一种基于软件定义的超密集无线网络体系结构及实现方法与流程

本发明设计了一种基于软件定义的超密集无线网络体系结构，应用于公共服务、大众服务和行业/企业业务，属于无线通信技术领域。

背景技术：

随着互联网应用的快速发展以及数据业务需求的爆发式增加，无线网络面临着巨大的挑战。超密集网络(Ultra Dense Network,UDN)是应对此挑战的一个重要解决方案，也是第五代(5G)通信系统的核心技术之一。近年来，超密集无线网络已成为国内外广泛关注的热点问题之一。

超密集无线网络通过密集地部署基站和天线构成多个微小区的无线网络，能够增加无线信号覆盖范围、提高系统容量和能量效率，但呈现出调配无线资源减少系统干扰的技术。而软件定义网络(Software Defined Network,SDN)通过将系统控制平面和业务平面分开，使用控制平面集中式网络控制器进行传输网络的各种资源的适配。SDN技术将在一定程度上改进和提高无线网络的性能，但对无线通信系统的控制平面、业务平面和管理平面的设计提出了更高的智能化和灵活性的要求，传统的针对无线网络资源、回传网络资源和无线资源进行各自独立的网络控制和资源调配方法已经无法满足超密集无线网络的系统资源调配要求，组建一套控制平面与用户平面自适应分离的组网策略已成为5G系统必然面对的技术调整。

超密集网络技术在提升网络容量、增强室内覆盖以及补盲覆盖不足场景上优势显著，通过在宏蜂窝小区基站和微微蜂窝小区基站、毫微微蜂窝小区基站等低功率小基站组成的多层异构网络基础上，进一步增加低功率小基站的部署密度，实现小基站的超密集部署，最大程度提升全网的容量。具体来说，在超密集网络中，宏小区覆盖范围内各类小基站部署密度达到现有站点部署密度10倍以上，每平方公里支持用户数高达25 000个。

软件定义网络，是一种新型网络创新架构，其核心技术OpenFlow通过将网络设备控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台，为实现无线网络虚拟化创造了条件，为超密集异构无线网络提供了一种有效管理方式，通过对超密集无线网络中资源的抽象和统一表征、资源共享和高效复用，实现网络的共存与融合。无线网络虚拟化可使复杂多样的网络管控功能从硬件中解耦出来，抽取到上层做统一协调和管理，从而降低网络管理成本，提升网络管控效率。集中化控制使得没有无线网络基础设施的服务提供商也可以为用户提供差异化的服务。

传统的网络以传输节点为中心，用户的接入、驻留、切换都和物理的传输节点相关联，缺乏对用户和业务的感知能力、网元功能可编程能力及网络可编排能力，无法按需进行网络架构的灵活构建、功能配置和对外开放，实现快速敏捷的业务部署和升级，难以满足超密集网络的应用场景和业务形式的不同特性和对网络要求的巨大差别。超密集无线网络的特点是基站数量多、分布密度大，通信环境复杂，需要通过各个传输节点的协作来为用户提供一致、连续的服务，而用户甚至感觉不到小区的存在。而以NFV和SDN为代表的网络虚拟化技术，使得网络基础设施部署和组网方案转向更开放、灵活、高效、高度可编程和高度弹性。

由于基于软件定义的超密集无线网络的重要性以及不可或缺，本发明设计出一种基于软件定义的超密集无线网络体系结构，从理论角度清晰地介绍了基于软件定义的超密集无线网络的概念及其技术架构。

技术实现要素：

技术问题：本发明提供一种基于软件定义的超密集无线网络体系结构及实现方法，依据下一代网络密集分布化、用户网络需求多样化的发展趋势，此项研究有助于5G系统中超密集无线网络的实际应用，并对智慧城市、物联网等发展起到重要的促进作用。

技术方案如下：

1.基于软件定义的超密集无线网络体系结构

本发明的无线网络体系结构分为两层，包括：网络接入层和网络控制层。

1-1、本发明所述的网络接入层，包括：

传输节点，只负责用户接入及用户面数据转发，由移动通信中的小基站和WLAN中的AP节点构成，分布在网络的各个空间位置中。

控制节点，只负责对所述传输节点控制面的控制，所述的控制节点是位于虚拟小区之中，仅对传输节点进行集中管控，完成统一的配置协调和作为虚拟连接锚点作用。所述的控制节点需要与虚拟小区中每个所述传输节点之间建立连接，用于配置信息的下发和状态信息的上报。

1-2、所述的网络控制层即为云数据中心，包含：

虚拟网关，是本发明的创新组成部分，主要包含两个功能：所述虚拟网关是所述传输节点和所述控制节点与SDN控制器之间控制消息传输的中间件，负责消息协议格式的转换；所述虚拟网关中承担部分核心网的网关功能，对用户面数据转发至Internet路径的路由管理。

云计算虚拟化资源池，是本发明的创新组成部分，对所述网络接入层网络资源和云数据中心资源的虚拟化处理，将底层可抽象出来的计算资源、通信资源和存储资源抽象成池中可被SDN控制器集中管理的参数。

SDN控制器，是本发明的创新组成部分的，对上述虚拟化资源池的管理和编排，内部分为两个部分：NFV管理和编排系统和网络感知与管理系统。

所述的NFV管理与编排系统中，虚拟网元功能编排是对传统的网元功能进行虚拟化，利用软件定义的方式来添加新的网元功能；虚拟化基础架构管理根据用户的服务需求、网络的状况等属性较为灵活的把所覆盖区域分成若干个虚拟小区；虚拟化平台管理对云计算虚拟化资源池的的各个资源参数进行灵活配置。

所述的网络感知与管理系统中，网络拓扑功能可针对即插即用的传输节点灵活发现拓扑结构，在总体上知悉网络分布状况；网络状态功能是针对不同的传输节点和控制节点监测网络运行状态。移动性管理功能在面对用户移动的过程中合理配置虚拟小区和传输控制节点为用户的业务服务，保证用户实时在线连接网络。安全管理和鉴权功能是为了防止非法用户的接入，在用户首次接入传输节点时，对用户进行鉴权和分配连接的资源优先级。

2.基于软件定义的超密集无线网络体系结构的实现方法

虚拟小区中，存在一个所述控制节点和多个所述传输节点，所述传输节点的控制平面和用户平面相互分离，用户平面的数据传输由所述传输节点承载，控制面则由所述控制节点集中进行控制。

所述控制节点对所述传输节点的控制，包括：控制面策略和用户面策略。

2-1、具体控制面策略步骤为：

步骤1)：用户对附近传输节点扫描测量附近的无线信号强度并上报传输节点的信号强度至SDN控制器；

步骤2)：SDN控制器根据传输节点信号强度值和传输节点的负载情况构建出用户的虚拟小区传输节点连接列表，传输节点的负载包括着传输数据量、传输速率和带宽占用情况、用户连接数量等；

步骤3)：控制节点接根据接收到SDN控制器下发的虚拟小区传输节点连接列表，配置列表中的传输节点与用户之间保持连接；

上述是基本的用户接入及虚拟小区中传输节点连接列表建立过程，以用户为中心建立的连接，完全由SDN控制器掌控，当用户移动距离大于阈值a时会循环的进行测量信号强度然后SDN控制器更新用户的虚拟小区传输节点连接列表。

2-2、具体用户面的策略步骤为：

步骤1：用户业务请求上报至SDN控制器，上报请求信息标记了业务对QoS的要求；

步骤2：SDN控制器调取以用户为中心的虚拟小区传输节点连接列表，查询用户所连接传输节点的负载情况；

步骤3：SDN控制器根据虚拟小区传输节点连接列表中传输节点负载是否大于负载的门限值b，若是则进入步骤4，若否则进入步骤5；

步骤4：传输节点只保持与用户的控制信令连接而不需要承载用户的业务数据；

步骤5：SDN控制器将满足负载条件的传输节点加入到虚拟小区的传输节点业务列表中，构建起虚拟小区业务传输节点列表；

步骤6：虚拟小区的控制节点根据虚拟小区业务传输节点列表部署传输节点为用户业务传输数据；

上述是用户有业务请求时，用户面数据的被传输节点承载的策略过程，当用户的业务不断地到达时，循环的进行用户面的策略过程，并不断地更新虚拟小区业务传输节点列表。

有益效果

本发明具有以下优点：

①提出了基于软件定义与虚拟化的超密集网络体系架构，将超密集网络的资源按无线资源、计算资源和存储资源进行划分和存储；

②提出了基于控制平面与用户平面自适应分离的组网策略，全网架构采用云平台实现，控制平台统一调度分配超密集网络中的各种资源；

③使用云管理平台来分配存储、计算及网络等资源，全局监控资源利用情况，根据所需动态地分配网络资源，提升网络建设和运营效率。

附图说明

图1本发明的基于软件定义的超密集无线网络体系结构示意图；

图2本发明的基于软件定义的超密集无线网络体系结构的实现方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图具体说明本发明技术方案。

本发明将基于超密集网络在下一代无线通信网络中的理论和应用研究的需要包括软件定义的体系架构，控制平面和用户平面分离的自适应机制最终形成一个超密集网络的具有理论意义和实际应用价值的体系架构和综合管理系统。

1、基于软件定义的超密集无线网络体系结构

如图1所示为基于软件定义的超密集无线网络体系结构示意图，本发明的无线网络体系结构分为两层，包括：网络接入层和网络控制层。

1-3、本发明所述的网络接入层，包括：

传输节点，只负责用户接入及用户面数据转发，由移动通信中的小基站和WLAN中的AP节点构成，分布在网络的各个空间位置中。

控制节点，只负责对所述传输节点控制面的控制，所述的控制节点是位于虚拟小区之中，仅对传输节点进行集中管控，完成统一的配置协调和作为虚拟连接锚点作用。所述的控制节点需要与虚拟小区中每个所述传输节点之间建立连接，用于配置信息的下发和状态信息的上报。

1-4、所述的网络控制层即为云数据中心，包含：

虚拟网关，是本发明的创新组成部分，主要包含两个功能：所述虚拟网关是所述传输节点和所述控制节点与SDN控制器之间控制消息传输的中间件，负责消息协议格式的转换；所述虚拟网关中承担部分核心网的网关功能，对用户面数据转发至Internet路径的路由管理。

云计算虚拟化资源池，是本发明的创新组成部分，对所述网络接入层网络资源和云数据中心资源的虚拟化处理，将底层可抽象出来的计算资源、通信资源和存储资源抽象成池中可被SDN控制器集中管理的参数。

SDN控制器，是本发明的创新组成部分的，对上述虚拟化资源池的管理和编排，内部分为两个部分：NFV管理和编排系统和网络感知与管理系统。

所述的NFV管理与编排系统中，虚拟网元功能编排是对传统的网元功能进行虚拟化，利用软件定义的方式来添加新的网元功能；虚拟化基础架构管理根据用户的服务需求、网络的状况等属性较为灵活的把所覆盖区域分成若干个虚拟小区；虚拟化平台管理对云计算虚拟化资源池的的各个资源参数进行灵活配置。

所述的网络感知与管理系统中，网络拓扑功能可针对即插即用的传输节点灵活发现拓扑结构，在总体上知悉网络分布状况；网络状态功能是针对不同的传输节点和控制节点监测网络运行状态。移动性管理功能在面对用户移动的过程中合理配置虚拟小区和传输控制节点为用户的业务服务，保证用户实时在线连接网络。安全管理和鉴权功能是为了防止非法用户的接入，在用户首次接入传输节点时，对用户进行鉴权和分配连接的资源优先级。

2、基于软件定义的超密集无线网络体系结构的实现方法

虚拟小区作为控制平面，每个虚拟小区里有一个本地集中控制节点，对该小区的接入节点进行集中管控，完成统一的配置协调和作为虚拟连接锚点。本地集中控制节点作为集中管理节点，需要与每个接入节点之间建立接口，用于配置信息的下发和状态信息的上报。以集中控制节点为中心，集中控制节点对用户的业务请求进行响应，并通过用户终端邻近的接入节点进行传输。

图2为本发明的基于软件定义的超密集无线网络体系结构的实现方法示意图，其具体流程为：

P101：用户对附近传输节点扫描测量附近的无线信号强度并上报传输节点的信号强度至SDN控制器；

P102：SDN控制器根据传输节点信号强度值和传输节点的负载情况构建出用户的虚拟小区传输节点连接列表，传输节点的负载包括着传输数据量、传输速率和带宽占用情况、用户连接数量等；

P103：虚拟小区传输节点列表建立或进行更新；

P104：控制节点接根据接收到SDN控制器下发的虚拟小区传输节点连接列表，配置列表中的传输节点与用户之间保持连接；

P105：用户在移动的过程中，判断当移动的距离大于阈值a时重复对上述虚拟小区传输节点列表进行更新过程；

P106：当用户有业务请求到达时，上报至SDN控制器；

P107：SDN控制器调取以用户为中心的虚拟小区传输节点连接列表，查询用户所连接传输节点的负载情况；

P108：SDN控制器根据虚拟小区传输节点连接列表中传输节点负载是否大于负载的门限值b，若是则进入P109，若否则进入P110；

P109：传输节点只保持与用户的控制信令连接而不需要承载用户的业务数据；

P110：SDN控制器将满足负载条件的传输节点加入到虚拟小区的传输节点业务列表中，构建起虚拟小区业务传输节点列表；

P111：虚拟小区业务传输节点列表由SDN构建，并可进行更新操作；

P112：虚拟小区的控制节点根据虚拟小区业务传输节点列表部署传输节点为用户业务传输数据；

P113:当用户的业务不断地到达时，重复触发更新虚拟小区业务传输节点列表动作。

在上述的控制平面与用户平面的自适应分离策略中，传输节点的控制面策略根据用户的不断移动不断更新传输节点连接列表，而对于用户面的策略，对于不同的业务请求信息和用户所连接的传输节点的负载情况动态建立虚拟小区业务传输节点列表，实现了自适应的分离。