CN107959982B - 一种软件定义蜂窝网络epc架构及d2d通信配对方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信技术领域，公开了一种软件定义蜂窝网络EPC架构及D2D通信配对方法。将蜂窝网络EPC架构中SGW和PGW中的控制和数据面进行分离，SGW分为SGW控制单元、SGW数据单元，PGW分为PGW控制单元、PGW数据单元；将SGW控制单元，PGW控制单元的功能包括在SDN控制器内，由控制器完成对网络的控制。SDN控制器，通过有线与SGW数据单元、SGW数据单元连接，遵循OpenFlow协议，进行信息的交互。本发明的D2D通信配对方法，eNB和网关不再负责D2D通信用户的配对，由SDN控制器对该过程进行协调。SDN控制器负责的D2D通信的配对过程更为简单高效，有效降低了时间和信令的消耗。

Description

一种软件定义蜂窝网络EPC架构及D2D通信配对方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种软件定义蜂窝网络分组核心网(EPC，Evolved Packet Core)架构及终端直通(D2D，Device-to-Device)通信配对方法。
背景技术
目前移动无线核心网络的发展面临着丰富的业务需求带来的压力。作为一种新兴网络架构技术，软件定义网络(SDN，software defined network)能够缓解当前移动无线核心网络的压力。通过将网络设备控制面与数据面分离开来，SDN实现了网络流量的灵活控制，为核心网络的发展及应用的创新提供了良好的平台。SDN提高了网络灵活性和可管理性，可实现网络运营的大规模定制，为差异化服务提供更有效的支持。SDN体系结构使网络和网络数据更靠近应用层，也让应用层更靠近网络层，能够将传统网络转变为一个真正高效率的信息高速网络。SDN技术为无线蜂窝网络的技术突破提供了新的解决思路。将SDN技术应用到无线通信网络中能够适应第五代移动通信技术(5G,5th-Generation)时代业务的快速发展，降低运营资本的发展趋势。将SDN技术和现有蜂窝网络进行融合就产生了软件定义蜂窝网络。软件定义蜂窝网络具有以下优势：①业务虚拟化，实施简单；②控制面集中，易于管理；③数据中心提供虚拟专有云服务。以上特点使得应用了SDN技术的蜂窝网络具有了更好的发展前景。D2D通信技术，作为未来蜂窝通信系统中的一项重要技术，在发展中遇到了以下瓶颈：①D2D用户的建立过程需要用户和基站之间的协作，由此带来的复杂的信息交互和大量的信令开销让网络难以承受。②资源管理的难度较大。集中式无线资源管理(RRM,Radio Resource Management)方式下基站对用户实时情况的变化难以及时把握。分步式RRM方式对用户终端设备的处理能力要求较高。多个D2D通信组之间难以直接进行信息交互，提高了资源管理的难度。③D2D通信组的动态控制功能难以实现。传统网络中D2D通信的分组一般是基于静态分组，即一旦分组形成，一直维持到通信完成之后。该方法虽然操作简单，但是灵活性较差。如果用户发生移动，会导致D2D通信传输失败，网络动态控制功能难以实现。以上问题在软件定义蜂窝网络中可以迎刃而解。由于SDN架构下网络节点信息可以实时监控，并且网内所有资源以虚拟化的形式管理，利用SDN对拓扑结构敏感以及中心化控制的优点，将SDN技术应用到蜂窝网络架构中，D2D通信的信令交互变得简单，资源管理难度降低，动态控制也能够实现。因此，在软件定义蜂窝网络架构下，D2D通信在传统网络中受到的限制被解除，拥有了新的发展机遇。
综上所述，现有蜂窝网络架构下D2D通信技术存在的问题是：信息交互复杂、信令开销较大；资源管理的难度较大；D2D通信组的动态控制功能难以实现，灵活性较差。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种软件定义蜂窝网络EPC架构及D2D通信配对方法。
本发明是这样实现的，一种软件定义蜂窝网络EPC架构，所述软件定义蜂窝网络EPC架构包括：
SDN控制器，通过有线与SGW-D,PGW-D连接，遵循OpenFlow协议，互相进行信息的交互；
SGW-D，与eNB连接，用于用户面数据处理，接收和转发蜂窝网络中的数据信息；
PGW-D，与eNB连接，用于蜂窝网络和分组数据网络之间的数据服务。
进一步，所述SDN控制器包括：
路径优化管理模块，根据网络信息，进行路径优化处理；
网络资源管理模块，用于网络资源管理和优化操作；
拓扑信息管理模块，用于接收网络用户节点的拓扑信息和互相之间的拓扑关系；
网络优化模块，用于通过协调接口传送来的信息执行各种优化算法；
移动管理模块，用于实现用户的移动性管理，并包括了传统EPC架构中移动管理实体的功能(MME,MobilityManagement Entity)，包括承载管理、用户的鉴权认证、移动性管理、SGW和PGW的选择等功能；
服务网关控制单元(SGW-C，Serving GateWay Control Unit)，负责控制数据包的路由和转发等功能；
PDN网关数据单元(PGW-C，PDN GateWay Control Unit)，负责管理不同网络间的数据路由，管理用户在不同网络间的移动，还负责DHCP、策略执行、计费等功能；
协调接口，用于SDN控制器各模块之间的信息交互以及SDN控制器与其他网络单元之间的信息交互。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述软件定义蜂窝网络EPC架构下的D2D通信配对方法，所述D2D通信配对方法包括以下步骤：
步骤一，潜在D2D接收节点用户向潜在D2D发送节点用户发送D2D配对请求；
步骤二，潜在D2D发送节点用户向SDN控制器发送D2D配对请求；
步骤三，SDN控制器中的拓扑信息管理模块获取相关用户拓扑信息；
步骤四，SDN控制器中的网络优化模块根据用户拓扑信息执行D2D配对算法；
步骤五，网络优化模块通过协调接口将D2D配对响应信息下发给潜在D2D发送节点用户；
步骤六，潜在D2D发送节点用户根据D2D配对响应信息发送允许配对信息给潜在D2D接收节点用户；
步骤七，SDN控制器中的资源管理模块执行资源分配算法；
步骤八，SDN控制器通过协调接口将资源分配给潜在D2D接收节点用户，潜在D2D发送节点用户用于D2D通信；
步骤九，潜在D2D接收节点用户、潜在D2D发送节点用户开始D2D通信。
本发明的另一目的在于提供一种应用了所述软件定义蜂窝网络EPC架构的通信系统。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述D2D通信配对方法的流程。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的D2D通信配对方法。
本发明在传统蜂窝网络的核心网中引入了SDN技术，得到软件定义的蜂窝网络EPC架构，能够降低信息交互的复杂度，实现蜂窝通信的高效进行；由于SDN架构下网络节点信息可以实时监控，并且网内所有资源以虚拟化的形式管理，能够解决目前D2D通信发展中遇到的瓶颈：D2D用户的建立过程需要用户和基站之间的协作带来的复杂的信息交互和大量的信令开销；资源管理的难度较大；D2D通信组的动态控制功能难以实现。利用SDN对拓扑结构敏感以及中心化控制的优点，将SDN技术应用到蜂窝网络架构中，在软件定义蜂窝网络架构下，D2D通信在传统网络中受到的限制被解除，SDN控制器对D2D通信的配对过程更为简单高效，有效降低了时间和信令的消耗，也有效降低了资源管理的难度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的软件定义蜂窝网络EPC架构示意图；
图中：1、SDN控制器；1-1、路径优化管理模块；1-2、网络资源管理模块；1-3、拓扑信息管理模块；1-4、网络优化模块；1-5、移动管理模块；1-6、SGW-C；1-7、PGW-C；1-8、协调接口；2、SGW-D；3、PGW-D；4、eNB。
图2是本发明实施例提供的软件定义蜂窝网络EPC架构原理结构示意图。
图3是本发明实施例提供的软件定义蜂窝网络EPC架构的D2D通信配对方法流程图。
图4是本发明实施例提供的软件定义蜂窝网络EPC架构的D2D通信配对方法实现流程图。
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明白，以下结合实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的软件定义蜂窝网络架构下D2D通信技术具有重要意义；由于软件定义的蜂窝网络架构下网络节点信息可以实时监控，并且网内所有资源以虚拟化的形式管理，解决目前D2D通信发展中遇到的瓶颈。服务网关控制单元(SGW-C，Serving GateWay ControlUnit)；PDN网关数据单元(PGW-C，PDNGateWay Control Unit)。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的软件定义蜂窝网络EPC架构及D2D通信配对方法、通信系统包括：
SDN控制器1：通过有线与SGW-D,PGW-D连接，遵循OpenFlow协议，互相进行信息的交互；
SGW-D2：与eNB连接，主要负责用户面数据处理，用于接收和转发蜂窝网络中的数据信息；
PGW-D3：与eNB连接，用于蜂窝网络和分组数据网络之间的数据服务；
SDN控制器1包括：
路径优化管理模块：根据网络信息，进行路径优化处理；
网络资源管理模块：负责资源管理和优化操作；
拓扑信息管理模块：接收网络用户节点的拓扑信息和互相之间的拓扑关系；
网络优化模块：用于通过协调接口传送来的信息执行各种优化算法；
移动管理模块，主要负责移动性管理、承载管理、用户的鉴权认证、SGW和PGW的选择等功能；
SGW-C，负责控制数据包的路由和转发等功能；
PGW-C，负责管理不同网络间的数据路由，管理用户在不同网络间的移动，还负责DHCP、策略执行、计费等功能；
协调接口：用于SDN控制器各模块之间的信息交互和SDN控制器与其他网络单元之间的信息交互。
如图2所示，本发明实施例提供的软件定义蜂窝网络EPC架构的D2D通信配对方法包括以下步骤：
S101：用户1向用户2发送D2D配对请求；
S102：用户2向SDN控制器发送D2D配对请求；
S103：SDN控制器中的拓扑信息管理模块获取相关用户拓扑信息；
S104：SDN控制器中的网络优化模块根据用户拓扑信息执行D2D配对算法；
S105：网络优化模块通过协调接口将D2D配对响应信息下发给用户2；
S106：用户2根据D2D配对响应信息发送允许配对信息给用户1；
S107：SDN控制器中的资源管理模块执行资源分配算法；
S108：SDN控制器通过协调接口将资源分配给用户1，用户2用于D2D通信；
S109：用户1、用户2开始D2D通信。
其中，用户1：潜在D2D接收节点用户，用户2：潜在D2D发送节点用户。
本发明利用SDN控制与数据平面分离的特征，在蜂窝通信系统的EPC部分引入SDN技术。主要特性是将SGW和PGW中的控制和数据面进行分离，分别产生SGW-C，SGW-D和PGW-C，PGW-D。进一步，将SGW-C，PGW-C的功能包括在SDN控制器内，由整个控制器完成对网络的控制。本发明还公开了一种架构下的D2D通信配对方式，在软件定义蜂窝网络中，SDN控制器对网络的设备可以直接编程，eNB和网关不再负责D2D用户的配对，而是由SDN控制器对该过程进行协调。SDN控制器负责的D2D通信的配对过程更为简单高效，有效降低了时间和信令的消耗。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种软件定义蜂窝网络EPC系统，其特征在于，所述软件定义蜂窝网络EPC系统包括：
软件定义网络控制器，通过有线与服务网关数据单元，PDN网关数据单元连接，遵循OpenFlow协议，互相进行信息的交互；
SGW-D，与eNB连接，用于用户面数据处理，接收和转发蜂窝网络中的数据信息；
PGW-D，与eNB连接，用于蜂窝网络和分组数据网络之间的数据服务；
所述软件定义网络控制器包括：
路径优化管理模块，根据网络信息，进行路径优化处理；
网络资源管理模块，用于网络资源管理和优化操作；
拓扑信息管理模块，用于接收网络用户节点的拓扑信息和互相之间的拓扑关系；
网络优化模块，用于通过协调接口传送来的信息执行各种优化算法；
移动管理模块，用于实现用户的移动性管理，并包括了传统EPC架构中移动管理实体的功能，包括承载管理、用户的鉴权认证；
服务网关控制单元，用于控制数据包的路由和转发；
PDN网关数据单元，用于管理不同网络间的数据路由，管理用户在不同网络间的移动，还负责DHCP、策略执行、计费；
协调接口，用于SDN控制器各模块之间的信息交互以及SDN控制器与其他网络单元之间的信息交互。
2.一种利用权利要求1所述软件定义蜂窝网络EPC系统下的D2D通信配对方法，其特征在于，所述D2D通信配对方法包括以下步骤：
步骤一，潜在D2D接收节点用户向潜在D2D发送节点用户发送D2D配对请求；
步骤二，潜在D2D发送节点用户向SDN控制器发送D2D配对请求；
步骤三，SDN控制器中的拓扑信息管理模块获取相关用户拓扑信息；
步骤四，SDN控制器中的网络优化模块根据用户拓扑信息执行D2D配对算法；
步骤五，网络优化模块通过协调接口将D2D配对响应信息下发给潜在D2D发送节点用户；
步骤六，潜在D2D发送节点用户根据D2D配对响应信息发送允许配对信息给潜在D2D接收节点用户；
步骤七，SDN控制器中的资源管理模块执行资源分配算法；
步骤八，SDN控制器通过协调接口将资源分配给潜在D2D接收节点用户，潜在D2D发送节点用户用于D2D通信；
步骤九，潜在D2D接收节点用户、潜在D2D发送节点用户开始D2D通信。
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