CN104168617A - 一种用于5g蜂窝网络中多rat选择/切换的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种5G蜂窝网络系统中，实现多无线接入技术的选择/切换方法，涉及蜂窝网络中多无线接入技术的选择。该方法主要包括：发生特定触发事件，触发RAT选择；UE通过本地ANDSF单元收集候选AP或(H)eNB负载信息；UE检查候选AP或(H)eNB的RSS值并更新其移动行为信息；根据RAT选择算法，UE评估可用RAT的合适度，执行准入控制或者切换过程；如果切换成功，结束本次准入控制或者切换过程；如果切换失败，选择合适列表中的第二个AP。本发明所提供的基于模糊逻辑的多RAT选择/切换方法可以提高上下行链路的平均吞吐量、平均时延，同时减少切换次数。

Description

一种用于5G蜂窝网络中多RAT选择/切换的方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域。具体地，涉及蜂窝网络中多无线接入技术的选择。
背景技术
在全球范围内， 第三代 (3G) 移动服务已推出多年。2013年底，工信部向中国移动、中国电信和中国联通颁发“LTE/第四代数字蜂窝移动通信业务（TD-LTE）”经营许可。 2012年底，欧盟推出全球首个大规模国际性5G（第五代移动通信）科研项目METIS(构建2020年信息社会的无线通信关键技术)；2013年初，我国工信部、发改委、科技部共同支持成立IMT-2020（5G）推进组。IMT-2020（5G）推进组关注的主要目标包括：（1）1000倍的流量增长，单位面积吞吐量显著提升；（2）100倍连接器件数目；（3）10Gbps峰值速率；（4）10Mbps的可获得速率和100Mbps的速率能力；（5）更小的时延和更高的可靠性；（6）更高的频谱效率；（7）能耗效率明显提升。特别地，IMT-2020（5G）推进组关注整个系统架构的演进，以简化、协同异构网络并提供协同优化，而5G网络一般涉及无线接入技术和接入网络架构、核心网络架构。
5G蜂窝网络将基于现有网络体系架构继续演进，进行扁平化扩展与增强。5G蜂窝网络的规划动机：通过密集部署、协同融合不同覆盖范围的蜂窝网以提升网络容量、接入传输速率，从而提高单位面积频谱效率和服务质量QoS。
如图1所示，5G蜂窝网络由三个域组成：核心网络 (CN)、接入网络（RAN）和用户设备 (UE)。对于核心网，有：a）信令面融合，即利用信息技术IT虚拟化技术，将移动核心网设备迁移到标准化的高性能服务器。业务功能被虚拟化为“控制”和“转发”两种能力，可按需灵活部署和实例化；b）用户面解耦，即实现核心网用户面网关的控制与转发分离；集中控制器实现拓扑感知、路由决策和协议等功能，基于专用硬件的转发设备硬件实现数据高速转发。对于接入网，有：a）集中式接入网（C-RAN），即基站简化为射频拉远单元RRU，基带处理集中在基带池，基带处理云化；b）扁平化接入网，即基站进一步增强，核心网用户面功能下沉至基站。
5G蜂窝网络以异构的方式整合宏蜂窝（macro cell）、微微蜂窝（pico cell）、毫微微蜂窝（femto cell）和中继基站，整个网络能够灵活、低成本部署且为用户提供宽带接入，从而提升单位面积的频谱效率。另一方面，通过部署随机异构网络，可达到提升网络容量和覆盖范围的目的。
5G蜂窝网络必然是一个超密集分布的网络。Macro cell作为网络的重要基石，pico cell、femto cell和中继（Relay）等低功率基站则用来消除只有macro cell时的覆盖盲区、提升热点下的网络容量。小蜂窝用户设备 控制面（C-plane）由低频段宏蜂窝提供，相反，宏蜂窝用户设备的C-plane和用户面（U-plane）由宏蜂窝提供。另一方面，小蜂窝用户设备U-plane由高频段小蜂窝提供。Phantom cell（虚拟小区）目的是传输用户设备特定信号，且用户设备和一个Phantom cell间无线资源控制（RRC）连接过程由宏蜂窝管理。Phantom cell没有被分配给独立的信号和信道。用户设备发现Phantom cell依赖宏蜂窝信号。新型网络架构融合了传统蜂窝网络（如GSM）较低频段和5G系统的较高频段，以及传统蜂窝网络的网络基础设施，可降低新型网络的建设成本；采用控制面和用户面解耦的思想，将用户面迁移到高频段虚拟小区传输，为其提供更宽的频带和更高的容量，而将控制面信息保留在宏蜂窝传输，保障了控制信息传输的可靠性。
发明内容
本发明针对现有技术存在的用户设备和一个Phantom cell间无线资源控制连接过程由宏蜂窝管理，Phantom cell没有被分配给独立的信号和信道，用户设备发现Phantom cell需依赖宏蜂窝信号等，本发明提供一种用于允许不同的接入网络之间的多标准接入/切换策略，通过RAT算法选择最合适的RAT，旨在解决5G蜂窝网络超密集部署下多种RAT并存、选网复杂等问题。
本发明使用模糊逻辑控制器把多种输入（如用户的移动性，候选基站的负载等）结合在一起，实现5G蜂窝网络系统中多无线接入技术的选择/切换。具体地说，当用户设备在演进型基站eNB、家庭演进型基站HeNB和WiFi AP（WiFi接入点）间选择接入/切换时，所述方法包括以下步骤：
用户终端（UE）通过本地接入网发现和选择功能实体ANDSF收集候选接入点AP或演进型节点(H)eNB负载信息；UE检查候选AP或(H)eNB的接收信号强度RSS值、参考信号接受质量、业务对延迟的敏感度；根据上述信息评估可用无线接入网络RAT的合适度；特定触发事件触发模糊逻辑控制器为每个会话选择最合适的无线接入网络RAT；建立新会话执行准入控制或者切换
 进一步地，上述方法还适用于5G蜂窝网络与WiFi网络之间的RAT选择。提供了一种多RAT选择算法，包括如下步骤：
设置用户配置文件，当特定触发事件发生，分别触发其相应引触分支，包括：蜂窝网与WiFi网络双重选择引触分支（I）（II）（III）和自动认证连接WiFi网络引触分支（I）。
更具体地，当接收到的触发事件为“ANDSF新消息”时，触发蜂窝网与WiFi网络双重选择引触分支（I），则：a）UE检测负载指示和RSS，更新其移动行为信息；b）为每个会话计算候选RAT列表；c）判断候选RAT列表中第一候选RAT是否为当前RAT，若是，保持当前RAT；若不是，则切换至候选RAT列表中第一候选RAT，并判断是否切换成功，若切换成功，结束本次接入控制或切换过程；若切换不成功。则选择列表中第二候选RAT。
当触发事件为“创建新会话”发生，触发蜂窝网与WiFi网络双重选择引触分支（III），UE检测负载指示和RSS，更新其移动行为信息；为每个会话计算候选RAT列表；判断第一候选RAT是否为当前RAT，若是，保持当前RAT；若不是，判断是否切换成功，若切换成功，结束本次接入控制或切换过程，若切换不成功，则选择第二候选RAT。
当触发事件为“接收到Hotspot 2.0（认证控制点技术）新消息”发生，触发自动认证连接WiFi网络引触分支（I），基于IEEE802.11u的Hotspot 2.0标准允许移动设备利用SIM卡或者其他证书自动完成认证连接WiFi网络。
所述更新其移动行为信息具体为：触发事件“检测到RSS改变”发生，触发蜂窝网与WiFi网络双重选择引触分支（II），检查服务配置文件，判断是否为特急时限服务。若是，执行典型切换（若信道质量下降迅速且无充足时间评估不同候选AP，则只根据RSS值估计执行切换）；若不是，创建新会话，进而触发蜂窝网与WiFi网络双重选择引触分支（III）。
本发明采用控制面和用户面解耦的思想，将用户面迁移到高频段虚拟小区传输，为其提供更宽的频带和更高的容量，而将控制面信息保留在宏蜂窝传输，保障了控制信息传输的可靠性。提供不同的接入网络之间的多标准接入/切换策略，通过RAT算法选择最合适的RAT，有效解决5G蜂窝网络超密集部署下多种RAT并存、选网复杂的问题。
附图说明
图1本发明实施例提供的5G蜂窝网络系统架构示意图；
图2本发明实施例提供的RAT选择算法的引触分支构成示意图；
图3本发明实施例提供的模糊逻辑控制器系统组成示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了5G蜂窝网络系统架构。为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。
根据核心网是UMTS（I-WLAN）或EPC（演进分组核心网），3GPP（第三代合作伙伴计划）提出了不同的RAT融合方案。本发明主要专注于后者（即，EPC）。ANDSF使运营商能够在服务器中存储RAT发现和选择机制（包括WiFi热点的发现信息），并且通过push（推）或pull（拉）的方式和UE通信。
WiFi Alliance（WiFi联盟）基于IEEE 802.11u提出了Hotspot 2.0标准（即认证控制点技术Passpoint），允许移动设备利用SIM卡或者其他证书自动完成认证直接上网Hotspot2.0提供了向UE告知如接入网负载、漫游等信息的通信方式，而且不需要终端和AP发生联系。ANDSF和Hotspot 2.0的结合，二者的互补性，同时可以支持多个运营商的场景，且蜂窝网和无线网服务提供商协作允许UE在其间漫游。
当UE在如图1所示的5G蜂窝网络中保持静止状态或以一定的速度移动时，均存在多种需进行多RAT接入/选择的场景。本发明通过在UE上构建基于模糊逻辑策略的多RAT接入/选择方法，根据多个输入参数（例如，本实施例中采用的输入参数为：UE的移动性状态、H(e)NB或AP负载、H(e)NB或AP回程负载、参考信号接受质量（RSRQ）、业务对延迟的敏感度）的状态信息对RAT适合度进行综合评价，指导UE选择/切换到最佳网络。
本发明使用模糊逻辑控制器把多种输入（如用户的移动性，候选基站的负载等）结合在一起，实现5G蜂窝网络系统中多无线接入技术的选择/切换。用户终端（UE）通过本地接入网发现和选择功能实体ANDSF收集候选接入点AP或演进型节点(H)eNB负载信息；UE检查候选AP或(H)eNB的接收信号强度RSS值、参考信号接受质量、业务对延迟的敏感度；根据上述信息评估可用无线接入网络RAT的合适度；特定触发事件触发模糊逻辑控制器为每个会话选择最合适的无线接入网络RAT；建立新会话执行准入控制或者切换。
具体地说，当用户设备在macro cell（eNB）、femto cell（HeNB）和WiFi AP间选择接入/切换时，所述方法包括以下步骤：
a）触发事件触发RAT选择；b）UE 通过本地ANDSF实体（L-ANDSF）收集候选AP或(H)eNB负载信息；c）UE检查候选AP（接入点）或(H)eNB（演进型基站或家庭演进型基站）的RSS值并更新其移动行为信息；d）根据RAT选择算法（即，如图2所示，特定事件发生并触发特定引触分支），UE评估可用RAT的合适度，建立新会话或执行切换；e）如果切换失败，选择合适列表中的第二个AP。
进一步地，上述方法还适用于5G蜂窝网络与WiFi网络之间的RAT选择。
图2示出了该RAT选择方法的引触分支构成。所述方法包括如下步骤：
设置用户配置文件，即用户基于每个服务或综合考量定义其喜好（例如， HTTP（超文本传输协议）流量只在WiFi网络空闲的情况下切换或者通常使用最小能耗的RAT）；当特定触发事件发生，分别触发其相应引触分支，包括：蜂窝网与WiFi网络双重选择引触分支（I）、（II）、（III）和自动认证连接WiFi网络引触分支（I）。
更具体地，当接收到的触发事件为“ANDSF新消息”时，触发蜂窝网与WiFi网络双重选择引触分支（I），则：a）UE检测负载指示和RSS，更新其移动行为信息；b）为每个会话计算候选RAT列表； c）判断第一候选RAT是否为当前RAT，若是，保持当前RAT；若不是，则切换至候选RAT列表中第一候选RAT，并判断是否切换成功，若切换成功，结束本次接入控制；若切换不成功。则选择候选RAT列表中第二候选RAT。
当触发事件为“创建新会话”发生，触发蜂窝网与WiFi网络双重选择引触分支（III），UE检测负载指示和RSS，更新其移动行为信息；为每个会话计算候选RAT列表；判断第一候选RAT是否为当前RAT，若是，保持当前RAT；若不是，判断是否切换成功，若切换成功，结束本次接入控制或切换过程，若切换不成功，则选择第二候选RAT。
所述更新其移动行为信息具体为：触发事件 “检测到RSS改变”发生，触发蜂窝网与WiFi网络双重选择引触分支（II），检查服务配置文件，判断是否为特急时限服务。若是，则切换至候选RAT列表中第一候选RAT，并判断是否切换成功；若不是，创建新会话，进而触发蜂窝网与WiFi网络双重选择引触分支（III）。
当触发事件为“接收到Hotspot 2.0新消息”发生，触发自动认证连接WiFi网络引触分支（I），基于IEEE802.11u的Hotspot 2.0标准允许移动设备利用SIM卡或者其他证书自动完成认证连接WiFi网络。
图3示出了本发明涉及的模糊逻辑控制器系统FLC的系统组成。
每个模糊逻辑控制器由模糊化单元、模糊推论引擎和解模糊化单元组成。其中，模糊化单元负责将参数的输入测量值转化成模糊集合，例如，在模糊集合中，可以将信号描述成“弱”、“中”、“强”；模糊推论引擎是模糊逻辑控制器的核心部分，由一组“If…Then…”规则（条件判断规则）关联输入和输出，且每个输出对应一个规则结果；解模糊化单元则将集合的模糊输出（即，推断阶段的所有规则输出）转变为标量值输出。
具体地，对于图2中的4个引触分支，除自动认证连接WiFi网络引触分支（I）外，蜂窝网与WiFi网络双重选择引触分支（I）、（II）、（III）均需利用模糊逻辑控制器做出相应RAT选择/切换决策。
对于蜂窝网与WiFi网络双重选择引触分支（I）、（II）、（III）中的任一引触分支，在被相应触发事件触发后，其RAT选择/切换过程中模糊逻辑控制器的工作流程如下：
a）模糊化单元将输入值转化为等级（如，RSRQ [小区参考信号接受质量]值为“低”、“中”或“高”），参数的输入测量值转化成模糊逻辑集合；b）模糊逻辑集合被输入到模糊推论引擎，即用一系列的“If…Then…”形式的规则得到模糊判决集合；c）模糊推论引擎输出的模糊判决集合被整合成一个模糊集，被输入到解模糊化单元、转化成标量(即RAT适合度)输出。
本实施例使用了三个模糊逻辑控制器，即模糊逻辑控制器的数目与接入网数目相同，每个模糊逻辑控制器对应一种RAT类型，即LTE macro cell，femto cell或WiFi。每次触发模糊逻辑控制器时（即启动切换或新的会话准入控制），需计算所有可用的(H)eNB和AP。
每个模糊推理机的输入为参考信号接受质量（RSRQ）、业务对迟延的敏感度、(H)eNB或AP负载、(H)eNB AP回程负载和UE的移动性状态。每个输入值都被模糊化为低、中、高的隶属函数。一方面，由于每个状态是明确的、且对每一个状态均存在零值，除了迟延敏感业务，所有的输入均被模糊化为低、中、高的隶属函数（采用三角形和梯形隶属函数）。另一方面，对于迟延敏感业务，为强调其所有状态不存在零值，本实施例采用高斯输入隶属函数。
如前所述，按照模糊逻辑策略把多个参数输入到模糊推论引擎；接着，将模糊推论引擎输出的模糊判决集合输入到解模糊化单元、并转化成标量(即RAT适合度)输出，且解模糊化过程的输出即决策过程的结果。其中，本实施例中采用的输入参数为：UE的移动性状态、H(e)NB或AP负载、H(e)NB或AP回程负载、参考信号接受质量（RSRQ）、业务对延迟的敏感度。
在本实施例中，对每三个模糊推论引擎（即每个模糊推论引擎分别对应eNB、HeNB和WiFi AP），覆盖所有可能输入组合的规则可由设备制造商在系统设置中定义。一方面，如果UE没有过载或者其回程链路没有过载且UE移动速度很慢，则被认为UE是(H)eNB/AP附着点，(H)eNB/AP感测到较高RSRQ值(即信道质量很好)。另一方面，如果UE接入链路和回程链路均过载，由于其不能向用户提供较高的服务质量，因此不管附着点是否被检测到较高的RSRQ值，都不会引发高速率业务。
另外，解模糊化过程把所有规则的输出整合成一个确定的输出值——RAT适合度。解模糊化过程与模糊化过程类似，使用隶属函数来截取输出所属的具体状态等级。
在本实施例中，为了利用平滑性和非零（做出决策需基于所有输入范围）特性，使用高斯隶属函数。在做出决策时，要对所有可能的接入点进行评估和排序。有最高RAT适合度的附着点就会被选中并开始执行准入控制或者切换过程；在拒绝的情况时，在列表中第二位的就会被选中并开始执行准入控制或者切换过程。

Claims (7)

1.一种用于5G蜂窝网络多无线接入技术的选择/切换方法，其特征在于，包括以下步骤：用户终端UE通过本地接入网发现和选择功能实体ANDSF收集候选接入点AP或演进型节点(H)eNB负载信息；UE检查候选AP或(H)eNB的接收信号强度RSS值、参考信号接受质量、业务对延迟的敏感度；根据上述信息评估可用无线接入网络RAT的合适度；特定触发事件触发模糊逻辑控制器为每个会话选择最合适的无线接入网络RAT；建立新会话执行准入控制或者切换。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述特定触发事件包括：接收到“接入网发现和选择功能ANDSF新消息”、“创建新会话”、“认证控制点技术Hotspot2.0新消息”。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述为每个会话选择最合适的RAT，具体包括：设置用户配置文件，将发生的特定触发事件分别对应不同RAT引触分支，其中，蜂窝网与无线宽带网WiFi网络双重选择引触分支对应于触发事件“接收到ANDSF新消息”、“检测到接受信号强度RSS改变”、“创建新会话”；1个自动认证连接WiFi网络引触分支对应于触发事件“接收到Hotspot2.0新消息”。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，UE评估可用RAT的合适度进一步包括：模糊化单元将输入值转化为等级，参数的输入测量值转化成模糊逻辑集合；模糊逻辑集合被输入到模糊推论引擎，根据规则得到模糊判决集合，获得模糊集；将模糊集输入到解模糊化单元转化成RAT适合度输出。
5.如权利要求3所述的的方法，其特征在于，当触发事件为“接收到ANDSF新消息”，触发蜂窝网与WiFi网络双重选择引触分支（I），其引触流程包括：UE检测负载指示和RSS，更新其移动行为信息；为每个会话计算候选RAT列表；判断候选RAT列表中第一候选RAT是否为当前RAT，若是，保持当前RAT，若不是，判断是否切换成功，若切换成功，结束本次接入控制，若切换不成功，则选择候选RAT列表中第二候选RAT。
6.如权利要求3所述的的方法，其特征在于，当触发事件为“创建新会话”，触发蜂窝网与WiFi双重选择引触分支（III），其引触流程包括以下步骤：UE检测负载指示和RSS，更新其移动行为信息；为每个会话计算候选RAT列表；判断候选RAT列表中第一候选RAT是否为当前RAT，若是，保持当前RAT，若不是，判断是否切换成功，若切换成功，结束本次接入控制，若切换不成功，则选择第二候选RAT。
7.如权利要求5或6所述的的方法，其特征在于，所述更新其移动行为信息进一步包括，当触发事件“检测到RSS改变”，触发蜂窝网与WiFi网络双重选择引触分支（II），检查服务配置文件；判断是否为特急时限服务，若是，执行典型切换，若不是，则创建新会话，触发蜂窝网与WiFi双重选择引触分支（III）。
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