TWI408976B - The method of accounting control information when the heterogeneous network is handed down - Google Patents

Description

異質性網路間遞移時之計費控制訊息的方法

3GPP TS 23.882規格中訂定了System Architecture Evolution(SAE)之原則，其中包含：(1)提升使用者滿意度，降低服務延遲，增加數據傳輸速率；(2)實現全IP網路環境，提高系统容量與覆蓋率，降低營運成本；(3)必須同時支援3GPP和Non-3GPP無線接取系統的運作。

根據SAE的目標，3GPP Release 8中的Evolution Packet Core(EPC)制訂一個全IP網路，其可以同時接入各種不同的無線接取技術，如LTE(Long Term Evolution；長期演進)、2G/3G、和其他Non-3GPP的網路技術(如WiMAX)，並讓電信營運商可以共用。異質網路整合可以增加網路的使用率，並且滿足SAE之原則，因此在3GPP Release 8規格中定義了3GPP與Non-3GPP整合的網路架構，其中WiMAX被歸類為Trusted Non-3GPP網路。3GPP TS23.402規格制訂了異質網路之間遞移的流程，其中包括策略與計費控制(Policy and Charging Control；PCC)的處理流程。策略與計費控制架構可以實現動態網路資源的分配控制和計費管理，策略與計費控制的通訊協定是架構在Diameter協定之上，除了Diameter本身效能的問題外，策略與計費控制的機制也引起大量的信令負擔，這對於服務的連續性是一個很大的挑戰。

圖一描述了3GPP Release 8之PCC架構。主要元件包含：

(1)　策略與計費法則單元(Policy and Charging Rule Function;PCRF)(11)負責策略控制並提供計費規則，PCRF包含兩個元件：決策單元(Policy Decision Function;PDF)(12)和產生計費規則的單元(Charging Rule Function;CRF)(13)。

(2)　策略和計費執行單元(Policy and Charging Enforcement Function；PCEF)(14)建置在外部數據封包網路閘道器(Packet Data Network；PDN GW)，PCEF包含策略執行單元(Policy Enforcement Function;PEF)(15)以及流量平台單元(Traffic Plane Function;TPF)(16)，PEF是實際執行策略的單元，而TPF透過IP過濾器作流量控制。

接取服務閘道器(Bearer Binding and Event Reporting Function;BBERF/Serving-GW(17)為3GPP以及其他Non-3GPP網路連結。此元件為Release 8因應Non-3GPP網路的接入而新增。在使用者裝置(User Element;UE)(18)作初始連線建立、遞移或是QoS(Quality of Service)條件有所改變時，PDN GW和BBERF都需要和PCRF重新要求策略控制和計費規則，PCRF透過Gx介面傳送策略控制和計費規則給PCEF，並透Gxa介面傳送策略控制和計費規則給BBERF/Serving-GW。策略控制和計費規則包含service session過濾器(來源/目的端的IP位址和port number)、QoS描述(QoS等級、最大和保證的頻寬，與上行和下行的傳輸速度)以及計費資訊(計費方法和計費關鍵值(charging key))等。

在3GPP TS23.402規格中描述LTE和Non-3GPP網路介接的漫遊網路架構，其中的Local Breakout網路架構如圖二所示。在漫遊的架構中Home Subscriber Server;HSS(21)、AAA Server(22)、hPCRF(23)都在Home Network中，行動裝置則是在VPLMN連接上LTE，並在3GPP以及Non-3GPP兩個網路間作漫遊。在EPS網路架構中，3GPP和Non-3GPP皆透過Serving Gateway(24)來作連結存取，如圖二中WiMAX之存取服務閘道器(Access Service Network Gateway;ASN-GW)(25)和LTE網路之介接；以及3GPP網路中SGSN(Service GPRS SUPPORT NODE;SGSN)和LTE網路之介接。在漫遊時受訪PCRF(vPCRF)(26)擔任proxy的角色，轉送hPCRF和PDN GW以及BBERF之間的Diameter訊息；hPCRF透過介面S9和Gx和PDN GW作PCC控制訊息(Control Message)溝通，亦透過S9和Gxa和WiMAX中的ASN-GW作PCC控制訊息溝通。ASN-GW中包含三個部份：PMIP MAG(26)為PMIPv6的接取閘道(Mobile Access Gateway;MAG)；BBERF(27)為策略控制和計費規則中Bear Binding，是將存取介值和PCC計費法則作連結的元件；AAA Client(28)為認證的Client端。

在遞移的過程中，如圖八所示，主要的信令交換流程包含：UE的身分認證(Authentication)和授權(Authorization)、PCC法則訊息交換及移動管理訊息交換。UE在通過身份認證和授權之後才能繼續接下來的動作。認證和授權的程序中，UE會透過Non-3GPP網路向Home Network中的3GPP AAA server要求身份確認，並取得Mobile Node Network Access Identifier(MN NAI)，作為行動管理時確認UE的身份之用。接著3GPP AAA server會向HSS查詢以取得PDN GW識別(Identity)，並回覆給Non-3GPP的網路接取系統。如此，往後Non-3GPP的網路元件才可以知道所要連結的PDN GW的位址。

此處所使用的移動管理通訊協定為IETF所制訂的Proxy Mobile IP v6(PMIPv6)。PMIPv6定義了兩個網路元件：行動接取閘道器(Mobile Access Gateway；MAG)和位置移動錨點(Location Mobility Anchor；LMA)。所有行動管理的動作由這兩個網路元件來處理，MAG會向LMA送出Proxy Binding Update以要求註冊連結。當完成Mobile IP的連結，LMA就會回應Proxy Binding Ack，至此才算完成Mobile IP的連結通道。在此網路架構中MAG位於ASN-GW中，而LMA則位於PDN GW中。

根據測量出之PCC message process之間的負載分析，使用者在跨異質網路下，必須要有更佳的PCC效能表現，才能支援遞移所產生的龐大信令負載(Signaling Overhead)及減少服務延遲。UE在異質網路間遞移的過程會有兩次PCC Control Message Request/Ack，第一次是BBERF向hPCRF提出Gateway Control Session Establishment要求；第二次是PCEF-Initiated IP-CAN Session Modification Procedure要求。而ASN-GW和PDN GW之間Mobile IP連線的建立，還需要等待IP-CAN Session Modification Procedure完成才能進行。所以PCC Control Message和PMIP之間交錯和互相等待，可能會造成更多的延遲時間。如何減少等待時間和PCC信令負載是本發明討論的重點。

【發明目的】

本發明之主要目的在於減少使用者在異質性網路間遞移時策略與計費控制(Policy and Charging Control,PCC)訊息交換所造成的overhead和等待時間，增加遞移的效能和速度以符合SAE的原則。

如圖四所示，本發明將兩個分別對數據封包網路閘道器(PDN GW)和承載連結和事件報告功能單元(BBREF)作Gateway Control Session建立的動作合為一次。因為在第一次的PCC Control Message Request時Gateway Control Session( 圖四Step5)已經將IP位址、PDN GW識別、Access Technology Type等資訊送至hPCRF，hPCRF不需等PCEF送出PCEF-Initiated IP-CAN Session Modification Procedure，就可以在回覆PCC Rules給ASN-GW的BBERF的同時，直接啟動hPCRF-Initiated IP-CAN Procedure，送出PCC Rules給PDN GW。如此可以省去第二次PCC Control Message Request，Proxy Binding Update/Ack( 圖四Step7、Step8)也可以和PCC Control Message Request/Ack( 圖四Step5、Step6)同時進行。

本發明規範之處理計費訊息和行動管理控制訊息交換的方法，包含以下步驟(請參閱「圖七」之方塊110)：

步驟：111 ，

挾帶承載式的策略與計費控制訊息程序(Piggyback PCC Control Message Procedure)hPCRF把要送給PDNGW及Target GW(BBERF)之PCC Rules Control合併於一起，並透過Gx和Gxa介面PCC Rules回覆給ASN-GW的BBERF的同時，也直接啟動hPCRF-Initiated IP-CAN Procedure，送出PCC Rules給PDN GW;

步驟：112，

行動管理代理連結要求程序(PMIP Binding Request Procedure)ASN-GW PMIP MAG向PDN GW送出Proxy Binding Update以要求註冊，此訊息包含MN NAI，Lifetime，Access Technology Type，Handover Indicator，其中MN NAI用來確認UE之身分，Lifetime為此連線的存活週期(此時還是空值)，Access Technology Type用來表示Non-3GPP所使用的存取介質，如WiMAX;

步驟：113，

行動管理代理連結回應程序(PMIP Binding Ack Procedure)PDN GW回應一個PMIP Binding Acknowledgement的訊息給ASN-GW的MAG，此訊息包含MN NAI、Lifetime、UE Address Info。MN NAI要和Proxy Binding Update中的MN NAI一致，Lifetime代表此連線的存活週期，UE Address Info是指定給UE的IP Address;步驟111可以和步驟(112、113)同時進行，步驟(112、113)不用等PDN-GW完成PCC Rule的設定(步驟111)就可以先進行，如此可以減少策略與計費控制(Policy and Charging Control,PCC)訊息交換和PMIP行動管理控制訊息互相等待的時間。

附屬說明：

3GPP所規範之遞移所需的流程，包含以下步驟(請參閱「圖七」之方塊120):

步驟121 ，

UE和WiMAX的ASN-GW建立連線

UE原本是透過3GPP連結到網路上，並使用PMIPv6為其行動管理協定UE進入Non-3GPP的訊號範圍(如WiMAX)，並決定要遞移到WiMAX網路。UE透過3GPP AAA Server作存取Non-3GPP網路的身分認證和授權。認證成功之後3GPP AAA Server會回覆給Non-3GPP網路的接取系統(如ASN-GW)使用者的PDN GW識別，以便往後WiMAX接取網路之用。此外，3GPP AAA Server還會回覆MN NAI給ASN-GW中的PMP MAG，用來在作PMIPv6中建立Mobile IP連線時確認UE的身份用。當UE的身分認證和授權程序完成後，UE和WiMAX的ASN-GW建立Layer 3的連線，進行步驟122；

步驟122 ，

BBERF送出Gateway Control Session Establishment ASN-GW中的BBERF會透過vPCRF向hPCRF送出Gateway Control Session Establishment的要求以得到策略控制和計費規則，並且將得到的規則以對ASN-GW中的BBERF作這些規則的安裝和設定，進行步驟123；

步驟：123，

連線建立完成和釋放連線資源UE和ASN-GW之Layer 3連線建立完成、ASN-GW和PDN GW之間的PMIPv6連線建立完成。若有其他PDN需要作連結，就在此步驟完成。釋放原本3GPP的連線資源；

【特點及功效】 本發明具備下列特點與功效： 1.此創新技術與現存技術之差異點亦即新穎性：

3GPP R8版本中的TS23.402規格制訂了異質網路之間遞移的流程，如策略與計費控制(Policy and Charging Control；PCC)的處理流程。PCC架構可以實現動態網路資源的分配控制和計費管理，PCC的通訊協定是架構在Diameter協定之上，除了Diameter本身效能的問題外，PCC的機制也引超大量的信令負擔，這對於服務的連續性是一個很大的挑戰，在規格中沒有針對效能作討論，也並無相關的論文和研究。所以本發明提出整合和調整PCC Control Message的方法，這樣可以減少PCC訊息流程及PMIP對遞移效能的影響。

2.本創新技術與現存技術比較之優點及功效即進步性：

3GPP TS23.402規格所制訂的異質網路之間遞移的流程中PCC Control Message和PMIP之間交錯和互相等待，可能會造成更多的延遲時間。使用者所需執行之遞移次數越少。使用者服務時間長度之變異值較大，因為有較多較短的停留時間，故行動裝置會不斷的移動，進而增加交遞的數量，因此本研究提出之方法有效減少更多的信令負載。

為評估此方法的效能，在我們建立分散式事件模型(Distributed Simulation Model)之模擬平上，假設3GPP/LTE網路的覆蓋範圍為一個m x m網格(Grid)大小的區域(一個網格可視為一個基地台、一個UTRAN或一個Serving-GW的覆蓋範圍)，假設一個Non-3GPP網路的覆蓋範圍為n x n網格。在模擬平台中，便可以用一個(m+n)x(m+n)的網格拓普(Grid Topology)模擬使用者的行動路徑及交遞程序。如圖五所示為一個(5+3)x(5+3)的網格拓普。在初始狀態，UE均勻(uniformly)分佈在圖上的任意一個點上，且會在每個點停留時間，t_c 為Gamma分配，其平均值(Mean)為m_c ，且變異量(Variance)為v_c 。

使用者會往任意一個方向移動，其中與前一次移動方向相同之機率為q，而移動至其他方向之機率為(1-q)/3。由此計算出一個連線服務中，使用者會執行的跨異質網路交遞次數N的分佈，進而分析本方法所減低的信令負載。在模擬中，假設m=5,n=3,m_v =1.0,q=0.5,模擬結果如圖六所示。其中(a)之連線存活週期為Exponential分配，均值m_t =10.0，(b)為Pareto分配均值m_t =10.0，且形狀參數(Shape Parameter)=b。模擬結果顯示使用者所需執行之遞移次數越少。使用者服務時間長度之變異值較大，因為有較多較短的停留時間，故行動裝置會不斷的移動，進而增加交遞的數量，因此本方法將有效減少更多的信令負載。

綜上所述，本案不但在技術思想上確屬創新，並能較習用方法增進多項功效，應以充分符合新穎性及進步性之法定發明發明要件，爰依法提出申請，懇請貴局核准本件發明發明申請案，以勵發明，至感德便。

如圖四所示，更改後的流程如下：Step1 ：假設UE原本是透過3GPP連結到網路上，並使用PMIPv6為其行動管理協定；Step2 :UE進入Non-3GPP的訊號範圍(如WiMAX)，並決定要遞移到WiMAX網路；Step3 : UE透過3GPP AAA Server作存取Non-3GPP網路的身分認證和授權。認證成功之後3GPP AAA Server會回覆給Non-3GPP網路的接取系統(如ASN-GW)使用者的PDN GW識別，以便往後WiMAX接取網路之用。此外，3GPP AAA Server還會回覆MN NAI給ASN-GW中的PMP MAG，用來在作PMIPv6中建立Mobile IP連線時確認UE的身份用；Step4 ：當UE的身分認證和授權程序完成後，UE和WiMAX的ASN-GW建立Layer 3的連線；Step5 : ASN-GW中的BBERF會透過vPCRF向hPCRF送出Gateway Control Session Establishment的要求以得到策略控制和計費規則，並且將得到的規則以對ASN-GW中的BBERF作這些規則的安裝和設定；Step6 :hPCRF透過vPCRF分別透過Gx和Gxa介面傳送PCC Rules給PDN GW和BBERF；Step7 ：與圖三Step6相同；Step8 : PDN GW回應一個PMIP Binding Acknowledgement的訊息給ASN-GW的MAG，此訊息包含MN NAI、Lifetime、UE Address Info。MN NAI要和Proxy Binding Update中的MN NAI一致，Lifetime代表此連線的存活週期，UE Address Info是指定給UE的IP Address；Step9 : UE和ASN-GW之Layer 3連線建立完成；Step 10 :ASN-GW和PDN GW之間的PMIPv6連線建立完成；Step11 ：若有其他PDN需要作連結，就在此步驟完成；Step12 ：釋放原本3GPP的連線資源。

以上流程中的PCC Control Message(圖四Step5及Step6)可以和PMIP Message(圖四Step7及Step8)同時進行，這樣可以減少PCC訊息流程及PMIP對遞移效能的影響。本發明藉由模擬，分析使用者在連上網路後，需要執行跨異質網路之遞移次數，進而了解改良方法對使用者整體而能之效能影響。

以上流程中的PCC Control Message(圖四Step5及Step6)可以和PMIP Message(圖四Step7及Step8)同時進行，這樣可以減少PCC訊息流程及PMIP對遞移效能的影響。

11 ．．．策略與計費法則單元(Policy and Charging Rule Function;PCRF)

12 ．．．決策單元(Policy Decision Function;PDF)

13 ．．．產生計費規則的單元(Charging Rule Function;CRF)

14 ．．．策略和計費執行單元(Policy and Charging Enforcement Function；PCEF)

15 ．．．策略執行單元(Policy Enforcement Function;PEF)

16 ．．．流量平台單元(Traffic Plane Function;TPF)

17 ．．．接取服務閘道器(Bearer Binding and Event Reporting Function;BBERF/Serving-GW

18 ．．．使用者裝置(User Element;UE)

21 ．．．Home Subscriber Server;HSS

22 ．．．AAA Server

23 ．．．hPCRF

24 ．．．Serving Gateway

25 ．．．存取服務閘道器(Access Service Network Gateway;ASN-GW)

26 ．．．PCRF(vPCRF)

27 ．．．PMIPv6的接取閘道(PMIP MAG)

28 ．．．認證的Client端(AAA Client)

110 ．．．本發明所規範之處理計費訊息的方法

111 ．．．挾帶承載式的策略與計費控制訊息程序

112 ．．．行動管理代理連結要求程序

113 ．．．行動管理代理連結回應程序

120 ．．．3GPP規範之步驟

121 ．．．手持行動裝置(UE)和WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球互通微波存取)的存取服務閘道器(ASN-GW)建立連線

122 ．．．承載連結和事件報告功能單元(BBERF)送出閘道器控制連線建立要求(Gateway Control Session Establishment)

123 ．．．連線建立完成和釋放連線資源

圖一　GPP R8版本之策略與計費控制架構；

圖二　PMIP-based S8,S2a(Chained PMIP-based S8-S2)的漫遊架構；

圖三　從3GPP遞移到Non-3GPP IP Access之流程；

圖四　改良從3GPP遞移到Non-3GPP IP Access之信令流程；

圖五　模擬環境之雙網覆蓋架構；

圖六　效能比較圖；

圖七　發明代表圖；以及

圖八　3GPP技術流程圖

110 ．．．本發明所規範之處理計費訊息的方法

111 ．．．挾帶承載式的策略與計費控制訊息程序

112 ．．．行動管理代理連結要求程序

113 ．．．行動管理代理連結回應程序

120 ．．．3GPP規範之步驟

121 ．．．手持行動裝置(UE)和WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球互通微波存取)的存取服務閘道器(ASN-GW)建立連線

122 ．．．承載連結和事件報告功能單元(BBERF)送出閘道器控制連線建立要求(Gateway Control Session Establishment)

123 ．．．連線建立完成和釋放連線資源

Claims (5)

1. 一種異質性網路間遞移時之計費控制訊息的方法，讓用戶在LTE和非3GPP兩種異質性網路間遞移時；能加速計費控制訊息的交換效率，可實施於LTE網路和可信賴的非3GPP連接的網路架構，其中申請專利的步驟包括：(1)挾帶承載式的策略與計費控制訊息程序；(2)行動管理代理連結要求程序；以及(3)行動管理代理連結回應程序。
2. 如申請專利範圍第1項所述之異質性網路間遞移時之計費控制訊息的方法，其中該挾帶承載式的策略與計費控制訊息程序之設定步驟包含：(1)閘道控制連線將IP位址、數據封包網路閘道器識別、存取技術型態等資訊送至策略與計費法則單元；(2)策略與計費法則單元回覆策略與計費控制法則給存取服務閘道器的承載連結和事件報告功能單元的同時，直接執行策略與計費法則單元起始啟動的數據連線程序；以及(3)策略與計費法則單元送出策略與計費控制法則給數據封包網路閘道器。
3. 如申請專利範圍第1項所述之異質性網路間遞移時之計費控制訊息的方法，其該載式的策略與計費控制訊息程序和該行動管理代理連結要求程序與該行動管理代理連結回應程序同時進行；該行動管理代理連結要求程序與該行動管理代理連結回應程序不用等如申請專利範圍第2項所述之改善計費控制訊息效率的方法其中挾帶承載式的策略與計費控制訊息程序之設定完成就便可先進行。
4. 如申請專利範圍第1項所述之異質性網路間遞移時之計費控制訊息的方法，其中該執行挾帶承載式的策略與計費控制訊息程序之前要先進行以下步驟：(1)手持行動裝置和WiMAX的存取服務閘道器建立連線；(2)承載連結和事件報告功能單元送出閘道器控制連線建立要求。
5. 如申請專利範圍第1項所述之異質性網路間遞移時之計費控制訊息的方法，其中該完成行動管理代理連結回應程序之後進行連線建立完成和釋放連線資源。