5G终端移动中应用层无感的业务连续性传输方法及装置

5g终端移动中应用层无感的业务连续性传输方法及装置
技术领域
1.本发明属于移动通信技术领域，特别涉及一种5g终端移动中应用层无感的业务连续性传输方法及装置。


背景技术：

2.在移动通信系统中，用户终端ue总是处于不断的移动状态，核心网络需要根据用户的业务进行情况来转换ue的状态，并保证在ue移动的时候，能够获取ue位置信息、保证数据传输的连续性，这些都需要通过移动性管理流程来实现。如何保证业务连续性，是移动性管理中长期关注的问题。
3.5g网络相对于4g网络最大的改进是彻底地实现了用户面与控制面的分离，upf作为唯一的用户面网元，可根据业务需求灵活部署，下沉至边缘节点，用来满足本地低时延、高可靠场景下的业务需求。
4.目前在5g 移动性支持方面，3gpp给出了3种会话和服务连续模式（session and service continuity，ssc）。 ssc模式1，网络会一直维持在pdu会话建立时充当pdu会话锚的upf，期间，ue分配的ip地址保持不变；ssc模式2，用户离开原upf区域，网络会触发释放原有pdu会话及锚点upf，并指示终端用户选择新的upf与同一dn建立新的pdu会话；ssc模式3，网络允许在新的pdu会话建立完成前依然保持用户与原有pdu会话锚点间的pdu会话，此时用户同时拥有两个pdu会话和upf会话锚点，最后释放掉原有的pdu会话。
5.可见，随着终端的移动，对于ssc模式2，pdu会话和业务均存在中断重建过程，适用于容忍短暂业务中断的视频传输等业务；对于ssc模式1，pdu会话锚点和ip地址保持不变，可以保证会话业务的连续性，如图5所示，但流量存在迂回，传输时延大，无法满足低时延业务需求；对于ssc模式3，pdu会话先建后断，通过网络侧和应用之间的协同机制来保证业务的连续性，从而满足低时延、高可靠业务需求，但该模式依赖于上层应用支持。因此，仅通过网络层的协议的改进，设计提出一种对于上层应用无感的会话低时延连续性模式具有实际的意义。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种5g终端移动中应用层无感的业务连续性传输方法及装置，在无需应用层协议支持下，5g终端在移动过程中，业务始终以最近路由接入数据网络，保证业务的低时延和连续性。
7.为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：本发明提供了一种5g终端移动中应用层无感的业务连续性传输方法， 5g终端用ue表示，核心网网元smf表示会话管理网元，amf表示接入和移动性管理网元，upf表示用户平面功能网元，网络中与5g终端通信的节点用nt表示，基站用gnb表示；在会话过程中，ue需由核心网分配两类ipv6地址，一种是路由标识，用于在网络中进行路由寻址；另一种是会话标识，用于在网络中标识节点的通信身份；该方法包含以下步骤：
步骤1，ue移动到基站gnb，接入核心网，建立pdu会话，并与对端节点nt建立通信；步骤2，ue移动，并切换至新基站接入，然后核心网收到ue位置变化的消息，判断是否需要切换upf，如果不需要，则执行步骤3，否则执行步骤4；步骤3，在smf的控制下，建立新gnb至老upf的双向隧道，在此期间，双方的ipv6地址保持不变；步骤4，smf就近选择新的upf，双方保持业务连续性；步骤5，若ue继续发生位置移动，则执行步骤2；步骤6，若ue会话结束，包括核心网侧发起释放请求以及用户侧发起释放请求，则由核心网释放会话资源。
8.进一步地，所述会话标识具备两种分配模式，包括固定分配静态ipv6地址和会话期间分配动态ipv6地址；所分配的会话标识应唯一，通过分配唯一本地地址或者指定ip网段方式实现。
9.进一步地，所述步骤1的实现过程如下：步骤1.1，初始会话建立时，根据核心网中存储的ue会话标识分配模式，若配置为动态分配模式，则由smf给ue分配动态ipv6地址，否则直接用ue的静态地址作为会话标识；步骤1.2，smf就近选择upf提供给ue接入，并根据选择的upf，给ue分配ipv6地址，作为路由标识；步骤1.3，建立基站gnb1-upf的gtp隧道；步骤1.4，ue将路由标识封装在数据包的源地址字段，并将会话标识封装在数据包的目的选项扩展头，给对端节点nt发起通信请求；步骤1.5，nt收到报文后，将报文中源地址和目的选项扩展头交换位置，从而提供ue的会话标识给上层应用，用于标识ue通信的身份；同时nt建立会标标识和路由标识的映射缓存；步骤1.6，nt将ue的路由标识封装在数据包的目的地址字段，将会话标识封装在数据包的路由扩展头，然后给ue发送数据；步骤1.7，ue收到报文后，将报文中的目的地址和路由扩展头交换位置，从而提供ue的会话标识给上层应用；步骤1.8，双方建立tcp连接，开始传输数据。
10.进一步地，所述步骤4，smf就近选择新的upf，双方按照如下步骤保持业务连续性：步骤4.1，smf通知老upf，ue发生位置变化，老upf缓存一段时间当前ue的路由标识；步骤4.2，smf重新选择新的upf，并给ue分配新的路由标识；步骤4.3，在smf控制下，拆除老upf与老基站间的隧道，建立一条新基站到新upf的gtp隧道，并临时建立一条老upf-新upf-新基站的gtp隧道，如果老upf-新upf之间不存在直达接口，则需要分配i-upf，保证隧道使用，隧道生存时间由系统设定，生存时间到后，smf组织隧道拆除；步骤4.4，ue向nt发送绑定注册消息，告知新路由标识；步骤4.5，nt收到绑定消息后，将存储ue路由标识与会话标识的映射关系更新；步骤4.6，若绑定消息到达nt前，nt先发送数据，则执行步骤4.7，否则执行步骤
4.8；步骤4.7，nt使用老路由标识作为目的地址给ue发送数据包；步骤4.8，nt使用新路由标识作为目的地址给ue发送数据包；步骤4.9，ue将新路由标识封装在数据包的源地址字段，并将会话标识封装在数据包的目的选项扩展头，给对端节点nt发送数据包；步骤4.10，nt收到报文后，将报文中源地址和目的选项扩展头交换位置，提供ue的会话标识给上层应用。
11.本发明还提供了一种5g终端移动中应用层无感的业务连续性传输装置，包括：节点通信建立模块，用于ue移动到基站gnb，接入核心网，建立pdu会话，并与对端节点nt建立通信；upf切换判断模块，用于ue移动，并切换至新基站接入，然后核心网收到ue位置变化的消息，判断是否需要切换upf；新gnb至老upf隧道建立模块，用于在smf的控制下，建立新gnb至老upf的双向隧道，在此期间，双方的ipv6地址保持不变；业务连续性保持模块，用于smf就近选择新的upf，双方保持业务连续性；会话资源释放模块，用于若ue会话结束，包括核心网侧发起释放请求以及用户侧发起释放请求，则由核心网释放会话资源。
12.与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、本发明的5g终端移动中应用层无感的业务连续性传输方法，相较于ssc模式1，核心网网元smf始终分配最近upf作为终端接入数据网络的锚点，业务始终从最近路由接入数据网络，用以保证数据低时延传输，并可减少用户平面隧道资源占用。
13.2、在终端移动过程中，通过动态建立gtp隧道的方式，保证核心网内数据通道不中断。
14.3、通过利用ipv6海量地址特性，给终端分配两类ipv6地址用作路由标识和会话标识，其中路由标识用于路由寻址，会话标识用于标识终端的通信身份；利用ipv6提供的扩展报头，将两类标识封装在数据包的报头中，并通过在通信节点处交换数据包的报头位置，使得路由切换过程中，上层应用感知的节点ip始终为会话标识。相较于现有的5g提供ssc模式3，用户的ip地址无需变化，无需上层应用的支持保证业务的连续性。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1是ipv6数据包报头格式示意图；图2是本发明实施例一的5g终端移动中应用层无感的业务连续性传输方法的流程示意图；图3是本发明实施例二的ue位置移动前5g终端移动中应用层无感的业务连续性传输方法的流程示意图；
图4是本发明实施例二的ue位置移动后5g终端移动中应用层无感的业务连续性传输方法的流程示意图；图5是5g终端移动场景下基于ssc模式1的ue-nt的数据路由示意图；图6是本发明实施例二的5g终端移动场景下ue-nt的数据路由示意图图7是本发明实施例二的5g终端移动场景下nt-ue的数据路由示意图。
具体实施方式
17.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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.实施例一本实施例的一种5g终端移动中应用层无感的业务连续性传输方法中，5g终端用ue表示，核心网网元smf表示会话管理网元，amf表示接入和移动性管理网元，upf表示用户平面功能网元，网络中与5g终端通信的节点用nt表示，基站用gnb表示。
19.ipv6是用于替代ipv4的新一代网络层协议，其可以为终端提供足够的 ip 地址，相对 ipv4 ，添加了扩展报头，易于功能扩展，数据包报头格式如图1所示。在移动性支持方面，通过ipv6提供的目的选项扩展头，移动节点通过家乡地址与对端节点通信，并将自己转交地址通告给对端节点，避免了ipv4存在的三角路由问题。5g中采用锚点方式接入dn网络，核心网内部采用gtp隧道方式传输数据，天然与移动ipv6协议适配。基于此，可借鉴现有移动ipv6协议，利用ipv6提供的扩展报头以及海量地址特性，给移动终端分配两类ip地址，封装在数据包的扩展报头中进行传输数据，并对现有5g的ssc模式进行适配性改造，可有效解决低时延与业务连续性的矛盾，并可实现移动过程对上层应用无感。
20.在会话过程中，ue需由核心网分配两类ipv6地址，一种是路由标识，用于在网络中进行路由寻址；另一种是会话标识，用于在网络中标识节点的通信身份。其中，会话标识具备两种分配模式，包括固定分配静态ipv6地址和会话期间分配动态ipv6地址；所分配的会话标识应全球唯一，可通过分配唯一本地地址或者指定ip网段等方式实现。
21.本实例的方法包含以下步骤，如图2所示：步骤s1，ue移动到基站gnb，接入核心网，建立pdu会话，并与对端节点nt建立通信。具体实现过程如步骤s101至步骤s108。
22.步骤s101，初始会话建立时，根据核心网中存储的ue会话标识分配模式，若配置为动态分配模式，则由smf给ue分配动态ipv6地址，否则直接用ue的静态地址作为会话标识。
23.步骤s102，smf就近选择upf提供给ue接入，并根据选择的upf，给ue分配ipv6地址，作为路由标识。
24.步骤s103，建立基站gnb1-upf的gtp隧道。
25.步骤s104，ue将路由标识封装在数据包的源地址字段，并将会话标识封装在数据包的目的选项扩展头，给对端节点nt发起通信请求。
26.步骤s105，nt收到报文后，将报文中源地址和目的选项扩展头交换位置，从而提供ue的会话标识给上层应用，用于标识ue通信的身份；同时nt建立会话标识和路由标识的映
射缓存。
27.步骤s106，nt将ue的路由标识封装在数据包的目的地址字段，将会话标识封装在数据包的路由扩展头，然后给ue发送数据。
28.步骤s107，ue收到报文后，将报文中的目的地址和路由扩展头交换位置，从而提供ue的会话标识给上层应用。
29.步骤s108，双方建立tcp连接，开始传输数据。
30.步骤s2，ue移动，并切换至新基站接入，然后核心网收到ue位置变化的消息，判断是否需要切换upf，如果不需要，则执行步骤s3，否则执行步骤s4。
31.步骤s3，在smf的控制下，建立新gnb至老upf的双向隧道，在此期间，双方的ipv6地址保持不变。
32.步骤s4，smf就近选择新的upf，双方按照步骤s401至步骤s410保持业务连续性。
33.步骤s401，smf通知老upf，ue发生位置变化，老upf缓存一段时间当前ue的路由标识。
34.步骤s402，smf重新选择新的upf，并给ue分配新的路由标识。
35.步骤s403，在smf控制下，拆除老upf与老基站间的隧道，建立一条新基站到新upf的gtp隧道，并临时建立一条老upf-新upf-新基站的gtp隧道，如果老upf-新upf之间不存在直达接口，则需要分配i-upf，保证隧道使用，隧道生存时间由系统设定，生存时间到后，smf组织隧道拆除。
36.步骤s404，ue向nt发送绑定注册消息，告知新路由标识。
37.步骤s405，nt收到绑定消息后，将存储ue路由标识与会话标识的映射关系更新。
38.步骤s406，若绑定消息到达nt前，nt先发送数据，则执行步骤s407，否则执行步骤s408。
39.步骤s407，nt使用老路由标识作为目的地址给ue发送数据包。
40.步骤s408，nt使用新路由标识作为目的地址给ue发送数据包。
41.步骤s409，ue将新路由标识封装在数据包的源地址字段，并将会话标识封装在数据包的目的选项扩展头，给对端节点nt发送数据包。
42.步骤s410，nt收到报文后，将报文中源地址和目的选项扩展头交换位置，提供ue的会话标识给上层应用。
43.步骤s5，若ue继续发生位置移动，则执行步骤s2。
44.步骤s6，若ue会话结束，包括核心网侧发起释放请求以及用户侧发起释放请求，则由核心网释放包括地址、隧道等会话资源。
45.实施例二本实例的5g终端移动中应用层无感的业务连续性传输方法，5g终端ue与对端节点nt进行通信，采用动态分配会话标识模式，nt分配ipv6地址为ip_c，初始时，ue从基站gnb1接入。在移动过程中，历经从锚点upf1至锚点upf2切换，upf1与upf2具有直达n9接口。该方法包括如下步骤：步骤a，ue从基站gnb1接入核心网，建立pdu会话，并与对端nt建立通信连接。具体实现过程如步骤a1至步骤a8，如图3所示。
46.步骤a1，初始会话建立时，由smf给ue分配动态会话标识ip_u，动态会话标识采用
rfc4193定义的唯一本地地址规范，并通过伪随机方式生成。
47.步骤a2，smf就近选择upf1提供给ue接入，并分配ue路由标识ip_r1。
48.步骤a3，建立gnb1
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upf1的双向gtp隧道。
49.步骤a4，ue将路由标识ip_r1封装在数据包的源地址字段，并将会话标识ip_u封装在数据包的目的选项扩展头，给对端nt发起通信请求。
50.步骤a5，nt收到报文后，将报文中源地址ip_r1和目的选项扩展头ip_u交换位置，并提供ip_u给上层应用，用于标识ue通信的身份；同时nt建立会话标识和路由标识的映射缓存，映射关系为ip_u-ip_r1。
51.步骤a6，nt将ip_r1封装在数据包的目的地址字段，将ip_u封装在数据包的路由扩展头，然后给ue发送数据。
52.步骤a7，ue收到报文后，将报文中的目的地址ip_r1和路由扩展头ip_u交换位置，从而提供ue的会话标识ip_u给上层应用。
53.步骤a8，双方建立tcp连接并传输数据，此时ue应用层感知的目的ip地址为ip_u，源地址为ip_c，nt应用层感知的目的ip地址为ip_c，源地址为ip_u。
54.步骤b，ue移动至基站gnb2接入，核心网检测到ue发生位置变化，并判断出锚点需要进行切换。
55.步骤c，smf就近选择新的upf2，并按照如下步骤c1至c10保持业务不断，如图4所示。
56.步骤c1，smf通知upf1，ue发生位置变化，upf1缓存路由标识ip_r1与ue的映射，设立缓存定时器t0，若定时器计时时间到，则删除映射关系。
57.步骤c2，smf就近选择upf2供ue入网，并给ue分配新的路由标识ip_r2。
58.步骤c3，在smf控制下，拆除gnb1-upf1的双向gtp隧道，建立一条gnb2-upf2的双向gtp隧道，并临时建立一条upf1
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upf2
‑ꢀ
gnb2方向gtp隧道，设立隧道生存时间t1，若生存时间到，则拆除临时隧道。
59.步骤c4，ue向nt发送绑定注册消息，告知新路由标识ip_r2。
60.步骤c5，nt收到绑定消息后，将存储ue路由标识与会话标识的映射关系更新为ip_u-ip_r2。
61.步骤c6，若绑定消息到达nt前，nt先发送数据，则执行步骤c7，否则执行步骤c8。
62.步骤c7，nt使用老路由标识ip_r1作为目的地址给ue发送数据，数据传输路径为nt-upf1-upf2-ue，如图6所示。
63.步骤c8，nt使用新路由标识ip_r2作为目的地址给ue发送数据，数据传输路径为ue-upf2-nt，如图7所示。
64.步骤c9，ue用ip_r2封装在数据包的源地址字段，并将ip_u封装在数据包的目的选项扩展头，给对端节点nt传输数据。
65.步骤c10，对端nt收到报文后，将报文中的ip_r2和ip_u交换位置，并提供ip_u给上层应用，则在双方通信过程中，应用层感知的双方的ip地址分别为ip_u和ip_c。
66.步骤d，若ue结束会话，ue向核心网发起会话结束请求，核心网收到请求后，释放ipv6地址、隧道等资源。
67.与上述5g终端移动中应用层无感的业务连续性传输方法相应地，本实施例还提出
一种5g终端移动中应用层无感的业务连续性传输装置，包括：节点通信建立模块，用于ue移动到基站gnb，接入核心网，建立pdu会话，并与对端节点nt建立通信；upf切换判断模块，用于ue移动，并切换至新基站接入，然后核心网收到ue位置变化的消息，判断是否需要切换upf；新gnb至老upf隧道建立模块，用于在smf的控制下，建立新gnb至老upf的双向隧道，在此期间，双方的ipv6地址保持不变；业务连续性保持模块，用于smf就近选择新的upf，双方保持业务连续性；会话资源释放模块，用于若ue会话结束，包括核心网侧发起释放请求以及用户侧发起释放请求，则由核心网释放会话资源。
68.本发明通过利用ipv6提供的扩展报头和海量地址特性，给终端分配两类ipv6地址，然后对现有5g的ssc模式1的协议进行适配性改造，可有效解决终端移动过程中业务低时延与连续性的矛盾。相较于现有的ssc模式3，用户的ip地址无需变化，无需上层应用的支持保证业务的连续性；相较于ssc模式1，业务始终从最近路由接入数据网络，降低流量传输时延，并可减少用户平面隧道资源占用。
69.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
70.最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。