作为无线局域网与移动通信系统之间交互工作中混合耦合的逻辑支持节点的无线局域网

摘要

本发明提供了一种用于支持在无线局域网(WLAN)和移动通信网络之间的交互工作的方法。诸如UMTS网络的移动通信网络具有网关通用分组无线业务(GPRS)支持节点(GGSN)和服务GPRS支持节点(SGSN)。通过交互工作功能(IWF)来促进所述交互工作。所述方法包括步骤：建立(199)用于传送数据信号的、在IWF和GGSN之间的至少一个GPRS隧道效应协议一用户平面(GTP－U)隧道，并且建立(198)用于传送控制信号的、在GGSN和SGSN之间的至少一个GPRS隧道效应协议－控制平面(GTP－C)隧道。

说明书

技术领域

本发明一般涉及在网络之间的交互工作，具体涉及使用交互工作功能(IWF)作为逻辑服务通用分组无线业务(GPRS)支持节点(SGSN)，用于实现在无线局域网(WLAN)和移动通信网络之间的混合耦合配置。

背景技术

可以在无线局域网(WLAN)覆盖区域和诸如通用移动电信系统(UMTS)的其他移动通信技术之间的交互工作中使用多个不同的结构。如所公知，WLAN提供比诸如UMTS的蜂窝移动网络高得多的接入数据速率，但是提供很有限的覆盖范围(典型的是自无线发送器达100米)，而UMTS提供宽的覆盖范围(范围几百千米)。可以在WLAN热点和诸如UMTS的移动通信网络之间提供交互工作，以使得用户可以根据用户的位置来使用WLAN或移动通信网络或两者。在WLAN和移动通信网络之间的交互工作可以当用户在WLAN和移动通信网络的覆盖区域之间移动或通过WLAN和移动通信网络的覆盖区域时向用户提供漫游能力，以便有效地使用接入网络的能力。但是，通常是用户和控制面在这样的交互工作中不分离的情况，因此不重新使用UMTS的服务质量(QOS)协商、移动性、验证授权和账户管理(AAA)程序，导致昂贵的UMTS无线资源被绑定来实现这些功能。

因此，具有帮助分离用户和控制平面的、在WLAN和移动通信网络(例如UMTS)之间的交互工作配置是所期望的和非常有益的，以便信令仍然通过移动通信网络，但是数据通过WLAN无线资源。这样的交互工作具备这样的优点：重新使用其他移动通信系统的QOS协商、移动性、AAA程序，同时释放移动通信网络的昂贵的无线资源和使用WLAN的高数据通过量。

发明内容

本发明解决了现有技术的上述问题以及其他相关问题，本发明涉及使用交互工作功能(IWF)，它作为逻辑服务通用分组无线业务(GPRS)支持节点(SGSN)，用于实现在无线局域网(WLAN)和移动通信网络之间的混合耦合配置。有益的是，本发明允许重新使用在移动通信网络(诸如通用移动电信系统(UMTS))中规定的所有信令协议。而且，本发明有益地允许将来自移动通信网络的数据通信量转向到WLAN。

按照本发明的一个方面，提供了一种用于支持在无线局域网(WLAN)和移动通信网络之间的交互工作的方法。所述移动通信网络具有网关通用分组无线业务(GPRS)支持节点(GGSN)和服务GPRS支持节点(SGSN)。交互工作功能(IWF)促进所述交互工作。所述方法包括步骤：建立用于传送数据信号的、在IWF和GGSN之间的至少一个GPRS隧道效应协议-用户平面(GTP-U)隧道，并且建立用于传送控制信号的、在GGSN和SGSN之间的至少一个GPRS隧道效应协议-控制平面(GTP-C)隧道。

按照本发明的另一个方面，提供了一种用于支持在无线局域网(WLAN)和移动通信网络之间的交互工作的装置。所述移动通信网络具有网关通用分组无线业务(GPRS)支持节点(GGSN)和服务GPRS支持节点(SGSN)。交互工作功能(IWF)促进所述交互工作。所述装置包括：用于建立用于传送数据信号的、在IWF和GGSN之间的至少一个GPRS隧道效应协议-用户平面(GTP-U)隧道的部件，用于建立用于传送控制信号的、在GGSN和SGSN之间的至少一个GPRS隧道效应协议-控制平面(GTP-C)隧道的部件。

通过参照附图下面详细说明优选实施例，本发明这些和其他方面、特征和优点将会变得清楚。

附图说明

图1是图解按照本发明的说明性实施例的、应用了本发明的通信结构100的方框图；

图2是图解按照本发明的说明实施例的、Gn接口的用户平面200和控制平面250的图；

图3是图解按照本发明的说明性实施例的、用于使能通过WLAN的数据路径和通过通用移动电信系统(UMTS)的信令路径的消息的图。

具体实施方式

本发明涉及使用交互工作功能(IWF)来作为在移动通信网络中的逻辑支持节点，特别是服务通用分组无线业务(GPRS)支持节点(SGSN)，用于在无线局域网(WLAN)和移动通信网络之间的混合耦合。在本发明的一个优选实施例中，所述耦合在WLAN和第三代(3G)通用移动电信系统(UMTS)之间。但是，应当明白本发明不限于UMTS(相对于耦合到WLAN的其他移动通信网络)，因此也可以在保持本发明的精神和范围的同时将任何其他类型的移动通信网络用于与WLAN耦合。许多类型的其他移动通信网络的一些包括但是不限于使用例如码分多址(CDMA)2000、通用分组无线业务(GPRS)等的那些移动通信网络。

本发明必要地通过使用在WLAN网关(IWF)和UMTS网关通用分组无线业务(GPRS)支持节点(GGSN)之间的Gn(用户平面)接口而利用用户平面接口来将WLAN连接到UMTS；而且本发明必要地通过使用在UMTSSGSN和UMTS GGSN之间的Gn(控制平面)接口而利用UMTS来承载控制平面。因此，本发明有助于分离用户和控制平面，以便信令仍然通过UMTS网络，但是数据使用WLAN。因此，本发明的许多优点之一是可以在释放昂贵的UMTS无线资源的同时重新使用UMTS的程序来用于大多数部分。

应当明白，本发明可以以各种形式的硬件、软件、固件、专用处理器或其组合来实现。优选的是，本发明被实现为硬件和软件的组合。而且，所述软件优选地被实现为在程序存储器上明显地包含的应用程序。所述应用程序可以被上载到包括任何适当的架构的机器并且被其执行。优选的是，所述机器被实现在具有硬件的计算机平台上，所述硬件诸如一个或多个中央处理单元(CPU)、随机存取存储器(RAM)和输入/输出接口。所述计算机平台也包括操作系统和微指令代码。在此所述的各种处理和功能可以是经由操作系统执行的所述微指令代码的一部分或应用程序的一部分(或其组合)。另外，各种其他的外围设备可以连接到计算机平台，诸如附加的数据存储器和打印设备。

还可以明白，因为在附图中所述的组成系统部件和方法步骤的一些最好以软件来实现，因此在系统部件(或处理步骤)之间的实际连接可能依赖于本发明被编程的方式而不同。在在此提供的讲授的情况下，本领域的普通技术人员能够考虑到本发明的这些和类似的实现方式或配置。

图1是图解按照本发明的说明性实施例的、可以应用本发明的通信结构100的方框图。现在参照图1来说明按照本发明的说明性实施例的、UMTS-WLAN交互工作，它使用交互工作功能(IWF)来作为用于UMTS的逻辑服务通用分组无线业务(GPRS)支持节点(SGSN)。WLAN可以是但不限于按照电气和电子工程师协会(IEEE)规范的802.11或欧洲电信标准协会(ETSI)高性能无线局域网类型2(HIPERLAN2)的WLAN。

所述通信结构包括：交互工作功能(IWF)，它作为逻辑服务通用分组无线业务(GPRS)支持节点(SGSN)(因此在此可交换地使用标号105来表示IWF和逻辑SGSN，因为它们在用于本发明的目的上是相同的)；WLAN接入点(AP)110；用户设备(UE)120；UMTS节点B125；UMTS无线网络控制器(RNC)130；服务通用分组无线业务(GPRS)支持节点(SGSN)135；网关通用分组无线业务(GPRS)支持节点(GGSN)140；因特网145；原籍位置登记器(Home Location Register，HLR)150；移动交换中心(MSC)155；公共交换电话网络(PSTN)160。

UMTS节点B125包括收发器，用于经由空中接口与UE120通信。UMTS节点B125执行用于提供在UE120和UMTS RNC130之间的通信的各种前端功能。UMTS RNC130执行无线接口和具有SGSN135的接口的管理。SGSN135提供在UTRAN165和分组交换网络之间的接口，并且执行与在电路交换部分中的MSC155的类似的角色。SGSN135执行移动性管理和会话管理支持。通信结构100可以包括多个耦合到SGSN135的UTRAN165。GGSN140将公用陆地移动网(PLWN)连接到任何其他的分组数据网络(PDN)，诸如因特网。GGSN140可以被看作IP路由器，它执行诸如地址映射和隧道效应的功能。一般存在用于PLMN的一个GGSN140。MSC155为在电路交换网络中的呼叫选择路由，并且连接到PSTN160。HLR150是管理用户相关联的数据的数据库。它包括信息，诸如用户被授权的服务和用户当前登记的区域的位置。可以使用用户的唯一国际移动用户身份号码(IMSI)或移动台国际ISDN号码(MSISDN)来检索用户的信息。

UE120与UMTS地面无线接入网络(UTRAN)165通信，后者包括UMTS节点B125和UMTS RNC130。UTRAN165继而连接到核心网络(CN)170，它包括SGSN135(基于分组的业务)、MSC155(基于电路的业务)和GGSN140(对于其他公用陆地移动网(PLMN)的网关)。lu接口将UTRAN165连接到CN170。

在此使用的耦合被称作“混合耦合”，因为欧洲电信标准协会(ETSI)的紧的和松的耦合定义不描述其中在UMTS和WLAN之间分离信令和用户平面的、由本发明使用的耦合。信令和用户平面的分离有助于将WLAN网关(即IWF)保持简单，因为WLAN网关仅仅需要承载用户平面，而复杂的控制平面重新使用UMTS。对于分组交换(PS)业务，数据平面采用无线资源的大多数。通过将数据部分转向到在热点的WLAN，在UE保持与CN170的连接的同时，大量的无线资源可以被保留，并且现在可以用于其他用户和其他业务。

多个接入点(AP)(例如WLAN AP110)被连接回交互工作功能(IWF)105，交互工作功能(IWF)105继而连接到UMTS。交互工作功能105可以被包含在耦合到接入点的独立硬件内，或者体现为接入点的一部分，并且包括用于实现期望的功能所需要的各种软件模块和硬件。如图1所示，WLANIWF105旁路RNC130和SGSN135，并且连接到GGSN140(假定PS服务)。GGSN140关注在因特网协议层的移动性(见图2)，但是交互工作功能105需要与GGSN140通信以建立GPRS隧道效应协议用户平面(GTP-U)隧道199以传送数据。在GTP-U平面中的GTP隧道被定义用于在GSN(即SGSN135、GGSN140)中的每个分组数据协议(PDP)环境和/或在RNC130中的每个无线接入承载器(RAB)。在GPRS隧道协议控制平面(GTP-C)中的GTP隧道被定义用于具有用于隧道管理消息的相同的PDP地址和接入点名称(APN)的所有PDP环境。使用隧道端点标识符(TEID)、IP地址和用户数据报协议(UDP)端口号码来在每个节点中识别GTP隧道。应当明白，本发明不限于定义用于每个PDP环境和/RAB的GTP-U平面中的GTP隧道，因此可以在保持本发明的精神和范围的同时容易地使用被本领域内的普通技术人员容易确定的其他配置。而且，应当明白，本发明不限于定义用于具有相同PDP地址和APN的每个PDP环境的GTP-C平面中的GTP隧道，因此可以在保持本发明的精神和范围的同时容易地使用被本领域内的普通技术人员容易确定的其他配置。而且，应当明白，本发明不限于使用所有的TEID、IP地址和UDP端口号码来识别GTP隧道，因此可以在保持本发明的精神和范围的同时容易地使用被本领域内的普通技术人员容易确定的其他标记。

如图1所示，信令通过具有在SGSN135和GGSN140(控制平面Gn)之间建立的GTP-C隧道198的UMTS，而数据路径经由WLAN通过在IWF105和GGSN140(用户平面Gn)之间建立的GTP-U信道199。图2是图解按照本发明的说明性实施例的、Gn接口的用户平面200和控制平面250的图。

用户平面200和控制平面250对于每个GSN包括水平1(L1)205、水平2(L2)210、IP层215和UDP层220。用户平面还对于每个GSN包括GTP-U层225。控制平面250还对于每个GSN包括GTP-C水平230。

在这种情况下的控制平面250涉及GPRS移动性管理功能，像GPRS附接、PDP环境的GPRS路由区域更新和启动。GTP-C应当执行在GSN节点(例如，SGSN135和GGSN140)之间的控制平面信令。GTP-C控制平面流应当与GTP-U隧道逻辑相关联，但是与其相分离。对于每个GSN-GSN对，存在一个或多个路径。一个或多个隧道可以使用每个路径。GTP-C应当是建立、使用、管理和释放隧道的手段。可以通过保持有效的回声消息来保持路径。这保证了可以以及时的方式来检测在GSN之间的连接性故障。GTP-U隧道用于在给定的一对GTP-U隧道端点之间携带封装的隧道化的协议数据单元(T-PDU)和信令消息。在GTP首标中存在的TEID应当指示哪个隧道属于特定的T-PDU。以这种方式，在给定对的隧道端点之间通过GTP-U来复用和去复用分组。

图3是图解按照本发明的说明性实施例的、用于使能通过WLAN的数据路径和通过通用移动电信系统(UMTS)的信令路径的消息的图。图3图解了在移动终端(在此也称为“用户设备”)和交互工作功能(IWF)之间与在IWF和核心网络(CN)之间交换的消息的序列。

当UE120移动进入WLAN覆盖区域时，UE120首先需要与WLAN接入点“相关联”；因此，从UE120向IWF105(即逻辑SGSN)发送“关联请求”(步骤301)。在接收到所述“关联请求”时，从IWF105向UE120发送“关联响应”(步骤302)。

关于网络安全性，在本发明的一个说明性实施例中，UE120使用用户服务身份模块(USIM)经由UMTS网络(SGSN-原籍位置登记器(HLR))被验证，用户服务身份模块(USIM)然后可以通过GGSN140向WLAN IWF105发送验证接受/拒绝(步骤303)。当UE120与WLAN连接时，重新使用在UMTS中使用的加密密钥。

关于UE移动性，在此说明了两种说明性的手段。但是，可以明白，本发明不限于对于UE移动性的下述两种手段，因此在保持本发明的精神和范围的同时可以使用其他对于UE移动性的手段。

关于涉及UE移动性的第一种手段，WLAN覆盖区域可以被登记为不同的路由区域(RA)。在这种情况下，UE120通知在WLAN中的新的路由区域标识符(RAI)(步骤304)，以便SGSN135将新的RAI识别为对应于WLAN，并且SGSN135不开始SGSN之间的程序(例如，按照第三代合作工程(3GPP)标准)。相反，SGSN135被配置使得如果PDP环境请求或修改PDP环境请求(如步骤305中所示)来自UE120，则SGSN135指定用于GTP-U建立的IWF地址和TEID。如果在进入WLAN时修改预先存在的PDP环境或如果仅仅在进入WLAN时建立主要的PDP环境，则在UMTS SGSN135中的安全管理(SM)和GPRS移动性管理(GMM)应当跟踪UE SM和GMM状态机。

关于涉及UE移动性的第二种手段，WLAN IWF105将具有GGSN140的在WLAN内的移动IP实现为外地代理(FA)以处理UE移动性。不在RNC130和SGSN135之间进行第二隧道效应的优点应当补偿使用作为外地代理的具有GGSN140的移动IP的复杂性。用于通知SGSN135在GGSN140和IWF105之间建立GTP-U的机制可以是3G位置服务(LCS)，如果UE120接近IWF105则它通知SGSN135。

当UE120移动进入WLAN覆盖区域时，如果覆盖UE120已经建立了与UMTS SGSN135的PDP环境会话，则UE120可以向UMTS SGSN135发送“修改PDP环境请求”(步骤305)以建立在WLAN上的数据平面并且保持在UMTS上的控制平面。在给定其能力、当前负荷和预订的QoS简档的情况下，SGSN135可以限制期望的QoS简档。“更新PDP环境请求”消息被从SGSN135发送到GGSN140作为PDP环境修改程序的一部分或由于负荷共享而重新分布环境(步骤306)。所述更新PDP环境请求消息应当用于改变QoS和路径。有效的更新PDP环境请求启动在控制平面上的SGSN135和GGSN140之间和在用户平面上的IWF105和GGSN140之间的隧道的建立。从GGSN140向SGSN135发送“更新PDP环境响应”(步骤307)。如果从SGSN135接收的协商的QoS与被激活的PDP环境不兼容，则GGSN140拒绝更新PDP环境请求消息；否则，GGSN140接受更新PDP环境请求消息。SGSN135然后向UE120发送修改PDP环境接受/拒绝(步骤308)。

如果至今在UE120和SGSN135之间没有PDP环境，则UE120可以向UMTS SGSN135发送“激活PDP环境请求”，如步骤305中所示。随后，从SGSN135向GGSN140发送建立PDP环境请求来作为如在步骤306所示的GPRS PDP环境启动程序的一部分。有效的建立PDP环境请求启动在控制平面上的在SGSN135和GGSN140之间和在用户平面上的在IWF105和GGSN140之间的隧道的建立。从GGSN140向SGSN135发送“建立PDP环境响应”(步骤307)。如果从SGSN135接收的被协商的QoS与被启动的PDP环境不兼容，则GGSN140拒绝所述建立PDP环境请求消息；否则，GGSN140接受所述建立PDP环境请求消息。SGSN135然后将向UE120发送启动PDP环境接受/拒绝(步骤308)。如果当UE120已经从UMTS移动到WLAN覆盖范围时已经存在现有的会话，则现在可以明确地卸下用于那个会话的数据承载器(步骤309)以节省UMTS带宽。随后的信令将使用UE-UTRAN-SGSN-GGSN路径(步骤310)，数据将使用UE-IWF-GGSN路径(步骤311)。

隧道端点标识符(TEID)数据I字段指定由SGSN135选择的用于G-PDU的下行链路TEID。GGSN140将这个TEID包括在与所请求的PDP环境相关联的所有随后的下行链路G-PDU的GTP首标中。为了建立在WLAN接口上的GTP-U，这个TEID将被选择以便隧道在GGSN140和IWF105之间。这个TEID可以在步骤302在“关联响应”时从IWF105被发送到UE120，并且在步骤305在“PDP请求”时从UE120被发送到SGSN135。在步骤306，SGSN135向GGSN140转发所述TEID来作为PDP环境请求消息的一部分。

TEID控制平面字段指定由SGSN135选择的用于控制平面消息的下行链路TEID。GGSN140将这个TEID包括在与所请求的PDP环境相关联的所有随后的下行链路控制平面消息的GTP首标中。如果SGSN135已经确认成功地向对等的GGSN分配了其TEID控制平面，则这个字段不存在。当SGSN135从GGSN140接收到具有其在GTP首标中被分配的TEID控制平面的任何消息时，SGSN135向GGSN140确认成功地分配了其TEID控制平面。

而且，SGSN135在步骤306与PDP环境请求或更新PDP环境请求一起——它们与由下层的网络业务(例如IP)提供的不同——包括一个SGSN“控制平面的地址”(UMTS SGSN)和一个SGSN“用户通信量的地址”(IWF)。GGSN140将存储这些SGSN地址，并且当在步骤307和310中在这个GTP隧道上发送随后的控制平面消息或在步骤311向用于MS的IWF发送G-PDU的时候使用它们。

现在说明本发明的许多优点中的一些。一个这样的优点是重新使用3G网络(例如UMTS)的多数程序。在上述的第一种UE移动性手段中，也可以重新使用移动性程序。3G网络程序的重新使用有助于将WLAN网关保持简单，因为它将仅仅需要承载用户平面，而复杂的控制平面重新使用UMTS系统。对于PS业务，数据平面采用多数无线资源。因此，通过将数据部分转到在热点中的WLAN，将节省大量的昂贵的UMTS无线资源，在UE保持与CN的连接的同时它们现在可以用于其他用户和其他业务。另一个优点是WLAN覆盖区域可以被拉回到不同的操作，因为信令部分可以由3G操作员保留，数据平面可以通过WLAN。取代将他本身的WLAN部署在热点中，3G操作员可以使用现有的WLAN部署。另一个优点是在UE在WLAN覆盖区域中时可以释放在3G网络中的昂贵的无线资源。另一个优点是在UMTSSGSN中的SM/GMM状态机的处理有助于保持限于数据隧道效应的IWF功能。而且，因为基于IP的Gn用户平面接口较为简单来实现，因此所述解决方案是可升级的。而且，3G操作员提供附着的一个点(GGSN)以提供对于3G和WLAN网络的接入。因为数据用户将使用大部分UMTS带宽，因此从UMTS网络向WLAN的数据通信量的转向将有效地提高UMTS网络的容量。而且，因为在UMTS中数据首先从UTRAN向SGSN穿过然后再次从SGSN向GGSN穿过，因此在提出的系统中将有不及一个封装，因为仅仅SGSN(IWF)-GGSN封装部分将在WLAN中进行。

虽然已经参照附图在此说明了说明性实施例，但是应当明白，本发明不限于那些精确的实施例，可以在不脱离本发明的范围和精神的情况下由本领域的技术人员在其中进行各种其他改变和修改。所有这样的改变和修改意欲被包括在由所附的权利要求所限定的本发明的范围内。