本發(fā)明屬于無線移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是指一種面向WLAN與蜂窩網(wǎng)融合的核心網(wǎng)架構(gòu)。
背景技術(shù)：
目前，無線局域網(wǎng)(WLAN)和蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)(蜂窩網(wǎng))是全球應(yīng)用廣泛的兩項(xiàng)無線通信技術(shù)。WLAN主要針對(duì)個(gè)人消費(fèi)電子市場、家庭和企業(yè)的寬帶無線接入市場。蜂窩網(wǎng)主要針對(duì)電信運(yùn)營商市場，面向公眾提供移動(dòng)通信服務(wù)。近年來，隨著智能終端和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速發(fā)展，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量正以指數(shù)形式增長。為有效緩解流量壓力和降低經(jīng)營成本，WALN和蜂窩網(wǎng)正走向廣泛、深入融合。
現(xiàn)有的無線局域網(wǎng)與蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)的融合架構(gòu)主要為GAN-UMA(Generic Access Network-Unlicensed Mobile Access)、I-WLAN(Inerworking Wireless LAN)定義的非3GPP(3rd Generation Partnership Project)接入EPS(Evolved Packet System)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和基于IMS(IP Multimedia Subsystem)的融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。以GAN-UMA為例，在GAN-UMA網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中，原有的蜂窩網(wǎng)并沒有進(jìn)行調(diào)整，只是在網(wǎng)絡(luò)中引入了一個(gè)GAN控制器，GAN控制器的作用相當(dāng)于GSM/GPRS原有接入網(wǎng)中的基站控制器(BSC)，負(fù)責(zé)GAN-UMA網(wǎng)絡(luò)的無線資源管理及鏈路管理，此外GAN控制器還通過IP網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)終端建立端到端的連接，并與移動(dòng)交換中心MSC/通用無線分組業(yè)務(wù)GPRS交換信息。GAN-UMA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要原理是通過非授權(quán)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)或本地GSM/GPRS移動(dòng)服務(wù)的終端自動(dòng)切換到GAN-UMA接入點(diǎn)，使終端無終端地檢測到速度最快、最經(jīng)濟(jì)的網(wǎng)絡(luò)，從而使終端用戶可以最靈活的方式獲得優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。一旦終端離開GAN-UMA接入點(diǎn)的覆蓋范圍后，則無縫切換回蜂窩網(wǎng)絡(luò)。但是GAN-UMA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)并未改變原有的蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明旨在針對(duì)目前WLAN與蜂窩網(wǎng)融合架構(gòu)中非3GPP非可信網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證和鑒權(quán)以及蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的流量控制和數(shù)據(jù)選路等問題，提出了一種面向WLAN和蜂窩網(wǎng)融合的核心網(wǎng)架構(gòu)。將本發(fā)明用于未來移動(dòng)通信系統(tǒng)中WLAN與蜂窩網(wǎng)融合技術(shù)，可以促進(jìn)WLAN與蜂窩網(wǎng)產(chǎn)業(yè)逐漸走向全方位融合，有效緩解流量壓力，持續(xù)推動(dòng)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的發(fā)展。
本發(fā)明為一種面向WLAN和蜂窩網(wǎng)融合的核心網(wǎng)架構(gòu)，基于SDN(Software Define Network：軟件定義網(wǎng)絡(luò))中數(shù)據(jù)與控制分離的思想，采用集中式的控制平面和分布式的轉(zhuǎn)發(fā)平面，兩個(gè)平面相互分離，控制平面利用控制—轉(zhuǎn)發(fā)通信接口對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)平面上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行集中控制，并提供靈活的可編程能力。本發(fā)明主要應(yīng)對(duì)WLAN與蜂窩網(wǎng)融合過程中的終端設(shè)備的認(rèn)證、鑒權(quán)以及流量計(jì)費(fèi)控制、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡等問題進(jìn)行深入分析和發(fā)掘，能夠有效地控制以上問題，解決其他WLAN與蜂窩網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)的不完善問題。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，解決相應(yīng)的技術(shù)問題，本發(fā)明通過以下過程實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的技術(shù)方案。
在基本的EPC(Evolved Packet Core)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)觀蜂窩網(wǎng)與WLAN熱點(diǎn)結(jié)合，通過部署WLAN熱點(diǎn)進(jìn)行分流，緩解蜂窩網(wǎng)流量壓力。
本發(fā)明所提出的WLAN與蜂窩網(wǎng)融合的核心網(wǎng)架構(gòu)主要可分為四部分，分別為EGW網(wǎng)元、核心控制器、管理應(yīng)用層和數(shù)據(jù)面網(wǎng)元。
封裝網(wǎng)關(guān)EGW網(wǎng)元，作為無線接入側(cè)基站eNB與SGW-U之間的數(shù)據(jù)包拆分以及封裝的網(wǎng)元，其主要功能為將來自基站eNB的GTPv2數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆分，并重新封裝為IP數(shù)據(jù)包，為進(jìn)入服務(wù)網(wǎng)關(guān)SGW-U集群進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和處理做準(zhǔn)備。
核心控制器，WLAN與蜂窩網(wǎng)融合的EPC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的核心部分。核心控制器Controller是一個(gè)邏輯集中控制器，是整個(gè)EPC網(wǎng)絡(luò)的核心部分，可采用通用設(shè)備進(jìn)行構(gòu)建。核心控制器是一個(gè)邏輯上集中的實(shí)體，主要負(fù)責(zé)兩個(gè)任務(wù)，一是將上層應(yīng)用請求轉(zhuǎn)換到核心控制器，二是為上層應(yīng)用提供底層網(wǎng)絡(luò)的抽象模型。一個(gè)核心控制器包含北向接口、控制邏輯以及南向接口3部分。
管理應(yīng)用層由若干個(gè)運(yùn)行于核心控制器Controller之上的應(yīng)用組成，是與網(wǎng)絡(luò)管理和用戶業(yè)務(wù)相關(guān)的應(yīng)用，它可以通過北向接口與核心控制器進(jìn)行交互，即這些應(yīng)用能夠通過可編程方式把需要請求的網(wǎng)絡(luò)行為提交給核心控制器Controller。比較常見的服務(wù)應(yīng)用有：接入網(wǎng)控制應(yīng)用MME、NS(Network Selection)網(wǎng)絡(luò)選擇應(yīng)用、HSS集中簽約管理數(shù)據(jù)庫、服務(wù)網(wǎng)關(guān)控制應(yīng)用SGW-C和分組網(wǎng)關(guān)控制應(yīng)用PGW-C、WLAN網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用，以及流量控制、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等應(yīng)用。另外，管理應(yīng)用層可面向電信運(yùn)營商開放，根據(jù)用戶需求提供定制化服務(wù)，以滿足客戶對(duì)各種應(yīng)用服務(wù)的要求。
數(shù)據(jù)面網(wǎng)元，為了更好地進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和處理工作，以便用戶更好地建立PDN連接，WLAN與蜂窩網(wǎng)融合的EPC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中將扮演本地錨點(diǎn)角色的SGW和作為邊界網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的PGW中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能解耦出來形成數(shù)據(jù)面網(wǎng)元，包括SGW-U和PGW-U，并采用集群化部署方式組成核心網(wǎng)架構(gòu)的數(shù)據(jù)平面網(wǎng)元。SGW-U和PGW-U都是網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，沒有控制能力，只是單純用來轉(zhuǎn)發(fā)和處理數(shù)據(jù)，在邏輯上代表全部或部分的物理資源。
本發(fā)明采用一種面向WLAN和蜂窩網(wǎng)融合的核心網(wǎng)架構(gòu)，運(yùn)用數(shù)據(jù)控制分離技術(shù)，通過核心控制器Controller將管理應(yīng)用層與數(shù)據(jù)平面網(wǎng)元建立連接，使網(wǎng)絡(luò)流量的管理、數(shù)據(jù)處理變得更加高效，達(dá)到了業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力的需求，滿足了用戶根據(jù)當(dāng)前業(yè)務(wù)的性質(zhì)或請求對(duì)使用不同網(wǎng)絡(luò)或切換網(wǎng)絡(luò)的目的，可實(shí)現(xiàn)WLAN網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的融合。對(duì)未來無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)WLAN和蜂窩網(wǎng)配套資源共享，方便網(wǎng)絡(luò)部署、運(yùn)營、管理和維護(hù)具有重要意義。
本發(fā)明一種面向WLAN與蜂窩網(wǎng)融合的EPC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：
(1)將蜂窩網(wǎng)與WLAN網(wǎng)絡(luò)的切換工作由運(yùn)行在管理應(yīng)用層的應(yīng)用服務(wù)去完成，解決了傳統(tǒng)切換過程給PGW造成的網(wǎng)絡(luò)壓力。
(2)簡化終端設(shè)備的認(rèn)證、鑒權(quán)工作。管理應(yīng)用層上運(yùn)行的MME以及HSS，終端設(shè)備進(jìn)行一次認(rèn)證鑒權(quán)之后，便可根據(jù)自身需要在蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行自由切換，解決了現(xiàn)有架構(gòu)中切換至WLAN網(wǎng)絡(luò)中的再次認(rèn)證以及安全風(fēng)險(xiǎn)問題。
附圖說明
圖1為本發(fā)明一種面向WLAN和蜂窩網(wǎng)融合的EPC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提出一種面向WLAN和蜂窩網(wǎng)融合的核心網(wǎng)架構(gòu)，本發(fā)明的主要思想是在基本核心網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用SDN數(shù)據(jù)與控制分離思想，將核心網(wǎng)的主要網(wǎng)元SGW和PGW，重新構(gòu)建為數(shù)據(jù)面網(wǎng)元SGW-U和PGW-U，以及控制面管理應(yīng)用SGW-C和PGW-C，將蜂窩網(wǎng)和WLAN網(wǎng)絡(luò)的管理應(yīng)用共同部署于所提架構(gòu)的控制面設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)融合核心網(wǎng)架構(gòu)對(duì)WLAN和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的融合管理，并實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備在WLAN和蜂窩網(wǎng)中的無縫切換；同時(shí)將網(wǎng)絡(luò)的管理能力開放給上層管理應(yīng)用，便于實(shí)現(xiàn)WLAN網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)的可編程管理，；將SGW-U和PGW-U進(jìn)行集群化部署，實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)發(fā)和處理。
為更加清楚地闡釋本發(fā)明的面向WLAN和蜂窩網(wǎng)融合的核心網(wǎng)架構(gòu)，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做進(jìn)一步的詳細(xì)闡述。在下面的描述中，對(duì)與本發(fā)明無關(guān)的技術(shù)只做簡要的技術(shù)說明或者直接略過。
如圖1所示，本發(fā)明的面向WLAN和蜂窩網(wǎng)融合的核心網(wǎng)架構(gòu)中包括四種網(wǎng)元，分別為EGW網(wǎng)元、數(shù)據(jù)面網(wǎng)元、核心控制器(Controller)以及管理應(yīng)用層。所述的數(shù)據(jù)面網(wǎng)元，包括服務(wù)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)面網(wǎng)元SGW-U網(wǎng)元和數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)面網(wǎng)元PGW-U網(wǎng)元。實(shí)際部署中，為提升網(wǎng)絡(luò)性能，網(wǎng)元以集群的形式進(jìn)行部署。所述的管理應(yīng)用層承載了運(yùn)行在核心控制器之上的網(wǎng)絡(luò)控制面應(yīng)用程序，包括接入網(wǎng)控制應(yīng)用MME、NS(Network Selection)網(wǎng)絡(luò)選擇應(yīng)用、HSS集中簽約管理數(shù)據(jù)庫、服務(wù)網(wǎng)關(guān)控制應(yīng)用SGW-C、分組網(wǎng)關(guān)控制應(yīng)用PGW-C、WLAN網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用，以及流量控制、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等應(yīng)用。
所述的EGW網(wǎng)元主要是用于用戶平面的數(shù)據(jù)包的拆分與封裝，將來自eNodeB(基站eNB)的用戶數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆分，并重新封裝為IP數(shù)據(jù)包，轉(zhuǎn)發(fā)至SGW-U。終端設(shè)備UE通過基站eNB提供的無線網(wǎng)絡(luò)接口，接入移動(dòng)核心網(wǎng)?；緀NB通過用戶平面接口S1-U接口與EGW網(wǎng)元相連。其中，控制平面核心網(wǎng)側(cè)終結(jié)在運(yùn)行在管理應(yīng)用層上的MME網(wǎng)元，移動(dòng)性管理應(yīng)用MME與基站eNB之間通過控制平面接口S1-MME接口連接，而用戶平面則終結(jié)于EGW。所述的S1-U接口和S1-MME接口均為S1接口，對(duì)于用戶數(shù)據(jù)信息和用戶控制信息交互，S1-MME接口采用GTPv2協(xié)議，S1-U接口采用GTPv1協(xié)議。當(dāng)用戶數(shù)據(jù)信息進(jìn)入核心網(wǎng)后，僅僅利用與用戶相關(guān)的數(shù)據(jù)即可進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)連接，因此EGW網(wǎng)元對(duì)于用戶數(shù)據(jù)包的拆分和封裝，不僅減小了進(jìn)入核心網(wǎng)的用戶數(shù)據(jù)的冗余度，同時(shí)也有利于核心網(wǎng)中基于SDN的流量管理。
SGW-U網(wǎng)元集群和PGW-U網(wǎng)元集群組成的數(shù)據(jù)平面是WLAN與蜂窩網(wǎng)融合的核心網(wǎng)架構(gòu)中進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和處理的關(guān)鍵部分，是支持OpenFlow協(xié)議的數(shù)據(jù)面轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。SGW-U網(wǎng)元集群和PGW-U網(wǎng)元集群由核心控制器通過南向接口進(jìn)行管理，與運(yùn)行在管理應(yīng)用層上的SGW-C和PGW-C對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了由軟件控制到硬件處理的配套服務(wù)。運(yùn)行在管理應(yīng)用層上的SGW-C和PGW-C分別向SGW-U網(wǎng)元集群和PGW-U網(wǎng)元集群部署數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)處理策略，下發(fā)流表；SGW-U網(wǎng)元集群和PGW-U網(wǎng)元集群通過下發(fā)流表對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)和處理。此外，當(dāng)來自EGW網(wǎng)元的IP數(shù)據(jù)包不滿足相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)處理規(guī)則時(shí)，SGW-U網(wǎng)元集群則向上請求，由核心控制器上的SGW-C做出相應(yīng)的處理，下發(fā)新的流表或進(jìn)行其他處理。同理，當(dāng)SGW-U轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)PGW-U網(wǎng)元集群的IP數(shù)據(jù)包不滿足相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)處理規(guī)則時(shí)，PGW-U網(wǎng)元集群則向上請求，由管理應(yīng)用層上的PGW-C做出相應(yīng)的處理，下發(fā)新的流表或進(jìn)行其他處理。SGW-U網(wǎng)元集群由若干個(gè)SGW-U網(wǎng)元單元組成，PGW-U網(wǎng)元集群由若干個(gè)PGW-U網(wǎng)元單元組成，兩者組合成的數(shù)據(jù)平面為來自EGW網(wǎng)元的IP數(shù)據(jù)包提供了強(qiáng)大的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，緩解了網(wǎng)絡(luò)壓力。
面向WLAN和蜂窩網(wǎng)融合的核心網(wǎng)架構(gòu)中的核心控制器的南向接口采用SDN主流南向接口協(xié)議OpenFlow，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)這里不做詳細(xì)贅述。
核心控制器作為面向WLAN和蜂窩網(wǎng)融合的核心網(wǎng)架構(gòu)中的核心單元，是整個(gè)核心網(wǎng)架構(gòu)的核心部分。核心控制器是一個(gè)邏輯上集中的實(shí)體控制器，可采用通用設(shè)備，其包含北向接口、邏輯控制和南向接口。核心控制器只要求是邏輯上完整，因此它可以由多個(gè)實(shí)體控制器協(xié)同組成，也可以是層級(jí)式的控制器集群。核心控制器連接了底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和上層應(yīng)用服務(wù)，可以看做面向WLAN和蜂窩網(wǎng)融合的核心網(wǎng)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。
核心控制器的管理應(yīng)用層上可以運(yùn)行多種網(wǎng)絡(luò)控制管理應(yīng)用，例如接入網(wǎng)控制應(yīng)用MME、網(wǎng)絡(luò)選擇應(yīng)用NS、集中簽約管理數(shù)據(jù)庫HSS、SGW-C和PGW-C、WLAN網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用、流量控制和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡等自定義應(yīng)用。其中，MME與基站eNB通過S1-MME接口相連，負(fù)責(zé)終端設(shè)備UE附著、切換、尋呼、位置追蹤等移動(dòng)性管理服務(wù)。MME通過和HSS的信令交互，完成對(duì)用戶的鑒權(quán)過程。如果是在漫游的場景中，MME則需要通過S6a接口尋址用戶歸屬地HSS。HSS作為集中簽約管理數(shù)據(jù)庫，存放了用戶的EPS網(wǎng)絡(luò)簽約信息，并完成對(duì)終端設(shè)備的位置登記管理，以及結(jié)合AUC(鑒權(quán)中心)網(wǎng)元完成用戶鑒權(quán)參數(shù)的管理，并通過S6a接口下發(fā)給MME完成對(duì)終端設(shè)備的鑒權(quán)及安全功能。
NS是終端設(shè)備UE進(jìn)入蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)的首要模塊。當(dāng)MME聯(lián)合HSS完成對(duì)終端設(shè)備UE的認(rèn)證和鑒權(quán)之后，NS會(huì)啟用網(wǎng)絡(luò)評(píng)估算法，對(duì)當(dāng)前蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，結(jié)合當(dāng)前終端設(shè)備UE的業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的需求為終端設(shè)備UE確定需要接入的網(wǎng)絡(luò)類型，從而實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備UE在蜂窩網(wǎng)和WLAN網(wǎng)絡(luò)的無縫切換。
WLAN網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用是終端設(shè)備UE進(jìn)入無線局域網(wǎng)的接入點(diǎn)。當(dāng)NS確定為終端設(shè)備UE接入WLAN網(wǎng)絡(luò)時(shí)，WLAN網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用通過核心控制器的南向接口向數(shù)據(jù)平面下發(fā)流表，為用戶數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和處理部署相應(yīng)的策略。
以上四個(gè)主要組成部分是面向WLAN和蜂窩網(wǎng)融合的核心網(wǎng)架構(gòu)的關(guān)鍵部分，不僅實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)與WLAN網(wǎng)絡(luò)的融合，而且僅需要一次認(rèn)證就可以隨時(shí)根據(jù)終端設(shè)備的業(yè)務(wù)要求在兩種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中進(jìn)行無縫切換。
本發(fā)明采用一種面向WLAN和蜂窩網(wǎng)融合的核心網(wǎng)架構(gòu)，運(yùn)用數(shù)據(jù)控制分離思想，通過核心控制器將應(yīng)用層服務(wù)與數(shù)據(jù)平面建立連接，使用戶的網(wǎng)絡(luò)行為、數(shù)據(jù)處理變得更加高效，達(dá)到了用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)切換的需求，滿足了用戶根據(jù)當(dāng)前業(yè)務(wù)的性質(zhì)或請求對(duì)使用不同網(wǎng)絡(luò)或切換網(wǎng)絡(luò)的目的。對(duì)未來無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)WLAN和蜂窩網(wǎng)配套資源共享，方便網(wǎng)絡(luò)部署、運(yùn)營、管理和維護(hù)具有重要意義。