一種基于sdn的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明專利提供了一種基于SDN的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的架構(gòu)。該架構(gòu)借鑒軟件定義網(wǎng)絡(luò)中控制與數(shù)據(jù)分離的核心思想，為EPC核心網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(xiàn)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(wǎng)絡(luò)接入時延。切換后IP保持不變，節(jié)省了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(huán)境下的IP地址管理及用戶安全性管理，為解決LTE網(wǎng)絡(luò)與WLAN網(wǎng)絡(luò)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(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及無線通信領(lǐng)域，尤其是無線通信的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換方面。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無線終端應(yīng)用的日益豐富，以及無線終端設(shè)備技術(shù)功能的跨越式發(fā)展，各種無線終端設(shè)備數(shù)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(shè)備或平板電腦；全球移動設(shè)備帶來的網(wǎng)絡(luò)流量占總流量的13%;在印度，移動上網(wǎng)流量在今年下半年正式超越傳統(tǒng)電腦的流量；全球移動設(shè)備(智能手機+平板電腦)的數(shù)量于2013年第二季超越傳統(tǒng)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(diào)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(lián)網(wǎng)；市場研究公司Flurry發(fā)布的報告預(yù)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(shù)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(shè)備投入使用。
[0003]移動設(shè)備的大規(guī)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(yè)務(wù)的不同需求，各種無線通信協(xié)議應(yīng)運而生并不斷發(fā)展與演進。為了滿足更高覆蓋率，2G、3G、LTE網(wǎng)絡(luò)與無線局域網(wǎng)(WLAN)多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)時，如何實現(xiàn)在這些異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的無縫切換？
[0004]軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SoftwareDefinedNetwork, SDN)為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的結(jié)構(gòu)和演進提供了新思路。SDN是由美國斯坦福大學(xué)Clean Slate研究組提出的一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，其核心技術(shù)OpenFlow通過將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面與數(shù)據(jù)面分離開來，提出控制層面的抽象，實現(xiàn)了對網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，為核心網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用的創(chuàng)新提供了良好的平臺。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明專利的目的在于提供一種基于SDN的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的架構(gòu)，即利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)的思想為EPC核心網(wǎng)絡(luò)加入控制器；并提出了一種新的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換方法一通過控制器的控制來實現(xiàn)“虛擬切換”，理論上能夠有效簡化切換接入過程，從而降低網(wǎng)絡(luò)接入時延。并為IP保持提供可行的解決方法，節(jié)省異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)與WLAN網(wǎng)絡(luò)間切換與融合的問題。
[0006]該發(fā)明實施為了達到上述的目標采用以下技術(shù)方案:
[0007]1、開發(fā)一個基于SDN的核心網(wǎng)控制器，并將該控制器與核心網(wǎng)的P-GW網(wǎng)元、MME網(wǎng)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(gòu)開發(fā)控制協(xié)議棧，在控制器與其他單元通信時進行協(xié)議控制；
[0009]3、將LTE及WLAN網(wǎng)絡(luò)的IP分配工作統(tǒng)一交由P_GW單元處理，統(tǒng)一不同無線網(wǎng)絡(luò)的IP分配機制，為虛擬切換做準備；
[0010]4、當用戶首次接入網(wǎng)絡(luò)時(以首次接入網(wǎng)絡(luò)時連接一個eNodeB為例進行描述)，P-Gff網(wǎng)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(quán)信息發(fā)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(fā)送給源基站，作為UE在網(wǎng)絡(luò)中的身份憑證；
[0011]其中本發(fā)明所提出的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)中，其切換過程采用如下技術(shù)方案(以從LTE到Wifi網(wǎng)絡(luò)切換為例說明):
[0012]步驟1:UE以一定的頻率不斷地監(jiān)測判斷源基站的服務(wù)質(zhì)量，當服務(wù)質(zhì)量參數(shù)低于設(shè)定的門限值時，UE “決定”發(fā)起切換；
[0013]步驟2:UE向源基站發(fā)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(diào)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(wǎng)絡(luò)中各AP的負載和業(yè)務(wù)情況，利用規(guī)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(fā)送切換申請指令，控制器收到目標AP同意應(yīng)答后，將要切換到的目標AP標識碼發(fā)給源基站，并將當前UE的UI標識碼發(fā)送給目標AP ；
[0016]步驟5:源基站通過廣播的形式向UE發(fā)送切換開始信息，將要切換到的AP標識碼附加發(fā)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(fù)給基站應(yīng)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(fā)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(jīng)通知過的UE，從而允許UE直接接入，發(fā)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(fā)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(shè)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(xù)使用對應(yīng)的UI標識符中的IP地址，由控制器發(fā)起和控制的虛擬切換完成。
[0024]本發(fā)明提出的一種基于SDN的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)，其核心特征和有益效果有:
[0025]1、控制部分與數(shù)據(jù)部分相分離:在EPC核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)中加入獨立的控制器，控制異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的切換過程。便于網(wǎng)絡(luò)靈活化管理和應(yīng)用創(chuàng)新。
[0026]2、統(tǒng)一不同制式網(wǎng)絡(luò)的IP分配機制:將LTE及WLAN網(wǎng)絡(luò)的IP分配工作統(tǒng)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(quán)，省去了正常情況下的握手和鑒權(quán)過程，大大節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)接入時延；
[0028]4、IP保持原則:切換后UE繼續(xù)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(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)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(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0030]圖1、一種基于SDN的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)圖；
[0031 ] 圖2、從LTE到Wifi切換流程圖；
【具體實施方式】
[0032]下面將結(jié)合本申請實施例中的附圖,對本申請實施例中的技術(shù)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?；诒旧暾堉械膶嵤├?，本領(lǐng)域普通技術(shù)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(fā)明提出的一種基于SDN的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)圖，對該架構(gòu)圖中的各個部分說明如下:
[0034]1、核心:控制器?？刂破魑挥诤诵木W(wǎng)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(quán)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(wǎng)絡(luò)中已驗證用戶的信息記錄。每有用戶初次接入網(wǎng)絡(luò)，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(jù)各基站/AP的物理位置及網(wǎng)絡(luò)綜合業(yè)務(wù)負載情況，使用特定的判決算法挑選出最優(yōu)目標AP/基站，并指導(dǎo)UE切換到該目標基站/AP。
[0035]2、運行規(guī)則:協(xié)議棧?？刂破髋c其他單元通信時進行協(xié)議控制；
[0036]3、接入節(jié)點:傳統(tǒng)的eNodeB基站和再設(shè)計的無線接入點設(shè)備。本發(fā)明提出的架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中使用傳統(tǒng)的eNodeB基站和經(jīng)過重新設(shè)計的Wifi AP,WiMAX AP。傳統(tǒng)的Wifi AP自帶分配IP的功能，在本專利提出的架構(gòu)中，將IP分配的工作從AP上剝離開，不同網(wǎng)絡(luò)下的IP分配工作均完全由P-GW實體完成，從而使異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中某個基站/AP時，(以首次接入網(wǎng)絡(luò)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(quán)信息發(fā)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(fā)送給源基站，作為UE在網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)接入。
[0038]圖2是從LTE到Wifi網(wǎng)絡(luò)的切換流程圖，從Wifi到LTE網(wǎng)絡(luò)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(jiān)測判斷源基站的服務(wù)質(zhì)量，當服務(wù)質(zhì)量參數(shù)低于設(shè)定的門限值時，UE “決定”發(fā)起切換；[0040]202:UE向源基站發(fā)送切換申請信息，基站根據(jù)自身狀態(tài)回復(fù)切換應(yīng)答信息，并將該切換申請發(fā)送給控制器；
[0041]203:控制器回復(fù)切換申請已知悉信息，然后調(diào)用已有的基站/AP地理位置信息，檢測UE附近的基站/AP服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，并綜合整個網(wǎng)絡(luò)中各AP的負載和業(yè)務(wù)情況，使用規(guī)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(fā)送切換申請指令，目標AP給控制器發(fā)送切換應(yīng)答信息?？刂破魇盏綉?yīng)答信息后，將申請切換UE的UI標識碼發(fā)送給目標AP ；
[0043]206:控制器將要切換到的目標AP標識碼發(fā)給源基站，源基站通過基站廣播的形式向UE發(fā)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(fā)送給基站切換響應(yīng)信息，源基站將該切換響應(yīng)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(fā)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(jīng)通知過的UE，從而允許UE直接接入，發(fā)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(fā)送拒絕連接信息，UE重新與源基站建立連接。
[0049]210:假設(shè)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(xù)使用對應(yīng)的UI標識符中的原IP地址，虛擬切換過程完成。
[0050]由于本發(fā)明所提出的架構(gòu)中，使用了虛擬標識符UI作為UE在網(wǎng)絡(luò)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(quán)等步驟，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)接入時延；2)切換后保持IP不變，不需重新分配IP，又節(jié)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(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的地址管理和安全性管理。提高了網(wǎng)絡(luò)的整體效率，為LTE與WLAN網(wǎng)絡(luò)間的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合提供了解決方案。
【權(quán)利要求】
1.一種基于SDN的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)，其特征在于: I)所述架構(gòu)利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)的思想為EPC核心網(wǎng)加入控制器，將控制功能從網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)面剝離開來，集中在控制器上?？刂破髋cP-GW網(wǎng)元、MME網(wǎng)元、eNodeB及無線AP直接通信，并制定一組協(xié)議棧在通信過程中進行協(xié)議控制；2)統(tǒng)一不同網(wǎng)絡(luò)的IP配置機制，將IP配置職責統(tǒng)一交由P-GW單元實現(xiàn)；3)控制器為接入網(wǎng)絡(luò)的用戶設(shè)備封裝一個用戶標識符(User Identifier，簡稱Π)，作為該UE在網(wǎng)絡(luò)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(shè)備UE的一條記錄，將該UE的UI寫入記錄中，UE完成網(wǎng)絡(luò)接入；4)通過控制器的控制來實現(xiàn)“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(shè)備的IP地址不發(fā)生變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SDN的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)，其特征在于: 所述架構(gòu)利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)的思想為EPC核心網(wǎng)加入控制器，控制器與P-GW網(wǎng)元、MME網(wǎng)元、eNodeB及無線AP直接通信，并制定一組協(xié)議棧在通信過程中進行協(xié)議控制；控制器有三個主要功能:a)用戶數(shù)據(jù)封裝，即產(chǎn)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(jīng)接入網(wǎng)絡(luò)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(fā)送給目標APJfgSAP的標識碼通過源基站發(fā)送給UE，指導(dǎo)UE切換。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于SDN的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)，其特征在于: 當用戶首次接入網(wǎng)絡(luò)時(以首次接入網(wǎng)絡(luò)時連接一個eNodeB為例進行描述)，P-GW網(wǎng)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(quán)信息發(fā)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(fā)送給源基站，作為UE在網(wǎng)絡(luò)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(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于SDN的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)，其特征在于: 控制器中有已驗證用戶表，當用戶初次接入網(wǎng)絡(luò)后，控制器在已驗證用戶表中建立對當前用戶設(shè)備UE的一條記錄，將該剛剛為UE創(chuàng)建的UI碼寫入記錄中。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于SDN的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)，其特征在于: 當UE發(fā)起切換時，源基站將該切換信息發(fā)送給控制器，控制器調(diào)用已有的基站/AP地理位置信息，檢測UE附近一定距離內(nèi)的所有基站/AP信號強度，并綜合整個網(wǎng)絡(luò)中各AP的負載和業(yè)務(wù)情況，利用規(guī)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(fā)送給目標APJfgSAP的標識碼發(fā)送給源基站。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于SDN的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)，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(fā)送給UE，告知UE去連接目標AP。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于SDN的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)，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(fā)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(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于SDN的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)，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(jié)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(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)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(xué)