使用扩展DRX和PTW区对移动UE进行有效寻呼的方法与流程

使用扩展drx和ptw区对移动ue进行有效寻呼的方法
技术领域
1.本发明涉及一种使用扩展不连续接收(edrx)和寻呼时间窗口(ptw)区对移动用户设备(ue)进行有效寻呼的方法。


背景技术：

2.根据最近的市场预测，物联网(internet-of-things，iot)市场有望在未来几年内大幅增长。如供应链跟踪等许多用例都需要网络覆盖以及现今蜂窝网络提供的无缝移动支持。为了应对所期望的大量iot设备，3gpp标准化机构已将机器型通信(machine type communication，mtc)能力引入蜂窝网络技术。
3.在下文中，使用窄带物联网(narrowband internet-of-things，nb-iot)接入技术以及演进分组核心(evolved packet core，epc)说明本发明。本发明不限于所选择的技术，也可以应用于4g e-utran、emtc以及其他使用扩展不连续接收(extended discontinuous reception，edrx)的技术。
4.图1示出了第4代(4th generation，4g)3gpp蜂窝网络的网络架构参考模型。接入层(access stratum，as)由演进通用陆地无线接入网络(evolved universal terrestrial radio access network，e-utran)和用户设备(user equipment，ue)组成。演进型节点b(evolved node b，enodeb)是e-utran的网元。在本发明的描述中，术语enodeb、基站和无线接入节点被同义地使用。窄带iot是e-utran的子集。
5.演进分组核心(epc)包括以下子组件：移动管理实体(mobility management entity，mme)、服务网关(serving gateway，sgw)、分组数据网络网关(packet data network gateway，pgw)和归属用户服务器(home subscriber server，hss)。
6.mme是lte接入网络的关键控制节点。mme实体验证用户授权，利用跟踪区(tracking area，ta)管理用户设备(user equipment，ue)的位置，并存储用户ue设备的连接状态和安全参数。当跟踪区改变时，mme实例接收跟踪区更新。因此，它涉及承载激活/去激活过程，并且还负责在初始附着时以及在涉及核心网络(core network，cn)节点重定位的lte内切换时为ue选择服务网关(serving gateway，sgw)。它负责对用户进行身份验证(通过与归属用户服务器交互)。非接入层(non access stratum，nas)信令在mme处终止，并且它还负责生成临时标识并将其分配给ue。它检查ue的授权以预占服务提供商的公共陆地移动网络(public land mobile network，plmn)，并且实施ue漫游限制。mme是网络中用于nas信令的加密/完整性保护的终端点，并且处理安全密钥管理。mme提供用于lte和2g/3g接入网络之间的移动性的控制平面功能，s3接口在mme处与服务通用分组服务(general packet radio service，gprs)支持节点(serving gprs support node，sgsn)终止。mme还为漫游的ue终止朝向hss的s6a接口。
7.sgw路由和转发用户数据分组，同时在enodeb间切换期间充当用户平面的移动锚点，并充当lte与其他3gpp技术之间移动性的锚点(终止s4接口并中继2g/3g系统和分组数据网络网关之间的流量)。对于空闲状态的用户设备，当下行数据到达ue时，sgw终止下行数
据路径并触发寻呼。它管理并存储ue上下文，例如，ip承载服务的参数、网络内部路由信息。
8.分组数据网络网关(pdn gateway，也称为pgw)通过作为其流量的出口和入口点，提供从ue到外部分组数据网络(packet data network，pdn)的连接。一个ue可以同时与一个以上的分组数据网络网关连接，以接入多个分组数据网络。pgw执行策略实施、每个用户的数据包过滤、计费支持、合法监听和数据包筛选。pgw的另一个关键作用是充当3gpp与诸如wimax和3gpp2的非3gpp技术之间移动性的锚点。
9.hss是包括用户相关和订阅相关信息的中央数据库。hss的功能包括移动性管理、呼叫和会话建立支持、用户认证和接入授权等功能。hss基于pre-rel-4归属位置寄存器(home location register，hlr)和认证中心(authentication center，auc)。
10.在图1中，单个架构结构组件之间的转换表示作用于特定协议的接口。
11.出于在enodeb和ue之间进行同步的目的，as上的时间被划分为帧。nb-iot的帧结构如图2所示。一个子帧由两个500μs的时隙组成。一个10ms的系统帧包含10个子帧。一个超系统帧有1024个系统帧(10.24s)。一个超系统帧周期由1024个超系统帧组成，覆盖约3小时。
12.蜂窝网络支持处于活动和空闲状态的移动ue。当ue处于空闲状态时，网络跟踪在跟踪区(ta)级别上ue的位置。如图3所示，跟踪区6由连接到同一mme的一组enodeb 1至5组成。图3中的ta6包括第一无线接入节点1和四个相邻无线接入节点2、3、4、5，其中，每个无线接入节点是lte网络中的enodeb、enb。每个enodeb，即enb 1-enb 5，负责相邻小区中的无线电相关功能，其中，由同一enodeb服务的小区在示意图中由相同的填充图案表示。在示意图中，每个enodeb都被可视化为具有单个天线的物理实体。然而，enodeb是可以通过一个或多个物理无线基站实现的逻辑节点。
13.在初始附着期间或者在进入新的ta 6时，ue在ta6内(或者在多个ta内)注册。epc知道ue在ta级别的位置。ue可以在注册的ta 6内的enodeb1至5之间自由漫游，而无需通知epc。
14.在enodeb级别定位ue位置的过程被称为寻呼。当数据到达ue的epc时，寻呼用于定位ue并建立信令连接以进行下行链路数据传输。图4中示出了nb-iot中的移动终端(mobile terminated，mt)数据传输的过程。pgw将数据传送到sgw，数据保持在sgw中直到ue建立信令连接。sgw向mme通知下行链路数据，并且mme启动寻呼过程，如下所述。mme根据专有寻呼策略向enodeb发送寻呼请求。在无线接入网(radio access network，ran)级别，ue使用网络定义的寻呼周期周期性地监听广播寻呼消息。enodeb在由寻呼时机(paging occasion，po)子帧、寻呼帧(paging frame，pf)和寻呼超帧(paging hyper，ph)确定的预定义时隙内发出广播寻呼消息。ue在无线帧内的子帧0、4、5或9中的特定子帧中唤醒。当ue唤醒时的寻呼帧内的这些特定子帧被称为寻呼时机(po)。ran寻呼消息是广播消息：它被多个ue接收。寻呼消息包括被寻呼的ue的身份。如果寻呼消息成功被被寻呼的ue接收，则启动与mme的信令连接。sgw被通知并且下行链路数据经由封装在非接入层(nas)数据协议数据单元(protocol data unit，pdu)内的mme被传送到ue。当没有建立信令连接时，寻呼失败。根据寻呼策略和网络配置，mme可以启动进一步的寻呼尝试，或者可以宣布ue不可达。
15.寻呼策略确定mme以何种顺序将ta的enodeb引入寻呼过程。众所周知的寻呼策略有：
16.1、毯式寻呼(blanket paging)：mme在注册的ta的所有enodeb处寻呼ue。毯式寻呼是一种简单的策略，寻呼延迟低，但寻呼资源消耗高，信令负载高。
17.2、顺序寻呼：ta被划分为寻呼区。mme并行地寻呼寻呼区内的所有enodeb。如果寻呼尝试失败，则mme将寻呼升级到其它寻呼区。寻呼区通常是根据被寻呼的ue存在的预期概率构建的。
18.3、最短距离优先：寻呼区可以根据到ue最后一次位置更新发生的enodeb的距离来构建。
19.寻呼策略决定了寻呼负载和寻呼延迟之间的权衡。此外，ta的大小是决定位置更新成本与寻呼成本之间的权衡的关键网络规划参数。
20.语音呼叫的设置不应超过几秒钟，以满足客户体验。因此，启用语音的ue必须在数秒的基础上是可达的。另一方面，对于iot设备，能耗可能比可达性更重要。3gpp已经引入了结合节能模式(power saving mode，psm)和扩展的空闲模式不连续接收(extended idle mode discontinuous reception，edrx)的高延迟通信。图5中示出了扩展drx周期。如图5所示，在从时刻t0到时刻t1的时间段期间，ue处于连接状态。mme可以在该时间段内向ue配置edrx。在从时刻t1到时刻t2的时间段期间，ue处于edrx周期的睡眠状态。因此，从时刻t1到时刻t5的周期对应于edrx周期12，该edrx周期12由edrx不活动(睡眠状态)/空闲模式13和ptw 11组成。在时刻t2，ue退出(唤醒)edrx周期12的睡眠状态。从时刻t2到时刻t5的时间段对应于寻呼时间窗口(ptw 11)。基于来自mme的寻呼消息，enodeb在寻呼时间窗口内的寻呼接收机会(pf和po)重复发送寻呼。然而，ue不需要掌握寻呼时间窗口。在时刻t3和时刻t4，ue的寻呼接收机会(pf和po)出现。寻呼接收机会也被称为寻呼时机，是ue监视其寻呼指示符的子帧。enodeb在时刻t3和时刻t4重复地向ue发送寻呼。在时刻t5，ue从edrx周期的唤醒状态转换到睡眠状态。
21.扩展的空闲模式drx(edrx)允许中断空闲模式drx操作以节省电力。中断时间被称为edrx不活动。edrx周期内剩余的时间称为寻呼时间窗口(ptw)。因此，edrx不活动周期和寻呼时间窗口构成了edrx周期。网络和ue在附着和跟踪区更新(tau)过程内协商edrx周期和ptw。根据寻呼超帧(paging hyper-frame，ph)和寻呼帧(paging frame，pf)在edrx周期内ptw的位置是伪随机的，并且取决于ue的身份。出于负载平衡的目的，不同ue的ptw均匀地分布在edrx周期。
22.下面将描述寻呼时间窗口过程。寻呼时间窗口确定如下(另请参见[3gpp ts 36.304，v16.2.0，第7.3章])：
[0023]
－寻呼超(hyper，h)系统帧号(system frame number，sfn)被确定为：h-sfn mod t
edrx,h
＝(ue_id_h mod t
edrx,h
)，而t
edrx,h
是超帧数量的edrx周期，ue_id_h是哈希id的第12个最高有效位(定义如下)；
[0024]
－寻呼帧系统帧号(sfn)被确定为：sfn＝256*i
edrx
，iedrx＝floor(ue_id_h/t
edrx,h
)mod 4；
[0025]
－哈希id由哈希id＝～(crc32(0xffff ffff)^crc32(m-tmsi))确定，其中'～'是一的补码，'^'是异或，'crc32'是使用itu发生器多项式的32位循环冗余校验，并且'm-tmsi'是mme临时移动用户标识(32位)。
[0026]
表达式floor的意思是向下取整。32位循环冗余校验使用了itu-t v.42定义的发
reception，edrx)和寻呼时间窗口(paging time window，ptw)区pz
enb
对移动用户设备(user equipment，ue)进行有效寻呼的方法解决的，pz
enb
＝0
…npz
是跟踪区ta内的ptw区的标识符，n
pz
》0是跟踪区内多个ptw区，其中，ta由连接到移动管理实体mme的一组enodeb组成，其中，enodeb被划分为ptw区，其中，enodeb的ptw区是由相关联的enodeb的小区id确定的，该方法包括以下步骤：
[0038]
－步骤1：mme确定目标ue的enodeb，其中，在该enodeb处，ue被最后注册，并且该mme确定ue的相关联的寻呼时间窗口开始时间，其中，ptw区0仅被分配给最后注册的enodeb；
[0039]
－步骤2：mme在ta内选择一个ptw区，并在所选择的ptw区中寻呼目标ue；
[0040]
－步骤3：如果成功，mme停止寻呼；
[0041]
－否则，mme选择下一个ptw区，并且继续步骤2，直到目标ue的相关联的ta中的所有ptw区都已经被处理，其中，不同的ptw区在时间上不重叠，并且除了ptw区0之外，所有ptw区都被伪随机地分配给enodeb。
[0042]
ptw区可以包括可变数量的enodeb。pz
enb
是ptw区的标识符，而ptw区可以被分配给不同的enodeb。变量n
pz
表示跟踪区内ptw区的数量。按照惯例，ptw区0(n
pz
＝0)始终仅包含ue最后注册的enodeb。随后的ptw区1、2、3等等(pz
enb
＝1或2或3
……
；n
pz
＝1或2或3，
……
)被伪随机地分配给enodeb。不同的ptw区在时间上不重叠。为了计算enodeb的ptw区的标识符，使用相关联的enodeb的小区id。本发明提出的想法可以适用于最近的蜂窝技术。本领域技术人员将知道，他可以通过将术语和计算规则适应于新标准的方式，将该想法用于最近的蜂窝技术。
[0043]
非重叠ptw区减小了ptw长度对寻呼策略的依赖性。mme在确定ptw长度时不需要提供ue移动性。较短的ptw长度降低了ue侧的功耗。寻呼负载和寻呼延迟之间的权衡可以通过ptw区的数量被控制，而不会牺牲ue功耗。ue和网络都需要维护ue被最后注册的enodeb。
[0044]
在本发明方法的变体中，每个ta的ptw区的数量是运行时间配置参数，该运行时间配置参数在网络规划内被配置和优化。
[0045]
每个ta的ptw区的数量n
pz
是可以在网络规划内优化的运行时间配置参数。寻呼负载和寻呼延迟之间的权衡可以通过ptw区的数量被控制，而不会牺牲ue功耗。网络可以采用寻呼负载或寻呼延迟或两者兼用的设计目标。如果所选择的设计目标在运行时间(如通过寻呼负载和延迟的运行时间测量所确定的)不满足，则可以调整每个ta的ptw区。
[0046]
在本发明方法的另一变体中，enodeb的ptw区pz
enb
由pz
enb
＝1+eci mod n
pz
确定，其中eci是e-utran小区标识符。只有针对具有被最后注册的小区的寻呼区0(pz
enb
＝0)需要例外。
[0047]
ta的enodeb通过以下方式被划分为ptw区。令n
pz
》0是mme为所考虑的ta选择的ptw区的数量。enodeb的ptw区pz
enb
＝0...n
pz
应由pz
enb
＝1+eci mod n
pz
确定，其中eci是e-utran小区标识符。对于最后注册的enodeb，按照惯例ptw区pz
enb
＝0。eci被用作相关联的enodeb的标识。对于5g技术，使用nr小区id。
[0048]
根据本发明方法的变体，目标ue和mme通过以下确定ptw开始时间的时间位置：
[0049]
h-sfn mod t
edrx,h
＝((ue_id_h+t
ptw,h
)mod t
edrx,h
)和t
ptw,h
＝floor
[0050]
(t
ptw
*pz
enb
/1024)，t
ptw
是系统帧中的ptw长度，t
edrx,h
是超帧中的edrx周期，sfn＝
256*i
edrx
，i
edrx
＝(floor(ue_id_h/t
edrx,h
)+t
ptw
*pz
enb
)mod4，ue_id_h是哈希id的第12个最高有效位，其中，哈希id是通过哈希id＝～(crc32(0xffff ffff)^crc32(m-tmsi))计算的。
[0051]
上述公式将ptw区0分配给最后注册的enodeb。基于eci，将其他ptw区伪随机地分配给ta中的剩余enodeb。ue和mme都可以确定enodeb的ptw区，而无需付出额外显著的努力。
[0052]
根据本发明方法的另一变体，在ue从一个enodeb重新选择到另一个enodeb期间，ue正在读取包含eci的系统信息块1，用于确定ptw开始时间的时间位置。
[0053]
ptw区的数量由网络在相应的位置更新消息中提供。关于所连接的enodeb及其标识的信息通常在mme侧可用，因此对于mme，所提出的过程也具有低开销。
[0054]
根据本发明方法的另一变体，ptw区n
pz
是由mme使用附着接受消息或跟踪区更新接受消息在edrx配置内提供给ue的。
[0055]
当ue用网络更新其位置时，其应存储相关联的enodeb的标识。mme应使用附着接受(attach accept)或跟踪区更新接受(tracking area update accept)消息在edrx配置内向ue提供参数n
pz
。
[0056]
根据本发明方法的另一变体，ptw特性通过使用n
pz
＝1被禁用，而ue和mme改变为传统edrx处理。
[0057]
通过使用n
pz
＝1，分区的ptw特性可以被禁用，使得性能变为上述讨论的传统edrx处理。
[0058]
根据本发明方法的另一变体，该方法适用于所有支持扩展的空闲模式drx的蜂窝技术，例如，e-utran lte、emtc cat-m、5g技术nr和5g核心。
[0059]
作为一个示例应用，已经使用nb-iot和epc技术介绍了本发明。其可以应用于所有支持扩展的空闲模式drx的蜂窝技术，如e-utran lte和emtc cat-m以及5g技术nr和5g核心。
[0060]
根据本技术的另一方面，提供了一种使用扩展不连续接收(edrx)和寻呼时间窗口(ptw)区pz
enb
对移动用户设备(ue)进行有效寻呼的设备，pz
enb
＝0
…npz
是跟踪区(ta)内的ptw区的标识符，n
pz
》0是跟踪区内多个ptw区，其中，ta由连接到移动管理实体(mme)的一组enodeb组成，其中，enodeb被划分为ptw区，其中，enodeb的ptw区是由相关联的enodeb的小区id确定的，该设备包括：
[0061]
确定模块，用于确定目标ue的enodeb，其中，在enodeb处，ue被最后注册，并且用于确定ue的相关联的寻呼时间窗口开始时间，其中，ptw区0仅被分配给最后注册的enodeb；
[0062]
寻呼模块，用于在ta中选择一个ptw区，并在所选择的ptw区中寻呼目标ue；如果成功，则停止寻呼；否则选择下一个ptw区，并且继续在新的ptw区中寻呼目标ue，直到目标ue的相关联的ta中的所有ptw区都已经被处理，其中，不同的ptw区在时间上不重叠，并且除了ptw区0之外，所有ptw区都被伪随机地分配给enodeb。
[0063]
该设备可以是mme或其他实体。需要说明的是，该设备的其他细节可以参考上述方法的相关描述。为了简洁起见，此处不再赘述。
附图说明
[0064]
将使用示例性实施例更详细地解释本发明。
[0065]
附图示出了：
[0066]
图1是用于3gpp接入的非漫游架构(参见[3gpp ts 23.401，v16.8.0，图4.2.1-1])；
[0067]
图2是nb-iot帧结构(15khz)；
[0068]
图3是跟踪区架构的示例(出自us9560628b2)；
[0069]
图4在非接入层协议数据单元中的移动终端数据传输(参见[3gpp ts23.401，v16.8.0，图4.2.1-1])；
[0070]
图5是扩展drx周期(出自us20180176883a1)；
[0071]
图6是松散超系统帧号同步(出自us20180263012a1)；
[0072]
图7是跟踪区中重叠寻呼时间窗口的示例(现有技术)；
[0073]
图8是具有重叠的寻呼时间窗口的ue的寻呼的示例(现有技术)；
[0074]
图9是是使用三个非重叠ptw区的ue的创造性寻呼；
[0075]
图10是使用两个非重叠ptw区的ue的创造性寻呼；
[0076]
图11是具有三个非重叠ptw区的创造性寻呼分配。
[0077]
附图标记列表:
[0078]
1 第一enodeb、第一无线接入节点；
[0079]
2 第二enodeb；
[0080]
3 第三enodeb；
[0081]
4 第四enodeb；
[0082]
5 第五enodeb；
[0083]
6 跟踪区；
[0084]
7 移动性管理实体；
[0085]
8 寻呼时机；
[0086]
9 ue被寻呼；
[0087]
10 ue未被寻呼；
[0088]
11 寻呼时间窗口；
[0089]
12 扩展不连续接收周期；
[0090]
13 空闲模式中的edrx；
[0091]
14 寻呼时间窗口区。
具体实施方式
[0092]
当将创造性的有效寻呼方法应使用扩展不连续接收(extended discontinuous reception，edrx)和寻呼时间窗口(paging time window，ptw)区域的ue时，图8中所示的上述用例改变如下。图9中的mme 7已经选择了三个ptw区14且每个ptw区14有两次尝试，也称为寻呼时机。与图8相比，ptw 11更短，因为mme 7不需要提供将寻呼升级到ptw内的额外区。相比而言，寻呼负载没有增加，但在ue确实转换到enodeb 3的最坏情况下，寻呼延迟略大。如图10所示，通过减少ptw区14的数量，可以以平均寻呼负载为代价降低平均寻呼延迟。在图10中，enodeb 2和3被分配给ptw区1。
[0093]
关于图11，ta的enodeb 1、2、3以如下方式被划分为ptw区14。令n
pz
》0是mme 7为所考虑的ta选择的ptw区14的数量。enodeb的ptw区pz
enb
＝0...n
pz
由pz
enb
＝1+eci mod n
pz
确
定，其中eci是e-utran小区标识符。对于最后注册的enodeb，按照惯例，ptw区pz
enb
＝0。
[0094]
当ue用网络更新其位置时，其应存储相关联的enodeb的标识。mme 7使用附着接受(attach accept)或跟踪区更新接受(tracking area update accept)消息在edrx配置内向ue提供参数n
pz
。
[0095]
ue和mme二者通过以下确定ptw开始时间的时间位置：
[0096]-h-sfn mod t
edrx,h
＝((ue_id_h+t
ptw,h
)mod t
edrx,h
)
[0097]
оt
ptw
是系统帧中的ptw长度
[0098]
оt
ptw,h
是超系统帧中的ptw长度
[0099]
оt
ptw,h
＝floor(t
ptw
*pz
enb
/1024)
[0100]-sfn＝256*i
edrx
[0101]
оi
edrx
＝(floor(ue_id_h/t
edrx,h
)+t
ptw
*pz
enb
)mod 4
[0102]
上述公式将ptw区0分配给最后注册的enodeb。基于eci，将其他ptw区伪随机地分配给ta中的剩余enodeb。ue和mme都可以确定enodeb的ptw区，而无需付出额外显著的努力。
[0103]
图11示出了使用三个ptw区14和两个寻呼时机8的ptw长度进行ptw区分配的示例。在从一个enodeb重新选择到到另一个enodeb的过程期间，ue已经读取包含eci的系统信息块1。ptw区14的数量由网络在相应的位置更新消息中提供。关于所连接的enodeb及其标识的信息通常在mme侧可用，因此对于mme，所提出的过程也具有低开销。通常，mme可以通过以下方式使用毯式寻呼(blanket paging)策略：首先，mme 7确定目标ue的最后注册的enodeb和相关联的ptw开始。根据定义，最后注册的enodeb总是在ptw区0中。然后，mme 7选择ptw区14并在该ptw区14处寻呼ue。mme 7在成功时停止寻呼。在寻呼失败时，mme选择下一个ptw区14，并且通过在ta中选择另一个ptw区14继续寻呼，并且在所选择的ptw区14中寻呼目标ue，直到所有ptw区14已经被处理。
[0104]
ptw区的数量n
pz
以及eci分配都要服从网络规划。如上所述，参数n
pz
改变了寻呼负载与寻呼延迟的权衡的操作点。此外，网络规划器可以分配eci以在同一ptw区内对enodeb进行分组。例如，一个单小区塔通常容纳在120度水平间隔内广播的三个小区。为了使三个小区位于同一ptw区域内，网络规划器需要找到三个不同的eci，满足pz
enb
＝1+eci mod n
pz
，其中pz
enb
和n
pz
是固定的。