本发明公开一种基于IASA负载均衡装置的通信系统及方法，属于通信技术领域。本发明通过负载均衡装置对异构融合通信领域中各接入网的集中感知，控制3GPP接入系统与其他接入系统之间的切换，用户接入网络后，IASA负载均衡装置实时监测扫描各接入网络网关的负载状况，并计算各网关的平均负载率，以及网络负载率。若网络负载超过门限值，则部分用户切换至其它负载较轻网络；若网络负载未超过门限值，而用户当前网关负载过重，则用户切换至当前网络中其它网关下。应用本发明，可以实现接入网络及网关的负载均衡，解决因网络或网关负载过重导致的拥塞、掉话及时延增加等网络性能问题。
一种基于IASA负载均衡装置的切换方法及切换系统
技术领域
[0001] 本发明涉及异构融合通信领域，具体涉及第三代移动通信伙伴关系项目（the 3rd Generation Partnership Project, 简称3GPP）提出的移动通信系统长期演进（Long Time Evolution，LTE）/系统架构演进（System Architecture Evolution，SAE）中的通信。
背景技术
[0002] 随着通信技术的不断发展，各种新的宽带无线接入技术不断涌现，对3G系统形成了挑战。为了保证3GPP在10年内甚至10年后的竞争力，3GPP在2004年启动了无线接入网长期演进研究项目（Long Term Evolution，LTE），此外，3GPP也进行了系统架构演进的相关工作，并将其定义为SAE（System Architecture Evolution，系统架构演进），以达到减少时延，提供更高的用户数据速率、更高的系统容量及更好的覆盖，减少运营商成本的目的。 [0003] 在SAE异构融合架构中，核心网（EPC）是负责各异构接入网之间的数据信息调度与切换的中心控制部分。由于各接入网不能相互感知周围网络的使用状况，无法获知无线资源利用率等信息，在多个异构网络覆盖的重叠区域内若仅按接收信号强度（RSS, Received Signal Strength）选择接入网络，可能造成某些网络被大量RSS较强的用户选择，而另一些网络仅被较少用户选择，即存在异构网络之间的负载不均衡，严重情况下，可能导致某个网络因接入用户过多而发生拥塞的问题。
[0004] SAE架构中，不同的接入网可以是3GPP网络或非3GPP网络，其中，3GPP网络主要是指2G、3G和E-UTRAN等接入网络，而非3GPP网络主要包括WLAN，WiMAX等网络。
[0005] 不同类型无线网络的“融合”成为未来宽带无线通信发展的必然趋势，由于异构网络在网络架构，安全保障以及Qos机制等方面的不同，异构融合是一个复杂的过程，涉及移动通信系统的多个层面，包括业务层面、控制层面、接入层面、传送层面、和空中接口层面。在设计和实现异构无线网络融合系统过程中，不同无线接入网络之间的融合将面临诸多的技术问题，如无缝移动性管理、融合网络架构、异构无线资源管理、端到端重配置以及QoS保障等。其中，异种无线接入技术的融合架构设计及基于特定架构的移动性管理机制是支持异构无缝融合的基础及重要保障，也是异构网络及新型网络架构研究的重点，具有重要的科研及工程应用意义。
[0006] 对于异构网络融合问题，申请号为200510019098的专利“无线局域网与3GPP网的融合方法”，针对无线局域网（WLAN）与3GPP网络融合场景，设计网关或代理，以实现两种网络终端设备的鉴权统一；申请号为200810040678.7 的专利“一种网关设备中用于异构无线网络融合的控制装置及方法”，提供一种在网关设备中用于异构无线网络融合的控制方法,包括接收来自终端的数据信息;对数据信息进行格式转换及向对通信对端发送数据信息，并提供一种在网关设备中用于异构无线网络融合的控制装置以及一种餐饮点餐管理系统。该发明通过融合异构无线网络,实现不同无线网络设备间的通信,且优选地适用于ZIGBEE网络与蓝牙网络，以上专利均未考虑各异构接入网络之间的负载均衡问题。
[0007] 在LTE/SAE新的架构下，申请号为200810108646.6的专利申请“一种移动性管理实体负载重平衡的切换方法”，提供了一种移动性管理实体负载重平衡的切换方法，在发生负载重平衡切换时，能有效地保证UE后续与网络互通流程正常的进行及会话的接续性，实现MME之间的负载均衡；以上研究主要局限于同构网络中的各小区之间，对于异构接入系统之间的移动性管理，资源管理尤其是负载均衡问题还没有明确的规定和研究方法。
发明内容
[0008] 为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出一种基于跨接入系统锚点（IASA, Inter Access System Anchor）的中心感知异构接入网络负载状况的负载均衡装置，以实现在SAE异构融合架构中，对各接入网利用率的集中感知及控制。提供一种3GPP接入系统与其他接入系统之间的基于负载均衡的切换方法，以解决大多数用户仅以接收信号强度（RSS, Received Signal Strength）作为网络接入准则，导致各接入网之间负载不均衡，某些网络负载过重，甚至发生“瘫痪”的可能，具体为：
[0009] 一种基于IASA的负载均衡装置的切换方法， IASA负载均衡装置实时扫描检测所有接入网关的负载状况信息，若周期T内连接该用户设备的网关平均负载率高于网关额定负载率门限值 ，计算该周期内当前接入网络的负载率是否大于网络负载率门限值 ；若当前接入网络的负载率大于等于门限值 ，触发垂直切换，选择负载轻的网络作为切换目标网络，选择切换目标网络中负载率最低的网关作为目标网关；若当前接入网络的负载率低于门限值，触发水平切换，在同一网络内选择负载最轻的网关作为切换重定位目的网关，最终完成用户设备在异构网络之间的切换
[0010] IASA具有实时监测各异构接入系统（包括3GPP系统与非3GPP系统）内所有网关使用信息的功能。本发明在IASA中加入负载均衡器。该负载均衡器采用适当的分配方法把网络请求分散到异构网关池中的可用网关上（如图1所示）。一方面，通过管理进出各个网关的数据流量可以均衡异构网络之间的负载，从而使网络的访问者能够选择最佳的接入网关并减少“热点”区域网络拥塞的发生。另一方面，由于物理方面（掉电、硬件/软件故障）造成的网关服务中断问题，导致该网关不能再为用户设备服务，该负载均衡器能够保证网关稳定的退出服务网络以避免用户设备连接中断。当确定某个网关要退出服务后，不会将任何新的用户设备分配到该网关，同时要完成先前连接的用户设备的数据传输工作。从而保证了无中断的优质服务，并简化了对网关的管理。
[0011] 具体地，所述方法包括：
[0012] a) 用户设备根据接收信号强度（RSS Received Signal Strength）的大小，选择接入网络（3GPP/非3GPP）。
[0013] 用户设备根据接收到的3GPP/非3GPP网络的信号强度进行判断并选择接入网络。
[0014] b) IASA负载均衡装置实时监测扫描各接入网络的网关的负载状况。
[0015] c) IASA负载均衡装置计算一个周期T内所有网关的平均负载率。
[0016] 若某个网关平均负载率高于额定负载率门限值，即该网关负载过重，则计算该周期内此网关所属网络的负载率值；若网关负载合理，则继续监测并计算下一周期内此网关的负载率值。
[0017] d) IASA负载均衡装置计算一个周期T内网络的负载率。
[0018] e) 若需要进行垂直切换，则用户需要从当前网络切换至较为空闲的网络。IASA负载均衡装置通知源网关进行垂直切换准备，并选择切换目标网络中负载率最低的网关作为目标网关，并告知用户目标网络及网关的地址。最后完成用户在3GPP和非3GPP网络之间的切换。
[0019] f) 若需要进行水平切换，即用户所处的网络未出现负载过重或拥塞问题，而用户设备所连接的网关负载过重。 IASA负载均衡装置通过比较各个网关的负载情况，选择负载最轻的网关作为目标网关，用户执行切换重定位至目标网关。
[0020] g) 对于负载过重的接入网络，IASA负载均衡装置通知相应接入点下一个周期内禁止新用户的接入，从而避免当前网络负载状况恶化；同时避免了不必要的切换导致的系统性能下降。
[0021] 本发明还提出一种基于IASA的负载均衡的切换系统， IASA负载均衡装置实时扫描检测网络中所有网关的负载状况信息，若周期T内连接该用户设备的网关平均负载率高于网关额定负载率门限值 ，计算该周期内当前接入网络的负载率是否大于网络负载率门限值 ；若当前接入网络的负载率大于等于门限值 ，IASA负载均衡装置通知源网关进行垂直切换，选择负载轻的网络为切换目标网络，选择切换目标网络中负载率最低的网关作为目标网关，完成用户设备在不同接入网络之间的切换；若当前接入网络的负载率低于门限值 ，触发水平切换，在同一网络内选择负载最轻的网关作为切换重定位目标网关，用户执行切换重定位至目标网关，实现用户设备在同一网络下不同网关之间的切换。
[0022] 本发明提出的基于IASA的负载均衡装置的通信方法，解决了SAE中的EPS架构下，异构接入系统之间的负载均衡问题，提高了无线资源的利用率，可以有效、及时的缓解网络的拥塞。对实现系统联合资源的最大化，提高用户QoS满意度，均具有重要意义，有着广阔的应用前景。可支持运营商及其他业务提供者有效提高资源的利用率，缓解网络拥塞，实现网络资源的优化配置，获得良好的经济效益。
附图说明
[0023] 图1: 基于IASA负载均衡装置的网络系统结构图；
[0024] 图2: 基于IASA负载均衡装置的切换流程框图；
[0025] 图3: 本发明实现的同构网络负载均衡的切换流程示意图；
[0026] 图4: 本发明实现的异构网络负载均衡的切换流程示意图。
具体实施方式
[0027] 为使本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
[0028] 图1为基于IASA负载均衡装置的网络系统结构图，采用3GPP标准中的SAE架构作为本发明的系统结构。所示的系统架构可包括两种网络（WLAN和3GPP网络）、两种接入点（AP和BS）、一个基于IASA的负载均衡装置、多个网关节点（ePDG和MME）、多个移动终端（UE）以及归属用户服务器（HSS）。其中：跨接入系统锚点（IASA, Inter Access System Anchor）可以支持不同接入系统间的移动性，即可以触发用户在不同接入系统（3GPP系统和非3GPP系统）之间的切换，具有实时监测周围网络网关资源使用情况的功能。
[0029] 演进的分组数据网关ePDG（Evolved Packet Data Gateway），是基于3GPP接入系统和WLAN之间的互操作而设计的网元PDG的进一步演进，负责分组数据包的转发，以及鉴权认证等。
[0030] 移动性管理实体MME（Mobile Management Entity）负责核心网络中的移动性管理，包括寻呼、安全控制、核心网的承载控制以及终端在空闲状态的移动性控制等。
[0031] 归属用户服务器HSS（Home Subscriber Server），包含用户配置文件，执行用户的身份验证和授权，并可提供有关用户物理位置的信息。
[0032] 用户设备通过各接入系统的接入网关与核心网实现交互，其中，3GPP接入系统的接入网关为MME，WLAN系统接入网关为ePDG。IASA负载均衡装置周期性地收集各接入网关（MME、ePDG）及网络（3GPP、WLAN）的负载信息，评估负载使用情况。对于网络负载适度，而某些网关负载过重情况，通知用户从负载重的源网关水平切换至负载较轻的目的网关；对于接入网络负载过重情况，选择负载较轻的接入网络，并通知用户从负载重的源网络垂直切换至负载较轻的目的网络。
[0033] 图2为基于IASA负载均衡装置的切换流程图。具体包括：
[0034] a)用户设备（移动终端）根据接收信号强度（RSS）的大小，选择接入网络（3GPP/非3GPP）。具体地，用户设备根据接收到的3GPP/非3GPP网络的信号强度判断并选择接入网络，接收信号强度强的网络。
[0035] b)IASA负载均衡装置实时监测扫描各接入网络的网关的负载状况。
[0036] c)IASA负载均衡装置计算一个周期T内各个网关的平均负载率。
[0037] 若某个网关平均负载率高于额定网关负载率门限值（该门限值可根据覆盖范围内的业务量，网关承载能力确定），表明该网关负载过重，则计算该周期内此网关所属网络的负载率值。若网关负载合理，则继续监测并计算下一周期内此网关的负载率值。
[0038] 具体地，IASA负载均衡装置采集t时刻当前网关缓存已使用的容量 ，计算网关缓存的总容量 ，根据公式 计算第i个网关t时刻的瞬时负载率，根据公式 计算周期T内网关i的平均负载率。若
，则说明网关i负载过重。
[0039] d) IASA负载均衡装置计算一个周期T内接入网络负载率。假设该网络中有n个网关，负载均衡装置根据步骤c计算的网络中所有网关周期T内的平均负载率 ，，根据公式 计算一个周期内网络的负载率，将该负载率与网络负载率门限值 （该门限值可以在网络规划时，根据网络的承载能力确定）比较，若，则这个周期该网络负载过重，反之说明该周期内网络负载合理。
[0040] 进一步地，通过综合评估多个周期内网络负载率，可确定网络负载率的稳态值。优选地，可对三个周期内网络负载进行综合评估，按时间先后顺序将三个周期分别标记为：（ ），通过将网络历史使用信息（即 周期内网络负载率）与当前使用信息（ 周期内网络负载率）进行加权，可得网络的稳态负载率值：
。
[0041] 其中 为三个权重因子，三者之间的关系为 且，即距离当前时刻较近的时间段内的网络负载率对稳态值的影响较大。
[0042] 若 ，则说明网络繁忙，需要进行垂直切换（转步骤e）；反之说明网络利用率合理，仅当前网关出现负载过重，则应进行水平切换（转步骤f）。
[0043] e) 若需要进行垂直切换，即当前接入网络负载过重，容易出现拥塞，则用户需要从当前网络切换至较为空闲的网络。IASA负载均衡装置通知源网关进行垂直切换准备，即选择切换目的网络中负载率最低的网关作为目标网关，并告知用户目标网络及网关的地址。最后完成用户在异构网络之间的切换。
[0044] f) 若需要进行水平切换，即用户所处的网络未出现负载过重或拥塞问题，而用户设备所使用的网关负载过重。
[0045] IASA负载均衡装置通过比较各个网关的负载情况，选择负载最轻的网关作为目标网关，用户执行切换重定位至目标网关。
[0046] g) 对于负载过重的接入网络，IASA负载均衡装置通知相应接入点下一个周期内禁止新用户的接入，从而避免当前网络负载状况恶化；同时避免了不必要的切换导致的系统性能下降。
[0047] 图3为本发明实施例中用于SAE系统架构的基于同构网络内不同网关之间负载均衡的切换流程图。如图3所示，移动终端的切换流程包括：
[0048] 步骤301-304: IASA实时发送监测请求消息。
[0049] IASA负载均衡装置向源网关及候选目标网关（标记为网关1、网关2及网关3，本发明中的网关种类包括ePDG与MME）广播监测请求信息，目的在于收集各网关的负载信息。
[0050] 步骤305-308: 发送监测请求应答消息。
[0051] 各网关向IASA负载均衡装置发送监测请求应答信息，其中包括各自的负载信息。
[0052] 步骤309: IASA负载均衡装置评估各网关负载情况。若用户当前网关及所属网络负载均合理，则用户继续驻留该网关，不进行切换；（重复步骤301- 308）。若判定某网关负载过重，而网络负载合理，转步骤310。
[0053] 步骤310: IASA负载均衡装置向源网关发送负载过重切换重定位通知消息。
[0054] IASA负载均衡装置将网关1、网关2、网关3中负载率最低的网关定为目标网关，并将该网关的地址通告源网关。本发明中通过计算得出网关2为负载率最低的网关。
[0055] 步骤311: 源网关向网关2（即目标网关）发送重定位通知。其中，包括用户标识及目标网关标识信息。
[0056] 步骤312: 源网关向AP/BS发送负载过重切换通知，通知AP/BS切换到的目标网关地址。
[0057] 步骤313: AP/BS向源网关发送切换请求消息，请求源网关离开AP/BS。
[0058] 步骤314: 网关2向AP/BS发送切换请求消息，请求与AP/BS相连接。
[0059] 步骤315：AP/BS向目标网关发送切换请求ACK。
[0060] 步骤316: 网关2向源网关发送转发重定位响应消息。
[0061] 步骤317: 源网关向AP/BS发送切换命令，准备执行切换。
[0062] 步骤318: 在AP/BS和目标网关之间，执行切换和重定位。
[0063] 步骤319: AP/BS释放源网关资源，指示切换完毕，即源网关已与AP/BS断开。
[0064] 步骤320: AP/BS向网关2发送切换完成通知，指示切换完毕，即目标网关已经切换到AP/BS上。
[0065] 步骤321: 网关2向源网关发送转发重定位完成消息，通知源网关切换完成。
[0066] 步骤322: 源网关向网关2发送转发重定位完成应答。
[0067] 步骤323: 向HSS注册更新网关2。
[0068] 图4为根据本发明实施例中用于SAE系统架构的基于异构网络之间负载均衡的切换流程框图。如图4所示，移动终端的切换流程包括：
[0069] 步骤401-404: 发送监测请求消息。
[0070] IASA负载均衡装置周期性的向WLAN中的网关ePDG和3GPP网络中的网关MME1、MME2及MME3广播监测请求消息，目的在于收集WLAN和3GPP网络中网关的负载信息。
[0071] 步骤405-408: 发送监测应答消息。
[0072] 网关ePDG与MME1、MME2及MME3向IASA负载均衡装置发送监测请求应答消息，其中包括各自的负载信息。
[0073] 步骤409: IASA负载均衡装置评估3GPP网络及WLAN负载状态。
[0074] 若用户当前网关及所属网络负载状态正常，则用户继续驻留（重复步骤401-408）；若判定WLAN网络负载过重，则IASA负载均衡装置触发UE切换至3GPP网络，转步骤
410-412。
[0075] 步骤410-412: 发送切换命令。
[0076] IASA负载均衡装置逐级向移动终端发送垂直切换命令，并携带目标网络及网关地址。IASA负载均衡装置选择3GPP网络中负载率最轻的网关作为目标网关，若网关MME1与网关MME2和MME3相比负载率最小，则定义网关MME1为目标网关。
[0077] 步骤413: UE向BS发起切换请求并连接目标网关MME1。
[0078] 步骤414: 发送鉴权认证消息。
[0079] 目标网关MME1向HSS发送鉴权认证消息。
[0080] 步骤415: 目标网关MME1为移动终端UE分配其在新网络中的IP地址。
[0081] 步骤416: 建立与目标无线网络连接所需的资源，包括网络中为UE分配的带宽、用户的上行TEID（隧道标识）参数等。
[0082] 步骤417-420: 目标网关MME1向移动终端UE逐级发送切换完成消息。
[0083] 步骤421: 释放源无线网络（WLAN）的资源。
[0084] 步骤422-423: AP通过源网关ePDG向IASA负载均衡发送切换完成应答消息，指示切换完毕。
[0085] 步骤424: 向HSS注册更新网关MME1。
