本發(fā)明屬于蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，涉及長期演進(jìn)(Long Term Evolution,LTE)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的演進(jìn)、移動性管理以及基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network,SDN)。具體涉及一種基于SDN的移動性管理的方法，應(yīng)用于LTE網(wǎng)絡(luò)中。

背景技術(shù)：

移動通信網(wǎng)絡(luò)在提供對因特網(wǎng)和數(shù)據(jù)服務(wù)的寬帶接入方面發(fā)揮越來越大的作用,最近幾年這已經(jīng)推動了蜂窩網(wǎng)絡(luò)中面向分組的架構(gòu)演進(jìn)。在這個方向上一個有希望的架構(gòu)是長期演進(jìn)(LTE)，與以前的標(biāo)準(zhǔn)相比，LTE具有全I(xiàn)P架構(gòu)，極大地簡化了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并支持LTE與固定寬帶接入技術(shù)的集成。然而，對LTE網(wǎng)絡(luò)中的用戶移動性的支持需要特別注意，因?yàn)镮P網(wǎng)絡(luò)不容易支持移動性，為了解決LTE網(wǎng)絡(luò)中的用戶移動性，采用基于GPRS隧道協(xié)議(GPRS Tunneling protocol,GTP)的隧道方法。(見參考文獻(xiàn)[1]3GPP Technical Specifications,“3GPP TS 23.401V8.3.0,”2009.http://www.3gpp.org/)

基于GTP的隧道可以實(shí)現(xiàn)終端用戶在不同接入點(diǎn)之間的移動，同時避免在每次切換之后重新建立IP連接。然而，這是以重新建立LTE核心網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的接入點(diǎn)(也稱為演進(jìn)節(jié)點(diǎn)B或eNB)之間的GTP隧道為代價。這種方法的缺點(diǎn)包括：與切換相關(guān)聯(lián)的移動核心網(wǎng)(Evolved Packet Core，EPC)信令開銷，EPC中的中心錨點(diǎn)的復(fù)雜性以及用于交換的數(shù)據(jù)分組GTP隧道開銷。此外，蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商為了提高頻譜的利用率，進(jìn)一步縮小蜂窩小區(qū)的覆蓋范圍，這又增加了切換的頻率，特別是對于移動速度較快的用戶，情況變得更糟。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決這些問題，本發(fā)明提出一種基于SDN的移動性管理方法，應(yīng)用于LTE網(wǎng)絡(luò)中，其中將一部分移動性管理任務(wù)交給移動回程網(wǎng)絡(luò)完成。本發(fā)明是基于以下事實(shí)：在大多數(shù)情況下，當(dāng)用戶終端被切換到新的接入點(diǎn)前后，業(yè)務(wù)在回程網(wǎng)絡(luò)中采用的大部分路徑將是相同的。因此，本發(fā)明通過采用基于SDN的回程網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將移動性錨點(diǎn)動態(tài)地放置在更靠近用戶終端(User Equipment，UE)的位置，將一部分移動性管理任務(wù)從移動核心網(wǎng)轉(zhuǎn)移到更靠近移動用戶的回程網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明涉及的移動性管理是具有選擇性的，只針對部分特殊場景的移動性管理，對于那些涉及核心網(wǎng)路由變化的移動性管理則仍采用重建GTP隧道的方法。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明涉及的方法，需要解決以下問題：首先，回程網(wǎng)絡(luò)的SDN控制器應(yīng)該能夠檢測到用戶終端的業(yè)務(wù)流和它們的切換請求。第二，一旦回程網(wǎng)絡(luò)的SDN控制器檢測到切換請求，其必須在網(wǎng)絡(luò)中識別適當(dāng)?shù)腻^點(diǎn)，將用戶終端的業(yè)務(wù)重新路由到正確的接入點(diǎn)。為了解決這些問題，我們提出基于SDN和OpenFlow協(xié)議來實(shí)現(xiàn)回程網(wǎng)絡(luò)的控制節(jié)點(diǎn)，其可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)流管理。利用SDN和OpenFlow協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商將能夠管理業(yè)務(wù)流量，以便識別各個業(yè)務(wù)流，并實(shí)現(xiàn)流量在其網(wǎng)絡(luò)中的流量調(diào)度，管理和控制，這使一部分移動性管理不再需要GTP協(xié)議。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種基于SDN的移動性管理的方法，利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)和OpenFlow協(xié)議的概念來實(shí)現(xiàn)基于SDN的回程網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過采用基于SDN的回程網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將移動性錨點(diǎn)動態(tài)地放置在更靠近用戶終端(User Equipment，UE)的位置，將一部分移動性管理任務(wù)從移動核心網(wǎng)轉(zhuǎn)移到更靠近移動用戶的回程網(wǎng)絡(luò)，涉及的移動性管理中的3種情景：初始附著流程、跟蹤區(qū)域更新流程、UE切換流程。

作為優(yōu)選，初始附著(Initial Attach，IA)流程，包括以下步驟：

步驟1：一旦有UE接入，它就向所屬eNB發(fā)起IA請求，該eNB將該請求轉(zhuǎn)發(fā)到MME；

步驟2：MME從歸屬簽約用戶服務(wù)器(Home Subscriber Server,HSS)獲取用戶數(shù)據(jù)并對該UE進(jìn)行認(rèn)證；

步驟3：MME通過轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的eNB MAC地址向S-GW發(fā)起默認(rèn)承載請求；

步驟4：S-GW將該請求轉(zhuǎn)發(fā)到分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(Packet Data Network Gateway，P-GW)，P-GW向UE分配唯一的IP地址和C-VLAN id；

步驟5：S-GW通過綁定UE IP地址和eNB MAC地址來組成UE唯一的地址，并將該地址轉(zhuǎn)發(fā)到MME；

步驟6：MME向eNB發(fā)送IA接受消息并將IA接受消息的S-VLAN改變?yōu)樾帕頢-VLAN，在到達(dá)其路徑中的第一個SDN交換機(jī)時，S-VLAN分組被轉(zhuǎn)發(fā)到SDN控制器，SDN控制器更新其MMT并安裝從源SDN交換機(jī)到目標(biāo)SDN交換機(jī)的流條目；此外，SDN控制器在SDN交換機(jī)中安裝用于將IA接受消息發(fā)送到SDN控制器的條目，并且，IA接受消息的信令S-VLAN轉(zhuǎn)變?yōu)樽優(yōu)镾-VLAN；

步驟7：最后，IA接受和確認(rèn)(Acknowledgement,ack)消息被嵌入在無線資源控制(Radio Resource Control,RRC)承載建立消息中，并且IA接受消息被轉(zhuǎn)發(fā)到MME。

作為優(yōu)選，初始附著流程的步驟6中：“SDN控制器更新其MMT”，所述MMT是指移動性管理表，即SDN控制器定義的用于控制轉(zhuǎn)發(fā)的流條目，由5個元素組成，包括UE IP、eNB MAC、C-VLAN、S-VLAN、S-GW MAC。

作為優(yōu)選，跟蹤區(qū)域更新(Tracking Area Update，TAU)流程，包括以下步驟：

步驟1：UE發(fā)起TAU請求

步驟2：相應(yīng)的eNB將請求消息的S-VLAN id改變?yōu)樾帕頢-VLAN id，該消息首先被發(fā)送到SDN控制器，SDN控制器識別該TAU,并清除邊緣SDN交換機(jī)中與該UE相關(guān)的條目，將信令S-VLAN更改為原來的S-VLAN；

步驟3：TAU被轉(zhuǎn)發(fā)到MME，MME向S-GW發(fā)送更新承載請求；

步驟4：S-GW向MME發(fā)送更新承載響應(yīng)；

步驟5：MME向eNB發(fā)送TAU接受消息，其與UEL2地址一起發(fā)送到eNB，無線承載建立。

作為優(yōu)選，跟蹤區(qū)域更新流程的步驟1中，“TAU請求”是由空閑UE在檢測到其已經(jīng)進(jìn)入新跟蹤區(qū)域(Tracking Area,TA)時或當(dāng)周期性定時器到期時發(fā)起的；并且只有由于檢測到新的TA觸發(fā)的TAU才被發(fā)送到SDN控制器，其他TA更新被直接發(fā)送到MME，所以SDN控制器不會過載。

作為優(yōu)選，跟蹤區(qū)域更新流程的步驟2中，所述“信令S-VLAN id”是一個特殊的S-VLAN標(biāo)識符，用于標(biāo)識去往SDN控制器的分組，被標(biāo)識為信令S-VLAN的分組都會被轉(zhuǎn)發(fā)到SND控制器，普通的S-VLAN id消息是不被識別的。

作為優(yōu)選，UE切換(Handover，HO)流程，包括以下步驟：

步驟1：源eNB向目標(biāo)eNB發(fā)送切換請求消息，在源eNB接收到切換確認(rèn)消息之后，向UE發(fā)出切換命令；

步驟2：目標(biāo)eNB使用信令S-VLAN id向MME發(fā)起路徑切換請求；

步驟3：目標(biāo)eNB所在的SDN控制器接收到該路徑切換請求后進(jìn)行判斷，若源eNB和目標(biāo)eNB都在其控制范圍則進(jìn)行步驟4；若源eNB和目標(biāo)eNB不是都在其控制范圍則轉(zhuǎn)到步驟6；

步驟4：源eNB和目標(biāo)eNB所在的SDN控制器end_marker消息給源eNB，源eNB處理后將此信息轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)eNB；

步驟5：源eNB和目標(biāo)eNB所在的SDN控制器更新其MMT，并發(fā)送路徑切換消息給目標(biāo)eNB，為UE建立新的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，轉(zhuǎn)到步驟13；

步驟6：目標(biāo)eNB所在的SDN控制器將路徑切換請求轉(zhuǎn)發(fā)到MME；

步驟7：MME向S-GW發(fā)送更新用戶面數(shù)據(jù)請求消息；

步驟8：S-GW使用信令S-VLAN id向源eNB發(fā)送end_marker消息；

步驟9：源eNB所在的SDN控制器接收到end_marker消息之后，轉(zhuǎn)發(fā)給源eNB并更新其MMT，終止原數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑；

步驟10：源eNB處理后將end_marker消息轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)eNB；

步驟11：MME使用信令S-VLAN id向目標(biāo)eNB發(fā)送路徑切換消息；

步驟12：目標(biāo)eNB所在的SDN控制器接收到該路徑切換消息后，更新其MMT，轉(zhuǎn)發(fā)路徑切換消息到目標(biāo)eNB，為UE建立新的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑；

步驟13：目標(biāo)eNB通知源eNB釋放無線資源。

作為優(yōu)選，UE切換(Handover，HO)流程的步驟1中，源eNB向目標(biāo)eNB發(fā)送的切換請求消息是通過X2接口發(fā)送的，包含UE的L2地址和C-VLAN id。

作為優(yōu)選，UE切換(Handover，HO)流程的步驟2中，所述“信令S-VLAN id”是一個特殊的S-VLAN標(biāo)識符，用于標(biāo)識去往SDN控制器的分組，被標(biāo)識為信令S-VLAN的分組都會被轉(zhuǎn)發(fā)到SND控制器，普通的S-VLAN id消息是不被識別的。

作為優(yōu)選，UE切換(Handover，HO)流程的步驟4中，所述end_marker消息是在LTE網(wǎng)絡(luò)中S-GW不變的切換過程中，由SDN控制器或者S-GW發(fā)送給源eNB的一種特殊數(shù)據(jù)包，用于表示源eNB側(cè)的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。

本發(fā)明提出了一種用于長期演進(jìn)(LTE)網(wǎng)絡(luò)的新型移動性管理方法，利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)和OpenFlow協(xié)議的概念來實(shí)現(xiàn)基于SDN的回程網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從而完成部分的移動性管理任務(wù)。本發(fā)明通過回程網(wǎng)絡(luò)中的SDN控制器和SDN交換機(jī)來實(shí)現(xiàn)新型的移動性管理，使部分移動性管理不再依靠傳統(tǒng)的GTP隧道協(xié)議來實(shí)現(xiàn)，滿足LTE網(wǎng)絡(luò)中的無縫移動性同時也減少了接入網(wǎng)與核心網(wǎng)絡(luò)之間的過度信令負(fù)載和隧道開銷，降低了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。

附圖說明

圖1為基于SDN的回程網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖；

圖2為移動性管理表結(jié)構(gòu)圖；

圖3為基于SDN的UE切換的流程圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好的理解本發(fā)明方案，下面將結(jié)合本發(fā)明的附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述。

本發(fā)明一種基于SDN的移動性管理的方法，通過將SDN和OpenFlow引入到回程網(wǎng)絡(luò)中，將移動性錨點(diǎn)動態(tài)地放置在最靠近UE的位置，從而將一部分移動性管理的任務(wù)由核心網(wǎng)轉(zhuǎn)移到回程網(wǎng)絡(luò)中，本發(fā)明涉及的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

本發(fā)明涉及的回程網(wǎng)絡(luò)是由電信級以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的2層的網(wǎng)絡(luò)，分別是接入層和匯聚層，每個接入域網(wǎng)絡(luò)有一個SDN控制器，能夠感知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜涂捎觅Y源并對不同的數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)、路由制定決策，SDN控制器通過OpenFlow協(xié)議控制該接入域網(wǎng)絡(luò)的底層SDN交換機(jī)；用S-VLAN id和C-VLAN id來標(biāo)識接入網(wǎng)不同的數(shù)據(jù)流，分別用于區(qū)分不同控制器的流和每個控制器上的用戶流。核心網(wǎng)的移動性管理實(shí)體MME和S-GW負(fù)責(zé)TEID和VLAN對(C-VLAN，S-VLAN)之間的映射，從而映射相應(yīng)的數(shù)據(jù)分組；當(dāng)UE和EPC之間需要傳輸與移動性相關(guān)信令時，使用一個特殊的S-VLAN——“信令S-VLAN”標(biāo)識向SDN控制器發(fā)送的信號，反之亦然；每個SDN交換機(jī)具有兩個預(yù)安裝的流入口：一個用于轉(zhuǎn)發(fā)去往EPC的分組，另一個用于應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)到SDN控制器的分組(標(biāo)記為“信令S-VLAN”的分組)；同時，為了跟蹤用戶位置以及更方便的進(jìn)行移動性管理，每個SDN控制器上都有移動性管理模塊，該模塊維護(hù)一個相應(yīng)SDN控制器所負(fù)責(zé)的接入網(wǎng)所有UE的移動性管理表，如圖2所示。該表格的每個入口由5個元素組成：UE的IP地址、相應(yīng)eNB的MAC、C-VLAN id、S-VLAN id、相應(yīng)SGW的MAC地址，UE的IP地址和C-VLAN id由EPC在初始附著之后分配。

本發(fā)明一種基于SDN的移動性管理的方法，此方法涉及移動性管理中的3種情景：初始附著、跟蹤區(qū)域更新、UE切換。

情景1：初始附著(Initial Attach，IA)流程，分以下步驟：

步驟1：一旦有UE接入，它就向所屬eNB發(fā)起IA請求，該eNB將該請求轉(zhuǎn)發(fā)到MME。

步驟2：MME從HSS獲取用戶數(shù)據(jù)并對該UE進(jìn)行認(rèn)證。

步驟3：MME通過轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的eNB MAC地址向S-GW發(fā)起默認(rèn)承載請求，

步驟4：S-GW將該請求轉(zhuǎn)發(fā)到P-GW，P-GW向UE分配唯一的IP地址和C-VLAN id。

步驟5：S-GW通過綁定UE IP地址和eNB MAC地址來組成UE唯一的地址，并將該地址轉(zhuǎn)發(fā)到MME。

步驟6：MME向eNB發(fā)送IA接受消息并將IA接受消息的S-VLAN改變?yōu)樾帕頢-VLAN，在到達(dá)其路徑中的第一個SDN交換機(jī)時，S-VLAN分組被轉(zhuǎn)發(fā)到SDN控制器，SDN控制器更新其MMT并安裝從源SDN交換機(jī)到目標(biāo)SDN交換機(jī)的流條目。此外，SDN控制器在SDN交換機(jī)中安裝用于將IA接受消息發(fā)送到SDN控制器的條目，并且，IA接受消息的信令S-VLAN轉(zhuǎn)變?yōu)樽優(yōu)镾-VLAN。

步驟7：最后，IA接受和確認(rèn)(Acknowledgement,ack)消息被嵌入在無線資源控制承載建立消息中，并且IA接受消息被轉(zhuǎn)發(fā)到MME。

情景2：跟蹤區(qū)域更新(Tracking Area Update，TAU)流程。

TAU由空閑UE在檢測到其已經(jīng)進(jìn)入新TA時或當(dāng)周期性定時器到期時發(fā)起。在本發(fā)明方案中，只有由于檢測到新的跟蹤區(qū)域(Tracking Area,TA)觸發(fā)的TAU才被發(fā)送到SDN控制器，其他TA更新被直接發(fā)送到MME，所以SDN控制器不會過載。分以下步驟：

步驟1：UE發(fā)起TAU請求。

步驟2：相應(yīng)的eNB將請求消息的S-VLAN id改變?yōu)樾帕頢-VLAN id，因此更新首先被發(fā)送到SDN控制器，SDN控制器識別該TAU,并清除邊緣SDN交換機(jī)中與該UE相關(guān)的條目，將信令S-VLAN更改為原來的S-VLAN。

步驟3：TAU被轉(zhuǎn)發(fā)到MME，MME向S-GW發(fā)送更新承載請求。

步驟4：S-GW向MME發(fā)送更新承載響應(yīng)

步驟5：MME向eNB發(fā)送TAU接受消息，其與UEL2地址一起發(fā)送到eNB，無線承載建立。

情景3：切換(Handover，HO)流程

本發(fā)明涉及兩種類型的切換：源eNB和目標(biāo)eNB都在相同SDN控制器的控制下、目標(biāo)eNB與源eNB的控制器在不同的SDN控制器的控制下，切換流程如圖3所示。具體分以下步驟：

步驟1：源eNB向目標(biāo)eNB發(fā)送切換請求消息，在源eNB接收到切換確認(rèn)消息之后，向UE發(fā)出切換命令。

步驟2：目標(biāo)eNB使用信令S-VLAN id向MME發(fā)起路徑切換請求。

步驟3：目標(biāo)eNB所在的SDN控制器接收到該路徑切換請求后進(jìn)行判斷，若源eNB和目標(biāo)eNB都在其控制范圍則進(jìn)行步驟4；若源eNB和目標(biāo)eNB不是都在其控制范圍則轉(zhuǎn)到步驟6。

步驟4：源eNB和目標(biāo)eNB所在的SDN控制器end_marker消息給源eNB，源eNB處理后將此信息轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)eNB。

步驟5：源eNB和目標(biāo)eNB所在的SDN控制器更新其MMT，并發(fā)送路徑切換消息給目標(biāo)eNB，為UE建立新的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，轉(zhuǎn)到步驟13。

步驟6：目標(biāo)eNB所在的SDN控制器將路徑切換請求轉(zhuǎn)發(fā)到MME。

步驟7：MME向S-GW發(fā)送更新用戶面數(shù)據(jù)請求消息。

步驟8：S-GW使用信令S-VLAN id向源eNB發(fā)送end_marker消息。

步驟9：源eNB所在的SDN控制器接收到end_marker消息之后，轉(zhuǎn)發(fā)給源eNB并更新其MMT，終止原數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

步驟10：源eNB處理后將end_marker消息轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)eNB。

步驟11：MME使用信令S-VLAN id向目標(biāo)eNB發(fā)送路徑切換消息。

步驟12：目標(biāo)eNB所在的SDN控制器接收到該路徑切換消息后，更新其MMT，轉(zhuǎn)發(fā)路徑切換消息到目標(biāo)eNB，為UE建立新的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑

步驟13：目標(biāo)eNB通知源eNB釋放無線資源。

在所述切換流程的步驟1中，源eNB向目標(biāo)eNB發(fā)送的切換請求消息是通過X2接口發(fā)送的，包含UE的L2地址和C-VLAN id。

在所述切換流程中，所述end_marker消息是在LTE網(wǎng)絡(luò)中S-GW不變的切換過程中，由SDN控制器或者S-GW發(fā)送給源eNB的一種特殊數(shù)據(jù)包，用于表示源eNB側(cè)的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。

在所述切換流程中，所述信令S-VLAN id是一個特殊的S-VLAN標(biāo)識符，用于標(biāo)識去往SDN控制器的分組，被標(biāo)識為信令S-VLAN的分組都會被轉(zhuǎn)發(fā)到SND控制器。

本發(fā)明提出的一種基于SDN的移性管理方法，能夠?qū)崿F(xiàn)回程網(wǎng)絡(luò)有效識別特定的UE切換，識別各個業(yè)務(wù)流，并實(shí)現(xiàn)流量在其網(wǎng)絡(luò)中的流量調(diào)度，管理和控制，消除了部分移動性管理對GTP隧道的需要，滿足LTE網(wǎng)絡(luò)中的無縫移動性同時也減少了接入網(wǎng)與核心網(wǎng)絡(luò)之間的過度信令負(fù)載和隧道開銷，降低了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。