用于在演进分组核心中的毫微微小区实现的方法和系统与流程

本申请要求于2015年2月20日提交的名称为“Method of and System for Femto Cell Implementation in Evolved Packet Core”的美国专利申请No.14/627,272的优先权，并且要求于2014年4月17日提交的名称为“Method of and System for Femto Cell Implementation in Evolved Packet Core”的美国临时专利申请No.61/981,028的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。

技术领域

本发明总体涉及演进分组核心中的毫微微小区(femtocell)的实现，更具体地，涉及在涉及使用蜂窝接入作为回程机制的毫微微小区实现中提高性能和减少延迟。

背景技术：

演进分组核心(EPC)首先由3GPP在标准版本8中引入，并且是长期演进(LTE)系统的核心网络。决定了具有“平面建筑”。该方法是从性能和成本角度高效地处理有效载荷(数据流量)。在流量的处理中涉及很少的网络节点，并且避免协议转换。还决定了分离用户数据(也称为用户平面)和信令(也称为控制平面)，以使得缩放比例是独立的。

图1示出了演进分组系统(EPS)架构100的示例。系统架构100示出了通过演进UMTS陆地无线电接入网络(E-UTRAN)连接到EPC的用户设备(UE)105，该E-UTRAN是用于LTE实现的空中接口。演进节点B(eNodeB)110是用于LTE无线电的基站。在图1中，EPC由三个网络单元组成：服务网关(SGW)115、分组数据网络网关(PDN GW或PGW)120和移动性管理实体(MME)125。EPC连接到外部网络(其可以包括互联网或IMS或专用网络)。

MME 125处理控制平面。它经由S1-MME 130和S1-C 135接口处理与E-UTRAN接入的移动性和安全性相关的信令。MME 125负责在空闲模式下对UE 105进行跟踪和寻呼。它是非接入层(NAS)的终止点。

网关(SGW 115和PGW 120)处理用户平面。它们经由S1-U接口140在UE 105和外部网络之间传输IP数据业务。SGW 115是无线电侧和EPC之间的互连点。如其名称所指示的，该网关通过路由进入和输出的IP分组来服务UE 105。它是LTE内移动性(即，在eNodeB之间的切换的情况下)以及LTE和其他3GPP接入之间的锚点。它逻辑上连接到另一个网关PGW 120。

PGW 120是EPC和外部IP网络之间的互连点。这些网络称为PDN(分组数据网络)，因此称为网关。PGW 120路由去往和来自PDN的分组。PGW 120还执行各种功能，诸如IP地址/IP前缀分配或策略控制和计费。即使3GPP单独指定SGW 115和PGW 120逻辑单元，但实际上它们可以在相同的单个物理实体中实现。

毫微微小区是小型的、相对低功率的蜂窝基站，通常被设计用于在家庭或小型企业中使用，并且是所谓的小型小区实现的子集。它通常经由宽带(例如DSL或电缆)连接到服务提供商的网络。它通常在住宅环境中支持两到四个活动手机，在企业环境中支持八到十六个活动手机。毫微微小区在宏小区和微小区中使用的相同的许可频谱上操作，但是仅具有几十米的范围，以覆盖家庭或企业内的区域。毫微微小区允许移动网络运营商(MNO)在室内或在小区边缘扩展服务覆盖，特别是在其中接入另外被限制或不可用的情况下。对于移动运营商来说，毫微微小区的吸引力是对覆盖和容量的改进。消费者受益于改进的覆盖和潜在的更好的语音质量和电池寿命。

图2示出了毫微微小区200的示例性实现。在3GPP术语中，家庭节点B(HNB)是3G毫微微小区。家庭eNode B(HeNB)是LTE毫微微小区。UE 210通过其通信的HeNB 205与网络HeNB/毫微微网关(FemtoGW)215(当存在时)之间的或到MME 220的通信由强制性安全网关(SeGW)功能/逻辑实体225保护。由于在大多数部署中，HeNB 205通过宽带(电缆/xDSL)230经由回程提供对MNO的接入，所以SeGW 225提供安全性以使环境受信任。SeGW 225可以实现为单独的物理实体或与FemtoGW 215共处。HeNB 205和FemtoGW 215之间的接口是S1，并且承载用于控制业务的S1-MME业务和用于承载业务的S1-U业务。

技术实现要素：

在本发明的实施例中，公开了在演进分组核心中的毫微微小区实现的方法和系统。

在本发明的另一个实施例中，一种用于移动无线设备的使用蜂窝回程经由小型小区无线电接入网络与数据网络通信的系统，包括：用于与演进节点B(eNodeB)单元通信的第一数字通信接口；用于与分组数据网络通信的第二数字通信接口，以及经由所述第一数字通信接口与所述eNodeB单元通信的混合网关节点，并且所述混合网关节点经由第二数字接口与分组数据网络通信。混合网关节点包括处理器和存储器，其被配置为提供回程服务网关功能，提供回程分组数据网络网关功能，向移动设备提供服务网关功能，以及向移动设备提供分组数据网络网关功能。

在本发明的另一个实施例中，系统包括与混合网关节点通信的移动性管理实体(MME)。

在本发明的又一个实施例中，MME是混合MME，其包括处理器和存储器，其被配置为向移动设备提供回程MME功能和MME功能。

在本发明的另一个实施例中，混合MME的处理器和存储器被配置为缩放流控制传输协议关联。

在本发明的另一个实施例中，系统还包括毫微微网关节点，其存在于小型小区无线电接入网络的用户设备业务路径之外，同时保持在小型小区无线电接入网络的管理控制路径中。

在本发明的另一个实施例中，一种使用蜂窝回程经由小型小区无线电接入网络在数据网络中传送数据的方法包括：在混合网关节点处从小型小区无线电接入网络的演进节点B(eNodeB)单元接收数据。该方法还包括由混合网关节点根据回程服务网关功能处理数据，由混合网关节点根据回程分组数据网络网关功能处理数据，由混合网关节点根据用于移动设备与eNodeB通信的服务网关功能处理数据，由混合网关节点根据移动设备与eNodeB通信的分组数据网络网关功能来处理数据，以及将经处理的数据发送到分组数据网络。

在本发明的又一个实施例中，一种使用蜂窝回程经由小型小区无线电接入网络在数据网络中传送数据的方法包括：从分组数据网络接收数据。该方法还包括由混合网关节点根据用于与小型小区无线电接入网络的演进节点B(eNodeB)单元通信的移动设备的分组数据网络网关功能来处理数据，由混合网关节点根据移动设备与小型小区无线电接入网络的eNodeB单元通信的服务网关功能处理数据，由混合网关节点根据回程分组数据网络网关功能处理数据，由混合网关节点根据回程服务网关功能处理数据，并且在混合网关节点处将经处理的数据发送到小型小区无线电接入网络的eNodeB单元。

在本发明的另一个实施例中，该方法包括在混合网关节点和移动性管理实体(MME)节点之间交换控制数据。

在本发明的又一个实施例中，MME是混合MME，其中混合MME根据回程MME功能来处理控制数据，并且根据用于移动设备与eNodeB通信的MME功能来处理控制数据。

在本发明的又一个实施例中，混合MME缩放流控制传输协议关联。

在本发明的另一个实施例中，该方法包括：在用户设备业务旁路毫微微网关节点的同时将管理控制业务路由到毫微微网关节点以进行处理。

本文所阐述的任何方面和实施例可以与本文所阐述的实施例的任何其它方面组合。

附图说明

为了更完整地理解本发明的各种实施例，现在参考结合附图进行以下描述，其中：

图1示出了演进分组系统(EPS)架构的示例。

图2示出了毫微微小区的示例性实现。

图3示出了根据本发明的一个方面的具有蜂窝回程部署的毫微微小区。

图4示出了根据本发明的一个方面集成到毫微微小区实现中的蜂窝回程。

图5示出了根据本发明的一个方面的使用蜂窝回程的改进的毫微微小区实现。

图6示出了根据本发明的一个方面的使用蜂窝回程的进一步改进的毫微微小区实现。

图7示出了根据本发明的一个方面的使用蜂窝回程的改进的毫微微小区实现的另一个实施例。

图8示出了根据本发明的一个方面的使用蜂窝回程的进一步改进的毫微微小区实现。

具体实施方式

本发明的优选实施例提供了使用蜂窝回程而不是传统的固定宽带回程的改进的小型小区(这里称为“毫微微小区”)实现的架构。相对于已知的蜂窝回程实现，本发明的示例性实现具有改进的分组延迟和增加的分组核心容量。使用蜂窝回程而不是固定宽带(xDSL、电缆)回程更加理想的情况包括(1)当HeNB的放置导致毫微微小区的覆盖变化和容量增加时的这些时刻，诸如在家庭或其他结构之外，以及(2)在固定宽带覆盖不可用的移动环境(例如，出租车、公共汽车或其他公共/公共交通)中使用毫微微小区。

图3示出了具有蜂窝回程部署300的毫微微小区，其中HeNB 305通过蜂窝接入315连接到SeGW/FemtoGW 310。如图所示，HeNB 305和SeGW/FemtoGW 310之间的固定宽带回程320由蜂窝接入315取代。在这种情况下，HeNB 305还将充当LTE-UE(“UE-f”将用于表示在毫微微小区中充当UE的实体)，其用于路由来自UE 325的分组(连接到被表示为“UE-c”的HeNB 305)。在替代实现中，HeNB 305可以充当Wifi-AP(集成在HeNB 305内)并且允许附接到Wifi-AP的设备能够连接到PDN网络330。在这种情况下，相同的一般连接和路由概念应用。

图4示出了集成到毫微微小区实现400中的蜂窝回程。如上所述，HeNB 405还用作LTE-UE，并且由UE-f表示。HeNB 405和SeGW/FemtoGW 410之间的所有通信都经过由eNB(i)415、MME(j)420、SGW(k)425和PGW(1)430表示的该蜂窝回程。eNB(i)415、MME(j)420、SGW(k)425和PGW(1)430具有订户UE-f的状态上下文。对于附接到HeNB 405的UE 435(还由UE-c表示)、MME(e)440、SGW(f)445、PGW(g)450、HeNB(b)405、SeGW(c)/FemtoGW(d)410具有订户UE-c的状态上下文。为了获得订户UE-c的PDN接入，分组核心处理必须首先通过eNB(j)415、MME(j)420、SGW(k)425和PGW(1)430以到达SeGW(c)/FemtoGW(d)410，然后再次通过SeGW(c)/FemtoGW(d)410、SGW(f)445和PGW(g)450以到达期望的PDN网络455。

参考图4所示的实现，申请人已经认识到，通常UE-c 435和UE-f 405属于相同的MNO(因为毫微微小区由相同的MNO提供)。因此，MME(j)420是与MME(e)440相同的实体，SGW(k)425是与SGW(f)445相同的实体，并且PGW(1)430是与PGW(g)450相同的实体。因此，分组(尤其是UE-c的数据平面分组)穿过分组核心单元(由SGW(k)和SGW(f)表示的SGW和由PGW(j)和PGW(g)两次表示的PGW)。申请人已经发现，这样的架构对穿过网络的分组增加了延迟，并且降低了分组核心容量。假定承载分组(包括IMS信令)将必须被向前处理多次以通过SeGW(c)/FemtoGW(d)410，则引入了用于UE-c业务的相当大的信令和数据路径延迟。

图5示出了使用蜂窝回程500的改进的毫微微小区实现。在该实现中，在FemtoGW或MME实体上不需要改变，并且核心分组单元SGW和PGW上的改变被最小化。在该实施例中，消除了图4所示的SeGW。SeGW的作用是使HeNB 505和FemtoGW 510之间的通信安全。在该实现中，整个HeNB业务(对于连接到HeNB 505的所有UE)正在经过UE-f的数据平面，其按照定义是安全的。为了实现这种改进，在HeNB 505和FemtoGW 510之间的IPSec隧道被禁用，如图5所示。

图6示出了使用蜂窝回程600的进一步改进的毫微微小区实现。在上述实现中，到FemtoGW的HeNB通信可以用于控制、管理和数据目的。在这种情况下，FemtoGW用作HeNB的集中器，用于控制业务(以虚线示出的S1-MME)和UE业务(以实线示出的S1-U)。S1-MME业务是基于流控制传输协议(SCTP)的，而S1-U业务是基于用户数据报协议(UDP)的。即使在从信令规模的角度使用这种部署模式(例如，减少MME上的SCTP关联的数量，改进的寻呼优化以及表示单个eNB而不管网络中的HeNB的数量)中存在优点，但是从数据角度出发的优化的增益可以进一步提高。

在图6所示的实施例中，UE业务旁路了FemtoGW 605，而是转到SGW 610。以这种方式，SGW 610可以提供(home)HeNB 615的全部或子集。可选地，在SGW 610中进行附加增强以增加UDP/IP上下文以及GPRS隧道协议用户数据(GTP-U)回波消息的缩放比例以使得能够增加提供的HeNB的数量。同时，FemtoGW 605继续保持在到MME620的控制路径中。

可以设想的是，在某些实现中，可以通过使MME 620缩放SCTP关联，以从控制路径中移除FemtoGW 605。然而，如果FemtoGW 605具有与HeNB通信以控制那些HeNB的管理和安装的专有机制，则某些实施例在管理路径中保留FemtoGW 605。清楚的是，在控制路径中具有和不具有FemtoGW的实现在本发明的范围内。

图7示出了使用蜂窝回程700的改进的毫微微小区实现的另一个实施例。在实现700中，新的SGW(k'，f)705对来自UE 710的上行链路数据业务执行所有分组处理，其否则将在图6的单独的SGW(k)630、PGW(1)625和SGW(f)610中执行。类似地，新的PGW(1'，g)715对到UE-c 710的下行链路数据业务执行所有分组处理(图1)，其否则将在图6的单独的PGW(g)635、SGW(f)610和PGW(1)625中执行。在替代实施方式中，单独的SGW(k)630可以被维持与聚合的PGW(1)625和SGW(f)610分离。上述设计的实现可以可选地包括执行图6的MME(e)620和MME(j)640的功能的MME(j，e)745。

上述设计的实现通过在SGW和PGW实体之间在GTP-C上交换专有IE交换/扩展，咨询SAE-GW中的GTP回波表(用于SGW和PGW操作两者)和设置适当的数据结构和表以使能在PGW上可能进行这样的处理来完成。尽管为了清楚起见，在图7中将SGW(k'，f)705和PGW(1'，g)715示为两个实例，但是从数据平面的角度来看，整个分组处理被优化并且每当涉及任何的SGW(k'，f)或PGW(1'，g)时仅在一个实例720处发生。

实施方式700的优选实施例具有以下特征。HeNB 725主要专用于为例如LTE UE(UE-f)服务毫微微业务，并且能够为其支持1个唯一的接入点名称(APN)(例如，apn中继)，以便向核心网络标明这个业务流是用于LTE中继功能。如果HeNB 725还用作用于浏览业务的客户端设备(CPE)，则附加APN可以是可用的。源自HeNB 725的所有业务(包括管理业务和控制业务)或通过蜂窝回程连接到HeNB 725的UE 710的业务将使用唯一的中继APN。同时，使用唯一APN的业务将使用通用路由封装(GRE)来隧道化，使得上行链路业务使用“apn中继”IP地址作为源地址，并将目的地地址复制到GRE目的地地址中。所有下行链路业务由HeNB 725以相反的方式处理，例如，如果目的地IP地址与“apn中继”IP地址匹配，则IP报头被剥离，并且处理GTP分组。

同时，通过HeNB 725的上行链路业务(例如，信令、管理和/或数据)被用于经由HeNB 725将Femto-UE 710IP地址映射到毫微微网络。直到这发生，SGW(k)上的上行链路分组处理路径(作为705的一部分)可以以典型的方式进行。由于网络实体知道PGW(1)(作为715的一部分)是否在SGW(k)处(作为705的一部分)的相同群集中，将发生PGW(1)(作为715的一部分)的分组处理当能够时马上发生。

在实现700的实施例中，可以通过优化PGW(1)(作为715的一部分)上的上行链路分组处理路径来进行进一步的可选增强，如下所述。首先，输入分组的GTP报头被解包。以典型的方式处理到达非apn中继(non-apn-relay)APN的分组。相比之下，到达apn中继(apn-relay)APN的分组其IP报头被剥离，并且保存了源IP地址(这是UE-f)。如果内部分组是非GTP-U的分组，则以典型的方式转发分组。例如，分组可以是来自HeNB的SCTP或管理业务，以被转发到FemtoGW(如果存在)或直接转发到MME。这样的分组被正常地转发。如果内部分组是GTP-U分组，则检查源IP地址以确认该地址是用于SGW(例如，SGW(f))的有效GTP-U对等点(peer)，并且如果是，则UE-f IP地址被更新为HeNB映射，并且隧道端点标识符(TEID)被验证。在这一点上，典型的SGW分组处理如在图6的SGW(f)610上发生的那样发生，并且分组被转发到PGW(g)的内部实例(作为715的一部分)以用于如由标准定义的典型处理。最后，检查源IP地址以确认其是有效分配的PDN会话。

类似地，在实现700的实施例中，可以通过优化在PGW(g)(作为715的一部分)上的下行链路分组处理路径来做出其它可选的增强，如下所述。到达i14 730或i8 735的分组将是IP分组，如果由HeNB(b)725服务，则其需要在其经过i15 740时被GTP报头封装两次。这种IP分组将提供适当的服务处理(例如，QoS、计费等)并且PGW(g)将用GTP-U报头封装输入分组。接下来，将检查GTP-U分组凭证以确认SGW(f)(作为705的一部分)上的GTP-U验证，其中HeNB(b)725作为其GTP对等点。然后，GTP-U报头将用更新的GTP-U报头进行转换以进行处理。在向下游转发分组之前，SGW(f)(作为705的一部分)检查GTP-U分组中的目的地IP地址是否是有效的GTP对等点。例如，为了确认HeNB 725是SGW(f)(作为705的一部分)的对等点，SGW(f)(作为705的一部分)检查是否存在与GTP对等点相关联的UE-f。如果是，则提供具有被设置为目的地地址的UE-f IP地址和从GTP报头设置的源地址的空密钥GRE报头，并且将分组转发到用于典型处理的PGW(1)(作为715的一部分)。在SGW(k)(作为705的一部分)处的分组处理也是典型的分组处理。

如本文所示和所描述的，示例性实现700包括通过执行PGW和/或SGW中的一个或多个的功能和处理而充当混合网关节点的节点705、715和/或720中的一个或多个。此外，由混合节点执行的PGW和/或SGW功能可以是(i)另外将被包括在蜂窝回程中的PGW和/或SGW(即，其中为用作UE的毫微微小区提供PGW和SGW功能)和/或(ii)在架构的回程部分之外的PGW和/或SGW(即，其中为附着到毫微微小区的终端用户UE提供PGW和SGW功能)。这些节点经由数字通信接口与其他系统和网络单元(例如，eNodeB、分组数据网络服务器等)通信。例如，已知的网络接口硬件用于互连所需单元。

图8示出了使用蜂窝回程800的进一步改进的毫微微小区实现。在上述的一些实现中，SGW和PGW(包括这些实体的多个实例)使用如通过S11/S5-S8接口由3GPP定义的标准信令消息进行交互。换句话说，当SGW和/或PGW在控制路径或数据路径中交互时，对任何消息没有修改。然而，在实现800中，当SGW(k)805和/或SGW(f)810在控制路径上与PGW(1)815和/或PGW(g)820交互时，附加信息元素被交换以转移关于给定订户的状态的知识。这种信息交换便于各种表的维护，以优化分组处理，从而避免多跳问题以及减少用户路径中的总延迟。

此外，在具有多于一个SAE-GW(例如，SGW+PGW)的某些实现中，UE-f上下文可以被托管在除了UE-c上下文之外的单独的SAE-GW上。例如，SGW(k)805和PGW(l)815可以在除了SGW(f)810和PGW(g)820之外的单独SAE-GW上。通过在UE 825连接到HeNB 830的持续时间内将会话从SGW(f)810和PGW(g)820迁移到PGW(1)815，上述实施例可以进一步增强以减少双跳问题的负面影响。在该进一步的可选方面中，PGW(g)820和PGW(1)815具有用于S5/S8接口、认证、授权和计费(AAA)消息传送以及SGi侧接口的等效网络可达性(即，相同的外部连接)。此外，在各种SAE-GW单元之间存在特殊的AN-GTP连接，以交换各种GTP变体消息。

该可选方面通过特殊AN-GTP接口能够在所有SAE-GW处了解所有HeNB实体知识和UE-f上下文知识，使得所有SGW和PGW具有关于可达性信息的彼此的知识。在这种特殊的AN-GTP接口上，存在至少两种信息交换：(1)链路信息交换，其在运营商网络中的所有SAE-GW上通告GTP对等信息，以及(2)订户信息交换，其通告订户信息以帮助促进会话转移以避免双跳问题。

如上面更详细地阐述的，本发明的实施例包括具有蜂窝回程的毫微微小区(例如，3G或LTE毫微微小区)的实现，其中去除了在现有技术毫微微小区实现中通常存在的SeGW节点。本发明的实施例还包括其中从UE业务路径中移除现有技术毫微微小区中通常存在的FemtoGW的实现。此外，实施例包括其中消除现有技术毫微微小区的回程中存在的SGW和/或PGW节点并且由存在于回程之外的SGW和/或PGW执行所消除节点的功能的实现。

本文所公开的技术和系统可以实现为用于与计算机系统或计算机化电子设备一起使用的计算机程序产品。这样的实现可以包括固定在诸如计算机可读介质(例如，软盘、CD-ROM、ROM、闪存或其它存储器或固定盘)的有形介质上或经由调制解调器或其他接口设备(诸如通过介质连接到网络的通信适配器)可传输到计算机系统或设备的一系列计算机指令或逻辑。

介质可以是有形介质(例如，光学或模拟通信线路)或用无线技术(例如，Wi-Fi、蜂窝、微波、红外或其他传输技术)实现的介质。该系列计算机指令体现本文关于系统描述的功能的至少一部分。本领域技术人员应当理解，这样的计算机指令可以用多种编程语言编写以与许多计算机架构或操作系统一起使用。

此外，这样的指令可以存储在任何有形存储器设备中，诸如半导体、磁性、光学或其他存储器设备，并且可以使用任何通信技术(诸如光学、红外、微波或其他传输技术)来传输。

预期的是这样的计算机程序产品可以作为具有随计算机系统(例如，在系统ROM或固定磁盘上)预加载的印刷或电子文档(例如，收缩包装软件)的可移除介质来分发，或者通过网络(例如，因特网或万维网)从服务器或电子公告板分发。当然，本发明的一些实施例可以被实现为软件(例如，计算机程序产品)和硬件的组合。本发明的其它实施例被实现为完全硬件或完全软件(例如，计算机程序产品)。

此外，本文公开的技术和系统可以与各种移动设备一起使用。例如，能够接收本文所讨论的信号的移动电话、智能电话、个人数字助理和/或移动计算设备可以用于本发明的实现中。

通过阅读本公开内容，本领域普通技术人员将显而易见的是，本公开可以以不同于上面具体公开的形式来实施。因此，上述具体实施例被认为是说明性的而不是限制性的。本领域技术人员将仅使用常规实验来认识或能够确定本文所述的具体实施方案的许多等同物。本发明的范围如所附权利要求及其等同物所述，而不限于前面描述中包含的示例。