CN110913348A

CN110913348A - 无固定基础设施依托的分布式网络架构及其位置管理方法

Info

Publication number: CN110913348A
Application number: CN202010016217.7A
Authority: CN
Inventors: 杜雨; 王硕禾; 蔡承才; 郭威
Original assignee: Shijiazhuang Tiedao University
Current assignee: Shijiazhuang Tiedao University
Priority date: 2020-01-08
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2020-03-24
Anticipated expiration: 2040-01-08
Also published as: CN110913348B

Abstract

本发明涉及一种无固定基础设施依托的分布式网络架构及其位置管理方法，分布式网络架构包括核心网层、接入网层与子网层；位置管理方法包括位置信息上报、相邻子网信息推送和锚节点推送。本发明经过仿真实验得出该方案运用到此架构上的信令与数据开销要比现有的移动IP方案运用到此架构上的小。本发明可以高效地支持需要网络灵活性的业务场景，使网络具有快速部署能力和抗击毁能力，并且对用户设备进行有效的位置管理，本发明针对无固定基础设施依托的分布式网络架构的位置管理方案，通过仿真验证了此架构的位置管理方案相比传统的位置管理方案降低了数据与信令开销。

Description

无固定基础设施依托的分布式网络架构及其位置管理方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术，具体地说是一种无固定基础设施依托的分布式网络架构及其位置管理方法。

背景技术

随着无线通信网络技术的发展，人们对网络设备移动性的要求越来越高。目前的移动网络大多都建设在固定基础设施的架构之上。固定的基础设施可以为用户提供高安全性、高服务质量的通信网络环境，但同时也限制了通信网络的灵活性。在某些比较特殊的场合，比如医疗、救灾、军事环境下，有固定基础设施的通信网络将不再适用。

目前，移动性管理技术得到众多国际标准化组织和研究机构的关注，这些组织提出了一些移动性管理方案，如移动IP协议(Mobile IP Protocol, MIP)、代理移动IP协议(Proxy Mobile IP Protocol, PMIP)、Media Independent Handover(MIH)，以及针对这些协议提出的一些优化方案。方案通过不同的技术和机制，在一定程度上解决了移动终端在移动过程中的通信问题实现移动性管理。然而，却都存在着这样的问题，即几乎都是采用基于核心网的集中式架构，集中式锚点成为数据传输瓶颈，由于单点失效而导致系统的全部瘫痪。

针对上述有固定基础设施与集中式管理网络的不足，研究人员已经提出了多种解决方案，比较Ad Hoc网络模型架构。Ad Hoc网络是一种多跳的、无中心的自组织无线网络，每个终端既是主机也是路由器，不依赖于固定的基础设施。Ad hoc网络的终端存在着能源上的限制，在生存周期与带宽上具有有限性，并且安全性非常脆弱，很容易受到外部的攻击，且该网络为小规模组网，并不适用于大范围战场环境的需求。IETF提出的分布式移动性管理方法将集中的移动性管理锚点功能分散到位于接入网水平的接入路由器上，这不仅缓解了移动性锚点的负担，而且还增加了无线通信网络的可扩展性。然而，其仍然需要建立在固定的基础设施之上，在某些需要网络灵活性的场合并不适用。

传统移动性管理包括位置管理和切换管理，由于终端及个人的移动性，我们需要随时跟踪用户的位置。位置管理是移动通信领域中一类非常重要的问题，属于移动性管理的范畴。就位置管理而言，网络的目标是为了准备到移动用户的路由。为此，网络必须记住每个用户在什么地方注册，当前在什么地方活动。在移动通信网络中，为了保持用户设备（UE）的移动性，网络需要识别和跟踪用户设备的位置，或用户设备通知网络更新自己的位置，也就是要对用户设备进行移动性管理。识别和跟踪用户设备，同时减少信令开销是位置管理研究中面临的一个重要问题。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种无固定基础设施依托的分布式网络架构，以解决现有基于核心网的集中式网络架构存在的由于集中式锚点的单点失效而导致系统瘫痪的问题。

本发明的目的之二就是提供一种基于无基础设施依托的位置管理方法，以解决现有位置管理过程仅对本节点及相邻节点更新用户的位置信息而无法对其他节点更新用户位置信息的问题。

本发明目的之一是这样实现的：一种无固定基础设施依托的分布式网络架构，包括核心网层、接入网层与子网层；

所述核心网层为全局接入单元，只负责对全网的初始信息进行规划，不负责全网的接入控制和移动性管理；

所述接入网层包括若干节点，所述节点包括节点服务器、节点数据库与节点网关；所述节点服务器用于与节点数据库进行交互，完成用户的鉴权、移动性管理以及为接入本节点的用户分配临时ID和承载ID；所述节点数据库用于存储节点所需要的包括接入控制信息、移动性管理信息和承载信息在内的信息；所述节点网关存储有与数据转发、承载建立相关的信息，用于为本节点与其他节点进行包括数据包转发、IP分配和承载建立在内的交互；

所述子网层包括若干子网，所述子网包括接入点和用户，用户与接入点之间为无线连接；所述接入点作为用户设备与节点之间的中继实体，用于储存跟用户设备相关的信息；所述用户是具有移动和数据收发的功能的网络终端。

所述子网作为寻呼区域附着在所述接入网层的节点上。

本发明目的之二是这样实现的：一种基于无基础设施依托的位置管理方法，包括以下步骤：

a、设立上述的无固定基础设施依托的分布式网络架构；

b、位置信息上报：

b-1、节点服务器发送一个位置报告控制信息到达接入点，所述位置报告控制信息应标识请求报告的用户设备，请求的位置信息包含网络ID和子网ID；

b-2、接入点接收到节点发来的控制位置上报信令，识别特定的用户设备，发出位置上报控制信令；

b-3、用户设备接收到信息上报控制信令，上报自己的位置信息；所述位置信息包含用户设备跟踪区列表和临时UE标识；

b-4、接入点接收到用户设备的位置信息，上报节点服务器；

b-5、节点服务器获取到用户设备的位置信息之后，通知节点数据库更新用户设备的位置信息；

b-6、节点数据库根据节点服务器发来的位置信息，更新用户设备的位置信息，之后再反馈一个确认信号；

c、相邻子网信息推送：

c-1、用户设备向本地节点上报自己的信息；上报信息中包括自己的位置信息和无线接入能力信息；

c-2、本地节点接收到特定用户设备的相关信息，本地节点向相邻节点发送获取子网信息的服务请求，请求获取的子网信息包括物理小区ID、导频号和小区偏移值；

c-3、相邻节点接收到服务请求之后向本地节点反馈自身的子网信息；

d、锚节点推送：

d-1、用户设备移动并接入某个新的节点，发起位置更新，完成IP绑定缓存条目（BCE）的更新；

d-2、新节点查询用户设备的IP地址，通过IP地址的节点指示字段获取该用户设备的锚节点，并查询锚节点的IP地址；

d-3、新节点查询到达锚节点的最优路由，将代理绑定更新（PBU）消息发送到锚节点；

d-4、锚节点接收代理绑定更新消息后，对移动用户设备的绑定缓存条目进行更新，将原来的IP绑定替换为与新节点的IP绑定；

c-5、当网络中某个通信节点要向该用户设备发送数据时，先通过用户设备的IP地址查询并获取该用户设备的锚节点地址；

d-6、通信节点向锚节点发送位置查询消息，消息中包含此用户设备的IP地址；

d-7、锚节点收到位置查询消息后，查询该用户设备的绑定缓存条目，将此绑定信息包含在位置查询响应消息中发送给通信节点；

d-8、通信节点收到位置查询响应，获取用户设备当前所在节点，即目标节点的IP地址；于是建立隧道，将目标节点的IP地址作为包头对数据包进行封装后通过最优路由发送到目标节点；

d-9、目标节点收到数据包后，对数据包进行解封装，查询用户设备是否在本地节点内，若用户设备在本地节点，则通过寻呼找到并将数据包发送给用户设备；

d-10、若用户设备不在目标节点，则目标节点将作为新的通信节点从步骤d-5开始向锚节点查询用户设备当前的最新位置。

本发明给出了一种无固定基础设施依托的分布式网络架构，并在此基础上提出的一种锚节点推送方案的位置管理方法，经过仿真实验得出将该锚节点推送方案运用到分布式网络架构上的信令与数据开销要明显小于将现有的移动IP方案运用到此架构上的信令与数据开销。

本发明可以高效地支持需要网络灵活性的业务场合，使移动通信网络具有快速部署能力和抗击毁能力，并且可对用户设备进行有效的位置管理。本发明针对无固定基础设施依托的分布式网络架构的位置管理方案，通过仿真验证了此架构的位置管理方案相比传统的位置管理方案降低了数据与信令开销。

附图说明

图1是本发明分布式网络架构的结构示意图。

图2是节点通知用户设备位置上报的操作过程示意图。

图3是相邻子网信息推送流程图。

图4是锚节点推送方案的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明无固定基础设施依托的分布式网络架构的整体网络为三层网络，分别是核心网层、接入网层与子网层。其中，核心网层包含全局接入单元，只负责对全网的初始信息进行规划，不负责网络的接入控制及移动性管理。网络的控制管理功能分散在接入网层的各个节点实体中，节点实体是可以移动的控制功能实体。子网层的子网附着在接入网层的节点上，子网内有接入点与用户。接入点与节点之间为有线连接，并且接入点可以与节点随动，用户和接入点之间为无线连接。

节点作为本网络架构的主要控制单元，当全网规划流程完成后，网络中的大部分信息将储存在节点中。由于节点为分布式控制单元，所以每个节点将掌握不同用户的信息。一般来说，某一用户的信息除了储存在当前所在节点外，此节点之外的相邻节点也会存储该用户的信息，以避免当前节点信息丢失导致该用户无法接入网络。

节点被划分为三个模块，分别是节点服务器、节点数据库与节点网关。大部分的信息会长时间储存在节点数据库中，除非接收指令要求删除某些信息。节点服务器会暂存一些信息，一段时间后，这些信息会被分配给其他模块或实体，或者直接删除。节点网关只会储存少量信息，比如用户地址与承载ID信息等，这些信息保证数据包能正确转发到目的单元。

节点服务器为节点的核心处理模块，其可以与数据库进行交互完成用户的鉴权、移动性管理、以及为接入本节点的用户分配临时ID和承载ID。信息在该模块仅暂时保留，不会长时间存储，一定时间后会删除或转移到其他模块或实体中。

节点数据库为节点的数据存储模块。节点数据库可以长时间存储节点所需要的各种信息，包括接入控制信息、移动性管理信息、承载信息等。节点数据库中的信息不会删除，除非收到节点服务器传来的删除指令。

节点网关为节点与其他节点进行交互的模块。节点网关可以实现数据包转发、IP分配、承载建立等功能。节点网关中会存储与数据转发、承载建立相关的信息，比如IP地址与承载ID等。

所述子网为本网络架构的基本寻呼单元。用户发起位置更新时在节点中记录自身所在子网的位置。当节点想要与某用户建立连接时，通知子网对其范围内的用户发起寻呼。用户在子网内移动时不触发位置更新，当发生跨子网移动时会触发位置更新过程。

接入点作为用户设备与节点之间的中继实体，会储存跟用户设备（UE）相关的信息，比如用户设备的用户信息与承载信息。同时，部分接入点本身也是作为用户设备存在（比如自组网的簇头），该类接入点会存储关于自身的用户信息。具有移动、数据发送、接收的能力，拥有属于自己的ID与IP地址，在接入节点时需要进行认证。

用户是本网络架构最底层的网络终端，具有移动、数据收发的功能。用户拥有一个全球唯一的ID，用于初始接入节点时进行认证授权。为了保护此ID的安全，节点会在初始接入之后为每个用户分配临时ID以替代唯一ID。临时ID可以指示当前用户属于哪一个节点。

本发明基于无基础设施依托的位置管理方法，是以上述分布式网络架构为基础，实施位置信息上报、相邻子网信息推送和锚节点推送等步骤，具体方式如下。

一、位置信息上报。

在本网络架构中，以子网作为寻呼区域。用户设备在子网中移动时不需要给节点报告自己的位置。节点知道用户设备在哪个子网当中，当处于空闲态的用户设备有数据到达时，网络对该子网的区域进行寻呼。当用户设备从该子网移动到另一个子网时，用户设备必须执行位置更新过程来请求位置更新，节点就可以更新用户设备所在的子网区域。

节点通知用户设备位置上报的过程是由实时接入控制服务器发起，要求接入点向其报告当用户设备处于连接状态下用户设备当前的位置。当用户设备处于空闲态下时，接入点继续报告的需要停止。

如图2所示，位置信息上报过程的具体操作步骤如下：

1、节点服务器发送一个位置报告控制信息到达接入点。位置报告控制信息应标识请求报告的用户设备，请求的位置信息包含诸如报告类型的信息。请求的位置信息包含网络ID和子网ID。报告类型指示信令旨在触发关于服务于用户设备的当前子网ID的单个独立报告，或者在用户设备改变小区时启动接入点进行报告。

2、接入点接收到节点发来的控制位置上报信令，识别特定的用户设备，发出位置上报控制信令。

3、用户设备接收到信息上报控制信令，上报自己的位置信息。该位置信息包含用户设备跟踪区列表和临时UE标识（GUTI）。

4、接入点接收到用户设备的位置信息，上报节点服务器。

5、节点服务器获取到用户设备的位置信息之后，通知节点数据库更新用户设备的位置信息。

6、节点数据库根据节点服务器发来的位置信息，更新用户设备的位置信息，之后再反馈一个确认信号。

二、相邻子网信息推送。

用户设备需要定时将自身信息（位置、无线通信能力）推送给节点，以便节点能即时对用户设备资源进行修改与调整。同时，节点也需要将网络信息推送给用户设备，使用户设备在进行网络选择时有足够的信息来判断，选择最好的网络进行接入。

该过程仅发生在本地节点与相邻节点之间，若检测到本地节点与相邻节点的链路断开，则需要停止该过程。

如图3所示，相邻子网推送过程是由节点根据用户设备上报的信息，选择本节点及相邻节点的子网信息推送给客户端，具体的推送流程步骤如下：

1、用户设备向本地节点上报自己的信息。上报信息中包括自己的位置信息和无线接入能力信息。其中无线接入能力包括是否支持多种无线接入能力及支持哪些无线接入能力。

2、本地节点接收到特定用户设备的相关信息，本地节点向相邻节点发送获取子网信息的服务请求。请求获取的子网信息如下：物理小区ID、导频号、小区偏移值。

3、相邻节点接收到服务请求之后向本地节点反馈自身的子网信息。

本地节点获得相邻节点的子网信息之后，将本子网以及相邻节点的信息发给特定的接入点或用户设备。

三、锚节点推送。

相邻子网信息推送过程仅对本节点及相邻节点更新了用户的位置信息，无法对其他节点更新该用户的位置。所以给出了一种针对本发明网络架构的位置更新方案。

为了实现分布式网络下的用户切换无感，本网络采用代理IP进行IP管理，节点通过将用户设备的IP地址与本地节点IP进行绑定生成绑定缓存条目以指示用户设备当前所在的节点位置。用户设备每发生节点间位置更新后，都会对移动前后的节点进行BCE更新。但是，若仅在本地进行位置更新，其他节点将无法获取用户设备的最新位置，再向该用户设备传输数据包时会出现传输错误。因此，需要将更新后的绑定缓存条目推送到其他节点。

因此，本协议架构提出一种锚节点推送方案。用户设备在初始接入网络后，选择初始接入的节点作为其锚节点。根据之前的协议，用户设备在初始接入锚节点后，锚节点会从地址池中选择一个IP为其分配IP地址。用户设备的IP地址中有一个中间字段指示分配此地址的锚节点。网络中的其他节点可以通过用户设备的IP地址知道该用户设备的锚节点并查询此锚节点的地址。

之后，无论用户设备移动到网络的任意一个节点下，在完成位置更新后，均需将BCE向此锚节点进行推送。锚节点接收并储存所有由其负责初始接入的用户设备的推送信息。当网络中某个节点要向此用户设备发送数据时，向锚节点查询用户设备的位置信息，收到响应后，将数据包通过最优路由发送到用户设备当前所在的目标节点。

如图4所示，锚节点推送流程的具体推送步骤如下：

1、用户设备移动并接入某个新的节点，发起位置更新，完成IP绑定BCE的更新。

2、新节点查询用户设备的IP地址，通过IP地址的节点指示字段获取该UE的锚节点，并查询锚节点的IP地址。

3、新节点查询到达锚节点的最优路由，将代理绑定更新PBU消息发送到锚节点。

4、锚节点接收PBU消息后，对移动用户设备的BCE进行更新，将原来的IP绑定替换为与新节点的IP绑定。

5、当网络中某个通信节点要向该用户设备发送数据，首先同样通过用户设备的IP地址查询并获取该用户设备的锚节点地址。

6、通信节点向锚节点发送位置查询消息，消息中包含此用户设备的IP地址。

7、锚节点收到位置查询消息后，查询该用户设备的BCE绑定，将此绑定信息包含在位置查询响应消息中发送给通信节点。

8、通信节点收到位置查询响应，获取用户设备当前所在节点，即目标节点的IP地址，于是建立隧道，将目标节点的IP地址作为包头对数据包进行封装后通过最优路由发送到目标节点。

9、目标节点收到数据包后，对数据包进行解封装，查询用户设备是否在本地节点内，若用户设备在本地节点，则通过寻呼找到并将数据包发送给用户设备。

10、若用户设备不在目标节点，则目标节点将作为新的通信节点从步骤5开始向锚节点查询用户设备当前的最新位置。

Claims

1.一种基于无固定基础设施依托的分布式网络架构，其特征是，包括核心网层、接入网层与子网层；

2.根据权利要求1所述的分布式网络架构，其特征是，所述子网作为寻呼区域附着在所述接入网层的节点上。

3.一种基于无基础设施依托的位置管理方法，其特征是，包括以下步骤：

a、设立权利要求1或2所述的无固定基础设施依托的分布式网络架构；

b、位置信息上报：

b-4、接入点接收到用户设备的位置信息，上报节点服务器；

c、相邻子网信息推送：

d、锚节点推送：

d-1、用户设备移动并接入某个新的节点，发起位置更新，完成IP绑定缓存条目的更新；

d-3、新节点查询到达锚节点的最优路由，将代理绑定更新消息发送到锚节点；

4.根据权利要求3所述的基于无基础设施依托的位置管理方法，其特征是，在相邻子网信息推送过程中，既对本节点及相邻节点更新用户设备的位置信息，也对其他节点更新用户设备的位置信息。

5.根据权利要求3所述的基于无基础设施依托的位置管理方法，其特征是，锚节点推送过程中，采用代理IP进行IP管理，节点通过将用户设备的IP地址与本地节点IP进行绑定生成绑定缓存条目以指示用户设备当前所在的节点位置。