用于在机载无线蜂窝网络中创建空对地IP隧道以区分各个乘客的系统 |
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| 申请号 | CN200980118267.8 | 申请日 | 2009-03-05 | 公开(公告)号 | CN102037661A | 公开(公告)日 | 2011-04-27 |
| 申请人 | AIRCELL有限公司; | 发明人 | B·A·劳尔; J·斯塔马托普洛斯; A·拉希德; J·A·托宾; P·J·沃尔什; S·J·阿恩岑; | ||||
| 摘要 | 飞机空对地IP隧道系统通过存储表示逐一识别的位于飞机上的乘客无线设备的数据向位于飞机上的乘客提供无线通信业务。飞机空对地IP隧道系统向将飞机网络连接到基于地面的通信网络的每个点到点协议链路分配各自的IP地址并创建飞机上的IP子网。IP子网利用用于每个点到点链路的多个IP地址，使得每个乘客无线设备都能够以其自己的IP地址而被唯一地识别。之所以实现这个效果，是因为点到点协议IPCP的两个终点都具有预定义的IP地址池和/或配置了拓扑，使得每个点到点协议终点都能够利用比每个链路一个更大数量的IP地址。这样的方法不改变IPCP或其他EVDO协议/消息传输，但允许该地址能够被基于地面的通信网络直接看到。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于向位于飞机上的多个乘客无线设备提供各自的基于地面的接入网络IP地址的系统，包括： |
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| 说明书全文 | 用于在机载无线蜂窝网络中创建空对地IP隧道以区分各个乘客的系统 技术领域[0001] 本发明涉及蜂窝式通信，尤其涉及在机载无线蜂窝网络中创建空对地网际协议隧道以使网络能够区分飞机上每位乘客的系统。 背景技术[0002] 无线通信领域中的一个问题是，在位于飞机中的乘客在非陆地蜂窝通信网络中的小区站点间漫游时，管理由飞机网络向乘客提供的无线业务。飞机网络为多位用户服务，仍然通过同时为多个个体用户服务的宽带宽连接链接到基于地面的网络。在现有无线网络中仍有待于解决管理该宽带宽连接以能够逐个识别基于飞机的用户身份。 [0003] 在陆地蜂窝通信领域中，通常无线用户在其家庭蜂窝服务提供商的网络服务的区域内移动并保持他们希望的用户特征组。在整个本地网络中的特征组可用性由本地蜂窝服务提供商的数据库管理，该数据库常被称为归属位置寄存器(HLR)，具有通往一个或多个交换机(分组或电路)和诸如语音邮件和短消息服务器的各种辅助设备的数据连接，以实现这种无缝特征组管理。每位用户都与一对一通信连接关联，以访问期望的通信业务，一对一通信连接包括服务小区站点上的信道。 [0004] 如果无线用户要在网络间转换，从其归属蜂窝网络的覆盖区转换到同一或另一蜂窝服务提供商(在这里称为“漫游蜂窝服务提供商”)的网络，不论其位置如何，无线用户都应当有能力以统一的方式发起和接收呼叫。此外，给定无线用户的特征组应当能够与他们一起透明地移动。然而，要出现这个特征组可传输性，需要数据库文件共享，其中，归属蜂窝业务的归属位置寄存器(HLR)将用户的授权特征组概况传送到漫游蜂窝服务提供商的数据库，该数据库常被称为访客位置寄存器，或VLR。VLR然后发现给定的漫游无线用户被授权了特定特征组，并使漫游蜂窝服务提供商网络向无线用户透明地提供这些特征。通过这种方式，漫游无线用户保持了与他们在其归属蜂窝服务提供商网络上所具有的同样的被授权特征组，或“用户类别”。 [0005] 在无线用户进入非陆地蜂窝通信网络(亦即，他们作为乘客在飞机中飞行)时，他们遇到了常规与陆地蜂窝网络不相连的独特环境，其中飞机的无线网络将用户(这里也称为“乘客”)接口连接到各种业务和内容。因此，飞机无线网络能够充当内容过滤器，或能够生成针对飞机上各位乘客的独特类型的内容。然而，尽管飞机网络为多位乘客服务，但其经由在基于地面的接入网络上具有单个IP地址的宽带射频连接而具有通往基于地面的接入网络的链接。于是，宽带宽射频连接同时承载着多位个体乘客的通信，但这些通信不能被基于地面的接入网络逐个识别。在现有无线网络中仍有待于解决管理该宽带宽连接以能够通过向每位乘客的无线设备分配个体唯一的IP地址来逐一识别乘客。 发明内容[0006] 通过用于在机载无线蜂窝网络中创建空对地IP隧道以区分每位乘客的本系统(这里称为“飞机空对地IP隧道系统”)解决了上述问题并在本领域中实现了技术进步，本系统能够向工作于飞机中且由机载无线蜂窝网络服务的每个乘客无线设备分配各自的网际协议(IP)地址，由此能够向逐一识别的无线设备提供无线业务。 [0007] 飞机空对地IP隧道系统通过存储表示位于飞机上的逐一识别的乘客无线设备的数据来向位于飞机上的乘客提供无线通信业务。飞机空对地IP隧道系统向将飞机网络连接到基于地面的接入网络的每个点到点协议射频链路分配各自的IP地址，而且创建从基于地面的接入网络到飞机的IP隧道。IP隧道支持由每个空对地射频链路服务的乘客无线设备的多个IP地址，由此使得每个乘客无线设备都能够以其自己的IP地址而被唯一地识别。飞机上的NAT通过利用飞机空对地IP隧道系统能够利用比每条链路一个更大数量的IP地址。这样的方法不改变IPCP或其他EVDO协议/消息传输，但确实允许乘客无线设备的各自的IP地址能够被基于地面的接入网络直接看到。 [0008] 向乘客提供的电子业务包括因特网、飞行中娱乐业务，例如多媒体呈现，以及基于目的地的业务，其将乘客现有的旅行计划与对乘客在其标称目的地和其规划旅行日程可用的附加业务提供链接起来，以及任选的语音业务。由此，在乘客飞行期间通过接入各种业务为他们提供了机会来提高他们在飞行中和在其目的地的旅行体验。逐个识别每位乘客的无线设备简化了这些业务的提供并能够基于为乘客创建的预定义概况定制这些业务。 [0009] 这样提供飞机空对地IP隧道系统部分是利用“内部网络”实现的，内部网络连接“外部网络”的两个部分，包括空中子系统和基于地面的接入网络。内部网络在空中子系统和基于地面的接入网络之间传输用户业务(包括语音和/或其他数据)和特征组数据，由此使得位于飞机中的乘客无线设备在陆地(基于地面的)和非陆地区域中都能够接收相容的无线通信业务。附图说明 [0010] 图1以方框图的形式示出了将空中子系统与基于地面的接入网络互连的复合空对地网络的总体架构； [0011] 图2以方框图的形式示出了实现于多乘客商用飞机中的用于无线设备的典型的基于飞机的网络的典型实施例的架构； [0012] 图3A和3B以方框图形式示出了分别用于仅IP数据的业务和用于IP数据和语音业务的典型EVDO蜂窝网络的架构； [0013] 图4以方框图形式示出了利用2层IP隧道的飞机空对地IP隧道系统的架构； [0014] 图5以方框图形式示出了利用3层IP隧道的飞机空对地IP隧道系统的架构； [0015] 图6以方框图形式示出了利用NAT IP隧道的飞机空对地IP隧道系统的架构； [0017] 图8以流程图的形式示出了利用NAT IP隧道的飞机空对地IP隧道系统的典型运行。 具体实施方式[0018] 整体系统架构 [0019] 图1以方框图的形式示出了非陆地蜂窝通信网络的总体架构，该网络包括将外部网络的两个要素，包括空中子系统3和地面子系统1互连的空对地网络2(内部网络)。该图示出了非陆地蜂窝通信网络的基本概念，为了例示的简单，未包括典型非陆地蜂窝通信网络中发现的所有要素。图1中披露的基本要素提供了用于实现非陆地蜂窝通信网络以向位于飞机上的乘客无线设备提供内容的各种要素的相互关系的教导。 [0020] 图1中所示的总体概念是提供了“内部网络”，内部网络连接“外部网络”的两段，包括空中子系统3和地面子系统1。这是由空对地网络2实现的，空对地网络2在空中子系统3和地面子系统1之间传输乘客通信业务(包括语音和/或其他数据)和控制信息以及特征组数据，由此使位于飞机中的乘客无线设备能够在飞机中接收业务。 [0021] 空中子系统 [0022] “空中子系统”是实施于飞机中的通信环境，这些通信可以基于各种技术，包括，但不限于：有线、无线、光学、声学(超声波)等。在题为“Aircraft-Based Network For Wireless Subscriber Stations”的美国专利No.6788935中公开了这种网络的范例。 [0023] 空中子系统3的优选实施例是使用无线技术并使无线技术是飞机上乘客和机组人员携带的乘客无线设备固有的。于是，膝上型计算机可以通过WiFi或WiMax无线模式(或通过有线连接，例如LAN)通信，或PDA可以通过VoIP(IP语音)传递电话语音业务。同样地，使用GSM协议的手持蜂窝电话在处于飞机内部时通过GSM向空中子系统通信。当在飞机到空中子系统3内部时，CDMA蜂窝电话会使用CDMA，模拟AMPS电话会使用模拟AMPS。连接状态可以是分组交换或电路交换或两者。总的说来，空中子系统3的目标是，不论乘客和机组人员携带的乘客无线设备使用什么技术，都能够使这些设备无缝且随处接入到空中子系统3。 [0024] 空中子系统3还提供了管理向工作于飞机座舱中的乘客无线设备提供业务的机构。这种管理不仅包括提供乘客业务连接，而且包括提供授权每位乘客接收的非陆地特定特征组的可用性。这些特征包括飞行中娱乐业务，例如多媒体呈现，以及基于目的地的业务，其将乘客现有的旅行计划与对乘客在其标称目的地和其规划旅行日程可用的附加业务提供链接起来。由此，在乘客飞行期间为他们提供了机会来提高他们在飞行中和在其目的地的旅行体验。 [0025] 在飞机中使用的乘客无线设备101可以与在蜂窝/PCS基于地面的通信网络中使用的那些相同；不过，这些乘客无线设备101预先在为飞机服务的运营商注册过和/或用户具有用于验证的PIN号。此外，天线将乘客无线设备101与机舱内的基站收发(BTS)111-114互连起来，机舱内基站收发通常是集成了BSC/MSC功能的微微小区。为每种支持的空中接口技术增加BTS/BSC/MSC模块。交换机/路由器122充当空中子系统3和基于地面的接入网络1之间的桥接功能(用于有限范围的媒体/内容和信令)，因为交换机/路由器122利用调制调解器123通过空对地网络2向基于地面的接入网络1拨打电话。交换机/路由器122向/从集合数据流转换来自基站的个体业务和信令信道，并通过在飞机行进时维持连续业务的空对地网络2发射/接收集合数据流。调制调解器123包括无线电发射设备和天线系统，以与空对地网络2的基于地面的部分中的基于地面的收发器通信。基于要从飞机支持的业务需求激活空对地网络2上分配的各业务信道。 [0026] 空对地网络 [0027] 显然，图1所示的空对地网络2是基于地面子系统1和位于飞机中的乘客无线设备101间的无线通信(射频或光的)一种，优选方式是射频连接的。该射频连接采取蜂窝拓扑的形式，其中，通常超过一个小区描述复合空对地网络2的地理占据区或覆盖区。空对地连接承载着乘客通信业务和本地网络信令业务。在优选实施例中，空对地网络2在各自的集总通信信道中传输所有向/从飞机的业务。这种“单管道”在飞机在一个基于地面的小区向下一个转换时管理硬切换和软切换方面具有明确的优点。这种方法还利用了更新的更高速度的无线蜂窝技术。 [0028] 或者，可以通过无线卫星连接实现空对地网络2，其中，分别在飞机和卫星之间以及卫星和地面子系统1之间建立射频链路。这些卫星可以地球同步的(从地球基准点看起来是固定的)，或如中地球轨道(MEO)和低地球轨道(LEO)的情形那样运行。卫星的范例包括，但不限于：地球同步Ku频段卫星、DBS卫星(直接广播卫星)、铱星系统、全球星系统和国际海事卫星系统。对于专用卫星而言，例如用于直接广播卫星的那些而言，链路通常是单向的，亦即，对于飞机而言，从卫星到接收平台。在这样的系统中，需要从飞机单向发射的链路来进行双向通信。如前所述，在本质上，这种链路可以基于卫星或地面。最后，其他用于向飞机通信的手段包括广域链路，例如HF(高频)无线电和更独特的系统，例如对流层散射架构。 [0029] 可以将空对地网络2视为在地面子系统1和空中子系统3之间传送乘客通信业务以及控制和网络特征组数据的管道。可以将空对地网络2实现为单个射频链路或多个射频链路，通过不同类型的链路，例如空对地链路和卫星链路对信号的一部分进行路由。于是，在使用这里以各种组合描述的各种部件和架构概念实施这种系统时有大量的灵活性。 [0030] 地面子系统 [0031] 地面子系统1由边缘路由器140构成，边缘路由器将空对地网络2的语音业务与传统蜂窝通信网络要素连接，包括基站控制器141及其带有被访问位置寄存器、归属位置寄存器的关联移动交换中心142，以将语音业务互连到公共交换电话网144和其他这种功能。此外，经由公共交换数据网络143将基站控制器141连接到因特网147，用于完成呼叫。边缘路由器140还经由IP语音服务器146提供数据业务到因特网147、公共交换电话网络 144的互连，以及其他这样的功能。这些包括认证服务器、操作子系统、CALEA和BSS服务器 145。 [0032] 于是，位于飞机中的乘客无线设备101和基于地面的通信网络的地面子系统1之间的通信经由空中子系统3和空对地网络2被传送到非陆地蜂窝通信网络的基于地面的基站控制器141。如下所述并由空中子系统3、空对地网络2和基于地面的基站控制器141提供的增强功能使得向位于飞机中的乘客无线设备101提供业务对于乘客而言是透明的。无线电接入网络(RAN)支持从多架飞机进行通信，可以采用各自的全向信号，或可以采用根据方位角和/或仰角定义的多个空间扇区。飞机网络切换不同位置(不同地面子系统1)中无线电接入网络(RAN)间的点到点通信链路，以便维持空对地网络2上业务的连续性。切换可以是硬的或软的，或可以是空-地和地-空链路上硬和软切换的组合。 [0033] 移动交换中心(MSC)为所有机载系统提供移动性管理，并提供在机载系统在邻近地面子系统1的服务区之间移动时地面站之间的切换管理。基站控制器(BSC)与向/从基站收发子系统(BTS)的所有业务接口连接。分组数据服务节点(PDSN)控制在机载系统相应服务区域之内它们之间每个基站收发子系统(BTS)的容量分配。 [0034] 典型的基于飞机的网络 [0035] 图2示出了实现于多乘客商用飞机200中的用于乘客无线设备的典型的基于飞机的网络的架构。这个系统包括用于实现通信骨干的多个要素，通信主干用于实现多个属性不同的无线通信设备的无线通信。用于乘客无线设备的基于飞机的网络包括局域网206，其包括射频通信系统201，射频通信系统201使用扩展频谱范型并具有短工作距离。该局域网206支持来自乘客无线设备221-224的电路交换和分组交换连接并通过网关收发器或收发器210将这些乘客的无线设备221-224的通信互连到公共交换电话网(PSTN)144和其他目的地，例如因特网147或公共数据交换网络(PDSN)。无线乘客由此保持了他们各自的数字身份，如同他们直接连接到公共交换电话网144一般。乘客无线设备221-224包括多种通信设备，例如膝上型计算机221、蜂窝电话222、MP3音乐播放器(未示出)、个人数字助理(PDA)(未示出)、基于WiFi的设备223、基于WiMax的设备224等，为了描述简单起见，不论其实现具体细节如何，这里将其全部统称为“乘客无线设备”。 [0036] 用于乘客无线设备的基于飞机的网络基本要素包括至少一个天线205或用于向/从位于飞机200之内的空中子系统3耦合电磁能量的模块，用于与飞机200之内的多个乘客无线设备221-224通信。至少一个天线205连接到无线控制器201，无线控制器201涵盖用于调节与多个乘客无线设备221-224的无线通信的多个要素。无线控制器201包括至少一个低功率射频收发器202，用于利用诸如PCS、CDMA或GSM的无线通信范型提供电路交换的通信空间。此外，无线控制器201包括低功率射频收发器203，用于利用诸如WiFi(也可以传送分组交换的网际协议语音(VoIP))的无线通信范型提供基于数据的分组交换的通信空间。 [0037] 最后，无线控制器201包括功率控制部分204，其用于调节多个乘客无线设备的功率输出。它还用于由RF噪声或干扰设备防止机舱内乘客无线设备在处于非陆地模式时直接和错误地接入地面网络。超低机载发射功率电平特征表示基于飞机的网络的无线控制器201的功率控制要素对乘客无线设备的控制，以调节乘客无线设备221-224产生的输出信号功率，使基于地面的小区站点或基于地面的乘客无线设备接收到蜂窝信号的可能性最小化。 [0038] 显然，可以通过各种方式组合或分析无线控制器201的这些上述部分以生成与这里公开的不同的实施。选择所述的特定实施以例示本发明的概念，并非意在将本概念的适用性限制到其他实施。 [0039] 无线控制器201通过局域网206连接到多个用于向乘客无线设备221-224提供业务的其他要素。这些其他要素可以包括用于为乘客无线设备的通信传输提供管理、交换、路由和汇集功能的飞机接口209。数据采集要素207用于与多个飞行系统传感器211-214和全球定位系统要素216接口连接，以从如下所述的多个源收集数据。此外，经由有线连接或无线连接将导频通信设备，例如显示器217和耳机218连接到本局域网206。 [0040] 最后，使用网关收发器210将飞机接口209互连到天线215，使得能够从用于乘客无线设备的基于飞机的网络向位于地面的收发器发射信号。这些部件中包括通信路由器功能，以向适当的目的地转发通信信号。于是，将指定给飞机上乘客的信号路由到这些个人，而指向例如地面上的乘客的信号被路由到地面子系统。在实现飞机上的天线215时可以使用通常使最低点(指向地球)有效辐射功率(ERP)最小化的飞机天线模式，以为乘客无线设备的基于飞机的网络服务。 [0041] 乘客登录以接入系统 [0042] 在每架飞机上，乘客接入电子通信通常是由乘客的无线设备登记过程调节的，其中必须识别、认证和授权每个电子设备以接收业务。由于相对于乘客无线设备和飞机中现存机载无线网络之间的无线通信而言，飞机是一个自给自足的环境，所有通信都是由网络控制器控制的。于是，在乘客激活他们的无线设备时，乘客的无线设备和网络控制器之间发起通信会话，以识别乘客正使用的设备类型，从而识别其无线协议。在乘客的无线设备上向乘客提供“启动画面”，以宣布进入无线网络入口。一旦建立这一过程，网络控制器向乘客无线设备发射一组登录显示，使得乘客能够标识他们自己并证实他们的身份(如果乘客无线设备不能通过智能客户端自动执行这些任务，则自动使乘客登录到网络中)。作为这个过程的结果，为乘客无线设备提供了唯一的电子身份(IP地址)，网络能够对乘客无线设备做出响应而无需额外的管理开销。验证过程可以包括使用安全过程，例如口令、扫描乘客的不可改变特征(指纹、视网膜扫描等)等。 [0043] 一旦乘客无线设备登录成功，乘客就能够访问可从网络获得的免费标准电子业务或为特定乘客定制的电子业务。可以对呈现给乘客的屏幕进行定制，以呈现乘客所乘坐航线的品牌。 [0044] 移动无线网络架构 [0045] 为了描述简单起见，以下范例基于使用CDMA2000 EVDO蜂窝网络范型。然而，这里例示的概念不限于这种实施，可以预期，基于其他网络架构和实施，可以创造出其他实施方式。因此，图3A和3B以方框图形式示出了分别用于仅IP数据的业务和用于IP数据和语音业务的典型EVDO蜂窝网络的架构，用于例示本飞机空对地IP隧道系统的架构和运行。CDMA2000是一种混合式2.5G/3G移动电信技术，使用CDMA(码分多址)在乘客无线设备和小区站点之间发送数字无线电、语音、数据和信令数据。CDMA2000蜂窝网络的架构和运行由第三代合作伙伴计划2(3GPP2)标准化。在CDMA2000蜂窝网络中，支持两种无线电接入网络技术：1xRTT和EV-DO(演化-数据优化)，其中在使用EV-DO接入网络时，CDMA2000被视为第三代(3G)技术。 [0046] CDMA2000蜂窝网络(这里也称为“接入网络”)包括三个主要部分：核心网络(CN)、无线电接入网络(RAN)和乘客无线设备(MS)。核心网络(CN)进一步分成两个部分，一个部分接口连接到诸如公共交换电话网(PSTN)的外部网络，另一个接口连接到基于IP的网络，例如因特网311和/或专用数据网312。无线设备MS终结蜂窝网络用户侧的无线电路径，使用户能够通过被实施为互连乘客无线设备(MS)与接入网络300的接口Um接入网络业务。 [0047] 如图3A所示，用于仅IP数据的接入网络300的几个关键部件是： [0048] 基站收发系统(BTS)：在Um参考点之间提供传输能力的实体。基站收发系统(BTS)由无线电设备、天线和设备构成； [0049] 基站控制器(BSC)：为一个或多个基站收发系统(BTS)提供控制和管理的实体；以及 [0050] 分组控制功能(PCF)：提供通往分组交换网络(因特网311和/或专用数据网312)的接口功能的实体。 [0051] 乘客无线设备(MS)作为移动IP客户端工作。乘客无线设备(MS)与接入网络300交互以获得用于交换分组的适当无线电资源，并跟踪无线电资源的状态(例如，活动、待机、休眠)。在无线电资源未到位或不足以支持通向接入网络300的流时，乘客无线设备(MS)从基站收发系统(BTS)接受缓冲分组。在加电时，乘客无线设备(MS)自动在移动交换中心(MSC)中的归属位置寄存器(HLR)处登记，以便： [0052] 针对所接入网络的环境认证乘客无线设备(MS)； [0053] 为归属位置寄存器(HLR)提供乘客无线设备的当前位置；以及 [0054] 为服务移动交换中心(MSC)提供乘客无线设备的许可特征组。 [0055] 在归属位置寄存器(HLR)成功注册之后，乘客无线设备(MS)准备好拨打语音和数据呼叫。根据乘客无线设备自身遵从IS-2000标准(还是缺少)，这些可以采取两种形式的任一种：电路交换数据(CSD)或分组交换数据(PSD)。 [0056] 乘客无线设备必须遵守IS-2000标准以使用接入网络300发起分组数据会话。仅有IS-95能力的乘客无线设备限于经公共交换电话网(PSTN)发射的电路交换数据，而IS-2000终端能够选择分组交换数据或电路交换数据。乘客无线设备(MS)通过空中链路(AL)向接入网络300转发的参数决定了所请求的业务类型。对于每次数据会话，在乘客无线设备(MS)和分组数据服务节点(PDSN)之间创建点到点协议(PPP)会话。可以由分组数据服务节点(PDSN)或动态主机配置协议(DHCP)服务器经由归属代理(HA)提供每个乘客无线设备的IP地址分配。 [0057] 无线电接入网络(RAN) [0058] 无线电接入网络(RAN)是乘客无线设备传送数据或语音内容的进入点。它包括： [0059] 空中链路(AL)； [0060] 小区站点塔/天线以及通往基站收发的电缆连接； [0061] 子系统(BTS)； [0062] 基站收发子系统(BTS)； [0063] 从基站收发子系统到基站控制器(BSC)的通信路径； [0064] 基站控制器(BSC)；以及 [0065] 分组控制功能(PCF)。 [0066] 无线电接入网络(RAN)有若干影响网络传送特别分组业务的职责。无线电接入网络(RAN)必须将移动客户端标识符参考映射到用于与分组数据服务节点(PDSN)通信的唯一链路层标识符，针对接入业务验证乘客无线设备并维持所建立的传输链路。 [0067] 基站收发子系统(BTS)控制空中链路(AL)的活动并充当接入网络300和乘客无线设备(MS)之间的接口。在基站收发子系统(BTS)处管理射频资源，例如频率分配、扇区分离和发射功率控制。此外，基站收发子系统(BTS)管理从小区站点到基站控制器(BSC)的回程，以使这两个要素之间的任何延迟最小化。 [0068] 基站控制器(BSC)在小区站点和移动交换中心(MSC)之间路由语音和电路交换数据消息。它还承担着移动性管理的责任：在需要的情况下控制和指导从一个小区站点到另一个的切换。 [0069] 分组控制功能(PCF)在小区站点之内的移动站(MS)和分组数据服务节点(PDSN)之间路由IP分组数据。在分组数据会话期间，它根据需要分配可用的附加信道，以遵循乘客无线设备(MS)请求并由用户付费的业务。 [0070] 分组数据服务节点(PDSN) [0071] 分组数据服务节点(PDSN)是从无线电接入网络(RAN)进入公共和/或专用分组网络的网关。在简单的IP网络中，分组数据服务节点(PDSN)充当独立的网络接入服务器(NAS)，而在移动IP网络中，可以将其配置成归属代理(HA)或异地代理(FA)。分组数据服务节点(PDSN)实施以下动作： [0072] 通过建立、维持和终止通往移动客户端的链路层来管理基站子系统(BTS)、基站控制器(BSC)和IP网络之间的无线电分组接口； [0073] 终止用户发起的点到点协议(PPP)会话； [0074] 为用户(从内部池或通过动态主机配置协议(DHCP)服务器或通过认证、授权和计费(AAA)服务器)提供IP地址； [0075] 执行通往外部分组数据网络的分组路由或通往归属代理(HA)的分组路由，它们可以任选地经由安全隧道； [0076] 收集和转发分组帐单数据； [0077] 主动基于从认证、授权和计费(AAA)服务器的SCS服务器接收的概况信息管理用户业务；以及 [0078] 在本地认证用户，或向认证、授权和计费(AAA)服务器转发认证请求。 [0079] 认证、授权和计费服务器 [0080] 认证、授权和计费(AAA)服务器用于认证和授权用户的网络接入，以存储用户的使用统计信息，用于记账和开发票。 [0081] 归属代理 [0082] 归属代理(HA)支持进入支持1xRTT的其他网络的无缝数据漫游。归属代理(HA)为移动设备提供锚IP地址并向适当的网络转发任何移动绑定的业务，以传送给手机。它还维持用户登记、向分组数据服务节点(PDSN)重定向分组并(任选地)向分组数据服务节点(PDSN)进行安全隧穿。最后，归属代理(HA)支持从认证、授权和计费(AAA)服务器动态分配用户并(再次任选地)分配动态的归属地址。 [0083] CDMA2000接入网络中的传统单呼叫设置 [0084] 下面描述各自的乘客无线设备在CDMA2000接入网络中建立通信连接的成功呼叫设置方案。注意，这一解释省略了基站收发子系统(BTS)的无线电接收/发射活动，而是集中在开始于乘客无线设备(MS)和基站控制器(BSC)之间的起始对话的协议功能。 [0085] 1.为了针对分组数据业务注册，乘客无线设备(MS)通过接入信道向基站子系统(BSS)发送起始消息。 [0086] 2.基站子系统(BSS)确认收到起始消息，向无线设备(MS)返回基站确认命令。 [0087] 3.基站子系统(BSS)构造CM服务请求消息并向移动交换中心(MSC)发送该消息。 [0088] 4.移动交换中心向请求分配无线电资源的基站子系统(BSS)发送分配请求消息。不向分组数据呼叫分配移动交换中心(MSC)和基站子系统(BSS)之间的陆地电路。 [0089] 5.基站子系统(BSS)和乘客无线设备(MS)执行无线电资源设置程序。分组控制功能(PCF)发现没有与该乘客无线设备(MS)关联的A10连接，并为该数据呼叫选择分组数据服务节点(PDSN)。A10连接是由标准主体定义的术语，是指基站控制器(BSC)和分组数据服务节点(PDSN)之间的接口，其中A10指代基站控制器(BSC)和分组数据服务节点(PDSN)之间交换的IP用户数据。 [0091] 7.验证全部注册请求，分组数据服务节点(PDSN)通过返回A11注册回复消息来接受连接。分组数据服务节点(PDSN)和分组控制功能(PCF)为A10连接创建绑定记录。术语A11是指基站控制器(BSC)和分组数据服务节点(PDSN)之间交换的信令。 [0092] 8.在无线电链路和A10连接都建立起来之后，基站子系统(BSS)向移动交换中心(MSC)发送分配完成消息。 [0093] 9.移动和分组数据服务节点(PDSN)建立链路层(PPP)连接，然后在链路层(PPP)连接上执行MIP登记流程。 [0095] 11.分组控制功能(PCF)周期性发送A11注册请求消息，用于为A10连接刷新登记。 [0096] 12.对于经验证的A11注册请求，分组数据服务节点(PDSN)返回A11登记回复消息。分组数据服务节点(PDSN)和分组控制功能(PCF)都更新A10连接绑定记录。 [0097] 对于电路交换的话音呼叫，需要图3B中所示的额外要素。具体而言，从分组数据服务节点(PDSN)向媒体网关(MGW)转发从乘客无线设备(MS)接收的分组交换语音，其中将其变换成电路交换语音并提供给公共交换电话网(PTSN)。此外，与会话发起协议代理服务器(SIP)交换呼叫建立数据以提供用于基于IP的通信的信令和呼叫建立协议，该通信能够支持公共交换电话网(PSTN)中存在的呼叫处理功能和特征的超集。媒体网关控制功能(MGCF)和信令网关(SGW)实现信令系统7(SS7)中存在的呼叫处理特征。 [0098] 从以上描述可以看出，这一接入网络300是以乘客无线设备为中心的，因为它基于每个乘客无线设备与本地基站收发子系统(BTS)建立个体空中链路(AL)射频连接。在本架构中没有什么专门解决如下情形的问题：由来自一些位置(飞机、轮船、火车等)的宽带通信链路为多个乘客无线设备服务，且宽带链路终止于接入网络300的边缘。使用宽带链路的困难在于，分组数据服务节点(PDSN)向宽带链路分配单个IP地址作为点到点协议(PPP)的一部分，宽带链路远端存在的乘客无线设备不被分组数据服务节点(PDSN)识别，因此，不接收单项业务。 [0099] 用于飞机上乘客无线设备的各自的IP地址 [0100] 为了将从基于地面的接入网络向飞机上的乘客无线设备转发业务，分组数据服务节点(PDSN)将分组的目的地IP地址映射到位于飞机上的空对地调制调解器。然而，标准的分组数据服务节点(PDSN)仅支持每个空对地调制调解器少数IP地址，没有足够的IP地址能为每个位于飞机上的乘客无线设备分配一个地址。飞机上的网络地址转换(NAT)允许分组数据服务节点(PDSN)利用用于飞机的单个地址向多个用户路由数据通信，但在这样做的情况下，网络地址转换(NAT)隐藏了用户地址，服务的分组数据服务节点(PDSN)以及位于地面上的网络运行中心(NOC)不知道其地址。这使得难以/不可能在接入网络中实施以下功能： [0101] 1.每个用户的带宽整形(例如，限制P2P业务)。 [0102] 2.每个用户的转发接入控制。 [0103] 3.传输控制协议(TCP)优化。 [0104] 4.CALEA。 [0105] 上述第4项(CALEA)是在1994年通过的美国窃听法律，执法的通信辅助法案(CALEA)。CALEA意图保留执法机构要求所有电信运营商和电信设备制造商修改和设计其设备、设施和业务以确保政府有必要的监督能力。出于CALEA 102部分的目的，普通运营商、基于设施的宽带因特网接入服务商和互连的网际协议语音(VoIP)业务的提供商，所有这三种实体被定义为“电信运营商”。该法案强制电话公司使执法机构能够窃听通过其网络执行的任何电话交谈以及作出任何可用的呼叫详细记录。该法案还规定，任何人必须不能探测到其交谈正在被相关政府机构监测。 [0106] 因此，接入网络需要能辨别从空对地调制调解器接收的以及经空对地调制调解器向位于飞机上的各乘客无线设备发射的数据流。做出辨别的方法是使用户的IP地址可在地面上为接入网络看到，这意味着分配给乘客无线设备的IP地址在机载无线蜂窝网络之内应该是全局唯一的。为了实现这一目的，可以使飞机ID是针对经飞机动态主机配置协议(DHCP)分配的IP地址的“子网”的一部分，该协议是联网设备(客户端)获得客户端在网际协议(IP)网络中工作必需的各种参数而使用的协议。利用这种协议，大大减少了系统管理工作量，并可以通过最少或无需人工配置向网络添加设备。这使得网络运行中心(NOC)更容易将用户的IP地址映射到飞机。 [0107] 在动态主机配置协议(DHCP)配置的客户端(例如基于飞机的空对地调制调解器)连接到网络时，其动态主机配置协议(DHCP)客户端发送广播查询，从服务的动态主机配置协议(DHCP)服务器请求必需的信息。动态主机配置协议(DHCP)服务器管理IP地址池以及关于客户端配置参数的信息，配置参数例如是缺省网关、域名、DNS服务器、诸如时间服务器的其他服务器等。动态主机配置协议(DHCP)提供了一种用于分配IP地址的机制，其中网络运行中心(NOC)向基于飞机的动态主机配置协议(DHCP)服务器分配一定范围的IP地址。本协议的请求许可过程使用了具有可控时限的租借概念，允许动态主机配置协议(DHCP)服务器收回(然后再分配)未续借的IP地址(IP地址的动态重新使用)。 [0108] 本飞机空对地IP隧道系统有三种实施方式： [0109] 1、2层隧道。 [0110] 2、3层隧道。 [0111] 3、NAT IP隧道。 [0112] 图4以方框图形式示出了利用2层IP隧道的飞机空对地IP隧道系统的架构，图5以方框图形式示出了利用3层IP隧道的飞机空对地IP隧道系统的架构；以及图6以方框图形式示出了利用NAT IP隧道的飞机空对地IP隧道系统的架构。下文描述了这些实施方式。 [0113] 这种方式不改变网际协议控制协议(IPCP)或其他EVDO协议/消息传输。更多IP地址的好处是机载网络能够为每个乘客无线设备(MS)分配唯一的IP地址，并使该地址可由基于地面的接入网络及其关联系统直接看到。通过具有分组数据服务节点(PDSN)完成为每个空对地链路分配多个IP地址的方法。 [0114] 2层IP隧道 [0115] 图4以方框图形式示出了利用2层IP隧道的飞机空对地IP隧道系统的架构。在计算机联网时，2层隧穿协议(L2TP)是用于支持虚拟专用网(VPN)的隧穿协议。2层隧穿协议(L2TP)像数据链路层(OSI模型的2层)协议那样工作，用于在现有网络(通常是因特网)上的两个对等体之间进行网络业务隧穿。2层隧穿协议(L2TP)实际是5层协议会话层，在UDP数据报中发送整个2层隧穿协议(L2TP)分组，包括有效载荷和2层隧穿协议(L2TP)报头。通常在2层隧穿协议(L2TP)隧道之内承载点到点协议(PPP)会话。 [0116] 2层隧穿协议(L2TP)隧道的两个终点被称为L2TP接入集中器(LAC)和L2TP网络服务器(LNS)。L2TP接入集中器(LAC)是隧道的发起者，而L2TP网络服务器(LNS)是等候新隧道的服务器。一旦建立了IP隧道，对等体之间的网络业务就是双向的。为了对组网有用，更高等级的协议然后穿过2层隧穿协议(L2TP)隧道。为了便于2层隧穿协议(L2TP)，针对诸如点到点协议(PPP)的每个更高层协议在隧道之内建立会话(或呼叫)。L2TP接入集中器(LAC)或L2TP网络服务器(LNS)可以发起会话。针对每个会话的业务被2层隧穿协议(L2TP)隔离，因此能够跨单个隧道建立多个虚拟网络。将2层隧穿协议(L2TP)之内交换的分组分类为控制分组或数据分组。2层隧穿协议(L2TP)为控制分组提供了可靠性特征，但没为数据分组提供可靠性。如果需要的话，必须要由运行于2层隧穿协议(L2TP)隧道的每个会话之内的嵌套协议提供可靠性。 [0117] 分组数据服务节点(PDSN)将充当L2TP接入集中器(LAC)，因为该功能是由分组数据服务节点(PDSN)支持的，新节点(激活的空对地调制调解器)会充当L2TP网络服务器(LNS)。飞机网络和地面网路实际上建立起路由器到路由器的虚拟专用网络(VPN)连接，其中用于飞机上的点到点协议(PPP)终点的IP地址将是静态的。利用这种范型，可以决定建立多个流，每个流都包含2层隧穿协议(L2TP)隧道。如果是这样的话，分组数据服务节点(PDSN)可以建立3个不同隧道/流： [0118] 低优先级-乘客数据(尽力)； [0119] 中优先级-NOC/OA&M；以及 [0120] 高优先级-机组人员/FAM&乘客VoIP。 [0121] 此外，在空对地链路上没有隧穿开销(使用的带宽)，空对地链路是充当L2TP接入集中器(LAC)的分组数据服务节点(PDSN)和充当L2TP网络服务器(LNS)的基于飞机的空对地调制调解器之间的隧道。 [0122] 于是，如图4所示，L2TP网络服务器(LNS)和L2TP接入集中器(LAC)都是在接入网络中边缘路由器上游实现的，用于执行网络地址转换(NAT)。L2TP网络服务器(LNS)充当往返于飞机网络的路由器，中间的L2TP接入集中器(LAC)忽略乘客无线设备的各自的IP地址，因为来自L2TP网络服务器(LNS)的分组的目的地是具有IPx.1地址的空对地调制调解器。一旦建立了2层IP隧道，L2TP接入集中器(LAC)隧穿所有分组并忽略与飞机上的多个乘客无线设备相关联的多个IP地址。分组由空对地调制调解器(IPx.1)接收并转发到飞机上的路由器(IPx.2)，该路由器知道如何往返于多个具有IP地址IPx.*的乘客无线设备传输分组。为乘客无线设备分配IP地址IPy.*，这是用于特定飞机中的乘客无线设备的专有、全局唯一的动态IP地址。为飞机上的各个节点，例如路由器和空对地调制调解器分配IPx.*范围中的IP地址，其中IPx.*IP地址是专有、全局唯一的静态IP地址。 [0123] 3层IP隧道 [0124] 图5以方框图形式示出了利用3层IP隧道的飞机空对地IP隧道系统的架构。这是3层IP隧道的扩充，其中在空对地链路上的协议的3层(IP)传输隧道分组。IP隧道的一侧恰在飞机上的空对地调制调解器之前终止，不需要在飞机上执行NAT。IP隧道的另一端恰在地面上的分组数据服务节点(PDSN)之后终止。这种配置能够在三个不同数据流上建立三个隧道： [0125] 低优先级-乘客数据(尽力)； [0126] 中优先级-NOC/OA&M；以及 [0127] 高优先级-机组人员/FAM&乘客VoIP。 [0128] 如图所示，为乘客无线设备分配IP地址IPy.*，这是用于特定飞机中的乘客无线设备的专有、全局唯一的动态IP地址。为飞机上的各个节点，例如路由器和空对地调制调解器分配IPx.*范围中的IP地址，其中IPx.*IP地址是专有、本地唯一的静态IP地址。路由器是由IPw.*IP地址标识的飞机上的3层隧道终点，封装要在新IP分组中向地面发射的每个分组，以IPx.*作为源地址。IPw.*IP地址是由分组数据服务节点(PDSN)分配的专有、全局唯一的静态IP地址。目的地址是位于地面上的3层隧道终点。如预计那样，分组数据服务节点(PDSN)仅看到每个飞机单个IP地址。地面上的3层隧道终点从接收的分组剥离外部IP/隧道报头并恢复IPy.*源地址。 [0129] NAT IP隧道 [0130] 图6以方框图形式示出了利用NAT IP隧道的飞机空对地IP隧道系统的架构。在计算机联网时，网络地址转换(NAT，也称为网络伪装、本地地址转换或IP伪装)是一项通过路由器收发网络业务的技术，涉及重写源和/或目的IP地址，通常还重写它们通过时IP分组的TCP/UDP端口号。还必须要重写校验和(IP和TCP/UDP)以考虑变化。大部分使用NAT的系统这样做是为了使专用网上的多个主机能够利用各自的公共IP地址接入因特网(看到网关)。很多网络管理员发现NAT是一种方便的技术并广泛使用它。尽管如此，NAT可能会在主机间的通信中引入混乱，可能具有性能影响。 [0131] 为乘客无线设备分配IP地址IPy.z.*，这是用于特定飞机(z)中的乘客无线设备的专有、全局唯一的动态IP地址。为飞机上的各个节点，例如路由器和空对地调制调解器分配IPx.*范围中的IP地址，其中IPx.*IP地址是专有、本地唯一的静态IP地址。空对地调制调解器是由IPw.*IP地址标识的飞机上的NAT隧道终点，IPw.*IP地址是由分组数据服务节点(PDSN)分配的专有、全局唯一的静态IP地址。对于由乘客无线设备产生的数据分组业务，飞机上的NAT使用静态NAPT将乘客无线设备的IPy.z.*IP地址映射到IPw.x IP地址以及对于特定乘客无线设备IPy.z.*而言唯一的空中源端口(来自分配给该飞机的一定范围端口)。然后通过IPx.*网络将数据分组隧穿到空对地调制调解器，然后通过空对地链路将其转发到分组数据服务节点(PDSN)。如预计那样，分组数据服务节点(PDSN)仅看到每个飞机单个IP地址，地面上的NAT使用同一静态NAPT映射将来自飞机的IPw.x和源端口转换回IPy IP地址。从飞机接收的空中源端口保持相同。 [0132] 在典型配置中，局域网使用指定“专有”IP地址子网之一(RFC 1918专用网地址为192.168.x.x，172.16.x.x到172.31.x.x以及10.x.x.x，使用CIDR记法，192.168/16，172.16/12和10/8)，该网络上的路由器具有该地址空间中的专有地址(例如 192.168.0.1)。路由器还利用ISP分配的各自的“公共”地址(称为“过载”NAT)或多个“公共”地址连接到因特网。在业务从局域网传递到因特网时，在运行中将每个分组中的源地址从专有地址转换成公共地址。路由器跟踪关于每个活动连接的基本数据(特别是目的地址和端口)。在回复返回路由器时，它使用在输出阶段期间其存储的连接跟踪数据来判断在内部网络上哪里转发回复；对于过载NAT而言，使用TCP或UDP客户端端口号对分组解复用，或在分组返回时有多个公共地址可用时，使用IP地址和端口号。对于因特网上的系统来说，路由器自身看起来是用于该业务的源/目的地。 [0133] 对于反向业务而言，NAT IP隧道在飞机上使用NAT(实际为NAPT)，在地面上执行反向NAT。用于NAPT的端口范围对于每个用户而言是唯一的，用户IP地址到端口范围的静态映射是飞机和地面上NAT已知/使用的。这个过程允许在地面上恢复用户地址(而非端口)。 [0134] NAT IP隧道范例 [0135] 图7以信号流图的形式，图8以流程图的形式，示出了利用NAT IP隧道与特定目的地交换数据的飞机空对地IP隧道系统的典型运行。本范例例示了，选定的IP地址为IPy.2的乘客无线设备正与IP地址为IPh:80的终点(未示出)通信。在步骤801，由位于飞机上的NAT为乘客无线设备分配端口地址，例如2042，该端口地址被附加到乘客无线设备的IP地址以获得IPy.2:2042，这是用于特定飞机(w)中的该乘客无线设备的专用、全局唯一的动态IP地址。因此，在步骤802，飞机上的NAT使用该乘客无线设备到端口的映射为乘客无线设备IP地址IPy.2创建空中源端口。因此，源地址为IPy2:2042，目的地址为IPh:80。 [0136] 为路由器分配IP地址IPx.1，为空对地调制调解器分配IP地址IPx.2，其中这些IPx.*地址是专用、本地唯一的静态IP地址。空对地调制调解器是由IPw.*IP地址标识的飞机上的NAT隧道终点，IPw.*IP地址是由分组数据服务节点(PDSN)分配的专有、全局唯一的静态IP地址。对于由乘客无线设备产生的数据分组业务，飞机上的NAT使用静态NAPT将乘客无线设备的IPy.z.*IP地址映射到IPw.x IP地址以及对于特定乘客无线设备IPy.z.*而言唯一的空中源端口(来自分配给该飞机的一定范围端口)。于是，路由器选择由分组数据服务节点(PDSN)分配的IP地址并将IP地址IPw:1124分配给该源乘客无线设备。 [0137] 然后在步骤803由路由器通过IPx.*网络将数据分组隧穿到空对地调制调解器，然后在步骤804由空对地调制调解器通过空对地链路将其转发到位于地面的分组数据服务节点(PDSN)。如预计那样，分组数据服务节点(PDSN)仅看到每个飞机单个IP地址，在步骤805，地面上的NAT使用同一静态NAPT映射将来自飞机的IPw.x和源端口转换回IPy IP地址。从飞机接收的空中源端口保持相同。于是，在NAT处，用于乘客无线设备的源地址变为IPy2:1124，因为源端口地址未变。接入网络中的边缘路由器在步骤806将源地址映射到更高可路由IP地址IPz:2052，并选择任何可用的空中源端口。 [0138] 在相反方向上，在步骤807将在边缘路由器从来自目的地的IP网络(现在称为在双向通信连接的这个方向上的源IPh:80)接收的数据分组定向到目的地IPz:2052，边缘路由器执行反向IP映射，以将接收的IP地址转换成分配给乘客无线设备的原来IP地址和端口，从而产生IPy2:1124。位于接入网络中的NAT在步骤808使用静态NAPT映射为该乘客无线设备所在的飞机恢复IPw。目的端口保持相同，因此，NAT输出的IP地址为IPw:1124。位于接入网络中的NAT在步骤809将接收的数据分组转发到位于该飞机上的空对地调制调解器。在步骤810将位于该飞机上的空对地调制调解器接收的所接收数据分组转发到路由器，其中飞机上的NAT在步骤811使用其反向NAPT为乘客无线设备恢复目的地址IPy2和端口2042。 [0139] 通过这种方式，用于飞机和接入网络中的地址控制使得分组数据服务节点(PDSN)能够向用于多个位于飞机上的乘客无线设备的基于地面的网络提供唯一的IP地址，而为空对地链路使用标准通用IP地址。 [0140] 总结 [0141] 飞机空对地IP隧道系统能够向每个工作于飞机中并由机载无线蜂窝网络服务的乘客无线设备分配各个网际协议(IP)地址，由此能够向各个被识别的无线设备提供无线服务。 |
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