СИСТЕМА ДЛЯ СОЗДАНИЯ IP-ТУННЕЛЯ "БОРТ-ЗЕМЛЯ" В АВИАЦИОННОЙ БЕСПРОВОДНОЙ СОТОВОЙ СЕТИ ДЛЯ РАЗЛИЧЕНИЯ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ПАССАЖИРОВ Российский патент 2014 года по МПК H04W84/06 H04W80/06 H04L29/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к сотовой связи, а именно к системе, которая создает туннель интернет-протокола «борт-земля» в авиационной беспроводной сотовой сети для того, чтобы сеть могла различать индивидуальных пассажиров, находящихся в самолете.

Уровень техники, предшествующий изобретению

Беспроводная связь сталкивается с проблемой управления услугами беспроводной связи, предоставляемых сетью воздушного судна пассажирам, находящимся на борту самолета во время их перемещения между сотами авиационной сотовой сети связи. Сеть самолета обслуживает множество абонентов и имеет канал связи с наземной сетью через широкополосное соединение, которое одновременно обслуживает множество индивидуальных абонентов. Управление подобным широкополосным соединением для обеспечения индивидуальной идентификации абонентов, находящихся на борту самолета, в существующих беспроводных сетях пока еще остается нерешенной задачей.

В условиях наземной сотовой связи абоненты беспроводных услуг часто перемещаются в зоне обслуживания сети своего домашнего сотового оператора, продолжая пользоваться выбранным набором функций. Доступность набора функций во всей домашней сети обеспечивается за счет использования базы данных домашнего сотового оператора, часто именуемой реестром собственных абонентов (HLR), соединенной с одним или несколькими узлами коммутации (пакетной или канальной), а также различным вспомогательным оборудованием, таким как серверы голосовой почты и коротких текстовых сообщений, что позволяет незаметно для абонента управлять наборами функций. Каждый абонент ассоциируется с однозначным коммуникационным соединением, которое содержит канал со стороны базовой станции для доступа к запрашиваемым услугам связи.

Если абоненту услуг беспроводной связи нужно перемещаться между сетями из зоны покрытия своей домашней сотовой сети в сеть этого же или другого сотового оператора (именуемого здесь «роуминговый сотовой оператор»), то у абонента услуг беспроводной связи должна быть возможность точно также осуществлять вызовы и принимать звонки вне зависимости от его местонахождения. Кроме этого, абонентам беспроводной связи, во время их перемещения, должна быть предоставлена возможность прозрачного пользования наборами функций. Однако для обеспечения подобной мобильности наборов функций необходимо совместное использование файлов баз данных, когда профиль набора функций, доступных абоненту, передается из реестра собственных абонентов домашнего сотового оператора в базу данных роумингового сотового оператора, часто именуемую реестром роуминговых абонентов или VLR. В этом случае Реестр роуминговых абонентов видит, что определенный абонент услуг беспроводной связи, находящийся в роуминге, имеет право на пользование определенным набором функций и разрешает сети роумингового сотового оператора прозрачно предлагать подобные функции абоненту услуг беспроводной связи. Таким образом, абонент услуг беспроводной связи, находящийся в роуминге, сохраняет такой же набор функций, или «класс абонента», который был у него в его домашней сети сотового оператора.

Когда абоненты услуг беспроводной связи попадают в авиационную сотовую сеть связи (например, летят в качестве пассажиров в самолете), они оказываются в уникальной среде, которая традиционно была отделена от наземной сотовой сети и в которой беспроводная сеть самолета выступает для абонента (также именуемого здесь «пассажир») в качестве интерфейса по предоставлению различных услуг и контента. Беспроводная сеть самолета, таким образом, может функционировать в качестве фильтра контента либо может создавать уникальные типы контента, предназначенные для индивидуальных пассажиров, находящихся на борту самолета. Однако, хотя сеть воздушного судна обслуживает множество пассажиров, у нее имеется канал связи через широкополосное радиочастотное соединение с наземной сетью доступа с единственным IP адресом в наземной сети доступа. Таким образом, широкополосное радиочастотное соединение одновременно обеспечивает передачу данных для множества индивидуальных пассажиров, однако эти передаваемые данные не могут быть индивидуально идентифицированы наземной сетью доступа. Управление подобным широкополосным соединением для обеспечения индивидуальной идентификации пассажиров за счет присвоения уникальных индивидуальных IP-адресов каждому пассажирскому устройству беспроводной связи в существующих беспроводных сетях остается пока еще нерешенной задачей.

Сущность изобретения

Решение описанных выше проблем обеспечивается и технический прогресс в данной области техники достигается благодаря Системе для создания IP-туннеля «борт-земля» в авиационной беспроводной сотовой сети для различения индивидуальных пассажиров (далее именуемой здесь «Системой создания IP-туннеля «борт-земля» на воздушном судне»), которая позволяет присваивать индивидуальные адреса интернет-протокола (IP-адреса) каждому пассажирскому беспроводному устройству, используемому на борту самолета и обслуживаемому авиационной беспроводной сотовой сетью, тем самым обеспечивая предоставление беспроводных услуг для индивидуально идентифицированных пассажирских беспроводных устройств.

Система создания IP-туннеля «борт-земля» на воздушном судне обеспечивает предоставление услуг беспроводной связи пассажирам, находящимся на борту самолета, за счет хранения данных, характеризующих индивидуально идентифицированные пассажирские беспроводные устройства, находящиеся на борту самолета. Система создания IP-туннеля «борт-земля» на воздушном судне присваивает единственный IP-адрес каждому радиочастотному каналу связи, использующему двухточечный протокол связи, соединяющему сеть воздушного судна с наземной сетью доступа, и при этом также создает IP-туннель от наземной сети доступа к воздушному судну. 1Р-туннель поддерживает множество IP-адресов для пассажирских беспроводных устройств, обслуживаемых каждым из радиочастотных каналов связи «борт-земля», тем самым позволяя уникально идентифицировать каждое пассажирское беспроводное устройство по его собственному IP-адресу. За счет использования Системы создания IP-туннеля «борт-земля» на воздушном судне система преобразования сетевых адресов (NAT) на борту воздушного судна может использовать большее количество IP-адресов, чем один адрес на канал связи. Подобный подход не меняет управляющие протоколы семейства IP или другие протоколы/обмен сообщениями EVDO, но позволяет наземной сети доступа непосредственно видеть индивидуальные IP-адреса пассажирских беспроводных устройств.

Электронные услуги, предоставляемые пассажирам во время полета, включают в себя доступ в Интернет, развлекательные услуги, такие как мультимедийные презентации, а также услуги, относящиеся к пункту назначения, которые дополняют текущий план поездки пассажира и их запланированный график поездки предложением дополнительных услуг, доступных пассажиру в пункте предполагаемого назначения, а также, как вариант, голосовые услуги. Пассажирам, таким образом, предлагается возможность во время полета больше узнать об их поездке, как во время полета, так и после прибытия на место за счет получения доступа к различным услугам. Индивидуальная идентификация каждого пассажирского беспроводного устройства упрощает предоставление подобных услуг и позволяет индивидуализировать подобные услуги в соответствии с заданным профилем, созданным для пассажира.

Подобные возможности системы создания IP-туннеля «борт-земля» на воздушном судне обеспечиваются, отчасти, за счет использования «внутренней сети», связывающей два сегмента «внешней сети», состоящей из Авиационной подсистемы и наземной сети доступа. Внутренняя сеть обеспечивает передачу как трафика абонента (в том числе голосовые и/или другие данные), так и данных о наборах функций между авиационной подсистемой и наземной сетью доступа, тем самым позволяя предоставлять пассажирским беспроводным устройствам, находящимся на борту самолета, единообразные услуги беспроводной связи, как на земле, так и в воздухе.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 изображена в виде блок-схемы общая архитектура составной сети «борт-земля», которая связывает авиационную подсистему с наземной сетью доступа;

на фиг.2 изображена в виде блок-схемы архитектура типичного варианта осуществления типичной бортовой сети самолета для пассажирских беспроводных устройств, реализуемой в многоместном пассажирском самолете;

на фигурах 3А и 3В изображена в виде блок-схемы архитектура типичной сотовой сети EVDO соответственно для передачи только IP данных и для передачи IP данных и голосовых данных;

на фиг.4 изображена в виде блок-схемы архитектура системы IP-туннеля «борт-земля» на воздушном судне с использованием IP-туннеля уровня 2;

на фиг.5 изображена в виде блок-схемы архитектура системы IP-туннеля «борт-земля» на воздушном судне с использованием IP-туннеля уровня 3;

на фиг.6 изображена в виде блок-схемы архитектура системы IP-туннеля «борт-земля» на воздушном судне с использованием IP-туннеля с системой NAT;

на фиг.7 изображена в виде схемы прохождения сигнала типичная работа системы создания IP-туннеля «борт-земля» на воздушном судне с использованием IP-туннеля с системой NAT; и

на фиг.8 изображена в виде блок-схемы типичная работа системы создания IP-туннеля «борт-земля» на воздушном судне с использованием IР-туннеля с системой NAT.

Подробное описание изобретения

Общая архитектура системы

На фиг.1 изображена, в виде блок-схемы, общая архитектура авиационной сотовой сети связи, которая включает в себя сеть 2 «борт-земля» (внутреннюю сеть), связывающую два элемента внешней сети: авиационную подсистему 3 и наземную подсистему 1. На данной схеме изображены базовые концепции авиационной сотовой сети связи, для упрощения восприятия показаны не все элементы, встречающиеся в обычной авиационной сотовой сети связи. Основные элементы, раскрытые на фиг.1, передают идею взаимодействия между различными компонентами, используемыми при реализации авиационной сотовой сети связи, обеспечивающей доступ к контенту для пассажирских беспроводных устройств, находящихся на борту самолета.

Общая концепция, изображенная на фиг.1 заключается в создании «внутренней сети», соединяющей два сегмента «внешней сети», состоящей из авиационной подсистемы 3 и наземной подсистемы 1. Это достигается посредством сети 2 «борт-земля», передающей как пассажирский трафик (содержащий голосовые и/или другие данные), так и управляющую информацию, а также данные о пакетах услуг между авиационной подсистемой 3 и наземной системой 1, тем самым позволяя осуществлять обслуживание на борту самолета пассажирских беспроводных устройств, находящимся на борту самолета.

Авиационная подсистема

«Авиационная подсистема» - это среда передачи данных, реализованная на борту самолета, подобная передача данных может быть основана на различных технологиях, включая, но, не ограничиваясь, проводные, беспроводные, оптические, акустические (ультразвуковые) и прочие технологии. Пример подобной сети раскрыт в патенте США №6,788,935, озаглавленном “Бортовая сеть самолета для беспроводных абонентских устройств”.

В предпочтительном варианте осуществления в авиационной подсистеме 3 используется беспроводная технология, причем собственная беспроводная технология пассажирских беспроводных устройств, которые пассажиры и экипаж взяли с собой на борт самолета. Так, ноутбук может использоваться в режиме беспроводной передачи данных WiFi или WiMax (либо через проводное соединение, такое как LAN), а КПК может передавать телефонный голосовой трафик по IP-телефонии (протоколу VoIP). Аналогичным образом, сотовый телефон стандарта GSM при нахождении в авиационной подсистеме самолета может осуществлять связь по протоколу GSM. Сотовый телефон стандарта CDMA может использовать CDMA, а аналоговый телефон стандарта AMPS может использовать аналоговый режим AMPS при нахождении внутри самолета для взаимодействия с авиационной подсистемой 3. Соединения могут быть с пакетной коммутацией, переключением каналов, либо и с тем и с другим. В целом, задача авиационной подсистемы 3 заключается в обеспечении незаметно для пассажира повсеместного доступа к авиационной подсистеме 3 для пассажирских беспроводных устройств, находящихся у пассажиров и экипажа, независимо от технологий, используемых в подобных пассажирских беспроводных устройствах.

Авиационная подсистема 3 также обеспечивает механизм управления предоставлением услуг для пассажирских беспроводных устройств, используемых в салоне самолета. Подобное управление включает в себя не только подключение для передачи пассажирского трафика, но также и доступность для каждого пассажира специальных авиационных наборов функций. Подобные функции включают в себя развлекательные услуги, предоставляемые во время полета, такие как мультимедийные презентации, а также услуги, относящиеся к пункту назначения, которые дополняют текущий план поездки пассажира, а также его запланированный график поездки предложением дополнительных услуг, доступных пассажиру в пункте предполагаемого назначения. Пассажирам, таким образом, предлагается возможность во время полета больше узнать об их поездке, как во время полета, так и после прибытия на место.

Пассажирское беспроводное устройство 101, используемое в самолете, может быть аналогично устройствам, используемым в наземных сотовых сетях/сетях персональной связи; однако, подобные пассажирские беспроводные устройства 101 предварительно регистрируются у перевозчика, обслуживающего самолет, и/или у пользователей имеется ПИН-код для аутентификации. Кроме этого, пассажирские беспроводные устройства 101 соединены при помощи антенны с внутрисалонными базовыми приемо-передающими станциями (BTS) 111-114, которые обычно являются точками доступа со встроенными функциями контроллера базовой станции/центра коммутации для мобильной связи (BSC/MSC). Модули BTS/BSC/MSC добавляются для каждой поддерживаемой технологии, используемой на борту самолета. Коммутатор/маршрутизатор 122 выступает в качестве моста (для аудиовизуальных данных/контента, а также в ограниченной степени, служебных сигналов) между авиационной подсистемой 3 и наземной сетью 1 доступа, поскольку коммутатор/маршрутизатор 122 посылает вызов в наземную сеть 1 доступа через сеть 2 «борт-земля» при помощи модема 123. Коммутатор/маршрутизатор 122 преобразует каналы передачи индивидуального трафика и служебных сигналов с базовых станций в/из поток(а) агрегированных данных и передает/принимает поток агрегированных данных через сеть 2 «борт-земля», обеспечивая непрерывное предоставление услуг во время перемещения самолета. Модем 123 включает в себя радиопередающее оборудование и антенные системы для связи с наземными приемопередатчиками в наземной части сети 2 «борт-земля». Индивидуальные каналы передачи трафика, выделенные для сети 2 «борт-земля», активируются по поддерживаемым запросам на передачу трафика с борта самолета.

Сеть «борт-земля»

Сеть 2 «борт-земля», показанная на фиг.1, несомненно, основана на беспроводной передаче данных (радиочастотной или оптической) между наземной подсистемой 1 и пассажирскими беспроводными устройствами, находящимися в самолете, при этом предпочтение отдается радиочастотному соединению. Подобное радиочастотное соединение имеет топологию сотовой сети, где для обеспечения географического охвата или зоны покрытия составной сети 2 «борт-земля» обычно используется более одной соты. Соединение «борт-земля» обеспечивает передачу, как пассажирского коммуникационного трафика, так и собственного сетевого трафика служебных сигналов. В предпочтительном варианте осуществления сеть 2 «борт-земля» осуществляет передачу всего трафика в/из самолета через единый агрегированный канал связи. Подобная «единая трубка» безусловно обладает преимуществами в плане управления передачей обслуживания с кратковременным прерыванием соединения или без прерывания (жесткая или мягкая передача обслуживания), по мере того как самолет перемещается от одной наземной соты к другой. Преимущество подобного подхода также заключается в использовании более современных, высокоскоростных беспроводных сотовых технологий.

Как вариант, в сети 2 «борт-земля» может использоваться беспроводное спутниковое соединение, в котором радиочастотные каналы связи устанавливаются между самолетом и спутником, а также между спутником и наземной системой 1, соответственно. Подобные спутники могут быть геостационарными (кажущиеся неподвижными относительно точки на земной поверхности) или движущимися, как, например, в случае средней околоземной орбиты (МЕО) или низкой околоземной орбиты (LEO). Примеры спутников включают в себя, но не ограничиваются: геостационарные спутники поддиапазона частот «Ки», спутники прямого вещания (спутники DBS), спутники системы Иридиум, системы Глобалстар, а также системы ИНМАРСАТ. Что касается специализированных спутников, подобных тем, которые используются в качестве спутников прямого вещания, то канал связи обычно является однонаправленным, то есть от спутника к принимающей платформе, в данном случае, к самолету. В подобной системе требуется канал связи, передающий данные однонаправленно от самолета, для обеспечения двусторонней связи. Подобный канал связи, по сути, может быть спутниковым или беспроводным наземным каналом, как это рассматривалось ранее. Наконец, другие средства обеспечения связи для самолетов включают в себя широкомасштабные каналы связи, такие как высокочастотная (ВЧ) радиосвязь, а также более экзотические системы, такие как архитектура тропосферной связи.

Сеть 2 «борт-земля» можно рассматривать в качестве трубы, по которой осуществляется передача пассажирского коммуникационного трафика, а также управляющей информации и информации о пакетах услуг между наземной подсистемой 1 и авиационной подсистемой 3. Сеть 2 «борт-земля» может быть реализована в виде единственного радиочастотного канала связи или нескольких радиочастотных каналов связи, при этот часть сигналов маршрутизируется через разные типы каналов связи, такие как канал связи «борт-земля» и спутниковый канал связи. Таким образом, реализация подобной системы обеспечивает значительную гибкость за счет использования различных компонентов и архитектурных концепций, раскрытых здесь, в различных комбинациях.

Наземная подсистема

Наземная подсистема 1 состоит из пограничного маршрутизатора 140, связывающего голосовой трафик сети 2 «борт-земля» с элементами традиционной сотовой коммуникационной сети, включая контроллер 141 базовой станции и сопряженный с ним центр 142 коммутации для мобильной связи с реестром роуминговых абонентов и реестром собственных абонентов для передачи голосового трафика в коммутируемую телефонную сеть 144 общего пользования, а также обеспечения иной подобной функциональности. Кроме этого, контроллер 141 базовой станции соединен с Интернет 147 через коммутируемую сеть 143 передачи данных общего пользования для завершения вызовов. Пограничный маршрутизатор 140 также обеспечивает передачу трафика с данными в Интернет 147 и коммутируемую телефонную сеть 144 общего пользования через сервер 146 передачи речи по IP-протоколу, а также иную подобную функциональность. К ней относятся сервер аутентификации, операционные подсистемы, сервер прослушивания разговоров в соответствии с Законом о помощи телекоммуникационных компаний правоохранительным органам (CALEA), а также серверы 145 BSS.

Таким образом, связь между пассажирскими беспроводными устройствами 101, находящимися на борту самолета, и наземной подсистемой 1 наземной коммуникационной сети проходит через авиационную подсистему 3 и сеть 2 «борт-земля» на наземные контроллеры 141 базовой станции авиационной сотовой сети связи. Расширенная функциональность, описанная ниже и обеспечиваемая авиационной подсистемой 3, сетью 2 «борт-земля» и наземными контроллерами 141 базовой станции делает предоставление услуг для пассажирских беспроводных устройств 101, находящихся на борту самолета, прозрачным для владельцев этих устройств. Сеть радиодоступа (RAN) поддерживает связь с несколькими самолетами и может использовать единый всенаправленный сигнал, либо может использовать многочисленные пространственные сектора, которые могут определяться по азимуту и/или углам возвышения. Авиационные сети передают обслуживание двухточечных каналов связи между сетями радиодоступа (RAN), находящимися в разных местах (различными наземными подсистемами 1), для непрерывного предоставления услуг в сети 2 «борт-земля». Передачи обслуживания могут быть мягкими или жесткими (с кратковременным прерыванием соединения), либо могут быть комбинацией из жестких и мягких передач на каналах связи «борт-земля» и «земля-борт».

Центр коммутации для мобильной связи (MSC) обеспечивает мобильность управления для всех авиационных систем и обеспечивает управление передачами обслуживания между наземными станциями по мере перемещения авиационной системы между зонами обслуживания сопредельных наземных подсистем 1. Контроллер базовой станции (BSC) выступает в качестве интерфейса для всего трафика, идущего на/от базовых приемо-передающих подсистем (BTS). Обслуживающий узел пакетных данных (PDSN) управляет выделением ресурсов для каждой из базовых приемо-передающих подсистем (BTS) авиационных подсистем в пределах их соответствующих зон обслуживания.

Типичная бортовая сеть самолета

На фиг.2 изображена архитектура типичной бортовой сети самолета для пассажирских беспроводных устройств на примере многоместного пассажирского самолета 200. Подобная система состоит из множества элементов, используемых для создания коммуникационной магистрали, которая используется для обеспечения беспроводной связи для множества беспроводных устройств связи различного типа. Бортовая сеть самолета для пассажирских беспроводных устройств содержит локальную сеть 206, которая включает в себя радиочастотную систему 201 связи, использующую широкополосную модель и имеющую короткий радиус действия. Данная локальная сеть 206 поддерживает соединения с пассажирскими беспроводными устройствами 221-224 как с коммутацией каналов, так и с пакетной коммутацией и обеспечивает связь подобных пассажирских беспроводных устройств 221-224 через шлюзовое приемо-передающее устройство или устройства 210 в коммутируемую телефонную сеть 144 общего пользования (PSTN), а также в другие пункты назначения, такие как Интернет 147 или коммутируемую сеть передачи данных общего пользования (PDSN). Таким образом, у пассажиров, пользующихся услугами беспроводной связи, остается их обычный номер, как если бы они были непосредственно подключены к коммутируемой телефонной сети 144 общего пользования. Пассажирские беспроводные устройства 221-224 включают в себя множество устройств связи, таких как ноутбуки 221, мобильные телефоны 222, МР3 плееры (не показаны), карманные персональные компьютеры (КПК) (не показаны), устройства 223 WiFi, устройства 224 WiMax и т.п., которые, для простоты описания, именуются здесь как «пассажирские беспроводные устройства», вне зависимости от их конкретных особенностей.

Основные элементы бортовой сети самолета для пассажирских беспроводных устройств содержат, по меньшей мере, одну антенну 205 или средства передачи электромагнитной энергии в/из авиационной подсистемы 3, находящейся в самолете 200, которая используется для связи с множеством пассажирских беспроводных устройств 221-224, находящихся на борту самолета 200. По меньшей мере, одна антенна 205 соединена с беспроводным контроллером 201, состоящим из множества элементов, предназначенных для регулирования беспроводной связи с множеством пассажирских беспроводных устройств 221 -224. Беспроводной контроллер 201 включает в себя, по меньшей мере, одно маломощное радиочастотное передающее устройство 202 для обеспечения передачи данных с коммутацией каналов, использующее беспроводную коммуникационную модель, такую, например, как персональная связь, CDMA или GSM. Кроме этого, беспроводной контроллер 201 включает в себя маломощное радиопередающее устройство 203 для обеспечения передачи данных с пакетной коммутацией, использующее беспроводную коммуникационную модель, такую как WiFi (которое также способно передавать речь по интернет-протоколу с пакетной коммутацией).

Наконец, беспроводной контроллер 201 включает в себя сегмент 204 управления мощностью, предназначенный для регулирования выходной мощности множества пассажирских беспроводных устройств. Он также используется, за счет создания радиочастотных помех или радиоэлектронного подавления, для предотвращения прямого или хаотичного доступа пассажирских беспроводных устройств к наземной сети во время их нахождения в авиационном режиме. Сверхмаломощные уровни передачи в авиационном режиме обеспечиваются элементом 204 управления мощностью беспроводного контроллера 201 бортовой сети самолета для пассажирских беспроводных устройств, который регулирует мощность выходных сигналов, создаваемых пассажирскими беспроводными устройствами 221-224, сводя к минимуму вероятность приема сотового сигнала наземными базовыми станциями или наземными пассажирскими беспроводными устройствами.

Очевидно, что вышеупомянутые элементы беспроводного контроллера 201 могут быть объединены или разъединены различными способами для создания варианта осуществления, отличного от раскрытого здесь. Конкретный описанный вариант осуществления выбран для иллюстрации концепции изобретения и не преследует цель ограничить применяемость данной концепции в других вариантах осуществления.

Беспроводной контроллер 201 соединен через локальную сеть 206 с множеством других компонентов, используемых для обслуживания пассажирских беспроводных устройств 221-224. Подобные другие компоненты могут включать в себя интерфейс 209 самолета для обеспечения функций управления, коммутации, маршрутизации и агрегации для передачи данных пассажирскими беспроводными устройствами. Устройство 207 сбора данных служит для сопряжения с множеством датчиков 211-214 летной системы, а устройство 216 глобальной системы позиционирования - для сбора данных от множества источников, описанных ниже. Кроме этого, устройства связи экипажа, такие как дисплей 217 и гарнитура 218 соединены с подобной локальной сетью 206 либо через проводное, либо через беспроводное соединение.

Наконец, шлюзовой приемопередатчик(и) 210 используется для соединения интерфейса 209 самолета с антенной 215 для обеспечения передачи сигналов из бортовой сети самолета для пассажирских беспроводных устройств на приемопередатчики, находящиеся на земле. Подобные компоненты обладают функцией маршрутизации для направления сигналов связи в соответствующие пункты назначения. Таким образом, сигналы, предназначенные для пассажиров находящихся на борту самолета, маршрутизируются подобным лицам, тогда как сигналы, маршрутизируемые для пассажиров, находящихся, например, на земле, маршрутизируются в наземную подсистему. При реализации антенны(антенн) 215 самолета, обслуживающей бортовую сеть самолета для пассажирских беспроводных устройств, могут использоваться диаграммы направленности самолетных антенн, которые обычно сводят к минимуму эффективную излучаемую мощность (ERP) в надир (в направлении Земли).

Регистрация пассажира для доступа в систему

В каждом самолете доступ пассажиров к электронной системе связи обычно осуществляется путем процесса регистрации пассажирских беспроводных устройств, во время которого каждое электронное устройство должно быть идентифицировано, аутентифицировано и авторизовано для получения услуг. Поскольку самолет является замкнутой средой с точки зрения беспроводной передачи данных между пассажирскими беспроводными устройствами и авиационной беспроводной сетью, существующей в самолете, вся связь регулируется сетевым контроллером. Поэтому когда пассажир включают свое пассажирское беспроводное устройство, между пассажирским беспроводным устройством и сетевым контроллером начинается сеанс связи с целью определения типа устройства, используемого пассажиром, и соответственно его беспроводного протокола. На пассажирское беспроводное устройство передается экран-заставка, информирующая о входе на портал беспроводной сети. После этого сетевой контроллер передает на пассажирское беспроводное устройство серию экранов входа в систему для того, чтобы пассажир мог себя идентифицировать и подтвердить свою личность (если пассажирское беспроводное устройство не способно выполнять эти задачи автоматически через смарт-клиента, который автоматически регистрирует пассажира в сети). В результате этого процесса пассажирское беспроводное устройство получает уникальную электронную идентификацию (IP-адрес), а сеть может отвечать пассажирскому беспроводному устройству без дополнительных административных формальностей. Процесс аутентификации может включать в себя проверку безопасности, например пароля, неизменных особенностей пассажира (отпечатков пальцев, сканирование радужной оболочки глаз и т.д.) и т.п.

После регистрации пассажирского беспроводного устройства в системе пассажир может пользоваться бесплатными стандартными электронными услугами, доступными в сети, или электронными услугами, индивидуализированными для конкретного пассажира. Экраны, выводимые для пассажира, могут настраиваться для отображения названия авиакомпании, на самолете которой летит пассажир.

Архитектура мобильной беспроводной сети

Для простоты восприятия следующий пример основан на использовании модели сотовой сети CDMA2000 EVDO. Однако описываемые здесь концепции не ограничены подобным вариантом осуществления, предполагается, что могут быть созданы и другие варианты осуществления на основе других сетевых архитектур и вариантов осуществления. Таким образом, на фиг.3А и 3В изображена, в виде блок-схемы, архитектура обычной сотовой сети EVDO соответственно для передачи только IP данных и передачи IP данных и голосовых данных, которые приведены для пояснения архитектуры и принципа действия настоящей системы IP-туннеля «борт-земля» на воздушном судне. CDMA2000 является гибридной технологией 2.5G/3G мобильной связи, использующей CDMA (множественный доступ с разделением кодов) для передачи цифровых радиосигналов, голоса, данных, а также данных служебных сигналов между пассажирскими беспроводными устройствами и базовыми станциями. Архитектура и функционирование сотовой сети CDMA2000 осуществляется в соответствии со стандартом Проекта партнерства третьего поколения 2 (3GPP2). В сотовой сети CDMA2000 поддерживаются две технологии сетей радиодоступа: 1xRTT и EV-DO (эволюционировавшая оптимизированная передача данных), при этом если используется сеть доступа EV-DO, то CDMA2000 считается технологией третьего поколения (3G).

Сотовая сеть CDMA2000 (также именуемая здесь «сеть доступа») состоит из трех основных частей: базовой сети (CN), сети радиодоступа (RAN) и пассажирского беспроводного устройства (MS). Базовая сеть (CN) дополнительно подразделяется на две части, одна граничит с внешними сетями, такими как коммутируемая телефонная сеть общего пользования (PSTN), а другая граничит с сетями на основе IP протоколов, таких как Интернет 311 и/или частными сетями 312 передачи данных. Пассажирское беспроводное устройство MS находится на конце трассы радиосвязи со стороны пользователя сотовой сети и разрешает абонентам пользоваться услугами сети доступа через интерфейс Um, реализованный для соединения пассажирского беспроводного устройства (MS) с сетью 300 доступа.

На фиг.3А изображены несколько ключевых компонентов сети 300 доступа для передачи только IP данных, в частности:

базовая приемо-передающая система (BTS): устройство, обеспечивающее передачу через базовую точку Um. Базовая приемо-передающая система (BTS) состоит из радиоустройств, антенны и оборудования;

контроллер базовой станции (BSC): устройство, обеспечивающее контроль и управление одной или несколькими базовыми приемо-передающими системами (BTS); и

функция управления пакетами (PCF): устройство, обеспечивающее функцию интерфейса с сетью с пакетной коммутацией (Интернет 311 и/или ведомственной сетью 312).

Пассажирское беспроводное устройство (MS) функционирует в качестве мобильного IP клиента. Пассажирское беспроводное устройство (MS) взаимодействует с сетью 300 доступа для получения соответствующих радиоресурсов для пакетного обмена и отслеживает состояние радиоресурсов (например, активном, в режиме ожидания, неактивном). Пассажирское беспроводное устройство (MS) принимает буферные пакеты от базовой приемо-передающей системы (BTS), если радиоресурсы отсутствуют или недостаточны для поддержки потока передачи в сеть 300 доступа. При включении пассажирское беспроводное устройство (MS) автоматически регистрируется в реестре собственных абонентов (HLR) центра коммутации для мобильной связи (MSC) для того, чтобы:

аутентифицировать пассажирское беспроводное устройство (MS) перед использованием в среде сети, к которой осуществляется доступ;

сообщить реестру собственных абонентов (HLR) местонахождение пассажирского беспроводного устройства и

сообщить обслуживающему центру коммутации для мобильной связи (MSC) о наборе функций, разрешенных пассажирскому беспроводному устройству.

После успешной регистрации в реестре собственных абонентов (HLR) пассажирское беспроводное устройство (MS) готово к передаче голосовых сообщений и данных. Они могут передаваться в любом из двух видов, по коммутируемому каналу (CSD) или с пакетной коммутацией (PSD), в зависимости от совместимости (или несовместимости) пассажирского беспроводного устройства со стандартом IS-2000.

Пассажирские беспроводные устройства должны быть совместимы со стандартами IS-2000 для того, чтобы начать сеанс передачи данных с использованием сети 300 доступа. Пассажирские беспроводные устройства, совместимые лишь со стандартом IS-95, ограничены данными, передаваемыми по коммутируемому каналу через коммутируемую телефонную сеть общего пользования (PSTN), тогда как терминалы, совместимые с IS-2000, способны выбирать между передачей данных с пакетной коммутацией и передачей данных по коммутируемому каналу. Параметры, передаваемые пассажирскими беспроводными устройствами (MS) по воздушному каналу (AL) в сеть 300 доступа, определяют тип запрашиваемых услуг. Для каждого сеанса связи между пассажирским беспроводным устройством (MS) и обслуживающим узлом пакетных данных (PDSN) создается сеанс двухточечного протокола (РРР). Присвоение IP адресов каждому пассажирскому беспроводному устройству может осуществляться либо обслуживающим узлом пакетных данных (PDSN), либо сервером динамического выбора конфигурации хост-машины (DHCP) через домашнего агента (НА).

Сеть радиодоступа (RAN)

Сеть радиодоступа (RAN) является начальной точкой для пассажирских беспроводных устройств при передаче либо данных, либо голосового контента. Она состоит из:

воздушного канала (AL);

вышки базовой станции/антенны и кабельного соединения с базовой приемо-передающей подсистемой (BTS);

базовой приемо-передающей подсистемы (BTS);

коммуникационной трассы от базовой приемо-передающей подсистемы к контроллеру базовой станции (BSC);

контроллера базовой станции (BSC); а также

функции управления пакетной передачей (PCF).

Сеть радиодоступа (RAN) выполняет ряд задач, которые влияют, в частности, на способность сети предоставлять услуги пакетной передачи данных. Сеть радиодоступа (RAN) должна преобразовывать идентификационные данные мобильного клиента в уникальный идентификатор канального уровня, используемый при связи с обслуживающим узлом пакетных данных (PDSN), подтвердить для пассажирского беспроводного устройства получение доступа к услугам и поддерживать установленные каналы передачи.

Базовая приемо-передающая подсистема (BTS) управляет работой воздушного канала (AL) и выступает в качестве интерфейса между сетью 300 доступа и пассажирским беспроводным устройством (MS). Радиочастотные ресурсы, такие как присвоение частот, разделение секторов и управление мощностью передачи управляются базовой приемо-передающей подсистемой (BTS). Кроме этого, базовая приемо-передающая подсистема (BTS) управляет обратным каналом от соты до контроллера базовой станции (BSC) для сведения к минимуму любых задержек между этими двумя элементами.

Контроллер базовой станции (BSC) маршрутизирует сообщения с голосовыми данными и сообщения с данными, передаваемые по коммутируемому каналу между сотами и центром коммутации для мобильной связи (MSC). Он также отвечает за управление мобильностью; он контролирует и осуществляет передачу обслуживания от одной базовой станции к другой по мере необходимости.

Функция управления пакетной передачей (PCF) маршрутизирует данные из IP пакетов между мобильным устройством (MS), находящимся в зоне действия базовой станции, и обслуживающим узлом пакетных данных (PDSN). Во время сеансов пакетной передачи, она выделяет, по мере необходимости, имеющиеся дополнительные каналы для предоставления услуг, запрашиваемых пассажирскими беспроводными устройствами (MS) и оплачиваемых их абонентами.

Обслуживающий узел пакетных данных (PDSN)

Обслуживающий узел пакетных данных (PDSN) является шлюзом из сети радиодоступа (RAN) в общие и/или частные сети с пакетной коммутацией. В простой IP сети обслуживающий узел пакетных данных (PDSN) выступает в качестве автономного сервера сетевого доступа (NAS), тогда как в мобильной IP сети он может быть сконфигурирован в качестве домашнего агента (НА) или внешнего агента (FA). Обслуживающий узел пакетных данных (PDSN) выполняет следующие задачи:

управление радиопакетным интерфейсом между базовой приемо-передающей подсистемой (BTS), контроллером базовой станции (BSC) и IP сетью путем установления, поддержания и завершения канального уровня с мобильным клиентом;

завершение сеанса с использованием двухточечного протокола (РРР), инициированного абонентом;

предоставление абоненту IP адреса (либо из внутреннего пула, либо через сервер протокола динамического выбора конфигурации хост-машины (DHCP), либо через сервер аутентификации, авторизации и учета (AAA));

осуществление пакетной маршрутизации во внешние сети с пакетными данными или пакетной маршрутизации домашнему агенту (НА), которая, как вариант, может осуществляться через защищенные туннели;

сбор и пересылка пакетных данных выставления счетов;

активное управление услугами абонента на основе информации о профиле, получаемой от сервера SCS сервера аутентификации, авторизации и учета (AAA); и

локальная аутентификация пользователей или пересылка аутентификационных запросов на сервер аутентификации, авторизации и учета (AAA).

Сервер аутентификации, авторизации и учета

Сервер аутентификации, авторизации и учета (AAA) используется для аутентификации и авторизации абонентов перед предоставлением им доступа в сеть, а также ведения статистики по работе абонентов для выставления счетов.

Домашний агент

Домашний агент (НА) обеспечивает незаметно для абонента роуминг данных в других сетях, поддерживающих технологию 1xRTT. Домашний агент (НА) предоставляет опорный IP адрес для мобильного телефона и пересылает весь трафик, поступающий на мобильный телефон, в соответствующую сеть для передачи на трубку. Он также ведет регистрацию пользователей, перенаправляет пакеты на обслуживающий узел пакетных данных (PDSN) и (как опция) обеспечивает защищенное туннелирование на обслуживающий узел пакетных данных (PDSN). Наконец, домашний агент (НА) поддерживает динамическое выделение пользователей с сервера аутентификации, авторизации и учета (AAA) и (также как опции) присваивает динамические домашние адреса.

Традиционное установление единственного вызова в сети доступа CDMA2000

Ниже описан сценарий успешного установления вызова единственным пассажирским беспроводным устройством, соединяющимся с сетью доступа CDMA2000. Следует отметить, что в данном объяснении не рассматриваются действия базовой приемо-передающей подсистемы (BTS) по приему/передаче радиосигналов, вместо этого внимание сосредоточено на функциях протоколов, выполняемых после начала диалога между пассажирским беспроводным устройством (MS) и контроллером базовой станции (BSC):

1. Для регистрации услуг по передаче пакетных данных пассажирское беспроводное устройство (MS) направляет по каналу доступа инициализирующее сообщение на подсистему базовой станции (BSS).

2. Подсистема базовой станции (BSS) подтверждает получение инициализирующего сообщения и направляет беспроводному устройству (MS) подтверждение базовой станции.

3. Подсистема базовой станции (BSS) формирует сообщение с запросом обслуживания управления соединением и отправляет сообщение в центр коммутации для мобильной связи (MSC).

4. Центр коммутации для мобильной связи отправляет на подсистему базовой станции (BSS) запрос на выделение радиоресурсов. При сеансе пакетной передачи данных между центром коммутации для мобильной связи (MSC) и подсистемой базовой станции (BSS) наземные каналы не выделяются.

5. Подсистема базовой станции (BSS) и пассажирское беспроводное устройство (MS) выполняют процедуру настройки радиоресурсов. Функция управления пакетной передачей (PCF) видит, что у данного пассажирского устройства (MS) отсутствует соединение А10 и выбирает для этого сеанса передачи данных обслуживающий узел пакетных данных (PDSN). Соединение А10 - это термин, введенный органами стандартизации, он относится к интерфейсу между контроллером базовой станции (BSC) и обслуживающим узлом пакетных данных (PDSN), при этом А10 относится к IP данным пользователя, обмен которыми осуществляется между контроллером базовой станции (BSC) и обслуживающим узлом пакетных данных (PDSN).

6. Функция управления пакетной передачей (PCF) направляет запрос на регистрацию A11 на выбранный обслуживающий узел пакетных данных (PDSN).

7. Запрос на регистрацию А11 подтверждается, и обслуживающий узел пакетных данных (PDSN) принимает соединение, отправляя ответное сообщение на запрос на регистрацию А11. Обслуживающий узел пакетных данных (PDSN) и функция управления пакетной передачей (PCF) создают связующую запись для соединения А10. Термин A11 относится к обмену служебными сигналами между контроллером базовой станции (BSC) и обслуживающим узлом пакетных данных (PDSN).

8. После того как и радиоканал и соединение А10 установлены, подсистема базовой станции (BSS) направляет сообщение о завершении присвоения в центр коммутации для мобильной связи (MSC).

9. Мобильный телефон и обслуживающий узел пакетных данных (PDSN) устанавливают соединение канального уровня (РРР), а затем осуществляют процедуру регистрации мобильного межсетевого интернет-протокола через соединение канального уровня (РРР).

10. После завершения регистрации мобильного интернет-протокола мобильный телефон может отправлять/получать данные через фреймы (GRE) соединения А10.

11. Функция управления пакетной передачей (PCF) периодически направляет сообщения с запросом на регистрацию АН с целью обновления регистрации для соединения А10.

12. Для подтвержденного запроса АН на регистрацию обслуживающий узел пакетных данных (PDSN) возвращает сообщение с ответом о регистрации АН. Обслуживающий узел пакетных данных (PDSN) и функция управления пакетной передачей (PCF) обновляют связующую запись для соединения А10.

Для осуществления голосового вызова с коммутацией каналов требуются дополнительные элементы, показанные на фиг.3В. В частности, голосовые данные с пакетной коммутацией, полученные от пассажирского беспроводного устройства (MS), передаются с обслуживающего узла пакетных данных (PDSN) на медиа-шлюз (MGW), где они преобразуются в голосовые данные с коммутацией каналов и отправляются в коммутируемую телефонную сеть общего пользования (PTSN). Кроме этого, происходит обмен данными для установления вызова по протоколу инициирования сеанса (SIP) с прокси-сервером для формирования протокола передачи служебных сигналов и установления вызова для IP связи, способного поддерживать расширенный набор функций по обработке вызова и функций, предлагаемых коммутируемой телефонной сетью общего пользования (PTSN). Функция управления медиа-шлюзом (MGCF) и сигнальный шлюз (SGW) реализуют функции обработки вызовов, имеющиеся в ОКС-7 (SS7).

Как видно из представленного выше описания, сеть 300 доступа построена вокруг пассажирских беспроводных устройств в том смысле, что предполагается, что для каждого пассажирского беспроводного устройства устанавливается радиочастотное соединение по индивидуальному воздушному каналу (AL) с локальной базовой приемо-передающей подсистемой (BTS). Подобная архитектура не предполагает обслуживание: множества пассажирских беспроводных устройств, находящихся в определенном; месте (в самолете, на корабле, в поезде и т.д.), с использованием широкополосного канала связи, при этом широкополосный канал оканчивается у границы сети 300 доступа. Трудность в использовании широкополосного канала заключается в том, что обслуживающий узел пакетных данных (PDSN) выделяет для широкополосного канала в рамках протокола двухточечной связи (РРР) единственный IP адрес, а пассажирские беспроводные устройства на дистальном конце широкополосного канала не идентифицируются обслуживающим узлом пакетных данных (PDSN) и, поэтому, не могут получать индивидуальные услуги.

Индивидуальные IP адреса для пассажирских беспроводных устройств, находящихся на борту самолета

Для передачи трафика из наземной сети доступа на пассажирское беспроводное устройство, находящееся на борту самолета, обслуживающий узел пакетных данных (PDSN) устанавливает соответствие между IP адресом назначения пакета и модемом «борт-земля», находящимися на борту самолета. Однако стандартный обслуживающий узел пакетных данных (PDSN) поддерживает лишь несколько IP адресов для одного модема «борт-земля», и IP адресов для всех пассажирских беспроводных устройств, находящихся на борту самолета, не хватает. Система преобразования сетевых адресов (NAT) на борту самолета позволяет обслуживающему узлу пакетных данных (PDSN) маршрутизировать передачу данных для множества пользователей, используя единственный адрес для самолета, однако при этом система преобразования сетевых адресов (NAT) скрывает адреса пользователей от обслуживающего узла пакетных данных (PDSN), а также от центра управления сетью (NOC), находящегося на земле. Это затрудняет/не позволяет реализовать следующие функции в сети доступа:

1. Формирование полосы пропускания для конкретного пользователя (например, ограничение однорангового трафика).

2. Передачу управления доступом для конкретного пользователя.

3. Оптимизацию протокола управления передачей (TCP).

4. Соблюдение CALEA.

Пункт №4 (CALEA) расшифровывается как Закон о помощи телекоммуникационных компаний правоохранительным органам (CALEA), этот закон США о прослушивании разговоров был принят в 1994 году. CALEA был призван обеспечить возможность для правоохранительных органов осуществлять электронное наблюдение и требовал, чтобы все телекоммуникационные компании, а также производители телекоммуникационного оборудования модифицировали и разрабатывали свое оборудование, мощности и услуги таким образом, чтобы правоохранительные органы имели необходимые возможности для наблюдения за гражданами. Частные компании-владельцы сетей связи, Интернет-провайдеры широкополосного доступа, а также провайдеры IP телефонии - все три типа компаний в соответствии с пунктом 102 CALEA рассматриваются в качестве «телекоммуникационных компаний». Закон обязывает телефонные компании предоставлять правоохранительным органам возможность осуществлять прослушивание любых телефонных разговоров, ведущихся по их сетям, а также предоставлять детализацию разговоров. Законом также предусмотрено, что лица, которых прослушивают, не должны замечать, что за его или ее разговором наблюдают соответствующие государственные структуры.

Таким образом, сеть доступа должна быть способна различать потоки данных, принимаемых и передаваемых через модем(ы) «борт-земля» на индивидуальные пассажирские беспроводные устройства, находящиеся на борту самолета. Это можно осуществить, сделав IP адреса пользователей видимыми для наземных сетей доступа, что в свою очередь предполагает, чтобы IP адреса, присваиваемые пассажирским беспроводным устройствам, были глобально уникальными внутри авиационной беспроводной сотовой сети. Для этого идентификатор самолета может быть сделан частью «подсети» IP адреса, присваиваемого через протокол динамического выбора конфигурации хост-машины (DHCP), данный протокол используется сетевыми устройствами (клиентами) для получения различных параметров, необходимых клиентам для работы в сети с интернет-протоколом (IP). Благодаря использованию подобного протокола объем работы по системному администрированию существенно сокращается, а устройства могут добавляться в сеть с минимальным ручным конфигурированием или вообще без такового. Это значительно упрощает отображение центром управления сетью (NOC) IP адреса пользователя для самолета.

Когда клиент (например, модем «борт-земля» самолетного базирования), сконфигурированный с помощью протокола динамического выбора конфигурации хост-машины (DHCP), соединяется с сетью, его клиент протокола динамического выбора конфигурации хост-машины (DHCP) направляет широковещательный запрос, запрашивающий необходимую информацию у обслуживающего сервера, использующего протокол динамического выбора конфигурации хост-машины (DHCP). Сервер протокола динамического выбора конфигурации хост-машины (DHCP) управляет пулом IP адресов и информацией о параметрах конфигурации клиентов, таких как шлюз, используемый по умолчанию, доменное имя, сервера DNS, других услугах, например серверу времени и т.п. Протокол динамического выбора конфигурации хост-машины (DHCP) обеспечивает механизм выделения IP адресов, тогда как центр управления сетью (NOC) выделяет диапазон IP адресов для сервера протокола динамического выбора конфигурации хост-машины (DHCP), находящегося на борту самолета. Процесс запроса и предоставления подобного протокола использует концепцию лизинга на определенный промежуток времени, что позволяет серверу протокола динамического выбора конфигурации хост-машины (DHCP) отзывать (а затем снова выделять) IP адреса, которые не были продлены (динамическое перераспределение IP адресов).

Настоящая система создания IР-туннеля «борт-земля» на воздушном судне имеет три варианта осуществления:

1. IP туннель уровня

2. IP туннель уровня

3. IP туннель системы преобразования сетевых адресов (NAT)

На фиг.4 изображена, в виде блок-схемы, архитектура системы IP туннеля «борт-земля» для самолета с использованием IP туннеля 2 уровня, на фиг.5 изображена, в виде блок-схемы, архитектура системы IP туннеля «борт-земля» для самолета с использованием IP туннеля 3 уровня, и на фиг.6 изображена, в виде блок-схемы, архитектура системы IP туннеля «борт-земля» для самолета с использованием IP туннеля системы преобразования сетевых адресов (NAT). Описание подобных вариантов осуществления представлено ниже.

Подобный подход не меняет управляющий протокол семейства IP (IPCP) или другие протоколы/сообщения EVDO. Преимущество от использования большего числа IP адресов заключается в том, что авиационная сеть может присваивать уникальный IP адрес каждому пассажирскому беспроводному устройству (MS) и делать его непосредственно видимым для наземной сети доступа и сопряженных с ней систем. Способ назначения множественных IP адресов для каждого канала связи «борт-земля» также предусматривает использование обслуживающего узла пакетных данных (PDSN).

IP туннель уровня 2

На фиг.4 изображена, в виде блок-схемы, архитектура системы создания IP-туннеля «борт-земля» на воздушном судне с использованием IР-туннеля уровня 2. В компьютерных сетях протокол туннелирования уровня 2 (L2TP) - это протокол туннелирования, используемый для поддержки виртуальных частных сетей (VPN). Протокол туннелирования уровня 2 (L2TP) функционирует аналогично протоколу уровня канала связи (уровень 2 OSI модели) для туннелирования сетевого трафика между двумя равноправными узлами связи в существующей сети (обычно Интернет). Протокол туннелирования уровня 2 (L2TP) на самом деле является протоколом сеансового уровня 5, а весь пакет с протоколом туннелирования уровня 2 (L2TP), включая полезные данные и заголовок протокола туннелирования уровня 2 (L2TP), отправляется внутри дейтаграммы UDP. В туннеле с протоколом туннелирования уровня 2 обычно осуществляются сеансы двухточечной (РРР) связи.

Две конечные точки туннеля с протоколом туннелирования уровня 2 называются концентратором доступа L2TP (LAC) и сетевым сервером L2TP (LNS). Концентратор доступа L2TP (LAC) инициализирует туннель, тогда как сетевой сервер L2TP (LNS) является сервером, который ожидает новых туннелей. После создания IP туннеля сетевой трафик между равноправными узлами сети становится двунаправленным. Для того чтобы их можно было использовать в сети, протоколы верхнего уровня исполняются через туннель с протоколом туннелирования уровня 2 (L2TP). Для упрощения этой задачи, сеанс (или вызов) протокола туннелирования уровня 2 создается внутри туннеля для каждого из протоколов верхнего уровня, таких как двухточечный протокол (РРР). Сеансы могут инициализироваться либо концентратором доступа L2TP (LAC), либо сетевым сервером L2TP (LNS). Поскольку трафик для каждого сеанса изолируется протоколом туннелирования уровня 2 (L2TP), в одном туннеле можно создавать множество виртуальных сетей. Пакеты, обмен которыми происходит в туннеле протокола туннелирования уровня 2 (L2TP), подразделяются на управляющие пакеты и пакеты данных. Протокол туннелирования уровня 2 (L2TP) обеспечивает надежную передачу управляющих пакетов, но не обеспечивает надежной передачи пакетов данных. Надежность передачи, при необходимости, должна обеспечиваться за счет использования вложенных протоколов, используемых в каждом сеансе туннеля с протоколом туннелирования уровня 2 (L2TP).

Если обслуживающий узел пакетных данных (PDSN) выступает в качестве концентратора доступа L2TP (LAC), поскольку подобная функциональность поддерживается обслуживающим узлом пакетных данных (PDSN), то новый узел (включенный модем «борт-земля») может выступать в качестве сетевого сервера L2TP (LNS). Сеть самолета и наземная сеть, по существу, устанавливают виртуальную частную сеть (VPN) на уровне маршрутизаторов, в которой IP адрес для конечной точки двухточечного протокола (РРР) на самолете будет статическим. При помощи подобной модели можно создавать множественные потоки, в каждом из которых имеется туннель с протоколом туннелирования уровня 2 (L2TP). В этом случае обслуживающий узел пакетных данных (PDSN) может создавать 3 различных туннеля/потока:

с низким приоритетом - пассажирские данные (максимально возможный режим);

со средним приоритетом - Центр управления сетью/Эксплуатация, администрирование и управление;

и с высоким приоритетом - экипаж/диспетчер управления файлами и пассажирские речевые данные по IP-протоколу.

Кроме этого, помимо канала связи «борт-земля», который является туннелем между обслуживающим узлом пакетных данных (PDSN), выступающим в качестве концентратора доступа L2TP (LAC), и модемом «борт-земля» в самолете, выступающим в качестве сетевого сервера L2TP (LNS), дополнительное туннелирование (полосы пропускания) не используется.

Таким образом, как показано на фиг.4, сетевой сервер L2TP (LNS) и концентратор доступа L2TP (LAC) реализованы в сети доступа перед пограничным маршрутизатором, который используется для преобразования сетевых адресов (NAT). Сетевой сервер L2TP (LNS) выступает в качестве маршрутизатора данных, передаваемых в авиационную сеть и из сети, а промежуточный концентратор доступа L2TP (LAC) игнорирует индивидуальные IP адреса пассажирских беспроводных устройств, поскольку пунктом назначения для пакетов с сетевого сервера L2TP (LNS) является модем «борт-земля», который имеет адрес IPx.1. После создания IP туннеля уровня 2 концентратор доступа L2TP (LAC) туннелирует все пакеты и игнорирует множество IP адресов, ассоциированных с множеством пассажирских беспроводных устройств, находящихся в самолете. Пакеты принимаются модемом «борт-земля» (IPx.1) и передаются на маршрутизатор (1Рх.2) в самолете, который знает, как доставлять пакеты на и от множества пассажирских беспроводных устройств, имеющих IP адреса IРх.* Пассажирским беспроводным устройствам присваиваются IP адреса IРу.*, которые являются индивидуальными, глобально уникальными, динамическими IP адресами для пассажирских беспроводных устройств, находящихся в конкретном самолете. Различным узлам на самолете, таким как маршрутизатор и модем «борт-земля», присваиваются IP адреса в диапазоне IРх.*, где IPx.* IP адреса являются индивидуальными, глобально уникальными, статическими IP адресами.

IP туннель уровня 3

На фиг.5 изображена, в виде блок-схемы, архитектура системы создания IP-туннеля «борт-земля» на воздушном судне с использованием IP-туннеля уровня 3. Это расширение IP туннеля уровня 3, при этом пакеты в туннеле передаются на уровне 3 (IP) протокола по каналу связи «борт-земля». Одна из сторон туннеля оканчивается непосредственно перед модемом «борт-земля», находящимся на борту самолета, а преобразования сетевых адресов (NAT) в самолете не требуется. Другой конец IP туннеля оканчивается непосредственно после обслуживающего узла пакетных данных (PDSN), находящегося на земле. Подобная конфигурация позволяет создавать три туннеля на разных потоках данных:

с низким приоритетом - пассажирские данные (максимально возможный режим);

со средним приоритетом - Центр управления сетью/Эксплуатация, администрирование и управление; и

с высоким приоритетом - экипаж/диспетчер управления файлами и пассажирские речевые данные по IP-протоколу.

Как показано на фиг.5, пассажирским беспроводным устройствам присваиваются IP адреса IРу.*, которые являются индивидуальными, глобально уникальными, динамическими IP адресами для пассажирских беспроводных устройств, находящихся в конкретном самолете. Различным узлам на самолете, таким как маршрутизатор и модем «борт-земля», присваиваются IP адреса в диапазоне IРх.*, где IPx.* IP адреса являются индивидуальными, локально уникальными, статическими IP адресами. Маршрутизатор является конечной точкой туннеля уровня 3 в самолете, идентифицируется IP адресом IPw.* и инкапсулирует каждый пакет, передаваемый на землю, в новый IP пакет с адресом IPx.* в качестве исходного адреса. IP адреса IPw.* являются индивидуальными, глобально уникальными, статическими IP адресами, которые присваиваются обслуживающим узлом пакетных данных (PDSN). Адрес пункта назначения является конечной точкой туннеля уровня 3, находящейся на земле. Обслуживающий узел пакетных данных (PDSN) видит только единственный IP адрес у каждого самолета, как и ожидается. Конечная точка туннеля уровня 3 на земле удаляет заголовок внешнего IP/туннеля из принимаемых пакетов и восстанавливает исходные адреса IРу.*.

IP туннель с использованием системы преобразования сетевых адресов (NAT)

На фиг.6 изображена, в виде блок-схемы, архитектура системы создания IP-туннеля «борт-земля» на воздушном судне с использованием IP-туннеля NAT. В компьютерных сетях преобразование сетевых адресов (NAT, так же известная как маскировка сетевых адресов, преобразование собственных адресов или маскировка IP адресов) - технология приемо-передачи сетевого трафика через маршрутизатор, предусматривающая переписывание исходного адреса и/или адреса назначения, а также обычно номеров портов TCP/UDP пакетов IP по мере их прохождения. Контрольные суммы (как IP, так и TCP/UDP) должны быть также переписаны с учетом изменений. Большинство систем, использующих NAT, поступают таким образом для того, чтобы множество хост-машин в ведомственной сети могли получать доступ к Интернет, используя единственный IP адрес общего пользования (см. шлюз). Многие сетевые администраторы считают технологию NAT удобной и широко ее используют. Тем не менее, NAT может создавать трудности при обмене данных между хостами и может влиять на производительность.

Пассажирским беспроводным устройствам присваиваются IP адреса IPy.z.*, которые являются индивидуальными, глобально уникальными, динамическими IP адресами для пассажирских беспроводных устройств, находящихся в конкретном самолете (z). Различным узлам на самолете, таким как маршрутизатор и модем «борт-земля», присваиваются IP адреса в диапазоне 1Рх.*, где ТРх.* IP адреса являются индивидуальными, локально уникальными, статическими IP адресами. Модем «борт-земля» является конечной точкой туннеля NAT на самолете и идентифицируется IP адресом IPw.*, IP адреса IPw.* являются индивидуальными, глобально уникальными, статическими IP адресами, которые присваиваются обслуживающим узлом пакетных данных (PDSN). Для трафика с пакетными данными, создаваемого пассажирскими беспроводными устройствами, NAT на борту самолета использует статическую NAPT для преобразования IP адреса пассажирского беспроводного устройства IPy.z.* в IP адрес IPw.x и эфирный порт источника (из диапазона портов, присвоенных самолету), который является уникальным для конкретного пассажирского беспроводного устройства IPy.z.*. Затем пакет с данными туннелируется на модем «борт-земля» через сеть IPx.* и после этого направляется по каналу связи «борт-земля» на обслуживающий узел пакетных данных (PDSN). Обслуживающий узел пакетных данных (PDSN) видит только один IP адрес для каждого самолета, как и ожидается, a NAT, находящаяся на земле, использует такое же статическое преобразование NAPT для преобразования IPw.x и порта источника самолета обратно в IP адрес 1Ру. Эфирный порт источника, полученный от самолета, остается неизменным.

В типичной конфигурации локальная сеть использует одну из назначенных подсетей с «индивидуальными» IP адресами (в соответствии с RFC 1918 для частных сетей используются следующие адреса: 192.168.х.х, с 172.16-х.х по 172.31.х.х и 10.х.х.х - с использованием бесклассовой адресации, 192.168/16, 172.16/12 и 10/8), а маршрутизатор в подобной сети имеет индивидуальный адрес (например, 192.168.0.1) в этом адресном пространстве. Маршрутизатор также подключается к Интернет с единственным адресом «общего пользования» (известным как «перегруженный» NAT) или множеством адресов «общего пользования», присваиваемых Интернет провайдером. По мере прохождения трафика из локальной сети в Интернет исходный адрес в каждом пакете преобразуется на лету из индивидуального адреса в адрес(а) общего пользования. Маршрутизатор отслеживает базовые данные по каждому активному соединению (в особенности адрес пункта назначения и порт). После того как ответ возвращается на маршрутизатор, тот использует данные по отслеживанию соединения, сохранившиеся у него в памяти с этапа отправки, для определения того, в какую часть внутренней сети необходимо переслать этот ответ; в случае перегруженной NAT для разделения пакетов используются номера портов клиентов TCP или UDP, либо IP адреса и номера портов, если после возврата пакета доступно множество адресов общего пользования. Для Интернет-систем источником/пунктом назначения подобного трафика является непосредственно сам маршрутизатор.

Для обратного трафика IP-туннель NAT использует NAT (фактически NAPT, систему преобразования сетевых адресов портов) на самолете и обратную NAT на земле. Диапазон портов, используемых для NAPT, является уникальным для каждого пользователя, а статическое преобразование IP адреса пользователя в диапазон портов становится известно, используется NAT, находящимся в самолете и на земле. Подобный процесс позволяет восстанавливать адреса пользователя (но не порты) на земле.

Пример IP туннеля для системы преобразования сетевых адресов (NAT)

На фиг.7 в виде схемы прохождения сигнала, а на фиг.8 в виде блок-схемы изображено типичное использование системы создания IP-туннеля «борт-земля» на воздушном судне с использованием IP-туннеля NAT для обмена данными с конкретным пунктом назначения. В данном примере показано выбранное пассажирское беспроводное устройство с IP адресом IРу.2, которое осуществляет связь с конечной точкой (не показана), с IP адресом IPh:80. Данному пассажирскому беспроводному устройству, на этапе 801, система NAT, находящаяся на борту самолета, присваивает адрес порта, например 2042, подобный адрес порта добавляется к IP адресу пассажирского беспроводного устройства, образуя адрес IРу2:2042, который является индивидуальным, глобально уникальным, динамическим IP адресом для пассажирского беспроводного устройства, находящегося в конкретном самолете (w). NAT, находящаяся на борту самолета, на этапе 802, таким образом, использует данное пассажирское беспроводное устройство для отображения портов с целью создания эфирного порта источника для IP адреса пассажирского беспроводного устройства IРу.2. Таким образом, исходным адресом является IРу2:2042, а адресом пункта назначения IPh:80.

Маршрутизатору присваивается IP адрес IPx.1, а модему «борт-земля» присваивается IP адрес IРх.2, где IPx.* адреса являются индивидуальными, локально уникальными, статическими IP адресами. Модем «борт-земля» является конечной точкой туннеля NAT на самолете и идентифицируется IP адресом IPw.*, IP адреса IPw.* являются индивидуальными, глобально уникальными, статическими IP адресами, которые присваиваются обслуживающим узлом пакетных данных (PDSN). Для трафика с пакетными данными, создаваемого пассажирскими беспроводными устройствами, NAT на борту самолета использует статическую NAPT для преобразования IP адреса пассажирского беспроводного устройства IPy.z.* в IP адрес IPw.x и эфирный порт источника (из диапазона портов, присвоенных подобному самолету), который является уникальным для конкретного пассажирского беспроводного устройства IPy.z.*. Таким образом, маршрутизатор выбирает IP адрес, присвоенный обслуживающим узлом пакетных данных (PDSN), и присваивает IP адрес IPw:1124 данному исходному пассажирскому беспроводному устройству.

После этого, на этапе 803, пакет с данными туннелируется маршрутизатором на модем «борт-земля» по сети IРх.*, а затем на этапе 804 направляется модемом «борт-земля» по каналу связи «борт-земля» на обслуживающий узел пакетных данных (PDSN), находящийся на земле. Обслуживающий узел пакетных данных (PDSN) видит только один IP адрес для каждого самолета, как и предполагается, a NAT, находящийся на земле, использует такое же статическое преобразование NAPT на этапе 805 для преобразования IPw.x и порта источника самолета обратно в IP адрес IРу. Эфирный порт источника, полученный от самолета, остается прежним. Таким образом, после преобразования сетевых адресов исходный адрес для пассажирского беспроводного устройства становится IPy2:1124, поскольку адрес порта источника не меняется. Пограничный маршрутизатор в сети доступа на этапе 806 преобразует исходный адрес в маршрутизируемый адрес общего пользования IPz:2052 и выбирает любой доступный эфирный порт источника. В обратной последовательности пакеты с данными, полученные пограничным маршрутизатором из IP сети пункта назначения (теперь именуемым исходным TPh:80 в этом направлении двунаправленного коммуникационного соединения) на этапе 807, направляются в пункт назначения IPz:2052, а пограничный маршрутизатор осуществляет обратное преобразование для преобразования полученного IP адреса в оригинальный IP адрес и порт, присвоенные пассажирскому беспроводному устройству, получая IРу2:1124. NAT, находящаяся в сети доступа, на этапе 808 использует статическое преобразование:NAPT для восстановления IPw для самолета, в котором находится пассажирское беспроводное устройство. Порт пункта назначения остается прежним, a IP адресом, выводимым NAT, соответственно является IPw: 1124. NAT, находящаяся в сети доступа, на этапе 809 направляет полученные пакеты данных на модем «борт-земля», находящийся на борту самолета. Полученные пакеты с данными принимаются модемом «борт-земля», находящимся в самолете, и на этапе 810 направляются на маршрутизатор, при этом NAT, находящаяся в самолете, на этапе 811 использует свой обратный NAPT для восстановления адреса пункта назначения IРу2 и порта 2042 для пассажирского беспроводного устройства.

Таким образом, управление адресами, осуществляемое в самолете и в сети доступа, позволяет обслуживающему узлу пакетных данных (PDSN) сообщать наземной сети уникальные IP адреса для множества пассажирских беспроводных устройств, находящихся в самолете, используя при этом стандартный общий IP адрес для канала связи «борт-земля».

Заключение

Система создания IP-туннеля «борт-земля» на воздушном судне позволяет присваивать индивидуальные адреса интернет-протокола (IP) каждому из пассажирских беспроводных устройств, используемых в самолете и обслуживаемых авиационной беспроводной сотовой сетью, тем самым обеспечивая предоставление беспроводных услуг для индивидуально идентифицируемых пассажирских беспроводных устройств.

Изобретение относится к беспроводной связи, а именно к системе, которая создает туннель интернет-протокола «борт-земля» в авиационной беспроводной сотовой сети. Техническим результатом является управление широкополосным соединением для обеспечения индивидуальной идентификации пассажиров за счет присвоения уникальных индивидуальных IP-адресов каждому пассажирскому устройству беспроводной связи в существующих беспроводных сетях. Указанный технический результат достигается тем, что система IP-туннеля «борт-земля» на воздушном судне присваивает единственный IP-адрес каждому каналу связи, использующему двухточечный протокол, соединяющему бортовую сеть самолета с наземной коммуникационной сетью, и создает IP подсеть на борту самолета. IP подсеть использует множество IP адресов для каждого двухточечного канала связи, обеспечивая уникальную идентификацию каждого из пассажирских беспроводных устройств по его собственному IP адресу. Это становится возможным благодаря тому, что в обеих конечных точках двухточечного протокола IPCP имеются пулы заранее заданных IP адресов и/или топология, сконфигурированная таким образом, что каждая конечная точка двухточечного протокола может использовать большее количество IP адресов, чем один адрес на канал связи. Подобный подход не меняет управляющий протокол семейства IP (IPCP) или другие протоколы/сообщения, но позволяет сделать данный адрес непосредственно видимым для наземной сети передачи данных. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Система для предоставления индивидуальных адресов Интернет-протокола (IP адресов) в наземной сети доступа множеству пассажирских беспроводных устройств, находящихся на борту самолета, содержащая:
средства бортовой сети, находящиеся в самолете, для генерирования радиочастотных сигналов связи для осуществления связи в режиме пакетной коммутации по меньшей мере с одним из множества пассажирских беспроводных устройств на борту самолета;
средства наземной сети доступа, имеющие один IP адрес, для обмена сигналами связи по меньшей мере с одной наземной сетью связи с пакетной коммутацией;
средства сети "борт-земля" для двусторонней радиочастотной связи с пакетной коммутацией по единой физической линии связи между средствами бортовой сети и средствами наземной сети доступа во время полета самолета;
при этом указанные средства бортовой сети содержат:
средства назначения IP адресов для присвоения уникального IP адреса каждому из указанных пассажирских беспроводных устройств на борту самолета;
средства концентратора данных, находящиеся в самолете, для преобразования трафика абонентских пакетных данных, принимаемых от множества пассажирских беспроводных устройств, находящихся в самолете, по меньшей мере в один поток агрегированных данных с пакетной коммутацией; а
указанные средства сети "борт-земля" содержат:
средства IP туннеля для поддержки множества IP адресов, ассоциированных с множеством пассажирских беспроводных устройств в бортовой сети, при осуществлении двусторонней радиочастотной связи с пакетной коммутацией между указанными средствами бортовой сети и указанными средствами наземной сети доступа во время полета самолета.

2. Система для предоставления индивидуальных IP адресов в наземной сети доступа по п.1, в которой средства сети «борт-земля» дополнительно содержат:
средства протокола туннелирования уровня 2 для установления соединения в виртуальной частной сети (VPN) на уровне маршрутизаторов между обслуживающим узлом пакетных данных (PDSN), находящимся в наземной сети доступа, и модемом «борт-земля», находящимся в самолете.

3. Система для предоставления индивидуальных IP адресов в наземной сети доступа по п.2, в которой упомянутые средства протокола туннелирования уровня 2 содержат:
обслуживающий узел пакетных данных (PDSN), функционирующий в качестве концентратора доступа L2TP (LAC), и модем «борт-земля», выступающий в качестве сетевого сервера L2TP (LNS).

4. Система для предоставления индивидуальных IP адресов в наземной сети доступа по п.1, в которой средства сети «борт-земля» дополнительно содержат:
средства протокола туннелирования уровня 3, оканчивающиеся непосредственно перед модемом «борт-земля», находящимся на борту самолета, при этом преобразования сетевых адресов (NAT) на борту самолета не требуется, причем другой конец IP туннеля оканчивается непосредственно после обслуживающего узла пакетных данных (PDSN), находящегося на земле.

5. Система для предоставления индивидуальных IP адресов в наземной сети доступа по п.1, в которой средства сети «борт-земля» дополнительно содержат:
средства NAT, находящиеся на борту самолета, для преобразования IP адреса пассажирского беспроводного устройства в IP адрес и эфирный порт источника, являющийся уникальным для конкретного пассажирского беспроводного устройства.

6. Система для предоставления индивидуальных IP адресов в наземной сети доступа по п.5, в которой средства сети «борт-земля» дополнительно содержат:
наземные средства NAT для использования такого же статического преобразования NAPT, что и в упомянутых средствах NAT на борту самолета, для преобразования IP адресов, принятых с борта самолета, обратно в IP адрес пассажирского беспроводного устройства.

7. Система для предоставления индивидуальных IP адресов в наземной сети доступа по п.1, в которой средства сети «борт-земля» дополнительно содержат:
средства дезагрегирования данных для дезагрегирования упомянутого по меньшей мере одного потока агрегированных данных на множество потоков данных и доставки каждого из множества потоков данных на одно из множества пассажирских беспроводных устройств, находящихся в самолете.

8. Способ предоставления индивидуальных IP адресов в наземной сети доступа множеству пассажирских беспроводных устройств, находящихся на борту самолета, содержащий этапы, на которых:
генерируют в бортовой сети, находящейся в самолете, радиочастотные сигналы связи для осуществления связи в режиме пакетной коммутации по меньшей мере с одним из множества пассажирских беспроводных устройств, находящихся в самолете;
осуществляют обмен сигналами связи в наземной сети доступа, имеющей один IP адрес, по меньшей мере с одной наземной сетью связи;
осуществляют двустороннюю радиочастотную связь с пакетной коммутацией в сети "борт-земля" по единой физической линии связи между указанной бортовой сетью и указанной наземной сетью доступа во время полета самолета,
при этом на этапе генерирования в бортовой сети:
присваивают уникальный IP адрес в указанной бортовой сети каждому из указанных пассажирских беспроводных устройств на борту самолета;
концентрируют данные на борту самолета для преобразования абонентского трафика пакетных данных, принятых от множества пассажирских беспроводных устройств, находящихся в самолете, по меньшей мере в один поток агрегированных данных с пакетной коммутацией; а
на этапе осуществления обмена сигналами связи:
поддерживают посредством IP туннеля указанные уникальные IP адреса множества пассажирских беспроводных устройств в бортовой сети при осуществлении указанной двусторонней радиочастотной связи с пакетной коммутацией между указанной бортовой сетью и указанной наземной сетью доступа во время полета самолета.

9. Способ предоставления индивидуальных IP адресов в наземной сети доступа по п.8, в котором этап использования радиочастотной связи с пакетной коммутацией в сети «борт-земля» содержит этап, на котором:
устанавливают в протоколе туннелирования уровня 2 соединение в виртуальной частной сети (VPN) на уровне маршрутизаторов между обслуживающим узлом пакетных данных (PDSN), находящимся в наземной сети доступа, и модемом «борт-земля», находящимся в самолете.

10. Способ предоставления индивидуальных IP адресов в наземной сети доступа по п.9, в котором этап установления соединения в протоколе туннелирования уровня 2 содержит этап, на котором:
используют обслуживающий узел пакетных данных (PDSN) в качестве концентратора доступа L2TP (LAC) и модем «борт-земля» в качестве сетевого сервера L2TP (LNS).

11. Способ предоставления индивидуальных IP адресов в наземной сети доступа по п.8, в котором этап использования радиочастотной связи с пакетной коммутацией в сети «борт-земля» дополнительно содержит этап, на котором:
завершают протокол туннелирования уровня 3 непосредственно перед модемом «борт-земля», находящимся в самолете, при этом преобразования сетевых адресов (NAT) на борту самолета не требуется, а другой конец IP-туннеля завершают непосредственно после обслуживающего узла пакетных данных (PDSN), находящегося на земле.

12. Способ предоставления индивидуальных IP адресов в наземной сети доступа по п.8, в котором этап использования радиочастотной связи с пакетной коммутацией в сети «борт-земля» дополнительно содержит этап, на котором:
преобразуют на борту самолета IP адрес пассажирского беспроводного устройства в IP адрес и эфирный порт источника, являющийся уникальным для конкретного пассажирского беспроводного устройства.

13. Способ предоставления индивидуальных IP адресов в наземной сети доступа по п.12, в котором этап использования радиочастотной связи с пакетной коммутацией в сети «борт-земля» дополнительно содержит этап, на котором:
используют в наземной NAT такое же статическое преобразование сетевых адресов портов (NAPT), что и на этапе преобразования на борту самолета, для преобразования IP адресов, принятых с борта самолета, обратно в IP адрес пассажирского беспроводного устройства.

14. Способ предоставления индивидуальных IP адресов в наземной сети доступа по п.8, в котором этап использования радиочастотной связи с пакетной коммутацией в сети «борт-земля» дополнительно содержит этапы, на которых:
дезагрегируют упомянутый по меньшей мере один поток агрегированных данных на множество потоков данных и доставляют каждый из множества потоков данных на одно из множества пассажирских беспроводных устройств, находящихся в самолете.