一種基于sdn的異構網絡融合架構的制作方法

一種基于sdn的異構網絡融合架構的制作方法
【專利摘要】本發明專利提供了一種基于SDN的異構網絡融合的架構。該架構借鑒軟件定義網絡中控制與數據分離的核心思想，為EPC核心網絡加入控制器，將用戶身份信息封裝成唯一的用戶身份標識符，作為網絡接入及切換過程中的身份憑證；利用用戶身份標識符的概念，提出了通過控制器控制實現虛擬切換的方法，理論上能夠有效簡化切換接入過程，從而降低網絡接入時延。切換后IP保持不變，節省了異構網絡切換時在IP層切換花費的時間，從而達到降低整體切換時延的目標，同時IP保持也有助于移動環境下的IP地址管理及用戶安全性管理，為解決LTE網絡與WLAN網絡間無縫切換的問題提供了一個可行的解決方案。
【專利說明】—種基于SDN的異構網絡融合架構
【技術領域】
[0001]本發明專利涉及無線通信領域，尤其是無線通信的異構網絡切換方面。
【背景技術】
[0002]隨著無線終端應用的日益豐富，以及無線終端設備技術功能的跨越式發展，各種無線終端設備數量急速增長。Mary Meeker的報告《2012KPCB Internet Trends Year-EndUpdate》顯示:全球智能手機使用者年增長率42%，總用戶量已超過11億人，占全球手機使用者17%，并且還有許多成長空間；全美有29%以上的成年人擁有電子閱讀設備或平板電腦；全球移動設備帶來的網絡流量占總流量的13%;在印度，移動上網流量在今年下半年正式超越傳統電腦的流量；全球移動設備(智能手機+平板電腦)的數量于2013年第二季超越傳統電腦(桌上型電腦+筆記型電腦)。對于中國市場來說，Google于2013年進行的調查顯示，中國城市智能手機的普及率從2012年的33%上升至2013年的47%，近一半中國城市居民已擁有智能手機，并且69%的用戶每天都會使用智能手機訪問互聯網；市場研究公司Flurry發布的報告預計截至2013年2月底中國市場上已激活智能手機和平板電腦數量為2.46億部，美國為2.3億部；在未來，將會有越來越多的移動設備投入使用。
[0003]移動設備的大規模增長，使得無線通信需求急速增長，為了滿足多種無線通信業務的不同需求，各種無線通信協議應運而生并不斷發展與演進。為了滿足更高覆蓋率，2G、3G、LTE網絡與無線局域網(WLAN)多種異構網絡同時存在。多種無線接入方式包括Femt0Cell、3G、LTE、Wifi等的共存，也為我們帶來了新的問題:用戶在移動場景下使用這些網絡時，如何實現在這些異構網絡間的無縫切換？
[0004]軟件定義網絡(SoftwareDefinedNetwork, SDN)為異構網絡融合的結構和演進提供了新思路。SDN是由美國斯坦福大學Clean Slate研究組提出的一種新型網絡創新架構，其核心技術OpenFlow通過將網絡設備控制面與數據面分離開來，提出控制層面的抽象，實現了對網絡流量的靈活控制，為核心網絡及應用的創新提供了良好的平臺。

【發明內容】

[0005]本發明專利的目的在于提供一種基于SDN的異構網絡融合的架構，即利用軟件定義網絡的思想為EPC核心網絡加入控制器；并提出了一種新的異構網絡切換方法一通過控制器的控制來實現“虛擬切換”，理論上能夠有效簡化切換接入過程，從而降低網絡接入時延。并為IP保持提供可行的解決方法，節省異構網絡切換時在IP層切換花費的時間，從而達到降低切換時延的目標，旨在解決LTE網絡與WLAN網絡間切換與融合的問題。
[0006]該發明實施為了達到上述的目標采用以下技術方案:
[0007]1、開發一個基于SDN的核心網控制器，并將該控制器與核心網的P-GW網元、MME網元、eNodeB及各個無線AP直接連接，以便相互之間直接通信；
[0008]2、為本架構開發控制協議棧，在控制器與其他單元通信時進行協議控制；
[0009]3、將LTE及WLAN網絡的IP分配工作統一交由P_GW單元處理，統一不同無線網絡的IP分配機制，為虛擬切換做準備；
[0010]4、當用戶首次接入網絡時(以首次接入網絡時連接一個eNodeB為例進行描述)，P-Gff網元為該UE分配一個IP地址，基站將該UE的MAC地址、IP地址及其他用戶鑒權信息發送給控制器，控制器將這些信息封裝成一個用戶身份標識符User Identifier (以下簡稱UI碼)發送給源基站，作為UE在網絡中的身份憑證；
[0011]其中本發明所提出的異構網絡融合架構中，其切換過程采用如下技術方案(以從LTE到Wifi網絡切換為例說明):
[0012]步驟1:UE以一定的頻率不斷地監測判斷源基站的服務質量，當服務質量參數低于設定的門限值時，UE “決定”發起切換；
[0013]步驟2:UE向源基站發送切換申請信息，基站將切換申請傳達給控制器；
[0014]步驟3:控制器調用已有的基站/AP地理位置信息，檢測UE附近的基站/AP信號強度，并綜合整個網絡中各AP的負載和業務情況，利用規定好的切換決策算法，為UE挑選出最佳的切換目標AP。
[0015]步驟4:控制器向目標AP發送切換申請指令，控制器收到目標AP同意應答后，將要切換到的目標AP標識碼發給源基站，并將當前UE的UI標識碼發送給目標AP ；
[0016]步驟5:源基站通過廣播的形式向UE發送切換開始信息，將要切換到的AP標識碼附加發給UE，告知UE去切換到這個AP ；
[0017]步驟6:UE收到基站廣播信息后，回復給基站應答信息；
[0018]步驟7:源基站告知控制器UE即將切換，隨后與該UE斷開連接；
[0019]步驟8:UE向目標AP發送連接申請消息，申請建立連接。
[0020]步驟9:由于目標AP中已有該UE的Π信息，目標AP只需將UE的MAC地址與已有的UI信息中的MAC地址作比較:
[0021]a)若一致則當前申請接入的UE即是控制器已經通知過的UE，從而允許UE直接接入，發送同意連接信息Connection Success, UE與目標AP建立連接；
[0022]b)若不一致則是非法接入UE,發送拒絕連接信息Connection Refuse, UE重新與
源基站建立連接。
[0023]步驟10:假設MAC地址信息一致，則UE接入目標AP，目標AP不再進行重新分配IP的工作，UE繼續使用對應的UI標識符中的IP地址，由控制器發起和控制的虛擬切換完成。
[0024]本發明提出的一種基于SDN的異構網絡融合架構，其核心特征和有益效果有:
[0025]1、控制部分與數據部分相分離:在EPC核心網結構中加入獨立的控制器，控制異構網絡間的切換過程。便于網絡靈活化管理和應用創新。
[0026]2、統一不同制式網絡的IP分配機制:將LTE及WLAN網絡的IP分配工作統一交由P-Gff單元處理，滿足IP分配過程的一致性，便于IP地址管理；
[0027]3、引入“虛擬切換”:使用用戶標識符作為UE的唯一身份認證，在切換過程后期UE接入目標AP時，通過比較UE的MAC地址與已有Π碼中的MAC地址進行鑒權，省去了正常情況下的握手和鑒權過程，大大節省了網絡接入時延；
[0028]4、IP保持原則:切換后UE繼續使用原IP，目標AP無需再為其重新分配IP，即省去了 IP層切換流程，減少了切換所需時間，達到了有效降低切換時延的目的，IP保持也使得地址管理和安全性管理更加簡便。【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]為了更清楚地說明本申請實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請的一些實例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0030]圖1、一種基于SDN的異構網絡融合架構圖；
[0031 ] 圖2、從LTE到Wifi切換流程圖；
【具體實施方式】
[0032]下面將結合本申請實施例中的附圖,對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例只是本申請的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本申請中的實施例，本領域普通技術人員所獲得的所有其他實施例，都屬于本申請保護的范圍。
[0033]圖1是本發明提出的一種基于SDN的異構網絡融合架構圖，對該架構圖中的各個部分說明如下:
[0034]1、核心:控制器。控制器位于核心網中心，通過有線方式與P-GW、eN0deB及各種無線接入點分別進行連接，便于與各單元直接通信。控制器有三個功能單元:1)用戶標識符封裝器，負責將UE的IP地址、MAC地址及其他用戶鑒權信息封裝成用戶身份標識符(UserIdentifier，以下簡稱Π碼)；2)已驗證用戶表，負責網絡中已驗證用戶的信息記錄。每有用戶初次接入網絡，即為該用戶建立一條記錄，將其Π碼寫入用戶表；3)虛擬切換控制，負責挑選切換過程中的目標AP/基站，控制器根據各基站/AP的物理位置及網絡綜合業務負載情況，使用特定的判決算法挑選出最優目標AP/基站，并指導UE切換到該目標基站/AP。
[0035]2、運行規則:協議棧。控制器與其他單元通信時進行協議控制；
[0036]3、接入節點:傳統的eNodeB基站和再設計的無線接入點設備。本發明提出的架構網絡中使用傳統的eNodeB基站和經過重新設計的Wifi AP,WiMAX AP。傳統的Wifi AP自帶分配IP的功能，在本專利提出的架構中，將IP分配的工作從AP上剝離開，不同網絡下的IP分配工作均完全由P-GW實體完成，從而使異構網絡的IP分配過程達到一致，便于IP管理；
[0037]4、用戶接入與身份認證體制:采用唯一的用戶身份標識符(User Identifier,以下簡稱UI碼)。I)UE第一次請求接入網絡中某個基站/AP時，(以首次接入網絡時連接一個eNodeB為例進行描述)，P-GW實體為該UE分配一個專屬的IP地址，基站將該UE的MAC地址、IP地址及其他用戶鑒權信息發送給控制器，控制器將這些信息封裝成一個用戶身份標識符(User Identifier,以下簡稱Π碼)發送給源基站，作為UE在網絡中的身份憑證；2)控制器在已驗證用戶表中建立對當前UE的一條記錄，將該UE的Π碼寫入記錄中，UE完成網絡接入。
[0038]圖2是從LTE到Wifi網絡的切換流程圖，從Wifi到LTE網絡的切換流程與其相同。對圖2各步驟說明如下:
[0039]201:UE以一定的頻率不斷地監測判斷源基站的服務質量，當服務質量參數低于設定的門限值時，UE “決定”發起切換；[0040]202:UE向源基站發送切換申請信息，基站根據自身狀態回復切換應答信息，并將該切換申請發送給控制器；
[0041]203:控制器回復切換申請已知悉信息，然后調用已有的基站/AP地理位置信息，檢測UE附近的基站/AP服務質量參數，并綜合整個網絡中各AP的負載和業務情況，使用規定好的切換決策算法，為UE挑選出最佳的切換目標AP。
[0042]205:控制器向目標AP發送切換申請指令，目標AP給控制器發送切換應答信息。控制器收到應答信息后，將申請切換UE的UI標識碼發送給目標AP ；
[0043]206:控制器將要切換到的目標AP標識碼發給源基站，源基站通過基站廣播的形式向UE發送目標AP標識碼，告知UE去切換到這個AP ；
[0044]207:UE收到基站廣播信息后，發送給基站切換響應信息，源基站將該切換響應傳達給控制器，通知控制器UE要開始切換；
[0045]208:UE與源基站斷開連接，之后向目標AP發送連接申請消息；
[0046]209:由于目標AP中已有該UE的UI信息，目標AP只需將UE的MAC地址與已有的UI信息中的MAC地址作比較:
[0047]c)若一致則當前申請接入的UE即是控制器已經通知過的UE，從而允許UE直接接入，發送同意連接信息，UE與目標AP建立連接；
[0048]d)若不一致則該UE為非法接入UE，目標AP向UE發送拒絕連接信息，UE重新與源基站建立連接。
[0049]210:假設MAC地址信息一致，則UE接入目標AP，目標AP不再為其重新分配IP，UE繼續使用對應的UI標識符中的原IP地址，虛擬切換過程完成。
[0050]由于本發明所提出的架構中，使用了虛擬標識符UI作為UE在網絡中的身份標識及切換過程中的唯一身份憑證，在步驟210中:1)接入目標AP/基站時只需核對MAC地址是否相同，省去了正常接入時的握手鑒權等步驟，節省了網絡接入時延；2)切換后保持IP不變，不需重新分配IP，又節省了 IP層的切換時間。綜合下來使用這種“虛擬切換”方式能夠有效地降低切換時延，IP保持的特性也有利于移動網絡環境下的地址管理和安全性管理。提高了網絡的整體效率，為LTE與WLAN網絡間的異構網絡融合提供了解決方案。
【權利要求】
1.一種基于SDN的異構網絡融合架構，其特征在于: I)所述架構利用軟件定義網絡的思想為EPC核心網加入控制器，將控制功能從網絡數據面剝離開來，集中在控制器上。控制器與P-GW網元、MME網元、eNodeB及無線AP直接通信，并制定一組協議棧在通信過程中進行協議控制；2)統一不同網絡的IP配置機制，將IP配置職責統一交由P-GW單元實現；3)控制器為接入網絡的用戶設備封裝一個用戶標識符(User Identifier，簡稱Π)，作為該UE在網絡中的唯一身份標識。控制器在已驗證用戶表中建立對當前用戶設備UE的一條記錄，將該UE的UI寫入記錄中，UE完成網絡接入；4)通過控制器的控制來實現“虛擬切換”，省去了原有的IP層切換，且保持了切換前后用戶設備的IP地址不發生變化。
2.根據權利要求1所述的一種基于SDN的異構網絡融合架構，其特征在于: 所述架構利用軟件定義網絡的思想為EPC核心網加入控制器，控制器與P-GW網元、MME網元、eNodeB及無線AP直接通信，并制定一組協議棧在通信過程中進行協議控制；控制器有三個主要功能:a)用戶數據封裝，即產生用戶身份標識符(User Identifier,簡稱UI) ；b)已驗證用戶表的建立與寫入，將已經接入網絡的用戶Π碼寫入記錄；b)虛擬切換控制，為UE決策出最佳切換目標APJfUE的Π碼發送給目標APJfgSAP的標識碼通過源基站發送給UE，指導UE切換。
3.根據權利要求2所述的一種基于SDN的異構網絡融合架構，其特征在于: 當用戶首次接入網絡時(以首次接入網絡時連接一個eNodeB為例進行描述)，P-GW網元為該UE分配一個IP地址，基站將該UE的MAC地址、IP地址及其他用戶鑒權信息發送給控制器，控制器將這些信息封裝成一個用戶身份標識符User Identifier (以下簡稱UI碼)發送給源基站，作為UE在網絡中的身份憑證，以及之后虛擬切換過程中的身份憑證。
4.根據權利要求2所述的一種基于SDN的異構網絡融合架構，其特征在于: 控制器中有已驗證用戶表，當用戶初次接入網絡后，控制器在已驗證用戶表中建立對當前用戶設備UE的一條記錄，將該剛剛為UE創建的UI碼寫入記錄中。
5.根據權利要求2所述的一種基于SDN的異構網絡融合架構，其特征在于: 當UE發起切換時，源基站將該切換信息發送給控制器，控制器調用已有的基站/AP地理位置信息，檢測UE附近一定距離內的所有基站/AP信號強度，并綜合整個網絡中各AP的負載和業務情況，利用規定好的切換決策算法，為UE挑選出最佳的切換目標AP。并將UE的UI碼發送給目標APJfgSAP的標識碼發送給源基站。
6.根據權利要求5所述的一種基于SDN的異構網絡融合架構，其特征在于: 源基站將控制器決策出的目標AP標識碼通過基站廣播的形式發送給UE，告知UE去連接目標AP。
7.根據權利要求6所述的一種基于SDN的異構網絡融合架構，其特征在于: 當UE請求接入目標AP時，目標AP只需將UE的MAC地址與控制器發送過來的UI碼中的MAC地址進行比較，若一致，則同意UE接入，虛擬切換完成；若不一致，則拒絕UE接入，UE重新與源基站連接。
8.根據權利要求7所述的一種基于SDN的異構網絡融合架構，其特征在于: UE與目標AP建立連接后，UE的IP地址保持切換前的IP地址，不再進行重新分配。即節省了 IP層切換的步驟，降低了切換時延。
【文檔編號】H04W84/12GK104023335SQ201410232378
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年5月28日 優先權日:2014年5月28日
【發明者】趙星, 張振海, 路兆銘, 溫向明, 王魯晗, 雷濤, 馬璐, 夏修妍, 萬明飛 申請人:北京郵電大學