专利名称：一种eps-wlan融合系统和基于该架构下切换的方法
技术领域：
本发明主要涉及移动通信和无线局域网的技术领域。具体地说，涉及LTE和WLAN网络融合的系统和发生在服务请求时基于M2M业务的切換方法。
背景技术：
M2M是Machine-to-Machine的简称,是指应用通信技术实现人和人、人和机器、机器与机器之间数据通信和交流的一系列技术及其组合的总称，是ー种面向智能终端的信息交換和通信类型。它涵盖了所有可以实现的，在人、机器、系统之间进行信息传输、交換的技术和手段，也就是广泛意义上的物联网，未来将广泛应用于各行各业以及人们的日常生活中，数以亿计的非IT设备正要加入进来。通信网络是M2M技术的核心环节，其需要多种有线、无线通信技术的支撑，包括无线通信网络(GSM/GPRS/UMTS)、以太网、WLAN、WiFi、传感器网络等。其中，无线移动通信网络具有覆盖范围广、接入方便、设备完善等优势，是M2M业务最佳的承载网络。鉴于移动M2M业务巨大的市场潜力，世界上各大电信运营商都将M2M通信作为未来发展的重中之重。M2M业务针对特定服务人群进行业务的定制，不同的M2M业务在特性上存在差异。根据现有M2M业务的工作特点，并结合3GPP会议中对M2M业务进行的特征定义，分析可知M2M业务具有低移动性、允许数据传输时延、只有包交換、数据发送量小但发送頻繁、海量终端等特点。未来随着M2M业务的部署，其海量的数据收发将占用移动通信网大量的无线宽带资源，造成有限的网络承载能力与大流量高宽带的业务需求之间的矛盾，无线局域网络(WLAN)由于其低成本、高传输速率以及大規模灵活的部署能力等特点，成为缓解移动通信网络流量的不二选择。目前关于利用WLAN分流的研究主要集中在3G网络中，对长期演进(LTE)和WLAN网络间融合和协同的研究还比较少，并且尚未形成规范。针对以上问题，中国专利申请CN101841880A ( ー种LTE和WLAN互连的系统和切换方法)提出了ー种LTE-WLAN融合架构，引入了虚拟基站的概念，在LTE侧，虚拟基站完成和LTE基站相同的功能；在WLAN侧，虚拟基站管理者AP接入点，虚拟基站和AP之间通过以太网隧道协议实现切换过程中的数据和信令的收发，将WLAN作为LTE系统的数据和信令的底层传输通道。该发明的优点是切換和LTE的切换过程保持一致，对系统影响比较小。但是基于该融合架构下的切換未考虑业务特性，可能导致切換后业务的不连续或性能变差，同时该专利只考虑了发生在通信过程中的切換，并未从源头上卸载接入网的流量。
发明内容
本发明要解决的技术问题，是克服背景技术的不足，提供ー种EPS(演进分组系统)和WLAN(无线局域网络)的融合系统，和在该系统下基于业务标识的切換方法，该切换过程发生在服务请求吋。ー种EPS-WLAN融合系统，包括移动性管理实体MME、数据网关P-GW、无线局域网络WLAN接入网关WAG和各个无线接入点AP ;网关WAG通过Sl-WM接口和S5-WP接ロ分别与移动性管理实体MME和数据网关P-GW相连；当用户接入到无线局域网络WLAN访问演进分组系统EPS业务时，无线接入点AP和网关WAG之间通过802. 11协议通信、网关WAG和移动性管理实体MME之间通过802. 3协议通信，使移动性管理实体MME具有对以太网数据的处理能力；当网关WAG和移动性管理实体MME之间传输的是认证鉴权消息吋，网关WAG和移动性管理实体MME之间通过Radius通信，移动性管理实体MME通过Diameter协议向归属用户服务器HSS提取相关的数据，从而完成对无线局域网络WLAN接入用户的鉴权认证。本发明新定义了 WLAN接入网关WAG实现WLAN和EPS系统的融合，WAG主要完成以下功能实现对无线访问接入点(AP)的管理，包括存储AP的MAC地址和IP地址以及SSID ；实现通过WLAN接入用户数据和信令的重新封转和转发，包含WLAN网络的认证消息、服务请求消息等；通过Radius协议与MME通信，完成MME对WLAN接入用户的认证和鉴权；实现802. 11和802. 3协议之间的转换；以固定的时间间隔广播其信标信息，其中包含时间戳、容量ESSID和业务指示表。本发明提出的融合系统需要在MME中増加功能模块，使其具有处理以太网数据的能力，同时扩展MME的协议栈，使其支持Radius协议。也就是，所述的移动性管理实体MME具有对以太网数据的处理能力，是在移动性管理实体MME中増加功能模块，并且扩展移动性管理实体MME的协议栈，使其支持Radius协议。本发明提出的融合系统需要改变HSS中的数据结构。即，所述的向归属用户服务器HSS提取相关的数据，是改变归属用户服务器HSS中的数据结构，在其中増加WAG、AP和UE的相关标识，包含WAG的IP地址、AP的IP地址、WLAN网络分配给用户的IP Address2和EPS系统分配给用户的IP Addressl以及它们之间的映射关系。具体的寻址过程(參见图
3):当UE接入WLAN网络时，若已知用户IP地址2，可通过查询HSS中用户的数据库，找到用户所在区域对应的WAG的IP地址；网络连接到相关的WAG，查询其数据库，可找到UE IP地址2对应的AP的IP地址；通过查询AP数据库，可找到对应的UE的IP地址和MAC地址，从而实现对UE的寻址。在以上融合系统中，当双模终端从EPS系统切换到WLAN系统时，该切换基于业务标识，且发生在服务请求吋。具体的切換流程如图5所示。一种基于EPS-WLAN融合系统架构下切換的方法，切换基于M2M业务标识，发生在服务请求时，流程是，用户终端当前的服务网络为EPS系统，当其向eNodeB发送服务请求时，请求消息中会包含业务标识，将当前业务划分为M2M和H2H两种；eN0deB检测服务请求消息中的业务标识字段，若为M2M业务，向用户终端返回测量控制信息；用户终端根据测量控制信息生成測量报告，返回给eNodeB;
eNodeB查看测量报告，根据报告中提供的网络相关信息进行切换决策，并且向终端返回服务请求ACK，其中包含请求失败的原因和切換的目标AP标识；用户终端通过该AP接入WLAN网，采用EAP-S頂认证方法完成用户终端的认证；进行用户终端与AP的联结，AP将AP的IP Address和终端的IP Address和TMSI传输给WAG存储，并将这些參数映射到一起；WAG将用户的IP Address传输到HSS中存储，井向MME返回用户数据更新成功响应消息；
MME通知WAG相关操作完成，WAG通过AP通知用户终端切换成功；用户终端通过AP向WAG发送服务请求，WAG对相关请求进行重新封装后转发给MME。其中，用户终端发送的服务请求消息是将EPS系统的服务请求封装为IP数据包，并通过AP发送给WAG，WAG收到该消息后，将其重新封装为EPS系统的Sl-MME接ロ消息，并发送给MME ；MME根据用户服务请求选出相应的P-GW，随后向WAG返回服务请求响应消息，消息中包含P-GW地址-MG将该响应消息重新封装为WLAN网识别的IP数据包，通过AP发送给用户终端，用户终端解析该消息，获得P-GW的地址，之后用户终端可通过AP、WAG、P-GW访问外部数据网络，进行数据的传输。本发明的有益效果是，提出将M2M业务切换到WLAN网络中，从而缓解了 EPS系统接入网的负载压力，使系统资源更加合理的利用，保证系统性能。
图I是本发明的EPS和WLAN融合系统示意图。图2是本发明的实体之间交互协议图示。图3是本发明的HSS中数据结构图。图4是本发明的切換流程传递的标识图示。图5是本发明的EPS系统向WLAN系统切换的流程图。
具体实施例方式实施例I结合图I 3说明本发明的EPS-WLAN融合系统本发明提供了一种演进分组系统EPS和WLAN的融合系统，如图I所示。该系统包括移动性管理实体MME、数据网关P-GW、WLAN接入网关WAG和各个无线接入点AP。如图2所示，WAG通过Sl-WM和S5-WP接ロ分别与MME和P-GW相连。当用户接入到WLAN网络访问EPS系统业务时，AP和WAG之间通过WLAN协议即802. 11通信，WAG和MME之间通过802. 3协议通信，同时需要扩展MME对以太网数据的处理能力；如果WAG和MME之间传输的是认证鉴权消息，他们之间通过Radius通信，MME通过Diameter协议向归属用户服务器HSS提取相关的数据，从而完成对WLAN接入用户的鉴权认证。本发明提出的融合系统需要在MME中増加功能模块，使其具有处理以太网数据的能力，同时扩展MME的协议栈，使其支持Radius协议，当用户通过WLAN接入吋，WAG和MME之间可以Radius协议完成对用户的鉴权和认证。本发明提出的融合系统需要改变HSS中的数据结构，在其中增加WAG、AP和UE的相关标识，主要包含WAG的IP地址、AP的IP地址、WLAN网络分配给用户的IP Address2和EPS系统分配给用户的IP Addressl以及他们之间的映射关系，数据结构如图3所示。具体的寻址过程当UE接入到WLAN网络时，若已知用户的IP Address2，可通过查询HSS中用户的数据库，找到用户所在区域对应的WAG的IP地址；网络连接到相应的WAG，查询其数据库，找到UE IPAddress2所对应的AP地址；最后通过查询AP存储的数据，找到对应的UE的IP地址和MAC地址，最终实现对UE的寻址。实施例2结合图4和图5进ー步说明本发明的从EPS系统切换到WLAN系统的流程
基于以上融合系统，当双模终端从EPS系统切换到WLAN系统时，该切换基于业务标识，并且发生在服务请求吋。具体过程的如图5所示，切換流程中标识的传递流程如图4所示，具体的步骤如下I)用户终端当前的服务网络为EPS，其向eNodeB发送服务请求，请求消息中包含以下字段TMSI、用户终端IP Addres s I (在用户终端附着到EPS系统时，P-Gff为终端分配的IP地址)以及业务标识，其中用户终端IP Addressl是用户终端附着到EPS系统时，P-Gff为终端分配的IP地址；
2)本发明将当前业务划分为两种不同的类型H2H业务和M2M业务。21)H2H业务指EPS系统中的原有的语音业务和数据业务等，M2M业务指机器对机器、人对机器、机器对人、移动网络对机器之间的信息交換与通信，如遥感探測、监控/警告、支付/交易等业务；22)相应的业务标识也分为两种H2H业务标识和M2M的业务标识；3) eNodeB检测服务请求消息中业务标识字段，若为M2M业务，向用户终端返回测量控制信息，要求终端测量当前EPS网络和WLAN网络相关參数。测量控制主要包含对EPS系统中本小区和相邻小区的测量、对WLAN系统中AP接入点的测量、对EPS和WLAN网络质量的測量等；4)用户终端检测步骤3)中涉及的相关參数，生成測量报告，并传输给eNodeB ；5) eNodeB查看测量报告，井根据报告中提供的网络相关信息进行切换决策，倘若此时EPS网络的负载过重(如超过某ー阈值)、而WLAN网络的服务质量较好，则eNodeB选择某ー AP接入点，将该M2M业务切换到WLAN网络中；6) eNodeB向用户终端返回服务请求ACK，说明请求失败的原因，和切换的目标AP标识SSID ；7)用户终端通过eNodeB所选的AP接入WLAN网络，并完成用户终端的认证，认证采用EAP-S頂认证方法；71)EAP-S頂认证流程请參考以下国际标准a)3GPP TS 33.234v6. 9. 0, " WLAN Interworking Security".b)3GPP TS 23.234v6. 10. 0, " WLAN Interworking ；System Description".c) IETF RFC 4186，" EAP-SIM/7d)IETF RFC 3748, " Extensible Authentication Protocol (EAP)".8)进行用户终端与AP的联结，联结请求消息中包含用户终端在EPS系统中的TMSI，AP收到该消息后，为用户终端分配IP地址(IP Address2)，并存储TMSI和IPAddress2 ；81)联结的流程请參考802. 11系列标准；9) AP 将 AP 的 IP Address、终端 IP Address2 和终端的 TMSI 传输给 WAG，WAG 保存这些信息，并将这些參数映射到一起；10) WAG 将 WAG 的 IP Address、终端 IP Address2 和终端的 TMSI 传输给 HSS，HSS将WAG的IP Address和终端的IP Address2保存在TMSI对应的用户数据库中，并向MME返回用户数据更新成功响应消息；11) MME通知WAG相关操作完成，WAG通过AP通知用户终端切换成功；
12)用户终端通过AP向WAG发送服务请求，WAG对相关请求进行重新封装后转发给MME。其中，用户终端发送的服务请求消息是将EPS系统的服务请求封装为IP数据包，并通过AP发送给WAG，WAG收到该消息后，将其重新封装为EPS系统的Sl-MME接ロ消息，并发送给MME ；13)MME根据用户服务请求选出相应的P_GW，随后向WAG返回服务请求响应消息，消息中包含P-GW地址； 14) WAG将该响应消息重新封装为WLAN网识别的IP数据包，通过AP发送给用户终端，用户终端解析该消息，获得P-GW的地址，之后用户终端可通过AP、WAG、P-GW访问外部数据网络，进行数据的传输。
权利要求
1.ー种EPS-WLAN融合系统，包括移动性管理实体MME、数据网关P-GW、无线局域网络WLAN接入网关WAG和各个无线接入点AP ;网关WAG通过Sl-WM接口和S5-WP接ロ分别与移动性管理实体MME和数据网关P-GW相连；当用户接入到无线局域网络WLAN访问演进分组系统EPS业务时，无线接入点AP和网关WAG之间通过802. 11协议通信、网关WAG和移动性管理实体MME之间通过802. 3协议通信，同时使移动性管理实体MME具有对以太网数据的处理能力；当网关WAG和移动性管理实体MME之间传输的是认证鉴权消息吋，网关WAG和移动性管理实体MME之间通过Radius通信，移动性管理实体MME通过Diameter协议向归属用户服务器HSS提取相关的数据，从而完成对无线局域网络WLAN接入用户的鉴权认证。
2.根据权利要求I所述的EPS-WLAN融合系统，其特征在于，所述的移动性管理实体MME具有对以太网数据的处理能力，是在移动性管理实体MME中増加功能模块，并且扩展移动性管理实体MME的协议栈，使其支持Radius协议。
3.根据权利要求I或2所述的EPS-WLAN融合系统，其特征在于，所述的向归属用户服务器HSS提取相关的数据，是改变归属用户服务器HSS中的数据结构，在其中増加WAG、AP和UE的相关标识，包含WAG的IP地址、AP的IP地址、WLAN网络分配给用户的IP Address2和EPS系统分配给用户的IP Addressl以及它们之间的映射关系。
4.ー种基于权利要求I的EPS-WLAN融合系统架构下切换的方法,切换基于M2M业务标识，发生在服务请求吋，流程是， 用户终端当前的服务网络为EPS系统，当其向eNodeB发送服务请求时，请求消息中会包含业务标识，将当前业务划分为M2M和H2H两种；eN0deB检测服务请求消息中的业务标识字段，若为M2M业务，向用户终端返回测量控制信息；用户终端根据测量控制信息生成测量报告，返回给eNodeB ； eNodeB查看测量报告，根据报告中提供的网络相关信息进行切换决策，并且向終端返回服务请求ACK，其中包含请求失败的原因和切換的目标AP标识；用户终端通过该AP接入WLAN网，采用EAP-S頂认证方法完成用户终端的认证；进行用户终端与AP的联结，AP将AP的IPAddress和终端的IPAddress和TMSI传输给WAG存储，并将这些參数映射到一起；WAG将用户的IP Address传输到HSS中存储，井向MME返回用户数据更新成功响应消息； MME通知WAG相关操作完成，WAG通过AP通知用户终端切换成功； 用户终端通过AP向WAG发送服务请求，WAG对相关请求进行重新封装后转发给MME。其中，用户终端发送的服务请求消息是将EPS系统的服务请求封装为IP数据包，并通过AP发送给WAG，WAG收到该消息后，将其重新封装为EPS系统的Sl-MME接ロ消息，并发送给MME ；MME根据用户服务请求选出相应的P-GW，随后向WAG返回服务请求响应消息，消息中包含P-Gff地址；WAG将该响应消息重新封装为WLAN网识别的IP数据包，通过AP发送给用户终端，用户终端解析该消息，获得P-GW的地址，之后用户终端可通过AP、WAG、P-GW访问外部数据网络，进行数据的传输。
全文摘要
本发明的一种EPS-WLAN融合系统和基于该架构下切换的方法涉及移动通信和无线局域网的技术领域。EPS-WLAN融合系统，包括移动性管理实体MME、数据网关P-GW、无线局域网络WLAN接入网关WAG和各个无线接入点AP；网关WAG通过S1-WM接口和S5-WP接口分别与移动性管理实体MME和数据网关P-GW相连。在以上融合系统中，当双模终端从EPS系统切换到WLAN系统时，该切换基于业务标识，且发生在服务请求时。本发明提出将M2M业务切换到WLAN网络中，从而缓解了EPS系统接入网的负载压力，使系统资源更加合理的利用，保证系统性能。
文档编号H04W28/06GK102651867SQ20121016502
公开日2012年8月29日 申请日期2012年5月25日 优先权日2012年5月25日
发明者刘聪, 张雁丽, 迟学芬 申请人:吉林大学