DE602004001458T2 - Eine tight-coupling wlan lösung - Google Patents

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Description

  • Erfindungsgebiet
  • Die Erfindung betrifft Kommunikationen zwischen einem Benutzerendgerät und einem zellularen Kommunikationssystem mittels eines drahtlosen LAN. Das drahtlose LAN kommuniziert mit dem zellularen System mittels des Internets. Das Benutzerendgerät ist an das zellulare Kommunikationssystem über den Zugangspunkt des drahtlosen LAN angeschlossen.
  • Stand der Technik
  • Öffentliche drahtlose Ortsnetz- (Wireless Local Area Network – WLAN)-Systeme werden gebräuchlicher, aber die WLAN-Systeme werden meistenteils unabhängig betrieben und gesteuert. So gibt es viele getrennte Eigentümer/Betreiber von WLAN-Systemen. Jedes getrennt gesteuerte System wird als "Domäne" bezeichnet. Aufgrund der großen Anzahl von Eigentümern/Betreibern bzw. Domänen ist es schwierig oder unmöglich, daß ein Benutzer an allen unterschiedlichen WLAN-Systemen teilnehmen kann, zu denen eine Verbindung hergestellt werden könnte, insbesondere angesichts der Tatsache, daß der mögliche Benutzer sich des Vorhandenseins eines drahtlosen Ortssystems in einem bestimmten Bereich nur dann bewußt werden könnte, wenn seine tragbare Kommunikationsvorrichtung dessen Verfügbarkeit ansagt. Zur Verbesserung dieser Situation und Bereitstellung von verbessertem Dienst werden von einigen Diensteanbietern zwei oder mehr getrennte WLAN-Systeme auf irgendwelche Weise zusammengeschlossen, indem sie Vereinbarungen mit anderen Anbietern eingehen.
  • Ein Kommunikationsdienstanbieter kann verschiedene unterschiedliche Dienstarten bereitstellen. In den Fällen, in denen der Kommunikationsdienstanbieter ein Anbieter eines zellularen Kommunikationsnetzes (3GGP- oder Zellulartelefondienstes) ist, kann der Anbieter Internetzugang zur Verfügung stellen, wobei der Benutzer durch das zellulare Netz authentifiziert wird, aber Internetzugang über das drahtlose Ortsnetz (WLAN – Wireless Local Area Network). Bei einem solchen Nur-Internet-WLAN-Dienst durchlaufen oder bewegen sich die Internetdaten niemals über das zellulare System. Die Authentifizierungs-, Autorisierungs- und Gebührenberechnungssteuerdaten bezüglich des Internetdienstes können jedoch das zellulare System durchlaufen. Der Begriff "lockere Kopplung" wird auf Kommunikationen angewandt, bei denen Steuerdaten zur Herstellung einer Verbindung und Authentifizierungs-, Autorisierungs- und Gebührenberechnungsinformationen des Benutzers durch das WLAN zum zellularen System geleitet werden, aber wenn die Verbindung einmal aufgebaut ist, die Benutzerdaten nur durch das WLAN zum Internet oder sonstigem Netz geleitet werden. Die lockere Kopplungsanordnung besitzt den Nachteil, daß das zellulare und das WLAN-System im wesentlichen unabhängig sind und der Betreiber des zellularen Systems daher keinen leichten Zugriff auf Informationen über die zeitliche Nutzung des WLAN-Systems oder die Datenmenge besitzt, von denen jede oder beide bei der Kundengebührenberechnung nützlich sein können. Weiterhin kann der Benutzer nicht auf gewisse für das zellulare Netz spezifische Dienste wie beispielsweise SMS zugreifen.
  • Eine weitere mögliche Art von Kommunikationsdienst ist vollständiger, auf dem zellularen Netz basierender Zugang, bei dem die Benutzerdaten und die Steuerinformationen beide das zellulare Netz durchlaufen. Bei einem solchen Dienst wirkt das WLAN als ein Funknetzteil des zellularen Netzes und der Benutzer besitzt Zugriff auf die volle Dienstmenge des zellularen Netzes einschließlich von Internetzugang und spezifischen Diensten wie SMS. Diese Art von Kommunikation ist als "feste" Kopplung bekannt. Während sie theoretisch ansprechend und möglicherweise vorteilhaft für den Benutzer und Diensteanbieter ist, ist die feste Kopplung von den verschiedenen Standardisierungsgruppen als zu kompliziert angesehen worden, da die Protokolle und erforderliche Infrastruktur das WLAN beeinträchtigen würden. Gegenwärtig konzentrieren sich gewisse Normenkörperschaften wie beispielsweise das European Telecommunication Standard Institute (ETSI), das Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) und das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) auf das Modell der lockeren Kopplung aufgrund seiner relativen Einfachheit.
  • 1 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild eines allgemein als 10 bezeichneten digitalen zellularen GPRS-3GPP-Telekommunikationssystems des Standes der Technik. Im allgemeinen befolgt ein solches System Normen für das digitale zellulare Telekommunikationssystem (Phase 2+) (GSM); das Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); den General Packet Radio Service (GRPS); Dienstbeschreibung; Stufe 2 (3GPP TS 23.060 Version 3.7.0 Freigabe 1999. Das System 10 der 1 enthält ein Funkanschlußnetz (RN oder RAN – radio access network) 12 und ein Kernnetz (CN – core network) 14. Das Funkanschlußnetz 12 enthält eine Menge 16 von Funknetzsteuerungen (RNC – Radio Network Controllers), von denen einige als 16a und 16b dargestellt sind. Jede Funknetzsteuerung (RNC) der Menge 16 wie beispielsweise die RNC 16b steuert mindestens eine "Basisstation" oder "Knoten B". In 1 steuert die RNC 16b eine Menge 18 mit Basisstationen 18a und 18b des Knotens B. Jede Basisstation des Knotens B entspricht einer Zelle des zellularen Systems. Jede Basisstation oder Zelle des Knotens B kommuniziert mit drahtlosen (Funk-)Mitteln mit einem oder mehreren mobilen Benutzern (UE), von denen einer mit 20 bezeichnet ist und sich in der Zone der entsprechenden Zelle wie durch das Symbol 22 angedeutet befindet.
  • Das Kernnetz (CN) 14 des Telekommunikationssystems 10 der 1 enthält eine Menge 30 von Dienstenetzknoten (SGSN – Serving GPRS Support Nodes), von denen zwei mit 30a und 30b bezeichnet sind. Jeder SGSN der Menge 30 stellt Dienste zum Verwaltung der Verbindung zwischen dem Kernnetz 30 und dem Benutzer 20 über die Funknetzsteuerung 12 bereit. In diesem Zusammenhang bezieht sich Verwaltung der Verbindung auf Verwaltung von Verbindung, Authentifizierung und Mobilität. In diesem Zusammenhang beruht Verbindungsverwaltung auf dem Verfahren zur Beschaffung von Netzressourcen wie beispielsweise Funkressourcen, Speicher und Priorität, um zur Übertragung von Daten in der Lage zu sein. Mobilität ist die Menge von Protokollen/Verfahren, die es dem Benutzer ermöglichen, sich zwischen mehreren Zellen zu bewegen und ist auch als Weiterschaltung bekannt. Jeder SGSN dient auch als "Frontend", indem er dem Benutzer 20 Zugang zu anderen 3G-Diensten wie beispielsweise SMS (Short Messaging System) bietet.
  • Die Dienstenetzknoten (SGSN – Serving GPRS Support Nodes) der Menge 30 von SGSNs des Kernnetzes 14 kommunizieren mit einem Heimatregister (HLR – Home Location Register), das als externer Speicher 40 dargestellt ist. Das HLR 40 ist die Datenbank, die alle entsprechenden Informationen bezüglich jedes Telnehmers des Netzes 10 enthält. Vom SGSN der Menge 30 wie beispielsweise dem SGSN 30a wird ein Benutzer unter Bezugnahme auf das HLR 40 identifiziert und authentifiziert.
  • Der Zugangsnetzknoten (GGSN – Gateway GPRS Support Node) 32 des Kernnetzes 14 stellt Zusammenschaltung zwischen dem Kernnetz 14 und einem externen IP-basierten (Internet Protocol) Paketdatennetz (PDN) 110 wie beispielsweise dem Internet bereit.
  • Auch enthält das System 10 einen Rand-Übergangsknoten (BG – Border Gateway) 34 im Kernnetz 14. Der Rand-Übergangsknoten 34 ist eine Funktion, die dem Benutzer ermöglicht, zwischen oder unter GPRS-Netzen zu roamen, die zu verschiedenen Domänen (Betreibern) gehören. Der Rand-Übergangsknoten 34 ist mit einem externen öffentlichen Mobilfunknetz (PLMN – Public Land Mobile Network) 134 verbunden.
  • Im Betrieb des Systems 10 implementieren oder realisieren die RNC 16a, 16b der Menge 16 die Schnittstelle zwischen dem Kernnetz 14 und dem Funknetz.
  • 2a ist eine vereinfachte Darstellung der Steuerungsprotokollstapel des mobilen Endgeräts (UE) 20, des Knotens B der Menge 18, der Funknetzsteuerungen (RNC) der Menge 16 und der Dienstenetzknoten (SGSN) der Menge 30, und die 2b zeigt eine Folge der aufeinanderfolgenden Protokolloperationen zum Öffnen eines Benutzerdatenkanals zwischen dem UE 20 und SGSN 30 der 2a. In der 2a werden dem mobilen Endgerät UE zugeordnete Protokolle allgemein als 220, dem Knoten B zugeordnete Protokolle allgemein als 250, der RNC zugeordnete Protokolle allgemein als 216 und SGSN zugeordnete allgemein als 230 bezeichnet. Die Funkschnittstelle zwischen dem mobilen Knoten UE und dem Knoten B entspricht einer der standardisierten 3G-Zellularfunkschnittstellen wie beispielsweise WCDMA. Im mobilen Endgerät UE erlaubt das MAC-Protokoll (Medium Access Control) in Verbindung mit dem RLC-Protokoll (Radio Link Control) den Transport von Informationen ungeachtet ihrer Beschaffenheit (d.h. Benutzerdaten oder Steuerung). Das RRC-Protokoll (Radio Resource Control) wird zwischen dem UE und der RNC für Funkverbindungssteuerung (Erstellung, Entfernung und/oder Abänderung der Verbindung) benutzt. Das GMM-Protokoll (GPRS Mobility Management) und CM-Protokolle (Connection Management) werden zwischen dem mobilen Endgerät und dem SGSN für Mobilitätsverwaltung (Authentifizierung und Weiterschaltung) bzw. Benutzerdatenverbindungsverwaltung benutzt. Der Knoten B (bzw. die Basisstation) unterliegt der Steuerung einer RNC durch Verwendung einer Menge von Protokollen, die in der 2a nicht dargestellt sind. Die RNC wird vom SGSN mittels des RANAP-Protokolls (Radio Network Application Protocol) gesteuert, das von einem auf ATM (Asynchronous Transfer Mode) basierenden, nicht dargestellten Protokollstapel geführt wird. Der SGSN kommuniziert mit dem GGSN 32 der 1 für Steuerungszwecke mittels des GTP-C (GPRS Tunneling Protocol – Control), das von einem auf dem TCP/IP-Protokollstapel basierenden Protokollstapel geführt wird. Die 2b stellt ein Folgediagramm der aufeinanderfolgenden Protokolloperationen zum Öffnen eines Datenbenutzerkanals zwischen dem mobilen Endgerät und dem SGSN dar.
  • Anfänglich werden von einem mobilen Endgerät UE wie beispielsweise dem Endgerät 20 nach seinem Einschalten rundgesendete Abwärtsinformationen erfaßt oder eingefangen, wodurch dem UE erlaubt wird, dem SGSN eine Anschaltungsanforderung durch eine physikalische Übertragungsgelegenheit zu senden. Vom SGSN wird sofort ein nur für Steuerungszwecke benutzter Zeichengabekanal geöffnet. Dieser Vorgang ist in 1B nicht dargestellt und ist als erster Schritt durch eine Ziffer 1 in einem Kreis dargestellt. Sobald der grundlegende Zeichengabe- (bzw. Steuerungs-) Kanal aufgebaut ist, wird vom mobilen Endgerät UE eine mittels QOS- (Quality Of Service) Parameter gekennzeichnete Benutzerdatenverbindung durch oder mittels eines CM-Protokolls (Connection Management) angefordert (Schritt 2 in der 2B). Vom entsprechenden SGSN wie beispielsweise SGSN 30a der 1 wird die Anforderung überprüft (bestimmt, ob das mobile Endgerät zu dem angeforderten Dienst berechtigt ist) und durch oder mittels des RANAP (Radio ACCESS Network Application Protocol) angefordert, daß durch eine zugehörige RNC, die in diesem Fall RNC 16b sein könnte, die den QOS-Partametern zugeordnete Funkverbindung hergestellt werde (umkreister Schritt "3" in der 2b). Von der RNC (16b im vorliegenden Fall) werden die QOS-Parameter in Parameter umgesetzt, die zur Herstellung der entsprechenden Funkverbindung benutzt werden, und eine solche Funkverbindung sowohl in der Basisstation (Knoten B 18a im vorliegenden Fall) als auch in dem mobilen Endgerät UE befohlen (entsprechend dem umkreisten Schritt 4 in der 2b). Von der RNC wird das Endgerät mittels des RRC-Protokolls (Radio Resource Control) gesteuert. Vom UE 20 und dem Knoten B 18a werden die von der RNC übertragenen Parameter (ohne Änderung geführt) zum Konfigurieren ihrer entsprechenden Funkprotokollschichten einschließlich Funkübertragungssteuerung (RLC – Radio Link Control), Medium-Zugriffssteuerung (MAC – Medium Access Control) und physikalischen Schichten benutzt. Dann wird der Funkkanal hergestellt (umkreister Schritt 5 in der 2b). Die Operation wird sowohl vom Knoten B 18a als auch dem mobilen Endgerät UE bestätigt und von der RNC wird die Operation für den SGSN bestätigt (umkreister Schritt 6 in der 2b). Als letztes bestätigt der SGSN den Erfolg der Operation dem mobilen Endgerät unter Verwendung des CM-Protokolls (umkreister Schritt 7 in der 2b).
  • 3 ist eine vereinfachte Darstellung des 3G-GPRS-Benutzerdatenprotokollstapels. Benutzerdaten (nicht dargestellt), die ihren Ursprung am Benutzerendgerät UE haben und die beispielsweise in IP-Form (Internet Protocol) sein können, werden zwischen dem Benutzerendgerät UE und dem SGSN unter Verwendung des PDCP-Protokolls (Packet Data Compression Protocol) transportiert, das den IP-Kopfteil komprimiert, um etwas Bandbreite zu sparen. Zwischen dem RNC-Stapel und dem SGSN-Stapel 330 und im Rest des Kernnetzes 14 der 1 bis zum Stapel (in 3 nicht dargestellt) des GGSN der 1 werden die Benutzerdaten vom GPRS-Tunnelprotokoll (GTP) geführt, das über in 3 dargestelltes UDP/IP implementiert ist.
  • 4 ist eine konzeptmäßige Darstellung der lockeren Kopplungsanordnung im 3G-WLAN. In der 4 ist das Internet als eine Wolke oder ein Kreis 410 dargestellt, das öffentliche WLAN-System als Wolke oder Kreis 412 und das 3G-Kernnetz entsprechend 14 der 1 als 414 bezeichnet. Zusätzlich zeigt die 4 einen repräsentativen Web-Server 416 und einen mobilen Benutzer 420 entsprechend dem Benutzer 20 der 1. In dem durch 4 dargestellten Szenario des Standes der Technik befindet sich der Benutzer 420 im Versorgungsbereich des öffentlichen WLAN 412.
  • Wenn der mobile Benutzer 420 der 4 sein mobiles Endgerät einschaltet oder bestromt, um eine als 430 dargestellte Verbindungsanforderung zu tätigen, wird diese Tatsache vom WLAN 412 erkannt und die Verbindungsanforderung über einen Steuerungsweg 428 durch das Internet 410 zu einem Authentifizierungs-, Autorisierungs- und Gebührenberechnungs- (AAA – Authentication, Authorization and Accounting) Teil 424 des Kernnetzes 414 geleitet oder umgeleitet. Vom AAA 424 wird sein Heimatregister 40 befragt, um zu bestimmen, ob die Benutzerdaten denen eines berechtigten Benutzers entsprechen. Nach Authentifizierung wird das WLAN 412 vom AAA 424 berechtigt, den Benutzerdatenverkehr durch den Zugangspunkt durchzulassen. Der Benutzer kann dann das Internet beispielsweise durch Browsen über einen mit dem Web-Server 416 kommunizierenden Datenweg 426 benutzen.
  • Im Kommunikationsbereich werden die Protokolle unter drei verschiedenen Ebenen aufgeteilt, nämlich Management, Steuerung und Benutzer. Die Managementprotokolle bieten einen Weg zum Konfigurieren der Geräte. Die Steuerungsprotokolle bieten einen Weg zum dynamischen Steuern/Befehlen der Geräte (z.B. Verbindungsherstellung). Die Protokolle auf der Benutzerebene bieten einen Weg, um Benutzerdaten zu führen. Die drei Protokollstapel können gemeinsame Protokolle enthalten, besonders diejenigen bezüglich des Informationstransports. 5 zeigt den Protokollstapel auf der Steuerungsebene im Fall des lockeren Kopplungsmodells. Der entsprechende, auf TCP/IP/Ethernet basierende Protokollstapel auf der Benutzerebene entspricht dem Stand der Technik und ist nicht dargestellt, sondern ist einfach IP über Ethernet über das WLAN-MAC (IEEE 802.11 im vorliegenden Beispiel).
  • Die dem mobilen Endgerät 420, dem Zugangspunkt (AP – Access Point) 412 und dem AAA-Server 424 der 4 zugeordneten Steuerungsprotokollstapel sind in der 5 als 520, 516 bzw. 530 dargestellt. In 5 wird angenommen, daß IEEE 802.11 die Funkschnittstelle zwischen dem mobilen Endgerät 520 und dem AP 516 ist, aber es können auch andere WLAN-Protokolle wie beispielsweise das ETSI-Protokoll Hiperlan2 sein. Nach der Darstellung in 5 werden EAPOL-Informationen zwischen dem mobilen Endgerät 520 und dem Zugangspunkt 516 übertragen. EAPOL bezieht sich auf EAP über LAN, wobei das LAN das öffentliche WLAN ist. EAPOL ist ein standardisiertes Protokoll (IEEE 802.1X), das dazu benutzt wird, EAP-Pakete in Ethernet-Rahmen zu führen. "EAP" steht für Extended Authentication Protocol, das ein Protokoll ist, das dazu benutzt werden kann, eine beliebige Art von Authentifizierungsprotokoll zu führen. Das Authentifizierungsprotokoll kann beispielsweise das EAP AKA und EAP SIM sein, das von der 3GPP-Normkörperschaft gewählt werden könnte. Das Protokoll DIAMETER ist ein wohlbekanntes IETF-Protokoll (RFC 3588), das zur Steuerung der Autorisierung des Benutzers durch den AAA benutzt wird. Es könnte durch andere gleichwertige Protokolle wie beispielsweise das Protokoll RADIUS (RFC 2138) ersetzt werden. Sobald der Benutzer 520 authentifiziert ist, was bedeutet, daß der AAA-Server 424 der 4 einen entsprechenden Eintrag in seinem Heimatregister oder der Teilnahmedatenbank 40 abgerufen hat und das Authentifizierungsprotokoll erfolgreich war, sendet der AAA-Server 424 (530 der 5) eine DIAMETER-Nachricht zum AP 412 (516 der 5), um den Ethernet-Verkehr entsprechend dem authentifizierten Benutzer 420 (520 der 5) freizuschalten.
  • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung bietet ein Verfahren zum Implementieren einer festen Kopplungsanordnung, um zu ermöglichen, daß ein mobiles Endgerät mit einem Kommunikationsnetz über erste und zweite Netze kommuniziert, wobei das erste Netz ein drahtloses Ortsnetz (WLAN – wireless local area network) umfaßt und das zweite Netz ein zellulares Netz umfaßt. Von der Erfindung werden gewisse Funknetzsteuerungsprotokolle im mobilen Endgerät plaziert, um vorteilhafterweise die Implementierung einer festen Kopplungsanordnung unter Verwendung eines WLAN-Zugangspunkts zu erlauben, der für eine lockere Kopplungsanordnung konfiguriert worden ist. Insbesondere wird durch die Erfindung ein Verfahren zum Implementieren einer festen Kopplungsanordnung zwischen ersten und zweiten Kommunikationsnetzen bereitgestellt, um einem mobilen Endgerät zu erlauben, durch das erste und zweite Kommunikationsnetz mit einem dritten Kommunikationsnetz zu kommunizieren, mit folgenden Schritten: (a) Bereitstellen, im ersten Kommunikationsnetz, eines Zugangspunkts mit Protokollstapeln zur Operation in einer lockeren Kopplungsanordnung, der dem mobilen Endgerät erlaubt, über das erste Kommunikationsnetz mit dem dritten Kommunikationsnetz zu kommunizieren, ohne das zweite Kommunikationsnetz zu durchlaufen; (b) Bereitstellen, im mobilen Endgerät, von Funknetzsteuerungsprotokollstapeln, die in einer Zugangsvorrichtung des zweiten Kommunikationsnetzes direkt an entsprechende Funknetzsteuerungsprotokollstapel angeschlossen sind; und (c) Bereitstellen, in der Zugangsvorrichtung des zweiten Kommunikationsnetzes, der entsprechenden Funknetzsteuerungsprotokollstapel zum Anschluß an die Funknetzsteuerungsprotokollstapel des mobilen Endgeräts, wodurch das mobile Endgerät direkt mit der Zugangsvorrichtung kommuniziert, um das zweite Kommunikationsnetz zu durchlaufen, um dadurch in einer festen Kopplungsanordnung mit dem dritten Kommunikationsnetz zu kommunizieren.
  • In einer bestimmten Betriebsart dieses Aspekts des Verfahrens der Erfindung umfaßt der Schritt des Kommunizierens bestimmter Daten den weiteren Schritt des Kommunizierens der bestimmten Daten zwischen dem Dienstenetzknoten und einem dem Internet zugeordneten Server. Als Ergebnis kann das Benutzerendgerät auf das Internet zugreifen oder in diesem browsen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Kommunizieren zwischen einem mobilen Benutzerendgerät und einem zellularen Netz über ein drahtloses LAN die Schritte des Bereitstellens am Benutzerendgerät eines Kommunikationsprotokolls zum Kommunizieren mit dem drahtlosen LAN und des Bereitstellens am Benutzerendgerät und über das Kommunikationsprotokoll eines standardisierten EAPOL-Protokolls für Paketrahmenkommunikation. Zusätzlich enthält das Verfahren die Bereitstellung am Benutzerendgerät und über das EAPOL-Protokoll eines standardisierten EAP-Protokolls zum Kommunizieren von Autorisierungssteuerungsinformationen und weiterhin Bereitstellung am Benutzerendgerät und über das EAP-Protokoll eines Funkanpassungsschichtprotokolls (Radio Adaptation Layer), wobei das Funkanpassungsschichtprotokoll Steuerung der Funkkommunikationen bereitstellt. Am zellularen Netz wird ein Dienstenetzknoten bereitgestellt. Dem Dienstenetzknoten ist ein zur Kommunikation über das Internet geeigneter Internetprotokoll-Stapel zugeordnet. Über den Internetprotokollstapel wird ein standardisiertes EAP-Protokoll zum Kommunizieren von Autorisierungssteuerungsinformationen über das Internet bereitgestellt. Über das EAP-Protokoll wird am Dienstenetzknoten ein Funkanpassungsschichtprotokoll bereitgestellt, das Steuerung der Funkkommunikationen bereitstellt. Kommunikationen finden zwischen dem drahtlosen LAN und dem zellularen System über das Internet statt. Abschließend werden Kommunikationen zwischen dem Benutzerendgerät und dem drahtlosen LAN durch Verwendung der Funkanpassungsschicht bereitgestellt.
  • In einer bestimmten Betriebsart dieses weiteren Verfahrens umfaßt der Schritt des Bereitstellens, am zellularen Netz, eines Dienstenetzknotens und des Zuordnens eines für Kommunikation über das Internet geeigneten Internetprotokollstapels zum Dienstenetzknoten den Schritt des Bereitstellens mindestens eines TCP/IP-Protokolls über eine physikalische Schicht und des Bereitstellens von DIAMETER-Protokoll über das TCP/IP-Protokoll.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • 1 ist ein vereinfachtes Funktionsschaltbild bzw. eine vereinfachte Architektur eines digitalen zellularen 3G-GPRS-Telekommunikationssystems des Standes der Technik;
  • 2a ist eine vereinfachte Darstellung von 3G-GPRS-Protokollstapeln verschiedener Teile des Systems der 1 und 2b zeigt eine Folge der aufeinanderfolgenden Protokolloperationen zum Öffnen eines Benutzerdatenkanals zwischen den verschiedenen Teilen der 1;
  • 3 ist eine vereinfachte Darstellung des 3G-GPRS-Benutzerdatenprotokollstapels; 4 ist eine konzeptmäßige Darstellung der lockeren Kopplung eines 3G-WLAN des Standes der Technik;
  • 5 stellt die dem mobilen Endgerät, dem Zugangspunkt (AP – Access Point) und dem AAA-Server der 4 zugeordneten Steuerungsprotokollstapel dar;
  • 6 ist eine vereinfachte Darstellung des Flusses von Steuerungsinformationen und Daten gemäß einem Aspekt der Erfindung; und
  • 7 und 8 zeigen die Steuerungs- und Datenprotokollstapel gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zum Ermöglichen der in der 6 ausgedrückten Konnektivitätsfunktionen.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Der oben dargestellte Stand der Technik zeigt, daß für eine WLAN-Zellularnetz-Zusammenschaltung das Modell der lockeren Kopplung einfach ist, aber die relative Einfachheit ist mit einigen unerwünschten Begrenzungen bzw. Problemen verbunden. Dazu gehört die Tatsache, daß das Authentifizierungsprotokoll neu ist (IEEE 802.1x, EAP, ...) und infolge dessen eine neue Einrichtung (AAA-Server 424 in der 4) im Zellularnetz, und neue Schnittstellen mit Vorläufergeräten (HLR 40 in der 4) erfordert, die alle mit dem neuen Paradigma konform sind. Zusätzlich muß eine Mobilendgeräteeinrichtung wie beispielsweise Zellulartelefon zwei verschiedene Protokollstapel enthalten, je nachdem, ob die Anschaltung durch die herkömmliche Zellularfunkschnittstelle (22 in der 1) oder durch die WLAN-Funkschnittstelle (7) geschieht. Weiterhin verhindert das Modell der lockeren Kopplung den Zugang zu zellularnetzspezifischen Diensten wie SMS (Short Messaging System).
  • Durch die Erfindung wird ein Modell der festen Kopplung implementiert, bei dem, wie im Modell der lockeren Kopplung, das mobile Endgerät UE über ein WLAN als Zugangspunkt angeschlossen ist oder kommuniziert. In der beispielhaften Ausführungsform kommuniziert das WLAN mit dem Zellularnetz über das Internet, es versteht sich jedoch, daß das WLAN mit dem Zellularnetz auch über andere geeignete Kommunikationsnetze kommunizieren kann. Der Protokollstapel in einem in einem System gemäß einem Aspekt der Erfindung benutzten WLAN besitzt einen Protokollstapel, der mit dem im Fall der lockeren Kopplung benutzten identisch ist (oder zumindest sein kann), und daher kann ein WLAN, das für das Modell der lockeren Kopplung benutzt wird (oder werden kann), auch Verkehr mit fester Kopplung ohne irgendwelche Abänderung bearbeiten. Ein weiterer Vorteil, der in der Erfindung erreicht werden kann, der aber in dem Modell der lockeren Kopplung nach dem Stand der Technik nicht vorkommt, besteht darin, daß die Zeichengabeprotokolle im Benutzerendgerät und dem SGSN, die zum Verwalten von Benutzerdatenverbindungen und zum Verwalten von Mobilität (einschließlich von Autorisierung) benutzt werden, diejenigen sind, die bereits durch Zellularnetzspezifikationen wie beispielsweise das CM- (Connection Management) und das GMM- (GPRS Mobility Management) Protokoll standardisiert worden sind. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird, um die Kompliziertheit der Funksteuerungsprotokolle (RRC in der
  • 2a) zu vermeiden, die mit der Technik der Zellularnetzfunkschnittstelle (22 in der 1) und ihrer vollständigen Neuauslegung verbunden sind, ein neues vereinfachtes Protokoll mit der Bezeichnung RAL (Radio Adaptation Layer – Funkanpassungsschicht) definiert. Die RAL-Schicht ist eine Teilmenge des bekannten RANAP-Protokolls und enthält die Befehle zum Herstellen und Verwalten, d.h. Aufbauen, einer Verbindung. Dieses neue Protokoll ist dem RANAP-Protokoll (2a) sehr ähnlich und daher leicht zu implementieren. Die RAL-Protokollschicht wird auch auf ähnliche Weise im SGSN implementiert. Gemäß einem Aspekt der Erfindung und im Gegensatz zu dem in Verbindung mit 1, 2a, 2b, 3, 4 und 5 aufgeführten Szenario der lockeren Kopplung werden durch Verbindungsanforderungen vom SGSN an das mobile Endgerät UE mittels dieses RAL-Protokolls direkt QOS-Parameter für das mobile Endgerät bereitgestellt und vom mobilen Endgerät werden diese Parameter in funkabhängige Parameter umgesetzt. Auch ist wie unten in Verbindung mit der 8 beschrieben der Transport von Benutzerdaten zu dem oben in Verbindung mit 3 beschriebenen herkömmlichen Modell konform, bei dem das Transportprotokoll GTP-U zwischen dem SGSN und dem mobilen Endgerät UE benutzt wird, was bedeutet, daß in SGSN keine Änderung stattfindet.
  • 6 ist eine vereinfachte Darstellung des Flusses von Steuerungsinformationen und Daten gemäß einem Aspekt der Erfindung. In der 6 werden denen der 4 entsprechende Elemente durch gleiche Bezugsalphanumerik bezeichnet. Wie in 6 dargestellt fließen die Steuerungsinformationen einschließlich der Anforderung von Zugriff durch das mobile Endgerät 620 zwischen dem mobilen Endgerät 620 und dem Kernnetz 630 eines zellularen Kommunikationssystems 600 mittels eines Steuerungsweges 628, der durch das öffentliche WLAN 412 und das Internet 410 läuft. Zwischen dem mobilen Endgerät 620 und einem als 416 dargestellten entfernten Web-Server fließende Benutzerdaten fließen über einen Datenweg 626a durch das WLAN 412, Internet 410 und Kernnetz 630 und dann über einen weiteren Weg 626b zwischen dem Kernnetz 630 und dem Web-Server 416, wiederum über das Internet 410.
  • 7 und 8 zeigen die Steuerungs- bzw. Datenprotokollstapel gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zum Ermöglichen der in 6 ausgedrückten Konnektivitätsfunktionen. In der 7 bezeichnet 720 den Steuerungsprotokollstapel für den mobilen Benutzer UE (620 der 6), 730 den Steuerungsprotokollstapel für den SGSN (630 der 6) und 760 den Steuerungsstapel für den Zugangspunkt (AP – access point). Der Protokollstapel des Zugangspunkts AP der 7 ist genau der gleiche wie der eines in dem Modell der lockeren Kopplung benutzten drahtlosen LAN des Standes der Technik. Ein Vergleich der Stapel der 7 mit denen der Lösung der lockeren Kopplung nach der Darstellung in 2a zeigt, daß alle auf die Funkverbindung bezogenen Protokolle, nämlich Stapel 250 und 252, verschwunden sind. Das in der Anordnung in 2a benutzte 3GPP-UMTS-Funkanschlußnetzanpassungsprotokoll (RANAP – Radio Access Network Adaptation Protocol) wird in der 7 durch das Funkanpassungsschichtprotokoll (RALP – Radio Adaptation Layer Protocol) ersetzt, das eine Teilmenge von RANAP ist und im mobilen Endgerät und SGSN implementiert ist, zuzüglich einiger zusätzlichen Befehle bezüglich Verschlüsselung.
  • Die meisten der RALP-Nachrichten beruhen auf RANALP. Der RALP-Kopfteil enthält daher einen Wert, der das Format der Nachricht anzeigt. Das allgemeine RALP-Nachrichtenformat enthält (a) Versionsnummer, (b) Integritätsprüfungsinformationen (nur wenn Integritätsschutz erforderlich ist) und (c) restliche Informationselemente (IE).
  • So führt die RAL-Instanz (Radio Adaptation Layer – Funkanpassungsschicht) von UE 720 und SGSN 730 die Funktionen des RANAP durch. Die RALP-Steuerungs- informationen werden zwischen dem Benutzerendgerät UE 720 der 7 und SGSN 730 der 7 über den Zugangspunkt (AP) 760 übertragen, aber die RALP-Steuerungsinformationen werden nicht vom Zugangspunkt verarbeitet und fließen daher im wesentlichen wie durch den Weg 761 angedeutet direkt zwischen dem UE und dem SGSN.
  • In der 7 ist zu beachten, daß der Zugangspunkt (AP) 760 so konfiguriert ist, bzw. Protokollstapel aufweist, genau wie sie in Verbindung mit der Lösung der "lockeren Kopplung" der 5 aufgeführt sind. Insbesondere kommuniziert der Zugangspunkt (AP) 516 der 5 mit einer physikalischen Funkeinrichtung und dem EAPOL/WLAN-Protokoll entsprechend dem linken Teil des AP-Stapels 760 der 7 mit dem mobilen Endgerät. Auf ähnliche Weise kommuniziert der Zugangspunkt 516 der 5 mit dem AAA-Teil (Authentification, Authorization and Accounting – Authentifizierung, Autorisierung und Gebührenberechnung) 530 des Kernnetzes 414 der 4 mittels einer (nicht ausdrücklich dargestellten) physikalischen Schicht zusammen mit den Protokollen Diameter/TCP-IP, was mit dem auf der rechten Seite des AP-Stapels 760 der 7 dargestellten Protokollstapel identisch ist. Man beachte auch, daß das Authentifizierungsprotokoll und die anderen in der 7 aufgeführten Steuerungsprotokolle die sind, die bereits durch die 3G-Zellularspezifikationsschrift und insbesondere durch das 3GPP-UMTS spezifiziert sind:
    Verbindungsverwaltung SM und SMS-Spezifikationen und GMM wie im ersten Teil dieser Schrift eingeführt. Infolge dessen kann ein drahtloser LAN-Zugangspunkt in der erfindungsgemäßen Anordnung ohne irgendwelche, zur Implementierung einer Anordnung einer festen Kopplung notwendige wesentliche Abänderung fungieren, was einen bedeutenden Vorteil darstellt.
  • Wenn sich ein mobiles Endgerät UE in den Versorgungsbereich eines drahtlosen LAN bewegt oder anfänglich in einem solchen Versorgungsbereich eingeschaltet wird, stellt es zuerst eine EAP-Verbindung mit einem entfernten Server (SGSN im vorliegenden Fall) entsprechend dem im Verhältnis mit den Szenarios der lockeren Kopplung besprochenen Verfahren her. Vom Zugangspunkt wird nur der Steuerungs- oder EAP-Verkehr autorisiert oder geführt. Wenn das UE entsprechend dem entsprechenden Protokoll wie beispielsweise dem 3G-GPRS-Protokoll (GMM) authentifiziert ist, wird der Verkehr des Benutzers vom SGSN 730 autorisiert, indem er unter Verwendung des vom AAA-Server 424 im Szenario der lockeren Kopplung befolgten Verfahrens eine in der Technik bekannte DIAMETER-Nachricht zum Zugangspunkt (AP) 760 sendet.
  • Wenn das Benutzerendgerät UE 720 mittels des CM-Protokolls (Connection Management) eine Verbindung anfordert, wird die Anforderung vom SGSN 730 verarbeitet und unter Verwendung des RALP-Protokolls angefordert, daß die Mobileinheit den Funkteil der Verbindung herstelle, mit dem Daten kommuniziert werden können. Als Reaktion auf die Anforderung wird die Anforderung vom Benutzerendgerät UE 720 in Parameter umgesetzt, die zur Herstellung der entsprechenden Funkverbindung benutzt werden, die letztendlich über das WLAN-Protokoll hergestellt wird.
  • 8 zeigt die Datenprotokollstapel für die Benutzerebene zum Implementieren der Anordnung der festen Kopplung gemäß der vorliegenden Erfindung. Beim Vergleich der Stapel der 8 mit den 3G-GPRS-Stapeln der 3 ist ersichtlich, daß alle Protokolle bezüglich des GPRS-Funknetzes abwesend sind. Die dargestellten Datenstapel für das Benutzerendgerät, den Zugangspunkt und den SGSN sind mit 820, 860 bzw. 830 bezeichnet. Ein beachtenswertes Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Funksteuerungsfunktionen der RNC aufgrund der oben beschriebenen Protokollstruktur im Steuerungsstapel des mobilen Endgeräts eingebettet sind.
  • In der Datenstapelanordnung der 8 ist das GPRS- Tunnelprotokoll (GTP) wie durch die Linie 865 angezeigt "direkt" zwischen das Benutzerendgerät UE 820 und den SGSN 830 geschaltet. Das GTP-Protokoll wird wie durch den 3GPP-Standard angegeben über UDP/IP geführt. Mit dem GTP werden Benutzerdatenpakete wie beispielsweise IP-Datengramme verkapselt. Die Benutzerdatenpakete werden transparent vom Zugangspunkt AP 860 und vom SGSN bis zum GGSN (1) geführt, der die Funktion eines IP-Routers durchführt.
  • Das erfindungsgemäße "feste" Kommunikaitonssystem bietet Mobilität für das Benutzerendgerät, die dem GMM-Protokoll zu eigen ist. Auch ist es von sich aus zum vollen 3G-GPRS-Dienst, zur vollen Gebührenberechnung und Sicherheit fähig, die alle dem GMM-Protokoll zu eigen sind.
  • Zu den Vorteilen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung gehört, daß die Kopplung durch ein IP-basiertes (Internet Protocol) Netz realisiert oder erreicht wird, das das Internet sein kann, und daß die Lösung mindestens hinsichtlich des WLAN zur Lösung der lockeren Kopplung konform ist, so wie sie gegenwärtig von 3GPP SA2, IEEE 802.11i oder ETSI/BRAN in Betracht gezogen wird.
  • So besteht ein Verfahren gemäß einem Aspekt der Erfindung zum Kommunizieren von Daten zwischen einem mobilen Endgerät (620) und einem Server (630; 416). Das Verfahren umfaßt die Schritte des Kommunizierens vom mobilen Endgerät (620) zu einem Zugangspunkt eines drahtlosen LAN (412) einer Anforderung von Datenkanalzugang zum Internet (410) und Leiten der Anforderung (628) eines Datenkanals vom Zugangspunkt des drahtlosen LAN (412) über das Internet (410) zu einem Dienstenetzknoten (630) eines zellularen Kommunikaitonssystems (600). Auch enthält das Verfahren den Schritt des Kommunizierens von Autorisierung (628) des Datenkanals vom Dienstenetzknoten (630) des zellularen Kommunikationssystems (600) zum Zugangspunkt des drahtlosen LAN (412) über das Internet (410). Als Reaktion auf die Autorisierung wird ein Datenkanal zwischen dem Benutzerendgerät (620) und dem Dienstenetzknoten (630) über das drahtlose LAN (412) und das Internet (410) geöffnet (627, 626a). Besondere Daten werden zwischen dem Benutzerendgerät (620) und dem Dienstenetzknoten (630) des zellularen Kommunikationssystems über den Zugangspunkt des drahtlosen LAN (412) des Datenkanals und das Internet (410) kommuniziert.
  • In einer bestimmten Betriebsweise dieses Aspekts des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt der Schritt des Kommunizierens besonderer Daten den weiteren Schritt des Kommunizierens der besonderen Daten zwischen dem Dienstenetzknoten (630) und einem dem Internet zugeordneten Server (416). Als Ergebnis kann das Benutzerendgerät auf das Internet zugreifen oder darin browsen.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Kommunizieren zwischen einem mobilen Benutzerendgerät (620) und einem Zellularnetz (600) über ein drahtloses LAN (412) die Schritte des Bereitstellens am Benutzerendgerät (620) eines Kommunikationsprotokolls (WLANMAC und Funk) zum Kommunizieren mit dem drahtlosen LAN (412) und des Bereitstellens am Benutzerendgerät (620) und über das Kommunikationsprotokoll (WLANMAC und Funk) eines standardisierten EAPOL-Protokolls für Paketrahmenkommunikation. Zusätzlich umfaßt das Verfahren die Bereitstellung am Benutzerendgerät und über das EAPOL-Protokoll eines standardisierten EAPOL-Protokolls zum Kommunizieren von Berechtigungssteuerungsinformationen und die weitere Bereitstellung am Benutzerendgerät und über das EAPOL-Protokoll eines RAL-Protokolls (Radio Adaptation Layer – Funkanpassungsschicht), das Steuerung der Funkkommunikationen bereitstellt. Am Zellularnetz (600) wird ein Dienstenetzknoten (630) bereitgestellt. Ein zur Kommunikation über das Internet (410) geeigneter Internetprotokollstapel (730, TCP/IP) ist dem Dienstenetzknoten (630) zugeordnet. Über den Internetprotokollstapel (730, TCP/IP) wird ein stan dardisiertes EAP-Protokoll zum Kommunizieren von Berechtigungssteuerungsinformationen über das Internet (410) bereitgestellt. Über das EAP-Protokoll wird am Dienstenetzknoten (630) ein RAL-Protokoll (Radio Adaptation Layer – Funkanpassungsschicht) bereitgestellt, das Steuerung der Funkkommunikationen bietet. Kommunikationen finden zwischen dem drahtlosen LRN (412) und dem Zellularsystem (600) über das Internet (410) statt. Abschließend werden Kommunikationen zwischen dem Benutzerendgerät (620) und dem drahtlosen LAN (412) durch Verwendung der Funkanpassungsschicht (RAL) bereitgestellt.
  • In einer bestimmten Betriebsart dieses weiteren Verfahrens umfaßt der Schritt des Bereitstellens am Zellularnetz (600) eines Dienstenetzknotens (630) und Zuordnens zum Dienstenetzknoten (630) eines zur Kommunikation über das Internet (410) geeigneten Internetprotokollstapels (Diameter, TCP/IP) den Schritt des Bereitstellens mindestens des TCP/IP-Protokolls über eine physikalische Schicht und des Bereitstellens des Diameter-Protokolls über das TCP/IP-Protokoll.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Implementieren einer Anordnung fester Kopplung zwischen ersten (412) und zweiten (630) Kommunikationsnetzen zum Erlauben, daß ein mobiles Endgerät über das erste und zweite Kommunikationsnetz mit einem dritten Kommunikationsnetz (410) kommuniziert, mit folgenden Schritten: (a) Bereitstellen im ersten Kommunikationsnetz eines Zugangspunkts (860) mit Protokollstapeln zur Operation in einer Anordnung lockerer Kopplung, die dem mobilen Endgerät erlaubt, Datenverkehr durch das erste Kommunikationsnetz mit dem dritten Kommunikationsnetz zu kommunizieren, ohne eine Benutzerebene des zweiten Kommunikationsnetzes zu durchlaufen, wobei das zweite Kommunikationsnetz ein Zellularnetz umfaßt und weiterhin wobei die Zugangsvorrichtung des zweiten Kommunikationsnetzes einen Dienstenetzknoten (730) umfaßt; (b) Bereitstellen im mobilen Endgerät von Funknetzsteuerungsprotokollstapeln, die direkt in einer Zugangsvorrichtung des zweiten Kommunikationsnetzes an entsprechende Funknetzsteuerungsprotokollstapel angeschlossen sind (761); und (c) Bereitstellen in der Zugangsvorrichtung (730) des zweiten Kommunikationsnetzes der entsprechenden Funknetzsteuerungsprotokollstapel zum Anschließen an die Funknetzsteuerungsprotokollstapel des mobilen Endgeräts, wodurch das mobile Endgerät in der Lage ist, sich an die Zugangsvorrichtung anzuschließen, um das zweite Kommunikationsnetz zu durchlaufen, um dadurch in einer Anordnung fester Kopplung mit dem dritten Kommunikationsnetz zu kommunizieren.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Kommunikationsnetz ein drahtloses Ortsnetz nach IEEE 802-Standards umfaßt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (b) den Schritt des Bereitstellens im mobilen Endgerät eines Steuerungsdatenprotokollstapels umfaßt, der eine Teilmenge des Funkzugangsnetzanpassungsprotokolls zum Herstellen und Aufbauen einer Verbindung umfaßt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt (a) den Schritt des Bereitstellens, im Zugangspunkt, eines Protokollstapels mit Protokollen für Funk-/drahtlose Ortsnetz-Medienzugangssteuerung/erweitertes Authentifizierung über Ortsnetz-/Diameter-/Übertragungssteuerungsprotokolle umfaßt.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt (c) den Schritt des Bereitstellens, in der Zugangsvorrichtung des zweiten Kommunikationsnetzes, des Steuerungsdatenprotokollstapels umfaßt, der die Teilmenge des Funkzugangsnetzanpassungsprotokolls zum Herstellen und Aufbauen der Verbindung umfaßt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (b) den Schritt des Bereitstellens im mobilen Endgerät eines Benutzerdatenprotokollstapels umfaßt, der Protokolle für GPRS-Tunnelprotokoll – Benutzerebene/Benutzerdatengrammprotokoll-/Internetprotokoll-/drahtlose Ortsnetz-Medienzugangssteuerung umfaßt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt (a) den Schritt des Bereitstellens, im Zugangspunkt, des Benutzerdatenprotokollstapels umfaßt, der Protokolle für Funk-/drahtlose Ortsnetz- Medienzugangssteuerung-/Übertragung-/physikalische Schicht umfaßt.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt (c) den Schritt des Bereitstellens, in der Zugangsvorrichtung des zweiten Kommunikationsnetzes, eines Benutzerdatenprotokollstapels umfaßt, der Protokolle für GPRS-Tunnelprotokoll – Benutzerebene-/Benutzerdatengrammprotokoll-/Internetprotokoll-/Übertragung-/physikalische Schicht umfaßt.
  9. Mobiles Endgerät (720) zum Kommunizieren mit einem drahtlosen Ortsnetz zum Zugreifen auf ein Kommunikationsnetz über das drahtlose Ortsnetz (412) und ein Zellularnetz (630), mit folgendem: Mitteln zum Kommunizieren von Steuerungsdaten und Benutzerdaten mit einem drahtlosen Ortsnetz-Zugangspunkt (860), konfiguriert für lockere Kopplung zwischen dem drahtlosen Ortsnetz und dem Zellularnetz; und Funknetzsteuerungsprotokollstapeln zum Ermöglichen, daß das mobile Endgerät über das drahtlose Ortsnetz und das Zellularnetz in einer Anordnung fester Kopplung mit dem Kommunikationsnetz kommuniziert, wobei der Funknetzsteuerungsprotokollstapel einen Steuerungsdatenprotokollstapel umfaßt, der Protokolle für Funkanpassungsschicht erweitertes Authentifizierungsprotokoll erweitertes Authentifizierungsprotokoll über Ortsnetz drahtlosen Ortsnetz-Medienzugangssteuerungsprotokollstapel zum Herstellen einer Verbindung (761) zwischen dem mobilen Endgerät und dem drahtlosen Ortsnetz und dem Zellularnetz umfaßt.
  10. Mobiles Endgerät nach Anspruch 9, wobei das Funkanpassungsschichtprotokoll eine Teilmenge des Funkzugangsnetzanpassungsprotokolls zum Herstellen der Verbindung umfaßt.
  11. Mobiles Endgerät nach Anspruch 9, wobei der Funknetzsteuerungsprotokollstapel einen Benutzerdatenprotokollstapel umfaßt, der Protokolle für GPRS-Tunnelprotokoll – Benutzerebene-/Benutzerdatengrammprotokoll Internetprotokoll drahtlose Ortsnetz-Medienzugangssteuerung umfaßt.
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