用于接入网的分组管道体系结构 相关申请的交叉参考
该专利申请要求在1998年9月25日提交的、专利序列号为60/109,899的共同未决的美国临时申请的优先权利益，因此，该临时申请的全部公开内容被在此引入作为参考。
【发明背景】
发明技术领域
本发明一般而言涉及电信领域，特别是用于接入网的分组管道体系结构。
相关技术描述
当前的无线电信系统是垂直地集成的系统。这种结构意味着定义物理层(以及网络层)和媒介接入控制功能的无线电空中接口规范通常是专用的，且被设计成适合于特定的应用，例如语音或尽力的数据通信。然而，现有地无线电空中接口规范的一个重大问题是它们是沿袭传统的电路交换发展而来。因此，在现有的(以电路交换为基础的)空中接口上传送因特网协议(IP)数据或异步传输模式(ATM)数据的尝试已导致烦琐、复杂和专用的拼凑起来的设计方案，而这些方案是低效率的并且不能处理所有这些网络模型可提供的全部的多种业务。
例如，图-1是一个现有协议栈的方框图，一个普通的接入集线器(例如，一个非对称数字用户线(ADSL)接入网或无线接入网)使用这个协议栈接入一个IP网(比如因特网)，并且在其间传送分组数据业务。图-1所示的协议栈体系结构的基本思想是：在终端设备(TE)和接入路由器(即此例中的边缘路由器)设备之间能够使用传统的第二层“隧道”协议(例如基于传统的IP模型)建立一条逻辑的点到点链路。依照所使用的尽力的原则，在栈的第一层和/或第二层级别的网络终端能够在设备之间实现本地IP分组的中继。然而，正如前面提到的，这种方法的问题是它被限制于尽力类型的应用，所以不能处理所有的可用于IP或ATM分层体系结构的多种业务。因此，在无线通信领域存在的一个重大需求是：需要一种新的网络接入体系结构，它能够在将所用到的方法的复杂性减到最小的同时，提高现有无线电空中接口的效率。正如下面将要详细描述的，本发明成功地解决了上面描述的问题，满足了此需求。
发明概述
依照本发明的优选实施方案，一种分组管道体系结构被提供用于一个接入网(例如，提供到IP、ATM或类似基于分组的网络的接入以在其中传送分组数据业务)，由此与分组管道的网络接口被标准化，使得满足接口需求的任一分组管道能在同一接入网中使用。同样地，分组管道使用一种具有业务传递的QoS保证的基于分组的协议栈，而不使用传统所用的尽力的业务传递功能。因此，分组管道和接入网能够提供所有的、可用于IP、ATM或类似基于分组的网络分层体系结构的多种业务。
本发明一个重要的技术优点是：一种分组管道体系结构被提供用于一个接入网，它能够被优化用于IP、ATM或类似基于分组的网络的分组数据业务。
本发明另一重要的技术优点是：一种分组管道体系结构被提供用于一个接入网，它能够提高所使用的无线电空中接口的效率。
本发明还有一重要的技术优点是：一种分组管道体系结构被提供用于一个接入网，它能够使所使用的方法的复杂性减到最小。
附图简述
通过参考下面的详细描述连同附图可以更完全地理解本发明的方法和装置，其中：
图-1是用来接入IP网络并在其中传送分组数据业务的一般的接入集线器或接入网的一种现有协议栈的方框图；
图-2A和图-2B是依照本发明的一种优选实施方案能够实现的、一种接入网的分组管道体系结构的相关方框图；以及
图-3是依照本发明的优选实施方案、能用于图-2A和图-2B所示的分组管道以便在接入IP网络并在其中传送分组数据业务时提供QoS区别支持的一种协议栈。
附图详述
通过参考附图中的图1-3，能够最好的理解本发明的优选实施方案及其优点，所使用的相似数字用于不同图中的相似和相应部分。
基本上，依照本发明的优选实施方案，一种分组管道体系结构被提供用于一种接入网(例如，提供到IP、ATM或类似基于分组的网络的接入以在其中传送分组数据业务)，由此与分组管道的网络接口被标准化，使得满足接口需求的任一分组管道能在同一接入网中使用。同样地，分组管道使用一种具有业务传递的QoS保证的基于分组的协议栈，而不使用传统所用的尽力的业务传递功能。因此，分组管道和接入网能够提供所有的、可用于IP、ATM或类似基于分组的网络分层体系结构的多种业务。
特别地，图-2A和图-2B是依照本发明的优选实施方案能够实现的、一种接入网100的分组管道体系结构的相关方框图。在本发明的上下文中，一个“分组管道”可以是一个网络或网络的组成部分，主要用来传送数据分组。作为例子的网络100包含一个终端设备(TE)单元102。对这种实施方案，能够假定一个或多个位于最终用户宅内的终端能够使用IP作为运行在适当的物理接口上的业务承载机制。然而，本发明不受限于使用这一种协议，它能使用其它模式来传输数据，比如，ATM或其他基于分组的实现(例如，基站收发信台(BTS)到基站控制器(BSC)的互连)。
接入网100也在用户侧(IWF_US)104包含一个交互工作功能单元，它起到映射存在于W.3接口和B.1接口之间的任一应用流的作用(下面将要详细描述)。例如，B.1到W.3接口映射起到识别流的类型(比如语音、数据、流式媒介等)的作用。因此，可以知道这样一种流类型的QoS需求，从而能识别它以便在此使用。这种映射也起到识别流并按相关的承载业务对流进行分级的作用，这使得分组管道能基于此种类型流相关的QoS需求来调度流以便进行传送。这样，IWF_US单元104能起到服务于多用户、多终端和/或多会话的作用。在这方面，在无线接入网100和用户之间(在接口参考点W.3和B.1之间)提供了下面的交互工作功能：分组管道和局域网(LAN)或以太网间的IWF；分组管道和一或多个老式电话系统(POTS)或综合业务数字网(ISDN)电话间的IWF；及分组管道和E1或T1(租用)线间的IWF。就这一点而论，上面列举的IWF并没有包括全部。
对这种实施方案，IWF_US 104提供的到W.3接口参考点处的用户的接口是开放的(不是专用的)、基于公认的行业标准的接口。通用的或一般的接口能在B.1接口参考点处提供。例如，一个W.3接口在某种程度上是一般的，即它能够处理一个TE提供作为到IWF_US的输入的、任何一个基于分组的或基于电路的接口，并能对特定类型的流进行QoS需求分级。因此，IWF_US单元104能结合多个不同的分组管道使用；反之，一个分组管道能够被用于为不同的IWF服务。
在B.1接口，一个预定的原语集能与W-数据链路控制(W-DLC)协议层一起使用，以便对IWF来说能向分组管道请求各种服务和/或预留资源。这些原语可以是，例如：QoS信息、公平信息、最小业务吞吐量信息、资源分配信息等等。下面要提供这些示范原语的更详细的描述。
这样，对分组管道支持的各种业务中的每一种，都能定义一个特定的协议栈。例如，对以太网或LAN类型的业务，可以使用第二层隧道协议(L2TP)，或终止所用的协议可能更合适。在这个上下文中，“终止”这个词的意思可以是一个特定的协议段不再沿链路进一步传送。例如，一个IP目的地可能终止于一个路由器(且很可能被另外一个IP目的地代替)。此外，依靠选择W.3和W.2接口上使用的物理接口和协议栈，能对称地设计接入系统，这样在网络两端所用的IWF可以是相同的。
依照本发明，分组管道106提供第一层和第二层功能来通过一个无线电空中接口传送分组数据业务。对这个示范实施方案，分组管道106包含：一个位于分组管道用户侧的无线终接(RT)单元108、一个与RT单元相连的无线中继(RR)单元110和一个与RR单元相连的位于网络侧的无线节点(RN)单元110。优选地，分组管道106具有点到多点的能力，因此，它能支持来自多个不同用户终端的多个不同的会话。
分组管道106也包含多个B.x接口(例如，B.1和B.2)以便尽可能独立于所使用的无线技术进行操作。此外，分组管道106设计成提供给高协议层(第三层及更高层)多个无线承载业务，业务的特征在于定义一组QoS级的不同的QoS参数。这些QoS级能与有关的应用关联起来，例如，IP承载的语音(VOIP)、尽力的数据、与语音同步的数据等等。这样，RT单元108和RN单元112分别起到终止来自于接入路由器116和终端102协议的作用。RR单元110可以是一个无线发射机和/或接收机，或一个中继器。
网络100也在网络侧(IWF_NS)114包含一个交互工作功能单元，它与分组管道的RN单元112相连。IWF_NS单元114起到映射存在于B.2接口和W.2.1接口(下面要详细描述)之间的应用流的作用。对这种实施方案，一个IWF_NS单元114能通过单个的分组管道(106)服务于多个通信会话。优选地，IWF_NS单元映射来自于多个终端的所有正在进行中的应用，例如，语音、数据等等。举例说来，第二层(数据链路层)中的媒质接入控制(MAC)部分能参与调度来自于在共享资源中工作(例如，在分组管道覆盖区内)的终端的分组。分组能被映射到依照预定的准则(例如，对等待时间的QoS需求等)的携带分组的相关载体上。
对这种实施方案，一个接入路由器116提供到多个广域网(WAN)，例如IP网络118，的连接。这样，接入路由器按一种传统方式工作来传递去往/来自WAN的数据。特别地，使用接入路由器作为一个“边缘设备”的主要目的是：能为多种业务提供(用单个接入设备)统一的接入，连同提供一个对每种类型的分组、信元和/或被处理的语音应用相对灵活的带宽分配能力。这样，接入路由器116起到一个业务接入节点的作用并能依照用户请求的特定业务提供有区别的接入功能。例如，一个传统的接入路由器能被用来提供认证能力，该能力可以保护一个被授权用户的信息库(以便提供恰当的接入服务)，也能避免来自一个恶意用户的干扰。
一个关守单元120的工作是为在比如一个基于H.323(音频、视频、数据)网络的端点(例如，终端到终端、网关到终端，或网关到网关)处理呼叫信令和业务功能(例如，地址解析、带宽控制、计费等)。这样，关守功能可以在一个网关设备内提供或通过一个独立的关守节点(例如，一次处理多达几个网关设备)提供。通过例子可见，一个关守单元能参与呼叫处理过程、呼叫信令、IP地址到关联的电话号码或用户端口ID号的转换或映射、带宽分配、收取费用等等。
一个公共交换电话网/ISDN(PSTN/ISDN)网关122的工作是在某些基于IP的业务之间提供连接，例如，VOIP和PSTN/ISDN本身的业务。PSTN/ISDN可能含有下列接口：一个到接入路由器的W.2.2接口，和一个W.2.3接口，该W.2.3接口到使用象比如ITU G.703标准或同步数字系列(SDH)和V5这样的已知接口和协议的PSTN/ISDN网络。PSTN/ISDN网关能提供象协议转换这样的功能，例如，将基于IP的协议栈转换为一个恰当的电信协议栈(例如，PSTN/ISDN协议栈或基于OSI/MTP的协议栈)。
一个ATM网关124提供在基于IP业务和ATM本身的业务之间的业务连接。ATM网关也能提供关守功能。如果ATM本身的业务(例如，ATM承载的语音、ATM承载的经典IP)被一个ATM业务网络所支持，那就可以使用ATM网关。一个单元管理系统(EMS)126为构成固定无线接入网100的单元提供监控和运行控制功能。
正如上面提到的图2B所示的，接入网100包含多个网络中的不同参考点处的接口。例如，W.3接口位于TE单元102和IWF_US单元104之间。优选地，W.3接口是一个开放接口(例如，在以太网或USB上的IP)。一个B.1接口位于IWF_US单元104和分组管道106之间。B.1接口优选地是一个专用的接口，但是对其它用途来说，它也可以是非专用的。例如，一个B.1接口依照不同接入技术的供应商和/或运行者之间达成的协议可以被标准化。
一个W.1接口(例如，空中接口)位于RT单元108和RR单元110或RN单元112(未标出)之间。在另外的一个实施方案中，W.1或无线电空中接口也能位于RR单元110和RN单元112之间。W.1接口可以是专用的或非专用的。
一个B.2接口位于分组管道106和IWF_NS单元114之间。B.2接口优选地是一个专用的接口，但是对其它用途来说，它也可以是非专用的。类似于B.1接口，例如，一个B.2接口依照不同接入技术的供应商和/或运行者之间达成的协议可以被标准化。
一个W.2.1接口位于IWF_NS单元114和边缘或接入路由器116之间。W.2.1接口优选地是非专用的。一个W.2.2接口位于边缘或接入路由器116与IP网络118、关守120、PSTN/ISDN网关122及ATM网关124之间。W.2.2接口优选地是一个非专用的接口，例如，帧中继、ATM或SONET/SDH承载的IP。一个W.2.3接口位于PSTN/ISDN网关122与PSTN/ISDN网128、ATM网关124及ATM网130之间。W.2.3接口优选地是一个非专用接口，例如，V5.2或ATM论坛用户网络接口(UNI)。
一个B.3接口位于EMS单元126和无线接入网100的各组成部分之间。B.3接口可以是专用的或非专用的接口。一个B.4接口在EMS单元和上层网络管理系统之间提供。B.4接口也可以是一个专用的或非专用的接口。
正如上面提到的，第一层和第二层分组管道(106)为更高协议层提供多种无线承载业务，业务的特征在于不同的服务质量(QoS)参数。对这种实施方案，接入网100用下面的方法管理QoS：综合业务(IntServ)或预留协议(RSVP)支持；有区别的业务(DiffServ)支持；或通过使用能够从分组管道106的高层协议栈到低层协议栈向下传送QoS参数的“下钻(drill down)”协议技术。依照本发明的优选实施方案，分组管道106所使用的、能提供QoS区别(DiffServ)支持的协议栈示于图-3。
正如图-3所示的协议栈说明的，全局IP流在分组管道106的边缘被终止以提供分组分级。为了管理分组管道中的会话，RSVP业务被终止以便访问资源预留参数。同样地，一种类似路由器的技术被应用于分组管道边缘。例如，边缘路由器116依照不同的施加的QoS需求来区分分组。这种分组间的区分能通过使用，例如，RSVP(为在诸如视频会议、多媒体等等的IP应用中支持不同的QoS等级而发展起来的)或DiffServ分级功能来完成。特别地，不同的网络传输机制可以与各个DiffServ等级一起使用。
正如早些提到的，分组管道106的主要功能是为通过一个无线电空中接口(例如，此例中的W.1接口)传送分组化的通信业务而提供的第一层和第二层功能。在分组管道106和总协议体系结构中的上层之间的接口也决定了提交以便传输的分组类型(例如，分组数据单元或PDU)。这样，分组管道106的主要情况可以描述如下：一个对IP最优化的分组管道；一个对ATM最优化的分组管道；和一个既支持IP模型又支持ATM模型的分组管道。分组管道提供到IWF的一个接口来保留、删除或维持一个与协商的QoS一致的无线资源。
依照本发明的优选实施方案，分组管道106可以被设计以满足某些普通需求。第一个需求是分组管道能支持到更高层的不同QoS等级的保证。在那方面，定义了一组分组管道中QoS等级。之后，分组管道负责交付在那些QoS等级中的令人满意的服务。第二个需求是当很少的无线资源被分配给不同的信息流时，存在适当的机制以有效地利用它们，并且还能有效地接入骨干网。第三个需求是时适当的无线资源能力，分组管道的设计应考虑链路预算金额，以便确保物理层信道得到一个令人满意的误码率(BER)。
对分组管道106的第四个需求是当给属于同一QoS等级的不同会话或用户分配无线资源时，能提供确保以公平的原则来管理的机制。在这方面，分组管道能在拥塞期间对属于相同或不同的QoS等级的分组流量进行优先级划分，这可以把对这些很少的无线资源使用的控制留给运行者。
对分组管道106的第五个需求是它能对数据传输进行分段与重组。要求分组管道提供也包含对错误数据的重传的有效媒介接入控制。这就要求一个分段功能在输入分组(N-PDU)经无线电空中接口传输之前，将该分组分割成较小的单元，以便通过结合前向纠错(FEC)或编码冗余和后向纠错(BEC)或重传冗余使无线传输达到最优化。同样地，通过在无线电空中接口上发送较小的数据单元，优先权的间隔尺寸变得更小，从而允许对不同QoS等级的无线接入进行精细调整。最后，在接收机端需要有分组重装能力。
尽管本发明的方法和装置的优选实施方案示于附图中并在前面的详述中进行了描述，但应理解本发明不受限于公开的实施方案，而是在不脱离下面权利要求中提出和定义的精神的情况下，能有多种重新安排、修改和替代。