CN106131832A - 一种面向wlan与蜂窝网融合的核心网架构 - Google Patents

一种面向wlan与蜂窝网融合的核心网架构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向WLAN与蜂窝网融合的核心网架构，属于无线移动通信技术领域。所述核心网架构包括EGW网元、核心控制器、管理应用层和数据面网元。本发明基于SDN中数据与控制分离的思想，采用集中式的控制平面和分布式的转发平面，两个平面相互分离，控制平面利用控制—转发通信接口对转发平面上的网络设备进行集中控制，并提供灵活的可编程能力。本发明主要应对WLAN与蜂窝网融合过程中的终端设备的认证、鉴权以及流量计费控制、网络负载均衡等问题进行深入分析和发掘，能够有效地控制以上问题，解决其他WLAN与蜂窝网络融合架构的不完善问题，可以促进WLAN与蜂窝网产业逐渐走向全方位融合，有效缓解流量压力，持续推动移动通信业务的发展。

Description

一种面向WLAN与蜂窝网融合的核心网架构
技术领域
本发明属于无线移动通信技术领域，具体地说，是指一种面向WLAN与蜂窝网融合的核心网架构。
背景技术
目前，无线局域网(WLAN)和蜂窝移动通信网(蜂窝网)是全球应用广泛的两项无线通信技术。WLAN主要针对个人消费电子市场、家庭和企业的宽带无线接入市场。蜂窝网主要针对电信运营商市场，面向公众提供移动通信服务。近年来，随着智能终端和移动互联网应用的快速发展，移动数据流量正以指数形式增长。为有效缓解流量压力和降低经营成本，WALN和蜂窝网正走向广泛、深入融合。
现有的无线局域网与蜂窝移动通信网的融合架构主要为GAN-UMA(GenericAccess Network-Unlicensed Mobile Access)、I-WLAN(Inerworking Wireless LAN)定义的非3GPP(3rd Generation Partnership Project)接入EPS(Evolved Packet System)网络架构和基于IMS(IP Multimedia Subsystem)的融合网络架构。以GAN-UMA为例，在GAN-UMA网络体系架构中，原有的蜂窝网并没有进行调整，只是在网络中引入了一个GAN控制器，GAN控制器的作用相当于GSM/GPRS原有接入网中的基站控制器(BSC)，负责GAN-UMA网络的无线资源管理及链路管理，此外GAN控制器还通过IP网络与移动终端建立端到端的连接，并与移动交换中心MSC/通用无线分组业务GPRS交换信息。GAN-UMA网络架构的主要原理是通过非授权网络实现从传统蜂窝网络或本地GSM/GPRS移动服务的终端自动切换到GAN-UMA接入点，使终端无终端地检测到速度最快、最经济的网络，从而使终端用户可以最灵活的方式获得优质的网络服务。一旦终端离开GAN-UMA接入点的覆盖范围后，则无缝切换回蜂窝网络。但是GAN-UMA网络架构并未改变原有的蜂窝移动通信网络。
发明内容
本发明旨在针对目前WLAN与蜂窝网融合架构中非3GPP非可信网络的认证和鉴权以及蜂窝网络中的流量控制和数据选路等问题，提出了一种面向WLAN和蜂窝网融合的核心网架构。将本发明用于未来移动通信系统中WLAN与蜂窝网融合技术，可以促进WLAN与蜂窝网产业逐渐走向全方位融合，有效缓解流量压力，持续推动移动通信业务的发展。
本发明为一种面向WLAN和蜂窝网融合的核心网架构，基于SDN(Software DefineNetwork：软件定义网络)中数据与控制分离的思想，采用集中式的控制平面和分布式的转发平面，两个平面相互分离，控制平面利用控制—转发通信接口对转发平面上的网络设备进行集中控制，并提供灵活的可编程能力。本发明主要应对WLAN与蜂窝网融合过程中的终端设备的认证、鉴权以及流量计费控制、网络负载均衡等问题进行深入分析和发掘，能够有效地控制以上问题，解决其他WLAN与蜂窝网络融合架构的不完善问题。
为了实现上述目的，解决相应的技术问题，本发明通过以下过程实现相应的技术方案。
在基本的EPC(Evolved Packet Core)网络架构的基础上，将传统观蜂窝网与WLAN热点结合，通过部署WLAN热点进行分流，缓解蜂窝网流量压力。
本发明所提出的WLAN与蜂窝网融合的核心网架构主要可分为四部分，分别为EGW网元、核心控制器、管理应用层和数据面网元。
封装网关EGW网元，作为无线接入侧基站eNB与SGW-U之间的数据包拆分以及封装的网元，其主要功能为将来自基站eNB的GTPv2数据包进行拆分，并重新封装为IP数据包，为进入服务网关SGW-U集群进行下一步数据转发和处理做准备。
核心控制器，WLAN与蜂窝网融合的EPC网络架构的核心部分。核心控制器Controller是一个逻辑集中控制器，是整个EPC网络的核心部分，可采用通用设备进行构建。核心控制器是一个逻辑上集中的实体，主要负责两个任务，一是将上层应用请求转换到核心控制器，二是为上层应用提供底层网络的抽象模型。一个核心控制器包含北向接口、控制逻辑以及南向接口3部分。
管理应用层由若干个运行于核心控制器Controller之上的应用组成，是与网络管理和用户业务相关的应用，它可以通过北向接口与核心控制器进行交互，即这些应用能够通过可编程方式把需要请求的网络行为提交给核心控制器Controller。比较常见的服务应用有：接入网控制应用MME、NS(Network Selection)网络选择应用、HSS集中签约管理数据库、服务网关控制应用SGW-C和分组网关控制应用PGW-C、WLAN网络管理应用，以及流量控制、网络负载等应用。另外，管理应用层可面向电信运营商开放，根据用户需求提供定制化服务，以满足客户对各种应用服务的要求。
数据面网元，为了更好地进行用户数据的转发和处理工作，以便用户更好地建立PDN连接，WLAN与蜂窝网融合的EPC网络架构中将扮演本地锚点角色的SGW和作为边界网关节点的PGW中数据转发功能解耦出来形成数据面网元，包括SGW-U和PGW-U，并采用集群化部署方式组成核心网架构的数据平面网元。SGW-U和PGW-U都是网络转发设备，没有控制能力，只是单纯用来转发和处理数据，在逻辑上代表全部或部分的物理资源。
本发明采用一种面向WLAN和蜂窝网融合的核心网架构，运用数据控制分离技术，通过核心控制器Controller将管理应用层与数据平面网元建立连接，使网络流量的管理、数据处理变得更加高效，达到了业务对网络能力的需求，满足了用户根据当前业务的性质或请求对使用不同网络或切换网络的目的，可实现WLAN网络和蜂窝网络的融合。对未来无线通信网络实现WLAN和蜂窝网配套资源共享，方便网络部署、运营、管理和维护具有重要意义。
本发明一种面向WLAN与蜂窝网融合的EPC网络架构的优点在于：
(1)将蜂窝网与WLAN网络的切换工作由运行在管理应用层的应用服务去完成，解决了传统切换过程给PGW造成的网络压力。
(2)简化终端设备的认证、鉴权工作。管理应用层上运行的MME以及HSS，终端设备进行一次认证鉴权之后，便可根据自身需要在蜂窝网络和WLAN网络中进行自由切换，解决了现有架构中切换至WLAN网络中的再次认证以及安全风险问题。
附图说明
图1为本发明一种面向WLAN和蜂窝网融合的EPC网络架构的结构示意图。
具体实施方式
本发明提出一种面向WLAN和蜂窝网融合的核心网架构，本发明的主要思想是在基本核心网架构的基础上，运用SDN数据与控制分离思想，将核心网的主要网元SGW和PGW，重新构建为数据面网元SGW-U和PGW-U，以及控制面管理应用SGW-C和PGW-C，将蜂窝网和WLAN网络的管理应用共同部署于所提架构的控制面设备上，实现融合核心网架构对WLAN和蜂窝网络的融合管理，并实现终端设备在WLAN和蜂窝网中的无缝切换；同时将网络的管理能力开放给上层管理应用，便于实现WLAN网络和蜂窝网的可编程管理，；将SGW-U和PGW-U进行集群化部署，实现用户数据的高速转发和处理。
为更加清楚地阐释本发明的面向WLAN和蜂窝网融合的核心网架构，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细阐述。在下面的描述中，对与本发明无关的技术只做简要的技术说明或者直接略过。
如图1所示，本发明的面向WLAN和蜂窝网融合的核心网架构中包括四种网元，分别为EGW网元、数据面网元、核心控制器(Controller)以及管理应用层。所述的数据面网元，包括服务网关数据面网元SGW-U网元和数据网关数据面网元PGW-U网元。实际部署中，为提升网络性能，网元以集群的形式进行部署。所述的管理应用层承载了运行在核心控制器之上的网络控制面应用程序，包括接入网控制应用MME、NS(Network Selection)网络选择应用、HSS集中签约管理数据库、服务网关控制应用SGW-C、分组网关控制应用PGW-C、WLAN网络管理应用，以及流量控制、网络负载等应用。
所述的EGW网元主要是用于用户平面的数据包的拆分与封装，将来自eNodeB(基站eNB)的用户数据包进行拆分，并重新封装为IP数据包，转发至SGW-U。终端设备UE通过基站eNB提供的无线网络接口，接入移动核心网。基站eNB通过用户平面接口S1-U接口与EGW网元相连。其中，控制平面核心网侧终结在运行在管理应用层上的MME网元，移动性管理应用MME与基站eNB之间通过控制平面接口S1-MME接口连接，而用户平面则终结于EGW。所述的S1-U接口和S1-MME接口均为S1接口，对于用户数据信息和用户控制信息交互，S1-MME接口采用GTPv2协议，S1-U接口采用GTPv1协议。当用户数据信息进入核心网后，仅仅利用与用户相关的数据即可进行相应的网络服务连接，因此EGW网元对于用户数据包的拆分和封装，不仅减小了进入核心网的用户数据的冗余度，同时也有利于核心网中基于SDN的流量管理。
SGW-U网元集群和PGW-U网元集群组成的数据平面是WLAN与蜂窝网融合的核心网架构中进行用户数据转发和处理的关键部分，是支持OpenFlow协议的数据面转发设备。SGW-U网元集群和PGW-U网元集群由核心控制器通过南向接口进行管理，与运行在管理应用层上的SGW-C和PGW-C对应，实现了由软件控制到硬件处理的配套服务。运行在管理应用层上的SGW-C和PGW-C分别向SGW-U网元集群和PGW-U网元集群部署数据转发处理策略，下发流表；SGW-U网元集群和PGW-U网元集群通过下发流表对用户数据进行相应的转发和处理。此外，当来自EGW网元的IP数据包不满足相应的转发处理规则时，SGW-U网元集群则向上请求，由核心控制器上的SGW-C做出相应的处理，下发新的流表或进行其他处理。同理，当SGW-U转发到达PGW-U网元集群的IP数据包不满足相应的转发处理规则时，PGW-U网元集群则向上请求，由管理应用层上的PGW-C做出相应的处理，下发新的流表或进行其他处理。SGW-U网元集群由若干个SGW-U网元单元组成，PGW-U网元集群由若干个PGW-U网元单元组成，两者组合成的数据平面为来自EGW网元的IP数据包提供了强大的路由转发功能，缓解了网络压力。
面向WLAN和蜂窝网融合的核心网架构中的核心控制器的南向接口采用SDN主流南向接口协议OpenFlow，其技术标准这里不做详细赘述。
核心控制器作为面向WLAN和蜂窝网融合的核心网架构中的核心单元，是整个核心网架构的核心部分。核心控制器是一个逻辑上集中的实体控制器，可采用通用设备，其包含北向接口、逻辑控制和南向接口。核心控制器只要求是逻辑上完整，因此它可以由多个实体控制器协同组成，也可以是层级式的控制器集群。核心控制器连接了底层网络设备和上层应用服务，可以看做面向WLAN和蜂窝网融合的核心网架构的网络操作系统。
核心控制器的管理应用层上可以运行多种网络控制管理应用，例如接入网控制应用MME、网络选择应用NS、集中签约管理数据库HSS、SGW-C和PGW-C、WLAN网络管理应用、流量控制和网络负载均衡等自定义应用。其中，MME与基站eNB通过S1-MME接口相连，负责终端设备UE附着、切换、寻呼、位置追踪等移动性管理服务。MME通过和HSS的信令交互，完成对用户的鉴权过程。如果是在漫游的场景中，MME则需要通过S6a接口寻址用户归属地HSS。HSS作为集中签约管理数据库，存放了用户的EPS网络签约信息，并完成对终端设备的位置登记管理，以及结合AUC(鉴权中心)网元完成用户鉴权参数的管理，并通过S6a接口下发给MME完成对终端设备的鉴权及安全功能。
NS是终端设备UE进入蜂窝网络和WLAN网络的首要模块。当MME联合HSS完成对终端设备UE的认证和鉴权之后，NS会启用网络评估算法，对当前蜂窝网络和WLAN网络进行质量评估，结合当前终端设备UE的业务对网络质量的需求为终端设备UE确定需要接入的网络类型，从而实现终端设备UE在蜂窝网和WLAN网络的无缝切换。
WLAN网络管理应用是终端设备UE进入无线局域网的接入点。当NS确定为终端设备UE接入WLAN网络时，WLAN网络管理应用通过核心控制器的南向接口向数据平面下发流表，为用户数据的转发和处理部署相应的策略。
以上四个主要组成部分是面向WLAN和蜂窝网融合的核心网架构的关键部分，不仅实现了传统蜂窝网络与WLAN网络的融合，而且仅需要一次认证就可以随时根据终端设备的业务要求在两种网络服务中进行无缝切换。
本发明采用一种面向WLAN和蜂窝网融合的核心网架构，运用数据控制分离思想，通过核心控制器将应用层服务与数据平面建立连接，使用户的网络行为、数据处理变得更加高效，达到了用户对网络切换的需求，满足了用户根据当前业务的性质或请求对使用不同网络或切换网络的目的。对未来无线通信网络实现WLAN和蜂窝网配套资源共享，方便网络部署、运营、管理和维护具有重要意义。

Claims (5)

1.一种面向WLAN与蜂窝网融合的核心网架构，其特征在于：所述的核心网架构包括EGW网元、核心控制器、管理应用层和数据面网元；
EGW网元作为无线接入侧基站eNB与SGW-U之间的数据包拆分以及封装的网元，其功能为将来自基站eNB的GTPv2数据包进行拆分，并重新封装为IP数据包，为进入服务网关SGW-U集群进行下一步数据转发和处理做准备；
核心控制器负责两个任务，一是将上层应用请求转换到核心控制器，二是为上层应用提供底层网络的抽象模型；一个核心控制器包含北向接口、控制逻辑以及南向接口三部分；
管理应用层由若干个运行于核心控制器之上的应用组成，通过北向接口与核心控制器进行交互；
数据面网元包括SGW-U和PGW-U，SGW-U和PGW-U采用集群化部署方式组成核心网架构的数据平面网元；SGW-U和PGW-U都是网络转发设备，没有控制能力，只是单纯用来转发和处理数据，在逻辑上代表全部或部分的物理资源。
2.根据权利要求1所述的一种面向WLAN与蜂窝网融合的核心网架构，其特征在于：所述的管理应用层的服务应用包括：接入网控制应用MME、网络选择应用NS、集中签约管理数据库HSS、服务网关控制应用SGW-C、分组网关控制应用PGW-C、WLAN网络管理应用，以及流量控制和网络负载应用。
3.根据权利要求2所述的一种面向WLAN与蜂窝网融合的核心网架构，其特征在于：所述的MME与基站eNB通过S1-MME接口相连，MME通过和HSS的信令交互，完成对用户的鉴权过程；如果是在漫游的场景中，MME则需要通过S6a接口寻址用户归属地HSS；HSS作为集中签约管理数据库，存放了用户的EPS网络签约信息，并完成对终端设备的位置登记管理，以及结合鉴权中心AUC网元完成用户鉴权参数的管理，并通过S6a接口下发给MME完成对终端设备的鉴权及安全功能；当MME联合HSS完成对终端设备UE的认证和鉴权之后，NS会启用网络评估算法，对当前蜂窝网络和WLAN网络进行质量评估，结合当前终端设备UE的业务对网络质量的需求为终端设备UE确定需要接入的网络类型，从而实现终端设备UE在蜂窝网和WLAN网络的无缝切换；当NS确定为终端设备UE接入WLAN网络时，WLAN网络管理应用通过核心控制器的南向接口向数据平面下发流表，为用户数据的转发和处理部署相应的策略。
4.根据权利要求1或2所述的一种面向WLAN与蜂窝网融合的核心网架构，其特征在于：所述的SGW-U网元集群和PGW-U网元集群由核心控制器通过南向接口进行管理，与运行在管理应用层上的SGW-C和PGW-C对应，运行在管理应用层上的SGW-C和PGW-C分别向SGW-U网元集群和PGW-U网元集群部署数据转发处理策略，下发流表；SGW-U网元集群和PGW-U网元集群通过下发流表对用户数据进行相应的转发和处理；当来自EGW网元的IP数据包不满足相应的转发处理规则时，SGW-U网元集群则向上请求，由核心控制器上的SGW-C做出相应的处理，下发新的流表；当SGW-U转发到达PGW-U网元集群的IP数据包不满足相应的转发处理规则时，PGW-U网元集群则向上请求，由管理应用层上的PGW-C做出相应的处理，下发新的流表。
5.根据权利要求1所述的一种面向WLAN与蜂窝网融合的核心网架构，其特征在于：所述的核心控制器的南向接口采用SDN主流南向接口协议OpenFlow。
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