CN109743726A - 一种lte系统漫游场景下共享静态终端的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及互联网技术领域，具体地说，是一种LTE系统漫游场景下共享静态终端的方法，通过在归属域核心网和拜访域核心网间为静态终端建立独立局域网，将全部静态终端统一在独立局域网内进行漫游管理；通过增加核心网PDN网关的数据链路层数据处理能力，实现核心网与业务网络间指向静态终端的数据链路层传输交换控制，在不增加核心网的处理量的基础上能够快速完成漫游场景下静态终端数据在归属域核心网和拜访域核心网的数据传输路径转换；通过增加标准LTE核心网间的交互信令，避免归属域核心网因无法感知终端漫游而导致的数据链路层转换收敛时间过长的问题，并最终实现在LTE系统漫游场景下多核心网间静态终端的快速共享。

Description

一种LTE系统漫游场景下共享静态终端的方法

技术领域

本发明涉及互联网技术领域，具体地说，是一种LTE系统漫游场景下共享静态终端的方法。

背景技术

LTE（Long Term Evolution，长期演进)是由3GPP（The 3rd GenerationPartnership Project，第三代合作伙伴计划）组织制定的通用移动通信系统技术标准的长期演进。LTE作为一种先进的技术，系统具有提高峰值数据速率、小区边缘速率、频谱利用率，降低控制和用户平面的时延，简化架构，全IP化网络的特点。基于LTE技术的无线宽带接入系统通常由终端、基站、核心网、业务网络共四部分构成，终端通过基站接入核心网并最终连接到业务网络中。在实际部署过程中，由于地域、网络运营商、网络归属、安全等原因会部署多套核心网，通常将移动终端离开当前登记的归属域核心网并移动到目的拜访域另一个核心网后，拜访域核心网继续向移动终端提供服务的功能称为漫游。

3GPP在LTE标准中给出2种漫游场景的网络架构，如图4所示的归属路由架构和如图5所示的本地接入架构，这两种网络架构的终端均是在拜访域中接入新的核心网，对于归属路由漫游架构，终端始终锚定在归属域核心网PDN（Packet Data Network ，包数据网）网关上，并要求归属域和拜访域开放核心网内部业务面接口并支持服务网关和PDN网关间的S5/S8接口；对于本地接入漫游架构，终端接入拜访域核心网PDN网关并重新进行唯一性IP地址分配或者由LTE系统代为向DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）服务器申请唯一的IP地址，并完成终端与业务网络的连通。在LTE系统中，根据系统为终端分配IP地址的方式分类，可以分为静态IP地址分配方式和动态IP地址分配方式。其中静态IP地址分配方式是指系统为终端长期分配一个固定的IP地址，终端每次接入网络均会被分配同一个相同的IP地址，通过静态IP地址分配方式获得IP地址的终端可以称为静态终端。而动态IP地址分配方式是指终端每次接入核心网后，由核心网采用动态分配机制为终端临时分配暂时使用的IP地址，终端每次接入网络被分配的IP地址无法保证相同，通过动态IP地址分配方式获得IP地址的终端可以称为动态终端。

共享静态终端是指采用静态IP地址分配方式的静态终端在多个核心网间移动或者漫游时，终端的IP地址保持改变。即，终端可以在任何一个核心网完成附着并获得相同的固定IP地址，多个核心网共同享有该静态IP地址和静态终端并提供服务。

在某些特定行业领域中，其现有行业应用系统要求访问特定终端采用基于IP地址的访问方式，即特定终端必须为静态终端，业务应用系统通过对固定网络IP地址的访问完成对终端的识别和业务交互。当在该行业领域使用LTE系统漫游场景时，LTE系统归属域和拜访域间存在共享静态终端的一些问题。

首先，由于行业网络中的终端必须使用规划的静态IP地址，LTE系统承载该业务网络时，所部署的多个核心网需要对网络中的静态终端实现共享，即终端的IP地址不能因终端在LTE系统归属域和拜访域间漫游而改变。同时由于LTE系统本身只支持层三IP地址寻址，其特点是同一网段的IP地址必须路由到唯一的核心网PDN网关来完成指向该网段终端的数据传输路由，所以当同一网段不同静态终端分别位于归属域和拜访域时，系统无法正确寻址。另外，由于行业网络的安全问题，通常采用服务网关和PDN网关合设方式并不对外提供业务面接口及S5/S8连接，所以在仅能使用本地接入漫游架构的情况下，LTE系统是无法将同一网段内的静态终端在归属域和拜访域间实现动态共享。

其次，如果在网络中将每个静态终端所规划IP地址均作为独立网段使用，则静态终端在归属域和拜访域间漫游时，核心网需要为每个漫游终端建立独立路由，并通过动态路由更新功能完成静态终端IP地址在核心网以及业务网络间的路由更新，当存在大量静态终端时，核心网的系统开销会显著增大。同时，由于在路由更新完成前，业务系统仍然会将数据按原路由进行传递并被最终丢弃，而动态路由更新需要较长时间，这会造成大量数据丢失和业务的长时间中断。

发明内容

鉴于上述在特定行业领域中LTE系统归属域和拜访域间共享静态终端所存在的问题，本发明在LTE系统中提出一种新的基于独立局域网的静态终端共享方法，能够不改变LTE系统架构的情况下，实现LTE系统漫游场景下归属域与拜访域之间快速共享静态终端，实现漫游场景下静态终端业务数据传输路径的快速变换。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种LTE系统漫游场景下共享静态终端的方法，该方法基于在核心网间建立独立局域网，通过在核心网PDN网关扩展数据链路层数据处理功能以及在核心网间增加漫游通知功能，实现漫游场景下多个核心网间共享静态终端。

在上述技术方案中，对于核心网间建立的独立局域网，独立核心网采用二层网络架构，方法进一步包括：所述独立局域网的二层网络规划为能够满足涵盖全部静态终端的单一IP网段，同时，所有核心网的PDN网关和业务网络中各服务器等均需要规划和绑定独立局域网内的IP地址，形成包括静态终端、PDN网关、业务网络服务器的局域网络。该网络用于LTE系统漫游场景下多核心网间共享静态终端。

本发明的进一步改进，核心网PDN网关需要扩展数据链路层处理功能，在核心网PDN网关增加面向终端的ARP寻址响应和免费ARP广播功能，方法进一步包括：

所述面向终端是指核心网PDN网关需要为每个静态终端独立维护ARP寻址响应功能和免费ARP广播功能；

所述核心网PDN网关需要增加面向终端的ARP寻址响应功能，当所述核心网PDN网关收到针对独立局域网内静态终端的ARP寻址请求时，所述PDN网关不再忽略该请求，而是代替静态终端进行ARP寻址响应；进一步，PDN网关在构造ARP寻址响应消息时，需要使用PDN网关本身在独立局域网中所使用的MAC地址替代静态终端MAC地址进行响应，确保独立局域网内业务网络发送给终端的数据包可以到达PDN网关，进而保证终端与业务网络的正常业务通信；

所述核心网PDN网关需要增加面向终端免费ARP广播功能，当所述核心网确认静态终端漫游到当前核心网后，核心网PDN网关应使用免费ARP广播功能，主动向业务网络广播该静态终端相关的免费ARP请求。进一步，PDN网关在构造免费ARP请求消息时，需要使用PDN网关本身在独立局域网中所使用的MAC地址替代静态终端MAC地址。

进一步地改进，核心网间需要增加漫游通知功能，通过新增信令实现核心网间共享静态终端的通知，方法进一步包括：所述漫游通知功能是通过在核心网间增加漫游通知流程实现的，该流程包括漫游通知信令和漫游通知确认信令，其中，漫游通知信令由拜访域核心网发给归属域核心网，用于将静态终端的漫游信息传递给归属域核心网，信令应包括静态终端标识以及静态终端在归属域核心网的临时标识；漫游通知确认信令作为漫游通知信令的响应由归属域核心网发给拜访域核心网；拜访域核心网应在确认终端为静态终端、识别终端归属域核心网信息并且终端通过认证鉴权后，立即启动漫游通知流程；归属于核心网应在收到漫游通知信令后立即处理并给出响应。

本发明的进一步改进，核心网PDN网关需要动态控制新增的数据链路层功能，PDN网关需要根据终端的漫游情况动态启动或关闭数据链路层功能，方法进一步包括：所述归属域核心网应在收到拜访域核心网发来的漫游通知信令后，在归属域核心网PDN网关将漫游通知信令所指示静态终端的ARP寻址响应功能和免费ARP广播功能关闭；所述拜访域核心网应在收到归属域核心网发来的漫游通知确认信令后，在拜访域核心网PDN网关将漫游通知流程所指示静态终端的ARP寻址响应功能和免费ARP广播功能开启；进一步，拜访域核心网PDN网关在开启免费ARP广播功能后，应立即向业务网络广播与该漫游静态终端相关的免费ARP请求；进一步，拜访域核心网PDN网关收到免费ARP请求的响应，则拜访域核心网PDN网关应进行周期性免费ARP广播，直到不再收到免费ARP请求的响应。

本发明的有益效果：本发明通过在归属域核心网和拜访域核心网间为静态终端建立独立局域网，将全部静态终端统一在独立局域网内进行漫游管理；通过增加核心网PDN网关的数据链路层数据处理能力，实现核心网与业务网络间指向静态终端的数据链路层传输交换控制，在不增加核心网的处理量的基础上能够快速完成漫游场景下静态终端数据在归属域核心网和拜访域核心网的数据传输路径转换；通过增加标准LTE核心网间的交互信令，避免归属域核心网因无法感知终端漫游而导致的数据链路层转换收敛时间过长的问题，并最终实现在LTE系统漫游场景下多核心网间静态终端的快速共享。

附图说明

图1是本发明中实施例流程图。

图2是本发明中漫游通知流程图。

图3是实施例中Roaming Notify信令表格。

图4是3GPP 归属路由漫游架构。

图5是 3GPP本地接入漫游架构。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

在本实施例中，LTE系统首先需要为漫游场景下的多个核心网间建立用于共享静态终端的独立局域网，该独立局域网采用二层网络架构，主要包括：在该独立局域网内规划能够涵盖全部静态终端的单一IP地址网段，所有核心网的PDN网关和业务网络服务器均绑定独立局域网内的IP地址，用于与LTE系统内静态终端、核心网、业务网络间的数据交换。

其次，核心网的PDN网关需要增加数据链路层数据处理能力，包括增加面向终端的地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP）寻址响应和免费ARP广播功能；由于LTE系统采用网络层架构，所以当业务网络在所建立的独立局域网内对静态终端进行数据链路层ARP寻址来获取终端的媒体访问控制（Media Access Control，MAC）地址时，ARP寻址请求会终止于核心网PDN网关；核心网PDN网关增加面向终端的ARP寻址响应功能，具体方法是当PDN网关收到针对独立局域网内静态终端的ARP寻址请求时，PDN网关不再忽略该请求，而是代替终端进行ARP寻址响应，在响应消息中PDN网关需使用PDN网关本身在独立局域网中使用的MAC地址作为终端MAC地址进行响应。利用该功能即可确保独立局域网内业务网络发送给终端的数据包可以到达PDN网关，进而保证终端与业务网络的正常业务通信。

当终端漫游到拜访域核心网并完成接入后，终端的数据传输路径由归属域核心网转换为拜访域核心网，即在终端IP地址不变的情况下，业务网络发送给终端的数据包应寻址到拜访域核心网的PDN网关。但由于业务网络中各服务器的ARP缓存表内容存在失效周期，在未失效的情况下，发给该终端的数据包仍将使用归属域核心网PDN网关的MAC地址作为寻址目标。通过在拜访域PDN网关增加免费ARP广播技术功能，当终端接入PDN网关后，PDN网关代替终端进行免费ARP广播，通知独立局域网内更新该终端的MAC地址信息，其中，免费ARP请求消息中PDN网关的MAC地址作为终端MAC地址进行广播。如果拜访域核心网PDN网关收到免费ARP请求的响应，则拜访域核心网PDN网关应进行周期性的免费ARP广播，直到不再收到免费ARP请求的响应。

再次，终端漫游场景下是重新接入拜访域核心网，标准LTE系统下归属域核心网仅能通过周期性跟踪区更新定时器超时来判定终端离开归属域核心网，需要增加漫游场景下核心网之间的通知机制，避免漫游场景下共享静态终端的冲突。为了达到这个目的，需要增加核心网间的通知信令，具体方法如下：在标准LTE系统中增加核心网间的漫游通知流程，该流程包括漫游通知（Roaming Notify）信令和漫游通知确认信令（Roaming NotifyAcknowledge），具体流程如图2所示。

其中Roaming Notify信令由拜访域核心网发给归属域核心网，将终端的漫游状态通知给归属域核心网，具体信令内容如图3所示。

最后，归属域核心网和拜访域核心网通过上述配置和扩展，当静态终端在多个核心网间进行漫游时，通过核心网间漫游通知功能以及数据链路层处理功能的配合，完成漫游场景下静态终端的共享，具体处理方式如下：

对于拜访域核心网，当拜访域核心网收到终端的附着请求，拜访域核心网首先通过内部的用户签约数据判断该终端为漫游终端，通过解析附着请求信令中终端的GUTI标识确定归属域核心网信息。其次拜访域核心网按照标准附着流程对终端进行认证和鉴权，当终端通过认证鉴权后，拜访域核心网立即发起漫游通知流程，通过新增的漫游通知信令通知归属域核心网当前终端的漫游信息。拜访域核心网继续完成附着流程并通过PDN网关为终端分配规划给该终端的静态IP地址，当拜访域核心网收到归属域核心网的漫游通知确认后，拜访域核心网PDN网关应立即启动数据链路层功能，包括ARP寻址响应和免费ARP广播功能，更新拜访域核心网与业务网络之间的数据交换链路。

对于归属域核心网，当收到拜访域核心网的漫游通知信令时，归属域核心网通过信令中的IMSI和GUTI标识确认漫游终端信息，使用标准LTE本地去附着流程完成在归属域网络中该终端的去附着。归属域核心网PDN网关在终端去附着过程中，应关闭针对该漫游终端的ARP寻址响应功能和免费ARP广播功能。最后归属域核心网通过漫游通知确认信令通知拜访域核心网完成漫游终端的状态更新。

实施例，如图1所示，在步骤401中，LTE系统为系统中全部静态终端建立基于二层网络架构的独立局域网，在该独立局域网中还应包括核心网PDN网关和业务网络服务器。

在步骤402中，静态终端通过标准LTE附着流程附着在归属域核心网中，并由归属域核心网PDN网关为终端分配静态IP地址，同时归属域核心网PDN网关应启动ARP寻址响应及免费ARP广播功能。业务网络在完成数据链路层寻址后，业务数据流将从业务网络通过归属域核心网PDN网关传输给静态终端。

在步骤403中，静态终端从归属域漫游到拜访域并重新在拜访域核心网进行附着，静态终端应在附着请求信令携带归属域核心网GUTI及IMSI信息。

在步骤404b中，拜访域核心网收到静态终端附着请求并启动标准LTE附着流程，当拜访域核心网通过用户签约数据确认当前终端为漫游终端，则通过解析附着信令中归属域核心网分配的GUTI信元确认归属域核心网信息。拜访域核心网在完成对终端的认证鉴权后，启动漫游通知流程并向归属域核心网发送漫游通知信令。

在步骤404a中，归属域核心网在收到拜访域核心网的漫游通知信令，通过信令中IMSI信元确认终端信息，确定终端因漫游离开归属域并启动本地化去附着流程，删除漫游终端的相关信息。归属域核心网PDN网关关闭针对该静态终端的ARP寻址响应及免费ARP广播功能。

在步骤405中，拜访域核心网完成终端附着流程，并为该终端分配静态IP地址。拜访域核心网PDN网关此时不启动针对该静态终端的ARP寻址响应及免费ARP广播等数据流链路层功能。数据流仍然从业务网络传输给归属域核心网并终止于归属域核心网PDN网关。

在步骤406a中，归属域核心网完成漫游终端的本地化去附着后，通过漫游通知确认信令通知拜访域核心网完成终端漫游状态的确认以及关闭数据链路层功能。

在步骤406b中，拜访域核心网收到归属域核心网的漫游通知确认信令，拜访域核心网PDN网关开启包括启动ARP寻址响应及免费ARP广播等数据链路层功能，并向业务网络发送针对该静态终端的免费ARP广播。业务网络根据免费ARP信息更新ARP缓存表，后续针对该静态终端的业务数据流由业务网络传输给拜访域核心网PDN网关并最终传输给静态终端。

通过以上的处理，有效利用在归属域核心网及拜访域核心网间建立的独立局域网，通过在核心网PDN网关增加数据链路层功能，以及在核心网间增加漫游通知流程，能够快速有效的完成在归属域核心网与拜访域核心网之间的静态终端的共享，使通过静态IP地址识别终端的业务网络可以快速部署LTE系统。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种LTE系统漫游场景下共享静态终端的方法，其特征在于，该方法基于在核心网间建立独立局域网，通过在核心网PDN网关扩展数据链路层数据处理功能以及在核心网间增加漫游通知功能，实现漫游场景下多个核心网间共享静态终端。

2.根据权利要求1所述的LTE系统漫游场景下共享静态终端的方法，其特征在于，所述独立局域网采用二层网络架构，所述独立局域网的二层网络规划为能够满足涵盖全部静态终端的单一IP网段，同时，所有核心网PDN网关和业务网络中各服务器规划和绑定独立局域网内的IP地址，形成包括静态终端、PDN网关、业务网络服务器的局域网络，该网络用于LTE系统漫游场景下多核心网间共享静态终端。

3.根据权利要求1所述的LTE系统漫游场景下共享静态终端的方法，其特征在于，核心网PDN网关扩展数据链路层数据处理功能，包括在核心网PDN网关增加面向静态终端的ARP寻址响应和免费ARP广播功能；

所述面向终端是指核心网PDN网关需要为每个静态终端独立维护ARP寻址响应功能和免费ARP广播功能；

当核心网PDN网关收到针对独立局域网内静态终端的ARP寻址请求时，所述PDN网关代替终端进行ARP寻址响应；

当所述核心网确认静态终端漫游到当前核心网后，核心网 PDN网关代替终端进行免费ARP广播，主动向业务网络广播该静态终端相关的免费ARP请求。

4.根据权利要求3所述的LTE系统漫游场景下共享静态终端的方法，其特征在于，

所述核心网PDN网关在构造ARP寻址响应消息时，需要使用核心网PDN网关本身在独立局域网中所使用的MAC地址替代静态终端MAC地址进行响应；

所述核心网PDN网关在构造免费ARP请求消息时，需要使用PDN网关本身在独立局域网中所使用的MAC地址替代静态终端MAC地址。

5.根据权利要求1所述的LTE系统漫游场景下共享静态终端的方法，其特征在于，核心网间增加漫游通知功能，通过新增信令实现核心网间共享静态终端的通知；

所述漫游通知功能是通过在核心网间增加漫游通知流程实现的，该流程包括漫游通知信令和漫游通知确认信令；

漫游通知信令由拜访域核心网发给归属域核心网，用于将静态终端的漫游信息传递给归属域核心网，信令应包括静态终端标识以及静态终端在归属域核心网的临时标识；

漫游通知确认信令作为漫游通知信令的响应由归属域核心网发给拜访域核心网；

拜访域核心网应在确认终端为静态终端、识别终端归属域核心网信息并且终端通过认证鉴权后，立即启动漫游通知流程；

归属域核心网应在收到漫游通知信令后立即处理并给出响应。

6.根据权利要求3所述的LTE系统漫游场景下共享静态终端的方法，其特征在于，所述核心网PDN网关根据终端的漫游情况动态启动或关闭数据链路层功能；

所述归属域核心网应在收到拜访域核心网发来的漫游通知信令后，在归属域核心网PDN网关将漫游通知信令所指示静态终端的ARP寻址响应功能和免费ARP广播功能关闭；

所述拜访域核心网收到归属域核心网发来的漫游通知确认信令后，在拜访域核心网PDN网关将漫游通知流程所指示静态终端的ARP寻址响应功能和免费ARP广播功能开启；

所述拜访域核心网PDN网关在开启免费ARP广播功能后，立即向业务网络广播与该漫游静态终端相关的免费ARP请求；

所述拜访域核心网PDN网关收到免费ARP请求的响应，则拜访域核心网PDN网关应进行周期性免费ARP广播，直到不再收到免费ARP请求的响应。