无线接入网络中主动式拥塞检测的系统和方法
【专利说明】无线接入网络中主动式拥塞检测的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2013年11月6日提交的申请号为61/900,812、发明名称为“无线接入网络中主动式拥塞检测的系统和方法”的美国临时专利申请的权益，以及于2014年10月16日提交的申请号为14/516,459、发明名称为“无线接入网络中主动式拥塞检测的系统和方法”的美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合于此，就如同将其内容全文复制在此一样。
技术领域
[0003]本发明涉及无线通信的系统和方法，并且在具体实施例中，涉及无线接入网络中主动式拥塞检测的系统和方法。
【背景技术】
[0004]包括第五代(5G)移动无线网络的未来无线网络中，无线接入点的密度会比当今网络的密度大很多。在该场景下，干扰管理在改善网络性能方面起着重要的作用。其中一个干扰管理技术为多节点协调，其调节多个无线节点的传输参数，例如波束成形向量的发送功率。另一方面，多无线节点的协调需要相当多的计算资源以及信令消息交换。因此，实际5G网络中需要在维持高性能的同时减少协调工作量。
[0005]多节点协调用于两个目的:(I)减轻一些无线节点上的拥塞(2)在负载较轻的无线节点中减少系统资源使用(能量和频谱)。第一场景的持续时间可能在几百毫秒的量级，但却可以足够长，导致重要视频帧的丢失和/或延迟，这会显著降低用户体验的视频服务的体验质量(QoE)。另外可能的情形是，由于用户移动和/或无线信道的深度衰落导致在几秒的较长时间尺度上发生拥塞。每个场景通常需要不同的解决方案。
【发明内容】
[0006]在一个实施例中，提供了一种在网络组件中抑制网络中无线节点上发生拥塞的方法，包括:网络组件根据网络中可用资源确定拥塞警报阈值，拥塞警报阈值包括入口服务器的输入数据速率阈值；以及网络组件向入口服务器发送拥塞警报阈值，入口服务器用于当输入数据速率超过拥塞警报阈值时，向网络组件发送拥塞警报。
[0007]在一个实施例中，提供了一种配置成主动式抑制网络中无线节点上发生拥塞的网络组件，包括:处理器;接收器;发送器；以及存储用于处理器执行的程序的计算机可读存储介质，程序包括指令，用于:根据网络中可用资源确定拥塞警报阈值，拥塞警报阈值包括入口服务器的输入数据速率阈值；以及使得发送器向入口服务器发送拥塞警报阈值，其中入口服务器用于当输入数据速率超过拥塞警报阈值时，向网络组件发送拥塞警报。
[0008]在一个实施例中，提供了一种网络组件中生成潜在拥塞报警的方法，包括:从主动式拥塞检测服务器接收拥塞阈值;监控输入流量的数据速率；当数据速率超过拥塞阈值时，生成潜在拥塞报警；以及向主动式拥塞检测服务器发送潜在拥塞报警。
【附图说明】
[0009]为了更全面地理解本发明及其优点，现在参考下面结合附图的说明，附图中:
[0010]图1为在SDN网络中主动式拥塞检测(ProactiveCongest1n Detect1n，PCD)的系统的实施例的框图；
[0011]图2为入口服务器的实施例的框图；
[0012]图3为在PCD服务器中确定拥塞警报阈值的方法的实施例的流程图；
[0013]图4为确定拥塞警报的方法的实施例的流程图；
[0014]图5为响应拥塞警报改变通过网络的流量流(trafficflow)的方法的实施例的流程图；以及
[0015]图6为可用于实现本文公开的设备和方法的处理系统的框图。
【具体实施方式】
[0016]下面将更详细地讨论当前优选实施例的实现和运用。然而，应理解，本发明提供了可以体现在多种具体环境中的许多可应用的发明构思。所讨论的具体实施例仅仅说明了实现和运用本发明的特定方式，并不限制本发明的范围。
[0017]拥塞检测区域中大多数工作依赖于TCP以及变体的用户确认，其中拥塞是事后检测到的。TCP端主机(例如，UE侧)监控延迟和包丢失。这检测了在网络中某处已经发生的拥塞。从根本上说，如果发送者在称作往返时间(RTT)的某个窗口之后没有接收到终端用户设备的确认消息，则检测到拥塞。该方法有一些主要的问题。首先，如果上行链路上存在传输错误或拥塞，则下行链路上可能错误地检测拥塞。其次，无线节点上传输错误导致的包丢失也可导致不正确的拥塞检测。
[0018]基于接收器的拥塞检测的替代方案是检测网络路由节点的缓冲器状态。如果缓冲器中的包被延迟超过一定阈值，路由器可规律地检查缓冲器状态并声明拥塞。
[0019]最近，软件定义网络(SDN)中已经引入了拥塞控制框架。在该框架中，SDN控制器可收集网络中节点的流量信息并相应地调节TCP参数。该方法试图在其已经发生后减少拥塞。
[0020]本文公开了用于在拥塞发生之前主动式检测无线节点上即将发生的拥塞、潜在拥塞或未来拥塞以及改变网络参数以便实质上减少或减轻网络拥塞的不利作用的架构、系统和方法。
[0021]实施例提供了用于在其发生之前检测无线节点上拥塞的架构和方法论。在实施例中，该方法可被称为主动式拥塞检测(PCD)，并可并入在软件定义无线接入网络-无线控制(SDRAN-RC)框架。这种P⑶技术也可用于防止时域或地域中的拥塞。
[0022]不同类型的流量，拥塞可以不同。例如，实时语音/音频具有恒定的速率，当向网络的输入速率大于输出速率时，拥塞发生，导致丢包率大于一个阈值。然而，对于用户终端处具有较大缓冲(几秒)的非实时语音和音频，输出速率的波动会很显著。但是只要在一定时间窗口上(几秒)维持平均输出速率，即使当非瞬时速率高于阈值时，也不会触发拥塞报警。当在延迟限制内没有传送包时，流可被视为拥塞的。
[0023]在一个实施例中，该方法通过监控短期和中期输入速率、流量工程(TE)速率分配、无线节点能力和无线链路的频谱效率或这些因素的子集，在其发生之前检测拥塞。虽然实施例针对无线节点描述了该方法，相同的原理可适用于任何类型的网络节点。在一个实施例中，使得无线节点协调器具有足够的时间提前优化无线节点的传输参数。因此，可在拥塞发生前进行避免。
[0024]使用集中式流量工程优化器的速率分配，连同无线资源信息以及最新的输入速率监控，从而预测无线节点上可能的拥塞。由于拥塞可以被事先预测，实施例可显著提高类似视频等延迟敏感性服务的体验质量。实施例可以在SDN路由器和网络控制器等网络服务中得以实现。
[0025]实施例能够实现例如实时视频会议等高质量实时通信服务。对于实时视频流量，峰均比可高达20。高峰值速率可导致短期拥塞。峰值速率通常与重要的视频帧相关联，其含有解码其他视频帧的更多信息。如果重要的视频帧丢失，则从属帧不能被正确解码，整个视频帧可能丢失或解码的质量差。因此，尽可能早地预测无线节点上的短期拥塞，尤其对于实时视频流是有益的。
[0026]关于PCD服务器功能，实施例收集例如每个流的速率分配等的流量工程信息，并监控无线节点上的资源使用。监控到流的输入速率:短期(约100ms)和中期(约500ms)。实施例从入口服务器和/或其他网络路由器收集并处理拥塞报警(也称为拥塞警报，潜在拥塞警报和潜在拥塞报警)。计算每个流的速率阈值，从而一旦输入速率大于该阈值时，入口服务器发送拥塞报警。根据该信息，实施例决定无线节点上是否会发生拥塞。
[0027]关于拥塞检测方法论，每次流量工程(TE)优化器做出决定，P⑶服务器会基于TE的速率分配、用户无线链路的频谱效率以及无线节点的整个带宽为每个流计算拥塞报警的阈值，并将其发送到入□路由器上的流监控器。当输入速率大于该阈值时，流监控器向PCD月艮务器发送报警。PCD服务器让监控流向相同无线节点上的流的其他流监控器上报当前流(flow)数据速率。根据最新的速率报告，PCD服务器计算所需要的带宽。基于所需要的带宽和可用带宽，可声明拥塞的条件。
[0028]图1为在SDN网络中主动式拥塞检测(P⑶)的系统100的实施例的框图。系统100包括控制面102和数据面104。控制面102包括网络控制器118、流量工程优化器120、P⑶服务器122和无线节点协调器124。数据面104包括有线网络106和无线网络108。有线网络106包括入口服务器114(也称为入口路由器)以及多个核心路由器116。无线网络126包括多个无线节点126(标记为RN1、RN2和RN3)。系统100也包括流量源110、112和用户设备(UE)128。
[0029]在一个实施例中，测量例如尽可能靠近流量源110和112的入口服务器114、核心路由器116等无线节点上流的瞬时数据速率。无论何时流的数据速率超过阈值，采取测量的节点向PCD服务器122发送拥塞报警消息。每个流的阈值设定为分配给该流的端到端带宽的函数。注意，在一个实施例中，流量工程优化器120设定每个流的端到端带宽。