专利名称：机载无线蜂窝网络中的基于飞机的网际协议子网的制作方法
技术领域：
本发明涉及蜂窝式通信，尤其涉及在机载无线蜂窝网络中创建基于网际协议的机 上子网。
背景技术：
无线通信领域中的一个问题是，在位于飞机中的乘客在非陆地蜂窝通信网络中的 小区站点间漫游时，管理由飞机网络向乘客提供的无线业务。飞机网络为多位用户服务，仍 然通过同时为多个个体用户服务的宽的带宽连接而链接到基于地面的网络。在现有无线网 络中仍有待于解决管理该宽的带宽连接以能够逐个识别基于飞机的用户身份。
在陆地蜂窝通信领域中，通常无线用户在其家庭蜂窝服务提供商的网络服务的区 域内移动并保持他们希望的用户特征组。在整个本地网络中的特征组可用性由本地蜂窝服 务提供商的数据库管理，该数据库常被称为归属位置寄存器(HLR)，具有通往一个或多个交 换机(分组或电路)和诸如语音邮件和短消息服务器的各种辅助设备的数据连接，以实现 这种无缝特征组管理。每位用户都与一对一通信连接关联，以访问期望的通信业务，一对一 通信连接包括服务小区站点上的信道。
如果无线用户要在网络间转换，从其归属蜂窝网络的覆盖区转换到同一或另一蜂 窝服务提供商(在这里称为“漫游蜂窝服务提供商”)的网络，不论其位置如何，无线用户都 应当有能力以统一的方式发起和接收呼叫。此外，给定无线用户的特征组应当能够与他们 一起透明地移动。然而，要出现这个特征组可传输性，需要数据库文件共享，其中，归属蜂窝 业务的归属位置寄存器(HLI )将用户的授权特征组概况传送到漫游蜂窝服务提供商的数 据库，该数据库常被称为访客位置寄存器(VLR)。VLR然后发现给定的漫游无线用户被授权 了特定特征组，并使漫游蜂窝服务提供商网络向无线用户透明地提供这些特征。通过这种 方式，漫游无线用户保持了与他们在其归属蜂窝服务提供商网络上所具有的同样的被授权 特征组，或“用户类别”。
在无线用户进入非陆地蜂窝通信网络(亦即，他们作为乘客在飞机中飞行)时，他 们遇到了常规与陆地蜂窝网络不相连的独特环境，其中飞机的无线网络将用户(这里也称 为“乘客”)连接到各种业务和内容。因此，飞机无线网络能够充当内容过滤器，或能够生成 针对飞机上各位乘客的独特类型的内容。然而，尽管飞机网络为多位乘客服务，但其经由在 基于地面的接入网络上具有单个IP地址的宽带射频连接而具有通往基于地面的接入网络 的链接。于是，宽的带宽射频连接同时承载着多位个体乘客的通信，但这些通信不能被基于 地面的接入网络逐个识别。在现有无线网络中仍有待于解决管理该宽的带宽连接以能够通 过向每位乘客的无线设备分配个体唯一的IP地址来逐一识别乘客。发明内容
通过用于在机载无线蜂窝网络中创建基于飞机的网际协议子网(这里称为“飞机 IP子网系统”)的本系统解决了上述问题并在本领域中实现了技术进步，本系统能够向工作于飞机中且由机载无线蜂窝网络服务的每个乘客无线设备分配各自的网际协议(IP)地 址，由此能够向逐一识别的无线设备提供无线业务。
飞机IP子网系统通过存储表示在飞机上的逐一识别的无线设备的数据向位于飞 机上的乘客提供无线通信业务。飞机IP子网系统向将飞机网络连接到基于地面的接入网 络的每个点到点协议射频链路分配单个IP地址并还创建飞机上的IP子网。IP子网利用用 于每个点到点射频链路的多个IP地址，由此使得每个乘客无线设备都能够以其自己的IP 地址而被唯一地识别。之所以实现这个效果，是因为点到点协议IPCP的两个终端都具有预 定义的IP地址池和/或配置了拓扑，使得每个点到点协议终端都能够利用比每个链路一个 更大数量的IP地址。这样的方法不改变IPCP或其他EVDO协议/消息传输，但确实允许无 线设备的个体IP地址能够被基于地面的接入网络直接看到。
向乘客提供的电子业务包括因特网、飞行中娱乐业务，例如多媒体呈现，以及基于 目的地的业务，其将乘客现有的旅行计划与对乘客在其标称目的地和其规划旅行日程可用 的附加业务提供链接起来，以及任选的语音业务。由此，在乘客飞行期间通过接入各种业务 为他们提供了机会来提高他们在飞行中和在其目的地的旅行体验。逐个识别每位乘客的无 线设备简化了这些业务的提供并能够基于为每位乘客创建的预定义概况定制这些业务。
这样提供飞机IP子网系统部分是利用“内部网络”实现的，内部网络连接“外部网 络”的两个部分，包括空中子系统和基于地面的接入网络。内部网络在空中子系统和基于地 面的接入网络之间传输用户业务(包括语音和/或其他数据)和特征组数据，由此使得位 于飞机中的乘客无线设备在陆地(基于地面的)和非陆地区域中都能够接收相容的无线通 信业务。
图1以方框图的形式示出了将空中子系统与基于地面的接入网络互连的复合空 对地网络的总体架构；
图2以方框图的形式示出了实现于多乘客商用飞机中的用于无线设备的典型的 基于飞机的网络的典型实施例的架构；
图3A和;3B以方框图形式示出了分别用于仅IP数据的业务和用于IP数据和语音 业务的典型EVDO蜂窝网络的架构；
图4示出了典型的EVDO网络会话协议栈；
图5以方框图形式示出了飞机IP子网系统的架构；
图6示出了各自的空对地链路上的连接分配；
图7以流程图形式示出了飞机IP子网系统的典型操作；以及
图8A以方框图形式示出了用于多架飞机的飞机IP子网系统的架构，而图8B示出 了多个空对地链路上的连接分配。
具体实施方式
整体系统架构
图1以方框图的形式示出了非陆地蜂窝通信网络的总体架构，该网络包括将外部 网络的两个要素，包括空中子系统3和地面子系统1互连的空对地网络2 (内部网络)。该图示出了非陆地蜂窝通信网络的基本概念，为了例示的简单，未包括典型非陆地蜂窝通信 网络中发现的所有要素。图1中披露的基本要素提供了用于实现非陆地蜂窝通信网络以向 位于飞机上的乘客无线设备提供内容的各种要素的相互关系的教导。
图1中所示的总体概念是提供了“内部网络”，内部网络连接“外部网络”的两段， 包括空中子系统3和地面子系统1。这是由空对地网络2实现的，空对地网络2在空中子系 统3和地面子系统1之间传输乘客通信业务(包括语音和/或其他数据)和控制信息以及 特征组数据，由此使位于飞机中的乘客无线设备能够在飞机中接收业务。
空中子系统
“空中子系统”是实施于飞机中的通信环境，这些通信可以基于各种技术，包括， 但不限于有线、无线、光学、声学(超声波)等。在题为“Aircraft-Based Network For Wireless Subscriber Stations”的美国专利No. 6，788，935中公开了这种网络的范例。
空中子系统3的优选实施例是使用无线技术并使无线技术是飞机上乘客和机组 人员携带的乘客无线设备固有的。于是，膝上型计算机可以通过WiFi或WiMax无线模式 (或通过有线连接，例如LAN)通信，或PDA可以通过VoIP (IP语音)传递电话语音业务。同 样地，使用GSM协议的手持蜂窝电话在处于飞机内部时通过GSM向空中子系统通信。当在 飞机到空中子系统3内部时，CDMA蜂窝电话会使用CDMA，模拟AMPS电话会使用模拟AMPS。 连接状态可以是分组交换或电路交换或两者。总的说来，空中子系统3的目标是，不论乘客 和机组人员携带的乘客无线设备使用什么技术，都能够使这些设备无缝且随处接入到空中 子系统3。
空中子系统3还提供了管理向工作于飞机座舱中的乘客无线设备提供业务的机 构。这种管理不仅包括提供乘客业务连接，而且包括提供授权每位乘客接收的非陆地特定 特征组的可用性。这些特征包括飞行中娱乐业务，例如多媒体呈现，以及基于目的地的业 务，其将乘客现有的旅行计划与对乘客在其标称目的地和其规划旅行日程可用的附加业务 提供链接起来。由此，在乘客飞行期间为他们提供了机会来提高他们在飞行中和在其目的 地的旅行体验。
在飞机中使用的乘客无线设备101可以与在蜂窝/PCS基于地面的通信网络中 使用的那些相同；不过，这些乘客无线设备101预先在为飞机服务的运营商注册过，和 /或用户具有用于验证的PIN号。此外，天线将乘客无线设备101与机舱内的收发基站 (BTS) 111-114互连起来，机舱内收发基站通常是集成了 BSC/MSC功能的微微小区。为每种 支持的空中接口技术增加BTS/BSC/MSC模块。交换机/路由器122充当空中子系统3和基 于地面的接入网络1之间的桥接功能(用于有限范围的媒体/内容和信令)，因为交换机/ 路由器122利用调制调解器123通过空对地网络2向基于地面的接入网络1拨打电话。本 系统的数据集中器821和空对地无线电设备822用于替代前述机舱内网络3和空对地网络 2之间具有向/从飞机的集总无线链路的一一成对的信道化接口。这个设备向/从集合数 据流转换来自基站的个体业务和信令信道，并通过在飞机行进时维持连续业务的空对地网 络2发射/接收集合数据流。空-地无线电设备822包括无线电发射设备和天线系统，以 与空对地网络2的基于地面的部分中的基于地面的收发器通信。基于要从飞机支持的业务 需求激活空对地网络2上分配的各业务信道。
空对地网络
显然，图1所示的空对地网络2是基于地面子系统1和位于飞机中的乘客无线设 备间的无线通信(射频或光的)一种，优选方式是射频连接的。该射频连接采取蜂窝拓扑 的形式，其中，通常超过一个小区描述复合空对地网络2的地理占据区或覆盖区。空对地连 接承载着乘客通信业务和本地网络信令业务。在优选实施例中，空对地网络2在各自的集 总通信信道中传输所有向/从飞机的业务。这种“单管道”在飞机在一个基于地面的小区 向下一个转换时管理硬切换和软切换方面具有明确的优点。这种方法还利用了更新的更高 速度的无线蜂窝技术。
或者，可以通过无线卫星连接实现空对地网络2，其中，分别在飞机和卫星之间以 及卫星和地面子系统1之间建立射频链路。这些卫星可以与地球同步(从地球基准点看起 来是固定的)，或如中地球轨道(MEO)和低地球轨道(LEO)的情形那样运行。卫星的范例包 括，但不限于地球同步Ku频段卫星、DBS卫星(直接广播卫星)、铱星系统、全球星系统和 国际海事卫星系统。对于专用卫星而言，例如用于直接广播卫星的那些而言，链路通常是单 向的，亦即，对于飞机而言，从卫星到接收平台。在这样的系统中，需要从飞机单向发射的链 路来进行双向通信。如前所述，在本质上，这种链路可以基于卫星或基于地面无线。最后， 其他用于向飞机通信的手段包括广域链路，例如HF(高频)无线电和更独特的系统，例如对 流层散射架构。
可以将空对地网络2视为在地面子系统1和空中子系统3之间传送乘客通信业务 以及控制和网络特征组数据的管道。可以将空对地网络2实现为单个射频链路或多个射频 链路，通过不同类型的链路，例如空对地链路和卫星链路对信号的一部分进行路由。于是， 在使用这里以各种组合描述的各种部件和架构概念实施这种系统时有大量的灵活性。
地面子系统
地面子系统1由边缘路由器140构成，边缘路由器将空对地网络2的语音业务与 传统蜂窝通信网络要素连接，包括基站控制器141及其带有被访问位置寄存器、归属位置 寄存器的关联移动交换中心142，以将语音业务互连到公共交换电话网144和其他这种功 能。此外，经由公共交换数据网络143将基站控制器141连接到因特网147，用于完成呼叫。 边缘路由器IM还经由IP语音服务器146提供数据业务到因特网147、公共交换电话网络 144的互连，以及其他这样的功能。这些包括验证服务器、操作子系统、CALEA和BSS服务器 145。
于是，位于飞机中的乘客无线设备101和基于地面的通信网络的地面子系统1之 间的通信经由空中子系统3和空对地网络2被传送到非陆地蜂窝通信网络的基于地面的基 站控制器141。如下所述并由空中子系统3、空对地网络2和基于地面的基站控制器141提 供的增强功能使得向位于飞机中的乘客无线设备101提供业务对于乘客而言是透明的。无 线电接入网络(RAN)支持从多架飞机进行通信，可以采用单个全向信号，或可以采用根据 方位角和/或仰角定义的多个空间扇区。飞机网络切换不同位置(不同地面子系统1)中 无线电接入网络(RAN)间的点到点通信链路，以便维持空对地网络2上业务的连续性。切 换可以是硬的或软的，或可以是空-地和地-空链路上硬和软切换的组合。
移动交换中心(MSC)为所有机载系统提供移动性管理，并提供在机载系统在邻近 地面子系统1的服务区之间移动时地面站之间的切换管理。基站控制器(BSC)与向/从收 发基站子系统(BTS)的所有业务接口连接。分组数据服务节点(PDSN)控制在机载系统相应服务区域之内它们之间每个收发基站子系统(BTQ的容量分配。
典型的基于飞机的网络
图2示出了实现于多乘客商用飞机200中的用于乘客无线设备的典型的基于飞机 的网络的架构。这个系统包括用于实现通信骨干的多个要素，通信主干用于实现多个属性 不同的无线通信设备的无线通信。用于乘客无线设备的基于飞机的网络包括局域网206， 其包括射频通信系统201，射频通信系统201使用扩展频谱范型并具有短工作距离。该网 络206支持来自乘客无线设备221-2M的电路交换和分组交换连接并通过网关收发器或收 发器210将这些乘客的无线设备221-224的通信互连到公共交换电话网(PSTN) 126和其他 目的地，例如因特网127或公共数据交换网络(PDSN)。无线乘客由此保持了他们各自的数 字身份，如同他们直接连接到公共交换电话网126—般。乘客无线设备221-2M包括多种 通信设备，例如膝上型计算机221、蜂窝电话222、MP3音乐播放器(未示出)、个人数字助理 (PDA)(未示出)、基于WiFi的设备223、基于WiMax的设备2M等，为了描述简单起见，不论 其实现具体细节如何，这里将其全部统称为“乘客无线设备”。
用于乘客无线设备的基于飞机的网络基本要素包括至少一个天线205或用于向/ 从位于飞机200之内的空中子系统3耦合电磁能量的模块，用于与飞机200之内的多个乘 客无线设备221-2 通信。至少一个天线205连接到无线控制器201，无线控制器201涵盖 用于调节与多个乘客无线设备221-224的无线通信的多个要素。无线控制器201包括至少 一个低功率射频收发器202，用于利用诸如PCS、CDMA或GSM的无线通信范型提供电路交换 的通信空间。此外，无线控制器201包括低功率射频收发器203，用于利用诸如WiFi (也可 以传送分组交换的网际协议语音(VoIP))的无线通信范型提供基于数据的分组交换的通 信空间。
最后，无线控制器201包括功率控制部分204，其用于调节多个乘客无线设备的功 率输出。它还用于由RF噪声或干扰设备防止机舱内乘客无线设备在处于非陆地模式时直 接和错误地接入地面网络。超低机载发射功率电平特征表示基于飞机的网络的无线控制器 201的功率控制要素对乘客无线设备的控制，以调节乘客无线设备221-2M产生的输出信 号功率，使基于地面的小区站点或基于地面的乘客无线设备接收到蜂窝信号的可能性最小 化。
显然，可以通过各种方式组合或分析无线控制器201的这些上述部分以生成与这 里公开的不同的实施。选择所述的特定实施以例示本发明的概念，并非意在将本概念的适 用性限制到其他实施。
无线控制器201通过骨干网络206连接到多个用于向乘客无线设备221-2 提供 业务的其他要素。这些其他要素可以包括用于为乘客无线设备的通信传输提供管理、交换、 路由和汇集功能的飞机接口 209。数据采集要素207用于与多个飞行系统传感器211-214 和全球定位系统要素216接口连接，以从如下所述的多个源收集数据。此外，经由有线连接 或无线连接将导频通信设备，例如显示器217和耳机218连接到本骨干网络206。
最后，使用网关收发器210将飞机接口 209互连到天线215，使得能够从用于乘客 无线设备的基于飞机的网络向位于地面的收发器发射信号。这些部件中包括通信路由器功 能，以向适当的目的地转发通信信号。于是，将指定给飞机上乘客的信号路由到这些个人， 而指向例如地面上的乘客的信号被路由到地面子系统。在实现飞机上的天线215时可以使用通常使最低点(指向地球)有效辐射功率(ERP)最小化的飞机天线模式，以为乘客无线 设备的基于飞机的网络服务。
m^mx^x^m
在每架飞机上，乘客接入电子通信通常是由乘客的无线设备登记过程调节的，其 中必须识别、认证和授权每个电子设备以接收业务。由于相对于乘客无线设备和飞机中现 存机载无线网络之间的无线通信而言，飞机是一个自给自足的环境，所有通信都是由网络 控制器控制的。于是，在乘客激活他们的无线设备时，在乘客的无线设备和网络控制器之间 发起通信会话，以识别乘客正使用的设备类型，从而识别其无线协议。在乘客的无线设备上 向他们提供“启动画面”，以宣布进入无线网络入口。一旦建立这一过程，网络控制器向乘客 无线设备发射一组登录显示，使得乘客能够标识他们自己并证实他们的身份(如果乘客无 线设备不能通过智能卡自动执行这些任务，则自动使乘客登录到网络中)。作为这个过程的 结果，为乘客无线设备提供了唯一的电子身份(IP地址)，网络能够对乘客无线设备做出响 应而无需额外的管理开销。验证过程可以包括使用安全过程，例如口令、扫描乘客的不可改 变特征(指纹、视网膜扫描等)等。
一旦乘客无线设备登录成功，乘客就能够访问可从网络获得的免费标准电子业务 或为特定乘客定制的电子业务。可以对呈现给乘客的屏幕进行定制，以呈现乘客所乘坐航 线的品牌。
移动无线网络架构
为了描述简单起见，以下范例基于使用CDMA2000 EVDO蜂窝网络范型。然而，这里 例示的概念不限于这种实施，可以预期，基于其他网络架构和实施，可以创造出其他实施方 式。因此，图3A和;3B以方框图形式示出了分别用于仅IP数据的业务和用于IP数据和语音 业务的典型EVDO蜂窝网络的架构，用于例示本飞机IP子网系统的架构和运行。CDMA2000 是一种混合式2. 5G/3G移动电信技术，使用CDMA (码分多址)在无线设备和小区站点之间 发送数字无线电、语音、数据和信令数据。CDMA2000蜂窝网络的架构和运行由第三代合作伙 伴计划2(3GPP》标准化。在CDMA2000蜂窝网络中，支持两种无线电接入网络技术=IxRTT 和EV-DO (演化-数据优化)，其中在使用EV-DO接入网络时，CDMA2000被视为第三代(3G) 技术。
CDMA2000蜂窝网络(这里也称为“接入网络”)包括三个主要部分核心网络 (CN)、无线电接入网络(RAN)和无线设备(MQ。核心网络(CN)进一步分成两个部分，一个 部分接口连接到诸如公共交换电话网(PSTN)的外部网络，另一个接口连接到基于IP的网 络，例如因特网311和/或专用数据网312。无线设备MS终结蜂窝网络用户侧的无线电路 径，使用户能够通过被实施为互连无线设备(MS)与接入网络300的接口 接入网络业务。
如图3A所示，用于仅IP数据的接入网络300的几个关键部件是
基站收发系统(BTS)在^!参考点之间提供传输能力的实体。基站收发系统(BTS) 由无线电设备、天线和设备构成。
基站控制器(BSC)为一个或多个基站收发系统(BTQ提供控制和管理的实体。
分组控制功能(PCF)提供通往分组交换网络(因特网311和/或专用数据网312) 的接口功能的实体。
无线设备(MS)作为移动IP客户端工作。无线设备(MS)与接入网络300交互以获得用于交换分组的适当无线电资源，并跟踪无线电资源的状态(例如，活动、待机、休眠)。 在无线电资源未到位或不足以支持通向接入网络300的流时，无线设备(MS)从基站收发系 统(BTS)接受缓冲分组。在加电时，无线设备(MS)自动在移动交换中心(MSC)中的归属位 置寄存器(HLR)处登记，以便
针对所接入网络的环境认证无线设备(MS)；
为归属位置寄存器(HLR)提供无线设备的当前位置；以及
为服务移动交换中心(MSC)提供无线设备的许可特征组。
在归属位置寄存器(HLR)成功注册之后，无线设备(MQ准备好拨打语音和数据呼 叫。根据无线设备自身遵从IS-2000标准(还是缺少)，这些可以采取两种形式的任一种 电路交换数据(CSD)或分组交换数据(PSD)。
无线设备必须遵守IS-2000标准以使用接入网络300发起分组数据会话。仅有 IS-95能力的无线设备限于经公共交换电话网(PSTN)发射的电路交换数据，而IS-2000终 端能够选择分组交换数据或电路交换数据。无线设备(MQ通过空中链路(AL)向接入网络 300转发的参数决定了所请求的业务类型。对于每次数据会话，在无线设备(MQ和分组数 据服务节点(PDSN)之间创建点到点协议(PPP)会话。可以由分组数据服务节点(PDSN)或 动态主机配置协议(DHCP)服务器经由归属代理(HA)提供每个无线设备的IP地址分配。
无线电接入网络(RAN)
无线电接入网络(RAN)是无线设备传送数据或语音内容的进入点。它包括
空中链路(AL)；
小区站点塔/天线以及通往收发基站的电缆连接；
子系统(BTS)；
收发基站子系统(BTS)；
从收发基站子系统到基站的通信路径；
站控制器(BSC)；
基站控制器(BSC)；以及
分组控制功能(PCF)。
无线电接入网络(RAN)有若干影响网络传送特别分组业务的职责。无线电接入网 络(RAN)必须将移动客户端标识符参考映射到用于与分组数据服务节点(PDSN)通信的唯 一链路层标识符，针对接入业务验证无线设备并维持所建立的传输链路。
收发基站子系统(BTS)控制空中链路(AL)的活动并充当接入网络300和无线设 备(MS)之间的接口。在收发基站子系统(BTS)处管理射频资源，例如频率分配、扇区分离 和发射功率控制。此外，收发基站子系统(BTQ管理从小区站点到基站控制器(BSC)的回 程，以使这两个要素之间的任何延迟最小化。
基站控制器(BSC)在小区站点和移动交换中心(MSC)之间路由语音和电路交换数 据消息。它还承担着移动性管理的责任在需要的情况下控制和指导从一个小区站点到另 一个的切换。
分组控制功能(PCF)在小区站点之内的移动站(MS)和分组数据服务节点(PDSN) 之间路由IP分组数据。在分组数据会话期间，它根据需要分配可用的附加信道，以遵循无 线设备(MS)请求并由用户付费的业务。
分组数据服各节点(PDSN)
分组数据服务节点(PDSN)是从无线电接入网络(RAN)进入公共和/或专用分组 网络的网关。在简单的IP网络中，分组数据服务节点(PDSN)充当独立的网络接入服务器 (NAS)，而在移动IP网络中，可以将其配置成归属代理(HA)或异地代理(FA)。分组数据服 务节点(PDSN)实施以下动作
通过建立、维持和终止通往移动客户端的链路层来管理基站子系统(BTQ、基站控 制器(BSC)和IP网络之间的无线电分组接口 ；
终止用户发起的点到点协议(PPP)会话；
为用户(从内部池或通过动态主机配置协议(DHCP)服务器或通过认证、授权和计 费(AAA)服务器)提供IP地址；
执行通往外部分组数据网络的分组路由或通往归属代理(HA)的分组路由，它们 可以任选地经由安全隧道；
收集和转发分组帐单数据；
主动基于从认证、授权和计费(AAA)服务器的SCS服务器接收的概况信息管理用 户业务；以及
在本地认证用户，或向认证、授权和计费(AAA)服务器转发认证请求。
认证、授权和计费服各器
认证、授权和计费(AAA)服务器用于认证和授权用户的网络接入，以存储用户的 使用统计信息，用于记账和开发票。
归属代理
归属代理(HA)支持进入支持IxRTT的其他网络的无缝数据漫游。归属代理(HA) 为移动设备提供锚IP地址并向适当的网络转发任何移动绑定的业务，以传送给手机。它还 维持用户登记、向分组数据服务节点(PDSN)重定向分组并(任选地)向分组数据服务节点 (PDSN)进行安全隧穿。最后，归属代理(HA)支持从认证、授权和计费(AAA)服务器动态分 配用户并(再次任选地)分配动态的归属地址。
CDMA2000接入网络中的传统单呼叫设置
下面描述各自的无线设备在CDMA2000接入网络中建立通信连接的成功呼叫设置 方案。注意，这一解释省略了收发基站子系统(BTQ的无线电接收/发射活动，而是集中在 开始于无线设备(MS)和基站控制器(BSC)之间的起始对话的协议功能
1.为了针对分组数据业务注册，无线设备(MQ通过接入信道向基站子系统(BSS) 发送起始消息。
2.基站子系统(BSS)确认收到起始消息，向无线设备(MS)返回基站确认命令。
3.基站子系统(BSS)构造CM服务请求消息并向移动交换中心(MSC)发送该消息。
4.移动交换中心向请求分配无线电资源的基站子系统(BSS)发送分配请求消息。 不向分组数据呼叫分配移动交换中心(MSC)和基站子系统(BSS)之间的陆地电路。
5.基站子系统(BSS)和无线设备(MS)执行无线电资源设置程序。分组控制功能 (PCF)发现没有与该无线设备(MQ关联的AlO连接，并为该数据呼叫选择分组数据服务节 点(PDSN)。AlO连接是由标准主体定义的术语，是指基站控制器(BSC)和分组数据服务节 点(PDSN)之间的接口，其中AlO指代基站控制器(BSC)和分组数据服务节点(PDSN)之间交换的IP用户数据。
6.分组控制功能(PCF)向选定的分组数据服务节点(PDSN)发送All注册请求消息。
7.验证All注册请求，分组数据服务节点(PDSN)通过返回All注册回复消息来接 受连接。分组数据服务节点(PDSN)和分组控制功能(PCF)为AlO连接创建绑定记录。术 语All是指基站控制器(BSC)和分组数据服务节点(PDSN)之间交换的信令。
8.在无线电链路和AlO连接都建立起来之后，基站子系统(BSS)向移动交换中心 (MSC)发送分配完成消息。
9.移动和分组数据服务节点(PDSN)建立链路层(PPP)连接，然后在链路层(PPP) 连接上执行MIP登记流程。
10.在完成MIP登记之后，移动设备可以通过在AlO连接上的GRE成帧来发送/接 收数据。
11.分组控制功能(PCF)周期性发送All注册请求消息，用于为AlO连接刷新登记。
12.对于经验证的All注册请求，分组数据服务节点(PDSN)返回All登记回复消 息。分组数据服务节点(PDSN)和分组控制功能(PCF)都更新AlO连接绑定记录。
对于电路交换的话音呼叫，需要图IBB中所示的额外要素。具体而言，从分组数据 服务节点(PDSN)向媒体网关(MGW)转发从无线设备(MQ接收的分组交换语音，其中将其 变换成电路交换语音并提供给公共交换电话网(PTSN)。此外，与会话发起协议代理服务 器(SIP)交换呼叫建立数据以提供用于基于IP的通信的信令和呼叫建立协议，该通信能 够支持公共交换电话网(PSTN)中存在的呼叫处理功能和特征的超集。媒体网关控制功能 (MGCF)和信令网关(SGW)实现信令系统7(SS7)中存在的呼叫处理特征。
图4示出了典型的EVDO网络会话协议栈。在不同终端上终止现有协议中的各层。 于是，应用层以及TCP(或UDP/IP)信令协议管理无线设备(MQ和服务器之间的通信，该服 务器执行无线设备(MS)访问的应用软件。如下所述，点到点协议(PPP)从作为一个端点的 无线设备(MS)和分组数据服务节点(PDSN)扩展。如上所述，空中链路(AL)从无线设备 (MS)延伸到收发基站子系统(BTS)，而无线电链路协议(RLP)从无线设备(MS)延伸到基站 控制器(BSC)，以探测分组损失并响应于传输错误进行重发。
从以上描述可以看出，这一接入网络300是以无线设备为中心的，因为它基于每 个无线设备与本地收发基站子系统(BTS)建立个体空中链路(AL)射频连接。在本架构中 没有什么专门解决如下情形的问题由来自一些位置(飞机、轮船、火车等)的宽带通信链 路为多个无线设备服务，且宽带链路终止于接入网络300的边缘。使用宽带链路的困难在 于，分组数据服务节点(PDSN)向宽带链路分配单个IP地址作为点到点协议(PPP)的一部 分，宽带链路远端存在的无线设备不被分组数据服务节点(PDSN)识别，因此，不接收单项 业务。
用于飞机上无线设备的各自的IP地址
附图以方框图形式示出了飞机IP子网系统的架构，而图6示出了各自的空对地链 路上的连接分配，图7以流程图形式示出了飞机IP子网系统的典型运行。在EVDO点到点 协议(PPP)中利用网际协议控制协议(IPCP)进行的协商允许向点到点协议链路(例如图2所示的空对地链路108)分配单个IP地址。然而，如果点到点协议(PPP)的终端都具有 预定义的IP地址池和/或配置了多设备拓扑，每个点到点协议(PPP)终端能够利用比每个 空对地链路108 —个更大数量的IP地址。点到点协议(PPP)是两个通信设备(也称为“端 点”)之间建立的面向连接的协议，用于封装数据分组(例如因特网分组)以在两个通信设 备之间传输。点到点协议(PPP)允许端点建立逻辑连接并在通信端点之间传输数据而不论 下层物理连接是什么(例如以太网、ATM或ISDN)。
这种方式不改变网际协议控制协议(IPCP)或其他EVDO协议/消息传输。更多IP 地址的好处是机载网络能够为每个乘客无线设备(MS)分配唯一的IP地址，并使该地址可 由基于地面的接入网络及其关联系统直接看到。通过使分组数据服务节点(PDSN)将无线 设备(MQ网络地址标识符(NAI)与现有IP地址池(或子网)相关联来完成为每个点到点 协议(PPP)链路分配多个IP地址的方法，因为每个无线设备(MQ具有唯一的网络地址标 识符(ΝΑΙ)。分组数据服务节点(PDSN)从该预定义的IP地址池分配第一地址给空对地链 路，分组数据服务节点(PDSN)分配整个池供机载网络使用，以分配给飞机上存在的无线设 备(MS)。
如应用于图5和6那样，在图7中以流程图形式示出了飞机IP子网系统的运行。 在步骤701，激活飞机网络501，飞机调制调解器502发起与服务地面子系统1的射频通信 链路。服务地面子系统1中的分组数据服务节点(PDSN)在步骤702建立通往飞机网络501 的飞机调制调解器502的点到点(PPP)隧道(射频链路)。在步骤703，分组数据服务节点 (PDSN)选择IP地址的可用子集，该子集表示可用于飞机网络501中的一组子网IP地址。 在图5中将这些示为IPw. *，这是专有全局唯一的静态IP地址。于是，每个分组数据服务节 点(PDSN)具有至少一组子网IP地址，每组都是为分组数据服务节点(PDSN)服务的飞机保 留的。将IPw. 1组中的第一 IP地址分配给点到点(PPP)隧道，并将IPw. 2-IPw. η组的剩余 成员发送到飞机网络501，以在那里存储于表格中，供将来分配给工作于飞机中的乘客无线 设备。
为指向飞机上的乘客无线设备的数据传输分配所识别飞机上该设备的IP子网地 址(例如IPw. k)作为地址。在步骤704，飞机网络控制器(ACPU)管理网络地址表(NAT)以 将乘客无线设备IPy. *与表示通往分组数据服务节点(PDSN)的点到点(PPP)射频通信链 路中的信道的所分配IP地址IPw.*关联起来。如图6所示，通往分组数据服务节点(PDSN) 的点到点(PPP)射频通信链路包括多个与IP子网地址IPw.*相关的子网隧道AlO隧道 1-A10隧道5。飞机网络控制器(ACPU)每次在步骤705中向乘客无线设备分配子网IP地 址，它都在网络地址表(NAT)中存储乘客无线设备的网络地址标识符(NAI)，还向分组数据 服务节点(PDSN)发射乘客无线设备的网络地址标识符(NAI)以在网络地址表中存储。于 是，利用相同信息协调点到点(PPP)射频通信链路的两端。这个过程不需要改变成网际协 议控制协议(IPCP)消息传输/程序。
所生成的表格对于每个数据中心(即使是PDSN)而言是唯一的，这简化了网络路 由。然而，在飞机由于切换而连接到不同数据中心(或甚至PDSN)时，将改变其子网。分组 数据服务节点(PDSN)基于正向链路IP PDU的DSCP标记将IP协议数据单元(PDU)数据位 放入各自的点到点协议(PPP)链路之内的各种流(A10隧道)中。
图8A以方框图形式示出了用于多架飞机的飞机IP子网系统的架构，而图8B示出16了多个空对地链路上的连接分配。该图类似于图5和6，仅代表针对同一分组数据服务节点 (PDSN)服务的多架飞机的范例。可以看出，每架飞机具有其自身唯一的一组子网IP地址 IPw. *、IPx. *、IPz.*等。每个点到点(PPP)射频通信链路管理其自己的隧道，每个隧道用 于相关飞机上存在的一个乘客无线设备。
飞机IP子网系统能够向每个工作于飞机中并由机载无线蜂窝网络服务的乘客无 线设备分配各个网际协议(IP)地址，由此能够向各个被识别的无线设备提供无线服务。
权利要求
1.一种用于向位于飞机上的多个乘客无线设备提供各自的基于地面的接入网络IP地 址的系统，包括位于所述飞机中的飞机网络模块，用于产生射频通信信号，以与位于所述飞机中的所 述多个乘客无线设备中的至少一个通信，包括数据集中器模块，用于将从位于所述飞机中的所述多个乘客无线设备接收的用户业务 和信令信道转换成至少一个集合数据流；基于地面的接入网络模块，用于与至少一个基于地面的通信网络交换通信信号；空对地网络模块，用于所述飞机网络模块和所述基于地面的接入网络模块之间的射频 通信，以承载所述至少一个集合数据流；其中所述基于地面的接入网络模块包括数据解集中器模块，用于将所述至少一个集合数据流解集中成多个数据流并向对应的 基于地面的通信网络传送所述多个数据流中的每个；以及子网模块，用于存储表示用于关联的集合数据流的至少一组唯一 IP地址且可由每个 所述乘客无线设备在所述飞机上使用的数据。
2.根据权利要求1所述的用于提供各自的基于地面的接入网络IP地址的系统，其中所 述子网模块包括链路地址分配模块，用于响应于所述空对地网络模块在所述飞机网络模块和所述基于 地面的接入网络模块之间建立射频通信链路以承载所述集合数据流，从所述一组唯一 IP 地址之一向所述射频通信链路分配IP地址。
3.根据权利要求2所述的用于提供各自的基于地面的接入网络IP地址的系统，其中所 述子网模块还包括子网激活模块，用于向所述飞机网络模块传送表示所述一组唯一 IP地址的数据。
4.根据权利要求3所述的用于提供各自的基于地面的接入网络IP地址的系统，其中所 述子网模块还包括乘客数据库模块，用于存储数据，以识别位于所述飞机上的被激活的所述乘客无线设 备中的每个；以及相关模块，用于将所述一组唯一 IP地址之一关联到所识别的乘客无线设备。
5.根据权利要求2所述的用于提供各自的基于地面的接入网络IP地址的系统，其中所 述子网模块还包括切换模块，用于响应于所述射频通信链路被切换到另一基于地面的接入网络模块，向 所述另一基于地面的接入网络模块发射表示所述一组唯一 IP地址的数据。
6.根据权利要求1所述的用于提供各自的基于地面的接入网络IP地址的系统，还包括其中所述基于地面的接入网络模块包括数据集中器模块，用于将从所述对应的基于地面的通信网络接收的用户业务和信令信 道转换成至少一个集合数据流；并且其中所述飞机网络模块还包括数据解集中器模块，用于将所述至少一个集合数据流解集中成多个数据流并向位于所 述飞机中的所述多个乘客无线设备之一传送所述多个数据流中的每个。
7.一种用于向位于飞机上的多个乘客无线设备提供各自的基于地面的接入网络IP地 址的方法，包括在位于所述飞机中的飞机网络中产生射频通信信号，以与位于所述飞机中的所述多个 乘客无线设备中的至少一个通信，包括将从位于所述飞机中的所述多个乘客无线设备接收的用户业务和信令信道转换成至 少一个集合数据流；在基于地面的接入网络中与至少一个基于地面的通信网络交换通信信号； 在所述飞机网络和所述基于地面的接入网络之间建立空对地射频通信，以承载所述至 少一个集合数据流；其中所述交换步骤包括将所述至少一个集合数据流解集中成多个数据流并向对应的基于地面的通信网络传 送所述多个数据流中的每个；以及管理表示用于关联的集合数据流的至少一组唯一 IP地址且可由每个所述乘客无线设 备在所述飞机上使用的数据。
8.根据权利要求7所述的用于提供各自的基于地面的接入网络IP地址的方法，其中所 述管理子网数据的步骤包括响应于所述空对地网络模块在所述飞机网络和所述基于地面的接入网络之间建立射 频通信链路以承载所述集合数据流，从所述一组唯一 IP地址之一向所述射频通信链路分 配IP地址。
9.根据权利要求8所述的用于提供各自的基于地面的接入网络IP地址的方法，其中所 述管理子网数据的步骤还包括向所述飞机网络提供表示所述一组唯一 IP地址的数据。
10.根据权利要求9所述的用于提供各自的基于地面的接入网络IP地址的方法，其中 所述管理子网数据的步骤还包括存储数据，以识别位于所述飞机上的被激活的所述乘客无线设备中的每个；以及 将所述一组唯一 IP地址之一关联到所识别的乘客无线设备。
11.根据权利要求8所述的用于提供各自的基于地面的接入网络IP地址的方法，其中 所述管理子网数据的步骤还包括响应于所述射频通信链路被切换到另一基于地面的接入网络，向所述另一基于地面的 接入网络发射表示所述一组唯一 IP地址的数据。
12.根据权利要求7所述的用于提供各自的基于地面的接入网络IP地址的方法，还包括其中所述交换步骤还包括将从所述对应的基于地面的通信网络接收的用户业务和信令信道转换成至少一个集 合数据流；并且其中所述在所述飞机网络中产生的步骤还包括将所述至少一个集合数据流解集中成多个数据流并向位于所述飞机中的所述多个乘 客无线设备之一传送所述多个数据流中的每个。
13.一种用于向位于飞机上的多个乘客无线设备提供各自的基于地面的接入网络IP地址的系统，包括位于所述飞机中的基于飞机的网络模块，用于产生射频通信信号，以与位于所述飞机 中的所述多个乘客无线设备中的至少一个通信；基于地面的接入网络模块，用于将来自所述多个乘客无线设备中的至少一个的所述射 频通信与常规语音和数据交换系统互连；内部网络模块，用于互连所述基于飞机的网络模块和所述基于地面的接入网络模块， 以通过在所述飞机网络模块和所述常规语音和数据交换系统之间交换用户业务以及网络 信令和管理数据中的至少一种，来在所述多个无线用户设备和所述常规语音和数据交换系 统之间建立通信；其中所述基于地面的接入网络模块包括数据集中器模块，用于将从所述常规语音和数据交换系统接收的用户业务和信令信道 转换成集合数据流；其中所述飞机网络模块包括数据解集中器模块，用于将从所述空对地网络模块接收的集合数据流转换成针对所述 多个无线用户设备的用户业务和信令信道；以及子网模块，用于存储表示用于关联的集合数据流的至少一组唯一 IP地址且可由每个 所述乘客无线设备在所述飞机上使用的数据。
14.根据权利要求13所述的用于提供各自的基于地面的接入网络IP地址的系统，其中 所述子网模块包括链路地址分配模块，用于响应于所述空对地网络模块在所述飞机网络模块和所述基于 地面的接入网络模块之间建立射频通信链路以承载所述集合数据流，从所述一组唯一 IP 地址之一向所述射频通信链路分配IP地址。
15.根据权利要求14所述的用于提供各自的基于地面的接入网络IP地址的系统，其中 所述子网模块还包括子网激活模块，用于向所述飞机网络模块提供表示所述一组唯一 IP地址的数据。
16.根据权利要求15所述的用于提供各自的基于地面的接入网络IP地址的系统，其中 所述子网模块还包括乘客数据库模块，用于存储数据，以识别位于所述飞机上的被激活的所述乘客无线设 备中的每个；以及相关模块，用于将所述一组唯一 IP地址之一关联到所识别的乘客无线设备。
17.根据权利要求14所述的用于提供各自的基于地面的接入网络IP地址的系统，其中 所述子网模块还包括切换模块，用于响应于所述射频通信链路被切换到另一基于地面的接入网络模块，向 所述另一基于地面的接入网络模块发射表示所述一组唯一 IP地址的数据。
18.根据权利要求13所述的用于提供各自的基于地面的接入网络IP地址的系统，还包括其中所述基于地面的接入网络模块包括数据集中器模块，用于将从所述对应的语音和数据交换系统接收的用户业务和信令信 道转换成至少一个集合数据流；并且其中所述飞机网络模块还包括数据解集中器模块，用于将所述至少一个集合数据流解集中成多个数据流并向位于所 述飞机中的所述多个乘客无线设备之一传送所述多个数据流中的每个。
19.一种用于向位于飞机上的多个乘客无线设备提供各自的基于地面的接入网络IP 地址的方法，包括在基于飞机的网络中产生射频通信信号，以与位于所述飞机中的所述多个乘客无线设 备中的至少一个通信；在基于地面的接入网络中将来自所述多个乘客无线设备中的至少一个的所述射频通 信与常规语音和数据交换系统互连；互连所述基于飞机的网络和所述基于地面的接入网络，以通过在所述飞机网络和所述 常规语音和数据交换系统之间交换用户业务以及网络信令和管理数据中的至少一种，来在 所述多个无线用户设备和所述常规语音和数据交换系统之间建立通信；其中所述在基于地面的接入网络中互连的步骤包括将从所述常规语音和数据交换系统接收的用户业务和信令信道转换成集合数据流；其中所述在飞机网络中产生的步骤包括将从所述空对地网络接收的集合数据流转换成针对所述多个无线用户设备的用户业 务和信令信道；以及管理子网数据，用于存储表示用于关联的集合数据流的至少一组唯一 IP地址且可由 每个所述乘客无线设备在所述飞机上使用的数据。
20.根据权利要求19所述的用于提供各自的基于地面的接入网络IP地址的方法，其中 所述管理子网数据的步骤包括响应于所述空对地网络模块在所述飞机网络和所述基于地面的接入网络之间建立射 频通信链路以承载所述集合数据流，从所述一组唯一 IP地址之一向所述射频通信链路分 配IP地址。
21.根据权利要求20所述的用于提供各自的基于地面的接入网络IP地址的方法，其中 所述管理子网数据的步骤还包括向所述飞机网络传送表示所述一组唯一 IP地址的数据。
22.根据权利要求21所述的用于提供各自的基于地面的接入网络IP地址的方法，其中 所述管理子网数据的步骤还包括存储数据，以识别位于所述飞机上的被激活的所述乘客无线设备中的每个；以及将所述一组唯一 IP地址之一关联到所识别的乘客无线设备。
23.根据权利要求20所述的用于提供各自的基于地面的接入网络IP地址的方法，其中 所述管理子网数据的步骤还包括响应于所述射频通信链路被切换到另一基于地面的接入网络，向所述另一基于地面的 接入网络发射表示所述一组唯一 IP地址的数据。
24.根据权利要求19所述的用于提供各自的基于地面的接入网络IP地址的方法，还包括其中所述交换步骤还包括将从所述对应的常规语音和数据交换系统接收的用户业务和信令信道转换成至少一个集合数据流；并且其中所述在所述飞机网络中产生的步骤还包括将所述至少一个集合数据流解集中成多个数据流并向位于所述飞机中的所述多个乘 客无线设备之一传送所述多个数据流中的每个。
全文摘要
飞机IP子网系统通过存储表示在飞机上的逐一识别的无线设备的数据向位于飞机上的乘客提供无线通信业务。飞机IP子网系统向将飞机网络连接到基于地面的网络的每个点到点协议链路分配IP地址并创建飞机上的IP子网。子网利用用于每个点到点链路的多个IP地址使得乘客无线设备能够以其自己的IP地址而被唯一地识别。之所以实现这个效果，是因为点到点协议IPCP的两个终端都具有预定义的IP地址池和/或配置了拓扑，使得每个点到点协议终端都能够利用比每个链路一个更大数量的IP地址。这样不改变IPCP或其他EVDO协议/消息传输，但允许该地址可被基于地面的网络看到。
文档编号H04B7/185GK102037660SQ200980118068
公开日2011年4月27日 申请日期2009年3月5日 优先权日2008年4月1日
发明者A·拉希德, B·A·劳尔, J·A·托宾, J·斯塔马托普洛斯, P·J·沃尔什, S·J·阿恩岑 申请人:Aircell有限公司