CN106851738A - 面向lte小基站超密集组网的软件定义无线网络体系架构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LTE小基站密集组网的软件定义无线网络架构及方法，移动终端在接入至LTE小基站后，小基站的无线资源通过SDN交换机转发至数据中心的SDN控制器中，而LTE小基站与对于无线网络控制的SDN控制器相互通信的接口为南向接口API，北向接口API对于不同的新业务部署请求可灵活组合控制器内部的功能。SDN控制器通过软件定义的方式实现了控制面和数据面的分离，实现了对无线接入网络部分的完全控制，从而对核心网的业务进行分流；通过干扰协调、负载均衡等技术提升了无线接入网络的系统容量，增强了覆盖；通过对密集网络中SDN交换机端口监听，灵活配置交换机内流表，从而使回程网络达到负载均衡状态。

Description

面向LTE小基站超密集组网的软件定义无线网络体系架构及 方法

技术领域

本发明设计了一种面向LTE小基站超密集组网的软件定义无线网络体系架构及方法，可部署于人群密集程度高的公共区域，弥补吞吐量上的不足，属于无线通信技术领域。

背景技术

互联网应用的快速发展以及多媒体数据业务需求量的爆发式增长，目前的无线网络，例如：LTE网络、WIFI网络、3G网络。很难满足这种并发式的数据量需求。因此，在未来网络中，超密集网络(Ultra Dense Network,UDN)是解决上述问题的一种关键解决方案。对于超密集组网的研究和实验快速成为国内外关注热点问题。

利用LTE小基站进行快速密集地部署区域网络可增强无线信号的覆盖、快速提高整个系统容量及用户网络体验，但由于网络的密集程度过高，对无线资源的管理也带来了巨大的挑战，尤其是各个小基站间的干扰。所以，直接进行传统的小基站密集组网会带来一些列难题。近年来，软件定义网络(Software Defined Network,SDN)技术的兴起给密集组网所引起的问题提供了解决上述问题的方案。狭义上的SDN技术通过OpenFlow的南向协议与北向协议将系统的控制平面和用户平面分离开，利用SDN控制器实现对网络的集中控制，从而将整个所控制的网络达到负载均衡状态。但当SDN技术应用于无线网络，尤其是LTE网络中时，由于LTE的系统框架复杂性，对网络中的各个性能要求较高，很难满足密集区域用户需求多样化和灵活化需求。通过对LTE进行深入的学习和研究，建立一套面向LTE小基站超密集组网的软件定义无线网络体系架构重要性越来越凸显出来。

超密集网络技术在提升网络容量、增强室内覆盖以及补盲场景上优势显著，通过在宏蜂窝小区基站和微微蜂窝小区基站、毫微微蜂窝小区基站等低功率小基站组成的多层异构网络基础上，进一步增加低功率小基站的部署密度，实现小基站的超密集部署，最大程度提升全网的容量。具体来说，在超密集网络中，宏小区覆盖范围内各类小基站部署密度达到现有站点部署密度10倍以上，每平方公里支持用户数高达25 000个。

软件定义网络，是一种新型网络创新架构，其核心技术OpenFlow通过将网络设备控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台，为实现无线网络虚拟化创造了条件，为超密集异构无线网络提供了一种有效管理方式，通过对超密集无线网络中资源的抽象和统一表征、资源共享和高效复用，实现网络的共存与融合。无线网络虚拟化可使复杂多样的网络管控功能从硬件中解耦出来，抽取到上层做统一协调和管理，从而降低网络管理成本，提升网络管控效率。集中化控制使得没有无线网络基础设施的服务提供商也可以为用户提供差异化的服务。

发明内容

技术问题：本发明设计出面向LTE小基站超密集组网的软件定义无线网络体系架构，并研发验证系统，此项研究有助于5G系统中超密集无线网络的实际应用，并对智慧城市、物联网等发展起到重要的促进作用。

技术方案：

1.面向LTE小基站超密集组网的软件定义无线网络体系架构

网络体系架构包括四种类型的硬件实体：移动终端、LTE小基站、SDN交换机、云数据中心服务器。

所述移动终端是可使用SIM卡接入LTE网络的可移动设备，与所述LTE小基站建立空口连接，可进行接入、附着、切换等流程。

所述LTE小基站一方面需要与LTE核心网设备进行连接，保证空口连接的所述移动终端上网；另一方面所述LTE小基站通过所述SDN交换机与云数据中心服务器的SDN控制器连接。

所述SDN交换机内部支持OpenFlow协议，通过与SDN控制器的连接，接收并执行SDN控制器流表，实现路由路径的自定义规划。

所述云数据中心服务器是支持云计算处理功能的中心服务器，通过所述SDN交换机与所述LTE小基站连接将LTE小基站资源抽象成虚拟资源池。

进一步地，所述的云数据中心服务器最重要部分为SDN控制器，所述SDN控制器又划分为对LTE无线接入网络和回程网络的控制两个组成功能。

2.SDN控制器对网络的控制方法

为了实现上述无线网络体系架构，本发明还提供了SDN控制器对网络的控制方法，主要包括SDN控制器对LTE小基站形成的无线接入网侧的控制和SDN控制器对SDN交换机形成的回程网络的控制，下面将具体描述

1)SDN控制器对LTE小基站形成的无线接入网侧的控制

采用软件定义的方法，以自适应的方式进行控制平面与数据平面的分离，LTE小基站的控制部分由SDN控制器来完成。

SDN控制器无线接入网侧的控制主要分为用户接入控制和新业务请求控制，用户接入控制步骤如下：

步骤1：移动终端开机；安装SIM卡的移动终端开机，移动终端开始扫频收集附近基站的信息。

步骤2：移动终端接收BCCH(广播控制信道)上的系统信息块；移动终端通过无线信道BCCH可接受到来自LTE小基站周期发送的系统信息块，该信息块主要包含了LTE小基站的配置信息及自身接入LTE小基站应该进行的参数配置。

步骤3：移动终端在CCCH(公共控制信道)上发送RRC(无线资源控制)接入请求；移动终端在完成参数配置后，会向基站发送请求接入的请求，该请求内容为用临时识别号作为认证方式在LTE小基站上无线接入。

步骤4：LTE小基站将终端请求接入报告发送给SDN控制；通过开发的API接口，LTE小基站会自动将终端接入的请求信息所包含的内容发送给SDN控制，等待SDN控制器下达处理结果。

步骤5：SDN控制器通过接入控制模块对接入的移动终端进行判断是否接入。

步骤6：SDN控制器接入控制的结果必须满足整个无线接入网络的负载达到均衡状态，保证LTE小基站接入的用户数量尽量达到均衡。

步骤7：SDN控制器对接入完成控制后，下达接入响应结果和移动终端的配置参数指令给LTE小基站。

步骤8：LTE小基站完成对移动终端的参数配置，将上述106中的配置参数指令下达给移动终端，移动终端配置RRC参数完成接入。

新业务请求控制步骤如下：

步骤1：移动终端有新的业务请求；新的业务请求可包括：传统视频业务；实时游戏业务；IMS短信业务等。

步骤2：移动终端将承载资源分配的请求发送给LTE小基站；资源分配的请求包含了新业务的所需速率下限、时延等参数要求。

步骤3：LTE小基站将新业务请求发送给SDN控制器。

步骤4：SDN控制会根据新业务请求参数内容与已经存储的业务QoS进行匹配，由于是匹配过程，可以较快速进行响应处理。

步骤5：响应处理的结果应满足无线接入网络的网络负载达到均衡，保证此新的业务执行使所有的LTE小基站带宽资源、计算资源等处于均衡状态。

步骤6：SDN控制器通过API接口下达业务响应和配置参数。

步骤7：移动终端根据根据接收到的RRC配置参数请求重新配置终端参数，完成与基站侧的匹配，然后可以进行业务传输。

2)SDN控制器对SDN交换机形成的回程网络的控制

SDN控制器对回程网络控制，具体分为用户数据至核心网网关传输控制和寻呼数据至用户设备传输控制，其中用户数据至核心网网关传输控制步骤为：

步骤1：用户的数据业务通过小基站上报至SDN控制器；

步骤2：SDN控制器查询连接到小基站的各个SDN交换机端口负载状况，为用户传输至核心网的数据分配最优的数据转发路径，下发流表；

步骤3：超密集网络中的SDN交换机，通过执行流表，完成数据的高速转发至核心网网关。

其中寻呼数据至用户设备传输控制步骤为：

步骤1：来自Internet数据要传输至移动终端(被寻呼)，通过核心网SDN交换机的可指定端口数据转发的功能，将数据转发至SDN控制器所在的云处理中心；

步骤2：云处理中心对数据进行头部解析找到被寻呼的移动终端所附着的LTE小基站；

步骤3：通过查询各个超密集网络中SDN交换机端口负载状况，分配寻呼数据的最优转发路径，并下发流表；

步骤4:超密集网络中的SDN交换机，通过执行流表，将寻呼数据高速转发至被寻呼移动终端所附着的LTE小基站；

步骤5：LTE小基站将寻呼数据解析下发至被寻呼终端。

有益效果

本发明具有以下优点：提出了一种基于LTE小基站密集组网的SDN控制器，可以对无线接入网络进行集中控制和资源分配，对回程网络进行有效的管理和功能的编排，实现了对无线接入网和回程网络进行联合的优化，联合优化最终可满足用户新业务的快速部署以及整个LTE接入网络和回程网络的负载均衡。

附图说明

图1面向LTE小基站密集组网的SDN控制器实物图及其体系架构图。

图2面向LTE小基站密集组网的体系架构下无线接入网集中控制流程图。

图3面向LTE小基站密集组网的体系架构下回程网负载均衡实现流程图。

具体实施方式

本发明将基于超密集网络在下一代无线通信网络中的理论和应用研究的需要并以之为切入点，将理论分析和研发验证分析相结合，系统性地研究几个关键问题最终形成一个超密集网络，将具有理论意义和实际应用价值。

1.设计出一种基于LTE小基站密集组网的SDN控制器

SDN控制器可以对无线接入网络进行集中控制和资源分配，对回程网络进行有效的管理和功能的编排，实现了对无线接入网和回程网络进行联合的优化。此外，还将网络抽象为应用程序接口API提供给应用层，实现了开放、灵活、可编程的业务配置和管理控制。

通过软件定义的方式实现了控制面和数据面的分离，实现了对核心网的业务分流；通过干扰协调、负载均衡等技术提升了无线接入网络的系统容量，增强了覆盖；网络功能的下沉更好的支持终端的移动性；通过移动边缘计算技术实现了热点内容的存储；网络接口的开放更容易发展新的业务。

面向LTE小基站密集组网的SDN控制器的体系架构如图1所示，包括两个部分：一是对LTE小基站形成的无线接入网络的控制；二是对SDN交换机形成的回程网络的控制。

(1)SDN控制器对LTE小基站形成的无线接入网侧的控制

LTE网络的资源按无线资源、计算资源和存储资源进行划分和存储，放入相应的资源池中。然后，以提高资源的总体利用率为目标，由NFV资源管理和编排系统分别对这三种资源进行资源的管理和分配。根据用户的需求或行为特征，将异构系统的资源划分成若干个虚拟网络供用户使用。虚拟化资源池可以实现对网络资源的统一管理、统一分配、统一部署和统一监控，使得整个网络可以根据负载情况进行虚拟网络功能的动态扩容或缩容。

采用软件定义的方法，以自适应的方式进行控制平面与数据平面的分离。在控制平面通过功能编排部署智能感知系统，利用信息感知技术可以对无线接入平面、底层网络负载、业务应用、终端进行多维度检测和管控，可以实现全面提升网络智能感知与决策能力。传统小区的构建方式将获得突破，不再需要通过预先的功率限制来严格设定小区边缘，而是由处理单元构建覆盖某个服务区域的控制平面，如果有用户发起服务请求，则集中处理单元将根据用户请求的服务质量、当前网络负载状况、干扰状况等分配相应的天线单元及无线资源，从而以用户为中心按需、动态的构建为用户提供服务的用户平面。

面向LTE小基站密集组网的体系架构下无线接入网集中控制流程如图2所示，该方法流程主要包括设备或软件有三种：001，移动终端；002，LTE小基站；003，SDN控制器。

其中，001所述的移动终端为可使用LTE识别卡即SIM卡发起上网或语音等业务的设备。

其中，002所述的LTE小基站为提供移动终端接入至运营商网络的设备，且体积小可提供在家庭及商场中使用。

其中，003所述的SDN控制器为对无线接入网控制的控制器，通过API接口与LTE小基站通信，实现对基站和移动终端的控制。

在包括上述三种设备或软件的情况下，该方法流程为：

100，移动终端开机；安装SIM卡的移动终端开机，移动终端开始扫频收集附近基站的信息。

101，移动终端接收BCCH(广播控制信道)上的系统信息块；移动终端通过无线信道BCCH可接受到来自LTE小基站周期发送的系统信息块，该信息块主要包含了LTE小基站的配置信息及自身接入LTE小基站应该进行的参数配置。

102，移动终端在CCCH(公共控制信道)上发送RRC(无线资源控制)接入请求；移动终端在完成参数配置后，会向基站发送请求接入的请求，该请求内容为用临时识别号作为认证方式在LTE小基站上无线接入。

103，LTE小基站将终端请求接入报告发送给SDN控制；通过开发的API接口，LTE小基站会自动将终端接入的请求信息所包含的内容发送给SDN控制，等待SDN控制器下达处理结果。

104，SDN控制器通过接入控制模块对接入的移动终端进行判断是否接入。

105，SDN控制器接入控制的结果必须满足整个无线接入网络的负载达到均衡状态，保证LTE小基站接入的用户数量尽量达到均衡。

106，SDN控制器对接入完成控制后，下达接入响应结果和移动终端的配置参数指令给LTE小基站。

107，LTE小基站完成对移动终端的参数配置，将上述106中的配置参数指令下达给移动终端，移动终端配置RRC参数完成接入。

200，移动终端有新的业务请求；新的业务请求可包括：传统视频业务；实时游戏业务；IMS短信业务等。

201，移动终端将承载资源分配的请求发送给LTE小基站；资源分配的请求包含了新业务的所需速率下限、时延等参数要求。

202，LTE小基站将新业务请求发送给SDN控制器。

203，SDN控制会根据新业务请求参数内容与已经存储的业务QoS进行匹配，由于是匹配过程，可以较快速进行响应处理。

204，响应处理的结果应满足无线接入网络的网络负载达到均衡，保证此新的业务执行使所有的LTE小基站带宽资源、计算资源等处于均衡状态。

205，SDN控制器通过API接口下达业务响应和配置参数。

206，移动终端根据根据接收到的RRC配置参数请求重新配置终端参数，完成与基站侧的匹配，然后可以进行业务传输。

(2)SDN控制器对SDN交换机形成的回程网络的控制

SDN控制器对回程网络的控制架构中主要有两个关键组件：SDN交换机(SDNSwitch)和SDN控制器(OpenFlow Controller)，两者通过OpenFlow协议协同完成数据的交换工作。SDN控制器为数据转发层制定转发策略，维护网络的动态拓扑信息，增强路由选择的灵活性。而数据转发层则是执行逻辑控制层下所发的策略的实体，负责将接收到的分组按照控制层的要求进行处理，并完成分组转发或丢弃SDN交换机处于转发层面，它根据流表对接收到的数据分组进行处理，如转发、丢弃等。SDN控制器处于控制层面，负责维护全局网络视图信息，并对网络进行集中控制和管理。

控制与转发节点的OpenFlow协议交互、接纳控制、差异性服务等功能。SDN交换机核心处理单元由流表(Flow Table)构成，每个交换机都包含一张流表，并且交换机可以通过OpenFlow协议经过安全通道与控制器通信，对流表进行更新。SDN交换机收到数据分组后，对流表进行匹配。让有数据到达时，按照流表进行数据的转发。

面向LTE小基站密集组网的体系架构下回程网负载均衡实现流程如图3所示，该方法流程图主要是指对于来自Internet的寻呼时，SDN控制实现对回程网络的控制流程，主要包括：

Paging301，Internet有对于移动终端(被寻呼)数据要传输，通过1号SDN交换机的可指定端口数据转发的功能，将数据转发至SDN控制器所在的云处理中心，云处理中心对数据进行解析找到被寻呼的移动终端所附着的LTE小基站。

Paging302，Paging303，Paging304：通过云数据中心获取到1号、2号、3号和4号交换机的每个端口状态，状态主要是指转发数据包大小及实时转发速率；根据这些数据SDN回程网控制器选择一条最优的数据转发路径至4号交换机；4号交换机根据目的地基站地址将数据转发给被寻呼移动终端所在的LTE小基站。

本发明基于此体系架构，研究超密集网络资源的划分和存储以达到资源的高效利用；研究网络智能化的实现，同时支持多种网络协议，灵活部署未来新型网络协议等。

Claims (4)

1.基于LTE小基站超密集组网的软件定义无线网络架构，其特征在于，包括，移动终端、LTE小基站、SDN交换机、云数据中心服务器；

所述移动终端使用SIM卡接入LTE网络的可移动设备，与所述LTE小基站建立空口连接，进行接入、附着、切换等流程；

所述LTE小基站一方面需要与LTE核心网设备进行连接，保证空口连接的所述移动终端上网；另一方面所述LTE小基站通过所述SDN交换机与云数据中心服务器的SDN控制器连接。

所述SDN交换机内部支持OpenFlow协议，通过与SDN控制器的连接，接收并执行SDN控制器流表，实现路由路径的自定义规划；

所述云数据中心服务器是支持云计算处理功能的中心服务器，通过所述SDN交换机与所述LTE小基站连接将LTE小基站资源抽象成虚拟资源池。

2.如权利要求1所述的架构，其特征在于，所述的云数据中心服务器最重要部分为SDN控制器，所述SDN控制器划分为对LTE无线接入网络和回程网络的控制两个组成功能。

3.如权利要求1所述架构的方法，其特征在于，包括：

1)SDN控制器对网络的控制方法

包括SDN控制器对LTE小基站形成的无线接入网侧的控制和SDN控制器对SDN交换机形成的回程网络的控制，具体如下：

1-1)SDN控制器对LTE小基站形成的无线接入网侧的控制

采用软件定义的方法，以自适应的方式进行控制平面与数据平面的分离，LTE小基站的控制部分由SDN控制器来完成。

1-2)SDN控制器无线接入网侧的控制主要分为用户接入控制和新业务请求控制，用户接入控制步骤如下：

步骤1：移动终端开机；安装SIM卡的移动终端开机，移动终端开始扫频收集附近基站的信息。

步骤2：移动终端接收BCCH即广播控制信道上的系统信息块；移动终端通过无线信道BCCH可接受到来自LTE小基站周期发送的系统信息块，该信息块主要包含了LTE小基站的配置信息及自身接入LTE小基站应该进行的参数配置。

步骤3：移动终端在CCCH即公共控制信道上发送RRC即无线资源控制接入请求；移动终端在完成参数配置后，会向基站发送请求接入的请求，该请求内容为用临时识别号作为认证方式在LTE小基站上无线接入；

步骤4：LTE小基站将终端请求接入报告发送给SDN控制；通过开发的API接口，LTE小基站会自动将终端接入的请求信息所包含的内容发送给SDN控制，等待SDN控制器下达处理结果；

步骤5：SDN控制器通过接入控制模块对接入的移动终端进行判断是否接入；

步骤6：SDN控制器接入控制的结果必须满足整个无线接入网络的负载达到均衡状态，保证LTE小基站接入的用户数量尽量达到均衡；

步骤7：SDN控制器对接入完成控制后，下达接入响应结果和移动终端的配置参数指令给LTE小基站。

步骤8：LTE小基站完成对移动终端的参数配置，将上述106中的配置参数指令下达给移动终端，移动终端配置RRC参数完成接入；

2)SDN控制器对SDN交换机形成的回程网络的控制

SDN控制器对回程网络控制，具体分为用户数据至核心网网关传输控制和寻呼数据至用户设备传输控制，其中：

2-1)用户数据至核心网网关传输控制步骤为：

步骤1：用户的数据业务通过小基站上报至SDN控制器；

步骤2：SDN控制器查询连接到小基站的各个SDN交换机端口负载状况，为用户传输至核心网的数据分配最优的数据转发路径，下发流表；

步骤3：超密集网络中的SDN交换机，通过执行流表，完成数据的高速转发至核心网网关；

2-2)寻呼数据至用户设备传输控制步骤为：

步骤1：来自Internet数据要传输至移动终端即被寻呼，通过核心网SDN交换机的可指定端口数据转发的功能，将数据转发至SDN控制器所在的云处理中心；

步骤2：云处理中心对数据进行头部解析找到被寻呼的移动终端所附着的LTE小基站；

步骤3：通过查询各个超密集网络中SDN交换机端口负载状况，分配寻呼数据的最优转发路径，并下发流表；

步骤4:超密集网络中的SDN交换机，通过执行流表，将寻呼数据高速转发至被寻呼移动终端所附着的LTE小基站；

步骤5：LTE小基站将寻呼数据解析下发至被寻呼终端。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述1-2)新业务请求控制步骤如下：

步骤1：移动终端有新的业务请求；新的业务请求包括：传统视频业务；实时游戏业务；IMS短信业务；

步骤2：移动终端将承载资源分配的请求发送给LTE小基站；资源分配的请求包含了新业务的所需速率下限、时延参数要求；

步骤3：LTE小基站将新业务请求发送给SDN控制器；

步骤4：SDN控制会根据新业务请求参数内容与已经存储的业务QoS进行匹配，由于是匹配过程，快速进行响应处理；

步骤5：响应处理的结果应满足无线接入网络的网络负载达到均衡，保证此新的业务执行使所有的LTE小基站带宽资源、计算资源处于均衡状态；

步骤6：SDN控制器通过API接口下达业务响应和配置参数；

步骤7：移动终端根据根据接收到的RRC配置参数请求重新配置终端参数，完成与基站侧的匹配，然后进行业务传输。