一种基于SDN的LTE与WLAN异构网络切换系统及方法与流程

本发明属于涉及不同无线接入技术下的融合，数据会话保持和垂直切换控制问题，尤其涉及lte(3gpp长期演进系统)和wlan(无线局域网)的融合和在这种融合系统下保持ue在两种接入技术间的无缝切换的方法。

背景技术：

随着移动通信技术的高速发展和用户业务需求的不断提高，特别是对视频流和音频流的不断增大，多种不同网络的共存和融合成为下一代移动通信发展的必然趋势。具体表现在：1、目前异构网络的切换方法时延大，用户从一种网络到另一种网络时，用户会话容易中断，无法保证用户qos；2、目前用户产生的流量主要是音频流或是视频流，而这些数据的特性就是需要高的网络带宽，而传统的lte无法支持这种需求，而被广泛部署的wlan网络，具有网络带宽大，接入速率高，可以为移动用户提供更快的上网速度。

基于上面2点，将lte和wlan融合在一起，利用wlan接入速率高，带宽大，接入速率高特性去弥补目前lte的不足，为用户提供更好的服务。针对现有不同接入网络的融合，最大的问题就是用户在不同网络间漫游时，产生较大的时延，造成用户业务无法正常进行。因此，本文将提供一种基于sdn的异构网络切换方法，降低切换时延，保证系统性能。

技术实现要素：

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种可以减少lte和wlan之间切换带来的时延，保证系统性能的基于sdn的lte与wlan异构网络切换系统及方法。本发明的技术方案如下：

一种基于sdn的lte与wlan异构网络切换系统，所述lte系统主要是由分组数据网关pgw、服务网关sgw、lte基站enb和移动性管理实体mme构成，pgw通过lte中标准协议接口与sgw连接，主要完成对ue的ip地址的分配和相关路由功能；sgw分别采用s5/s8接口与pgw连接，采用s11接口与mme连接；最后每个enb都会利用s1-mme和s1-u接口分别与mme和sgw分别直接相连接；移动用户设备ue会通过无线承载的方式与基站之间保持通信，wlan中，主要由无线接入网关wag和无线接入点ap组成，wag与ap直接相连，而wag通过与pgw之间建立的ip隧道进行数据和信令的转发，其特征在于，还包括基于sdn的控制器，所述控制器分别与支持openflow的pgw和sgw相连接，将lte中分组数据网关pgw的数据流控制功能分离并转至基于sdn的控制器,利用控制器的全网特性，做数据流转发控制；在分组数据网关pgw和无线接入网关wag之间建立ip隧道，实现lte和wlan之间的数据或信令的交互；当lte到wlan切换被触发，控制器根据网络状况信息，综合信息做出切换决策，ue根据下发的切换指令实现切换，而相应的ip隧道会被建立，保证数据的迁移时的完整性。

进一步的，所述分组数据网关pgw和无线接入网关wag之间的ip隧道建立后，将lte的wlan的物理网络接口，进行抽象形成虚拟网络接口，而物理网络接口则被隐藏，这样可以为虚拟接口配置相同的ip地址，即从lte到wlan的地址保持不变，即pgw和wag为用户分配的ip地址是相同的。

进一步的，所述无线接入网关wag主要是作为wlan接入到lte的接口，并与控制器fc进行用户信令的交换；主要为ue提供上网服务，为ue分配ip地址和负责ue在wlan下的不同ap之间漫游的移动性管理；当lte与wlan之间发生切换的时候，wag会通知ap上报测量信息，通过wag转发到控制器做切换决策和将来自pgw的用户缓存数据进行数据的格式转化，转化成能在wlan上传输的格式。

进一步的，所述ue关联enb的过程为：ue首先通过2层连接，然后pgw通过二层信令获取ue的身份信息，如果pgw接收用户请求，并为其提供服务，则pgw将发送用户绑定更新消息ub_update给控制器，控制器收到ub_update后，建立ue信息维护表项，并发送ub_ack给pgw，为ue分配ip，并发送路由通告消息ra，ue收到ra后，配置相关信息，实现接入上网。

一种基于所述系统的lte与wlan异构网络切换方法，其包括以下步骤：

用户ue从lte漫游到wlan的具体步骤为：

步骤a1、当ue处在lte的覆盖范围内，由与之连接的基站负责ue的上网和基站之间的漫游移动性管理，具体为：enb将来自ue的关联请求上传到pgw，pgw收到关联请求后会为ue分配ip地址，建立eps默认承载，并发送用户绑定更新消息ub_update到控制器，fc会对应地回复ub_ack消息，来确认控制器已经成功接收ub_update；

步骤a2、当移动用户ue漫游到lte网络边缘且检测到wlan的某个或是多个ap的信号时候，ue会根据pgw发送的测量控制要求向pgw发送测量报告，包括移动节点mn标识id及信号质量在内的信息；

步骤a3、pwg将切换请求消息上传至控制器，控制器将切换请求消息转发给wag，wag接收到切换请求信息后，建立与ap之间的联系，获得wlan接入点的可用资源信息和负载信息作为接入控制测量信息，wag收到接入控制测量信息后，将信息上报给控制器处理；

步骤a4、控制器根据来自lte和wlan的测量报告信息，做出相应的切换控制决定，发送切换请求响应到pgw，如果控制器做出ue切换到wlan的决策，则执行相关的切换操作，然后进入步骤a5，否则切换过程不执行；

步骤a5、控制器fc发送切换请求响应给lte中的pgw后,基站enb根据该切换请求响应消息，给ue发送切换指令，切换请求响应消息包括允许切换和拒绝切换；

步骤a6、当ue获得允许切换时，ue与wlan中的某个合适ap进行wlan协议中定义的标准的鉴权和相关操作，pgw缓存待发送给ue终端的数据，后通过pgw和wag之间的隧道实现传输，wag接收来自pgw的数据并缓存；

步骤a7、当ue完成wlan的接入过程后，会发送接入完成消息到wag，wag回复确认消息和为该ue分配ip地址，并向fc发送ub_update；

步骤a8、控制器通知wag对接受来自pgw的数据进行解封装，并传给对应的用户ue，实现数据的无损传输，ue发送切换确认请求道fc，fc收到切换完成请求，之后fc会通知enb释放网络资源，移除ue的相关信息。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明提供一种基于sdn的lte和wlan的融合架构，能够缓解pgw的工作负荷，简化pgw的设计，使其只负责数据的快速路由转发，同时减轻了lte的epc在边缘网络的复杂度。为了解决切换带来的用户数据丢失等问题和保证无缝切换，本发明提出通过controller控制pgw和wag，并在pgw和wag之间建立ip隧道，实现数据流在ip网络层的无缝迁移，即用户ue在不同接入网络下实现快速切换。保证了用户漫游过程中数据的完整性和提高了用户速率，保证了用户体验。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例lte和wlan融合网络架构的示意图；

图2ue接入lte过程的示意图；

图3ue接入wlan过程的示意图；

图4隧道建立过程的示意图；

图5lte到wlan切换流程的示意图；

图6wlan到lte切换流程的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本发明引入了基于pmipv6技术，在wlan中引入了无线接入网关wag，将无线接入网关作为lte和wlan的互通接口，让具有多个网络接口的用户设备ue，能够在lte和wlan两种接入技术下实现无缝切换。

如图1所示，lte系统主要是由分组数据网关pgw，服务网关sgw，lte基站enb和移动性管理实体mme构成。pgw通过lte中标准协议接口s5/s8与sgw连接，主要完成对ue的ip地址的分配和相关路由功能；sgw分别采用s5/s8接口与pgw连接和s11接口与mme连接；最后每个enb都会利用s1-mme和s1-u接口分别与mme和sgw分别直接相连接；移动用户设备ue会通过无线承载的方式与基站之间保持通信。除此之外，还包括controller，分别与支持openflow的pgw和sgw连接。

wlan中，主要由无线接入网关wag和无线接入点ap组成。wag与ap直接相连，而wag通过与pgw之间建立的ip隧道进行数据和信令的转发。

用户设备ue一般具有多个网络接口，一般是具有lte和wlan接入能力的手机或是电脑等终端智能设备。而用户接入上网由分组数据网关pgw提供。

无线接入网关wag主要是作为wlan接入到lte的接口，并与控制器fc进行用户信令的交换；主要为ue提供上网服务，为ue分配ip地址和负责ue在wlan下的不同ap之间漫游的移动性管理；当lte与wlan之间发生切换的时候，wag会通知ap上报测量信息，通过wag转发到控制器做切换决策和将来自pgw的用户缓存数据进行数据的格式转化，转化成能在wlan上传输的格式。而pgw与wag具有类似的功能。

在用户会话从lte接口转化到wlan接口或是从wlan到lte的时候会导致原ip会话中断，为了保持会话的持续性必须对不同的网络的ip地址进行相关处理。这里我们采用的是，将lte的wlan的网络物理接口，进行抽象形成虚拟网络接口，而物理网络接口则被隐藏，这样可以为虚拟接口配置相同的ip地址，即从lte到wlan的地址保持不变。即pgw和wag为用户分配的ip地址是相同的。

用户开始关联在lte中的enb上，这里我们为了图2，图3和图4的简要明了，把架构中不涉及的的一些部件没有画出，比如mme,sgw，ap等。ue关联enb的过程如图2所示，ue首先通过2层连接，然后pgw通过二层信令获取ue的身份信息，如图中标号1，包括用户识别码ue_id等；如果pgw接收用户请求，并为其提供服务，则pgw将发送用户绑定更新消息ub_update给controller，如图中标号2；controller收到ub_update后，会为建立ue信息维护表项，并发送ub_ack，图中标号3；pgw收到ub_ack后，为ue分配ip，并发送路由通告消息ra，图中标号4。ue收到ra后，配置相关信息，实现接入上网。

ue关联wag过程如图3所示，当ue发送关联请求，探测到了wifi信号，图中标号1；pgw收到后，发送切换请求消息到controller，请求消息中包含lte网络状态信息，图中标号2；controller收到请求后，获取wlan网络状态，综合决策，并向pgw发送hd_ack，ue完成与ap的接入过程，同时wag会向fc发送绑定更新信息，并在fc中新建用户信息维护表项，回复ub_ack，图中标号4,5。

具体的隧道建立过程如图4所示，当ue完成与ap的关联过程后，controller会发送movedatatowag指令，pgw收到后，会建立pgw到wag的隧道；同时controller发送receivedata，wag收到后，会建立wag到pgw的隧道，至此，pgw之间wag的双向隧道被建立，在pgw预先保存的数据，可以通过隧道传输，解封装后发送给用户。

为了详细说明本发明，从lte到wlan的切换过程如图5所示，其切换流程的具体步骤如下：

步骤501：当ue处在lte的覆盖范围内，由与之连接的基站负责ue的上网和基站之间的漫游移动性管理。具体为：enb将来自ue的关联请求上传到pgw，pgw收到关联请求后会为ue分配ip地址，建立eps默认承载，并发送用户捆绑更新消息ub_update到controller，控制器会检查本地缓存，若没有ue相关信息，则会新建一个条目，同时fc会对应地回复ub_ack消息，来确认fc已经成功接收ub_update。

步骤502：当ue处在lte网络边缘且检测到wlan的某个或是多个ap的信号时候，ue会根据pgw发送的测量控制要求向pgw发送测量报告，包括移动节点mn标识id，小区标识，接收功率和信号质量等。之后pwg将切换请求消息上传至控制器，切换请求包括了lte的网络状况消息，controller收到切换请求消息后，会要求wag与ap建立联系，获取wlan网络状况信息。最后controller会中切换决策，并向pgw发送发送切换回应消息。具体而言，控制器利用得到的网络用户数，可用资源和是否满足业务qos等方面来判断是否允许用户ue接入到wlan网络。切换回应消息包括允许切换和拒绝切换。

步骤503：pgw收到来自fc的切换回应消息后，会向ue下发切换指令。当ue获得允许切换时，ue会与wlan中的某个合适ap进行wlan协议中定义的标准的鉴权和相关操作。pgw会缓存待发送给ue终端的数据，后通过pgw和wag之间的隧道实现传输，wag会接收来自pgw的数据并缓存

步骤504：当ue完成wlan的接入过程后，会发送接入完成消息到wag，wag回复确认消息和为该ue分配ip地址，并向fc发送ub_update更新消息。ub_update包括ue端口的变化等，表明ue的数据通信端口已经发生变化，通过该消息，ue完成与pgw的绑定关系。但是lte接口转化到wlan接口的时候会导致原ip会话中断，为了保持会话的持续性必须对不同的网络的ip地址进行相关处理。这里我们采用的是，将lte的wlan的网络物理接口，进行抽象形成虚拟网络接口，而物理网络接口则被隐藏，这样可以为虚拟接口配置相同的ip地址，即从lte到wlan的地址保持不变。

步骤505：controller通知pgw将缓存的用户数据转发到wag，同时也会通知wag准备接收来自pgw的数据。最后，会在pgw和wag之间建立ip隧道。wag通过该隧道接受来自pgw的数据并进行分组数据的解封装，转化成能在wlan上传输的格式，并传给对应的用户ue，实现数据的无损传输。ue发送切换确认请求到控制器，控制器收到切换完成请求，会通知enb释放网络资源，移除ue的相关信息。

从wlan到lte的切换流程如图6所示，该切换过程基本上与lte切换到wlan的切换过程类似，具体步骤如下：

步骤601：ue会ap关联，并发送用户绑定更新消息ub_update到控制器来建立pgw与ue之间的绑定关系。

步骤602：ue检测到lte中的信号，按照测量要求，向wag报告wlan网络可用状态并转发到controller，同时控制器会通知pgw上报lte测量消息。最后依据得到的网络状态信息，控制器会做切换决策，并向wag下发切换规则。

步骤603：wag依据切换确认消息，向ue下发切换指令，按照lte标准的随机接入流程，建立与enb连接，同时wag会缓存用户数据在wag本地缓存中。

步骤604：当ue完成与lte的接入过程后，pgw会为ue分配ip地址，并向controller发送ub_update来确定ue与pgw间绑定关系。

步骤605：controller通知wag将缓存的用户数据转发到pgw，同时也会通知pgw准备接收来自wag的数据。最后，会在wag和pgw之间建立ip隧道。pgw通过该隧道接受来自wag的数据并进行分组数据的解封装，转化成能在lte上传输的格式，并传给对应的用户ue，实现数据的无损传输。ue发送切换确认请求道fc，fc收到切换完成请求，之后fc会通知ap释放网络资源，移除ue的相关信息。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。