СПОСОБ И СИСТЕМА ПОДКЛЮЧЕНИЯ БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ БЕСПРОВОДНОЙ КОММУНИКАЦИОННОЙ СЕТИ Российский патент 2010 года по МПК H04W76/00 

Предшествующий уровень техники

В последние годы беспроводные коммуникационные технологии претерпевают кардинальные изменения. Требования пользователей к характеру и качеству беспроводных коммуникационных услуг становятся все более серьезными. Поэтому современная индустрия беспроводной связи делает ставку на такие услуги, как высокоскоростной мобильный доступ в Интернет, мультимедийные услуги, такие как передача видео на мобильные абонентские устройства. Все это требует построения высокоскоростных беспроводных сетей передачи данных.

Стандарт высокоскоростного беспроводного мобильного доступа IEEE 802.16e, более известный как Mobile WiMAX, принятый в 2005 году, регламентирует воздушный интерфейс между мобильными абонентскими устройствами и базовыми станциями беспроводной коммуникационной сети. Чуть позже рабочая группа организации WiMAX Forum выработала ряд рекомендаций по построению транспортной инфраструктуры беспроводных сетей WiMAX.

Рекомендации WiMAX Forum фактически регламентируют архитектуру построения управляющей и транспортной сети для объединения всех базовых станций WiMAX, управления доступом мобильных абонентских устройств и качеством предоставляемых им услуг, а также для обеспечения передачи пользовательского трафика с базовых станций в сети провайдеров услуг и в глобальную сеть Интернет.

Существенной особенностью предлагаемой архитектуры является наличие концентраторов пользовательского и управляющего трафика в сетях доступа. Так, согласно предлагаемой организацией WiMAX Forum архитектуре некоторое множество базовых станций объединяется в так называемую сеть услуг доступа (Access Service Network - ASN) посредством их подключения по выделенным линиям связи к так называемому шлюзу сети услуг доступа (ASN Gateway или ASN-GW), образуя вместе с этим шлюзом топологию типа «звезда». При этом весь пользовательский и управляющий трафик с базовых станций беспроводной сети направляется в единый центральный узел - ASN-GW, который отвечает за дальнейшее перенаправление пользовательского трафика в сети провайдеров услуг в Интернет либо на другие базовые станции данной беспроводной сети.

Такой централизованный подход к построению транспортной инфраструктуры беспроводных сетей имеет ряд существенных недостатков. Прежде всего следует отметить, что наличие единого концентратора трафика создает необходимость построения (либо аренды) выделенных линий связи для подключения к нему базовых станций беспроводной сети. В районах с хорошо развитой коммуникационной инфраструктурой и высокой концентрацией пользователей (имеется в виду количество пользователей на единицу площади данного географического района) такой подход не представляет больших проблем и во многих случаях является экономически оправданным.

Однако, когда речь заходит об освоении операторами беспроводной связи новых географических территорий, где еще слабо развита коммуникационная инфраструктура и имеется относительно небольшая концентрация пользователей, описанная выше архитектура транспортных сетей становится неэффективной и создает большие экономические риски, поскольку операторы вынуждены строить свои собственные линии связи (так называемые опорные сети) и зачастую делать это с нуля. При этом шлюзы сетей доступа географически могут быть сильно удалены от базовых станций (иногда на сотни километров), что, в свою очередь, требует линий связи большой протяженности. Если еще учесть тот факт, что технология WiMAX позволяет предоставлять пользователям высокоскоростной доступ в отличие от предыдущих поколений технологий беспроводного доступа, таких как GSM, что приводит к большому суммарному трафику базовых станций и, как следствие, к необходимости в построении качественных высокоскоростных линий связи, то становится очевидно, что освоение таких новых территорий операторами беспроводной связи с применением стандартной архитектуры сетей WiMAX связано с большим объемом работ, капитальных и временных затрат.

Выделенные линии связи в описываемом выше подходе во многих случаях будут использоваться неэффективно в процессе эксплуатации. Одним из факторов неэффективности является то, что выделенные линии связи для своего эффективного использования требуют полной и непрерывной загрузки. Неравномерная либо недостаточная загрузка базовых станций (которая может вполне возникнуть в условиях малой концентрации пользователей) в такой сети приводит к простоям в линиях связи, что снижает общую экономическую эффективность всей сети. Для устранения этого недостатка требуется гибкая и адаптируемая система распределения ресурсов линий связи для данного оператора в зависимости от его текущих потребностей в передаче пользовательского трафика.

Другим фактором неэффективности рассматриваемого подхода является тот факт, что если, например, пользователи одной и той же сети беспроводного доступа, но обслуживаемые в данный момент разными базовыми станциями, начинают обмениваться между собой данными, например осуществляют телефонный разговор, то весь трафик между этими пользователями направляется через удаленный концентратор, и при этом, даже если пользователи находятся географически недалеко друг от друга, трафик от одного пользователя к другому может проходить большой путь в сотни километров. Такая избыточность в транспортировке данных снижает общую эффективность всей беспроводной сети, приводя к излишней загруженности линий связи. Прямое направление трафика между взаимодействующими базовыми станциями могло бы резко увеличить эффективность сети, но в современной реализации стандартной архитектуры сетей WiMAX это не представляется возможным.

Еще одним существенным недостатком стандартной архитектуры является сложность и очень высокая стоимость устройств-шлюзов, поскольку такой шлюз должен осуществлять концентрацию и маршрутизацию большого объема трафика сразу с нескольких базовых станций беспроводной сети. Это делает развертывание небольших по зоне покрытия и количеству базовых станций сетей экономически невыгодным, что, в свою очередь, сильно ограничивает возможность масштабирования и постепенного наращивания размеров сети. В настоящем изобретении предлагается совершенно иной, децентрализованный подход к построению транспортной инфраструктуры беспроводных сетей, позволяющий устранить описанные недостатки стандартной архитектуры, предложенной организацией WiMAX Forum.

Ряд производителей коммуникационного оборудования предпринимает попытки создания децентрализованных, распределенных архитектур для построения транспортной инфраструктуры беспроводных сетей. Например, компания Motorola в 2007 году анонсировала новую распределенную архитектуру для сетей WiMAX. Эта архитектура позволяет преодолеть ряд существенных недостатков стандартного подхода, связанных с централизацией, однако она также имеет одно серьезное ограничение - для организации транспортной инфраструктуры беспроводного доступа все также требуется наличие у оператора собственных линий связи - опорной сети.

В настоящее время существуют технические решения, так или иначе оптимизирующие или усовершенствующие способы организации беспроводных сетей, а также доступ мобильных пользовательских устройств в эти сети.

Например, в заявке на патент США US20030043781 предлагаются способ и система назначения IP-адресов мобильным устройствам в беспроводных сетях. Согласно этому изобретению осуществляется оптимизация сигнального трафика, связанного с динамическим назначением IP-адреса мобильному устройству в процессе его регистрации в беспроводной сети в одной из базовых станций. Оптимизация достигается за счет перехвата на обслуживающей базовой станции широковещательного DHCP-запроса от мобильного устройства и перенаправления этого запроса только на адресный сервер динамической конфигурации доступа этой беспроводной сети. При этом не допускается распространения широковещательного запроса на другие базовые станции беспроводной сети через опорную сеть. В отличие от данного решения в настоящем изобретении DHCP-запрос от мобильного устройства перехватывается обслуживающей базовой станцией и перенаправляется в другую сеть, а именно виртуальную сеть управления.

Таким образом, существующие на данный момент способы подключения базовых станций требуют от оператора связи создания собственной коммуникационной инфраструктуры беспроводной связи, в том числе и прокладки линий передачи данных высокой производительности для передачи пользовательского трафика и сигналов управления базовыми станциями и оконечными пользовательскими устройствами. Кроме того, при организации широкополосной беспроводной связи традиционными способами имеется ряд недостатков, связанных, например, с недостаточной загрузкой выделенных линий связи, использованием удаленных концентраторов трафика, высокой стоимостью концентраторов трафика и т.п.

Требуется более простое решение, позволяющее операторам связи развертывать беспроводные сети доступа быстро, легко и с минимальными капитальными затратами, при этом необходимо преодолеть вышеописанные недостатки.

В настоящем изобретении предлагается такое решение.

Сущность изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы отказаться от существующих централизованных подходов к организации беспроводных сетей, требующих, во-первых, наличия собственных опорных сетей у операторов связи, а во-вторых, осуществляющих концентрацию всего трафика беспроводной сети в одном месте с последующим его перераспределением, что для высокоскоростных технологий беспроводного доступа становится крайне неэффективным. Вместо этого предлагается полностью децентрализованный подход к организации беспроводной сети, не требующий концентрации трафика, а также предлагается использование уже существующих сетей Интернет-провайдеров для транспортировки пользовательского трафика вместо создания специальных опорных сетей. При этом для обслуживания базовых станций уже не требуется наличие отдельных выделенных каналов, трафик этих станций может распространяться через сети Интернет-провайдеров в режиме обычной передачи с коммутацией пакетов, лишь бы провайдер обеспечивал требуемый для данной базовой станции уровень качества услуг сети (QoS). При этом согласно настоящему изобретению ресурсы коммуникационных линий Интернет-провайдеров выделяются базовой станции динамически в соответствии с потребностью по передаче трафика, в то время как в существующих известных из уровня техники решениях с выделенными каналами для базовых станций коммуникационный ресурс выделяется перманентно и независимо от реальной ее потребности в каждый конкретный момент времени, что приводит к недозагрузке линии связи, если базовая станция не загружена полностью.

В одном из вариантов изобретения весь трафик со всех базовых станциях беспроводной коммуникационной сети передается через местных Интернет-провайдеров в публичную сеть Интернет, при этом на граничных маршрутизаторах провайдеров этот трафик расщепляется на два потока - сигнальный поток управления базовыми станциями и абонентскими устройствами и поток пользовательских данных. Далее сигнальный поток управления, защищенный средствами криптографической защиты (или что то же самое - по защищенному каналу), направляется через сеть Интернет в так называемую виртуальную сеть управления (VCN). Сеть управления названа виртуальной, потому что она состоит из некоторого множества узлов (управляющих служб), логически связанных и объединенных посредством физической сети Интернет между собой и со всеми базовыми станциями данной беспроводной сети.

Поток пользовательских данных при этом направляется через сеть Интернет к своим узлам назначения. Узлы назначения здесь могут быть самые разные - это те узлы, с которыми фактически взаимодействуют пользователи данной беспроводной коммуникационной сети посредством своих абонентских устройств.

Следует отметить, что в одном варианте изобретения собственные опорные сети операторов связи исключаются полностью. В то же время в известных решениях построения беспроводных сетей передачи данных для объединения всех базовых станций оператор обязательно должен иметь свои собственные линии связи (свою опорную сеть), которые не являются частью сети Интернет, а просто обслуживают базовые станции. В настоящем же изобретении вся беспроводная сеть оператора связи представляется набором базовых станций, которые не объединяются специально выделенной опорной сетью, а независимо друг от друга напрямую подключаются к различным Интернет-провайдерам. При этом уже Интернет становится для них аналогом опорной сети, что обеспечивает преимущества настоящего изобретения.

Во втором варианте изобретения трафик базовых станций беспроводной коммуникационной сети расщепляется на этапе предварительного преобразования (внутри базовых станций) на два потока - сигнальный поток управления базовыми станциями и абонентскими устройствами и поток пользовательских данных. При этом поток пользовательских данных, точно так же как и в первом варианте, направляется через местных Интернет-провайдеров и сеть Интернет к конечным узлам назначения, а сигнальный поток управления по специальному защищенному каналу направляется с базовых станций через (собственную) опорную сеть оператора связи в виртуальную сеть управления. При этом виртуальная сеть управления, так же как и в первом варианте изобретения, состоит из множества служб, логически связанных между собой, однако в отличие от первого варианта изобретения эти службы объединяются посредством опорной сети оператора (а не сети Интернет).

Как видно из описания, этот второй вариант изобретения (в отличие от предыдущего варианта) предполагает наличие опорных сетей у оператора связи. Из этого варианта также следует, что и управляющий сигнальный трафик, и виртуальная сеть управления полностью находятся в закрытой опорной сети оператора (и не попадают в Интернет), что обеспечивает дополнительный уровень безопасности беспроводной коммуникационной сети.

Второй вариант изобретения предусмотрен специально для существующих операторов связи, например стандарта GSM, у которых уже имеется развернутая опорная сеть. Если такой оператор примет решение диверсифицировать спектр предоставляемых услуг, включив в него услуги широкополосного беспроводного мобильного доступа (например, WiMAX), то он может задействовать свою уже существующую опорную сеть в качестве транспорта для сигнального трафика базовых станций и VCN, передавая при этом весь пользовательский трафик с базовых станций в публичный Интернет, точно так же, как и в первом варианте изобретения. Использование специализированной (опорной) сети оператора для сигнального трафика повышает его защищенность.

Способ позволяет развертывать беспроводные сети доступа быстро, легко и с минимальными затратами, без использования выделенных линий связи. Способ позволяет также осуществлять передачу пользовательского трафика непосредственно между двумя близко расположенными базовыми станциями, устраняя тем самым необходимость в использовании удаленного концентратора.

Настоящее изобретение с целью развертывания новой беспроводной коммуникационной сети позволяет использовать уже существующую коммуникационную инфраструктуру местных Интернет-провайдеров (в местах размещения базовых станций). Это позволяет оператору этой новой беспроводной коммуникационной сети избежать прокладки громоздких и дорогостоящих высокопроизводительных линий связи, что, в свою очередь, значительно сокращает объем капиталовложений, необходимых для развертывания беспроводной коммуникационной сети, а также резко сокращает время развертывания и, соответственно, время выхода оператора связи на рынок.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 иллюстрирует схему транспортной и управляющей инфраструктуры беспроводной сети в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 иллюстрирует этапы способа развертывания новой беспроводной коммуникационной сети.

Подробное описание изобретения

Согласно данному изобретению беспроводная коммуникационная сеть представляет собой совокупность базовых станций, разнесенных территориально в соответствии с планами оператора данной сети по обеспечению требуемой зоны покрытия и пропускной способности. При этом все абоненты или пользователи данной сети могут посредством своих мобильных устройств получать услуги высокоскоростной и мобильной передачи данных (высокоскоростного мобильного доступа) путем подключения этих мобильных устройств к базовым станциям беспроводной сети.

Данная беспроводная коммуникационная сеть подключается к сети передачи данных. В качестве сети передачи данных в настоящем изобретении выступает глобальная публичная сеть Интернет. При этом взаимодействие беспроводной коммуникационной сети с сетью передачи данных обеспечивается путем подключения упомянутых выше базовых станций непосредственно к точкам доступа в сеть передачи данных (т.е. Интернет) ближайших местных Интернет-провайдеров.

Сеть управления доступом (в дальнейшем она будет именоваться термином «виртуальная сеть управления» или сокращенно VCN) представляет собой некоторый набор служб, обеспечивающих все необходимые функции для организации и последующего администрирования беспроводной коммуникационной сети на основе некоторого набора базовых станций, принадлежащих оператору связи, разнесенных географически и подключенных к Интернет (к сети передачи данных). Также в состав виртуальной сети управления входят службы, обеспечивающие управление доступом мобильных устройств и качеством предоставляемых пользователям коммуникационных услуг.

Все службы виртуальной сети управления развертываются на одном или нескольких серверных компьютерах, подключаемых в сеть Интернет. Взаимодействие служб с базовыми станциями беспроводной коммуникационной сети осуществляется путем обмена управляющим сигнальным трафиком, передаваемым через Интернет (т.е. через сеть передачи данных), с использованием средств криптографической защиты и технологии виртуальных частных сетей, организующей так называемые защищенные каналы поверх сети Интернет.

В данном изобретении также предполагается, что серверные компьютеры, на которых развернуты службы виртуальной сети управления, могут быть географически разнесены друг от друга. В этом случае все службы взаимодействуют между собой также посредством сети Интернет, используя защищенные каналы, организованные вышеупомянутым образом.

Отличительной особенностью данного изобретения является то, что базовые станции подключаются по местам их географического размещения непосредственно к точкам доступа в Интернет ближайших к этим базовым станциям местных Интернет-провайдеров. При этом до точки подключения к сети провайдера происходит предварительное преобразование всех данных, которыми базовая станция обменивается с сетями управления доступом и передачи данных, и в одном из вариантов изобретения на граничных маршрутизаторах Интернет-провайдеров в точках доступа к Интернет происходит расщепление передаваемого трафика на два потока - поток пользовательских данных и сигнальный поток управления базовыми станциями и пользовательскими устройствами.

Пользовательскими (или абонентскими) устройствами могут быть оконечные беспроводные мобильные (либо стационарные) устройства, такие как мобильные телефоны, компьютеры со встроенными модемами и т.д. Эти устройства через стандартные воздушные интерфейсы (например, 802.16e (Mobile WiMAX), или 802.11a/b/g/n (Wi-Fi), или WCDMA и другие) взаимодействуют с базовыми станциями (либо с точками доступа в случае Wi-Fi) беспроводной сети. Затем поток пользовательских данных направляется маршрутизатором провайдера в публичную сеть Интернет и распространяется к конечным узлам назначения.

Согласно настоящему изобретению любая базовая станция беспроводной сети подключается в Интернет через местного Интернет-провайдера, при этом, с одной стороны, она связана с внешним миром через свой воздушный (радио) интерфейс, через который она взаимодействует с пользовательскими устройствами (с мобильными телефонами абонентов, их компьютерами и т.д.), а с другой стороны, базовая станция связана со всем остальным внешним миром через коммуникационные каналы Интернет, предоставляемые этим местным Интернет-провайдером. При этом базовая станция выступает в роли посредника между беспроводными пользовательскими устройствами и огромным миром ресурсов, доступных в Интернет. Следует отметить, что в настоящем изобретении все остальные базовые станции оператора той же сети связи либо операторов других сетей доступны для данной базовой станции через Интернет, поскольку они могут быть подключены к любым другим Интернет-провайдерам и в этом смысле являются узлами Интернет.

При этом сеть передачи данных (т.е. Интернет) обеспечивает взаимодействие беспроводной коммуникационной сети и виртуальной сети управления (VCN).

Подобно тому, как беспроводная коммуникационная сеть формируется из некоторого множества первоначально не связанных друг с другом базовых станций, подключенных в Интернет, точно так же виртуальная сеть управления VCN формируется из некоторого множества служб, размещенных на серверных компьютерах, подключенных в Интернет.

Службы представляют собой программные системы, имеющие внешние интерфейсы для взаимодействия посредством сетей передачи данных (например, IP-сетей). Конкретной технологической основой для реализации интерфейсов таких служб может быть, например, технология Web Services. Однако это только один из возможных вариантов, приведенный в качестве примера. Настоящее изобретение не ограничивается этими конкретными указанными способами реализации. Службы могут быть реализованы с использованием различных технологий, а также могут включать в себя программно-аппаратную и аппаратную реализации.

При этом VCN организуется следующим образом: оператор связи приобретает и устанавливает один или несколько серверных компьютеров, подключает их в Интернет, а затем на них развертывает некоторое множество (пакет) служб. При этом не регламентируется, какие службы на каких конкретно серверных компьютерах должны быть размещены - это должен решать оператор связи, исходя из своих соображений (например, безопасности, надежности, производительности и т.д.). Могут иметь место варианты, когда весь необходимый пакет служб размещен на одном серверном компьютере, либо каждая служба на отдельном компьютере, либо одна служба на нескольких компьютерах (в целях резервирования и балансировки нагрузки), либо смешанные варианты.

Все серверные компьютеры имеют возможность взаимодействовать между собой посредством Интернет. Следовательно, и службы также получают такую возможность.

После того как все службы, необходимые для функционирования беспроводной коммуникационной сети, будут установлены, с помощью так называемой службы поддержки и администрирования эти службы конфигурируются и собираются в единую виртуальную сеть управления. При этом в процессе конфигурации все службы VCN получают от службы администрирования информацию обо всех базовых станциях беспроводной сети, которыми они должны управлять. Тем самым осуществляется «подключение» беспроводной коммуникационной сети к виртуальной сети управления.

Такой подход дает очень большую гибкость. Оператор в дальнейшем может легко наращивать свою беспроводную сеть, просто добавляя новые базовые станции, подключая их в Интернет и инициируя процесс их конфигурации. При этом служба поддержки и администрирования сама автоматически настроит нужным образом каждую базовую станцию и присоединит ее в состав уже имеющейся беспроводной сети.

Именно служба поддержки и администрирования отвечает за организацию единой, скоординированной беспроводной коммуникационной сети из разрозненного набора базовых станций, «раскиданных» по определенной территории.

В одном из вариантов изобретения в процессе развертывания беспроводной коммуникационной сети оператор вначале развертывает на серверном компьютере службу поддержки и администрирования, обеспечивает ей доступ в Интернет, а затем начинает устанавливать базовые станции. При этом каждая базовая станция после установки и подключения ее в Интернет автоматически конфигурируется, и в процессе этой конфигурации она регистрируется в упомянутой службе поддержки и администрирования. В результате служба получает доступ ко всем базовым станциям данной беспроводной сети и в дальнейшем осуществляет координацию их работы, обеспечивая тем самым целостную беспроводную сеть из набора независимых базовых станций.

В соответствии с данным изобретением каждая базовая станция беспроводной коммуникационной сети подключается через специальный узел предварительного преобразования данных (PDTU - Preliminary Data Transformation Unit) к точке доступа в Интернет ближайшего Интернет-провайдера (ISP - Internet Service Provider) по месту географического размещения данной базовой станции (см. фиг.1). При этом в одном из вариантов изобретения весь трафик базовой станции на граничном маршрутизаторе провайдера (ISPER - ISP Edge Router) расщепляется на два независимых потока - поток пользовательских данных (UDF - User Data Flow) и сигнальный поток управления базовой станцией и абонентскими устройствами, которые она в данный момент обслуживает (CDF - Control Data Flow).

Поток пользовательских данных при этом направляется маршрутизатором ISPER в глобальную сеть Интернет и распространяется к конечным Интернет-узлам, с которыми в данный момент взаимодействуют беспроводные абонентские устройства, подключенные через воздушный интерфейс к данной базовой станции.

Настоящее изобретение применяется на сетевом (IP) уровне, поэтому оно независимо от типа передаваемых данных. С точки зрения настоящего изобретения данные, передаваемые с базовой станции, являются IP-пакетами, в которые инкапсулированы двоичные данные, относящиеся к любым объектам.

Сигнальный поток управления по специальному защищенному каналу, организованному средствами PDTU, передается через Интернет в виртуальную сеть управления (VCN - Virtual Control Network). Как уже отмечалось выше, в одном из вариантов изобретения VCN представляет собой множество логически взаимосвязанных служб, размещенных на одном или нескольких серверах в сети Интернет и осуществляющих все необходимые функции по управлению всеми базовыми станциями данной беспроводной сети, пользовательскими устройствами всех абонентов, обслуживаемых данной беспроводной сетью, а также функции по конфигурации, управлению и обеспечению целостности и безопасности данной беспроводной сети как единой структуры.

Совокупность VCN, набора защищенных каналов, соединяющих ее со всеми базовыми станциями беспроводной коммуникационной сети, и самих базовых станций представляет собой виртуальную частную сеть, наложенную на Интернет (т.е. сеть передачи данных). Такая виртуальная частная сеть в одном из вариантов изобретения организуется средствами MPLS (Multi Protocol Label Switching) при наличии соответствующей поддержки со стороны Интернет-провайдеров. Технология MPLS позволяет провайдерам Интернет более гибко управлять распределением трафика пользователей по своим сетям (по сравнению с обычным IP), а также относительно просто организовывать для своих клиентов коммуникационные каналы с определенным уровнем качества услуг (QoS). Однако при этом сама технология MPLS не имеет каких-либо функций по организации и управлению беспроводными коммуникационными сетями, подобно представленными в настоящем изобретении.

В рамках данного изобретения MPLS рассматривается в качестве вспомогательного инструмента, используя который можно достаточно просто и эффективно организовывать защищенные каналы для передачи сигнального трафика между VCN и базовыми станциями беспроводной коммуникационной сети.

Конечными узлами назначения для пользовательского трафика от базовой станции беспроводной коммуникационной сети являются любые устройства, с которыми взаимодействуют либо непосредственно данная базовая станция, либо беспроводные пользовательские устройства, использующие данную базовую станцию как посредника. Если пользовательское устройство, например мобильный телефон, осуществляет вызов другого абонента (мобильного телефона) беспроводной сети того же оператора связи, но доступного в данный момент посредством другой базовой станции, то весь голосовой трафик в процессе разговора абонентов будет передаваться с этого пользовательского устройства на обслуживающую его (первую) базовую станцию, затем с этой первой базовой станции - к первому Интернет-провайдеру (на граничный маршрутизатор этого Интернет-провайдера, фактически, точку входа в Интернет), а от первого Интернет-провайдера трафик направляется через публичную сеть Интернет к узлу назначения, при этом узлом назначения в данном случае является вторая базовая станция, подключенная через второго Интернет-провайдера, а затем наконец вторая базовая станция принятый голосовой трафик направляет по воздушному интерфейсу в пользовательское устройство второго абонента. В обратном направлении (от второго абонента к первому) голосовой трафик маршрутизируется через публичную сеть Интернет аналогично.

Если одновременно с первым пользовательским устройством первая базовая станция обслуживает еще одно пользовательское устройство (например, ноутбук) и пользователь этого устройства просматривает какой-нибудь веб-сайт, то весь пользовательский трафик этого устройства будет направляться из первой базовой станции через того же первого Интернет-провайдера и публичную сеть Интернет к другому узлу назначения, которым в данном случае является веб-сервер, на котором размещается просматриваемый Интернет-сайт.

При этом в целях обеспечения информационной безопасности и целостности всей беспроводной сети все служебные (управляющие или сигнальные) сообщения (сигналы) первой базовой станции направляются через первого Интернет-провайдера в публичную сеть Интернет, но уже с использованием средств криптографической защиты и специальных механизмов организации виртуальных частных сетей (как уже было упомянуто выше). Узлами назначения для управляющих сообщений являются службы виртуальной сети управления VCN, размещенные на серверных компьютерах, подключенных к сети Интернет и являющихся Интернет-узлами. Все три описанных выше процесса, естественно, могут происходить одновременно.

Упомянутые выше специальные защищенные каналы обеспечивают безопасную передачу управляющего трафика между виртуальной сетью управления и базовыми станциями беспроводной сети. При этом данные, передаваемые по этим защищенным каналам, шифруются средствами криптографической защиты, обеспечиваемыми узлом PDTU. Также все абоненты (базовые станции, службы и пользователи) на обоих концах упомянутых защищенных каналов подлежат взаимной аутентификации, то есть базовые станции и все службы виртуальной сети управления друг друга аутентифицируют.

В соответствии с данным изобретением в состав виртуальной сети управления доступом входит минимально необходимый набор следующих служб:

- Служба динамической конфигурации доступа абонентских устройств (Subscriber Access Configuration Service). Данная служба управляет конфигурацией необходимых параметров для обеспечения доступа абонентских устройств в сеть Интернет. В частности, в функции этой службы входит конфигурация IP-доступа абонентского устройства в сеть Интернет.

- Служба аутентификации, авторизации и учета доступа абонентских устройств (AAA Service). Данная служба совместно со службой управления абонентской базой (см. ниже) осуществляет процедуру аутентификации абонентских устройств при их первоначальной регистрации через одну из базовых станций беспроводной сети, а также осуществляет авторизацию доступа абонентских устройств к службам данной беспроводной сети в случае успешного прохождения ими процедуры аутентификации. Кроме того, в функции AAA-службы входит постоянный мониторинг активности абонентских устройств и учет предоставляемых услуг, например учет трафика, который абонентское устройство потребляет за определенный промежуток времени в ходе пользования услугой по обмену данными через беспроводную сеть, либо учет моментов времени и длительностей совершенных абонентами звонков в случае использования услуг голосовой связи беспроводной сети.

- Служба управления качеством обслуживания абонентских устройств (QoS Service). Эта служба совместно со службой управления радиоресурсами базовых станций (см. ниже) отвечает за обеспечение требуемого качества услуг передачи данных. Например, в стандарте IEEE 802.16e (Wi-MAX) определена стандартная процедура, в соответствии с которой при инициации абонентским устройством сеанса доступа в Интернет абонентское устройство запрашивает у беспроводной сети конкретные параметры QoS, которые необходимы ему для качественного взаимодействия со службами Интернет в рамках данного сеанса доступа (например, для просмотра видео в режиме он-лайн). При этом в соответствии с настоящим изобретением, если это требование QoS соответствует условиям пользовательских соглашений абонента с оператором данной беспроводной сети, служба управления качеством обслуживания принимает решение обеспечить требуемый уровень QoS для данного абонентского устройства в рамках данного сеанса и в результате с помощью стандартных механизмов, известных в беспроводных коммуникационных технологиях, совместно со службой управления радиоресурсами базовых станций гарантирует и отслеживает требуемый уровень QoS.

- Служба управления радиоресурсами базовых станций (Radio Resource Management - служба). Эта служба осуществляет непосредственное управление базовыми станциями беспроводной сети. В функции данной службы входит распределение временных, частотных и пространственных (в случае использования антенных MIMO-систем) ресурсов базовой станции между различными абонентскими устройствами, подключенными в беспроводную сеть через данную базовую станцию. Поскольку характер распределения доступных радиоресурсов между обслуживаемыми абонентскими устройствами, в свою очередь, определяет качество коммуникационных услуг (QoS), получаемых ими от беспроводной сети, данная служба работает под управлением QoS-службы. При этом QoS-служба посылает службе управления радиоресурсами информацию о том, какие конкретные параметры качества обслуживания нужно обеспечить конкретным абонентским устройствам, а данная служба уже по известным в беспроводных коммуникационных технологиях алгоритмам управляет ресурсами базовых станций, обеспечивая требуемый уровень QoS для абонентских устройств.

В одном из вариантов изобретения данная служба размещается не в виртуальной сети управления, а входит в состав устройств PDTU на стороне всех базовых станций беспроводной сети.

- Служба управления мобильностью абонентских устройств (Mobility-служба). Задачей данной службы является обеспечение возможности прозрачного перемещения абонентских устройств между различными базовыми станциями беспроводной сети, не разрывая при этом текущих сеансов взаимодействия этих устройств с сетью. Для достижения этой цели служба управления мобильностью постоянно взаимодействует со всеми базовыми станциями беспроводной сети, отслеживает качество радиоканалов взаимодействующих с сетью мобильных абонентских устройств и в случаях необходимости осуществляет передачу обслуживания (handover) абонентских устройств между различными базовыми станциями. При этом в ходе процедуры передачи доступа абонентских устройств используются алгоритмы, хорошо известные в существующих мобильных коммуникационных системах. Алгоритмы управления мобильностью беспроводных устройств, применяющиеся в существующих технологиях беспроводного мобильного доступа, таких как WiMAX, UMTS и др., не являются предметом данного изобретения и используются уже созданные и вошедшие в существующие стандарты.

- Служба управления роумингом абонентских устройств (Roaming-служба). Эта служба включает в себя весь комплекс процедур, необходимых для обеспечения доступа в данную беспроводную сеть абонентских устройств, зарегистрированных в других беспроводных сетях (например, абонентов других операторов связи). При этом для данной беспроводной сети эти устройства считаются гостевыми абонентскими устройствами. В ходе процесса подключения гостевого абонентского устройства в данную беспроводную сеть служба управления роумингом связывается с аналогичными службами домашней сети этого устройства и по известным в мобильных коммуникационных технологиях процедурам взаимодействует с этими службами для обеспечения возможности регистрации гостевого абонента в данной сети и учета потребляемых абонентом услуг.

- Служба оповещения абонентских устройств, находящихся в спящем или дежурном режиме (Paging-служба). Во многих коммуникационных технологиях в целях экономии энергии автономных источников питания мобильных абонентских устройств вводятся специальные режимы работы этих устройств, такие как «спящий режим» - Sleep Mode и «дежурный режим» - Idle Mode. В этих режимах взаимодействие абонентского устройства с беспроводной сетью минимизируется. При этом в случае поступления входящего потока данных, например, из сети Интернет, в рамках установленных ранее сеансов взаимодействия, либо входящего звонка данному абоненту возникает необходимость уведомления абонентского устройства об этом событии. В соответствии с настоящим изобретением эту задачу в рамках беспроводной сети выполняет служба уведомления абонентских устройств, используя при этом процедуры, уже известные в мобильных коммуникационных технологиях.

- Служба управления абонентской базой (Subscriber Database Management Service). Эта служба управляет базой данных всех абонентов, обслуживаемых беспроводной сетью данного оператора связи. Причем в базу абонентов входят как «домашние» абоненты данной сети, являющиеся клиентами оператора связи, так и гостевые абоненты, являющиеся, по сути, клиентами других операторов связи, но получающие доступ к коммуникационным услугам данной беспроводной сети через механизм роуминга. Служба управления абонентской базой участвует во многих важнейших процедурах в беспроводной сети совместно с другими службами виртуальной сети управления, например при регистрации абонентского устройства в беспроводной сети через одну из ее базовых станций, при обеспечении роуминга абонентов, при авторизации абонентских устройств на доступ к определенным службам сети, при определении уровня QoS, который может быть обеспечен данному абонентскому устройству в соответствии с пользовательскими соглашениями абонента и оператора связи и т.д.

- Служба поддержки и администрирования коммуникационной системы (Communication System Support and Administration Service). В соответствии с данным изобретением на эту службу возложены функции конфигурации и управления всей коммуникационной системой оператора связи, состоящей из беспроводной коммуникационной сети (которая представляет собой некоторое множество географически распределенных и взаимосвязанных базовых станций) и виртуальной сети управления. Именно служба администрирования объединяет все базовые станции, распределенные географически и подключенные по способу в соответствии с данным изобретением к различным местным Интернет-провайдерам по местам их географического размещения, в единую сеть, в которой все остальные службы виртуальной сети управления совместно осуществляют все необходимые функции по управлению доступом и обслуживанием абонентов. Аналогичным образом служба поддержки и администрирования обеспечивает целостность и скоординированность работы всех служб виртуальной сети управления. С помощью этой службы оператор беспроводной сети может добавлять в сеть новые базовые станции, конфигурировать оборудование базовых станций, а также проводить постоянный мониторинг функционирования всей беспроводной сети и всех служб виртуальной сети управления. Эта служба входит в состав виртуальной сети управления и взаимодействует со всеми службами этой VCN (равно как и со всеми базовыми станциями), обеспечивая их необходимую конфигурацию и управление их функционированием в процессе эксплуатации.

- Служба обеспечения безопасности виртуальной сети (сети управления доступом) (VCN Security Service). В соответствии с настоящим изобретением данная служба совместно с PDTU всех базовых станций обеспечивает функции информационной безопасности виртуальной сети управления. При этом в задачи службы безопасности входит аутентификация всех базовых станций беспроводной сети при организации каналов управления, аутентификация базовыми станциями всех служб в виртуальной сети управления (включая и данную службу безопасности), организация защищенных коммуникационных каналов между всеми участниками виртуальной сети управления, включая базовые станции.

В соответствии с настоящим изобретением процесс развертывания беспроводной коммуникационной сети оператором связи состоит из следующих этапов (см. фиг.2).

Оператор связи приобретает пакет служб управления беспроводной коммуникационной сетью. В этот пакет входят как минимум службы, предоставляющие функциональность, описанную выше.

Затем оператор связи подготавливает один или несколько серверных компьютеров и обеспечивает этим компьютерам доступ к сети Интернет, после чего оператор связи устанавливает упомянутые службы на подготовленные серверные компьютеры. Как именно при этом разместить службы по серверным компьютерам, определяется самим оператором связи, исходя из определенных соображений (например, надежности, безопасности, производительности и т.д.). На практике возможен вариант, когда пакет служб поставляется в виде заранее предустановленного аппаратно-программного комплекса, который в таком случае просто требуется подключить к сети Интернет.

Используя «службу поддержки и администрирования», оператор связи развертывает и конфигурирует виртуальную сеть управления на основе установленных служб. Возможный способ развертывания виртуальной сети управления описывается выше. После этого оператор связи приобретает некоторое множество базовых станций, снабженных устройствами PDTU.

Далее оператор размещает базовые станции территориально в соответствии со своими планами по обеспечению требуемой зоны покрытия и емкости каналов связи беспроводной коммуникационной сети. При этом подразумевается, что оператор имеет соответствующие лицензии на использование радиочастотных диапазонов. Затем оператор связи подключает уже размещенные базовые станции к точкам доступа к Интернет местных (по местам географического размещения базовых станций) Интернет-провайдеров, с которыми у данного оператора имеются договора на предоставление услуг передачи данных. С помощью «службы поддержки и администрирования» развернутой ранее виртуальной сети управления оператор связи объединяет все размещенные базовые станции в единую беспроводную коммуникационную сеть. При этом с помощью службы поддержки и администрирования беспроводной сети оператор связи конфигурирует требуемые параметры функционирования базовых станций, а также параметры взаимодействия базовых станций со всеми службами виртуальной сети управления. После завершения конфигурации всех базовых станций беспроводная коммуникационная сеть готова к эксплуатации и оператор связи получает возможность приглашать своих клиентов - абонентов, регистрировать их в своей абонентской базе и предоставлять им коммуникационные услуги.

В дальнейшем, по мере необходимости, оператор связи может расширять свою беспроводную коммуникационную сеть путем приобретения, территориального размещения и подключения к Интернет дополнительных базовых станций. При этом каждая новая базовая станция с помощью службы поддержки и администрирования конфигурируется и добавляется в уже существующую беспроводную коммуникационную сеть.

Практическая ценность изобретения

Практическим результатом настоящего изобретения является значительно более дешевый, быстрый и простой способ развертывания беспроводных коммуникационных сетей операторами связи по сравнению с уже существующими способами, определяемыми текущими стандартами беспроводных коммуникационных технологий. Операторам связи не требуется создавать собственную инфраструктуру линий связи. В качестве опорных сетей операторы могут использовать уже развернутые сети Интернет-провайдеров.

При развертывании беспроводных сетей операторы могут воспользоваться преимуществами выбора среди конкурирующих провайдеров Интернет и, как следствие, наиболее выгодными для себя тарифами на услуги по транспортировке трафика базовых станций.

Из-за полной децентрализации транспортной инфраструктуры беспроводной сети нет необходимости в дорогостоящих и высокопроизводительных устройствах-концентраторах трафика, что, наряду с отсутствием необходимости создания собственных опорных сетей, существенно улучшает масштабируемость решения и позволяет создавать беспроводные сети, небольшие по зоне покрытия и количеству базовых станций, при этом с минимальными первоначальными капиталовложениями.

В самом минимальном варианте вся беспроводная сеть оператора может состоять всего из одной единственной базовой станции, и развертывание такой минимальной сети будет простым и дешевым для оператора связи. В дальнейшем оператор по мере необходимости легко может наращивать свою сеть, подключая к Интернет-провайдерам все новые и новые базовые станции и увеличивая тем самым емкость и зону покрытия своей сети.

Еще одним важным результатом является более эффективное использование линий связи базовыми станциями при передаче пользовательского трафика по сравнению с существующими стандартными решениями.

Изобретение относится к области беспроводных телекоммуникационных сетей. Технический результат заключается в упрощении развертывания беспроводных сетей доступа. Сущность изобретения заключается в том, что к уже существующей фиксированной сети передачи данных подключают аппаратно-программные средства, обеспечивающие службы, образующие виртуальную сеть управления доступом; подключают одну или более базовых станций к географически ближайшей точке доступа упомянутой фиксированной сети передачи данных и осуществляют обмен данными между пользовательским устройством, которое обслуживается вновь подключенной базовой станцией, с узлом назначения, под управлением служб созданной сети управления доступом. Раскрыта также система передачи данных, построенная в соответствии с упомянутым выше. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ построения системы передачи данных, содержащей по меньшей мере одну фиксированную сеть передачи данных и беспроводную коммуникационную сеть связи, включающую в себя по меньшей мере одну базовую стацию, причем различные фиксированные сети передачи данных принадлежат различным поставщикам услуг, содержащий этапы:
a) подключают к существующей фиксированной сети передачи данных посредством коммуникационных каналов этой сети аппаратно-программные средства, обеспечивающие службы, образующие сеть управления доступом,
b) подключают упомянутую по меньшей мере одну базовую станцию к географически ближайшей к ней по меньшей мере одной точке доступа одной из упомянутых по меньшей мере одной фиксированной сети передачи данных посредством коммуникационных каналов этой фиксированной сети передачи данных, причем каждая базовая станция обслуживает по меньшей мере одно абонентское устройство,
c) выполняют под управлением служб упомянутой сети управления доступом обмен пакетными данными между упомянутым по меньшей мере одним абонентским устройством через обслуживающую его вновь подключенную базовую станцию с по меньшей мере одним узлом назначения, при этом обмен упомянутыми пакетными данными происходит по меньшей мере через одну фиксированную сеть передачи данных.

2. Способ по п.1, в котором узлом назначения является сетевой узел в любой из по меньшей мере одной фиксированной сети передачи данных.

3. Способ по п.1, в котором узлом назначения является абонентское устройство, обслуживаемое другой базовой станцией беспроводной коммуникационной сети связи.

4. Способ по п.1, в котором каждую базовую станцию беспроводной коммуникационной сети подключают к точке доступа фиксированной сети передачи данных посредством узла предварительного преобразования данных для согласования форматов данных, принятых в упомянутой фиксированной сети передачи данных и беспроводной коммуникационной сети.

5. Способ по п.4, в котором данные, передаваемые от упомянутого по меньшей мере одного абонентского устройства через упомянутую по меньшей мере одну базовую станцию, расщепляют в узле преобразования данных на данные абонентского трафика, передаваемые по коммуникационным каналам упомянутой фиксированной сети передачи данных на узел назначения, и данные управления и сигнализации, передаваемые по каналам упомянутой сети управления доступом.

6. Способ по п.4 или 5, в котором узел преобразования данных находится на граничном маршрутизаторе фиксированной сети передачи данных.

7. Способ по п.4 или 5, в котором узел преобразования данных находится в базовой станции.

8. Способ по п.4 или 5, в котором передача данных управления и сигнализации между узлом преобразования данных и сетью управления доступом осуществляется криптографически защищенным способом.

9. Способ по п.1, в котором аппаратно-программные средства обеспечивают службы:
динамической конфигурации доступа абонентских устройств,
аутентификации, авторизации и учета доступа абонентских устройств,
управления качеством обслуживания абонентских устройств,
управления радиоресурсами базовых станций,
управления мобильностью абонентских устройств,
оповещения абонентских устройств, находящихся в спящем или дежурном режиме,
управления абонентской базой,
поддержки и администрирования коммуникационной системы,
обеспечения безопасности сети управления доступом.

10. Способ по п.1, в котором фиксированной сетью передачи данных является Интернет.

11. Способ по п.4 или 5, в котором фиксированной сетью передачи данных является Интернет, а в узле предварительного преобразования данных данные преобразуют в IP-пакеты.

12. Система передачи данных, содержащая:
беспроводную коммуникационную сеть связи, содержащую по меньшей мере одну базовую станцию, обслуживающую по меньшей мере одно абонентское устройство;
по меньшей мере одну фиксированную сеть передачи данных, содержащую серверы и коммуникационные каналы, причем каждая из упомянутых фиксированных сетей передачи данных принадлежит различным поставщикам услуг;
при этом каждая базовая станция, входящая в беспроводную коммуникационную сеть, подключена к географически ближайшей к ней по меньшей мере одной точке доступа фиксированной сети передачи данных любого из поставщиков услуг посредством коммуникационных каналов этой фиксированной сети передачи данных,
сеть управления доступом, состоящую из программно-аппаратных средств, обеспечивающих службы для управления обменом пакетными данными между упомянутым по меньшей мере одним абонентским устройством через обслуживающую его базовую станцию с узлом назначения, при этом упомянутыми пакетными данными обмениваются через по меньшей мере одну фиксированную сеть передачи данных.

13. Система по п.12, в которой узлом назначения является узел в любой из по меньшей мере одной фиксированной сети передачи данных.

14. Система по п.12, в которой узлом назначения является абонентское устройство, обслуживаемое другой базовой станцией беспроводной коммуникационной сети связи.

15. Система по п.12, в которой каждая базовая станция упомянутой беспроводной коммуникационной сети подключена к точке доступа фиксированной сети передачи данных посредством узла предварительного преобразования данных для согласования форматов данных, принятых в этой фиксированной сети передачи данных и беспроводной коммуникационной сети.

16. Система по п.15, в которой узел преобразования данных служит также для расщепления данных, передаваемых от упомянутого по меньшей мере одного абонентского устройства через обслуживающую его по меньшей мере одну базовую станцию, на данные абонентского трафика, передаваемые по коммуникационным каналам упомянутой фиксированной сети передачи данных на узел назначения, и данные управления и сигнализации, передаваемые по каналам упомянутой сети управления доступом.

17. Система по п.15 или 16, в которой узел преобразования данных находится на граничном маршрутизаторе фиксированной сети передачи данных.

18. Система по п.15 или 16, в которой узел преобразования данных находится в упомянутой базовой станции.

19. Система по п.15 или 16, в которой передача данных управления и сигнализации между узлом преобразования данных и сетью управления доступом осуществляется криптографически защищенным способом.

20. Система по п.12, в которой службами сети управления доступом являются службы:
динамической конфигурации доступа абонентских устройств,
аутентификации, авторизации и учета доступа абонентских устройств,
управления качеством обслуживания абонентских устройств,
управления радиоресурсами базовых станций,
управления мобильностью абонентских устройств,
оповещения абонентских устройств, находящихся в спящем или дежурном режиме,
управления абонентской базой,
поддержки и администрирования беспроводной коммуникационной системы,
обеспечения безопасности сети управления доступом.

21. Система по п.12, в которой фиксированной сетью передачи данных является Интернет.

22. Система по п.15, в которой фиксированной сетью передачи данных является Интернет, а узел предварительного преобразования данных преобразует данные в IP-пакеты.