卡的系统来支持独立可寻址IP接口，并且还根据所述模块化PDSN接口的卡配置利用对PDSN的所述独立可寻址IP接口的希望数量来配置所述PCF。
8.按照权利要求7的PCF，其特征在于，可以根据选择所述模块化PDSN接口的卡配置按照需要来选择所述PCF的数据通过量。
9.按照权利要求7的PCF，其特征在于，由所述模块化PDSN接口提供的每个所述独立可寻址IP接口之中至少一部分包括一个IP接口卡。
10.按照权利要求9的PCF，其特征在于，每个所述IP接口卡实施支持与其他的所述IP接口卡独立地与PDSN通信的协议堆栈的至少一部分。
11.按照权利要求10的PCF，其特征在于，每个所述IP接口卡独立实施支持与PDSN通信的协议堆栈。
12.按照权利要求9的PCF，其特征在于，所述IP接口卡共享支持与所述PDSN通信的协议堆栈的选择层。
13.按照权利要求6的PCF，其特征在于，所述交换和控制资源在所述独立可寻址IP接口之间对利用所述PCF路由发送的数据实施负载平衡。
14.按照权利要求6的PCF，其特征在于，通过所述PCF路由发送的数据和一个或多个数据连接相关，并且所述交换和控制资源将数据连接从一个故障IP接口转移到至少一个工作IP接口，以致这种转移对于PDSN作为PCF之间的标准连接移交出现。
15.按照权利要求6的PCF，其特征在于，可以通过改变所述独立可寻址IP接口的希望数量来调整BSC相对于所述PDSN的数据通过量。
16.一种BSC，集成权利要求6的PCF。
17.在通信网络中在一个基站控制器(BSC)和一个分组数据服务节点(PDSN)之间路由发送数据的一种分组控制功能(PCF)中提供数据通过量可伸缩性的一种方法，该方法包括：
利用包括一个或多个对所述PDSN独立可寻址的IP接口的一种可伸缩PDSN接口来实施所述PCF，其中每个所述独立可寻址IP接口具有给定的数据通过量能力；和
调节安装在所述PCF内的所述独立可寻址IP接口的数量，以设置所述PCF的集合数据通过量能力。
18.按照权利要求17的方法，其特征在于，对所述PDSN的每个所述独立可寻址IP接口用作“伪PCF”，以使得所述PCF对于所述PDSN作为数量等于在所述PCF内安装的所述伪PCF数量的许多单一IP接口PCF出现。
19.按照权利要求17的方法，还在所述一个或多个独立可寻址IP接口之间分配由所述PCF路由发送数据以便进行路由选择。
20.按照权利要求17的方法，其特征在于，进一步包括将通过发生操作故障的那一个所述IP接口路由发送的数据分配给操作可利用的至少一个其他所述IP接口，以致将通过至少一个其他的所述操作可利用的IP接口来路由发送所述数据。
21.按照权利要求17的方法，进一步包括物理上集成BSC和PCF，其中所述BSC相对于所述PDSN的集合数据通过量能力是在所述PCF中实施的所述独立可寻址IP接口数量的函数。
22.按照权利要求17的方法，其特征在于，利用包括一个或多个对所述PDSN独立可寻址IP接口的可伸缩PDSN接口实施所述PCF包括利用适于包括一个或多个接口模块的一种模块化PDSN接口来配置所述PCF，每个所述模块提供至少一个所述独立可寻址IP接口。
23.按照权利要求17的方法，其特征在于，进一步包括实施一种负载分担功能，用来管理与空闲接入终端相关的先前静止的数据连接的重新激活，所述负载分担功能和重新激活的数据连接对特定的所述独立可寻址IP接口的分配有关。
24.按照权利要求23的方法，其特征在于，实施用来管理与空闲接入终端相关的先前静止的数据连接的重新激活的负载分担功能包括将先前分配给第一个所述独立可寻址IP接口的一个重新激活的数据连接分配给第二个所述独立可寻址IP接口，以平衡在至少所述第一和第二个独立可寻址IP接口之间的数据连接负载。
25.一种分组控制功能(PCF)，用于在无线通信网络中在一个或多个基站控制器(BSC)和一个分组数据服务节点(PDSN)之间路由发送分组数据，所述PCF包括：
包括一个或多个用于与所述PDSN通信的独立可寻址IP接口的一种可伸缩PDSN接口；
用于与所述BSC通信的BSC接口；
用于通过独立可寻址IP接口选择地路由发送所述分组数据的交换资源；以及
用于管理所述交换资源的一个控制器。
26.按照权利要求25的PCF，其特征在于，所述可伸缩PDSN接口包括一个主板和一个或多个接口卡，其中每个所述一个或多个接口卡包括对所述PDSN的至少一个独立可寻址IP接口。
27.按照权利要求25的PCF，其特征在于，所述交换资源包括A10/A11交换资源。
28.按照权利要求25的PCF，其特征在于，所述控制器用于在所述独立可寻址IP接口之间实施负载分担。
29.按照权利要求25的PCF，其特征在于，所述控制器用于在所述第一个独立可寻址IP接口有故障时将与来自第一个所述独立可寻址IP接口的所述分组数据有关的数据连接移交给第二个所述独立可寻址IP接口。
30.按照权利要求25的PCF，其特征在于，所述控制器用于将先前分配给第一个所述独立可寻址IP接口的数据连接重新分配给第二个所述独立可寻址IP接口，其中所述数据连接与先前静止的接入终端相关。
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