CN108055680A - 一种基于sdn的分布式epc网络快速切换方法 - Google Patents

一种基于sdn的分布式epc网络快速切换方法 Download PDF

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CN108055680A CN201711159136.7A CN201711159136A CN108055680A CN 108055680 A CN108055680 A CN 108055680A CN 201711159136 A CN201711159136 A CN 201711159136A CN 108055680 A CN108055680 A CN 108055680A
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郑俊
李烈超
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Abstract

本发明给出了一种基于SDN的分布式EPC网络快速切换方法，包括如下步骤：移动控制器初始化UE移动管理信息，等待接收UE的切换请求；eNodeB根据UE发送的Measurement Report消息向MC发送Handover Request请求消息；MC为UE创建会话，并生成S‑PEGW和T‑PEGW之间的数据复制分发传输流表，向S‑eNodeB发送Handover Command消息；待UE接入到T‑eNodeB后，T‑eNodeB将缓存的数据包发送给UE，并向MC发送Handover Notify消息；MC根据收到的消息，更新UE的位置信息，并删除S‑eNodeB中的流表，将S‑PEGW中流表的复制分发动作更新为直接向T‑PEGW转发。本发明利用SDN的集中控制能力在S‑PEGW进行数据的复制分发方式来代替通过临时转发隧道的数据方式，切换中断过程中的数据准备阶段的开始时刻提前到了切换准备阶段进行，减少了数据准备阶段的延迟，达到了快速切换的目的。

Description

一种基于SDN的分布式EPC网络快速切换方法
技术领域
本发明主要涉及分布式EPC网络架构中移动性管理相关技术，尤其是移动性管理过程中为用户设备UE提供低延迟的无缝切换技术。
背景技术
随着移动设备的普及和网络带宽的增长，导致网络流量呈现了爆炸性的增长。IGR的报告指出，预计到2019年全球移动设备将增加到95亿。巨大的流量负载已经给现有移动网络带来了严重的负担。同时VR、AR及车联网等5G移动应用对于移动网络提出了更高的QoS要求。包括更高的传输带宽，更低的延迟等。然而现有的移动网络存在着集中式架构上固有的缺陷。集中式核心网带来的负载过重和高网络延时将不能满足新型移动应用的需求。扁平化的移动网络架构已经成为全世界各大研究组织机构的广泛关注。包括3GPP、ETSI和IETF等。分布式EPC则是扁平化移动网络架构中研究最多的代表之一。EPC是移动核心网，基站的数据包都会通过核心网，来访问互联网。
分布式EPC网络架构对于解决移动性管理过程存在的问题具有架构上的优势。并且现有针对分布式EPC网络架构的实现都基本采用了SDN技术，SDN最大特点是实现了控制和转发分离，网络设备分离为单独的控制设备及转发设备，从而进一步提高了移动管理和流量调度的灵活性。目前已有不少针对基于SDN的分布式EPC中移动性管理过程中主要问题的相关研究。其中研究最多的是P-GW切换问题，在原来集中式EPC中，P-GW切换很少发生，但是在分布式EPC中，P-GW所负责的地理区域将大大减少，将产生新的P-GW切换问题。分布式EPC在移动网络边缘部署P-GW，当用户从网络边缘获取服务，将存在着频繁的P-GW切换情况。如何尽可能降低切换过程中服务中断的延迟，对分布式EPC非常重要，对用户服务体验显得尤为关键。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于SDN的分布式EPC网络快速切换方法，克服移动网络边缘频繁的P-GW切换带来的通信延时和数据丢包等问题，实现无缝切换。
为了便于阅读理解，本申请所用缩略语释义如表1。
表1
英文缩写 英文全称 解释
SDN Software Defined Network 软件定义网络
EPC Evolved Packet Core 分组核心网
UE User Equipment 用户设备
eNodeB Evolved Node B 基站
S-eNodeB Source eNodeB 源基站
T-eNodeB Target eNodeB 目的基站
MME Mobility Management Entity 移动性管理组件
MC Mobility Controller 移动控制器
S-PEGW Source PDN Edge Gateway 源边缘PDN网关
T-PEGW Target PDN Edge Gateway 目的边缘PDN网关
PDN Packet Data Network 英特网
本发明提出的一种基于SDN的分布式EPC网络快速切换方法，包括以下步骤：
(1)用户设备UE定期向源基站S-eNodeB发送信道测量报告Measurement Report消息，传送信道质量信息；源基站S-eNodeB根据收到的信息质量信息，决定是否切换；是则向移动控制器MC发送切换请求Handover Request消息；否则，转步骤(6)；
(2)移动控制器MC收到基站S-eNodeB发送的切换请求Handover Request消息后，向目的基站T-eNodeB转发该Handover Request消息，目的基站T-eNodeB根据收到切换请求Handover Request消息，为用户设备UE创建两者之间会话；
(3)移动控制器MC通知源边缘PDN网关S-PEGW即用户设备当前连接的边缘PDN网关和目的边缘PDN网关T-PEGW即用户设备切换后的边缘PDN网关，生成二者之间的数据复制分发传输流表；通知目的边缘PDN网关T-PEGW和目的基站T-eNodeB生成二者之间的传输流表，移动控制器MC向源基站S-eNodeB发送开始执行切换Handover Command的消息；
(4)源基站S-eNodeB收到Handover Command消息后，断开和用户设备UE的无线连接，停止向用户设备UE发送数据；待用户设备UE接入到T-eNodeB后，用户设备UE向T-eNodeB发送切换确认消息Handover Confirm，T-eNodeB收到该消息后，将缓存的数据包发送给用户设备UE，并向移动控制器MC发送切换完成Handover Notify消息；
(5)移动控制器MC根据切换完成Handover Notify消息，更新其记录的用户设备UE的位置信息，并删除源基站S-eNodeB中的流表；将源边缘PDN网关S-PEGW中流表的复制分发动作更新为直接向边缘PDN网关T-PEGW转发；所述流表是OpenFlow交换机运行过程中，其数据转发的依据；在传统网络设备中，交换机和路由器的数据转发需要依赖设备中保存的二层MAC地址转发表或者三层IP地址路由表，而OpenFlow交换机中使用的流表也是如此，不过在它的表项中整合了网络中各个层次的网络配置信息，从而在进行数据转发时可以使用更丰富的规则；
(6)结束。
本发明中，所述SDN控制器是SDN架构中的一个软件平台，它通过管理网络中的数据流实现灵活高效的数据转发，其通过下发流表到openflow交换机，控制网络中数据包的转发。所述PEGW则由OpenFlow交换机组成，负责用户设备UE的数据转发。所述MME(MobilityManagement Entity)为移动性管理组件；移动性管理即是对移动终端位置信息、安全性以及业务连续性方面的管理，努力使终端与网络的联系状态达到最佳，进而为各种网络服务的应用提供保证。所述OpenFlow交换机指支持openflow协议的交换机，其根据流表的匹配情况，来对数据包进行处理和转发。
进一步的，所述步骤(2)中eNodeB向MC发送的Measurement Report消息内容和现有LTE/EPC标准中定义的保持一致，其包括附近eNodeB的信号强度；Handover Request消息内容将被封装成OpenFlow消息格式，发往移动控制器MC进行处理。eNodeB发送给MC的消息中包括其附近eNodeB的信号强度，这样MC根据消息内容，选择一个信号强度高的基站作为目的eNodeB。
进一步的，所述步骤(3)中，当用户设备UE切换到目的边缘PDN网关T-PEGW时，移动控制器MC会为其分配新的IP地址，同时原先分配的IP地址也会保留；先在S-PEGW将下行数据包的IP地址重写为新的IP地址，然后在T-PEGW将数据包的IP地址重写回原先IP地址，以保证数据包的可达性。
进一步的，所述步骤(3)中，采取了在S-PEGW进行数据复制的方式来取代间接隧道转发的方式，以免用户设备UE和源基站-eNodeB断开后数据包的丢失；具体操作如下：
当MC收到Handover Request消息，向S-PEGW和T-PEGW下发数据复制分发流表；当S-PEGW收到数据后，向S-eNodeB发送，同时也复制一份发往T-PEGW；T-PEGW向T-eNodeB转发，T-eNodeB则进一步对数据进行缓存排序；与现LTE/EPC网络中通过在S-eNodeB，S-PEGW和T-PEGW之间建立临时转发隧道，然后进行数据回传的方式相比，可降低数据回传的延迟，达到快速切换的目的。
进一步的，所述步骤(4)中，当源基站S-eNodeB收到Handover Command消息后，向UE发送Handover Command消息，同时将开始向T-eNodeB发送之后收到的数据包；Handovercommand消息表示切换的前期准备工作已完成，可以开始切换了。更进一步的，相比现在的EPC，数据包传输提前到步骤(3)中开始，以进一步减少了切换延迟。与优化前相比，切换中断延迟同样取决于t1和t2的大小，如果t1>t2，则切换中断延迟取决于UE准备延迟，否则取决于数据准备延迟。然而数据准备阶段的开始时刻与优化前相比提前了TCtr-eNB。优化后切换中断延迟可表示为：
T’HOIT＝Max(T’DataPre-TUEPre-TCtr-eNB,0)+TUE-eNB+teNB-UE
本发明提出的方法主要包括两部分：一是将切换执行过程中数据准备的开始时刻提前到切换准备阶段，二是利用SDN的集中控制能力，在边缘PDN网关(PEGW)采取复制转发方式来代替传统间接隧道的数据转发方式。
本发明提出的快速切换方法中，所述移动控制器MC负责整个网络区域内的UE移动性管理，其由SDN控制器和运行在控制器上的应用组成，这些应用包括现有LTE/EPC网络中S-GW，P-GW和MME的功能。PEGW则由OpenFlow交换机组成，负责UE的数据转发；
eNodeB向MC发送的Measurement Report消息内容和现有LTE/EPC标准中定义的保持一致，其主要包括附近eNodeB的信号强度。Handover Request消息内容将被封装成OpenFlow消息格式，发往MC进行处理。
当UE切换到T-PEGW时，MC将会为其分配新的IP地址，同时原先分配的IP地址也会保留。为了保证数据包的可达性，需要先在S-PEGW将下行数据包的IP地址重写为新的IP地址，然后在T-PEGW将数据包的IP地址重写回原先IP地址。
快速切换的目的是尽可能降低切换过程中产生的中断延迟，其主要由两部分决定，一部分是UE从S-eNodeB断开连接到接入T-eNodeB之间的UE准备阶段时间间隔，另一部分是S-eNodeB向T-eNodeB转发后续收到数据包的数据准备阶段时间间隔。切换中断阶段延迟存在以下两种可能情况。
(1)当T-eNB收到Handover Confirm消息时，数据没准备好，切换中断延迟取决于数据准备阶段延迟。
(2)当数据准备好时，T-eNB没收到Handover Confirm消息，切换中断延迟取决于UE准备阶段延迟。
UE准备阶段延迟TUEPre可由下式来表示：
TUEPre＝TUE-eNB+teNB-UE
其中teNB-UE表示的是UE收到S-eNB发送Handvoer Command消息到向T-eNB发送Handover Confirm消息的处理延迟。TUE-eNB表示的是从UE到eNodeB的传输延迟。
优化前数据准备阶段的传输是通过建立间接转发隧道进行转发的。因此优化前数据准备阶段延迟由下式来进行描述。
TDataPre＝TeNB-PEGW+TPEGW-PEGW+TPEGW-eNB
其中TeNB-PEGW表示的是S-eNB向S-PEGW发送数据包的传输延迟，TPEGW-PEGW表示的是S-PEGW向T-PEGW转发数据包的传输延迟，TPEGW-eNB表示的是T-PEGW向T-eNB转发数据包的传输延迟。其中TeNB-PEGW，TPEGW-PEGW和TPEGW-eNB的大小与链路的传输带宽有关。
因此优化前的切换中断延迟可统一表示为：
THOIT＝Max(TDataPre-TUEPre,0)+TUEPre
为了避免UE和S-eNodeB断开后数据包的丢失，快速切换方法中采取了在S-PEGW进行数据复制的方式来取代间接隧道转发的方式。即当MC收到Handover Request消息，将会向S-PEGW和T-PEGW下发数据复制分发流表。其具体作用是当S-PEGW收到数据后，不仅向S-eNodeB发送，同时也复制一份发往T-PEGW，T-PEGW将会向T-eNodeB转发，T-eNodeB则进一步对这些数据包进行缓存排序。与现LTE/EPC网络中通过在S-eNodeB，S-PEGW和T-PEGW之间建立临时转发隧道，进行数据回传的方式相比，降低了数据回传的延迟，达到了快速切换的目的。
在现LTE/EPC网络中当S-eNodeB收到Handover Command消息后将会向UE发送Handover Command消息，同时将开始向T-eNodeB发送之后收到的数据包，而在快速切换方法中已经在步骤(3)中就已经开始传输，进一步减少了切换延迟。与优化前相比，切换中断延迟同样取决于t1和t2的大小，如果t1>t2，则切换中断延迟取决于UE准备延迟，否则取决于数据准备延迟。然而数据准备阶段的开始时刻与优化前相比提前了TCtr-eNB。优化后切换中断延迟可表示为：
T’HOIT＝Max(T’DataPre-TUEPre-TCtr-eNB,0)+TUE-eNB+teNB-UE
和优化前相比，UE准备阶段的延迟一样，切换过程中减少的延迟主要取决于数据传输阶段的延迟。
优化后减少的延迟TReduce为：
TReduce＝TeNB-PEGW+TCtr-eNB-TCtr-PEGW。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明利用SDN的集中控制能力在S-PEGW进行数据的复制分发方式来代替通过临时转发隧道的数据方式。不仅节约了建立临时隧道的开销，也减少了部分数据回传带来的延迟。
(2)本发明将切换中断过程中的数据准备阶段的开始时刻提前到了切换准备阶段进行，减少了数据准备阶段的延迟，达到了快速切换的目的。
附图说明
图1为本发明系统架构图；
图2为本发明业务切换原理图；
图3为本发明业务切换优化前流程图；
图4为本发明业务切换优化前执行阶段时序图；
图5为本发明业务快速切换切换准备阶段流程图；
图6为本发明业务快速切换执行阶段时序图；
图7为本发明工作流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下面结合附图对本发明作进一步说明。本发明提出的一种快速切换方法主要基于图1所示的SDN的分布式EPC网络架构。其主要由集中式的控制层MC(Mobility Controller)和分布式的数据层网关PEGW组成，同时保留了GTP协议和S1a接口。
MC由OpenFlow控制器和运行在控制器上的PGW-C，SGW-C和MME应用组成。这些应用和现有EPC网络中PGW，SGW，MME网元实体功能基本一致，其主要功能将包括：为初始化附着到移动网络中的UE分配IP地址；更新移动UE位置信息；分配承载TEID，GTP隧道的建立和拆除；承载QoS的配置；为UE计算传输路径；UE的认证和鉴权；会话承载管理；UE切换管理等。
PEGW(PDN Edge Gateways，边缘P-GW)将充当数据层移动锚点，相当于EPC网络中的P-GW，负责本区域的UE接入Internet或本地网络。MC和PEGW之间通过OpenFlow协议进行通信，eNB和PEGW之间依然采用LTE/EPC中的S1接口，通过GTP协议来建立会话承载和进行QoS控制。MC和PEGW都将部署在eNB附近。
本发明提出了一种快速切换方法，其主要的切换实施例如图2所示。当UE从S-eNB切换到T-eNB后，为了避免数据包的丢失，将会在S-eNB，S-PEGW，T-PEGW和T-PEGW之间建立临时GTP隧道来进行数据包的转发，同时为了保证后续下行数据包的可达性，需要分别在S-PEGW和T-PEGW对数据包中目的IP地址进行重写。
本发明提出了一种快速切换方法，相对于传统业务PEGW切换流程如图3所示。根据信令的作用可以将整个流程分为切换准备、切换执行和切换完成三个阶段。切换准备阶段可以看成是eNB和MC为UE切换前所做的准备工作。UE向S-eNB周期性发送测量报告，其中包含周围eNB的信息，S-eNB将会根据测量结果决定是否切换。若满足切换条件，S-eNB将向MC发送切换请求消息，消息内容主要包括切换类型和目标eNB ID等。MC收到后将切换请求转发给T-eNB，其中附带了生成的上行TEID信息。T-eNB将利用收到的TEID创建上行承载，生成临时转发隧道下行承载TEID，并为UE接入分配无线资源，最后向MC回复ACK消息。其中包括生成的S1下行承载TEID和临时转发隧道下行承载TEID。MC收到后将会为UE创建会话上下文和分配新的IP地址，创建S-eNB和S-PEGW之间的上行承载TEID。同时生成用于建立临时转发隧道的流表和IP地址重写的流表，通过OFPT_FLOW_MOD消息下发到S-eNB、T-eNB、S-PEGW和T-PEGW。最后MC向S-eNB发送切换指令。切换执行阶段可以看成是UE从S-eNB脱离到接入T-eNB之间的过程。由S-eNB向UE发送Handover Command消息触发。S-eNB与UE通信过程中上下行数据包的计数状态通过eNB Status Transfer消息由MC转发给T-eNB，完成S-eNB和T-eNB之间状态的同步。同时S-eNB开始通过临时隧道向T-eNB转发收到的数据包。待T-eNB收到UE发送的Handover Confirm消息后，便将缓存排序好的数据包发送给UE。切换完成阶段主要完成T-eNB和T-PEGW之间承载的建立，同时删除之前创建的临时转发隧道。当MC收到S-eNB发送的handover Notify消息后，将会为UE创建T-PEGW和T-eNB之间的下行承载。随后MC将进行UE位置信息的更新。最后MC将通知S-eNB删除为UE分配的承载资源，并删除S-PEGW和T-PEGW中临时转发隧道流表。
本发明提出的快速切换方法，主要针对的是切换执行阶段，在此阶段将发生会话的中断。图4给出了优化前执行阶段的时序图。由于当S-eNB向UE发送Handover Commond消息后，同时也会向MC发送eNB Status Transfer消息。进一步S-eNB发送Handover Commond消息后，也开始通过切换准备阶段建立的临时隧道向T-eNB发送收到的数据包。T-eNB将会在收到Handover Confirm消息后将缓存排序好的数据包发送给UE。因此在切换执行阶段存在两个并行的流程。一方面是UE收到Handover Command消息后的处理流程，另一方面是S-eNB和T-eNB之间数据的传输流程。因此切换中断的延迟将取决于这两个并行流程的执行情况。为了下文分析表述方便，将前者称之为UE准备阶段，后者称之为数据准备阶段。切换中断阶段延迟存在以下两种可能情况。
(1)当T-eNB收到Handover Confirm消息时，数据没准备好，切换中断延迟取决于数据准备阶段延迟。
(2)当数据准备好时，T-eNB没收到Handover Confirm消息，切换中断延迟取决于UE准备阶段延迟。
本发明提出的快速切换方法主要对切换准备阶段进行了优化，如图5所示。优化后MC在S-PEGW与T-PEGW下发重写目的IP地址流表的同时向S-PEGW下发包含复制转发操作的流表。然后在切换完成阶段将其删除。这样做不仅减少了S-eNB和S-PEGW的回传延迟，同时也将数据准备阶段的开始时刻提前到切换准备时刻进行，也避免了两者之间由于建立隧道而带来的信令和延迟开销。优化后切换执行阶段时序流程可由图6来进行描述。与优化前相比，切换中断延迟同样取决于UE准备阶段t1和数据准备阶段t2的大小，如果t1>t2，则切换中断延迟取决于UE准备延迟，否则取决于数据准备延迟。然而数据准备阶段的开始时刻与优化前相比提前到了切换准备阶段。
本申请中所做的仿真测试数据：优化前后数据准备和切换中断延迟对比，如表2：
表2
UE TDataPre T'DataPre THOIT T'HOIT
10 10.2ms 6.2ms 20.9ms 21ms
20 11.4ms 6.5ms 21.3ms 21.2ms
50 18.7ms 10.8ms 22.1ms 22ms
100 30.8ms 19.9ms 26.3ms 23.1ms
200 40.6ms 28.5ms 36.1ms 24ms
从上述图表中的结果，可以发现优化后数据准备延迟和切换中断延迟都进一步减少，并且当UE达到一定数量后，延迟改善效果更加明显。这主要是因为优化后的转发路径并没有直接经过由多段链路组成的临时隧道，采取的是复制分发的方式。并且优化后数据准备阶段的开始时刻提前，进一步导致了切换中断延迟的减少。当UE数目进一步增加，网络流量也随之增加，转发链路的可用带宽进一步减少，吞吐量下降，导致转发延迟的进一步增加。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于SDN的分布式EPC网络快速切换方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)用户设备UE定期向源基站S-eNodeB发送信道测量报告Measurement Report消息，传送信道质量信息；源基站S-eNodeB根据收到的信息质量信息，决定是否切换；是则向移动控制器MC发送切换请求Handover Request消息；否则，转步骤(6)；
(2)移动控制器MC收到基站S-eNodeB发送的切换请求Handover Request消息后，向目的基站T-eNodeB转发该Handover Request消息，目的基站T-eNodeB根据收到的切换请求Handover Request消息，为用户设备UE创建两者之间会话；
(3)移动控制器MC通知源边缘PDN网关S-PEGW和目的边缘PDN网关T-PEGW生成二者之间的数据复制分发传输流表；通知目的边缘PDN网关T-PEGW和目的基站T-eNodeB生成二者之间的传输流表，移动控制器MC向源基站S-eNodeB发送开始执行切换Handover Command的消息；
(4)源基站S-eNodeB收到Handover Command消息后，断开和用户设备UE的无线连接，停止向用户设备UE发送数据；待用户设备UE接入到T-eNodeB后，用户设备UE向T-eNodeB发送切换确认消息Handover Confirm，T-eNodeB收到该消息后，将缓存的数据包发送给用户设备UE，并向移动控制器MC发送切换完成Handover Notify消息；
(5)移动控制器MC根据切换完成Handover Notify消息，更新其记录的用户设备UE的位置信息，并删除源基站S-eNodeB中的流表；将源边缘PDN网关S-PEGW中流表的复制分发动作更新为直接向边缘PDN网关T-PEGW转发；
(6)结束。
2.根据权利要求1所述的快速切换方法，其特征在于，步骤(2)中eNodeB向MC发送的Measurement Report消息内容和现有LTE/EPC标准中定义的保持一致，其包括附近eNodeB的信号强度；Handover Request消息内容将被封装成OpenFlow消息格式，发往移动控制器MC进行处理。
3.根据权利要求1或2所述的所述的快速切换方法，其特征在于，步骤(3)中，当用户设备UE切换到目的边缘PDN网关T-PEGW时，移动控制器MC为其分配新的IP地址，同时原先分配的IP地址也会保留；先在S-PEGW将下行数据包的IP地址重写为新的IP地址，然后在T-PEGW将数据包的IP地址重写回原先IP地址，以保证数据包的可达性。
4.根据权利要求1或2所述的所述的快速切换方法，其特征在于，步骤(3)中，采取了在S-PEGW进行数据复制的方式来取代间接隧道转发的方式，以免用户设备UE和源基站-eNodeB断开后数据包的丢失；具体操作如下：
当MC收到Handover Request消息，向S-PEGW和T-PEGW下发数据复制分发流表；当S-PEGW收到数据后，向S-eNodeB发送，同时也复制一份发往T-PEGW；T-PEGW向T-eNodeB转发，T-eNodeB则进一步对数据进行缓存排序，与现LTE/EPC网络中通过在S-eNodeB，S-PEGW和T-PEGW之间建立临时转发隧道，进行数据回传的方式相比，降低了数据回传的延迟，达到了快速切换的目的。
5.根据权利要求1或2所述的所述的快速切换方法，其特征在于，步骤(4)中，当源基站S-eNodeB收到Handover Command消息后，向UE发送Handover Command消息，同时将开始向T-eNodeB发送之后收到的数据包。
6.根据权利要求5所述的所述的快速切换方法，其特征在于，步骤(4)中数据包传输提前到步骤(3)中就已经开始，进一步减少了切换延迟。
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