基于SDN与NFV融合的UDN移动性管理算法

谢妍辉,赵 夙,朱晓荣

(南京邮电大学 通信与信息工程学院,南京 210003)

0 引 言

超密集网络中由于小基站的覆盖范围较小,小区之间的频繁切换成为满足服务需求的主要障碍。若继续采用通用移动通信技术长期演进(Long Term Evolution,LTE)中的网络架构,必然造成切换时延的积累,导致用户服务质量的急剧下降。

近期有关移动网络架构的建议已经采用了软件定义网络(Software Defined Networking,SDN)[1]和网络功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)[2]等新的范例如文献[3-7],这将为未来的移动网络带来可观的可扩展性、灵活性及成本和能源消耗方面的巨大收益。文献[8]提出了基于SDN和部分虚拟化的LTE架构中的基于X2的切换实现,初步考虑了SDN和NFV的结合；根据文献[4],SDN和NFV在移动网络中的整合应该是渐进式的,这有利于从传统网络迁移；文献[9]旨在在用户平面(User Plane,UP)上删除通用无线分组业务(General Packet Radio Service,GPRS)通道协议-UP(GPRS Tunnel Protocol-UP,GTP-U)协议,同时保留3GPP控制平面不变,与本文不同,该解决方案考虑在UP上使用传统节点(例如服务网关(Serving Gate Way,S-GW))；文献[10]提出了SDN移动性管理架构,并通过使用其架构原型来评估切换执行时间。

以上文献都或多或少考虑了SDN和NFV结合的情况,但没有完整提出SDN和NFV融合架构并研究该架构下移动性管理的改善方法。本文初步提出SDN与NFV融合的网络架构,旨在进一步减少切换信令流程,从而减少切换时延,以适应超密集网络,增强用户体验。

1系统模型

SDN与NFV融合网络架构如图1所示,主要由SDN控制器、核心网网元(Evolved Packet Core,EPC)、SDN交换机和小基站(Evolved Node B,eNB)4个部分构成。各个部分在执行切换或其他命令时协同工作。

图1 SDN与NFV融合网络架构

各部分主要实现的功能如下:

SDN控制器:SDN控制器基于Open Flow协议执行控制全局功能,即对切换过程的全程控制,同时支持流量控制以确保网络智能,允许服务器告诉SDN交换机向哪里发送数据包。它是控制平面和终端平面之间的接口,虚拟EPC通过应用编程接口(Application Programming Interface,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。

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,如虚拟S-GW(virtualization S-GW,vS-GW)、v P-GW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、服务逻辑和状态数据库,前端采用基于Open Flow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之间的负载,实现对不同控制消息的处理。状态数据库存储终端会话状态,使服务逻辑成为无状态。

SDN交换机:基于Open Flow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,同时具有接收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。

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,将访问的数据进行收集上报,基站会对终端上报的信息进行处理后做出反馈。本文eNB包括MeNB和HeNB。

2 算法描述

2.1 传统切换信令流程

基于X2的传统架构下移动性管理信令如图2所示。由图可见,传统切换程序中用户设备(User Equipment,UE)与基站消息交换较多,S-GW和MME在切换时也存在频繁的信令交互。

从移动性管理的角度来看,这种机制若延用至超密集网络中,将存在严重的问题。快速移动的用户可以触发许多切换,必须在很短的时间内处理。因此,这种切换必须更快速,并且切换机制必须是可扩展的。这是5G移动网络的一项重要目标。

2.2 SDN与NFV融合架构下优化的切换信令流程

传统切换流程信令交互过多,若在超密集网络中沿用将会导致巨大的切换时延。图3所示为SDN与NFV融合网络架构下的切换信令流程。在本文提出的SDN与NFV融合的网络架构模型下,优化的切换信令流程能减少切换信令,适应超密集网络。

如图所示,终端处于演进的分组系统(Evolved Packet System,EPS)移动性管理(EPS Mobility Management,EMM)注册和EPS连线管理(EPS Connection Management,ECM)/无线资源控制(Radio Resource Control,RRC)连接状态。

终端从源eNB的覆盖区域移动到目标eNB时执行切换程序的主要步骤如下:

(1)SDN控制器实现对终端的测量控制。

(2)当来自目标eNB的信号强度超过阈值时,终端向SDN控制器发送测量报告。

(3)由SDN控制器代替源eNB,结合各状态进行切换决策。

(4)SDN控制器代替目标e NB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。

(5)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。

图2 基于X2的传统架构下移动性管理信令

(6)终端离开源eNB,切换至目标eNB。

(7)同时源eNB发送缓冲和分组给目标eNB。

(8)目标eNB接收来自源eNB的缓冲包。

(9)此时,SDN控制器给UE分配上行链路和跟踪区(Tracking Area,TA)。

(10)同时,切换中断时间发生,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。

(11)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。

(12)目标eNB向v MME发送路径转换请求消息以通知终端已经执行服务e NB的改变。v MME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UP请求。

(13)SDN控制器修改SDN交换机对应的流表表项。一旦SDN控制器结束操作,它就更新生成UP应答,发送给vS-GW确认UP更新。之后,vSGW依次将路径修改承载请求确认消息发送给v MME。

(14)最后,v MME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e NB可以释放为终端分配的无线电和控制平面资源,并且切换过程结束。

相较于图2所示的传统架构中的切换,新提出的移动性管理算法使信令切换减少很多。

2.3 新的数据平面工作流程

SDN控制器实现了对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。在SDN与NFV融合网络架构的基础上,新的数据平面工作流程如图4所示。

图3 SDN与NFV融合网络架构下的切换信令流程

图4 SDN与NFV融合网络架构下的数据平面工作流程

如图所示,数据流在同一个SDN控制器所管理的区域内进行传输,此区域为某密集区域。由接入eNB1的用户SrcID:123发起数据流请求,请求发送消息至用户DstID:789,用户DstID:789当前服务基站为eNB2。步骤如下:

(1)用户ID:123发送到用户ID:789的数据流通过eNB1,eNB1截获数据流信息,即SrcID(源ID):123,DstID(目的端ID):789。

(2)eNB控制协议将SrcID和DstID发送给最近的SDN交换机。

(3)在这种情况下,SDN交换机并不知道如何处理到达的分组,所以当数据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。

(4)SDN控制器收到请求后,根据对各个SDN交换机端口的监控情况,生成最优路由路径,并下发存储在SDN交换机的流表中。至此任何属于同一个流的连续分组都可以被交换机独立处理。

(5)最后,目标eNB将解析获取的数据包转发给DstID:789,DstID:789与SrcID:123建立连接,然后数据流得以传输。

3 信令成本比较分析

3.1 用户移动模型

本文使用流体流动模型(Fluid Flow Model)来描述用户在网络场景中的移动性行为。该模型主要用于在蜂窝网络中节点移动的情况下给出覆盖范围内的边界通过率和停留时间。在此模型中,假设移动用户均匀分布在覆盖区域A的[0,2π)圆形小区内,并且以平均速度v以相同的概率向任何方向移动。因此,移动用户的平均小区边界单位时间通过率uc为

式中:d为用户密度；L为一个小区的周长。因此,平均小区停留时间为

设用户在小区网络内切换的概率,即移出特定小区的概率为ph,其可表示为

式中,N为网络中eNB的总数。由文献[11]可知,移动用户移出小区的概率等于平均小区停留时间乘以小区中活跃用户的平均数量。此外,同构小区之间平均切换的概率等于移动用户移出的速率。假设SDN控制域内,E[Nc]为eNB间切换的平均数目,E[Nt]为eNB间的切换总数,我们可以定义:

式中:λs服从泊松分布；uc和tc服从指数分布。

3.2 总信令成本分析

为了方便对所提算法的性能作出评估,定义总的切换信令成本为Stotal,Stotal为信令成本Ss和每个用户的分组传输成本Sd之和,即

式中:Ss为传输和处理时延；Sd为基于数据包的传输开销。

X2总成本分析:

如图1所示,定义TX2和TS1分别为X2和S1接口上的传输时延,DeNB和DMME-SGW分别为eNB和MME/SGW的处理时延。

总的信令成本为

式中:TX2和TS1分别为图1中序号为1,3～5,7,8,10,12,17,19以及13～16的消息的传输时延；DeNB和DMME-SGW分别为SeNB/Te NB和MME/SGW的处理时延。

设rp为单个用户每个会话发送和接收的平均数据包,即数据会话的第一个数据包和下一个数据会话的第一个数据包之间的时间间隔,所以传输成本为

式中:searchc为在准备向目标e NB发送数据期间eNB的查找成本；tunnelc为向目标eNB转发数据包的隧道成本。

SDN-X2总成本分析:

如图3所示,基于本文算法的SDN和NFV融合的算法信令成本为

式中:DSDNC为SDN控制器的处理延时；TX2占用消息1,3,5～7,9,12,13的传输时延；SDN控制器必须通过发送Open Flow命令来更新参与路径建立操作的所有节点,因此TOF-Switch为启用OpenFlow的e NB与SDN控制器之间的传输时延。本文假设用于路径设置更新e NB的延迟大于其他消息(例如测量报告)所需的延迟。

式中没有TS1这一项,因为对于一个集中控制器,可以定位路径开关的计算,如图3所示,不再需要向SGW发送通知新路径设置的消息。

4 仿真结果及分析

图5所示为通过调整网络中部署的eNB数量来表示网络大小对基于3GPP和SDN的方案下总信令成本的影响,u为用户移动速度。如图5所示,增加e NB数量和移动速率,基于SDN与NFV融合网络下切换优化的管理实现了比传统切换更少的切换信令消耗,这表明本文所提方案更适应密集的小基站部署。

图6所示为用户移动速度对总切换信令成本的影响。由图可知,通过本文所提算法,我们可以实现更低的信令成本,特别是对于高速移动的用户,本方案的切换信令成本几乎是传统方案的一半。

图7所示为每个会话的平均数据包到达时间对总信令成本的影响,对比了基于原始3GPP-X2的传统切换以及基于SDN的方案。由图可知,改变每个会话的平均数据包到达率rp,本文所提方案信令成本显著少于传统切换。

图5 网络大小对基于3GPP和SDN方案的不同速度用户的总信令成本的影响

图6 用户速度对总信令成本的影响

图7 每个会话的平均数据包到达时间对总信令成本的影响

5 结束语

本文研究了超密集网络下的切换信令冗余问题,初步给出了SDN和NFV的融合网络架构,并基于该架构提出了更优的移动性管理方案。仿真结果证明,与传统架构下的切换流程对比,本文所提架构及算法在影响参数和场景不同的情况下,均可有效地减少切换信令的开销,从而减少切换总时延,适应超密集网络,增强用户体验。在后续的研究中,我们将对架构中SDN与NFV融合做更加深入的研究,进一步对本文所提算法进行改进。