CN104540144A - 一种基于软件定义的以用户为中心的网络架构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于软件定义的以用户为中心的网络架构，利用虚拟化以及模块化的概念，针对未来5G无线网络的特点，提出了基于用户小区的新型网络架构，该架构主要包含了三个层次，无线接入层、资源层和控制层，其中在控制层引入了虚拟用户控制器VUC的概念，VUC用于管理该用户小区中的所有基站，根据用户当前的业务需求和每个基站当前的通信环境、负载情况等信息管理由哪些基站进行通信，从而实现了以用户为中心的思想，使基站动态、自适应地为用户服务，并为用户提供有针对性的个性化服务。

Description

一种基于软件定义的以用户为中心的网络架构

技术领域

本发明涉及应用于5G移动通信系统的网络架构，具体涉及一种基于软件定义的以用户为中心的网络架构。

背景技术

目前已经有大量国内外研究机构开始针对5G无线网络架构展开研究。为了高效的控制无线网络，相关5G无线网络架构研究都引入了软件定义的思想，实现对无线网络的统一控制。

对于国内的5G架构相关研究，中国移动提出了C-RAN架构，通过RRU和BBU的分离，设计了虚拟基站集群的架构模式，由集中式的基站资源池统一控制无线资源，实现实时物理资源的全局最优。中国电信提出了一种基于SDN的虚拟化融合移动核心控制网络架构，将网络划分为业务层、控制层、转发层、接入层，能够支持包括2G网络、3G网络、wifi网络、LTE网络等接入技术。中兴提出了一种基于云的网络架构，主要包含三部分结构：无线云，将无线接入网虚拟化；网络功能云，具备无线控制功能与核心网功能；业务云，提供各种业务服务。清华大学提出了OpenRAN架构，该架构提出无线接入点支持多种接入制式，可以根据具体网络需求更改传输协议，在上层利用SDN控制器实现网络的集中式控制。

在国外的5G架构研究中，斯坦福大学的团队已经获得大量研究成果。斯坦福大学提出的Open Radio技术，在无线协议栈中加入可编程无线数据平面，该平面运用了模块化和可编程接口声明技术。这种设计允许运营商根据功能需求灵活生成控制协议。另外，斯坦福大学还提出了SoftRAN架构。该架构是一个集中式的软件定义无线接入网，为有效执行切换和分配无线资源，对所有LTE基站进行集中控制，所有基站被抽象为一个虚拟元素，由一个逻辑中央控制器管理。

现有无线异构网络是一种多种制式网络并存无线接入环境，并朝着越来越密集的趋势发展，存在的问题归纳如下。

从网络的角度：

首先，现有无线网络架构缺乏协同感知网络环境的能力。频谱资源有限，密集网络中存在严重干扰。如何协调网络间资源是密集异构网络是否能充分发挥性能的关键问题。有效的资源管理需要基站和用户在局部和大范围协同感知网络环境，并交互信息。现有的相关协作处理方案研究大都假设网络之间的信息可以任意交互。而实际上接入网并没有统一的信息交互协作处理平台。

其次，网络中信令开销与信息交互量会占用大量网络资源。无线资源协同管理的前提是网络节点(基站和终端)间的数据交互。为了更好的提供网络服务，未来的网络会在局部(如：多基站为一个用户服务)和大范围(如：频谱资源动态规划等)共同进行协作。基于不同粒度的协作都依赖于大量的信息交互，包括环境信息、控制信息等。随着网络的密集部署，节点数量急剧增加，信息交互的开销会以爆炸式增长，占据大量网络资源。而信息本身的可靠性也影响了网络性能的发挥。如何降低信令开销并增加信息的鲁棒性是未来密集网络迫切需要解决的问题。

再次，不同制式网络难以协调资源。现有网络可以通过协作通信小范围协调同制式网络资源，而缺少不同制式网络的资源协调能力，网络无法利用所有网络为用户提供可靠的服务。虽然同制式网络的负载均衡已经得到广泛研究，但是不同网络间的负载均衡问题难以解决。需要提出一种网络资源的统一管理方法，统一调配无线资源，实现不同网络的负载均衡与协作。

最后，用户的个性化服务难以实现。网络资源控制以小区为单位，难以顾及网络中的每个用户，尤其是处于多个网络边缘的用户。网络之间的独立性和封闭性降低了处于多个网络覆盖下用户的性能。

从用户的角度：

网络环境越发复杂，而对于用户来说，相较于越来越复杂的网络，用户则希望感受到更简洁的网络服务。而对网络本身没有感受，终端需要做的决策越少越好，不论用户处于何种场景(多网络、单网络、密集、松散)，用户只是希望得到高速服务，而不用关心具体的过程。对用户来说，现有密集网络的管理方法存在以下问题：

首先，用户需要繁琐的网络选择方法，人为选择不同制式的网络，如wifi、LTE等。而这种网络选择方法不一定能保证用户始终处于最佳通信质量。同时，由于用户数量大，这种网络选择方式也大大增加了信令开销和控制。

其次，网络稳定性和公平性差。用户大都以自身的通信状态和网络剩余负载作为网络接入的参考依据，忽视了其他用户网络感受。用户在网络中的服务质量不稳定，不同用户间的服务质量公平性差。同时，随着用户的移动，在多种网络间进行网络选择会产生大量切换，降低了网络传输的稳定性。

根据上述分析，5G网络需要一种全新的网络架构。这种网络架构需要体现出更针对用户、更灵活、更开放、更易操作的特性。目前已有的5G网络架构研究的关注点大都集中在如何统一管理不同制式的基站，而忽略了对用户的管理。用户依然需要繁琐的网络选择和优化才能拥有较好的通信质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于软件定义的以用户为中心的网络架构。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

该网络架构包括三层结构：接入层、资源层和控制层；接入层包括用于向用户提供通信服务的数据无线传输链路，负责用户数据的无线传输，所述链路建立在以用户为中心的小区中，所述小区包括若干个可以向所述用户提供通信服务的无线接入点，所述资源层包括每个无线接入点的本地控制器，控制层用软件定义的方式为每个用户生成一个虚拟用户控制器，虚拟用户控制器通过管理本地控制器，用集中式的方法统一控制不同制式的网络为用户提供通信服务，并为用户优化网络资源。

以用户为中心的小区的生成过程包括以下步骤：

1)用户检测周围无线接入点信号强度；

2)将所检测的信号强度与预先设定的功率门限对比，如果高于功率门限，则认为对应无线接入点能够为用户提供通信服务。

无线接入点信号强度的检测是一个在线的过程，以用户为中心的小区会随时根据网络环境的变化而改变。

所述资源层控制每个无线接入点的底层物理资源，将本地控制器中所有对于物理资源的控制功能进行模块化设计，得到模块化的本地控制器，模块化的本地控制器根据控制层发来的控制信息选择相应的模块进行通信服务。

所述控制层的集中控制器通过软件定义的形式管理资源层的本地控制器，集中控制器为每个用户虚拟化出一个虚拟用户控制器，虚拟用户控制器用于管理该用户小区中的所有无线接入点，虚拟用户控制器根据用户当前的业务需求和每个无线接入点当前的通信环境以及负载情况信息确定为用户提供通信服务的无线接入点以及网络制式，同时，虚拟用户控制器控制无线接入点的频谱资源，以减小无线接入点间的干扰，最大化频谱效率，虚拟用户控制器之间通过自组织协调不同用户之间的资源，通过协同管理的方法降低用户间干扰，均衡不同用户间的性能，提高网络的频谱效率。

本发明的有益效果体现在：

本发明利用以用户为中心的小区以及虚拟化和模块化的概念，针对未来5G无线网络的特点，提出了基于用户小区的新型网络架构，引入了虚拟用户控制器用于管理用户小区中的所有无线接入点(比如基站)，可以根据用户当前的业务需求和每个无线接入点当前的通信环境、负载情况等信息管理由哪些无线接入点进行通信，从而实现了以用户为中心的思想，使基站动态、自适应地为用户服务，为用户提供有针对性的个性化服务。

附图说明

图1是以用户为中心的网络架构示意图；

图2是以用户为中心的网络架构的工作流程图；

图3是以用户为中心的小区的生成过程框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明所述基于软件定义的以用户为中心的网络架构同时考虑了未来网络的演进需求和用户简单化的接入需求，一方面利用集中式的方法统一控制不同制式的接入网络，另一方面针对每一个用户优化网络资源。该网络架构下，以用户为中心设定小区，用户与其通信范围内的所有基站通信，基站是传统单模基站或多模基站(能够使用不同制式通信)，用软件定义的方式为每个用户生成一个虚拟用户控制器，虚拟用户控制器控制与对应用户通信的所有基站，执行无线资源管理过程，该架构打破了以往以基站为中心的小区概念，改为针对每个用户进行无线资源管理和优化。

如图1所示，本发明所述基于软件定义的以用户为中心的网络架构具体包括三个层次：控制层101、资源层102、无线接入层103。所述接入层负责用户数据的无线传输，资源层由每个基站的本地控制器(LC，local controller)构成，控制层为每个用户生成虚拟用户控制器(VUC，virtual user controller)，控制能够与该用户通信的所有基站。LC受VUC的控制，具体执行无线资源管理过程。

本发明所述网络架构的工作流程可以参考图2的描述：分为一个自下而上的感知和一个自上而下的处理过程。首先处于接入层的用户检测所处的网络环境，根据周边连接的基站的负载情况、信号质量等因素，向上层控制层反馈环境感知的结果。控制层根据用户的环境信息选择用户所连接的基站，在控制层为每个用户组成VUC，向下控制能够与该用户通信的所有基站。

本发明所描述的基于软件定义的以用户为中心的网络架构的核心是根据基站的负载情况、信号质量等因素通过VUC动态的控制用户所连接的所有基站，以此来实现以用户为中心的思想。这是因为实际网络中用户的位置在发生变化，同时，通信环境也在发生变化。通过VUC用户可以选择和其小区中的多个基站同时通信。

下面分别介绍三个层的功能。

(1)在无线接入层103，用户根据其附近基站的信号强度构建以用户为中心的小区。传统小区中，基站是小区的中心，一个基站能够为多个用户服务。随着无线网络的密集化，传统小区难以保证其边缘用户的性能，不同小区的负载不易均衡。考虑到基站的密集化，本发明提出以用户为中心的小区。相较于传统小区，以用户为中心的小区更强调每个用户的性能，用户是小区的中心，每个用户可以由多个基站服务。由于不同基站的发射功率不同，以用户为中心小区的形状不规则。

以用户为中心的小区生成过程(即VUC的组成过程)如图3所示，具体分为以下几个步骤：

【301】用户检测周围基站信号强度，并将所检测的无线信号强度与预先设定的功率门限对比，如果高于此门限，则认为该基站能够为其服务，保留该接入点的信息，并转至步骤【302】。若不高于此门限，则转至步骤【301】。

【302】判断用户周围是否还有未被检测的基站，若有，则转至步骤【301】，若无，则转至步骤【303】。

【303】将所有保留的可用接入点信息反馈给控制器，控制器根据这些信息，组成VUC，管理用户所连接的所有基站。转至步骤【304】。

【304】过程结束。

由于实际网络中用户的位置在发生变化，同时，通信环境也在发生变化，所以对基站的检测是一个在线的过程，以用户为中心的小区会随时根据网络环境的变化而改变。

(2)资源层102控制每个基站的底层物理资源。该层由模块化的LC组成。模块化的LC将所有对物理资源的控制功能进行模块化，如调制形式、编码形式等。每个LC通过对模块的选择实现资源管理。模块化的LC具有足够的灵活性，以实现不同制式的通信。不同制式的通信系统在物理资源的控制中都需要实现诸如卷积、FFT、信道估计、交织等功能，同时这些功能在不同制式的通信系统中只是所选取的参数或类型的不同。随着硬件的快速发展，已有功能强大的商用DSP平台可以全面地实现物理资源控制的所有功能。所以可以将LC中不同的处理功能进行模块化地设计，这样经过模块化设计的LC可以根据上层发来的控制信息进行选择特定制式通信所需要的处理模块进行通信。这种将控制和数据分离的架构，使得控制协议与处理硬件解耦，减小了控制协议更新换代的成本。由于以前控制协议与处理硬件之间的紧耦合关系，更新协议必须同时更新处理硬件，所以更新成本很大。这是一种资源虚拟化理念，它能够实现不同制式、不同网络状态的无线资源的统一管理。上层控制单元通过统一的控制信令就能够统一管理所有的基站。

(3)控制层101的集中控制器通过软件定义的形式管理资源层的LC。集中控制器为每个用户虚拟化出一个虚拟用户控制器VUC。VUC用于管理该用户小区中的所有基站。VUC根据用户当前的业务需求和每个基站当前的通信环境、负载情况等信息管理由哪些基站进行通信。同时，VUC也负责控制这些基站的频谱资源，以减小基站间的干扰，最大化频谱效率。VUC之间具有自组织功能，主要用于协调不同用户之间的资源，通过协同管理的方法降低用户间干扰，均衡不同用户间的性能，提高网络的频谱效率。

本发明具有以下优点：

1.不同于传统的以基站为中心的小区，一个基站为多个用户服务，而是根据用户附近无线接入点信号强度，构建以用户为中心的小区，小区内的所有基站为用户服务，不仅可以在复杂的网络环境中为用户提供良好的无线传输服务，保证每个用户的通信质量，还能够根据不同用户对业务的不同需求，为用户提供有针对性的个性化服务；

2.通过接入层基站和用户在局部和大范围协同感知网络环境，使得在密集异构网络下合理协调网络间资源成为可能。而且通过无线资源的协同管理，实现不同网络的负载均衡与协作，降低了网络中的干扰，提升了频谱效率；

3.对物理资源控制功能的模块化实现了所有无线接入点的统一控制，使得网络具有足够的灵活性。同时，模块化的设计可以根据上层发来的控制信息进行选择特定制式通信所需要的处理模块进行通信，因此打破了不同网络间相互隔离的问题。另外，这种将控制和处理分离的架构，使得控制协议与处理硬件解耦，减小了控制协议更新换代的成本。

4.使用VUC管理用户小区(即以用户为中心的小区)中的所有基站，根据用户的业务需求和当前的无线网络环境为用户选择合适的网络制式，不需要用户人为的选择网络，大大降低了信令的开销与控制，并且提高了网络的公平性。同时通过VUC之间的自组织功能，为多个用户合理分配网络资源，提升了网络的稳定性。

Claims (5)

1.一种基于软件定义的以用户为中心的网络架构，其特征在于：该网络架构包括三层结构：接入层、资源层和控制层；接入层包括用于向用户提供通信服务的数据无线传输链路，所述链路建立在以用户为中心的小区中，所述小区包括若干个可以向所述用户提供通信服务的无线接入点，所述资源层包括每个无线接入点的本地控制器，控制层用软件定义的方式为每个用户生成一个虚拟用户控制器，虚拟用户控制器通过管理本地控制器，用集中式的方法统一控制不同制式的网络为用户提供通信服务，并为用户优化网络资源。

2.根据权利要求1所述一种基于软件定义的以用户为中心的网络架构，其特征在于：以用户为中心的小区的生成过程包括以下步骤：

1)用户检测周围无线接入点信号强度；

2)将所检测的信号强度与预先设定的功率门限对比，如果高于功率门限，则认为对应无线接入点能够为用户提供通信服务。

3.根据权利要求2所述一种基于软件定义的以用户为中心的网络架构，其特征在于：无线接入点信号强度的检测是一个在线的过程，以用户为中心的小区会随时根据网络环境的变化而改变。

4.根据权利要求1所述一种基于软件定义的以用户为中心的网络架构，其特征在于：所述资源层控制每个无线接入点的底层物理资源，将本地控制器中所有对于物理资源的控制功能进行模块化设计，得到模块化的本地控制器，模块化的本地控制器根据控制层发来的控制信息选择相应的模块进行通信服务。

5.根据权利要求1所述一种基于软件定义的以用户为中心的网络架构，其特征在于：所述控制层的集中控制器通过软件定义的形式管理资源层的本地控制器，集中控制器为每个用户虚拟化出一个虚拟用户控制器，虚拟用户控制器根据用户当前的业务需求和每个无线接入点当前的通信环境以及负载情况信息确定为用户提供通信服务的无线接入点以及网络制式，同时，虚拟用户控制器控制无线接入点的频谱资源，虚拟用户控制器之间通过自组织协调不同用户之间的资源。