一种移动网络分级架构的接入方法及系统与流程

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种移动网络分级架构的接入方法及系统。

背景技术：

移动通信在二十多年的时间内得到了飞速的发展，给人们的生活方式、工作方式以及社会政治、经济等各方面都带来了巨大的影响。人类社会进入高效的信息化时代，各个方面业务应用需求呈现爆发式增长，给未来无线移动带宽系统在频率、技术以及运营等各方面都带来巨大的挑战。

图1为现有的第四代移动通信技术(4G)演进分组系统(EPS，Evolved Packet System)的网络架构图。如图1所示，4G EPS的网络架构包括：

演进的UMTS陆地无线接入网(E-UTRAN，Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network)，用于实现所有与演进网络有关的无线功能；

移动管理实体(MME，Mobility Management Entity)，用于负责控制面移动管理，包括用户上下文和移动状态管理，分配用户临时身份标识等；

作为用户面实体的服务网关(SGW，Serving Gateway)，用于负责用户面数据路由处理；

分组数据网网关(PGW，Packet Data Network Gateway)，用于负责用户终端(UE，User Equipment)接入分组数据网(PDN，Packet Data Network)的网关功能；

计费和策略控制实体(PCRF，Policy and Charging Rule Function)，用于策略控制决定和流计费控制功能；

归属网络服务器(HSS，Home Subscriber Server)，用于存储用户签约数据；

服务GPRS支持节点(SGSN，Serving GPRS Supporting Node)。

其中，PGW和SGW可能合设在一个物理实体中。

如图1所示，LTE-Uu为UE与E-UTRAN之间的接口，S1-MME为E-UTRAN与MME之间的接口，S1-U为E-UTRAN与SGW之间的接口，S3为SGSN与MME之间的接口，S4为SGSN与SGW之间的接口，S5为SGW与PGW之间的接口，S11为MME与SGW之间的接口，S12为UMTS陆地无线接入网(UTRAN，UMTS Terrestrial Radio Access Network)与SGW之间的接口，SGi为PGW与运营商网络协议(IP)业务网之间的接口，Gx为PCRF与PGW之间的参考点，Rx为PCRF与运营商IP业务网之间的参考点。

在传统4G网络中，核心网设备(包括MME、SGSN、PGW、SGW等)一般集中部署在省中心，用户接入4G网络时，接入信令需要从接入点发送到离接入点遥远的省中心MME或SGSN进行处理，这种长距离传输增加了接入时延，不能满足第五代移动通信技术(5G)中对低时延的需求。

此外，当把MME部署到靠近接入点位置时，虽然MME离接入点的距离变近了，接入时延减小了，但是，由于MME的服务范围变小，跟踪区(TA，Tracking Area)列表(list)的覆盖范围也变小，UE移动时很容易就移出TA list的覆盖范围，从而导致UE频繁发起跟踪区更新(TAU，Tracking Area Update)流程，使得系统信令增加。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种移动网络分级架构的接入方法及系统，能够解决传统4G网络中接入信令从接入点传输至核心网设备存在的接入时延较长及信令频繁交互的问题。

为了达到上述技术目的，本发明提供一种移动网络分级架构的接入方法，包括：当收到终端的接入请求后，本地控制功能向全局控制功能发送位置更新请求；所述全局控制功能为所述终端分配跟踪区列表和终端临时标识，并将所述跟踪区列表和终端临时标识发送给本地控制功能。

进一步地，所述接入请求为附着请求或跟踪区更新请求。

进一步地，在所述本地控制功能向全局控制功能发送位置更新请求之后，所述全局控制功能为所述终端分配跟踪区列表和终端临时标识之前，上述方法还包括：所述全局控制功能在终端的上下文信息中将所述终端的当前服务的本地控制功能设置为本地控制功能。

进一步地，当收到终端的接入请求后，在所述本地控制功能向全局控制功能发送位置更新请求之前，上述方法还包括：当所述接入请求携带的上次服务的全局控制功能标识对应的全局控制功能无法继续为所述终端服务时，所述本地控制功能选择新的全局控制功能为所述终端服务。

进一步地，在所述本地控制功能选择新的全局控制功能为所述终端服务后，上述方法还包括：所述新的全局控制功能从上次服务的全局控制功能获取所述终端的上下文信息。

进一步地，当收到终端的接入请求后，在所述本地控制功能向全局控制功能发送位置更新请求之前，上述方法还包括：当所述本地控制功能没有终端的上下文信息时，所述本地控制功能从所述全局控制功能或通过所述全局控制功能从上次服务的全局控制功能获取所述终端的上下文信息。

进一步地，所述全局控制功能将所述跟踪区列表和终端临时标识发送给所述本地控制功能时，上述方法还包括：将所述终端的签约数据发送给所述本地控制功能。

进一步地，当收到终端的接入请求后，在所述本地控制功能向全局控制功能发送位置更新请求之前，上述方法还包括：所述本地控制功能利用认证向量对所述终端进行认证。

进一步地，在所述本地控制功能利用认证向量对所述终端进行认证之前，上述方法还包括：当所述本地控制功能没有有效的认证向量时，所述本地控制功能从全局控制功能或者通过全局控制功能从归属网络服务器获取所述认证向量。

本发明还提供一种移动网络分级架构的接入系统，包括：本地控制功能，用于当收到终端的接入请求后，向全局控制功能发送位置更新请求；全局控 制功能，用于为所述终端分配跟踪区列表和终端临时标识，并将所述跟踪区列表和终端临时标识发送给本地控制功能。

进一步地，所述接入请求为附着请求或跟踪区更新请求。

进一步地，所述全局控制功能，还用于在本地控制功能向全局控制功能发送位置更新请求之后，在全局控制功能为所述终端分配跟踪区列表和终端临时标识之前，在终端的上下文信息中将所述终端的当前服务的本地控制功能设置为本地控制功能。

进一步地，所述本地控制功能，还用于当收到终端的接入请求后，向全局控制功能发送位置更新请求之前，当所述接入请求携带的上次服务的全局控制功能标识对应的全局控制功能无法继续为所述终端服务时，选择新的全局控制功能为所述终端服务。

进一步地，所述本地控制功能，还用于当收到终端的接入请求后，向全局控制功能发送位置更新请求之前，当本地控制功能没有终端的上下文信息时，从所述全局控制功能或通过所述全局控制功能从上次服务的全局控制功能获取所述终端的上下文信息。

进一步地，所述全局控制功能，还用于在将所述跟踪区列表和终端临时标识发送给所述本地控制功能时，将所述终端的签约数据发送给所述本地控制功能。

进一步地，所述本地控制功能，还用于当收到终端的接入请求后，在向全局控制功能发送位置更新请求之前，利用认证向量对所述终端进行认证。

进一步地，所述本地控制功能，还用于在利用认证向量对所述终端进行认证之前，当所述本地控制功能没有有效的认证向量时，从全局控制功能或者通过全局控制功能从归属网络服务器获取所述认证向量。

在本发明中，当收到终端的接入请求后，本地控制功能向全局控制功能发送位置更新请求；全局控制功能为终端分配跟踪区列表和终端临时标识，并将跟踪区列表和终端临时标识发送给本地控制功能。通过本地控制功能和全局控制功能将接入请求处理功能下移，使得终端的接入请求可以就近处理，并且避免了频繁的信令交互，在提升接入时延体验的同时不会增加系统 信令开销。

附图说明

图1为现有的4G EPS的网络架构图；

图2为本发明较佳实施例提供的移动网络分级架构的示意图；

图3为图2所示架构的部署示意图；

图4为图3中LCF与GCF的对应关系示意图；

图5为本发明较佳实施例提供的移动网络分级架构的接入方法的流程图；

图6为本发明较佳实施例中，UE附着时的流程图；

图7为本发明较佳实施例中，UE发起跟踪区更新的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图2为本发明较佳实施例提供的移动网络分级架构的示意图。如图2所示，上述分级架构包括以下各网元：

全局控制功能(GCF，Global Control Function)，用于负责UE临时标识(ID，Identity)的分配、TA list的分配，保存UE的上下文信息，负责与HSS的接口等；

本地控制功能(LCF，Local Control Function)，用于终结网络附属存储(NAS，Network Attached Storage)信令，负责对UE进行接入认证、NAS安全保护、参与移动性管理流程等；

基站，用于终结与UE间的空中接口，为UE分配无线资源，为UE提供无线接入等；

传统4G网络中的服务网关SGW；

传统4G网络中的分组数据网网关PGW；

归属网络服务器HSS，用于存储用户签约数据。

另外，图2中各接口的说明如下：

X1：GCF间的接口，用于传递上下文信息；

X2：LCF间的接口，用于在跨LCF移动时传递上下文信息；

X3：LCF与SGW间的接口，用于会话和承载的管理；

X4：GCF与LCF间的接口，用于LCF向GCF获取用户签约数据、申请临时ID、TA list，在LCF与GCF间传递上下文信息；

X5：GCF与HSS间的接口，用于向HSS获取用户签约数据，向HSS更新UE当前位置等；

X6：LCF与基站间的接口，用于在基站和LCF间传递NAS消息、会话管理、无线资源管理等。

图3为图2所示架构的部署示意图。如图3所示，在控制面，一个基站通过无线资源控制(RRC，Radio Resource Control)可以和多个LCF相连；一个LCF也可连接多个基站；一个GCF对应多个LCF；一个LCF也对应多个GCF。在用户面，基站与SGW的关系是多对多的关系，SGW与PGW的关系也是多对多的关系。

图4为图3中LCF与GCF的对应关系示意图。如图4所示，可将LCF和GCF分组，同一组中的LCF和GCF的功能完全相同。为了适应5G网络多样性的需求，可在网络规划时为不同网络需求规划不同的GCF和/或LCF组，组成虚拟专用网络，为特定的网络需求服务。

具体而言，一个GCF组可规划一个或多个LCF组。例如，如图4所示，GCF组1规划有两个LCF组(LCF组1及LCF组2)，GCF组2规划有两个LCF组(LCF组3及LCF组4)。

在如图2所示的架构下，GCF部署在相对集中的位置，如省中心，LCF部署在靠近基站的位置，如区域中心。在某些场景下，LCF甚至可部署在基站中。TA list和UE的临时标识由GCF分配，由于GCF所处的位置相对集中，因此，GCF所管辖的范围可以很大，比如，横跨整个省。由GCF管理的TA list的设置也可以做到覆盖一个大范围，使得UE在大范围内移动时无 需发起TAU，也不需要更换临时标识。

图5为本发明较佳实施例提供的移动网络分级架构的接入方法的流程图。如图5所示，本发明较佳实施例提供的移动网络分级架构的接入方法包括以下步骤：

步骤11：当收到终端的接入请求后，本地控制功能向全局控制功能发送位置更新请求。

于本实施例中，接入请求为附着请求或跟踪区更新请求。

于一实施例中，当收到终端的接入请求后，在本地控制功能向全局控制功能发送位置更新请求之前，该方法还包括：当所述接入请求携带的上次服务的全局控制功能标识对应的全局控制功能无法继续为所述终端服务时，本地控制功能选择新的全局控制功能为所述终端服务。其中，在本地控制功能选择新的全局控制功能为所述终端服务后，所述新的全局控制功能从上次服务的全局控制功能获取所述终端的上下文信息。

于一实施例中，当收到终端的接入请求后，在本地控制功能向全局控制功能发送位置更新请求之前，该方法还包括：当本地控制功能没有终端的上下文信息时，本地控制功能从所述全局控制功能或通过所述全局控制功能从上次服务的全局控制功能获取所述终端的上下文信息。

于一实施例中，当收到终端的接入请求后，在本地控制功能向全局控制功能发送位置更新请求之前，该方法还包括：本地控制功能利用认证向量对所述终端进行认证。其中，当本地控制功能没有有效的认证向量时，本地控制功能从全局控制功能或者通过全局控制功能从归属网络服务器获取所述认证向量。

步骤12：全局控制功能为终端分配跟踪区列表和终端临时标识，并将所述跟踪区列表和终端临时标识发送给本地控制功能。

于步骤11之后，步骤12之前，该方法还包括：全局控制功能在终端的上下文信息中将所述终端的当前服务的本地控制功能设置为本地控制功能。

于一实施例中，全局控制功能将所述跟踪区列表和终端临时标识发送给所述本地控制功能时，还将所述终端的签约数据发送给所述本地控制功能。

图6为本发明较佳实施例中，UE附着时的流程图。如图6所示，详细步骤描述如下：

步骤101：UE给基站发送NAS消息附着请求。具体而言，该NAS消息封装在RRC消息中发送给基站，在RRC消息中，UE将保存的旧的临时ID、上次接入的GCF(简称S-GCF)ID和上次接入的LCF(简称S-LCF)ID发送给基站，同时，在RRC消息中，UE将选择的公共陆地移动网络(PLMN，Public Land Mobile Network)的PLMN ID发送给基站。此外，RRC消息还可能携带无线能力信息、UE的属性等信息。

步骤102：基站为该UE的附着请求选择LCF。具体而言，基站可根据步骤101中UE发送的RRC消息携带的属性信息和PLMN ID选择LCF组。若UE发送的RRC消息没有携带属性信息，基站可选择缺省配置的LCF组为该UE服务，于选定LCF组后，若该LCF组由多个LCF组成，基站在该LCF组中为UE选择一个LCF为该UE服务。于此，选中的LCF称为Target LCF，简称T-LCF。

步骤103：基站将NAS消息附着请求发送给T-LCF，其中，在附着请求中携带UE保存的临时ID和接入点(APN，Access Point Name)信息。此外，UE的RRC消息还携带核心网能力信息等其他信息，基站将UE的无线能力信息和附着请求一起发送给T-LCF。

步骤104：T-LCF根据UE的签约、UE的能力信息、UE的其他属性决定是否需要为UE选择其他的LCF，若选择其他的LCF，则T-LCF向基站发送重定向请求，将NAS消息重定向到新的LCF。

而且，T-LCF为UE的接入选择一个为其服务的GCF，在选择GCF时可考虑UE的能力信息、签约、UE所选的PLMN ID等信息。其中，所选中的GCF称为Target GCF，简称T-GCF。

步骤105：若T-LCF中没有UE的上下文信息，则T-LCF向T-GCF发送上下文请求消息，获取UE的上下文信息。在该上下文请求消息中，T-LCF将UE的全局临时ID和上次接入的LCF(S-LCF)的LCF Code发送给T-GCF。

步骤106：若T-GCF中没有UE的上下文信息，则T-GCF从UE的全局 临时标识中获取上次接入的GCF(S-GCF)的标识。UE的全局临时标识为：S-GCF Group ID+S-GCF Code+UE Code，其中，S-GCF的全局标识为：S-GCF Group ID+S-GCF Code。T-GCF从S-GCF中获取UE的上下文信息。另外，在某些场景下(如非正常关机)，S-GCF需从S-LCF中获取UE的上下文信息。

步骤107：T-GCF给T-LCF发送UE的上下文信息，在UE的上下文信息中，T-GCF将UE的国际移动用户识别码(IMSI，International Mobile Subscriber Identification Number)、认证向量等信息发送给T-LCF。

步骤108：若T-LCF未能获取到UE的有效上下文信息，则T-LCF给UE发送ID请求消息，请求UE发送IMSI。

步骤109：UE给T-LCF发送ID响应，将IMSI发送给T-LCF。

步骤110：若T-LCF中没有有效的认证向量，则T-LCF向T-GCF请求认证向量；若T-GCF中也没有有效的认证向量，则T-GCF向HSS获取该UE的认证向量。

步骤111：若T-LCF决定要对UE进行身份认证，则T-LCF给UE发送认证请求。

步骤112：UE给T-LCF发送认证响应。

步骤113：T-LCF给T-GCF发送位置更新请求消息，T-LCF将UE在附着请求中携带的上次接入的临时ID、上次分配的TA list等发送给T-GCF。

步骤114：T-GCF在UE的上下文信息中将UE的当前服务LCF设置为T-LCF。T-GCF向HSS注册UE当前所在的位置，T-GCF将T-LCF和T-GCF的全局标识发送给HSS，HSS将上述信息保存在UE的上下文信息中。HSS将UE的签约数据发送给T-GCF。T-GCF决定是否给UE分配新的临时ID和TA list。

步骤115：T-GCF给T-LCF发送位置更新响应消息，在该消息中T-GCF将其给UE分配的新的临时ID和TA list、以及从HSS获取的UE的签约数据发送给T-LCF。

步骤116：T-LCF为UE选择SGW和PGW。T-LCF给SGW发送PDN 连接建立请求，并将UE在NAS消息附着请求中发送的APN、T-LCF选择的PGW信息发送给SGW。

步骤117：SGW为该PDN连接所需的承载分配隧道端点标识(TEID)，并给PGW发送建立会话请求。

步骤118：PGW为该UE的PDN连接分配IP地址、为承载分配TEID，并将上述信息，以及从SGW收到的SGW的TEID、APN等信息保存到UE的上下文信息中。PGW给SGW发送建立会话响应，将PGW为UE分配的IP地址、TEID、上下行TFT等信息发送给SGW。

步骤119：SGW给T-LCF发送PDN连接建立响应。

步骤120：T-LCF给基站发送初始UE上下文设置请求，在该消息中，T-LCF将附着响应NAS消息携带给UE。在上述附着响应NAS消息中，T-LCF将UE的上行TFT发送给UE。

步骤121：基站为UE的各承载分配空口资源，并通过RRC消息将空口资源配置给UE，并且在RRC消息中将附着响应NAS消息携带给UE。

步骤122：基站为UE的各承载分配X7接口上的TEID，并给T-LCF发送初始UE上下文设置响应，将X7接口的TEID发送给T-LCF。

步骤123：UE给T-LCF发送附着完成消息。

步骤124：T-LCF给SGW发送更新隧道请求，将基站分配的X7接口的TEID发送给SGW。

步骤125：SGW给T-LCF发送更新隧道响应。

图7为本发明较佳实施例中，UE发起跟踪区更新(TAU)的流程图。如图7所示的流程可用于周期性位置更新和跟踪区改变的位置更新。跟踪区改变的位置更新是当UE在空闲态移动进入一个新的跟踪区，且该跟踪区不在UE当前的跟踪区列表时发起的。在周期性跟踪区更新流程中，UE没有移出当前所保存跟踪区列表的服务范围。如图7所示，详细步骤描述如下：

步骤201：UE给基站(NodeB)发送NAS消息TAU请求，该NAS消息封装在RRC消息中发送给基站。在RRC消息中，UE将保存的旧的临时ID、上次接入的GCF(S-GCF)ID和上次接入的LCF(S-LCF)ID发送给 基站。在RRC消息中，UE还可能将无线能力信息、UE的属性等信息进行发送。

步骤202：基站为该UE的TAU请求选择LCF。具体而言，基站可根据步骤201中UE发送的RRC消息携带的属性信息以及上次接入的LCF类型选择LCF组。于选定LCF组后，若该LCF组由多个LCF组成，基站在该LCF组中为UE选择一个LCF为该UE服务。其中，选中的LCF称为Target LCF，简称T-LCF。

步骤203：基站将NAS消息TAU请求发送给T-LCF。其中，在TAU请求消息中携带UE保存的临时ID和TA list。基站将UE的无线能力信息和TAU请求消息一起发送给T-LCF。

步骤204：若UE在TAU请求中携带的上次接入的GCF ID所标识的GCF无法继续为该UE服务(如，UE当前所在位置的跟踪区不在上次接入的GCF的服务范围之内)，则T-LCF为UE选择一个新的GCF为其服务。在选择GCF时可考虑UE的能力信息、签约等信息。其中，所选中的GCF称为Target GCF，简称T-GCF。

步骤205：若T-LCF中没有UE的上下文信息，则T-LCF向T-GCF发送上下文请求消息，获取UE的上下文信息。在该上下文请求消息中，T-LCF将UE的全局临时ID发送给T-GCF。

步骤206：若T-GCF中没有UE的上下文信息，T-GCF从UE的全局临时标识中获取上次接入的GCF(S-GCF)的标识。UE的全局临时标识为：S-GCF Group ID+S-GCF Code+UE Code，其中，S-GCF的全局标识为：S-GCF Group ID+S-GCF Code。T-GCF从S-GCF中获取UE的上下文信息。

步骤207：T-GCF给T-LCF发送UE的上下文信息，在UE的上下文信息中，T-GCF将UE的IMSI、认证向量等信息发送给T-LCF。

步骤208：若T-LCF未能获取到UE的有效上下文信息，则T-LCF给UE发送ID请求消息，请求UE发送IMSI。

步骤209：UE给T-LCF发送ID响应，将IMSI发送给T-LCF。

步骤210：若T-LCF中没有有效的认证向量，则T-LCF向T-GCF请求 认证向量；若T-GCF中也没有有效的认证向量，则T-GCF向HSS获取该UE的认证向量。

步骤211：若T-LCF决定要对UE进行身份认证，则T-LCF给UE发送认证请求。

步骤212：UE给T-LCF发送认证响应。

步骤213：T-LCF给T-GCF发送位置更新请求消息，T-LCF将UE在TAU请求中携带的上次接入的临时ID、上次分配的TA list等带给T-GCF。

步骤214：T-GCF在UE的上下文信息中将UE的当前服务LCF设为T-LCF，并向HSS注册UE当前所在的位置，T-GCF将T-LCF和T-GCF的全局标识发送给HSS，HSS将上述信息保存在UE的上下文信息中。HSS将UE的签约数据发送给T-GCF。T-GCF决定是否给UE分配新的临时ID和分配新的TA list。

步骤215：T-GCF给T-LCF发送TAU响应消息，若T-GCF分配了新的临时ID和新TA list，则在该消息中T-GCF将其给UE分配的临时ID和TA list、以及从HSS获取的UE的签约数据发送给T-LCF。

步骤216：T-LCF为UE选择SGW。T-LCF给SGW发送会话建立请求。将UE的会话上下文信息发送给SGW。

步骤217：SGW为UE会话上下文中的每个承载分配TEID，并给相应的PGW发送会话修改请求。

步骤218：PGW从SGW收到的S5隧道TEID保存到UE的会话对应的承载上下文中。PGW给SGW发送会话修改响应。

步骤219：SGW给T-LCF发送会话建立响应，将SGW分配的X7接口隧道TEID发送给T-LCF。

步骤220：T-LCF给UE发送TAU接受NAS消息，T-LCF将新分配的UE临时ID和TA list发送给UE。

步骤221：UE给T-LCF发送TAU完成消息。

此外，本发明较佳实施例还提供一种移动网络分级架构的接入系统，包括：本地控制功能，用于当收到终端的接入请求后，向全局控制功能发送位 置更新请求；全局控制功能，用于为所述终端分配跟踪区列表和终端临时标识，并将所述跟踪区列表和终端临时标识发送给本地控制功能。

于一实施例中，接入请求为附着请求或跟踪区更新请求。

于一实施例中，全局控制功能，还用于在本地控制功能向全局控制功能发送位置更新请求之后，在全局控制功能为所述终端分配跟踪区列表和终端临时标识之前，在终端的上下文信息中将所述终端的当前服务的本地控制功能设置为本地控制功能。

于一实施例中，本地控制功能，还用于当收到终端的接入请求后，向全局控制功能发送位置更新请求之前，当所述接入请求携带的上次服务的全局控制功能标识对应的全局控制功能无法继续为所述终端服务时，选择新的全局控制功能为所述终端服务。

于一实施例中，本地控制功能，还用于当收到终端的接入请求后，向全局控制功能发送位置更新请求之前，当本地控制功能没有终端的上下文信息时，从所述全局控制功能或通过所述全局控制功能从上次服务的全局控制功能获取所述终端的上下文信息。

于一实施例中，全局控制功能，还用于在将所述跟踪区列表和终端临时标识发送给所述本地控制功能时，将所述终端的签约数据发送给所述本地控制功能。

于一实施例中，本地控制功能，还用于当收到终端的接入请求后，在向全局控制功能发送位置更新请求之前，利用认证向量对所述终端进行认证。

于一实施例中，本地控制功能，还用于在利用认证向量对所述终端进行认证之前，当所述本地控制功能没有有效的认证向量时，从全局控制功能或者通过全局控制功能从归属网络服务器获取所述认证向量。

此外，上述系统的具体处理流程同上述方法所述，故于此不再赘述。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。