CN1219371C - 一种适用于高速分组数据传输的无线接入网 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高速分组数据传输的无线接入网，包括：无线网络控制服务器(RNC Server)、若干个无线接入网网关(RAN Gateway)，分别用于处理核心网(CN)与无线互联网基站(WIB)之间的控制信令和用户数据流，一个RAN Gateway可服务于多个WIB；若干个无线互联网基站，用于管理一个或以上小区，实现与用户终端之间数据和控制信令的无线发射和接收，一个WIB只由一个RAN Gateway提供服务；分组交换承载网络，用于传递RNC Server、RAN Gateway及WIB之间的交互信息；RNCServer和RAN Gateway直接与CN相连，RNC Server、RAN Gateway及WIB通过各自的逻辑接口连接于同一个分组交换承载网络，并通过该承载网络相互连接。该结构使无线接入网络能对高速数据传输迅速响应，提高接入网处理速度，并强化无线基站功能。

Description

一种适用于高速分组数据传输的无线接入网

技术领域

本发明涉及一种无线接入网结构，特别是指一种适用于高速分组数据传输的重新划分接入网中各组成部分功能的无线接入网。

发明背景

在现有第三代点对宽带码分多址(3GPP WCDMA)***中，通用移动通信***地面无线接入网(UTRAN)在网络结构中通过Iu接口与核心网(CN)相连，通过Uu接口与用户终端(UE)相联系。

目前的接入网UTRAN结构是一种典型的集中式网络结构，如图1所示，UTRAN中包含多个无线网络子***(RNS)，一个RNS是由一个无线网络控制器(RNC)带多个基站(Node B)的结构，一个Node B可负责一个或多个小区的无线信号的发送和接收。RNC和Node B之间的接口称为Iub接口，RNC和RNC之间的接口称为Iur接口，RNC和核心网之间的接口称为Iu接口。Node B只有物理层处理功能，各Node B之间互相不知道对方的存在，任何Node B之间的资源协调或信息交互都需要通过RNC进行，RNC集中了接入网的大部分控制功能。

虽然，现有无线接入网的集中式网络结构有一定的优势，比如它适合于完成不同层次的切换，不论是在一个Node B控制内的小区之间，还是在跨不同Node B的小区之间，抑或是跨RNC的小区之间，都能通过网络所设置的不同层次的接口达到实现切换的目的。但是，该网络结构存在一定程度的局限性：

第一，Node B只有物理层处理功能，导致Iub接口的信令强烈依赖于无线技术，如果引入新的无线技术，将导致整个RNC和Node B都被替换，因此使得引入新技术的难度增大，影响无线网络发展速度。

第二，在该网络结构中，所有的测量、切换、移动性管理、呼叫处理、功率控制、无线资源管理等操作都集中于RNC中，使得RNC过于复杂、昂贵；而且，RNC处理用户所有的控制和业务数据，将限制未来新业务的应用，降低了控制功能的可扩展性。

第三，未来适合数据传输的无线接口技术，越来越多地朝自适应调制和自适应反馈等自适应方向发展，这就需要尽量缩短整个接入网的处理时延，而现有的集中式管理结构越来越不适合这种发展趋势。

另外，现有的第三代移动通信***(3G)包括语音、数据以及控制信令的传输与管理，使得核心网络无法对高速数据快速做出反应，从而影响了高速数据的响应和传输。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种适用于高速分组数据传输的无线接入网，使无线接入网络能对数据传输和控制管理迅速做出响应，提高了接入网处理速度，强化了无线基站的功能，进而提高了无线接入网整体的可靠性、经济性、可扩展性以及接口匹配性，更适应未来技术的发展。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种适用于高速分组数据传输的无线接入网，由一个以上无线互联网基站子***(WIBS)组成，每个WIBS包括：

无线网络控制服务器(RNC Server)，用于处理核心网(CN)与无线互联网基站(WIB)之间的控制信令；

至少一个无线接入网网关(RAN Gateway)，用于处理核心网与无线互联网基站之间的用户数据流，一个RAN Gateway服务于至少一个WIB；

至少一个无线互联网基站，用于完成一个或一个以上小区的无线资源管理以及无线资源控制连接的建立与释放，实现与用户终端之间数据和控制信令的无线发射和接收，并向无线网络控制服务器上报处理结果，一个WIB同一时刻只由一个RAN Gateway提供服务；以及

分组交换承载网络，用于传递RNC Server、RAN Gateway及WIB之间的交互信息；

RNC Server和RAN Gateway直接与CN相连，RNC Server、所有RANGateway及所有WIB分别通过各自的逻辑接口连接于同一个分组交换承载网络上，并经由各自的逻辑接口和该分组交换承载网络，使WIB之间、WIB与RAN Gateway之间、RAN Gateway与RNC Server之间可以相互连接，直接通信。每个WIBS之间通过各自RNC Server的逻辑接口进行互连通信。

其中，所述的分组交换承载网络为基于网际互联(IP)协议的网络，包括IPv6以及下一代IP协议Ipng；或为基于异步传输模式(ATM)技术的网络；或其它支持分组交换的承载网络。

所述的接入网网关可为路由设备，比如路由器。对于同一个WIB，在不同时刻可由不同的RAN Gateway提供服务，也就是说，一个RAN Gateway所服务于的WIB可根据业务流量实时调整。所述逻辑接口的实现方式与分组交换承载网络采用的协议相关，因此该逻辑接口可为支持IP协议的接口，或支持ATM协议的接口，或其它等效的协议接口。

由上述方案可以看出，本发明的关键在于：引入了分别用于处理控制信令和数据的RNC Server和RAN Gateway，同时重新定义了无线互联网基站(WIB)，并将原来Node B和RNC的功能对应新的接入网组成部分RNCServer、RAN Gateway及若干个WIB重新进行了相应的划分。

因此，本发明所提供的适用于高速分组数据传输的无线接入网，具有以下的优点和特点：

1)本发明中的核心网(CN，Core Network)与3GPP现有核心网络基本保持一致，即继承使用现有CN，由于本发明提出的新无线接入网能够与现有的UTRAN共用同一个核心网络，因而节约了建网资源。

2)本发明仅对现有无线接入网UTRAN进行了改造，提出了一种新无线接入网结构，由若干个无线互联网基站子***(WIBS，Wireless InternetBase Station Subsystem)组成，在该WIBS中重新定义了无线互联网基站(WIB)，引入了数据流处理装置RAN Gateway和信令控制装置RNC Server，分别用来处理CN与WIB之间的用户数据流和控制信令，提供了三者之间相应的逻辑接口，改进了三者之间的连接关系，并且将原来RNC和Node B两部分的功能针对新结构的三个组成部分进行了重新划分，将大部分控制和数据流处理功能下移到新定义的WIB中来处理，使接入网，总体上成为一个分布式控制的网络，从而简化了RNC节点的集中控制，分担和优化了处理功能，使接入网的设计更有效率，提高了网络的扩展性，且使整个网络结构更稳定，避免了由于局部发生问题而影响整个无线接入网络的情况发生。

3)WIBS在应用上与现有的UTRAN使用不同的频段，在地域上两者可重复覆盖，在支持的承载业务上其主要支持非对称高速分组数据业务，基本不支持电路域业务。如此，可尽量实现接入网功能的简化和结构的优化，上面所述的非对称高速分组数据业务包括但不限于互联网业务。

4)与UTRAN的Node B不同，WIB不仅仅实现物理层的发送和接收，还完成与所辖小区资源相关的控制和数据链路层的处理，相当于将原来UTRAN中RNC的部分无线资源控制功能下移到本发明的WIB完成，实现了从管理权集中在RNC到大部分管理权分布在各个WIB的转变，从而减少了RNC Server与WIB之间的信令流量，大大缩短了无线接入网中信令处理时间，加快了空中接口的信令处理过程，使高速数据流能得到快速地处理和反馈，更适于传输高速数据业务，且有利于Iub接口的开放，并降低了开发过程的联调复杂度。

5)为实现快速灵活的分布式管理，各个WIB之间还建立了新的逻辑接口，可以实现WIB之间直接的数据和信令交互，不需要进行类似UTRAN中经过一个汇聚点的处理和转发过程，与原来分层集中的结构相比大大节约了处理和传输的时延。

6)本发明中的信令处理器RNC Server、所有数据处理器RAN Gateway以及所有WIB之间均通过分组交换承载网络相互连接，该承载网络的传输技术可以是基于网际互联(IP，Internet Protocol)协议的，包括Ipv6协议以及下一代IP协议Ipng；或是基于异步传输模式(ATM，AsynchronousTransfer Mode)的技术，或是基于其它各种能提供分组交换承载技术的网络。

7)由于本发明将数据面功能只存在于WIB、RAN Gateway内，RNCServer仅仅负责控制面的少量功能，不再处理数据面，从而有效地将数据面与控制面进行了分离，大大降低了设备的复杂度和成本。

8)每个WIBS中只有一个RNC Server，各个WIBS之间利用RNC Server的逻辑接口进行互连通信。

附图说明

图1为现有技术中3GPP无线接入网UTRAN的组成结构示意图；

图2为本发明3GPP中无线互联网基站子***WIBS的网络结构示意图；

图3为采用本发明无线接入网结构时RRC连接建立过程的示意图；

图4为采用本发明无线接入网结构时RRC连接释放过程的示意图；

图5为采用本发明无线接入网结构时重配置过程的示意图；

图6为采用本发明无线接入网结构时测量控制和切换过程的示意图。

具体实施方式

本发明的无线接入网络包括至少一个无线互联网基站子***(WIBS，Wireless Internet Base Station Subsystem)，每个WIBS的组成结构以及与核心网(CN)的连接关系如图2所示，WIBS专门服务于高速分组数据业务，可支持但不限于互联网服务。该WIBS主要由无线网络控制服务器(RNCServer)、接入网网关(RAN Gateway)、无线互联网基站(WIB)以及分组交换承载网络构成。

其中，一个WIBS中可以有若干个RAN Gateway，用于处理WIB与核心网(CN)之间的用户数据流，若干个RAN Gateway位于同一个分组交换承载网络(Packet Switch Bearer Network)上，根据网络配置，一个RANGateway经由该承载网络可服务于多个WIB，并可根据业务流量灵活地对所服务的WIB数量和分布进行调整，RAN Gateway与WIB之间有逻辑接口，主要用来传递用户数据流，每个RAN Gateway还直接与CN相连。

通常一个WIBS中只有一个RNC Server，各个WIBS之间通过各自的RNC Server互连通信。RNC Server是专用来处理WIB与CN之间控制信令的装置，实现部分无线网络管理和无线资源控制的功能，其一端连接于CN，另一端通过分组交换承载网络与所有RAN Gateway和WIB相连。RNCServer、RAN Gateway和WIB之间均提供有逻辑接口，RNC Server与RANGateway之间的逻辑接口，可用来实现对数据业务的快速监控；RNC Server与WIB之间的逻辑接口，可用来实现无线资源协调等信令交互，RNC Server之间的逻辑接口即可实现两个WIBS间的数据和信令通信。

一个WIBS中有多个WIB，WIB用于实现与用户移动终端之间的无线发射和接收，每个WIB可管理一个或多个小区。一般一个WIB只需由一个RAN Gateway提供服务，但网络可以通过重新配置参数，对WIB当前所对应的RAN Gateway进行调整，即同一个WIB所对应的RAN Gateway可根据需要随时改变。

在上述结构中，CN仍继承使用现有的核心网部分，分组交换承载网络可直接使用现有的各种分组交换网络，比如：基于网际互联(IP)协议的网络、基于异步传输模式(ATM)的网络。由于RNC Server、RAN Gateway和WIB均挂在同一个分组交换承载网络上，因此，各个WIB之间的通信、WIB与RNC Server、RAN Gateway之间的通信、RNC Server与RAN Gateway之间的通信均通过该承载网络直接传递。各个WIB之间、WIB与RNC Server之间、WIB与RAN Gateway之间以及RNC Server与RAN Gateway之间所提供的逻辑接口的实现方式均与该承载网络所采用的传输协议有关。

针对本发明的接入网结构，对原来Node B和RNC的功能对应RNCServer、RAN Gateway和WIB进行重新划分，即：将无线资源控制(RRC)的连接建立、连接释放；无线资源管理(RRM)的大部分功能，如：测量控制、功率控制、无线资源重配置；数据链路层(L2)中介质访问控制(MAC)、无线链路控制(RLC)、分组数据压缩协议(PDCP)等层的功能全部都下移到WIB中，WIB只需在每个过程完成后向RNC Server上报处理结果即可，并在WIB之间增加了接口以加速切换过程。RNC Server仅保留控制面，不再处理数据面，即不再负责数据传输，仅保留部分移动性管理功能和RANGateway配置功能，至少包括：小区更新、接入网注册区(URA)更新、硬切换过程的辅助决策、相邻WIB间的资源协调、UE在接入网的注册、RANGateway的配置功能。RAN Gateway则负责无线接入网数据路由功能，以及在Iu接口对CN提供无线接入承载(RAB)。

基于上述结构和功能划分，下面结合具体实施例来进一步说明本发明的接入网结构在实际中的应用。

实施例一：RRC连接建立过程

该过程是由用户终端(UE)先与WIB建立RRC连接，之后，再向RNCServer报告连接状态，参见图3所示，至少包括以下四个步骤：

1)UE发RRC连接请求消息RRC CONNECTION REQUEST给WIB，请求建立RRC连接；

2)WIB根据当前资源状况，如果有空闲资源，则向UE下发RRC连接建立消息RRC CONNECTION SETUP，该消息中带有相应的资源信息；

3)UE根据RRC CONNECTION SETUP消息配置相应的无线资源，然后向WIB发出RRC连接建立完成消息RRC CONNECTION SETUP COMP-LETE；

4)WIB收到RRC连接建立完成消息后，向RNC Server发出连接建立指示消息RRC CONNECTION SETUP INDICATION，通知RNC Server一个RRC连接建立；此时，UE注册在RNC Server，整个RRC连接建立过程完成。

实施例二：RRC连接释放过程

该过程如图4所示，包括以下几个步骤：

1)RNC Server向WIB发起RRC连接释放请求RRC CONNECTIONRELEASE REQUEST；

2)WIB收到后，向UE发出RRC连接释放消息RRC CONNECTIONRELEASE；

3)UE收到后，释放相应的***资源，然后上报RRC连接释放完成消息RRC CONNECTION RELEASE COMPLETE给WIB；

4)WIB收到后，再向RNC Server上报RRC连接释放指示消息RRCCONNECTION RELEASE INDICATION，表示UE占用的资源已释放。

实施例三：重新配置过程

该过程首先由RNC Server向相应的RAN Gateway发起路由信息请求消息，要求建立、释放或者修改相应无线接入承载路由信息；然后RNC Server请求WIB建立相应的无线接入承载(RAB)；WIB与UE之间交互需要通知RNC Server。其具体实现如图5所示：

1)RNC Server向RAN Gateway发路由信息请求消息ROUTINGINFORMATION REQUEST，为相应的RAB建立路由；

2)RAN Gateway建立好相应WIB和Iu接口之间的路由后，通过路由信息响应ROUTING INFORMATION RESPONSE消息向RNC Server响应；

3)RNC Server向WIB发起RAB建立请求RAB SETUP REQUEST；

4)WIB根据当前业务请求和资源状况进行无线资源配置：WIB先配置好自身的无线链路，然后向UE发送不同的重配置消息，比如：无线承载建立消息RADIO BEARER SETUP、无线承载重配置消息RADIO BEARERRECONFIGURATION、无线承载释放消息RADIO BEARER RELEASE、传输信道重配置消息TRANSPORT CHANNEL RECONFIGURATION、物理信道重配置消息PHYSICAL CHANNEL RECONFIGURATION，这些消息分别涉及不同层、不同范围内无线承载的配置信息；

5)UE收到后，根据消息中的配置信息重新配置相应的无线资源；

6)UE完成资源配置后，向WIB发相应的重配置完成消息，比如：无线承载建立完成消息RADIO BEARER SETUP COMPLETE；

7)WIB收到UE的重配置完成消息后，向RNC Server发RAB SETUPRESPONSE消息。

实施例四：测量控制和切换过程

该过程是由WIB控制测量过程并评估测量报告，根据测量报告进行功率控制和切换决策。对于可能发生切换的测量报告需要与相邻WIB进行协商，并提交RNC Server，由RNC Server协商相邻WIB进行切换。通过测量的分步处理，WIB先处理功率控制相关测量并初步判别是否可能涉及切换，再由RNC Server处理切换有关测量。其具体实现参见图6所示：

1)WIB向UE下发测量控制MEASUREMENT CONTROL消息；

2)UE根据测量报告准则，向WIB上报测量报告消息MEASUREMENTREPORT；

3)WIB评估测量报告，设置相应的功率控制参数，对于满足切换准则的测量报告，需要与相邻的WIB进行协商，则提交RNC Server，由RNCServer协商相邻WIB进行切换；

4)RNC Server协调相邻的WIB无线资源以备切换，同时通过WIB向UE发送切换消息；

5)UE切换到新的WIB上。

根据上述实施例的具体信令交互过程，可以看出：

当WIBS的一个终端用户发起数据业务时，UE向WIB发分组数据接入请求；WIB在收到由RNC Server发来的连接建立允许指示之后，向该用户分配所辖小区的无线信道(如时隙、码字)等等，并通知该终端用户；终端用户收到WIB的指示后对WIB进行回答；WIB收到回答后报告RNCServer连接建立成功。在此过程中，WIB自行分配所辖小区的无线信道，仅仅将连接建立成功或失败的结果通报给RNC Server，而不象在WCDMA***中，RNC完成给用户分配无线资源等一切控制过程，各小区对应的Node B仅仅负责信号的无线发送和接收。

在上述通信过程中，用户的高速分组业务数据流都通过WIB和RANGateway处理，数据流携带的信息可以是互联网有关的文字、图像等数据信号；用户的控制信息，例如对用户的寻呼、连接释放指示等都由RNC Server处理。这样实现了业务流和控制流的分开。WCDMA网络中的MAC(媒体接入控制)等数据链路层的功能在本网络结构中下移到WIB实现，与RNCServer无关。

RNC Server根据用户的优先级、QoS(服务质量)要求等信息，通过RNC Server与RAN Gateway之间的接口，将控制信息发送给RAN Gateway，RAN Gateway根据这些参数快速调整相应用户的业务流量。RNC Server可随时向各WIB通报相邻WIB的负载情况等参数。当用户从一个WIB切换到另外一个WIB时，WIB可直接向用户终端提供当前的相邻小区参数，支持移动终端的信号质量测量等过程。切换过程中，相关的各WIB通过逻辑接口直接交换当前的用户状况信息，不需通过RNC Server进行。切换完成后，RNC Server从WIB处获得切换成功的上报。

RNC Server、RAN Gateway和WIB等实体，都挂在一个统一的分组交换承载网络上，各实体之间的逻辑接口均通过分组网络中一般的寻址方式来实现。

除此以外，本发明的WIB还具有以下的功能：

1)数据链路层功能：即，WIB处理全部数据链路层(L2)功能，并通过RAN Gateway与核心网相连，进行业务传送；通过L2能够使WIB的RRC与UE的RRC相连。

2)功率控制功能：无线资源大多数功能都下移到WIB，RRC消息中功率控制的参数也通过WIB提供。WIB根据UE的测量报告调整相应的功率控制参数(专用信道的SIRtarget)，通过RRC消息发给UE进行功率控制。

3)由于接入网结构的变化，影响到RRC连接状态的划分，即：对于小区物理信道(CELL_PCH)、接入网注册区物理信道(URA_PCH)状态，由于此时并无业务传输，全部由RNC Server维护，即此类UE对于WIB来说是不可见，其寻呼、小区重选、小区更新仍与原有方案一致。而对于小区前向接入信道(CELL_FACH)、小区专用信道(CELL_DCH)状态，RNCServer仅仅保留其注册信息，WIB则负责完全维护这类UE的无线资源。

可见，由于本发明只处理数据业务，而且将大部分与无线接入相关的控制功能均集中由WIB进行处理，使得无线接入网络能对测量、功控、资源配置等作出快速反应，大大加速了无线接口信令的响应速度；同时通过功能的划分提高了网络的可扩展性。

Claims (7)

1、一种适用于高速分组数据传输的无线接入网，其特征在于：由一个以上无线互联网基站子***组成，每个无线互联网基站子***包括：

无线网络控制服务器，用于处理核心网与无线互联网基站之间的控制信令；

至少一个无线接入网网关，用于处理核心网与无线互联网基站之间的用户数据流，一个无线接入网网关服务于至少一个无线互联网基站；

至少一个无线互联网基站，用于完成一个或一个以上小区的无线资源管理以及无线资源控制连接的建立与释放，实现与用户终端之间数据和控制信令的无线发射和接收，并向无线网络控制服务器上报处理结果，一个无线互联网基站同一时刻只由一个无线接入网网关提供服务；以及

分组交换承载网络，用于传递无线网络控制服务器、无线接入网网关及无线互联网基站之间的交互信息；

无线网络控制服务器和无线接入网网关直接与核心网相连，无线网络控制服务器、所有无线接入网网关及所有无线互联网基站分别通过各自的逻辑接口连接于同一个分组交换承载网络上，并经由各自的逻辑接口和该分组交换承载网络直接互连通信；每个无线互联网基站子***之间通过各自唯一的无线网络控制服务器的逻辑接口进行互连通信。

2、根据权利要求1所述的无线接入网，其特征在于：所述的分组交换承载网络为基于网际互联协议的网络，或为基于异步传输模式技术的网络。

3、根据权利要求1所述的无线接入网，其特征在于：所述的接入网网关为路由设备。

4、根据权利要求1所述的无线接入网，其特征在于：一个无线接入网网关所服务于的无线互联网基站根据业务流量实时调整。

5、根据权利要求1或4所述的无线接入网，其特征在于：同一个无线互联网基站在不同时刻由不同的无线接入网网关提供服务。

6、根据权利要求1所述的无线接入网，其特征在于：所述逻辑接口的实现方式与分组交换承载网络采用的协议相关。

7、根据权利要求1、2或6所述的无线接入网，其特征在于：所述的逻辑接口为支持网际互联协议的接口，或支持异步传输模式协议的接口。

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