一种基于SDN的移动性管理的方法与流程

本发明属于蜂窝移动通信网络领域，涉及长期演进(Long Term Evolution,LTE)网络构架的演进、移动性管理以及基于软件定义网络(Software Defined Network,SDN)。具体涉及一种基于SDN的移动性管理的方法，应用于LTE网络中。

背景技术：

移动通信网络在提供对因特网和数据服务的宽带接入方面发挥越来越大的作用,最近几年这已经推动了蜂窝网络中面向分组的架构演进。在这个方向上一个有希望的架构是长期演进(LTE)，与以前的标准相比，LTE具有全IP架构，极大地简化了网络架构，并支持LTE与固定宽带接入技术的集成。然而，对LTE网络中的用户移动性的支持需要特别注意，因为IP网络不容易支持移动性，为了解决LTE网络中的用户移动性，采用基于GPRS隧道协议(GPRS Tunneling protocol,GTP)的隧道方法。(见参考文献[1]3GPP Technical Specifications,“3GPP TS 23.401V8.3.0,”2009.http://www.3gpp.org/)

基于GTP的隧道可以实现终端用户在不同接入点之间的移动，同时避免在每次切换之后重新建立IP连接。然而，这是以重新建立LTE核心网络和相应的接入点(也称为演进节点B或eNB)之间的GTP隧道为代价。这种方法的缺点包括：与切换相关联的移动核心网(Evolved Packet Core，EPC)信令开销，EPC中的中心锚点的复杂性以及用于交换的数据分组GTP隧道开销。此外，蜂窝网络运营商为了提高频谱的利用率，进一步缩小蜂窝小区的覆盖范围，这又增加了切换的频率，特别是对于移动速度较快的用户，情况变得更糟。

技术实现要素：

为了解决这些问题，本发明提出一种基于SDN的移动性管理方法，应用于LTE网络中，其中将一部分移动性管理任务交给移动回程网络完成。本发明是基于以下事实：在大多数情况下，当用户终端被切换到新的接入点前后，业务在回程网络中采用的大部分路径将是相同的。因此，本发明通过采用基于SDN的回程网络架构，将移动性锚点动态地放置在更靠近用户终端(User Equipment，UE)的位置，将一部分移动性管理任务从移动核心网转移到更靠近移动用户的回程网络。本发明涉及的移动性管理是具有选择性的，只针对部分特殊场景的移动性管理，对于那些涉及核心网路由变化的移动性管理则仍采用重建GTP隧道的方法。

为了实现本发明涉及的方法，需要解决以下问题：首先，回程网络的SDN控制器应该能够检测到用户终端的业务流和它们的切换请求。第二，一旦回程网络的SDN控制器检测到切换请求，其必须在网络中识别适当的锚点，将用户终端的业务重新路由到正确的接入点。为了解决这些问题，我们提出基于SDN和OpenFlow协议来实现回程网络的控制节点，其可以实现复杂的业务流管理。利用SDN和OpenFlow协议，网络运营商将能够管理业务流量，以便识别各个业务流，并实现流量在其网络中的流量调度，管理和控制，这使一部分移动性管理不再需要GTP协议。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于SDN的移动性管理的方法，利用软件定义网络(SDN)和OpenFlow协议的概念来实现基于SDN的回程网络架构，通过采用基于SDN的回程网络架构，将移动性锚点动态地放置在更靠近用户终端(User Equipment，UE)的位置，将一部分移动性管理任务从移动核心网转移到更靠近移动用户的回程网络，涉及的移动性管理中的3种情景：初始附着流程、跟踪区域更新流程、UE切换流程。

作为优选，初始附着(Initial Attach，IA)流程，包括以下步骤：

步骤1：一旦有UE接入，它就向所属eNB发起IA请求，该eNB将该请求转发到MME；

步骤2：MME从归属签约用户服务器(Home Subscriber Server,HSS)获取用户数据并对该UE进行认证；

步骤3：MME通过转发相应的eNB MAC地址向S-GW发起默认承载请求；

步骤4：S-GW将该请求转发到分组数据网网关(Packet Data Network Gateway，P-GW)，P-GW向UE分配唯一的IP地址和C-VLAN id；

步骤5：S-GW通过绑定UE IP地址和eNB MAC地址来组成UE唯一的地址，并将该地址转发到MME；

步骤6：MME向eNB发送IA接受消息并将IA接受消息的S-VLAN改变为信令S-VLAN，在到达其路径中的第一个SDN交换机时，S-VLAN分组被转发到SDN控制器，SDN控制器更新其MMT并安装从源SDN交换机到目标SDN交换机的流条目；此外，SDN控制器在SDN交换机中安装用于将IA接受消息发送到SDN控制器的条目，并且，IA接受消息的信令S-VLAN转变为变为S-VLAN；

步骤7：最后，IA接受和确认(Acknowledgement,ack)消息被嵌入在无线资源控制(Radio Resource Control,RRC)承载建立消息中，并且IA接受消息被转发到MME。

作为优选，初始附着流程的步骤6中：“SDN控制器更新其MMT”，所述MMT是指移动性管理表，即SDN控制器定义的用于控制转发的流条目，由5个元素组成，包括UE IP、eNB MAC、C-VLAN、S-VLAN、S-GW MAC。

作为优选，跟踪区域更新(Tracking Area Update，TAU)流程，包括以下步骤：

步骤1：UE发起TAU请求

步骤2：相应的eNB将请求消息的S-VLAN id改变为信令S-VLAN id，该消息首先被发送到SDN控制器，SDN控制器识别该TAU,并清除边缘SDN交换机中与该UE相关的条目，将信令S-VLAN更改为原来的S-VLAN；

步骤3：TAU被转发到MME，MME向S-GW发送更新承载请求；

步骤4：S-GW向MME发送更新承载响应；

步骤5：MME向eNB发送TAU接受消息，其与UEL2地址一起发送到eNB，无线承载建立。

作为优选，跟踪区域更新流程的步骤1中，“TAU请求”是由空闲UE在检测到其已经进入新跟踪区域(Tracking Area,TA)时或当周期性定时器到期时发起的；并且只有由于检测到新的TA触发的TAU才被发送到SDN控制器，其他TA更新被直接发送到MME，所以SDN控制器不会过载。

作为优选，跟踪区域更新流程的步骤2中，所述“信令S-VLAN id”是一个特殊的S-VLAN标识符，用于标识去往SDN控制器的分组，被标识为信令S-VLAN的分组都会被转发到SND控制器，普通的S-VLAN id消息是不被识别的。

作为优选，UE切换(Handover，HO)流程，包括以下步骤：

步骤1：源eNB向目标eNB发送切换请求消息，在源eNB接收到切换确认消息之后，向UE发出切换命令；

步骤2：目标eNB使用信令S-VLAN id向MME发起路径切换请求；

步骤3：目标eNB所在的SDN控制器接收到该路径切换请求后进行判断，若源eNB和目标eNB都在其控制范围则进行步骤4；若源eNB和目标eNB不是都在其控制范围则转到步骤6；

步骤4：源eNB和目标eNB所在的SDN控制器end_marker消息给源eNB，源eNB处理后将此信息转发给目标eNB；

步骤5：源eNB和目标eNB所在的SDN控制器更新其MMT，并发送路径切换消息给目标eNB，为UE建立新的数据转发路径，转到步骤13；

步骤6：目标eNB所在的SDN控制器将路径切换请求转发到MME；

步骤7：MME向S-GW发送更新用户面数据请求消息；

步骤8：S-GW使用信令S-VLAN id向源eNB发送end_marker消息；

步骤9：源eNB所在的SDN控制器接收到end_marker消息之后，转发给源eNB并更新其MMT，终止原数据转发路径；

步骤10：源eNB处理后将end_marker消息转发给目标eNB；

步骤11：MME使用信令S-VLAN id向目标eNB发送路径切换消息；

步骤12：目标eNB所在的SDN控制器接收到该路径切换消息后，更新其MMT，转发路径切换消息到目标eNB，为UE建立新的数据转发路径；

步骤13：目标eNB通知源eNB释放无线资源。

作为优选，UE切换(Handover，HO)流程的步骤1中，源eNB向目标eNB发送的切换请求消息是通过X2接口发送的，包含UE的L2地址和C-VLAN id。

作为优选，UE切换(Handover，HO)流程的步骤2中，所述“信令S-VLAN id”是一个特殊的S-VLAN标识符，用于标识去往SDN控制器的分组，被标识为信令S-VLAN的分组都会被转发到SND控制器，普通的S-VLAN id消息是不被识别的。

作为优选，UE切换(Handover，HO)流程的步骤4中，所述end_marker消息是在LTE网络中S-GW不变的切换过程中，由SDN控制器或者S-GW发送给源eNB的一种特殊数据包，用于表示源eNB侧的数据传输结束。

本发明提出了一种用于长期演进(LTE)网络的新型移动性管理方法，利用软件定义网络(SDN)和OpenFlow协议的概念来实现基于SDN的回程网络架构，从而完成部分的移动性管理任务。本发明通过回程网络中的SDN控制器和SDN交换机来实现新型的移动性管理，使部分移动性管理不再依靠传统的GTP隧道协议来实现，满足LTE网络中的无缝移动性同时也减少了接入网与核心网络之间的过度信令负载和隧道开销，降低了网络的复杂性，提高了数据传输效率。

附图说明

图1为基于SDN的回程网络架构图；

图2为移动性管理表结构图；

图3为基于SDN的UE切换的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明的附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本发明一种基于SDN的移动性管理的方法，通过将SDN和OpenFlow引入到回程网络中，将移动性锚点动态地放置在最靠近UE的位置，从而将一部分移动性管理的任务由核心网转移到回程网络中，本发明涉及的网络架构如图1所示。

本发明涉及的回程网络是由电信级以太网技术实现的2层的网络，分别是接入层和汇聚层，每个接入域网络有一个SDN控制器，能够感知网络拓扑和可用资源并对不同的数据流的转发、路由制定决策，SDN控制器通过OpenFlow协议控制该接入域网络的底层SDN交换机；用S-VLAN id和C-VLAN id来标识接入网不同的数据流，分别用于区分不同控制器的流和每个控制器上的用户流。核心网的移动性管理实体MME和S-GW负责TEID和VLAN对(C-VLAN，S-VLAN)之间的映射，从而映射相应的数据分组；当UE和EPC之间需要传输与移动性相关信令时，使用一个特殊的S-VLAN——“信令S-VLAN”标识向SDN控制器发送的信号，反之亦然；每个SDN交换机具有两个预安装的流入口：一个用于转发去往EPC的分组，另一个用于应转发到SDN控制器的分组(标记为“信令S-VLAN”的分组)；同时，为了跟踪用户位置以及更方便的进行移动性管理，每个SDN控制器上都有移动性管理模块，该模块维护一个相应SDN控制器所负责的接入网所有UE的移动性管理表，如图2所示。该表格的每个入口由5个元素组成：UE的IP地址、相应eNB的MAC、C-VLAN id、S-VLAN id、相应SGW的MAC地址，UE的IP地址和C-VLAN id由EPC在初始附着之后分配。

本发明一种基于SDN的移动性管理的方法，此方法涉及移动性管理中的3种情景：初始附着、跟踪区域更新、UE切换。

情景1：初始附着(Initial Attach，IA)流程，分以下步骤：

步骤1：一旦有UE接入，它就向所属eNB发起IA请求，该eNB将该请求转发到MME。

步骤2：MME从HSS获取用户数据并对该UE进行认证。

步骤3：MME通过转发相应的eNB MAC地址向S-GW发起默认承载请求，

步骤4：S-GW将该请求转发到P-GW，P-GW向UE分配唯一的IP地址和C-VLAN id。

步骤5：S-GW通过绑定UE IP地址和eNB MAC地址来组成UE唯一的地址，并将该地址转发到MME。

步骤6：MME向eNB发送IA接受消息并将IA接受消息的S-VLAN改变为信令S-VLAN，在到达其路径中的第一个SDN交换机时，S-VLAN分组被转发到SDN控制器，SDN控制器更新其MMT并安装从源SDN交换机到目标SDN交换机的流条目。此外，SDN控制器在SDN交换机中安装用于将IA接受消息发送到SDN控制器的条目，并且，IA接受消息的信令S-VLAN转变为变为S-VLAN。

步骤7：最后，IA接受和确认(Acknowledgement,ack)消息被嵌入在无线资源控制承载建立消息中，并且IA接受消息被转发到MME。

情景2：跟踪区域更新(Tracking Area Update，TAU)流程。

TAU由空闲UE在检测到其已经进入新TA时或当周期性定时器到期时发起。在本发明方案中，只有由于检测到新的跟踪区域(Tracking Area,TA)触发的TAU才被发送到SDN控制器，其他TA更新被直接发送到MME，所以SDN控制器不会过载。分以下步骤：

步骤1：UE发起TAU请求。

步骤2：相应的eNB将请求消息的S-VLAN id改变为信令S-VLAN id，因此更新首先被发送到SDN控制器，SDN控制器识别该TAU,并清除边缘SDN交换机中与该UE相关的条目，将信令S-VLAN更改为原来的S-VLAN。

步骤3：TAU被转发到MME，MME向S-GW发送更新承载请求。

步骤4：S-GW向MME发送更新承载响应

步骤5：MME向eNB发送TAU接受消息，其与UEL2地址一起发送到eNB，无线承载建立。

情景3：切换(Handover，HO)流程

本发明涉及两种类型的切换：源eNB和目标eNB都在相同SDN控制器的控制下、目标eNB与源eNB的控制器在不同的SDN控制器的控制下，切换流程如图3所示。具体分以下步骤：

步骤1：源eNB向目标eNB发送切换请求消息，在源eNB接收到切换确认消息之后，向UE发出切换命令。

步骤2：目标eNB使用信令S-VLAN id向MME发起路径切换请求。

步骤3：目标eNB所在的SDN控制器接收到该路径切换请求后进行判断，若源eNB和目标eNB都在其控制范围则进行步骤4；若源eNB和目标eNB不是都在其控制范围则转到步骤6。

步骤4：源eNB和目标eNB所在的SDN控制器end_marker消息给源eNB，源eNB处理后将此信息转发给目标eNB。

步骤5：源eNB和目标eNB所在的SDN控制器更新其MMT，并发送路径切换消息给目标eNB，为UE建立新的数据转发路径，转到步骤13。

步骤6：目标eNB所在的SDN控制器将路径切换请求转发到MME。

步骤7：MME向S-GW发送更新用户面数据请求消息。

步骤8：S-GW使用信令S-VLAN id向源eNB发送end_marker消息。

步骤9：源eNB所在的SDN控制器接收到end_marker消息之后，转发给源eNB并更新其MMT，终止原数据转发路径。

步骤10：源eNB处理后将end_marker消息转发给目标eNB。

步骤11：MME使用信令S-VLAN id向目标eNB发送路径切换消息。

步骤12：目标eNB所在的SDN控制器接收到该路径切换消息后，更新其MMT，转发路径切换消息到目标eNB，为UE建立新的数据转发路径

步骤13：目标eNB通知源eNB释放无线资源。

在所述切换流程的步骤1中，源eNB向目标eNB发送的切换请求消息是通过X2接口发送的，包含UE的L2地址和C-VLAN id。

在所述切换流程中，所述end_marker消息是在LTE网络中S-GW不变的切换过程中，由SDN控制器或者S-GW发送给源eNB的一种特殊数据包，用于表示源eNB侧的数据传输结束。

在所述切换流程中，所述信令S-VLAN id是一个特殊的S-VLAN标识符，用于标识去往SDN控制器的分组，被标识为信令S-VLAN的分组都会被转发到SND控制器。

本发明提出的一种基于SDN的移性管理方法，能够实现回程网络有效识别特定的UE切换，识别各个业务流，并实现流量在其网络中的流量调度，管理和控制，消除了部分移动性管理对GTP隧道的需要，满足LTE网络中的无缝移动性同时也减少了接入网与核心网络之间的过度信令负载和隧道开销，降低了网络的复杂性。