謝妍輝,趙 夙,朱曉榮

(南京郵電大學 通信與信息工程學院,南京 210003)

0 引 言

超密集網(wǎng)絡(luò)中由于小基站的覆蓋范圍較小,小區(qū)之間的頻繁切換成為滿足服務需求的主要障礙。若繼續(xù)采用通用移動通信技術(shù)長期演進(Long Term Evolution,LTE)中的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),必然造成切換時延的積累,導致用戶服務質(zhì)量的急劇下降。

近期有關(guān)移動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的建議已經(jīng)采用了軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Networking,SDN)[1]和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Function Virtualization,NFV)[2]等新的范例如文獻[3-7],這將為未來的移動網(wǎng)絡(luò)帶來可觀的可擴展性、靈活性及成本和能源消耗方面的巨大收益。文獻[8]提出了基于SDN和部分虛擬化的LTE架構(gòu)中的基于X2的切換實現(xiàn),初步考慮了SDN和NFV的結(jié)合；根據(jù)文獻[4],SDN和NFV在移動網(wǎng)絡(luò)中的整合應該是漸進式的,這有利于從傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)遷移；文獻[9]旨在在用戶平面(User Plane,UP)上刪除通用無線分組業(yè)務(General Packet Radio Service,GPRS)通道協(xié)議-UP(GPRS Tunnel Protocol-UP,GTP-U)協(xié)議,同時保留3GPP控制平面不變,與本文不同,該解決方案考慮在UP上使用傳統(tǒng)節(jié)點(例如服務網(wǎng)關(guān)(Serving Gate Way,S-GW))；文獻[10]提出了SDN移動性管理架構(gòu),并通過使用其架構(gòu)原型來評估切換執(zhí)行時間。

以上文獻都或多或少考慮了SDN和NFV結(jié)合的情況,但沒有完整提出SDN和NFV融合架構(gòu)并研究該架構(gòu)下移動性管理的改善方法。本文初步提出SDN與NFV融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),旨在進一步減少切換信令流程,從而減少切換時延,以適應超密集網(wǎng)絡(luò),增強用戶體驗。

1系統(tǒng)模型

SDN與NFV融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示,主要由SDN控制器、核心網(wǎng)網(wǎng)元(Evolved Packet Core,EPC)、SDN交換機和小基站(Evolved Node B,eNB)4個部分構(gòu)成。各個部分在執(zhí)行切換或其他命令時協(xié)同工作。

圖1 SDN與NFV融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

各部分主要實現(xiàn)的功能如下:

SDN控制器:SDN控制器基于Open Flow協(xié)議執(zhí)行控制全局功能,即對切換過程的全程控制,同時支持流量控制以確保網(wǎng)絡(luò)智能,允許服務器告訴SDN交換機向哪里發(fā)送數(shù)據(jù)包。它是控制平面和終端平面之間的接口,虛擬EPC通過應用編程接口(Application Programming Interface,API)與SDN控制器進行交互,所有基于OpenFlow協(xié)議的SDN交換機分布在網(wǎng)絡(luò)中,通過南向API與SDN控制器進行交互。SDN控制器通過發(fā)送OpenFlow流表條目來控制切換流程以及所有SDN交換機的路由。

EPC:網(wǎng)元控制功能實體全部被實現(xiàn)為邏輯上集中的網(wǎng)絡(luò)虛擬功能,如虛擬S-GW(virtualization S-GW,vS-GW)、v P-GW等。它們的設(shè)計遵循1∶3的映射架構(gòu),被分成3個邏輯組件:前端、服務邏輯和狀態(tài)數(shù)據(jù)庫,前端采用基于Open Flow協(xié)議的SDN交換機實現(xiàn),充當與網(wǎng)絡(luò)中其他實體的通信接口,負責平衡多個服務邏輯之間的負載,實現(xiàn)對不同控制消息的處理。狀態(tài)數(shù)據(jù)庫存儲終端會話狀態(tài),使服務邏輯成為無狀態(tài)。

SDN交換機:基于Open Flow協(xié)議的交換機是與網(wǎng)絡(luò)中其他實體的通信接口,負責平衡多個服務邏輯之間的負載,實現(xiàn)對不同控制消息的處理。在執(zhí)行普通交換機存儲轉(zhuǎn)發(fā)功能的基礎(chǔ)上,同時具有接收SDN控制器下發(fā)的流表條目指示從而執(zhí)行數(shù)據(jù)流最優(yōu)路徑轉(zhuǎn)發(fā)的功能。

eNB:支持覆蓋區(qū)域的終端通信與請求數(shù)據(jù)訪問,終端在進行請求訪問時會首先選擇接入最近的覆蓋區(qū)域范圍的基站,將訪問的數(shù)據(jù)進行收集上報,基站會對終端上報的信息進行處理后做出反饋。本文eNB包括MeNB和HeNB。

2 算法描述

2.1 傳統(tǒng)切換信令流程

基于X2的傳統(tǒng)架構(gòu)下移動性管理信令如圖2所示。由圖可見,傳統(tǒng)切換程序中用戶設(shè)備(User Equipment,UE)與基站消息交換較多,S-GW和MME在切換時也存在頻繁的信令交互。

從移動性管理的角度來看,這種機制若延用至超密集網(wǎng)絡(luò)中,將存在嚴重的問題?？焖僖苿拥挠脩艨梢杂|發(fā)許多切換,必須在很短的時間內(nèi)處理。因此,這種切換必須更快速,并且切換機制必須是可擴展的。這是5G移動網(wǎng)絡(luò)的一項重要目標。

2.2 SDN與NFV融合架構(gòu)下優(yōu)化的切換信令流程

傳統(tǒng)切換流程信令交互過多,若在超密集網(wǎng)絡(luò)中沿用將會導致巨大的切換時延。圖3所示為SDN與NFV融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的切換信令流程。在本文提出的SDN與NFV融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型下,優(yōu)化的切換信令流程能減少切換信令,適應超密集網(wǎng)絡(luò)。

如圖所示,終端處于演進的分組系統(tǒng)(Evolved Packet System,EPS)移動性管理(EPS Mobility Management,EMM)注冊和EPS連線管理(EPS Connection Management,ECM)/無線資源控制(Radio Resource Control,RRC)連接狀態(tài)。

終端從源eNB的覆蓋區(qū)域移動到目標eNB時執(zhí)行切換程序的主要步驟如下:

(1)SDN控制器實現(xiàn)對終端的測量控制。

(2)當來自目標eNB的信號強度超過閾值時,終端向SDN控制器發(fā)送測量報告。

(3)由SDN控制器代替源eNB,結(jié)合各狀態(tài)進行切換決策。

(4)SDN控制器代替目標e NB執(zhí)行準入控制過程,以確定目標eNB是否具有可用資源來支持即將到來的終端。

(5)一旦確定目標eNB接納終端,則SDN控制器向終端發(fā)送切換指令。

圖2 基于X2的傳統(tǒng)架構(gòu)下移動性管理信令

(6)終端離開源eNB,切換至目標eNB。

(7)同時源eNB發(fā)送緩沖和分組給目標eNB。

(8)目標eNB接收來自源eNB的緩沖包。

(9)此時,SDN控制器給UE分配上行鏈路和跟蹤區(qū)(Tracking Area,TA)。

(10)同時,切換中斷時間發(fā)生,終端與目標eNB進行同步過程。在此期間,終端不能發(fā)送或接收任何數(shù)據(jù)幀。

(11)一旦終端與目標eNB同步,它將切換確認消息發(fā)送到目標eNB。此后,目標eNB可以直接將終端上行幀發(fā)送給SDN交換機。

(12)目標eNB向v MME發(fā)送路徑轉(zhuǎn)換請求消息以通知終端已經(jīng)執(zhí)行服務e NB的改變。v MME收到該消息后,通知vS-GW下行S1承載已經(jīng)切換,并通過發(fā)送修改承載請求消息要求切換承載路徑。處理完該消息后,vS-GW向SDN控制器發(fā)送更新UP請求。

(13)SDN控制器修改SDN交換機對應的流表表項。一旦SDN控制器結(jié)束操作,它就更新生成UP應答,發(fā)送給vS-GW確認UP更新。之后,vSGW依次將路徑修改承載請求確認消息發(fā)送給v MME。

(14)最后,v MME發(fā)送路徑切換請求確認消息給目標eNB,通知它已經(jīng)建立了新的路徑。目標eNB轉(zhuǎn)而向源eNB發(fā)送終端上下文釋放消息。現(xiàn)在,源e NB可以釋放為終端分配的無線電和控制平面資源,并且切換過程結(jié)束。

相較于圖2所示的傳統(tǒng)架構(gòu)中的切換,新提出的移動性管理算法使信令切換減少很多。

2.3 新的數(shù)據(jù)平面工作流程

SDN控制器實現(xiàn)了對SDN交換機端口流量的監(jiān)聽,并根據(jù)小區(qū)狀態(tài)建立更高效的路由表下發(fā)給SDN交換機。在SDN與NFV融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上,新的數(shù)據(jù)平面工作流程如圖4所示。

圖3 SDN與NFV融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的切換信令流程

圖4 SDN與NFV融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的數(shù)據(jù)平面工作流程

如圖所示,數(shù)據(jù)流在同一個SDN控制器所管理的區(qū)域內(nèi)進行傳輸,此區(qū)域為某密集區(qū)域。由接入eNB1的用戶SrcID:123發(fā)起數(shù)據(jù)流請求,請求發(fā)送消息至用戶DstID:789,用戶DstID:789當前服務基站為eNB2。步驟如下:

(1)用戶ID:123發(fā)送到用戶ID:789的數(shù)據(jù)流通過eNB1,eNB1截獲數(shù)據(jù)流信息,即SrcID(源ID):123,DstID(目的端ID):789。

(2)eNB控制協(xié)議將SrcID和DstID發(fā)送給最近的SDN交換機。

(3)在這種情況下,SDN交換機并不知道如何處理到達的分組,所以當數(shù)據(jù)流的第一個數(shù)據(jù)包到達時,SDN交換機向SDN控制器發(fā)送如何處理新流的請求。

(4)SDN控制器收到請求后,根據(jù)對各個SDN交換機端口的監(jiān)控情況,生成最優(yōu)路由路徑,并下發(fā)存儲在SDN交換機的流表中。至此任何屬于同一個流的連續(xù)分組都可以被交換機獨立處理。

(5)最后,目標eNB將解析獲取的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給DstID:789,DstID:789與SrcID:123建立連接,然后數(shù)據(jù)流得以傳輸。

3 信令成本比較分析

3.1 用戶移動模型

本文使用流體流動模型(Fluid Flow Model)來描述用戶在網(wǎng)絡(luò)場景中的移動性行為。該模型主要用于在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點移動的情況下給出覆蓋范圍內(nèi)的邊界通過率和停留時間。在此模型中,假設(shè)移動用戶均勻分布在覆蓋區(qū)域A的[0,2π)圓形小區(qū)內(nèi),并且以平均速度v以相同的概率向任何方向移動。因此,移動用戶的平均小區(qū)邊界單位時間通過率uc為

式中:d為用戶密度；L為一個小區(qū)的周長。因此,平均小區(qū)停留時間為

設(shè)用戶在小區(qū)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)切換的概率,即移出特定小區(qū)的概率為ph,其可表示為

式中,N為網(wǎng)絡(luò)中eNB的總數(shù)。由文獻[11]可知,移動用戶移出小區(qū)的概率等于平均小區(qū)停留時間乘以小區(qū)中活躍用戶的平均數(shù)量。此外,同構(gòu)小區(qū)之間平均切換的概率等于移動用戶移出的速率。假設(shè)SDN控制域內(nèi),E[Nc]為eNB間切換的平均數(shù)目,E[Nt]為eNB間的切換總數(shù),我們可以定義:

式中:λs服從泊松分布；uc和tc服從指數(shù)分布。

3.2 總信令成本分析

為了方便對所提算法的性能作出評估,定義總的切換信令成本為Stotal,Stotal為信令成本Ss和每個用戶的分組傳輸成本Sd之和,即

式中:Ss為傳輸和處理時延；Sd為基于數(shù)據(jù)包的傳輸開銷。

X2總成本分析:

如圖1所示,定義TX2和TS1分別為X2和S1接口上的傳輸時延,DeNB和DMME-SGW分別為eNB和MME/SGW的處理時延。

總的信令成本為

式中:TX2和TS1分別為圖1中序號為1,3～5,7,8,10,12,17,19以及13～16的消息的傳輸時延；DeNB和DMME-SGW分別為SeNB/Te NB和MME/SGW的處理時延。

設(shè)rp為單個用戶每個會話發(fā)送和接收的平均數(shù)據(jù)包,即數(shù)據(jù)會話的第一個數(shù)據(jù)包和下一個數(shù)據(jù)會話的第一個數(shù)據(jù)包之間的時間間隔,所以傳輸成本為

式中:searchc為在準備向目標e NB發(fā)送數(shù)據(jù)期間eNB的查找成本；tunnelc為向目標eNB轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的隧道成本。

SDN-X2總成本分析:

如圖3所示,基于本文算法的SDN和NFV融合的算法信令成本為

式中:DSDNC為SDN控制器的處理延時；TX2占用消息1,3,5～7,9,12,13的傳輸時延；SDN控制器必須通過發(fā)送Open Flow命令來更新參與路徑建立操作的所有節(jié)點,因此TOF-Switch為啟用OpenFlow的e NB與SDN控制器之間的傳輸時延。本文假設(shè)用于路徑設(shè)置更新e NB的延遲大于其他消息(例如測量報告)所需的延遲。

式中沒有TS1這一項,因為對于一個集中控制器,可以定位路徑開關(guān)的計算,如圖3所示,不再需要向SGW發(fā)送通知新路徑設(shè)置的消息。

4 仿真結(jié)果及分析

圖5所示為通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中部署的eNB數(shù)量來表示網(wǎng)絡(luò)大小對基于3GPP和SDN的方案下總信令成本的影響,u為用戶移動速度。如圖5所示,增加e NB數(shù)量和移動速率,基于SDN與NFV融合網(wǎng)絡(luò)下切換優(yōu)化的管理實現(xiàn)了比傳統(tǒng)切換更少的切換信令消耗,這表明本文所提方案更適應密集的小基站部署。

圖6所示為用戶移動速度對總切換信令成本的影響。由圖可知,通過本文所提算法,我們可以實現(xiàn)更低的信令成本,特別是對于高速移動的用戶,本方案的切換信令成本幾乎是傳統(tǒng)方案的一半。

圖7所示為每個會話的平均數(shù)據(jù)包到達時間對總信令成本的影響,對比了基于原始3GPP-X2的傳統(tǒng)切換以及基于SDN的方案。由圖可知,改變每個會話的平均數(shù)據(jù)包到達率rp,本文所提方案信令成本顯著少于傳統(tǒng)切換。

圖5 網(wǎng)絡(luò)大小對基于3GPP和SDN方案的不同速度用戶的總信令成本的影響

圖6 用戶速度對總信令成本的影響

圖7 每個會話的平均數(shù)據(jù)包到達時間對總信令成本的影響

5 結(jié)束語

本文研究了超密集網(wǎng)絡(luò)下的切換信令冗余問題,初步給出了SDN和NFV的融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),并基于該架構(gòu)提出了更優(yōu)的移動性管理方案。仿真結(jié)果證明,與傳統(tǒng)架構(gòu)下的切換流程對比,本文所提架構(gòu)及算法在影響參數(shù)和場景不同的情況下,均可有效地減少切換信令的開銷,從而減少切換總時延,適應超密集網(wǎng)絡(luò),增強用戶體驗。在后續(xù)的研究中,我們將對架構(gòu)中SDN與NFV融合做更加深入的研究,進一步對本文所提算法進行改進。