Beschreibung
Verfahren zur Übertragung von Datenpaketen gemäß einem Paket- datendienst in einem für Sprach- und Datenübertragung vorge- sehenen zellularen Mobilfunknetz
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Da¬ tenpaketen gemäß einem Paketdatendienst in einem für Sprach- und Datenübertragung vorgesehenen zellularen Mobilfunknetz.
In zellularen Mobilfunknetzen, wie beispielsweise dem GSM-Mo- bilfunknetz (Global System for Mobile Communication) für Sprach- und Datenübertragung, kommt es bei kurzzeitigen Da¬ tenübertragungen zu einer unverhältnismäßig hohen Signali- sierungslast. In der Regel wird für die Datenübertragung zu¬ nächst ein Signalisierungsprotokoll aufgebaut, das für den Austausch von teilnehmerbezogenen bzw. netzrelevanten Infor¬ mationen sorgt. Zur Übertragung der Signalisierungsinforma¬ tionen wird ein eigener Kanal zur Verfügung gestellt. Im An- Schluß an das Signalisierungsprotokoll wird ein Datenproto¬ koll für die Übertragung von Nutzdaten aufgebaut, wobei zuvor noch eine Datenbankabfrage während des belegten Kanals zu¬ sätzlich zwischengeschaltet sein kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, durch das im Mobilfunknetz die Signalisierungslast bei der Übertragung von Datenpaketen verringert und die Kanäle effizienter genutzt werden können.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Zur Übertragung mindestens eines Datenpakets von bzw. zu ei¬ ner mobilen Teilnehmerstation wird im Funkübertragungssystem des Mobilfunknetzes jeweils ein Kanal reserviert und mit ei¬ nem Übertragungskanal, der zu einem gesonderten Dienstenetz¬ knoten führt, zu einem durchgehenden Datenkanal verknüpft.
Über den Datenkanal werden Datenpakete und Signalisierungs¬ informationen gemeinsam in einem einzigen Datenprotokoll zwischen der mobilen Teilnehmerstation und dem Dienstenetz¬ knoten übertragen. Somit erfolgt eine Übertragung von Signa- lisierungsinformationen und Datenpaketen in lediglich einem Protokoll, nämlich dem Datenprotokoll. Da das Datenprotokoll komplexer als ein Signalisierungsprotokoll ist, eignet es sich besonders zur zusätzlichen Übertragung von Signalisie¬ rungsinformationen. Ein Signalisierungsprotokoll allein hätte nicht den Datendurchsatz zur zusätzlichen Übertragung von Da¬ tenpaketen. Bei einer Anforderung des Paketdatendienstes kann durch Verwendung des einen Datenprotokolls ein unbelegter Funkkanal im Funkübertragungssystem des Mobilfunknetzes schnell belegt und wieder freigegeben werden, was eine effi- zientere Nutzung der Funkkanäle bewirkt. Es brauchen keine eigenen Funkkanäle für die im Rahmen des Paketdatendienstes zu übertragenden Datenpakete und Signalisierungsinformationen reserviert zu werden, da die üblichen, zur Sprach- und Datenübertragung vorgesehenen Funkkanäle bei Bedarf zur Pa- ketübertragung zugewiesen werden. Durch Verwendung eines ein¬ zigen Datenprotokolls zur gemeinsamen Übertragung der Daten¬ pakete und Signalisierungsinformationen verringert sich die Signalisierungslast und die Funkkanalbelegungsdauer im Mobil- funknetz gegenüber der Lösung mit zwei voneinander getrennten Protokollen für Signalisierung und für Daten.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung werden im Datenproto¬ koll teilnehmerbezogene und/oder netzrelevante Signalisie¬ rungsinformationen übertragen. Die Signalisierungsinformatio- nen können aus Authentifizierungs-, Identifizierungs-, Loka- lisierungs-, Verschlüsselungs- oder Datendiensteinformationen bestehen.
Von Vorteil ist es, wenn die Signalisierungsinformationen im ersten Teil des Datenprotokolls und die Datenpakete im An¬ schluß an die Signalisierungsinformationen übertragen werden.
Von Vorteil ist es auch, wenn der Dienstenetzknoten in einer Mobilvermittlungsstelle oder zusätzlich zu einer Mobilver¬ mittlungsstelle des Vermittlungssystems oder im Funkübertra¬ gungssystem des Mobilfunknetzes angeordnet ist.
Von Vorteil ist es, wenn durch den Dienstenetzknoten die Zu¬ gangsberechtigung eines Mobilfunkteilnehmers zum Mobilfun¬ knetz bereits während oder erst nach Empfang der Datenpakete überprüft wird.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung werden die Datenpakete und die Signalisierungsinformationen im Daten¬ protokoll entweder von der mobilen Teilnehmerstation zum Dienstenetzknoten oder in der Gegenrichtung von dem Dienste- netzknoten zur mobilen Teilnehmerstation ausgesendet .
Die Erfindung wird anhand eines in Figuren dargestellten Aus¬ führungsbeispiels näher erläutert. Im einzelnen zeigen
Figur 1 die Einrichtungen eines Mobilfunknetzes zur Übertra¬ gung von Datenpaketen gemäß einem Paketdatendienst und
Figur 2 den Signalflußplan zwischen den Einrichtungen bei der Datenpaketübertragung.
Figur 1 zeigt Einrichtungen eines zellularen digitalen Mobil- funknetzes nach dem GSM-Standard zur Sprach- und Datenüber¬ tragung. Durch eine einheitliche Luftschnittsteile zur draht- losen Verbindung von mobilen Teilnehmerstationen MS mit einem Funkübertragungssystem BSS können Mobilfunkteilnehmer im Mo¬ bilfunknetz abgehend und ankommend telefonieren oder Daten senden bzw. empfangen. Mit dem Funkübertragungssystem BSS ist ein Vermittlungssystem mit üblicherweise mehreren Mobilver- mittlungsstellen MSC und zugehörigen Besucherregistern VLR verbunden. Das Besucherregister VLR speichert als dezentrale Teilnehmerdatenbasis vorübergehend die Teilnehmerdaten der
Mobilfunkteilnehmer, die sich in einem von der jeweiligen Mo¬ bilvermittlungsstelle MSC betreuten Aufenthaltsgebiet (lo¬ cation area) aktuell aufhalten. Die Teilnehmerdaten aller im Mobilfunknetz registrierten Mobilfunkteilnehmer werden in mindestens einer zentralen Teilnehmerdatenbasis - dem Heimat¬ register HLR - hinterlegt. Die Mobilvermittlungsstellen MSC, die Besucherregister VLR und das bzw. die Heimatregister HLR sind dabei Bestandteil des VermittlungsSystems im Mobilfun¬ knetz.
Das Funkübertragungssystem BSS weist Basis-Sende/Empfangs¬ stationen BTSl, BTS2...BTSn mit zugehörigen Antennen RA1, RA2...RAn zum Senden bzw. Empfangen der Sprach- oder Datensi¬ gnale auf. Die Signalübertragung zwischen der mobilen Teil- nehmerstation MS und einer auf Grund des Aufenthaltsorts des Mobilfunkteilnehmers zuständigen Basis-Sende/Empfangsstation erfolgt drahlos über die Luftschnittstelle. Mehrere Basis- Sende/Empfangsstationen BTSl... sind jeweils mit einer Basis¬ stationssteuerung BSCl...BSCm - im vorliegenden Beispiel über feste Leitungen - verbunden. Die Basis-Sende/Empfangssta¬ tionen BTSl und BTS2 sind an die Basisstationssteuerung BSC1 angeschlossen, während die Basis-Sende/Empfangsstation BTSn mit der Basistationssteuerung BSCm verbunden ist. Die Basis¬ stationssteuerungen BSC1... des FunkübertragungsSystems BSS sind ihrerseits über drahtgebundene Leitungen, Richtfunk¬ strecken, Glasfaserkabel oder andere Übertragungsmittel mit dem Vermittlungssystem bzw. den darin angeordneten Mobilver¬ mittlungsstellen MSC verbunden.
Für die Nutzung eines Paketdatendienstes (GPRS, General Packet Radio Service) werden ein oder mehrere Datenpakete zwischen der mobilen Teilnehmerstation MS und einem gesonder¬ ten Dienstenetzknoten GSN im Mobilfunknetz in beiden Über¬ tragungsrichtungen ausgetauscht. Zur Eingabe oder Ausgabe der Datenpakete ist an die mobile Teilnehmerstation MS eine Dateneingabe- bzw. Datenausgabeeinheit DTE angeschaltet. Ebenso ist an den gesonderten Dienstenetzknoten GSN eine Da-
teneingabe- bzw. Datenausgabeeinheit DTE' angeschaltet, wobei zusätzliche Einrichtungen (Protokoll Router) zur Durchschal¬ tung der Datenpakete vom gesonderten Dienstenetzknoten GSN zur Dateneingabe- bzw. Datenausgabeeinheit DTE' und zur Steuerung eines entspechenden Datenprotokolls zwischenge¬ schaltet werden können. Zur Übertragung der Datenpakete gemäß dem Paketdatendienst wird im Funkübertragungssystem BSS je¬ weils ein Funkkanal TCH reserviert. Dabei wird zunächst eine Kanalanfrage von der mobilen Teilnehmerstation MS an die zu- ständige Basis-Sende/Empfangsstation - beispielsweise die Ba¬ sis-Sende/Empfangsstation BTSl - und von dort an die Basis¬ stationssteuerung, z.B. BSC1, gerichtet. Die Basisstations¬ steuerung BSC1 weist daraufhin der mobilen Teilnehmerstation MS den Funkkanal TCH zu und verknüpft den Funkkanal TCH mit einem Übertragungskanal NUC, der im Beispiel auf eine der
Verbindungsleitungen von der Basisstationssteuerung BSC1 zum gesonderten Dienstenetzknoten GSN führt. Für den Fall, daß der Dienstenetzknoten im Funkübertragungssystem BSS liegt, entfällt die Verbindungsleitung und der Übertragungskanal zum Dienstenetzknoten wird mit dem Funkkanal innerhalb des Fun¬ kübertragungssystems BSS verbunden.
Auf diese Weise entsteht ein von der mobilen Teilnehmersta- tiσn MS bis zum Dienstenetzknoten GSN durchgehender Datenka- nal, über den die Datenpakete mit beispielsweise einer Daten¬ rate von 9600 bit/s übertragen werden können. Gemäß der Er¬ findung werden auch die Signalisierungsinformationen zusammen mit den Datenpaketen in einem Datenprotokoll über den durchgehenden Datenkanal zwischen der mobilen Teilnehmersta- tion MS und dem gesonderten Dienstenetzknoten GSN übertragen. Durch die Verwendung lediglich eines Übertragungsprotokolls zum Austausch von teilnehmerbezogenen und/oder netzrelevanten Signalisierungsinformationen und von Datenpaketen verringert sich zum einen die Signalisierungslast und zum anderen die Funkkanalbelegungsdauer im zellularen Mobilfunknetz. Vor¬ zugsweise werden im Datenprotokoll die Datenpakete unmittel¬ bar im Anschluß an die Signalisierungsinformationen ausgesen-
det bzw. empfangen. Die übermittelten Datenpakete werden im Bedarfsfall zwischengespeichert, bis die weitere Übertragung gestattet bzw. eine Verarbeitung der Datenpakete - beispiels¬ weise in Form von Verschlüsselung bzw . Entschlüsselung - er- folgt ist.
Der gesonderte Dienstenetzknoten GSN zur Bearbeitung des Pa¬ ketdatendienstes im zellularen Mobilfunknetz ist im vorlie¬ genden Beispiel Bestandteil der Mobilvermittlungsstelle MSC. Eine Anordnung des Dienstenetzknotens im Funkübertragungssy¬ stem BSS oder zusätzlich zu den Mobilvermittlungsstellen MSC des Vermittlungssystems ist als Alternative möglich. Die Übertragungskanäle NUC zwischen den Basisstationssteuerungen BSC1... und dem Dienstenetzknoten GSN ermöglichen eine schnelle Zuschaltung verschiedener Funkkanäle TCH, die je¬ weils für die Dauer der Übertragung der Datenpakete und der Signalisierungsinformationen für einen Mobilfunkteilnehmer reserviert sind. Der Funkkanal TCH ist daher nur für die Zeitdauer eines Datenpaket- und Signalisierungsinformation- stransfers belegt. Zur Nutzung des Paketdatendienstes brau¬ chen Funkkanäle nicht eigens reserviert zu werden, da die für Sprach- und Datensignale vorgesehenen üblichen Übertragungs¬ kanäle und die bestehenden Teilnehmerdatenbasen HLR, VLR ver¬ wendet werden. Darüber hinaus nutzt man zur Datenübertragung für den Paketdatendienst die im Mobilfunknetz bereits exi¬ stierenden Adressierungsverfahren - mit der internationalen Mobilfunkteilnehmeridentifikationsnummer (IMSI) oder einer anderen Mobilfunkteilnehmernummer (z.B. MSISDN) und der tem¬ porären Mobilfunkteilnehmeridentifikationsnummer (TMSI) - so- wie die auf die Mobilität der Teilnehmer gerichteten Steue¬ rungs- und Verwaltungsfunktionen (mobility management) .
Ein weiterer Vorteil der gemeinsamen Übertragung von Datenpa¬ keten und Signalisierungsinformationen im Datenprotokoll be- steht darin, daß die Überprüfung der Zugangsberechtigung des Mobilfunkteilnehmers zum Mobilfunknetz nach der Übertragung der Datenpakete und der Signalisierungsinformationen von der
mobilen Teilnehmerstation MS zum Dienstenetzknoten GSN durch¬ geführt wird, so daß der Funkkanal nicht während administra¬ tiver Abläufe belegt wird. Durch Übermittlung der internatio¬ nalen oder der temporären Mobilfunkteilnehmeridentifikati- onsnummer in den Signalisierungsinformationen kann der Dien¬ stenetzknoten GSN einen Bezug zu den in den Tei1nehmerdaten- basen gespeicherten Teilnehmerdaten herstellen. Somit ist keine kanal- oder paketbezogene Signalisierung zwischen dem Funkübertragungssystem BSS und der jeweiligen Mobilvermitt- lungsstelle MSC erforderlich.
Für den Fall, daß der gesonderte Dienstenetzknoten zur Bear¬ beitung des Paketdatendienstes im Vermittlungssystem des Mo¬ bilfunknetzes liegt, ist das Funkübertragungssystem BSS vom Paketdatendienst kaum betroffen, was eine Reduzierung der Ko¬ sten bei der Implementierung des Dienstes im Mobilfunknetz bewirkt. Die Signalisierungsinformationen, die im Datenproto¬ koll vorzugsweise vor den Datenpaketen übertragen werden, um¬ fassen Authentifizierungsinformationen, Identifizierungsin- formationen, Lokalisierungsinformationen, Datendienstinfor- mationen oder Informationen zur Verschlüsselung der Datenpa¬ kete. Somit kann es sich bei den Signalisierungsinformationen um teilnehmerbezogene oder um netzrelevante Informationen handeln. Als Datenprotokoll zwischen der mobilen Teilnehmer- Station MS und dem gesonderten Dienstenetzknoten GSN wird ein verbindungsloses Netzprotokoll - beispielsweise das ISO CLNP (Connection Less Network Protocol) - verwendet, das die Ver¬ ringerung der Verkehrslast im Mobilfunknetz unterstützt.
Figur 2 zeigt den Signalfluß zwischen den in Figur 1 darge¬ stellten Einrichtungen bei der Übertragung der Datenpakete gemäß dem Paketdatendienst im zellularen Mobilfunknetz. Der Signalfluß gilt für den Fall, daß Datenpakete im Rahmen des Paketdatendienstes von der Dateneingabeeinheit DTE zur mobi- len Teilnehmerstation MS, von ihr zum gesonderten Dienste¬ netzknoten GSN und von ihm zur Datenausgabeeinheit DTE' , die in einem anderen Kommunikationsnetz, beispielsweise einem
leitungsgebundenen Festnetz, angeordet ist, ausgesendet wer¬ den. Die mobile Teilnehmerstation MS empfängt von der Daten¬ eingabeeinheit DTE mindestens ein Datenpaket PRSP und leitet den Aufbau eines Funkkanals zur Basisstationssteuerung BSCl dadurch ein, daß sie eine Kanalanfrage CRQ auf einem wahl¬ freien Zugriffskanal an die zuständige Basis-Sende/Empfangs¬ station BTSl sendet. Die mit einer Kodierung für den Paket¬ datendienst versehene Kanalanfrage CRQ wird von der Basis- Sende/Empfangsstation BTSl an die Basisstationssteuerung BSCl weitergeleitet. Die Basisstationssteuerung BSCl weist darauf¬ hin anhand einer Zuordnungsnachricht IAC, die zur Basis- Sende/Empfangsstation BTSl und von dort zur mobilen Teilneh¬ merstation MS ausgesendet wird, einen Funkkanal zu.
Im Funkübertragungssystem wird zwischen der Basisstations¬ steuerung BSCl und der Basis-Sende/Empfangsstation BTSl an¬ hand der Nachrichten CHA und CHAA ein Kanal belegt, der mit dem Funkkanal verbunden wird. Von der Basisstationssteuerung BSCl wird der Funkkanal TCH an den Übertragungskanal NUC, der zum Dienstenetzknoten GSN führt, geschaltet. Auf diese Weise entsteht aus der Verknüpfung des Funkkanals TCH mit dem Über¬ tragungskanal NUC ein durchgehender Datenkanal DCH zwischen der mobilen Teilnehmerstation MS und dem Dienstenetzknoten GSN. Nach erfolgter Synchronisation des Datenkanals DCH zwi- sehen mobiler Teilnehmerstation MS und Dienstenetzknoten GSN werden Signalisierungsinformationen - wie beispielsweise die temporäre Mobilfunkteilnehmeridentifikationsnummer TMSI - in einem ersten Protokollelement LXID des Datenprotokolls und die Datenpakete PRSP im Anschluß daran übertragen. In einem anschließend an die Datenpakete PRSP folgenden Protokollele¬ ment LDIS des Datenprotokolls wird der Transfer der Datenpa¬ kete und der Signalisierungsinformationen ausgelöst.
Nach Empfang der temporären Mobilfunkteilnehmeridentifikati- onsnummer TMSI im Protokollelement LXID fordert der Dienste¬ netzknoten GSN mit der Nachricht ISID vom Besucherregister VLR die internationale Mobilfunkteilnehmeridentifikati-
onsnummer (IMSI) , eine Verschlüsselungsinformation (cipher key) , sowie die Zugangsberechtigung des Teilnehmers zu Netz an. Die angeforderten Informationen werden vom Besucherregi¬ ster VLR bereitgestellt und mit der Nachricht RSID rückgesen- det. Die Nachricht RSID mit den angeforderten Informationen wird vom Dienstenetzknoten GSN beispielsweise nach Eintreffen der Datenpakete PRSP empfangen. Die von dem Dienstenetzknoten GSN empfangenen Datenpakete PRSP werden anschließend zur Da¬ tenausgabeeinheit DTE' gesendet, wobei im Festnetz ein eige- nes Datenprotokoll für die Datenübertragung verwendet wird. Zur Sicherung der zu übertragenden Datenpakete wird im Mobil- funknetz das Datensicherungsprotokoll RLP (Radio Link Pro¬ tocol) und im Festnetz das Datensicherungsprotokoll HDLC (High Level Data Link Control) verwendet.
Von der mobilen Teilnehmerstation MS wird eine Nachricht DIS zur Basis-Sende/Empfangsstation BTSl gesendet, mit der die Freigabe des aufgebauten Datenkanals zwischen der mobilen Teilnehmerstation MS und dem Dienstnetzknoten GSN veranlaßt werden soll. Von der Basis-Sende/Empfangsstation BTSl wird daraufhin zur mobilen Teilnehmerstation MT eine Bestätigungs- nachricht UA und zur Basisstationssteuerung BSCl eine Nach¬ richt RELI zum Abbau des Funkkanals im Funkübertragungssystem ausgesendet. Von der Basisstationssteuerung BSCl wird der Übertragungskanal NUC zum Dienstenetzknoten GSN freigegeben und eine Nachricht CHR zur Basis-Sende/Empfangsstation BTSl gesendet, die das Auslösen des Kanals zwischen der Basis- Sende/Empfangsstation BTSl und der Basisstationssteuerung BSCl fordert. Als Antwort erhält die Basisstationssteuerung BSCl von der Basis-Sende/Empfangsstation BTSl eine Bestäti¬ gungsnachricht CHRA, daß die Auslösenachricht empfangen wurde.
Die Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sind ebenso bei einem Transfer der Datenpakete in der umgekehrten Übertra¬ gungsrichtung, d.h. von der Dateneingabeeinheit DTE' im Fest- netz über den Dienstenetzknoten GSN zur mobilen Teilnehmer-
Station MS und zur Datenausgabeeinheit DTE im Mobilfunknetz anwendbar. In diesem Fall empfängt die mobile Teilnehmersta¬ tion MS im Datenprotokoll die Datenpakete und die Signalisie¬ rungsinformationen vom gesonderten Dienstenetzknoten GSN. Nach dem Eintreffen mindestens eines Datenpakets im Dienste¬ netzknoten GSN wird das Besucherregister VLR abgefragt und danach ein Funkruf (paging) ausgelöst. Der anschließende Si- gnalisierungsablauf und die Datenpaketübertragung erfolgen in gleicher Weise wie bei dem in Figur 2 dargestellten Fall, daß Datenpakete von der mobilen Teilnehmerstation MS gesendet werden. Zusätzlich zu den in Figur 1 dargestellten Einrich¬ tungen im Mobilfunknetz können gesonderte Durchschalteein- richtungen (Routing Datenbasis, Gateway Router) mit jeweils einer Schnittstelle zum Heimatregister HLR und einer Schnitt- stelle zum Protokoll Router im Falle der Datenübertragung vom Dienstenetzknoten GSN zur mobilen Teilnehmerstation MS ange¬ ordnet sein.