CN108848528A - 一种sdn与nfv融合网络移动性管理方法 - Google Patents

一种sdn与nfv融合网络移动性管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SDN与NFV融合网络移动性管理方法，该网络由SDN控制器、核心网网元、SDN交换机、基站四个部分组成。在SDN和NFV融合网络中，切换过程由SDN控制器控制执行，终端将其接入的基站与相邻基站的信号测量结果发送给SDN控制器，由SDN控制器执行基于切换偏置参数自适应的切换决策。然后仍由SDN控制器判断目标基站的准入控制，符合切换条件后再向终端下发切换指令。另一方面，核心网网络实体全部虚拟化，并融为单个NFV实体，部分切换流程由单个NFV实体执行，不再存在网元间交互。通过以上两种方式，切换过程的信令交互减少。

Description

一种SDN与NFV融合网络移动性管理方法
技术领域
本发明设计的一种SDN和NFV融合网络移动性管理方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
由于智能设备的普及以及在日常生活中移动通信的高依赖度，移动数据流量将在2010年至2020年间增长200倍以上。在能克服容量紧缩问题技术中，超密集网络(UltraDense Network,UDN)被认为是最有希望的解决方案。在超密集网络中，各种不同类型基站的大量部署，使得网络多层化。小基站和宏基站彼此协作，可以快速响应终端的请求，给予更好的网络体验。但是一方面由于小基站的覆盖范围较小，密集的部署使得切换愈加频繁，传统切换信令过于频繁的交互成为亟待解决的问题，只有借助新的移动性管理方法才能减少切换信令，进一步减少切换时延。另一方面，移动数据流量的爆炸式增长导致更加拥塞，负载不平衡的路由状况，只有借助新的方法，才能建立更高效的路由路径。
发明内容
发明目的：本发明针对传统切换流程的信令交互过多，尤其在UDN场景下切换更为频繁使得信令交互频增的问题，提出一种SDN和NFV融合网络移动性管理方法，使切换信令的交互减少。并实现了SDN控制器对SDN交换机端口流量监听，通过下发流表实现对整个网络的数据流最优化路径分配的功能。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种SDN与NFV融合网络移动性管理方法，融合网络包括SDN控制器、核心网网元EPC、SDN交换机、基站eNB，在SDN和NFV融合网络中，切换过程由SDN控制器控制执行，终端将其接入基站eNB与相邻基站eNB的信号测量结果发送给SDN控制器，由SDN控制器执行基于切换参数自适应的切换决策，判断目标基站eNB的准入控制，符合切换条件后再向终端下发切换指令。同时将核心网网元EPC虚拟化并融为单个NFV实体，部分切换流程由单个NFV实体执行，不再需要交互。
进一步地：在切换完成后面对终端之间的通信请求，SDN控制器对所有SDN交换机端口流量的监听，并根据小区状态建立更高效的路由表，下发给SDN交换机。
优选的，切换触发条件满足时，切换程序的步骤为：
当终端处于EMM注册和ECM/RRC连接状态并且从源基站eNB的覆盖区域移动到目标基站eNB时执行的切换程序的主要步骤如下：
(1)首先，SDN控制器实现对终端的测量控制，当来自目标基站eNB的信号电平超过阈值时，终端向SDN控制器发送测量报告。
(2)其次，由SDN控制器结合各状态进行切换决策。具体为A3事件中的切换迟滞余量，分为0.1dB，0.2dB，0.3dB。SDN控制器依照制定的规则，根据用户速度、服务小区RSRQ、当前切换切换迟滞余量这三个因素，从三个值中选择合适的切换迟滞余量Hys。SDN控制器根据网络和用户的条件来动态调整以促进或避免切换程序的任务。然后SDN控制器代替目标基站eNB执行准入控制过程，以确定目标基站eNB是否具有可用资源来支持即将到来的终端。
(3)一旦确定目标基站eNB接纳终端，则SDN控制器向终端发送切换指令。
(4)然后，终端离开源基站eNB,切换至目标基站eNB。同时源基站eNB发送缓冲和分组给目标基站eNB，目标基站eNB接收来自源基站eNB的缓冲包。
(5)此时，源基站eNB开始重定向过程，将缓存的和进入的终端的下行帧转发给目标基站eNB。源基站eNB通过切换上下文信息消息提供转发帧的序列号，同时，HO中断时间发生，终端与目标基站eNB进行同步过程。在此期间，终端不能发送或接收任何数据帧。一旦终端与目标基站eNB同步，将切换确认消息发送到目标基站eNB。此后，目标基站eNB直接将终端上行帧发送给SDN交换机。
(6)接下来，目标基站eNB向vMME发送路径转换请求消息以通知终端已经执行服务基站eNB的改变。vMME收到该消息后，通知vS-GW下行S1承载已经切换，并通过发送修改承载请求消息要求切换承载路径。处理完该消息后，vS-GW向SDN控制器发送更新终端面请求，修改SDN交换机对应的流表表项，作为移动锚点。一旦SDN控制器结束操作，它就生成更新终端平面应答，发送给vS-GW确认终端平面更新。vS-GW依次确认路径修改承载请求与路径修改承载响应消息。
(7)最后，vMME发送路径切换请求确认消息给目标基站eNB，通知它已经建立了新的路径。目标基站eNB转而向源基站eNB发送终端上下文释放消息，现在，源基站eNB可释放为终端分配的无线电和控制平面资源，并且HO过程结束。
优选的：切换完成后不同终端再次发起数据通信时，数据平面主要步骤如下。
首先，UID123发送到UID789的数据流通过基站eNB1，基站eNB1截获数据流信息SrcID：123，Dst ID：789。
其次，基站eNB控制协议将Src，Dst发送给最近的SDN交换机。
然后，SDN交换机不知道如何处理到达的分组，当流的第一个数据包到达时，SDN交换机向SDN控制器发送如何处理新流的请求。此时，SDN控制器根据对各个SDN交换机的端口监控情况，生成最优路由路径，存储在SDN交换机的流表中，现在任何属于同一个流的连续分组都可以被交换机独立处理。
最后，目标基站eNB即基站eNB3解析获取的数据包转发给Dst，Dst与Src建立连接，然后数据流得以传输。
优选的：所述SDN控制器采用基于OpenFlow协议，执行控制全局功能，对切换过程的全程控制，同时支持流量控制以确保智能网络，允许服务器告诉SDN交换机向哪里发送数据包。它作为控制平面和终端平面之间的接口，虚拟核心网网元通过应用编程接口API与SDN控制器进行交互，所有基于Openflow协议的SDN交换机分布在网络中，通过南向应用编程接口API与SDN控制器进行交互。SDN控制器通过发送Openflow流表条目来控制切换流程以及所有SDN交换机的路由。
优选的：所述核心网网元EPC用于控制功能实体全部被实现为逻辑上集中的网络虚拟功能。
优选的：所述功能实体包括vS-GW、vP-GW。
优选的：所述核心网网元EPC遵循1：3的映射架构，被分成3个逻辑组件：前端FE、服务逻辑SL和状态数据库SDB，前端FE采用基于Openflow协议的SDN交换机实现，充当与网络中其他实体的通信接口，负责平衡多个服务逻辑SL之间的负载，实现对不同控制消息的处理。状态数据库SDB存储终端会话状态，使服务逻辑SL成为无状态。
优选的：所述SDN交换机为基于Openflow协议的交换机，是与网络中其他实体的通信接口，负责平衡多个服务逻辑之间的负载，实现对不同控制消息的处理。在执行普通交换机存储转发功能的基础上，同时具有接受SDN控制器下发的流表条目指示，从而执行数据流最优路径转发的功能。
优选的：所述基站eNB支持覆盖区域的终端通信与请求数据访问，终端在进行请求访问时会首先选择接入最近的覆盖区域范围的基站eNB，将访问的数据进行收集上报，基站eNB会对终端上报的信息处理然后做出反馈。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
(1)本发明将SDN和NFV融入网络，响应了目前5G移动网络的要求包括更高的灵活性，可扩展性，成本效益和能源效率。本发明中，切换过程由SDN控制器控制执行，终端将其接入基站与相邻基站的信号测量结果发送给SDN控制器，由SDN控制器执行基于自适应阈值的切换决策，并判断目标基站的准入控制，符合切换条件后再向终端下发切换指令，从而消除现有切换程序中终端与eNB间不必要的消息交换。同时通过将核心网网元虚拟化并集中在单个NFV实体的方式，消除切换时核心网网元之间的信令交互，可以进一步减少切换延迟。通过以上两种方式，切换过程的信令交互减少。
(2)本发明的交换机为基于Openflow协议的SDN交换机。SDN控制器监控所有SDN交换机的端口流量，根据路由负载状态以及小区状态建立高效的路由路径，使数据流以最优路径，更小延迟、无丢失地到达目标地址。
附图说明
图1SDN与NFV融合网络架构图。
图2SDN与NFV融合网络切换流程图。
图3SDN与NFV融合网络数据平面流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种SDN与NFV融合网络移动性管理方法，该方案将SDN(软件定义网络)和NFV(网络功能虚拟化)融入网络，响应了目前5G移动网络的要求包括更高的灵活性，可扩展性，成本效益和能源效率。该网络由SDN控制器、核心网网元EPC、SDN交换机、基站eNB四个部分组成，各个部分在执行切换或者其他命令时协同工作。在SDN和NFV融合网络中，切换过程由SDN控制器控制执行，终端将其接入基站与相邻基站的信号测量结果发送给SDN控制器，由SDN控制器执行基于切换参数自适应的切换决策，判断目标基站eNB的准入控制，符合切换条件后再向终端下发切换指令。另一方面，核心网网元EPC将功能实体全部虚拟化，并融为单个NFV(网络功能虚拟化)实体，部分切换流程由单个NFV实体执行，不再需要交互。通过以上两种方式，切换过程的信令交互减少。另外，在切换完成后面对终端之间的通信请求，SDN控制器实现对所有SDN交换机端口流量的监听，并根据小区状态建立更高效的路由表，下发给SDN交换机。本发明可以有效缓解UDN(超密集网络)中切换以及路由时延累积的情况。
如图1所示，本发明的SDN与NFV融合网络架构图，基于SDN与NFV新型技术，架构包括SDN控制器、核心网网元EPC、SDN交换机、基站eNB：
SDN控制器：基于OpenFlow协议，SDN控制器执行控制全局功能，对切换过程的全程控制，同时支持流量控制以确保智能网络,允许服务器告诉SDN交换机向哪里发送数据包。它作为作为控制平面和终端平面之间的接口，虚拟核心网网元通过应用编程接口API与SDN控制器进行交互，所有基于Openflow协议的SDN交换机分布在网络中，通过南向API与SDN控制器进行交互。SDN控制器通过发送Openflow流表条目来控制切换流程以及所有SDN交换机的路由。
核心网网元EPC：网元控制功能实体全部被实现为逻辑上集中的网络虚拟功能，如vS-GW(虚拟服务网关)、vP-GW(虚拟PDN网关)等。它们的设计遵循1：3的映射架构，被分成3个逻辑组件：前端FE，服务逻辑SL和状态数据库SDB，前端FE采用基于Openflow协议的SDN交换机实现，充当与网络中其他实体的通信接口，负责平衡多个服务逻辑SL之间的负载，实现对不同控制消息的处理。SDB存储终端会话状态，使服务逻辑SL成为无状态。因此，服务逻辑SL的数量可以增长，而不会影响会话中的终端。
SDN交换机：基于Openflow协议的交换机，是与网络中其他实体的通信接口，负责平衡多个服务逻辑之间的负载，实现对不同控制消息的处理。在执行普通交换机存储转发功能的基础上，同时具有接受SDN控制器下发的流表条目指示，从而执行数据流最优路径转发的功能。
基站eNB：支持覆盖区域的终端通信与请求数据访问，终端在进行请求访问时会首先选择接入最近的覆盖区域范围的基站eNB，将访问的数据进行收集上报，基站eNB会对终端上报的信息处理然后做出反馈。
如图2所示，当终端处于EMM(EPS移动性管理)注册和ECM/RRC(EPS连接状态管理/无线资源控制)连接状态并且从源eNB的覆盖区域移动到目标eNB时执行的切换程序的主要步骤如下：
(1)首先，SDN控制器实现对终端的测量控制，当来自目标eNB的信号电平超过阈值时，终端向SDN控制器发送测量报告。
(2)其次，由SDN控制器结合各状态进行切换决策。具体为A3(LTE中的切换事件，通常指邻小区信号比(服务小区+偏移量)好)事件中的切换迟滞余量，分为0.1dB，0.2dB，0.3dB。SDN控制器依照制定的规则，根据用户速度、服务小区RSRQ、当前切换切换迟滞余量这三个因素，从三个值中选择合适的切换迟滞余量Hys，而不是像在传统算法中，不管网络动态如何，该参数在网络中都保持固定。它是随网络状况改变的智能参数，SDN控制器可以根据网络和用户的条件来动态调整以促进或避免切换程序的任务。然后SDN控制器代替目标eNB执行准入控制过程，以确定目标eNB是否具有可用资源来支持即将到来的终端。
(3)一旦确定目标eNB接纳终端，则SDN控制器向终端发送切换指令。
(4)然后，终端离开源eNB,切换至目标eNB。同时源eNB发送缓冲和分组给目标eNB，目标eNB接收来自源eNB的缓冲包。
(5)此时，源eNB开始重定向过程，将缓存的和进入的终端的下行帧转发给目标eNB。为了支持无损HO(切换)，源eNB可以通过切换上下文信息消息提供转发帧的序列号。同时，HO中断时间发生，终端与目标eNB进行同步过程。在此期间，终端不能发送或接收任何数据帧。一旦终端与目标eNB同步，它将切换确认消息发送到目标eNB。此后，目标eNB可以直接将终端上行帧发送给SDN交换机。
(6)接下来，目标eNB向vMME(虚拟MME)发送路径转换请求消息以通知终端已经执行服务eNB的改变。vMME收到该消息后，通知vS-GW(虚拟S-GW)下行接口S1承载已经切换，并通过发送修改承载请求消息要求切换承载路径。处理完该消息后，vS-GW(虚拟服务网关)向SDN控制器发送更新终端面请求，修改SDN交换机对应的流表表项，作为移动锚点。一旦SDN控制器结束操作，它就生成更新终端平面应答，发送给vS-GW确认终端平面更新。vS-GW依次确认路径修改承载请求与路径修改承载响应消息。
(7)最后，vMME发送路径切换请求确认消息给目标eNB，通知它已经建立了新的路径。目标eNB转而向源eNB发送终端上下文释放消息。现在，源eNB可以释放为终端分配的无线电和控制平面资源，并且HO过程结束。
切换完成后同一个SDN控制器所管理的区域内，终端间再次发起通信时，此时SDN控制器根据对各个SDN交换机的端口监控情况，生成最优路由路径，下发并存储在SDN交换机的流表中。
如图3所示，切换完成后不同终端再次发起数据通信时，数据平面主要步骤如下。
首先UID123(用户ID：123)发送到UID789(用户ID:789)的数据流通过eNB1，eNB1截获数据流信息Src ID(源ID)：123，Dst ID(目标ID)：789。
其次，eNB控制协议将Src(源头)，Dst(目标)发送给最近的SDN交换机。
然后SDN交换机不知道如何处理到达的分组，当流的第一个数据包到达时，SDN交换机向SDN控制器发送如何处理新流的请求。
此时SDN控制器根据对各个SDN交换机的端口监控情况，生成最优路由路径，存储在SDN交换机的流表中。现在任何属于同一个流的连续分组都可以被交换机独立处理。
最后目标eNB即eNB3解析获取的数据包转发给Dst，Dst与Src建立连接，然后数据流得以传输。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种SDN与NFV融合网络移动性管理方法，融合网络包括SDN控制器、核心网网元EPC、SDN交换机、基站eNB，其特征在于：在SDN和NFV融合网络中，切换过程由SDN控制器控制执行，终端将其接入基站eNB与相邻基站eNB的信号测量结果发送给SDN控制器，由SDN控制器执行基于切换参数自适应的切换决策，判断目标基站eNB的准入控制，符合切换条件后再向终端下发切换指令；同时将核心网网元EPC虚拟化并融为单个NFV实体，部分切换流程由单个NFV实体执行，不再需要交互。
2.根据权利要求1所述SDN与NFV融合网络移动性管理方法，其特征在于：在切换完成后面对终端之间的通信请求，SDN控制器对所有SDN交换机端口流量的监听，并根据小区状态建立更高效的路由表，下发给SDN交换机。
3.根据权利要求2所述SDN与NFV融合网络移动性管理方法，其特征在于，切换触发条件满足时，切换程序的步骤为：
当终端处于EMM注册和ECM/RRC连接状态并且从源基站eNB的覆盖区域移动到目标基站eNB时执行的切换程序的主要步骤如下：
(1)首先，SDN控制器实现对终端的测量控制，当来自目标基站eNB的信号电平超过阈值时，终端向SDN控制器发送测量报告；
(2)其次，由SDN控制器结合各状态进行切换决策；具体为A3事件中的切换迟滞余量，分为0.1dB，0.2dB，0.3dB；SDN控制器依照制定的规则，根据用户速度、服务小区RSRQ、当前切换切换迟滞余量这三个因素，从三个值中选择合适的切换迟滞余量Hys；SDN控制器根据网络和用户的条件来动态调整以促进或避免切换程序的任务；然后SDN控制器代替目标基站eNB执行准入控制过程，以确定目标基站eNB是否具有可用资源来支持即将到来的终端；
(3)一旦确定目标基站eNB接纳终端，则SDN控制器向终端发送切换指令；
(4)然后，终端离开源基站eNB,切换至目标基站eNB；同时源基站eNB发送缓冲和分组给目标基站eNB，目标基站eNB接收来自源基站eNB的缓冲包；
(5)此时，源基站eNB开始重定向过程，将缓存的和进入的终端的下行帧转发给目标基站eNB；源基站eNB通过切换上下文信息消息提供转发帧的序列号，同时，切换HO中断时间发生，终端与目标基站eNB进行同步过程；在此期间，终端不能发送或接收任何数据帧；一旦终端与目标基站eNB同步，将切换确认消息发送到目标基站eNB；此后，目标基站eNB直接将终端上行帧发送给SDN交换机；
(6)接下来，目标基站eNB向vMME发送路径转换请求消息以通知终端已经执行服务基站eNB的改变；vMME收到该消息后，通知vS-GW下行接口S1承载已经切换，并通过发送修改承载请求消息要求切换承载路径；处理完该消息后，vS-GW向SDN控制器发送更新终端面请求，修改SDN交换机对应的流表表项，作为移动锚点；一旦SDN控制器结束操作，它就生成更新终端平面应答，发送给vS-GW确认终端平面更新；vS-GW依次确认路径修改承载请求与路径修改承载响应消息；
(7)最后，vMME发送路径切换请求确认消息给目标基站eNB，通知它已经建立了新的路径；目标基站eNB转而向源基站eNB发送终端上下文释放消息，现在，源基站eNB可释放为终端分配的无线电和控制平面资源，并且HO过程结束。
4.根据权利要求3所述SDN与NFV融合网络移动性管理方法，其特征在于，切换完成后不同终端再次发起数据通信时，数据平面主要步骤如下；
首先，用户ID：123(UID123)发送到用户ID:789(UID789)的数据流通过基站eNB1，基站eNB1截获数据流信息源ID(Src ID)：123，目标ID(Dst ID)：789；
其次，基站eNB控制协议将源头Src，目标Dst发送给最近的SDN交换机；
然后，SDN交换机不知道如何处理到达的分组，当流的第一个数据包到达时，SDN交换机向SDN控制器发送如何处理新流的请求；此时，SDN控制器根据对各个SDN交换机的端口监控情况，生成最优路由路径，存储在SDN交换机的流表中，现在任何属于同一个流的连续分组都可以被交换机独立处理；
最后，目标基站eNB即基站eNB3解析获取的数据包转发给Dst，Dst与Src建立连接，然后数据流得以传输。
5.根据权利要求1所述SDN与NFV融合网络移动性管理方法，其特征在于：所述SDN控制器采用基于OpenFlow协议，执行控制全局功能，对切换过程的全程控制，同时支持流量控制以确保智能网络，允许服务器告诉SDN交换机向哪里发送数据包；它作为控制平面和终端平面之间的接口，虚拟核心网网元通过应用编程接口API与SDN控制器进行交互，所有基于Openflow协议的SDN交换机分布在网络中，通过南向应用编程接口API与SDN控制器进行交互；SDN控制器通过发送Openflow流表条目来控制切换流程以及所有SDN交换机的路由。
6.根据权利要求1所述SDN与NFV融合网络移动性管理方法，其特征在于：所述核心网网元EPC用于控制功能实体全部被实现为逻辑上集中的网络虚拟功能。
7.根据权利要求6所述SDN与NFV融合网络移动性管理方法，其特征在于：所述功能实体包括vS-GW、vP-GW。
8.根据权利要求6所述SDN与NFV融合网络移动性管理方法，其特征在于：所述核心网网元EPC遵循1：3的映射架构，被分成3个逻辑组件：前端FE、服务逻辑SL和状态数据库SDB，前端FE采用基于Openflow协议的SDN交换机实现，充当与网络中其他实体的通信接口，负责平衡多个服务逻辑SL之间的负载，实现对不同控制消息的处理；状态数据库SDB存储终端会话状态，使服务逻辑SL成为无状态。
9.根据权利要求1所述SDN与NFV融合网络移动性管理方法，其特征在于：所述SDN交换机为基于Openflow协议的交换机，是与网络中其他实体的通信接口，负责平衡多个服务逻辑之间的负载，实现对不同控制消息的处理；在执行普通交换机存储转发功能的基础上，同时具有接受SDN控制器下发的流表条目指示，从而执行数据流最优路径转发的功能。
10.根据权利要求1所述SDN与NFV融合网络移动性管理方法，其特征在于：所述基站eNB支持覆盖区域的终端通信与请求数据访问，终端在进行请求访问时会首先选择接入最近的覆盖区域范围的基站eNB，将访问的数据进行收集上报，基站eNB会对终端上报的信息处理然后做出反馈。
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