一种基于全局负载均衡的服务网关选择方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于负载均衡领域，涉及EPC系统和5G核心网的节点动态负载均衡，尤其 涉及一种基于全局负载均衡的服务网关选择方法及系统。
【背景技术】
[0002] 在EPC(EvolvedPacketCore，演进型分组核心网）系统中（如图1所示），是 基于DNS(DomainNameSystem，域名系统）的节点选择来实现负载平衡和时延优化的。 SGW(ServingGateway，服务网关）是按照地理位置、拓扑和S-NAPTR(Straightforward_Na mingAuthorityPointer，直接命名权威指针）输出优先顺序从备选目标节点选出，以此达 到静态的负载平衡和基于地域/拓扑粗粒度的时延优化。3GPP在R12 [TS29. 303]中定义了 SGW/PGW(PDNGateway，分组数据网关）选择的节点级和APN(AccessPointName，接入点名 称）级负载控制方法。该方法是对原来方法的扩展，当上述优选顺序一样时，根据这些具有 同样优先顺序SGW的负载和DNS权重因子来确定最终选取的SGW，并以此实现动态的负载均 衡。从上述总结中不难看出，EPC系统在实现负载平衡和时延优化时，并没有考虑基站、回 程中各设备和链路上的负载和时延抖动，而只是实现局部负载平衡和平均时延优化，这会 导致以下问题：
[0003] 1)即使传播时延相等，不同负载区域的用户流在移动网络中时延分布函数的a 分位点相差很大，时延抖动相差很大，并且重载区的时延抖动比较高；
[0004] 2)忽视了不同负载区域的用户流处理的公平性；
[0005] 3)在5G网络中，由于对时延的要求更高，需要大幅度地降低网络的平均时延和时 延抖动。特别是对于某些业务来说，时延抖动的影响将不能忽视。
[0006] 为此，需要从移动网络的全局出发，考虑基站、回程和核心网络负载分布情况，来 实现全局性负载均衡，并基于延迟分布的a分位点来优化时延。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种基于全局负载均衡的服务网关选择方法及系统，能够 克服现有的服务网关选择方法的缺点，并支持MME池、SGW池和PGW池模式。
[0008] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0009] -种基于全局负载均衡的服务网关选择方法，应用在EPC系统的节点级负载控制 中，实现动态负载平衡，该方法步骤包括：
[0010] 1)MME中负载管理单元配置与初始化。在每个MME中设置一负载管理单元，MME启 动时，先配置相关参数，主要包括：与网络设备负载管理逻辑实体的通信参数、用户数据包 在各设备中时延估计方式、各设备负载信息收集方式、SGW选择算法相关参数等；然后初始 化该负载管理单元，该负载管理单元配置为软件。
[0011] 2)eNB、回程设备、SGW中负载管理单元配置与初始化。每个eNB、回程设备、SGW中 设置一负载管理单元，在启动时，先配置相关参数，主要包括：与网络设备负载管理逻辑实 体的通信参数、用户数据包在各设备中时延估计方式、各设备负载信息收集方式、测量和上 报周期等；然后初始化该负载管理单元，该负载管理单元配置为软件。
[0012] 3)网络设备负载管理逻辑实体的配置与初始化。在EPC系统中新增网络设备负 载管理逻辑实体，该实体启动后，输入并存储规划好的网络拓扑和连接信息、设备（eNB、回 程设备、SGW)的处理能力信息以及链路速率，与各设备（eNB、回程设备、SGW、MME)的通信参 数、用户数据包在各设备中时延估计方式、各设备负载信息收集方式、分流权重算法及相关 参数、计算周期等；然后初始化该实体。
[0013] 4)用户数据包在eNB、回程设备和SGW中时延参数的估计。有两种方式：
[0014] a)基于排队模型的估计方式：根据网络运营历史数据和经验，为eNB、回程设备和 SGW分别建立一种排队模型，网络设备负载管理逻辑实体根据该排队模型和实际负载状态 来估计平均时延、时延标准差以及其关于负载的偏导数等；
[0015] b)基于设备测量的估计方式：由eNB、回程设备和SGW中的负载管理单元分别测量 用户数据包在本设备内时延，周期性地估计出平均时延和时延的标准差，并上报网络设备 负载管理逻辑实体。
[0016] 进一步，对于步骤4a)，网络设备负载管理逻辑实体收集eNB、回程设备、SGW的负 载信息，有两种方式：
[0017]i)MME汇报方式：由MME负载管理单元汇报QoS(QualityofService，服务质量） 参数。在无线承载（E-RAB)管理和上下文（Context)管理（含EPS会话管理）中，进行承 载管理和上下文管理时，MME把交互信令中承载和上下文相关的QoS参数发送至网络设备 负载管理逻辑实体，网络设备负载管理逻辑实体根据QoS参数实时更新eNB负载信息、SGW 负载信息，并根据网络拓扑和连接信息计算出各回程设备和链路的负载。
[0018] ii)设备直接汇报方式：eNB、回程设备和SGW周期性地直接向网络设备负载管理 逻辑实体报告自身的负载状况，作为eNB、回程设备和SGW的实际负载存储在相应的表中； 或网络设备负载管理逻辑实体直接向eNB、回程设备、SGW发起轮询。
[0019] 进一步，对于步骤4a)，网络设备负载管理逻辑实体利用所收集和存储的eNB负载 信息、回程设备的处理能力和负载信息、SGW处理能力和负载信息，以及相应的排队模型，分 别计算出用户数据包在eNB、回程设备、SGW中的平均时延、时延的标准差及其偏导数，保存 在相应的负载表中。
[0020] 进一步，对于步骤4b)，网络设备负载管理逻辑实体收集eNB、回程设备、SGW中的 负载管理单元所估计的用户数据包平均时延和时延的标准差，并保存在相应的负载表中。 eNB、回程设备、SGW周期性地向网络设备负载管理逻辑实体汇报，网络设备负载管理逻辑实 体也可以向eNB、回程设备、SGW发起轮询。
[0021] 5)SGW分流权重计算。网络设备负载管理逻辑实体根据用户数据包在eNB、回程设 备、SGW中的平均时延和时延的标准差，或其偏导数，按照相关算法周期性地计算出在下个 周期时间T内为eNB新接入用户服务的SGW分流权重，并发送给MME的负载管理单元。
[0022] 6)MME为eNB新接入用户选择SGW。MME根据获取的SGW分流权重按照相关算法 计算出为eNB上新接入用户服务的SGW地址列表，进而为所述的eNB上新接入的用户选择 SGW〇
[0023] 进一步地，在步骤6)中，网络设备负载管理逻辑实体计算在下个周期时间T内为 eNB新接入用户服务的SGW分流权重所用的代价函数可表示为：
[0024]
[0025] 其中，|_和〇s(m，n)分别代表用户数据包从第m个eNB到第n个SGW中各设 备（第m个eNB、第m个eNB到第n个SGW所经过的相关回程设备和第n个SGW)的平均时 延和时延的标准差；m的取值范围：[1，2, 3…M]，M为eNB总数，n的取值范围：[1，2, 3*". N]，N为目标SGW总数；k表示从eNB到SGW路径上节点级数，k的取值范围：[1，2. .K]，K为 总级数（其中，eNB为1级节点，SGW为K级节点）。||%_是〇s(m，n)对应的因子，根据时 延分布a分位点确定，当都取0时，即为平均时延。
[0026] 进一步地，在步骤6)中，网络设备负载管理逻辑实体计算在下个周期时间T内为 eNB新接入用户服务的SGW分流权重所用的优化目标为：
[0027]
[0028] 进一步地，在步骤6)中，网络设备负载管理逻辑实体计算在下个周期时间T内为 eNB新接入用户服务的SGW分流权重的具体算法：对于该eNB新接入用户，分流到各SGW的 权重与上述代价函数、或代价函数的偏导数、或代价函数的某种函数成反比。
[0029] 进一步地，在以上各步骤中提到的eNB、回程设备、SGW测量负载状况或时延的周 期与网络设备负载管理逻辑实体计算分流权重的周期不需要一致和同步，MME总是基于最 新收到的分流权重来选择SGW。
[0030] 本发明还提供一种基于全局负载均衡服务网关选择的系统，如图7所示，该系统 包括：网络设备负载管理逻辑实体、MME负载管理单元、SGW负载管理单元、eNB负载管理单 元和回程设备负载管理单元；其中，
[0031] 网络设备负载管理逻辑实体，存储网络拓扑和连接信息、各设备（eNB、回程设备、 SGW)的处理能力信息以及链路速率，收集和存储各设备的负载信息，收集或估计并存储用 户数据包在各设备中的时延参数，计算并发送SGW分流权重至所述MME负载管理单元；
[0032] MME负载管理单元，用于收集QoS参数并汇报给所述网络设备负载管理逻辑实体； 在需要对所述eNB新接入用户进行SGW选择时，根据所述网络设备负载管理逻辑实体发来 的SGW分流权重，为所述eNB新接入的用户选择SGW。
[0033] SGW负载管理单元，用于测量自身负载状况、和/或测量与估计用户数据包时延参 数，并发送至所述网络设备负载管理逻辑实体；当SGW需要向所述网络设备负载管理逻辑 实体直接汇报自身负载信息，或SGW需要测量用户数据包在本设备内时延并向所述网络设 备负载管理逻辑实体直接汇报时延参数时，需要在SGW中设置SGW负载管理单元；否则，不 需要设置该单元。