CN107426037A - 一种灵活的室内网络架构设计及资源配置方法 - Google Patents

一种灵活的室内网络架构设计及资源配置方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种灵活的室内网络架构设计及资源配置方法，该方法通过引入大量的、低功耗的、低成本的、采用双规则几何分布的演进型无线接入点E‑AP(Evoluted Access Point)，采用软件定义网络SDN(Software Defined Network)的中心式思想对E‑APs进行控制，实现一种室内的软件定义的扩展网络架构。并提出一种适用于室内大量移动设备通信的合理的资源配置与自主化的移动管理方案。该方案通过E‑APs与环境感知传感器联合使用采集移动UE(User Equipment)信息，结合期望速率和转移概率矩阵对E‑APs进行配置，在该时刻保证了较高的速率，并且能够提前预测下一时刻的E‑APs分配，从而降低延迟，实现网络的无缝连接。该方法是一种联合的通信与计算，能够保证更高的通信速率、更好的通信质量和更灵活的网络架构。

Description

一种灵活的室内网络架构设计及资源配置方法
技术领域
本发明涉及移动通信领域，具体涉及超密集网络中的资源配置与自主化移动管理，合理的图形结构以及移动边缘计算领域。
背景技术
为保证更高通信速率和更好的通信质量，减小小区半径，提高频谱资源的空间复用率，以及提高单位面积的传输能力是必然的技术需求。在现有的无线通信系统中,减小小区半径是通过小区分裂的方式完成的。但由于小区的覆盖范围不断变小，最优站点的位置难以得到，小区进一步分裂难以实施，因此只能通过增加低功率节点数量的方式提升系统容量,因此形成了超密集部署的网络架构。在超密集异构网络中，网络的密集化为终端UE提供了更大的带宽和更高的数据速率，但由于无线接入点AP(Access Point)的数量剧增，可能会导致频繁的AP重分配等问题。
现有的AP资源重分配主要分三个阶段：发现新AP阶段、认证阶段和重连接阶段。在第一阶段，UE通过主动搜索或被动搜索周围APs发出的信标帧信号，并选择向信号强度最大的AP发出连接请求。在第二阶段，为了能够进行网络的交互，UE和AP必须首先交换认证信息。在第三阶段，UE向新AP发出重新建立连接请求，如果新AP接受该请求并对UE作出反应，UE则与新AP建立链路，通过新的路径进行通信。由此，每一个阶段都占用一定的时间，而且在该过程中，UE不能进行数据收发，可能会造成通信的中断或者发往旧AP链路上的数据包丢失，影响传输的服务质量(QoS)。因此，使得现有的室内网络架构存在网络延迟大，灵活性低，移动速率有待提高等问题，需要一种灵活的网络结构与资源配置方法。而本发明能够很好地解决上面的问题。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种灵活的室内网络架构设计及资源配置方法，该方法利用双规则几何的半结构化异构网络模型对演进型无线接入点E-APs进行部署，并对其进行合理的资源配置与移动管理。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种灵活的室内网络架构设计及资源配置方法，该方法包括以下步骤：
1)采用双规则几何的半结构化异构网络模型对E-APs进行部署，实现一种室内的软件定义的异构蜂窝网络的扩展模式；
2)采集移动UE信息，建立E-APs之间的转移概率矩阵，进行合理的资源配置与自主化的移动管理，实现UE与网络的无缝连接。
进一步的，所述步骤1)中利用双规则几何的半结构化异构网络模型对E-APs进行部署具体为：为提高频谱资源的空间复用率，以及单位面积的传输能力，实现一种灵活的室内网络设计，本发明方法引入超密集部署的、低功耗的、低成本的、采用双规则几何状分布的演进型无线接入点E-APs。这里的双规则几何可以为双圆环，双矩形等。在每平方公里无线接入点密度相同的条件下，双(层)规则几何下各个E-APs间的最小欧式距离将大于单(层)规则几何。在室内覆盖空间比较小场合，本半结构化网络拓扑可以退化为单(层)规则几何。特别地，当采用三维无线部署时，双(层)规则几何比单(层)规则几何具有更好的适应性。与三层以上规则几何比较，双(层)规则具有良好的网络部署复杂度。简言之，本半结构化网络拓扑不同于现有结构化的宏蜂窝系统的结构，不同于商用的mesh网络结构，也不同于更具有随机拓扑特点的Ad hoc网络结构。
进一步的，所述步骤1)中一种室内的软件定义的异构蜂窝网络的扩展模式具体为：E-APs部署是一种由SDN中心式控制的，对室外蜂窝网络进行灵活扩展的室内网络架构方法。E-APs初始化为休眠状态，SDN中心控制功能实体根据移动边缘计算结果控制其休眠与激活状态，以减少功率消耗，实现一种软件定义的扩展网络设计。
进一步的，所述步骤2)中实时采集移动UE信息具体为：E-APs能够与其它环境感知传感器如手势识别传感器等联合使用，可以利用低功耗雷达感知周围移动UE的位置等信息。由移动边缘计算进行网络边缘感知，进行UE与E-APs之间的欧式距离和路径增益等计算。
进一步的，所述步骤2)建立E-APs之间的转移概率矩阵，进行合理的资源配置具体为：根据马尔科夫过程，结合E-APs的速率期望，建立优化的转移概率矩阵，目的是根据不同UE的当前服务E-AP去预测UE下一个可能到达的目标E-AP，以实现对E-APs的合理配置。
进一步的，所述步骤2)中自主化的移动管理，实现UE与网络的无缝连接具体为：考虑一种室内的大量移动设备通信应用，如医院、厂房等室内机器人安全监控、物流配送等移动场景。根据预测结果，由中心式的SDN控制器提前激活相应E-AP，并分配给移动UE，完成一次E-APs配置，实现UE与网络的无缝连接。
有益效果：
1、本发明方法在MBS的覆盖范围下部署了大量的、低功耗的、低成本的、采用双规则几何分布的演进型无线接入点E-APs，采用SDN中心式的控制对E-APs进行合理配置，能够提高频谱资源的空间复用率，以及单位面积的传输能力，实现一种灵活的室内网络设计模式。与简单的单(层)规则几何不同，本发明提出的半结构化的网络拓扑将更便于室内稠密网络的实际部署。
2、本发明方法结合期望速率和转移概率矩阵来进行配置的E-APs在该时刻保证了较高的速率，并且本发明能够提前预测下一时刻的E-APs分配，从而降低延迟，实现网络的无缝连接；
3、本发明方法为室内的大量移动设备应用，如医院、厂房等室内机器人安全监控、物流配送等移动场景，实现了一种联合的通信与计算方案。
附图说明
图1为本发明方法的一种灵活的室内网络架构设计及资源配置方法流程图。
图2为本发明方法的一种室内的软件定义的扩展网络架构图。
图3为本发明方法的一种资源配置方法的流程图。
图4为具体实施方式中终端A所经历的资源配置E-APs序列仿真结果图。
图5为具体实施方式中终端A所经历的资源配置E-APs序列速率仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明所述的一种室内的软件定义的扩展网络架构模型，如图2所示，在正六边形的异构蜂窝网络中含有一个宏基站MBS(Macro Base Station)，以及在其覆盖范围下的15个密集部署的E-APs，定义为E＝{E1,E2,…,E15}。这里的E-APs是一种低功耗的、低成本的、采用双规则几何分布的无线接入点，能够与其它环境感知传感器如手势识别传感器等联合使用。图2中所采用的双规则几何为双圆环，其中内环部署5个E-APs，外环部署10个E-APs。MBS通过有线的高速回程连接到SDN中心控制功能实体，E-APs通过有线或者无线回程连接到SDN中心控制功能实体。本发明定义E-APs初始化为休眠状态，SDN中心控制器根据计算结果控制E-APs的休眠与激活状态，以减少功率消耗。该模型是对室外网络进行扩展的室内网络架构方法，是一种室内的软件定义的异构蜂窝网络的扩展模式。
图2中随机分布了大量移动UE，我们考虑一种室内的大量移动设备通信应用，如医院、厂房等室内机器人安全监控、物流配送等移动场景。根据本发明方法进行合理的E-APs配置，为移动UE分配合理的E-APs，进行一种软件定义的扩展网络设计。
使用本发明方法时，E-APs资源分配算法的流程图如图3所示，具体实现步骤如下：
步骤1.实时采集各个移动UE的位置信息，以及信道信息。由于E-APs能够与其它环境感知传感器如手势识别传感器等联合使用，可以利用低功耗雷达感知周围移动UE的位置信息，并将信息反馈到E-APs。
步骤2.利用移动边缘计算将步骤1中采集的信息进行网络边缘感知，进行UE与E-APs之间的欧式距离和路径增益等相关计算，以保持低的滞后时间，增加网络灵活性。
步骤3.计算UE在E-APs之间的转移概率，建立转移概率矩阵M。其基本步骤如下：
1)参考马尔可夫过程的“无后效性”，将UE的位置Y作为一个随机变量，将UE所分配的E-AP序列作为状态集，则根据马尔科夫过程的定义，过程在时刻t(t＞to)的E-AP配置仅与过程在to时刻的E-AP配置有关，而与过程在时刻to以前所处的E-APs配置无关。
2)这里定义i,j∈E，本发明假定当UE的邻居接入点i的信号接收功率比服务接入点j的信号接收功率高出一个门限时，UE的节点重分配操作将被触发。则转移概率pij(t)即为接入点i的信号接收功率减去接入点j的信号接收功率大于门限的概率。
3)建立转移概率矩阵：
其中n为网络中所部署E-APs的数目，图2中设置n＝15。建立概率转移矩阵M的目的是根据UE当前的E-AP(即Esour)去预测UE下一个可能到达的E-AP(即Etar)。其中矩阵M中的元素表示UE从行元素所代表的E-AP转移到列元素所代表的E-AP的概率。
步骤4.计算E-APs的速率期望，优化转移概率矩阵使得E-APs配置能够保证较高的速率。其基本步骤如下：
1)由于所有的E-APs采用同频信道传输，因此需要考虑E-APs之间的相互干扰，则定义接入点i的信号与干扰加噪声比等于服务接入点i的信号功率与噪声和其余所有激活状态接入点的信号功率的比值。即：其中Pnoise代表噪声功率，PTxi为接入点i的发射功率，gaini(t)为路径增益，j代表除服务接入点i以外的所有处于激活状态的E-APs。
2)分别计算该时刻所有E-APs的速率期望，即：Ri(t)＝E[log2(1+SINRi(t))]。
3)优化的转移概率矩阵为：
步骤5.进行E-APs配置，为UE分配合理的E-APs。其基本步骤如下：
1)根据马尔科夫定义，建立转移概率矩阵的目的就是根据UE当前服务E-AP找到概率转移矩阵中的相应行，该行中最大的元素值对应的列所代表的E-AP就是预测结果。则该UE的目标分配接入点Etar为：
2)假定当在0<t<Th的时间内保持，将为该UE分配接入点Etar，Th为触发时间，在图4中取Th＝180ms。
3)若2)不成立，即仅在很短的时间内Etar的信号接收功率高于Esour。因此，为了维持网络的稳定性，仍将接入点Esour分配给UE。
步骤6.若Etar处于休眠状态，则由SDN中心控制器控制接入点Esour休眠，并激活接入点Etar，且将接入点Etar分配给UE，完成一次E-APs配置。
为验证该发明的可行性，本发明假定图1中的终端A以1m/s的速度沿箭头方向做匀速直线运动，沿用户移动轨迹有多个E-APs，本发明根据上述步骤得到如图4所示的用户A所经历的E-APs配置。可以观察到用户A被分配到的E-APs依次为E12、E4、E5、E1、E6。为验证结果，仿真了沿用户轨迹的E-APs的速率曲线，如图5所示，其它节点速率很低，因此没有添加。这里仅考虑路径损耗以及快衰落信道，其中系统载频为3.65Ghz，MBS和APs的发射功率分别为46dBm、24dBm，MBS和E-APs的路径损耗系数分别为4.5、2.5，快衰落增益为单位均值。观察图4、5可知，按照本发明所述步骤所分配的E-APs在该时刻保证了较高的速率。并且本发明能够提前预测下一时刻的E-APs分配，缩短时延，实现网络的无缝连接。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种灵活的室内网络架构设计及资源配置方法，其特征在于，所述方法包括：
采用双规则几何的半结构化异构网络模型对E-APs进行部署，实现一种室内的软件定义的异构蜂窝网络的扩展模式；
采集移动UE信息，建立E-APs之间的转移概率矩阵，进行合理的资源配置与自主化的移动管理，实现UE与网络的无缝连接。
2.根据权利要求1所述的一种灵活的室内网络架构设计及资源配置方法，其特征在于，采用双规则几何的半结构化异构网络模型对E-APs进行部署为：引入超密集部署，采用双规则几何状分布的演进型无线接入点E-APs。
3.根据权利要求1或2所述的一种灵活的室内网络架构设计及资源配置方法，其特征在于：所述的双规则几何为双圆环或者双矩形。
4.根据权利要求1所述的一种灵活的室内网络架构设计及资源配置方法，其特征在于，软件定义的异构蜂窝网络的扩展模式为：E-APs初始化为休眠状态，SDN中心控制功能实体根据移动边缘计算结果控制其休眠与激活状态。
5.根据权利要求1所述的一种灵活的室内网络架构设计及资源配置方法，其特征在于：在每平方公里无线接入点密度相同的条件下，双规则几何下各个E-APs间的最小欧式距离将大于单规则几何，在室内覆盖空间比较小场合，所述半结构化网络拓扑能退化为单规则几何。
6.根据权利要求1所述的一种灵活的室内网络架构设计及资源配置方法，其特征在于，实时采集移动UE信息为：E-APs能够与其它环境感知传感器如手势识别传感器等联合使用，能够利用低功耗雷达感知周围移动UE的位置等信息，由移动边缘计算进行网络边缘感知，进行UE与E-APs之间的欧式距离和路径增益计算。
7.根据权利要求1所述的一种灵活的室内网络架构设计及资源配置方法，其特征在于：建立E-APs之间的转移概率矩阵，进行合理的资源配置为：根据马尔科夫过程，结合E-APs的速率期望，建立优化的转移概率矩阵，根据不同UE的当前服务E-AP去预测UE下一个可能到达的目标E-AP，以实现对E-APs的合理配置。
8.根据权利要求1所述的一种灵活的室内网络架构设计及资源配置方法，其特征在于，所述自主化的移动管理，实现UE与网络的无缝连接为：根据预测结果，由中心式的SDN控制器提前激活相应E-AP，并分配给移动UE，完成一次E-APs配置。
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