一种基于SDN和SDR的异构网络切换方法与流程

本发明属于通信技术领域，涉及一种异构网络切换方法，具体涉及一种基于SDN和SDR的异构网络切换方法，可用于异构网络中提供可靠的网络切换。

背景技术：

近几年，随着移动通信技术的快速发展，终端设备与应用种类趋于多样化，用户需求自然也呈现出多样性以及时变性，移动数据流量激增，这些需求都推动了下一代通信系统---5G的发展。为了保证大规模的无线覆盖、多样化终端接入以及高速率数据传输，各种不同制式的网络共存构成的异构网络，必然是5G通信系统的发展趋势。

然而传统的众多异构网络间，各种制式的网络架构封闭，相互间不能进行信息交互，难以实现全网的资源调度，因此在异构网络中存在无法快速确定目标切换网络，切换过程中容易出现乒乓效应等问题。同时，不断涌现出的新服务类型，对网络资源的需求也各不相同，在当前僵化的网络架构下，难以针对不同用户的不同需求提供定制化服务。

针对传统异构网络存在的问题，以下两种技术的出现恰好可以在不同层面对上述问题进行改善。一种是由美国斯坦福大学Clean Slate项目组在2008年提出的一种全新的网络架构---软件定义网络SDN，凭借其控制面与数据面相分离、集中化的网络控制、开放的可编程接口特点，可以简化现有僵化的无线网络架构，同时可以实现对全网资源的统一管理，合理的分配无线网络资源，实现全网性能优化。另一种是软件定义无线电SDR的出现，将网络设备软硬件相解耦，利用软件编程的方式来实现基于传统硬件才能实现的功能，其灵活的可编程性为未来5G网络的多样化、定制化服务提供了可能。未来网络将逐渐趋于软件定义化，现已被广泛接受。

异构网络间的切换作为影响异构网络性能的一项重要技术，一直处于发展之中。基于SDN的异构网络切换方法，虽然可以利用SDN控制器，实现全网的统一管理与全网资源调度，但由于目标切换网络结构僵化，无法为用户提供定制化服务，会造成用户再一次触发切换，造成乒乓效应，切换可靠性低。目前基于SDN和SDR的异构网络切换方法，利用SDR的灵活配置特性，可为用户提供满足需求的定制化服务，克服了仅仅基于SDN实现异构网络切换的缺陷。2017年2月作者Kun Wang，Yihui Wang，Deze Zeng和Song Guo在IEEE Wireless Communications上发表的论文“An SDN-Based Architecture for Next-Generation Wireless Networks”中公开了一种异构网络切换方法。SDN控制器收集用户当前移动信息，预测用户的移动路径，从而确定目标网络，并发送通知指令给该目标网络；同时，SDN控制器根据用户当前状态信息提前搜索最优无线资源并下发至目标网络，触发目标网络的回复响应；根据该回复响应，目标网络向源网络发起切换请求，源网络收到请求后释放与用户的连接，完成异构网络间切换。该方法虽然利用了SDN控制器全局视角、统一控制的特点，可以提前为用户实现最优无线资源分配，同时利用SDR的灵活配置性为用户提供服务，但仍存在以下不足：(1)SDN控制器直接对用户信息进行收集、计算，而很多用户在一般条件下并不需要进行切换判决，因此浪费了SDN控制器的存储及计算资源，增大了其负担；(2)SDN控制器在完成切换前将提前搜索到的最优无线资源分配给目标网络，然而用户服务具有多样性和时变性，一旦用户更改了业务需求，那么提前下发的无线资源必然造成了资源浪费；(3)在切换时由目标网络向源网络发起切换请求，一旦用户移动发生变化造成目标网络的更改，则无法实现正确的切换，而此时该方法只能退而按照传统切换方法执行异构网络切换，可靠性得不到保障。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于SDN和SDR的异构网络切换方法，用于解决现有异构网络切换方法中存在的可靠性差和无线资源利用率低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：

(1)设定双重判决阈值，分别为源无线网络软基站的预切换信号强度阈值C₁和决定切换信号强度阈值C₂，且C₁>C₂；

(2)源无线网络软基站对无线终端状态进行实时监控，得到无线终端当前状态信息：反馈信号强度R₁、位置、移动速度、方向、业务请求和用户选择偏好；

(3)源无线网络软基站判断无线终端当前状态信息中的反馈信号强度R₁是否小于预切换信号强度阈值C₁，若是，记录该时刻为预切换时刻T₁，并将无线终端当前状态信息上传至SDN控制器，同时根据无线终端当前状态信息中的位置、移动速度和方向，设定切换时间阈值T；否则，执行步骤(2)；

(4)SDN控制器对无线网络软基站状态进行实时监控，得到无线网络软基站当前状态信息：覆盖范围、类型和持有无线资源；

(5)SDN控制器利用源无线网络软基站上传的无线终端状态信息和无线网络软基站状态信息，对多个目标无线网络软基站进行预测，得到最优目标无线网络软基站，并根据无线终端状态信息中的业务请求，对异构网络无线资源进行调度，得到最优目标无线网络软基站的预分配无线资源和预分配无线资源参数，再将预分配无线资源参数与无线终端状态信息一同下发至最优目标无线网络软基站；

(6)源无线网络软基站对无线终端状态进行更新，得到无线终端更新状态信息，包括当前时刻T₂、反馈信号强度R₂、位置、移动速度、方向、业务请求和用户选择偏好，并判断当前时间间隔T₂-T₁是否大于切换时间阈值T，若是，将无线终端更新状态信息上传至SDN控制器并更新切换时间阈值T及预切换时刻T₁，执行步骤(7)；否则，执行步骤(8)；

(7)SDN控制器对无线网络软基站状态信息进行更新，得到无线网络软基站更新状态信息，并执行步骤(5)；

(8)源无线网络软基站判断得到的无线终端更新状态信息中的反馈信号强度R₂是否小于决定切换信号强度阈值C₂，若是，执行步骤(9)；否则，执行步骤(6)；

(9)源无线网络软基站判断得到的无线终端更新状态信息中的业务请求较无线终端当前状态信息中的业务请求是否发生变化，若是，生成切换信令1并上传至SDN控制器，执行步骤(10)；否则，生成切换信令2并上传至SDN控制器，执行步骤(11)；

(10)SDN控制器回收预分配无线资源，生成自适应切换信令，并下发至最优目标无线网络软基站；最优目标无线网络软基站根据收到的自适应切换信令，利用持有无线资源，对网络参数进行自适应调整，以实现最大程度满足无线终端业务请求；

(11)SDN控制器将预分配无线资源下发至最优目标无线网络软基站，最优目标无线网络软基站根据步骤(5)得到的预分配无线资源参数，对当前网络参数进行调整，以实现即时适应无线终端业务请求；

(12)SDN控制器下发流表，为无线终端开启与最优目标无线网络软基站的链路连接，同时断开与源无线网络软基站的链路连接，实现异构网络的切换。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明由于在实现异构网络切换的过程中，采用双重判决，源无线网络软基站经过预判决后仅将具备切换条件的无线终端状态信息上传至SDN控制器，降低了SDN控制器的计算量且节约其存储资源；同时，在预判决后进行二次判决时再一次对无线终端的业务请求进行判断，在业务请求临时发生变化的情况下，SDN控制器可回收预分配无线资源，避免了无线资源浪费，提升了异构网络无线资源利用率。

2、本发明中由于在预判决后实现二次判决时，设定了切换时间阈值T，源无线网络软基站可以及时发现无线终端的状态变化，从而为无线终端重新确定最优目标无线网络软基站，且利用SDR的灵活配置特性，最优目标无线网络软基站能快速、准确的更改无线资源参数，更大程度上满足了无线终端需求，从而减少了切换次数，避免了乒乓效应的产生，提高了异构网络切换的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例的异构网络架构结构示意图；

图2为本发明异构网络切换的实现流程框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。

参照图1，基于SDN和SDR的异构网络架构，包括SDN控制器、无线网络软基站和无线终端，其中：

SDN控制器，用于与各无线网络软基站控制面相连接，确定最优目标无线网络，掌控全网资源调度。

无线网络软基站，是基于软件定义无线电技术开发的服从通信标准的各种无线网络基站，用于与SDN控制器及无线终端进行信息交互，包括基带处理单元、软件无线电平台和虚拟交换机OVS，其中基带处理单元，是部署于计算机上的利用软件实现的各种基带处理功能模块，用于完成信号的编解码和调制解调等过程；软件无线电平台用于完成信号的数字上下变频、抽样和内插等过程，并将处理过的信号通过射频天线发送到无线网络中；虚拟交换机OVS用于无线网络软基站与SDN控制器满足OpenFlow协议进行通信。

无线终端，用于接收由无线网络软基站下发的数据，并将其状态信息反馈至无线网络软基站。

SDN控制器与无线网络软基站之间通过互联网相连，利用虚拟交换机OVS进行信息交互；无线网络软基站与无线终端之间通过无线链路进行通信。

基于SDN和SDR的异构网络架构，包括至少一个源无线网络软基站和至少一个目标无线网络软基站，其中，源无线网络软基站和目标无线网络软基站可对应为各种无线制式网络基站，本实例以目前最为常用的WiFi与LTE网络，分别作为源无线网络软基站和目标无线网络软基站，简称为WiFi网络软AP与LTE网络软基站，用于说明无线终端由WiFi网络至LTE网络的切换过程。

参照图2，一种基于SDN和SDR的异构网络切换方法，包括如下步骤：

步骤1：设定双重判决阈值，分别为WiFi网络软AP的预切换信号强度阈值C₁和决定切换信号强度阈值C₂，且C₁>C₂；不同的信号强度阈值可以确定WiFi网络软AP不同大小的覆盖范围；

步骤2：WiFi网络软AP对无线终端状态进行实时监控，得到无线终端当前状态信息：反馈信号强度R₁、位置、移动速度、方向、业务请求和用户选择偏好；

步骤3：WiFi网络软AP判断无线终端当前状态信息中的反馈信号强度R₁是否小于预切换信号强度阈值C₁，若是，记录该时刻为预切换时刻T₁，并将无线终端当前状态信息上传至SDN控制器，同时根据无线终端当前状态信息中的位置、移动速度和方向，预测出无线终端到达WiFi网络软AP以决定切换信号强度阈值C₂确定的覆盖范围边界的最大时间，将该最大时间设为切换时间阈值T；否则，执行步骤2；

其中，根据无线终端当前状态信息中的反馈信号强度大小，进行预判决，可以筛选出具备切换条件的无线终端，即SDN控制器仅需要对具备切换条件的无线终端状态信息进行处理，降低了SDN控制器的计算量且节约其存储资源；

步骤4：SDN控制器对异构网络中所有无线网络软基站状态进行实时监控，得到无线网络软基站当前状态信息：覆盖范围、类型和持有无线资源；

步骤5：SDN控制器根据WiFi网络软AP上传的无线终端当前状态信息中的位置、移动速度和方向，对无线终端即将进入的目标无线网络软基站位置进行预测，同时根据无线终端当前状态信息中的业务请求及用户偏好，对目标无线网络软基站类型进行预测，联合得到最优目标无线网络软基站，本实例中最优目标无线网络软基站为LTE网络软基站；并根据无线终端状态信息中的业务请求，对异构网络无线资源进行调度，得到LTE网络软基站的预分配无线资源和预分配无线资源参数，再将预分配无线资源参数与无线终端状态信息一同下发至LTE网络软基站；

由于无线终端与无线网络软基站的状态信息均在实时更新，因此SDN控制器在进行最优目标无线网络软基站的确定时，始终以SDN控制器中最新上传或更新的无线终端与无线网络软基站的状态信息为准，即在本实例中，经预判决后SDN控制器利用无线终端与WiFi网络软AP的当前状态信息，对最优目标无线网络软基站进行确定，而在进入二次判决前若时间间隔T₂-T₁大于切换时间阈值T，则利用无线终端与WiFi网络软AP的更新状态信息，对最优目标无线网络软基站进行重新确定；

其中，SDN控制器对最优目标无线网络软基站的确定，可根据不同需求采用不同信息加以预测，本实例采用了无线终端状态信息中的移动性信息和业务请求进行联合预测，旨在满足无线终端在目标无线网络覆盖范围下的业务请求；

步骤6：WiFi网络软AP对无线终端状态进行持续更新，得到无线终端更新状态信息，包括当前时刻T₂、反馈信号强度R₂、位置、移动速度、方向、业务请求和用户选择偏好，并判断当前时间间隔T₂-T₁是否大于切换时间阈值T，若是，将无线终端更新状态信息上传至SDN控制器并更新切换时间阈值T及预切换时刻T₁，执行步骤7；否则，执行步骤8；

其中，WiFi网络软AP根据无线终端更新状态信息中的位置、移动速度和方向，预测无线终端到达WiFi网络软AP以决定切换信号强度阈值C₂确定的覆盖范围边界的最大时间，将该最大时间更新为T；WiFi网络软AP将当前时刻T₂赋予预切换时刻T₁，更新为预切换时刻T₁；

通过将当前时间间隔T₂-T₁与切换时间阈值T进行比较，实现了对无线终端是否进入二次判决的预先判断，保证了对无线终端移动目标发生变化的及时感知，从而可以重新为无线终端确定最优目标无线网络软基站，进而保证了异构网络切换的可靠性；

步骤7：SDN控制器对异构网络中所有无线网络软基站状态信息进行更新，得到无线网络软基站更新状态信息，并执行步骤5；

步骤8：WiFi网络软AP进行预判决后的二次判决，判断得到的无线终端更新状态信息中的反馈信号强度R₂是否小于决定切换信号强度阈值C₂，若是，执行步骤9；否则，执行步骤6；

步骤9：WiFi网络软AP判断得到的无线终端更新状态信息中的业务请求较无线终端当前状态信息中的业务请求是否发生变化，若是，生成切换信令1并上传至SDN控制器，执行步骤10；否则，生成切换信令2并上传至SDN控制器，执行步骤11；

步骤10：SDN控制器回收预分配无线资源，生成自适应切换信令，并下发至LTE网络软基站；LTE网络软基站根据收到的自适应切换信令，利用持有无线资源，对网络参数进行自适应调整，以实现最大程度满足无线终端业务请求；

步骤11：SDN控制器将预分配无线资源下发至LTE网络软基站，LTE网络软基站根据步骤5得到的预分配无线资源参数，对当前无线资源参数进行调整，以实现即时适应无线终端业务请求；

由于在预切换后进行了二次判决，且在二次判决中再一次对无线终端的业务请求进行判断，根据业务请求是否临时发生变化的不同情况下，SDN控制器可选择回收或下发预分配无线资源，避免了无线资源浪费，提升了异构网络无线资源利用率；

步骤12：SDN控制器下发流表，为无线终端开启与LTE网络软基站的链路连接，同时断开与WiFi网络软AP的链路连接，实现异构网络的切换。