趙明宇，嚴學強

（上海貝爾股份有限公司 上海201206）

1 引言

現(xiàn)有的移動性管理技術方案主要為3GPP的GTP（GPRS tunneling protocol，通用分組無線服務技術隧道協(xié)議）+MME（mobility management entity，移動性管理實體）、3GPP2的MIP（mobile IP，移 動IP）技 術 以 及LISP（location-ID separation protocol，名址分離網(wǎng)絡協(xié)議）等，這些技術僅支持特定條件下的移動性管理。而未來5G要求移動性管理技術要滿足新型網(wǎng)絡架構控制轉(zhuǎn)發(fā)分離、控制集中化、更加扁平化的趨勢，同時要滿足對熱點高容量覆蓋等場景的需求[1]。

SDN（software-defined networking，軟件定義網(wǎng)絡）作為一種創(chuàng)新網(wǎng)絡架構，具有以下顯著特點：控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離；控制集中化；使用廣泛定義的軟件接口[2]。

其核心是通過將網(wǎng)絡設備控制面與數(shù)據(jù)面分離，只在網(wǎng)絡硬件設備的底層保留轉(zhuǎn)發(fā)功能，上層則可進行集中的控制功能，進而將網(wǎng)絡的應用和功能都可編程化，即所謂的軟件定義。SDN的這些突出特點，可以用來有效地定義未來的網(wǎng)絡，使得SDN在互聯(lián)網(wǎng)和通信領域的應用前景被廣泛看好。SDN技術在未來5G移動網(wǎng)絡中的使用，必將使得移動網(wǎng)絡的基本功能實現(xiàn)更加合理和高效，也使得網(wǎng)絡的縱向融合成為可能，從而進一步簡化網(wǎng)絡并適應不斷增長的接入速率。

2 現(xiàn)有的移動性管理技術

GTP是2G/3G和LTE/EPC（long time evolution/evolved packet core，長期演進/演進型分組核心網(wǎng)）的核心協(xié)議，它由GTP-C（GTP-control，GTP控 制 面）協(xié) 議 和GTP-U（GTP-user，GTP用戶面）協(xié)議組成。在LTE網(wǎng)絡，GTP（更確切地說是GTP-U協(xié)議）是基于移動回程網(wǎng)傳輸用戶數(shù)據(jù)。在基站和MME之間的GTP-C協(xié)議的控制下，首先在基站和核心網(wǎng)網(wǎng)元，如SGW（serving gateway，服務網(wǎng)關）、PGW（packet data network gateway，分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關）等之間建立隧道，然后將用戶數(shù)據(jù)封裝在隧道里進行傳輸，而GTP-C協(xié)議負責建立、刪除及修改這些隧道[3,4]。

雖然GTP協(xié)議已經(jīng)成功地在2G/3G及LTE/EPC中部署，但現(xiàn)有網(wǎng)絡中基于GTP的移動性管理架構的缺點也是顯而易見的，如下所述。

·在用戶面，引入GTP頭的開銷增大。對一個典型的網(wǎng)絡及流量模型來說，如一個分組平均大小為200～250 byte，對于IPv4和IPv6，GTP頭分別占18%～14%和28%～22%。隨著機器類通信和VoLTE（voice over LTE，基于LTE的語言）逐漸增多，同時分組大小逐漸變小，GTP頭的額外開銷將會越來越大。

·在控制面，當UE（user equipment，用戶終端）移動時，需要大量的信令來維持GTP隧道，尤其是隨著小區(qū)越來越小，切換發(fā)生更頻繁；再者，高密集的小蜂窩產(chǎn)生的大量控制信令會導致網(wǎng)絡擁堵。

·當前的移動性管理機制是與無線接入技術耦合的，如在3GPP技術中使用GTP，而在3GPP2中使用MIP技術。由于不同的接入技術采用不同的移動性管理協(xié)議，因此，現(xiàn)有的網(wǎng)絡并不支持多種接入技術間的無縫切換。

·當前的移動性管理機制在用戶面使用固定錨點，如在LTE/EPC中，當用戶在同一SGW下的基站間或跨SGW下的基站間移動時，SGW和PGW就作為移動性管理的錨點。SGW/PGW作為用戶面的匯聚實體處理所有往來互聯(lián)網(wǎng)或同一蜂窩網(wǎng)下不同用戶間的流量，很顯然，對于后一種情況，由于要迂回到錨點，會導致路由和回程網(wǎng)的利用效率低下。

產(chǎn)業(yè)界目前正在研究將SDN和NFV（network functions virtualization,網(wǎng)絡功能虛擬化）技術引入電信領域[5,6]。SDN和NFV正在成為下一代網(wǎng)絡架構的使能技術。因此，這里提出基于SDN的無隧道的更高效的移動性管理技術方案來解決上述問題，同時此方案也符合5G無線網(wǎng)絡的演進趨勢。

3 基于SDN架構的移動性管理機制探討

3.1 基于SDN的移動性管理架構

基于SDN的移動性管理技術方案架構如圖1所示?；诳刂婆c轉(zhuǎn)發(fā)分離的架構，控制集中化以獲取全局網(wǎng)絡拓撲；無GTP隧道，與接入技術無關，易于實現(xiàn)不同接入技術間的無縫切換；無固定錨點，從而可優(yōu)化路由。

由圖1可知，架構分為控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面兩部分。在控制面，所有的控制功能全部作為SDN控制器的應用，一些典型的網(wǎng)絡功能應用如MM（mobility management，移動性管 理）、SM（subscriber management，用戶屬性 管 理）、PM（policy management，策略管理）、DPI（deep packet inspection，深度分組檢測）、FW（firewall，防火墻）等。MM/SM/PM等通過北向API與SDN控制器進行通信，所有的網(wǎng)絡功能由虛擬化軟件實現(xiàn)。轉(zhuǎn)發(fā)面主要由交換機和BS（基站）組成。交換機由通用的轉(zhuǎn)發(fā)硬件實現(xiàn)，基站可以看作帶有無線功能的交換機，全部由控制器進行控制。轉(zhuǎn)發(fā)面通過南向接口基于安全通道與控制器進行通信。南向接口為公共的標準接口，支持如OpenFlow等標準南向接口協(xié)議。

MM應用負責切換處理。當一個用戶（這里命名為UE0）從一個初始基站移動到下一個目標基站時，UE0觸發(fā)切換請求，由初始基站通過安全通道送達MM。這個切換請求信息攜帶有初始基站ID和目標基站ID。一旦接收到請求信息，MM就基于SDN控制器中的全局拓撲，為UE0所應用的服務與目標基站之間計算一條新的轉(zhuǎn)發(fā)路由，這條路由上的所有交換機和基站的路由表將會被更新，之后將根據(jù)這些新的路由表來轉(zhuǎn)發(fā)UE0接收或發(fā)送的數(shù)據(jù)流。

切換過程中，在初始的路由路徑中，可能會有一些數(shù)據(jù)分組還未被轉(zhuǎn)發(fā)，但根據(jù)初始的轉(zhuǎn)發(fā)路由表，這些數(shù)據(jù)分組最終都將到達初始基站。因此，為了重新定向這些數(shù)據(jù)分組到目標基站，MM需要額外計算一條從初始基站到目標基站的路由，并更新此路徑上相應交換機及基站的路由表。

3.2 切換過程中的信號流程

基于SDN的網(wǎng)絡架構及移動性管理技術方案，假定的一個典型的切換場景如圖1中所示，從移動性管理的視角出發(fā)，只關心UE的移動性，而假設應用服務端并不移動。當切換發(fā)生時，由于UE所附著的基站改變，從而導致下行數(shù)據(jù)路徑也要做相應的改變。UE必須通過初始基站告知MM。而對上行鏈路，即使UE所附著的基站改變，按照轉(zhuǎn)發(fā)流表的規(guī)則，這些數(shù)據(jù)分組也能被正常轉(zhuǎn)發(fā)到應用服務器。

以下為對下行鏈路切換過程的詳細描述。

切換流程分為3部分來說明：切換前、切換過程中和切換后。在切換前，當UE0附著在初始基站BS1時，假定初始的轉(zhuǎn)發(fā)路徑已經(jīng)被計算好并下發(fā)了路由表。這里命名這條路徑為“路徑1”，此條路徑上所有的交換機和基站被命名為“組1”。切換后的新的轉(zhuǎn)發(fā)路由命名為“路徑2”，所對應的交換機和基站為“組2”。

為了確保在切換過程中，所有的還未到達UE0的數(shù)據(jù)分組能夠被重定向到目標基站BS2，計算一條從BS1到BS2的路由，命名為“路徑3”，相應的交換機和基站為“組3”。表1概括了這些轉(zhuǎn)發(fā)路由及實體（表中SW為交換機的縮寫）。

3.2.1 切換前

圖1 基于SDN的移動性管理架構

表1 轉(zhuǎn)發(fā)實體及轉(zhuǎn)發(fā)路由信息

從圖1中可以看到，在切換前，所有的數(shù)據(jù)分組沿著路徑1經(jīng)由BS1到達UE0。組1里各實體中的轉(zhuǎn)發(fā)表的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則如下（這里，IPUE代表UE0的IP地址，目的IP地址（IPDst）是交換機流表中頭域里的元組之一，用來與到來的數(shù)據(jù)分組中的IP目的地址進行匹配對比）：

SW6:如果（IPDst==IPUE），則將分組從端口1送出；

SW5:如果（IPDst==IPUE），則將分組從端口1送出；

SW2:如果（IPDst==IPUE），則將分組從端口1送出；

SW1:如果（IPDst==IPUE），則將分組從端口1送出；

BS1:如果（IPDst==IPUE），則將分組轉(zhuǎn)給UE0。

3.2.2 切換過程中

切換過程中的信號流程如圖2所示?？刂泼嫘帕钣商摼€表示，轉(zhuǎn)發(fā)面鏈路由實線表示。

（1）初始基站BS1發(fā)出“測量”命令給UE0，設置測量的參數(shù)及這些參數(shù)的門限。目的是一旦達到門限值，UE0就發(fā)送測量報告給BS1。

（2）UE0測量其周圍可達基站的信號，將包含這些信號值的“測量報告”發(fā)送給BS1，同時，BS1也測量信號強度和上行信道的質(zhì)量。

圖2 切換過程中的信號流程

（3）對比這些測量值之后，假如BS1決定發(fā)生切換，則BS1發(fā)送一個“切換請求”信息給MM。這個“切換請求”信息包含有UE0的身份、BS1和BS2的ID等。

（4）MM詢問BS2是否為UE0的接入做好了準備。

（5）如果BS2已經(jīng)準備好了，則它將回復“切換請求確認”信息給MM。

（6）MM發(fā)送一個“切換命令”給BS1，開始切換。

（7）BS1發(fā)送一個“連接重配置請求”信息給UE0，用來命令UE0連接到BS2。

（8）MM計算一個新的路徑來轉(zhuǎn)發(fā)從應用服務器到UE0的數(shù)據(jù)流，即如圖5中所示的“路徑2”，之后，SDN控制器更新組2中各實體的流表。

流表中的各轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則如下：

·SW6:如果（IPDst==IPUE），則將分組從端口1送出；

·SW5:如果（IPDst==IPUE），則將分組從端口1送出；

·SW4:如果（IPDst==IPUE），則將分組從端口1送出；

·BS2:如果（IPDst==IPUE），則將分組送給UE0。

（9）同時，MM計算另一條路徑（路徑3）從BS1到BS2。路徑3將重定向那些緩存在BS1中的數(shù)據(jù)分組到BS2中。則SDN控制器更新組3中各實體的流表，具體規(guī)則如下：

·BS1:如果（IPDst==IPUE），則將分組送給SW1；

·SW1:如果（IPDst==IPUE），則將分組從端口4送出；

·SW4:如果（IPDst==IPUE），則將分組從端口1送出；

·BS2:如果（IPDst==IPUE），則將分組送給UE0。

在切換過程中，在組1的轉(zhuǎn)發(fā)實體中可能會有一些分組未被轉(zhuǎn)發(fā)。本例中，可能會有數(shù)據(jù)分組緩存在SW5和SW6中。由于SW5和SW6也同時屬于組2，根據(jù)組2的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，這些分組最終也能夠到達UE0。也有可能有一些為轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)分組緩存在不屬于組2的實體中，如本例中的SW1和SW2，根據(jù)組1的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，這些分組將最終到達BS1。

（10）只要UE0一收到“連接重配置請求”，它就轉(zhuǎn)向連接BS2的信道。一旦轉(zhuǎn)到新的信道，就發(fā)送“連接重配置完成”信息給BS2。

（11）一旦接收到“連接重配置完成”信息，BS2就發(fā)送“切換完成”信息給MM。

（12）BS1通過路徑3，重定向那些緩存的數(shù)據(jù)分組到BS2。

3.2.3 切換后

根據(jù)組2中的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，所有的數(shù)據(jù)流都將沿路徑2，最終經(jīng)BS2到達UE0。

3.3 所提方案的優(yōu)點

與現(xiàn)有方案及其他的一些如參考文獻[7]中所述的移動性管理方案相比，本方案具有如下優(yōu)點。

·控制面和用戶面分離。符合網(wǎng)絡演進趨勢，能帶來眾多好處，比如控制面和用戶面可以分別擴展和升級。而參考文獻[7]中所提出的方法是在網(wǎng)絡邊緣交換機中，控制面和用戶面混合的方法，這將會帶來擴展性問題。

·SDN架構在用戶面采用通用的轉(zhuǎn)發(fā)設備，能有效降低成本，而參考文獻[7]必須使用專用的網(wǎng)絡設備(如網(wǎng)絡邊緣交換機)來運行基于DHT（distributed Hash table，分布式散列表）的Trill協(xié)議，還要完成用戶IP地址和基站MAC地址間的映射。

·移動性管理實體作為一個應用集中部署在SDN控制器之上，對于更新或升級帶來極大的靈活性。而參考文獻[7]部署移動性管理實體(如網(wǎng)絡邊緣交換機)，且與用戶面混合，非常不利于移動性管理技術的更新或升級。

·所有的移動性管理的控制和決策都作為SDN的一個應用部署在一個虛擬環(huán)境中，將有效降低單點失效的風險。而參考文獻[7]中的網(wǎng)絡邊緣交換機作為錨點，要處理所有流向用戶的流量。

·網(wǎng)絡資源如回程等可以根據(jù)流量情況動態(tài)適配。而參考文獻[7]中的專用設備較難實現(xiàn)。

4 對現(xiàn)有網(wǎng)絡的影響及后續(xù)工作

SDN和NFV正不斷對無線和移動通信技術產(chǎn)生重大影響，對未來網(wǎng)絡的研究帶來沖擊。本文提出的基于SDN的無隧道的移動性管理技術方案，可以解決現(xiàn)有方案存在的一些問題，比如減少GTP隧道的信令狀態(tài)信息、減少分組頭開銷等，對現(xiàn)有網(wǎng)絡將產(chǎn)生較大的影響。例如，現(xiàn)有網(wǎng)絡中的如SGW、PGW等私有設備，需要進行軟硬件的解耦，控制與轉(zhuǎn)發(fā)的分離；在數(shù)據(jù)中心增加控制器；對現(xiàn)有網(wǎng)絡的功能進行分解、抽象、重構，并形成如MM等應用程序部署在控制器之上等。

該方案還需要在接口標準化方面做進一步的工作，南向接口已經(jīng)有OpenFlow等協(xié)議，但目前的OpenFlow協(xié)議還需要進一步的擴展，才能達到基于SDN的移動通信網(wǎng)絡的最終應用效果。對北向接口，目前并沒有比較統(tǒng)一的接口，而應用程序，尤其是本方案中的MM，需要通過北向接口經(jīng)SDN控制器來調(diào)度和配置網(wǎng)絡資源，如切換管理、跟蹤及尋呼等功能，對時延也有嚴格的要求，因此定義一個良好的北向接口，對成功完成信令交互，提高用戶體驗，至關重要。

后續(xù)將繼續(xù)研究基于集中式管理、分布式執(zhí)行的策略管理功能，以及利用如OpenFlow協(xié)議的計數(shù)器在邊緣網(wǎng)絡節(jié)點進行統(tǒng)計以實現(xiàn)計費功能等；同時正在搭建基于SDN的未來移動通信網(wǎng)絡測試環(huán)境，將會對移動性管理、策略管理、計費等功能進行測試驗證。

5 結束語

本文提出的移動性管理機制的探討方案，基于控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離、控制集中化、可軟件定義的SDN架構，MM作為應用程序和SDN控制器來負責切換處理。SDN控制器獲取全局網(wǎng)絡拓撲，不需要建立隧道，由MM來計算切換后的應用服務與目標基站之間的轉(zhuǎn)發(fā)路由，并下發(fā)更新路由表，根據(jù)這些新的路由表來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。而將在切換過程中緩存在初始路徑上的數(shù)據(jù)分組，計算一條從初始基站到目標基站的路由，重新定向這些數(shù)據(jù)分組到目標基站。

本方案充分利用SDN架構的優(yōu)點，使得無需建立額外的隧道便可方便高效地實現(xiàn)移動性管理。在解決現(xiàn)有移動性管理技術眾多問題的同時，也能夠滿足未來5G網(wǎng)絡架構發(fā)展的需要。

1 IMT-2020（5G）推進組.5G愿景與需求白皮書，2014 IMT-2020（5G）Promotion Group.5G Vision and Requirements.White Paper,2014

2 ONF.Software-Defined Networking:The New Norm for Networks.White Paper,2012

3 3GPP TS 23.401.GPRS Enhancements for E-UTRAN Access(Release 12),V12.4.0,Mar 2014

4 3GPP TS 23.402.Architecture Enhancements for Non-3GPP Accesses(Release 12),V12.2.0,Sep 2013

5 Li E L,Mao Z M,Rexford J.Toward software-defined cellular networks.Proceedings of European Workshop on Software Defined Networking,Darmstadt,Germany,2012

6 Clougherty M M,White C A,Viswanathan H等.SDN在IP網(wǎng)絡演進中的作用.電信科學，2014,30(5)：1～13 Clougherty M M,White C A,Viswanathan H,et al.Role of SDN in IP network evolution.Telecommunications Science,2014,30(5):1～13

7 Varis N,Manner J,Heinonen J.A layer-2 approach for mobility and transport in the mobile backhaul.Proceedings of the11th International Conference on ITS Telecommunications(ITST),St.Petersburg,Russia,2011