一种5G网络中基于MEC辅助的数据分流方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种5G网络中基于MEC辅助的数据分流方法。

背景技术：

移动互联网和物联网的快速发展以及各种新型业务的不断涌现，预计到2020年将带来1000倍的数据流量增长以及超过500亿量级的终端设备连接。移动边缘计算(Mobile Edge Computing，MEC)是未来5G移动通信系统提升服务能力的重要技术手段之一。不同于其它技术，MEC可以深度融合到移动通信架构中，更能保证用户服务质量(Quality of Service，QoS)和服务体验(Quality of Experience，QoE)。MEC可以视为传统云数据中心的一种补充资源，在无线接入网(Radio Access Network，RAN)侧部署通用服务器，为RAN提供IT和云计算的能力，从而使得传统无线接入网具备了业务本地化、近距离部署的条件。由于信息传输只有一跳，具备提供低时延、高带宽的传输能力，可有效缓解未来移动网络对于传输带宽以及时延的要求。通过将计算能力下沉到移动边缘节点，提供第三方应用集成，为移动边缘入口的服务创新提供了无限可能。同时，业务面下沉及本地化部署可有效降低网络负荷以及对网络回传带宽的需求，从而实现缩减网络运营成本的目的。

5G通信系统的切换过程一般分为三个过程：切换准备阶段，切换执行阶段，切换完成阶段。切换准备阶段：源基站(gNB)根据用户的漫游和接入权限信息给用户设备(User Equipment，UE)配置测量进程，UE根据源gNB的配置信息测量小区的多个波束的功率值，然后把测量结果上报给源gNB。源gNB给用户配置个最佳波束。滤波发生在两个层次上：物理层获得波束质量，RRC层获得小区质量。源gNB根据用户上报的信息和无限资源管理(Radio Resource Management，RRM)信息做出切换决定，通过Xn接口向目标gNB发送切换请求，目标gNB决策并反馈给源gNB。切换执行阶段：用户同步到目标gNB，源gNB把用户的数据转发到目标gNB。切换完成阶段：数据路径从源gNB切换到目标gNB，源gNB释放用户上下文，完成切换。

现有技术至少存在如下技术问题：1)传统切换方案中切换请求会因目标gNB无法满足UE的QoS需求或资源不足而被拒绝，导致切换失败率增加；2)传统的任务卸载和数据分流方案，相对独立，没有融入到UE的切换过程中，无法保证UE切换过程中任务卸载和数据分流的平滑过渡。因此，针对以上问题本发明提出了一种5G网络中基于MEC辅助的数据分流方法，减小切换失败率，实现任务卸载和数据分流的平滑过渡，降低数据传输时延。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种5G网络中基于MEC辅助的数据分流方法，1)切换执行之前，MEC收集UE和gNB状态信息，在切换准备阶段辅助选择目标gNB，减小切换失败率。2)综合UE任务卸载数据分流决策信息、MEC任务卸载数据分流决策信息以及gNB当前状态信息做出最终决策，减小切换失败率，降低数据传输时延。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种5G网络中基于移动边缘计算(Mobile Edge Computing，MEC)辅助的数据分流方法，该方法根据所提网络场景的特性，在切换执行之前，MEC收集用户设备(User Equipment，UE)和源gNB状态信息，在切换准备阶段辅助选择目标gNB，以减小切换失败率；综合UE、MEC和gNB任务卸载以及数据分流决策信息，以减小切换失败率，降低数据传输时延，具体包括以下步骤；

S1：切换执行之前收集网络状态信息；

S2：切换准备阶段辅助选择目标gNB；

S3：生成任务卸载和数据分流决策信息；

S4：完成数据路径切换。

进一步，在步骤S1中，所述MEC和多个gNB形成一个网络簇，MEC作为簇头周期性收集UE和gNB的状态信息，掌握簇内基站和用户的全局信息。

进一步，在步骤S2中，所述源gNB给UE配置测量进程，UE进行测量并得出小区质量；UE把测量报告和任务卸载数据分流决策信息上报给源gNB；源gNB做出切换决定，并和MEC交互，源gNB根据MEC提供的候选基站状态信息按照成功接入率降序排列候选基站列表。

进一步，在步骤S3中，所述MEC结合自身的计算资源、预缓存数据更新来自UE侧的任务卸载和数据分流决策信息，并把该信息反馈给目标gNB。

进一步，在步骤S4中，所述目标gNB综合信道质量、用户安全性问题、用户移动性参数生成最终任务卸载和数据分流决策信息，并将该决策信息融入到路径切换请求命令中发送给核心网，核心网在切换完成阶段完成UE的任务卸载和数据分流。

进一步，所述任务卸载分为以下三种方式：1)无需卸载，即整个计算在UE本地完成；2)部分卸载：部分计算在UE处理，其余部分卸载到MEC处理；3)完全卸载：整个计算卸载到MEC处理；应用类型按照以下三种标准来分类：1)应用程序可卸载性；2)待处理数据量；3)卸载部分的依赖性。

进一步，所述应用程序的代码或数据能分割和并行处理，分为两种类型：可完全卸载和可部分卸载；可完全卸载型，即应用可以分为N个可卸载部分；可部分卸载型，即应用由N个不可卸载部分和M个可卸载部分组成。

进一步，所述待处理数据量根据是否预先知道待处理数据量，分为两种类型：应用可预知和不可预知。

进一步，所述卸载部分的依赖性分为应用程序的各个部分可能独立或相互依赖；前者，所有部分同时并行卸载；后者，应用程序一部分依赖于另一部分作为输入，不可并行卸载。

进一步，所述数据分流分为以下四种方式：

1)若MEC已缓存该数据，则MEC立即响应用户，为用户提供服务；

2)若MEC没有缓存该数据，则查询用户的请求是否属于本地网络；若请求属于本地网络，用户通过MEC直接访问本地网络，数据业务无需经过核心网，直接由MEC平台分流至本地网络；

3)若用户请求不属于本地网络，查询MEC是否和用户所请求业务的服务方联通；

4)若以上都不满足，用户的请求将被转发至核心网。

本发明的有益效果在于：本发明把任务卸载和数据分流融入到用户切换过程中，实现了任务卸载和数据分流的平滑过渡，降低了传输时延和切换失败率。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为系统架构图；

图2为系统网元图；

图3为UE内部功能装置图；

图4为MEC内部功能装置图；

图5为5G网络中基于MEC辅助的数据分流方案信令流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

参见图1，图1为系统架构图。基于MEC服务器的基站之间的切换系统网络架构，基于3GPP设计标准组网架构包括：RAN侧由三个gNB基站和用户设备构成，gNB之间通过Xn接口连接。MEC服务器部署在基站侧，作为三个gNB的汇聚节点，通过接口连接基站和核心网网元。UE从一个基站覆盖范围移动到另外一个基站覆盖范围，在两个gNB重叠区域发生切换。核心网部分主要包括AMF、SMF、网络暴露功能体(Network Exposure Function，NEF)、策略控制功能体(Policy Control Function，PCF)。MEC与UPF负责数据平面IP数据包传输。

组网架构主要优势：1)利用MEC辅助切换准备阶段目标gNB的选择，提高切换成功率。2)利用MEC强大的计算能力，支持UE复杂计算任务卸载到MEC处理(如：AR、VR业务)，减小UE的计算量，降低能耗，延长电池寿命。3)部署MEC服务器支持数据分流，可以提供本地服，减小核心网的拥堵，降低用户时延，提升网络性能和用户体验，提供更加接近无缝连接的服务体验。

参见图2，图2为系统网元图。如图2所示，系统网元21是用户设备、22是gNB接入点，23是MEC服务器模块，gNB与MEC服务器之间使用光纤连接，231是任务卸载数据分流模块，232是辅助基站选择模块，233是热门数据缓存模块。核心网主要模块包括AMF、SMF、UPF，所述核心网模块之间通过N11接口进行连接。接口N2支持gNB与AMF控制平面信令消息传输，MEC平台与核心网之间信息交互通过NEF完成，接口N3用于用户平面数据的传输，SMF网元与用户面功能通过N4接口连接。用户设备可以直接与基站连接再到核心网不受MEC平台影响；用户设备也可以连接到基站，再连接MEC平台和UPF构成的数据网络DN。

从用户角度来看，把复杂的计算任务卸载到MEC可以节省能量，加速计算过程。任务卸载的关键部分是决定任务是否能够卸载，以及卸载的任务量和卸载类型。分为以下几种情况：

1)无需卸载，即整个计算在UE本地完成。例如，由于MEC计算资源不够用或任务太过简单，卸载任务传输能耗或时延大于本地计算能耗或时延。

2)部分卸载：部分计算在UE处理，其余部分卸载到MEC处理。

3)完全卸载：整个计算卸载到MEC处理。例如，AR、VR业务。

任务卸载是一个非常复杂的过程，受到用户偏好、无线链路质量、UE处理能力、MEC处理能力以及MEC计算资源等因素的影响。另一个重要方面是应用类型，它决定了任务卸载是否适用，以及任务卸载类型和方式。可以按照以下几个标准来分类：

应用程序可卸载性。应用程序代码或数据可以分割和并行处理，可以分为两种类型：第一种类型的应用可以分为N个可卸载部分，所有这些部分都可以卸载。由于每个可卸载部分的数据量和所需计算可能不同，因此有必要决定哪些部分应该卸载到MEC。在极端的情况下，UE不处理任务数据，任务完全卸载到MEC；第二种类型的应用是由N个不可卸载的部分(例如，用户输入、摄像机或需要在UE处执行的获取位置信息)和M个可卸载部分组成。

待处理数据量。可根据是否预先知道待处理数据量，分为两种类型：第一种类型的应用可预知要处理的数据量(例如，人脸识别)；第二种类型的应用，无法估计要处理的数据量，因为连续执行的应用程序，无法预测它们的运行时间(例如，在线交互式游戏)。

卸载部分的依赖性。任务卸载的最后一个标准是要处理各个部分的相互依赖性。应用程序的各个部分可能相互独立或相互依赖。在前一种情况下，所有部分可以同时卸载并行处理。然而，在后一种情况下，应用程序的一部分依赖于另一部分作为输入，并行卸载不适用。

利用MEC进行数据分流不仅可以降低核心网的承载量，同时本地业务的近距离部署也可降低业务访问时延，减小回传带宽消耗，提升用户体验。具体任务卸载规则如下：

1)用户发起请求，如果MEC已缓存该数据，则MEC立即响应用户，为用户提供服务；

2)如果MEC没有缓存该数据，查询用户的请求是否属于本地网络。MEC具备本地网络IP地址查询功能。例如，UE通过URL(www.LocalInternet.com)访问本地网络时，会触发MEC平台进行查询，查询www.LocalInternet.com对应服务器的IP地址，如果请求属于本地网络，用户可以通过MEC直接访问本地网络，数据业务无需经过核心网，直接由MEC平台分流至本地网络。

3)如果用户的请求不属于本地网络，查询MEC是否和用户所请求业务的服务方联通。在欧洲电信标准化协会(European Telecommunications Standards Institute，ETSI)的MEC规范中，MEC可以开放给第三方开发者，提供第三方应用集成。例如，企业可以部署专用的MEC服务器，企业认证用户数据业务无需经过核心网，可以通过MEC直接访问企业网络。

4)如果以上都不满足，用户的请求将被转发至核心网。

参见图3，图3为UE实现任务卸载数据分流决策的内部模块，本实例包括：

图3中31为接收模块。主要用来接收来自gNB的信息。例如，切换准备过程中来自源gNB的测量配置信息，切换执行阶段来自源gNB的Handover Command消息。

图3中32为任务卸载和数据分流模块。其中，321为UE数据分析单元，用来分析应用程序代码和数据，决定如何分割。分析各部分的数据量和计算量、依赖关系以及应用程序对时延和能耗的需求。322为UE系统监控单元，用来监控UE的处理能力、无线链路质量、可用带宽、移动速率等。323为UE决策单元，决定任务是否能够卸载，以及卸载的任务量和卸载类型。

图3中3为发送模块。用来向gNB发送切换准备阶段的测量报告，以及UE端卸载和分流决策信息。

参见图4，图4为MEC内部功能组成模块，本实例包括：

MEC装置总体分为三层：MEC物理设备层、应用平台管理层、应用层。

图4中41为接收模块，45为发送模块。

图4中42为卸载和分流模块。其中，421为UE任务卸载数据分流决策信息的获取单元。422为MEC系统监控单元，用来监控MEC的处理能力、热门内容预缓存状态、无线链路质量、可用带宽等。423为决策单元，MEC结合自身状态信息更新来自UE侧的任务卸载数据分流决策信息。

图4中43为辅助基站选择模块。其中，431为网络全局信息获取单元，用于获取切换开始之前UE和gNB周期性向MEC上报的状态信息以及切换过程中源gNB向MEC提供的目标gNB候选列表。432为分析处理单元，用于分析源gNB提供的候选目标基站的状态信息。源gNB和MEC交互，MEC向源gNB提供候选列表基站的详细状态信息。源gNB将候选基站列表按成功接入率降序排列。

图4中44为热门数据缓存模块。其中441为网络信息获取单元，获取当前网络的全局信息。442为缓存决策单元，根据当前网络的全局信息，决定预缓存内容和数据量，做出缓存决定。443为数据缓存单元，根据缓存决策信息，从Internet缓存热门内容。

参见图5，图5为5G网络中基于MEC辅助的数据分流方案信令流程图，本实例包括：

步骤501、UE周期性向gNB汇报状态信息；

步骤502、源gNB把UE状态信息和自身状态信息转发给MEC；

步骤503、源gNB内的UE上下文，包括在连接建立时或在最后TA更新时提供的漫游和接入限制信息；

步骤504、源gNB对UE进行测量配置，UE根据配置信息进行测量，并将测量报告、卸载分流决策信息发送给源gNB；

步骤505、源gNB基于测量报告信息和RRM信息做出切换决定；

步骤506、源gNB把目标基站候选列表发送给MEC；

步骤507、MEC根据预先收集的网络全局信息分析源gNB提供候选目标基站状态信息；

步骤508、MEC向源gNB反馈候选基站的状态信息；

步骤509、源gNB根据MEC提供的候选基站状态信息按照成功接入率降序排列候选基站列表，并向接入成功率最高的基站发送切换请求信息；

步骤510、目标gNB执行接入控制；

步骤511、目标gNB将切换请求确认信息反馈给源gNB；

步骤512、源gNB把UE侧任务卸载数据分流决策信息发送给MEC；

步骤513、MEC结合自身的计算资源、预缓存数据等参数更新来自UE侧的任务卸载数据分流决策信息；

步骤514、MEC把任务卸载和数据分流决策信息发送给目标gNB；

步骤515、源gNB触发Uu切换，并向UE发送Handover Command消息；

步骤516、源gNB将SN STATUS TRANSFER消息发送给目标gNB；

步骤517、目标gNB综合无限连路质量、用户安全性、用户移动性等参数产生最终任务卸载数据分流决策信息；

步骤518、UE同步到目标gNB并完成RRC切换过程；

步骤519、目标gNB向AMF发送路径切换请求信息，该信息包括最终任务卸数据分流决策信息，触发核心网的下行数据路径转换；

步骤520、核心网把下行数据切换到目标gNB并进行任务卸载和数据分流；

步骤521、AMF向目标gNB发送路径切换确认信息；

步骤520、源gNB释放UE的上下文。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。