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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Senden einer Multicast-Nachricht
an mehrere Mobilstationen in einer Multicast-Gruppe, und ein Mobiltelekommunikationsnetz
mit einem Multicast-Server.
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Stand der
Technik
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In
UMTS-Standards (Universal Mobile Telecommunications Systems) besteht
ein Erfordernis, Multicast-Dienste zu unterstützen.
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Die
bekannte Lösung
besteht darin, daß der Gateway-GPRS-(General Packet
Radio System)Netzknoten GGSN, der der Eintrittspunkt in das UMTS-Netz
ist, Datenströme
dupliziert, um Daten über
Punkt-zu-Punkt-Strecken über
UMTS-Netz zu senden. Verwendung von Punkt-zu-Punkt-Strecken über das
UMTS-Netz ist unrationell und benutzt zusätzliche Ressourcen; nicht nur
Netzressourcen sondern auch knappe Funkressourcen. Der Grund dafür ist, daß Multicast-Daten über die
festzugeordneten Punkt-zu-Punkt-Strecken gesendet werden und wenn
es in einer Zelle mehrere Benutzer gibt, werden die gleichen Informationen über mehrere
Kanäle,
einen für
jeden Benutzer, gesendet.
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Aus
der europäischen
Patentanmeldung EP-A-1071296 und den internationalen (PCT-)Patentveröffentlichungen
WO-A-98/25422, WO-A-01/20939, WO-A-99/59355 und WO-A-02/51187 ist
Hintergrund ersichtlich. Sie betreffen Verfahren zur Verteilung
von Nachrichten an Gruppen von Mobilfunkgeräten.
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Aus
der europäischen
Patentanmeldung DP-A-1071296 ist bekannt, ein Verfahren zum Senden
einer Multicast-Nachricht
an mehrere Mobilstationen mit Senden einer Steuernachricht zum Zuweisen
einer Mobilstation zu einer Multicast-Gruppe zu einem Zugangspunkt
eines mobilen Telekommunikationsnetzes, und Senden der Multicast-Nachricht
zu dem oder jedem Zugangspunkt mit einer oder mehreren zugehörigen Mobilstationen
in der Multicast-Gruppe bereitzustellen, wobei der oder jeder Zugangspunkt
die Multicast-Nachricht zu seiner zugehörigen einen oder mehreren Mobilstationen
in der Multicast-Gruppe weiterleitet, wobei die Steuernachricht
bei Empfang einer Gruppenzugehörigkeitsanweisung
von der Mobilstation von einem Ankerpunkt aus, der ein Gateway-GPRS-Netzknoten
GGSN ist, gesendet wird.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Gegenüber der
Offenbarung von EP-A-1071296 ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß das
Netz ein UMTS-Kernnetz ist und der oder jeder Zugangspunkt eine
Funknetzsteuerung ist, die Steuernachricht anzeigt, daß ein Funkzugangsträger für Multicast-Nachrichtenübertragung
zur Mobilstation aufzubauen ist und der Ankerpunkt Punkt-zu-Punkt-GPRS-Tunnelprotokoll-GTP-Tunnel
für die
Multicast-Gruppe zwischen dem Ankerpunkt und dem Zeichengabe-GPRS-Netzknoten SGSN und
zwischen dem SGSN und dem Zugangspunkt aufbauen oder eine Mobilstationskennung
zu einer Zugehörigkeitsliste
für die
Gruppe zufügen
kann, wenn die GTP-Tunnel bereits bestehen.
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Ein
Vorteil bevorzugter Ausführungsformen besteht
in der wirkungsvollen Verwendung von Kernnetzressourcen durch Senden
nur eines Datenstroms zum Zugangsnetz für alle Multicast-Benutzer im
Zugangsnetz. Vorteilhafterweise können in bevorzugten Ausführungsformen
Daten auf diese Weise ohne Duplizieren von Daten über das
Kernnetz zu den entsprechenden Funknetzen gesendet werden, wodurch
Multicast-Daten über
einen Weg über
das Kernnetz herab zum Funknetz gesendet werden können. Dadurch
wird eine Verschwendung von Netzressourcen vermieden. Die Verwendung
normaler IP-Multicast-Protokolle
ist möglich,
ohne speziell zugeschnittene Anwendungen für das Mobilnetz zu erfordern.
Dadurch wird es leicht, das gleiche Endgerät auf die gleiche Weise in
einem IP-Festnetz (Internetprotokoll) oder WLAN-Szenario (Wireless
Local Area Network) zu benutzen.
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Die
Steuernachricht wird bei Empfang einer Gruppenzugehörigkeitsanweisung
von der Mobilstation von einem Ankerpunkt aus gesendet, der ein Gateway-GPRS-Netzknoten GGSN ist.
Die Anweisung ist vorzugsweise ein IGMP-Rahmen (Internet Group Management
Protokoll).
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Das
Netz ist ein UMTS-Kernnetz und der oder jeder Zugangspunkt ist eine
Funknetzsteuerung. In bevorzugten Ausführungsformen wird das IP-Multicast-Protokoll
vorteilhafterweise an das UMTS-Funknetz angepaßt und stellt die Zuordnung zwischen
den IP-Adressen und UMTS-Adressen zum
Maximieren der Wiederverwendung bestehender UMTS-Protokolle und
Ermöglichen
der Teilnahme an (und des Verlassens von) IP-Multicast-Gruppen in UMTS-Netzen
unter Verwendung von IGMP-Nachrichten
(Internet Group Management Protokoll) nach IETF-Standards bereit.
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Die
Mobilstation wird vorteilhafterweise durch Senden von Zeichengabe
mit einem Multicast-Zugangspunktnamen APN (Access Point Name) als
Teil eines Kontextaufbaus Erstellen Paketdatenprotokoll PDP einer
Multicast-Gruppe
zugewiesen.
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Die
Steuernachricht zeigt an, daß ein
Funkzugangsträger
für Multicast-Nachrichtenübermittlung zur
Mobilstation aufzubauen ist. Der Ankerpunkt bewirkt den Aufbau von
GPRS-Tunnelprotokoll-GTP-Tunnel für die Multicast-Gruppe zwischen dem
Ankerpunkt und dem Zeichengabe-GPRS-Netzknoten
SGSN und zwischen dem SGSN und dem Zugangspunkt, oder das Hinzufügen einer
Mobilstationskennung zu einer Zugehörigkeitsliste für die Gruppe,
wenn die GTP-Tunnel bereits bestehen.
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Dieser
Ansatz ist gut für
die Bearbeitung von wandernden Benutzern geeignet.
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Vorzugsweise
werden, wenn sich eine Mobilstation in die Steuerung eines anderen
Zugangspunkt bewegt, zugehörige
Multicast-Gruppenzugehörigkeitsinformationen
zum neuen Zugangspunkt weitergeleitet. Mit bevorzugten Ausführungsformen wird
daher Beweglichkeit in einem UMTS-Netz vorteilhafterweise bearbeitet.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Es
wird nunmehr eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung beispielhafterweise und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
In den Zeichnungen ist
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1 eine
diagrammatische Darstellung eines bevorzugten UMTS/GPRS-Netzes.
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Ausführliche
Beschreibung
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Die
Unterstützung
von IP-Multicast-Übertragungen
in GPRS/UMTS-Kernnetzen kann auf das Problem verallgemeinert werden,
wie Multicast in einem hierarchischen, auf Tunneln basierenden Mobilitätsunterstützungssystem
zu unterstützen
ist. Ein hierarchisches auf Tunneln basierendes Mobilitätsunterstützungssystem
benutzt obligatorische Tunnel von einem Zugangspunkt (der Basisstationsteuerung (BSC)
oder Funknetzsteuerung (RNC) oder einem anderen drahtlosen oder
drahtgebundenen Zugangsnetzabschlußknoten) aus, der sprungweise
bis zu einem Ankerpunkt umgeordnet werden kann. Über die Beschaffenheit des
Zugangsnetzes oder seine Fähigkeit,
Multicast-Verkehr unter Verwendung netzeigener Multicast-Kanäle oder
Duplizierung über
Unicast-Punkt-zu-Punkt-Kanäle
werden hier keine Annahmen gestellt.
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Die
IP-Pakete des Benutzers, die die IGMP-Nachrichten (Internet Group
Management Protocol) enthalten, werden über Tunnel den ganzen Weg vom
Zugangspunkt zum Ankerpunkt (und umgekehrt) geführt. Das Problem besteht daher
darin, daß es
möglich
ist, daß die
IP-Konnektivität zwischen dem
Ankerpunkt zum Zugangspunkt Multicast möglicherweise nicht unterstützt oder
daß die
IP-Multicast-Adresse verwaltungsmäßig gemessen ist, das heißt der am
Ankerpunkt der Einschaltung an das Internet verfügbare Multicast-Strom an der
besuchten Stelle (nämlich
am Zugangspunkt) nicht zugänglich ist.
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Zwei
Lösungen
des Problems sind:
- A) die Verwendung einiger
Nachrichten vom Ankerpunkt zum Zugangspunkt, die den Zugangspunkt
ansteuern, an einer Multicast-Gruppe teilzunehmen, wobei Multicast-Daten
an allen möglichen
Zugangspunkten zur Verfügung
stehen.
- B) die Erstellung von Punkt-zu-Punkt-Tunnel, die den Multicast-Strom
an die Stellen verteilen, wo sich die Mobilbenutzer befinden. In
diesem Fall stehen Multicast-Daten nur am Ankerpunkt zur Verfügung und
werden entlang diesen Tunneln zum Zugangspunkt gesendet.
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Es
wird hier angenommen, daß zum
Melden von Multicast-Zugehörigkeit
das Internet-Gruppenverwaltungprotokoll IGMPv2 (Internet Group Management
Protocol) benutzt wird.
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Zugangspunkte
und Zwischenknoten halten ihre Zustände im Verhältnis dazu, welche die obere hierarchische
Ebene des Protokollstapels war, in der sie angefordert wurden, an
einer Multicast-Gruppe teilzunehmen, sodaß sie periodisch anfragen können, welche
der Liste von Multicast-Gruppen noch aktiv sind, wenn sie nicht
eine Zeit lang benutzt worden sind. Es wird erwartet, daß der Ankerpunkt
seinen Zustand aktuell hält.
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1 zeigt
die UMTS/GPRS-Netzarchitektur. Das neue Netzelement ist der Multicast-Server/IP-Multicastfähige IP-Knoten.
In der 1 bezeichnet MT den Mobilabschluß des Kernnetzes
und TE bezeichnet die Mobilstation.
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Für ein UMTS-Netz,
wo das auf der dem Ankerpunkt zugeordneten hierarchischen Ebene
benutzte Zeichengabeprotokoll (im vorliegenden Fall dem GPRS-Netzknoten GGSN)
GTP-Steuerungsebene GTP-C (GPRS-Tunnelprotokoll)
ist und das Protokoll der direkt darunter liegenden hierarchischen
Ebene der Funkzugangsnetzanwendungsteil RANAP (Radio Access Network
Application Part) (zwischen dem bedienenden GPRS-Netzknoten SGSN
und der Funknetzsteuerung RNC) ist, ist die Funknetzsteuerung RNC
der Zugangspunkt. Für
Benutzerdaten wird die GTP-Benutzerebene GTP-U vom GGSN zur RNC
benutzt. Als Alternative ist der Zugangspunkt für GPRS-Funktionalität der zweiten Generation
2G der bedienende GPRS-Netzknoten SGSN.
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Für eine nur
auf UMTS/GPRS-Anwendung spezialisierte Mobilstation ist es möglich, einen
Multicast-Zugangspunktnamen
APN (Access Point Name) zu definieren, für den keine IP-Adressenzuweisung
vorkommt, und der einzige Zweck des Kontextverfahrens Erstellenpaketdatenprotokoll
PDP besteht darin, dem Gateway-GPRS-Netzknoten GGSN zu signalisieren,
daß die
Mobilstation an einer Multicast-Gruppe teilnimmt. Dann wird eine
der Optionen A oder B oben dazu benutzt, Multicast-Inhaltsabgabe an
den Zugangspunkt zu verwalten. Dies bietet den Nutzen, daß kein Erfordernis
besteht, spezialisierte IP-Pakete für Multicast-Gruppenverwaltung über die Luftschnittstelle (Uu,
Um) zu senden.
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Als
Alternative nimmt der Mobilknoten MN an einer Multicast-Gruppe „G" teil, indem er einen unangeforderten
IGMPv2-Zugehörigkeitsbericht
(Internet Group Management Protokoll) sendet. Das Verfahren im Gateway-GPRS-Netzknoten
GGSN ist dann davon abhängig,
welcher der zwei oben angegebenen Fälle benutzt wird.
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Fall
A ist geeigneter für
Multicast im öffentlichen
Landfunknetz PLMN (Public Land Mobile Network) und Fall B behandelt
Multicast an wandernde Benutzer besser. Natürlich muß ein PDP-Kontext (Packet Data
Protokoll) aufgebaut werden, um IGMP-Pakete (Internet Group Managment
Protokoll) zu senden und muß aufrechterhalten
werden, wenn der Benutzer Multicast-Daten erwartet.
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Fall A: Ansteuern des
Zugangspunkts, an einer Multicast-Gruppe teilzunehmen
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Bei
Erkennung der IGMP-Nachricht (Internet Group Management Protocol)
sendet der Ankerpunkt, Gateway-GPRS-Netzknoten
GGSN im vorliegenden Fall, eine Nachricht „Multicast-Gruppe G für Mobilknoten
U beitreten" zu
dem den Mobilknoten bedienenden Zugangspunkt (oder zu einem hierarchisch
niedrigeren, den Mobilknoten bedienenden Ankerpunkt, der dann dies
entsprechend weiterleitet, bis der Zugangspunkt erreicht wird).
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Bei
UMTS bedeutet dies GTP-Nachrichten (GPRS Tunnelling Protocol) zwischen
dem Gateway-GPRS-Netzknoten GGSN und Zeichengabe-GPRS-Netzknoten
SGSN und RANAP-Nachrichten (Radio Access Network Application Part)
zwischen dem Zeichengabe-GPRS-Netzknoten SGSN und der Funknetzsteuerung
RNC. Der Gateway-GPRS-Netzknoten GGSN weiß, in welchem Zeichengabe-GPRS-Netzknoten
SGSN sich der Benutzer befindet, da an diesem Gateway-GPRS-Netzknoten
GGSN mindestens ein PDP-Kontext (Packet Data Protocol) für den Benutzer
besteht (und an dem die IGMP-Nachricht (Internet Group Management Protocol)
erkannt wird) und es wird daher kein Nachschlagen des Heimatregisters
HLR (Home Location Register) erwartet. Auch wird vom Gateway-GPRS-Netzknoten
GGSN die Zuordnung zwischen der IP-Adresse und der internationalen
Mobilteilnehmerkennung IMSI (International Mobile Subscriber Identity)
für jeden
internen Benutzer im GPRS-Netz durchgeführt. Auf ähnliche Weise identifiziert
er die internationale Mobilteilnehmerkennung IMSI, ohne statische
IP-Adressen benutzen zu müssen.
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Wenn
die Nachricht am Zugangspunkt empfangen wird (z.B. einer Funknetzsteuerung
RNC im UMTS), gibt der Zugangspunkt einen unangeforderten IGMPv2-Zugehörigkeitsbericht
an den Router des nächsten
Abschnitts weiter, von dem erwartet wird, daß er multicast-fähig ist.
Dadurch wird die Abgabe der Multicast-Daten an den Zugangspunkt (Funknetzsteuerung
RNC für
UMTS) erleichtert.
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Wenn
das Mobilgerät
die Gruppe verläßt, ohne
alle PDP-Kontexte
(Packet Data Protocol) für die
aktive Adresse abzubauen, unter Verwendung von am Ankerpunkt erkannten
IGMPv2-Rahmen (Internet Group Management Protocol), wird das Verfahren
zum Beitreten des Mobilgeräts
vom Ankerpunkt wiederholt, um das Mobilgerät aus der Multicast-Gruppe
zu entfernen. Ein ähnliches
Verfahren wird verwendet, wenn der Mobilknoten MN alle diesem Gateway-GPRS-Netzknoten
GGSN zugeordneten Sitzungen abbaut; es wird erwartet, daß eine Sitzung
zu allen Zeiten aktiv ist, um Multicast-Daten zu empfangen.
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Fall B: Erstellen von
Punkt-zu-Punkt-Tunneln
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In
diesem Fall empfängt
der Ankerpunkt eine IGMPv2-Nachricht
(Internet Group Management Protocol) und sendet eine Nachricht „Multicast-Träger für Gruppe 'G' für
Mobilknoten U erstellen" die
Hierarchie hinab zum Zugangspunkt, wo das Mobilgerät der Gruppe
beitritt. Von jedem Knoten einer hierarchischen Ebene, den eine
solche Nachricht bis zu dem einschließlich des Zugangspunkts, wo
sie der Mobilknoten MN befindet, durchlaufen wird, stellt einen Tunnel
mit dem in der Hierarchie unmittelbar darüberliegenden Knoten her, wenn
keiner für
die Gruppe 'G' bestand. Wenn einer
bestand, wird der Tunnel wieder verwendet, aber die Nachricht wird
zu dem Knoten der unmittelbar darunterliegenden hierarchischen Ebene
in Richtung des Zugangspunkts weitergeleitet, wo sich der Mobilknoten
MN befindet.
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Bei
UMTS wird das Aufbauen von GTP-Tunneln (GPRS-Tunnelprotokoll) zur Funknetzsteuerung vom
Ankerpunkt (Gateway-GPRS-Netzknoten GGSN) eingeleitet. Man beachte,
daß in
beiden Fällen
von UMTS oder GPRS die Wahlmöglichkeit,
eine Anforderung zum Mobilknoten MN mit Einleiten des Aufbaus der
Tunnel (Beitreten der Gruppe) anzuzeigen, ebenfalls möglich ist.
Zu dieser Zeit wird auch die Dienstgüte QoS für das Paketdatenprotokoll PDP aufgebaut.
Die für
die Sitzung erforderliche Dienstgüte QoS kann in dem universellen
Teilnehmerkennungsmodul USIM (Universal Subscriber Identity Module)
oder dem Gateway-GPRS-Netzknoten GGSN im voraus konfiguriert werden
oder könnte
durch die Anwendung definiert werden, wenn es einen entsprechenden
Weg gäbe,
daß die
Anwendungen mit dem Mobilabschluß MT und dem GPRS-Netzknoten GGSN
kommunizieren können.
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Als
Teil dieses PDP-Kontextaufbaus (Packet Data Protocol) wird für diese
Gruppe ein besonderer GTP-Tunnel
(GPRS-Tunnelprotokoll) zwischen dem Gateway-GPRS-Netzknoten GGSN und dem Zeichengabe-GPRS-Netzknoten SGSN aufgebaut. Wenn
ein GTP-Tunnel (GPRS-Tunnelprotokoll)
bereits zwischen dem Gateway-GPRS-Netzknoten GGSN und dem Zeichengabe-GPRS-Netzknoten SGSN
für diese
Gruppe besteht, wird die internationale Mobilteilnehmerkennung IMSI
des Benutzers der Gruppenliste hinzugefügt. Diesem PDP-Kontext (Packet
Data Protocol) kann eine Pseudo-IMSI (International Mobile Subscriber
Identity) zugeordnet werden, um Änderungen
an bestehenden Verfahren zu minimieren.
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Bearbeitung der Funkschnittstelle
(lu): Erstellung des Funkzugangsträgers RAB (Radio Access Bearer), Verwaltung
und Verlagerung der Ursprungs-Funknetzsteuerung
SRNC (Source Radio Network Controller)
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Der
Zeichengabe-GPRS-Netzknoten SGSN ist verantwortlich für den Aufbau
der lu-Schnittstelle zur Funknetzsteuerung RNC. Für den Fall
A ist es nur notwendig, der Funknetzsteuerung RNC eine Anzeige darüber, daß der Benutzer
der Multicast-Gruppe beitritt, gegeben werden, und dies kann unter
Verwendung einer RANAP-Nachricht (Radio Access Network Application
Part) geschehen.
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Wo
vom Zeichengabe-GPRS-Netzknoten SGSN ein Funknetzträger RAB
(Radio Access Bearer) zu allen Funknetzsteuerungen RNC, wo sich
Benutzer befinden, aufgebaut werden muß, gilt folgendes:
Wenn
ein neuer Benutzer der Gruppe beitritt und wenn kein Funkzugangsträger RAB
zur Funknetzsteuerung RNC für
diese Multicast-Gruppe besteht, wird ein RAB-Herstellungsverfahren (Radio Access Bearer)
zum Erstellen des Funkzugangsträgers
RAB benutzt. Die internationale Mobilteilnehmerkennung IMSI des
(der) zu dieser Gruppe gehörenden
Benutzer s) muß der
Funknetzsteuerung RNC zur Verfügung
gestellt werden.
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Wenn
ein Funkzugangsträger
RAB zur Funknetzsteuerung RNC für
diese Multicast-Gruppe bereits besteht, wird der Funkzugangsträger RAB
abgeändert,
um die internationale Mobilteilnehmerkennung IMSI des neuen Benutzers
einzuschließen.
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Durch
das RAB-Herstellungsverfahren wird die Funknetzsteuerung RNC angesteuert,
Multicast-Daten vom Ankerpunkt anzufordern.
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Für den Fall
B liegt es in der Verantwortung des Zeichengabe-GPRS-Netzknotens
SGSN, das Paket zu duplizieren und es auf jedem der Funkzugangsträger RAB
zu senden. Man beachte, daß dies auf
der Ebene des GPRS-Tunnelprotokolls (GTP) geschehen kann, ohne das
IP-Paket des Benutzers anschauen zu müssen.
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Benutzer-Mobilität
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Wenn
sich ein Mobilgerät
bewegt, wird der ihm zugeordnete Multicastgruppenzustand zum neuen
Zugangspunkt verlagert (und der alte Zugangspunkt kann die Multicast-Gruppe
G verlassen, wenn der Mobilknoten MN der einzige war, der einer
Multicast-Gruppe beigetreten war, oder die Zugehörigkeit aktiv halten, wenn
andere Benutzer Mitglieder der Multicast-Gruppe G am Zugangspunkt
waren).
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Wenn
sich ein Benutzer zwischen bedienenden GPRS-Netzknoten SGSN bewegt, enthält der zwischen
den bedienenden GPRS-Netzknoten SGSN bewegte Benutzerkontext die
Gruppen, zu denen der Benutzer gehört. Diese Informationen werden
in den entsprechenden GTP-Mobilitätsmeldungen
(GPRS-Tunnelprotokoll) des Zwischenbedienungs-GPRS-Netzknotens SGSN
in Abhängigkeit von
dem Benutzerzustand – entweder
frei oder lu-verbunden geführt.
Von dem neuen bedienenden GPRS-Netzknoten SGSN wird zum Gateway-GPRS-Netzknoten
GGSN hin ein Aktualisierungs-PDP-Kontext (Packet Data Protocol)
eingeleitet, um den bedienenden GPRS-Netzknoten SGSN zu aktualisieren, zu
dem der Benutzer gehört.
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Bei
Verlagerung der Ursprungs-Funknetzsteuerung SRNC werden die Gruppen,
zu denen der Benutzer gehört,
vom bedienenden GPRS-Netzknoten SGSN zur Sende-Funknetzsteuerung TRNC (Transmit Radio
Network Controller) weitergeleitet. Wenn die neue Funknetzsteuerung
RNC keine Multicast-Daten für
diese Gruppe empfängt,
muß ein
neuer Funkzugangsträger
RAB erstellt werden, wenn keine zur Netzsteuerung RNC für den Fall
B bestehen oder die Funknetzsteuerung RnC muß einen unangeforderten IGMPv2-Zugehörigkeitsbericht
(Internet Group Management Protocol) für den Router des nächsten Abschnitts
für Fall
A senden.