CN108174419A - 一种基于软件定义的多制式无线网络高效切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于软件定义的多制式无线网络高效切换方法，属于无线通信领域，首先搭建LTE和WiFi的链路传输平台，终端同时接入LTE和WiFi网络；控制器与两个客户端建立异步等待连接，实时监听控制器自身端口；控制器的业务源接收线程接收视频数据并进行打包；然后控制器将打包的视频数据发送到UE侧的控制器客户端，接收视频数据和测试数据，并统计两条链路的传输链路信息回传给控制器；控制器根据丢包率进行链路传输状况优劣的比较，如果进行链路切换，发送链路切换命令回到控制平台，实现链路之间的智能切换。本发明实现了异构网间无缝、智能的切换，消除了异构网间切换的鉴权接入等过程，降低了异构网间的切换业务响应时延。

Description

一种基于软件定义的多制式无线网络高效切换方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，涉及到LTE和WiFi异构无线网络之间的无缝切换技术，具体是一种基于软件定义的多制式无线网络高效切换方法。
背景技术
移动互联网时代的到来，带动了数据流量的爆发式增长，人们对互联网的应用场景更多的转向了视频直播、数据传输等大流量的业务，因此对网络容量的提升迫在眉睫。
在当今众多无线网络技术中，WiFi和蜂窝技术毫无疑问是使用最广泛、发展最成功的两大无线技术，两者都有其鲜明的特点。WiFi部署简单快捷、网络容量大，传输速率高，是人们室内接入互联网的最好选择，但是其覆盖范围小，可移动性是其短板。蜂窝技术则与之相反，基本上覆盖全球所有范围，而且支持移动性应用，但是蜂窝技术运行与授权频段，频谱资源紧张。
未来的无线通信网络必然是面向多制式、支持多种网络共存的异构网络，LTE(Long TermEvolution，长期演进)和WiFi网络技术的有效结合、优势互补具有重要的研究意义。
软件无线电技术，通过软件来定义通信规则，控制传统的硬件设备进行无线通信。软件无线电技术的重要价值在于：将无线通信的硬件设备仅仅作为实现信号处理以及收发的底层硬件平台，而信号处理的规则、无线通信的规则由软件来进行定义，这打破了由硬件设备的发展来决定无线通信技术能否实现的局限。
LTE/WiFi链路聚合(LTE-WiFi Link Aggregation，LWA)技术是解决LTE数据流量通过非授权频段进行传输的理想方法。借助LWA技术，将LTE数据流量进行分流，一部分利用WiFi网络进行传输，另一部分仍然通过LTE传输，以提升LTE网络的传输性能。通过WiFi网络传输的数据流量最后会发送到LTE的蜂窝基站进行相应处理，从而有效恢复会话。分流的数据流量最终会在LTE的蜂窝基站进行整合处理，并发送到移动分组核心网(evolved packetcore，EPC)，由此上传到互联网。
通过LWA技术WiFi也可以享有LTE网络的一些服务；例如流量统计、身份鉴权、数据包检测以及拦截等，同时通过WiFi网络，与LTE网络断开连接的用户可以重新连接到互联网。LWA技术要求在所部署的LTE小型基站覆盖范围内的所有WiFi接入点都要进行软件更新从而实现LWA功能，同时WiFi网络也为非LWA数据流量提供服务，这样就结合了LTE和WiFi技术的优点，使得LWA成为充分利用频谱资源且通过WiFi网络增强LTE性能的有效技术方案。
LWA技术主要目的在于利用非授权频段进行数据传输，通过WiFi网络来提升LTE网络的传输性能，并不能根据当前异构网络的传输质量，进行异构网间的无缝切换，智能地选择最优的无线网络，无法适应当今用户移动性强，在异构网间来回切换的场景，不能保证服务质量的可靠性。
同时，由于当前不同制式无线网络之间的技术方案、协议标准和覆盖范围等差异很大，用户在不同制式无线网络之间的切换业务响应时延较大，且无法保证切换后的网络质量提升。
发明内容
本发明的主要目的是在多制式异构无线网络中，基于软件无线电设备搭建LTE和WiFi链路传输平台，终端同时接入LTE和WiFi网络，从而降低异构网间的切换业务响应时延；实时统计用户当前各条链路的传输质量，设计算法合理评估各链路的优劣，智能地选择最优的传输链路，并且降低异构网络之间的切换业务响应时延，提升用户体验，提出了一种基于软件定义的多制式无线网络高效切换方法。
具体步骤如下：
步骤一、基于软件无线电设备搭建LTE和WiFi的链路传输平台，终端同时接入LTE和WiFi网络；
所述的传输平台包括控制平台和传输平台；
控制平台包括最上层的控制器，位于基站侧的控制器客户端，以及位于UE侧的控制器客户端；传输平台作为底层传输链路，由LTE链路和WiFi链路组成；进行数据流量的传输，对异构网络的传输及切换性能进行验证。
最上层控制器负责发送数据、切换传输链路、处理客户端回传的反馈信息等功能，为四线程应用，包括主线程，业务源接收线程，LTE发送线程以及WiFi发送线程；
主线程启动程序并接受链路状况反馈信息，将反馈信息实时显示在控制器主界面上；
业务源接收线程从业务源接收数据，并添加上相应数据进行打包处理；打包好的数据经LTE发送线程和WiFi发送线程分别发送到LTE链路的数据接收端口以及WiFi链路的数据接收端口，分别经LTE链路和WiFi链路传输到位于UE侧的控制器客户端。
步骤二、控制器与两个客户端分别建立异步等待连接，并实时监听控制器自身端口；
两个客户端为位于基站侧的控制器客户端，以及位于UE侧的控制器客户端；
步骤三、当某视频数据传输到控制器端口时，控制器的业务源接收线程接收该业务数据，并进行打包；
步骤四、两个客户端分别发送连接请求给控制器，控制器记录UE侧的控制器客户端的IP地址及端口号作为传输数据的目标地址；
步骤五、控制器将打包的视频数据通过LTE链路或WiFi链路发送到目标地址；
首先，控制器人为设定某条链路为视频数据的传输链路，另一条链路同时发送测试数据用于测试链路状况，即备用链路；
测试数据包括的信息为：除掉视频数据后的其余与传输链路相同的信息。
步骤六、目标地址接收视频数据和测试数据，并统计两条链路的传输链路信息回传给控制器；
UE侧的控制器客户端接收视频数据后，统计传输链路的链路质量信息并反馈回传给控制器，同时将视频数据转发给VLC播放器进行视频播放；
UE侧的控制器客户端接收测试数据后，统计备用链路的链路质量信息并回传给控制器。
传输链路信息包括：吞吐量、丢包率以及端到端时延等，并实时地显示在控制平台窗口界面上；
步骤七、控制器根据两条链路质量信息中的丢包率进行链路传输状况优劣的比较，判断是否进行链路切换，如果是，发送链路切换命令回到控制平台，实现链路之间的智能切换；否则，继续保持现有传输模式。
当备用链路的丢包率a小于10％时，且备用链路丢包率a相较于传输链路的丢包率b降低提升达到25％以上；即(b-a)/b>25％时向控制器发送链路切换命令，将备用链路改为传输链路，传输链路变为备用链路。
当备用链路的丢包率a>10％则不用进行比较，维持当前的传输模式。
本发明的优点在于：
1)、一种基于软件定义的多制式无线网络高效切换方法，利用软件无线电设备搭建LTE和WiFi多制式异构网络无缝切换平台，保持终端同时接入LTE和WiFi网络，将控制功能集中到控制平台，实现了异构网间无缝、智能的切换。
2)、一种基于软件定义的多制式无线网络高效切换方法，通过采用备用链路达到立即切换，消除了异构网间切换的鉴权接入等过程，降低了异构网间的切换业务响应时延。
3)、一种基于软件定义的多制式无线网络高效切换方法，实时地统计LTE和WiFi网络的传输质量，设计算法合理地评估各网络质量优劣，终端切换选择最优的传输网络，保证异构网间切换的服务质量。
附图说明
图1为本发明基于软件定义的多制式无线网络高效切换方法原理图；
图2为本发明基于软件定义的多制式无线网络高效切换方法流程图；
图3为本发明基于软件无线电设备搭建LTE和WiFi的链路传输平台示意图；
图4为本发明最上层控制器的四线程应用示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方法进行详细说明。
现有的多制式异构无线网间的无缝切换技术，存在以下两个方面的缺点：第一，当前商用LTE和WiFi网间由于技术方案和协议标准的不同，在每次进行切换时都需要进行鉴权接入等步骤，导致了较大的LTE和WiFi网间切换业务响应时延，用户体验较差。第二，在进行异构网间切换时，无法实时地统计各链路的传输质量，无法根据统计数据设计相应算法合理地评估各链路的优劣从而切换选择最优的传输链路，因此不能保证异构网间切换后的服务质量。
本发明一种基于软件定义的多制式无线网络高效切换方法，通过搭建LTE和WiFi异构无线网络传输平台，如图1所示，业务源传输业务数据到上层控制平台，控制平台通过LTE和WiFi两条传输链路分别将业务数据传输到客户端，同时客户端实时统计各条链路的传输信息以及根据链路比较规则判决是否需要切换链路，控制器处理链路反馈信息以及链路切换命令，根据当前网络质量智能地选择最优的传输链路，保证切换后的服务质量，且相较于现有商用LTE和WiFi网络间切换业务响应时延大幅降低。
如图2所示，具体步骤如下：
步骤一、基于软件无线电设备搭建LTE和WiFi的链路传输平台，终端同时接入LTE和WiFi网络；
软件无线电设备为USRP N210和B210，
所述的传输平台如图3所示，包括控制平台和传输平台；
业务源传输业务数据给控制平台，控制平台利用C#语言开发，包括最上层的控制器，位于基站侧的控制器客户端，以及位于UE侧的控制器客户端；传输平台作为底层传输链路，由LTE链路和WiFi链路组成；进行数据流量的传输，对异构网络的传输及切换性能进行验证。
控制平台具备界面展示、流量分发、链路信息统计和智能切换等功能，控制平台对数据源发过来的数据进行统计处理，并且根据命令将数据分发到LTE链路或者WiFi链路，同时链路根据UE侧的控制器客户端回传的链路反馈信息，统计当前传输链路及备用链路的链路信息并实时地显示在控制平台窗口界面上，根据链路优劣判决规则，智能地选择当前最优传输链路。
最上层控制器负责发送数据、切换传输链路、处理客户端回传的反馈信息等功能，如图4所示，为四线程应用，包括主线程，业务源接收线程，LTE发送线程以及WiFi发送线程；
主线程启动程序并接受链路状况反馈信息，将反馈信息实时显示在控制器主界面上；
业务源接收线程：该线程主要负责从业务源接收数据，并将数据进行打包处理，添加上相应数据，并将数据交由主线程进行统计处理；由函数receivePacketFromVLC实现从业务源接收数据的功能。
LTE发送线程：该线程主要负责将打包好的数据发送到LTE链路的数据接收端口，LTE链路会读取端口数据，由此数据通过LTE链路传输到UE侧的控制器客户端；
LTE发送线程由函数sendmessage_LTE实现如下功能：从主线程的Client数组里拿到目的地址，将数据通过LTE链路发送到目的地址，同时在发送时进行链路吞吐量的统计，将吞吐量结果实时地显示在窗口界面上。
WiFi发送线程：该线程主要负责将打包好的数据发送到WiFi链路的数据接收端口，WiFi链路会读取端口数据，由此数据通过LTE链路传输到UE侧的控制器客户端；
WiFi发送线程由函数sendmessage_WiFi实现如下功能：从主线程的Client数组里拿到目的地址，将数据通过LTE链路发送到目的地址，同时在发送时进行链路吞吐量的统计，将吞吐量结果实时地显示在窗口界面上。
位于基站侧的控制器客户端，主要负责与上层控制器建立连接，从上层控制器接收数据并且将接收到的数据转发到本地的WiFi发送端口，由WiFi链路将数据发送到UE侧控制器客户端。
位于UE侧的控制器客户端，负责将LTE链路和WiFi链路发送过来的数据进行整合、排序等处理，得到反馈信息TCPMessage集合，对达到一定数目的TCPMessage反馈信息进行处理，将多个TCPMessage信息汇总得到一个反馈信息TCPMessageSingle，将其由sendMessage函数统计反馈信息发送给上层控制器，数据将在窗口页面展示，反映链路的实时通信状况优劣；同时将原始发送的视频数据抽离出来交给应用层-VLC播放器进行视频播放。
WiFi链路基于gr-ieee802-11项目以及GNU Radio平台搭建，并采用软件定义可编程射频远端USRP N210设备，能够实现业务数据的有效传输，将其与基于OpenAirInterface(OAI)搭建的LTE链路进行异构无线网络融合，实现了LTE/WiFi异构无线网络传输平台。
步骤二、控制器与两个客户端分别建立异步等待连接，并实时监听控制器自身端口；
两个客户端为位于基站侧的控制器客户端，以及位于UE侧的控制器客户端；
控制器对自身端口进行监听，初始并不接收数据，因此占用CPU资源较少，当端口有数据传来时，控制器接收数据然后进行分类处理。
步骤三、当某视频数据传输到控制器端口时，控制器的业务源接收线程接收该业务数据，并进行打包；
步骤四、两个客户端分别发送连接请求给控制器端口，控制器记录UE侧的控制器客户端的IP地址及端口号作为视频传输数据的目标地址；
步骤五、控制器将打包的视频数据通过LTE链路或WiFi链路发送到目标地址；
LTE链路和WiFi链路各自的IP地址和端口号组成数据接收端口，LTE和wifi链路循环从自己的数据接收端口读取数据，当控制器发送数据过来时，对应的链路将数据发送到目标地址。
首先，控制器人为设定某条链路为视频数据的传输链路，另一条链路同时发送测试数据用于测试链路状况，即备用链路；
当一条链路进行数据传输时，另一条链路不能处于待运行状态而是同时传输一些测试数据，测试数据不包含实际业务数据，而是仅仅用得到链路传输状况优劣，在传输过程中不停的比较两条链路的传输状况优劣情况，如果当前传输链路状况不如另一条链路时，则控制平台进行切换，采用另一条链路进行传输，由此实现了异构网络之间的智能切换，保证传输链路的最优性。
步骤六、目标地址接收视频数据和测试数据，并统计两条链路的传输链路信息回传给控制器；
UE侧的控制器客户端接收视频数据后，统计传输链路的链路质量信息并反馈回传给控制器，同时将视频数据转发给VLC播放器进行视频播放；
UE侧的控制器客户端接收测试数据后，统计备用链路的链路质量信息并回传给控制器。
传输链路信息包括：吞吐量、丢包率以及端到端时延等，并实时地显示在控制平台窗口界面上；
当UE侧的控制器客户端发送到此端口的是反馈信息时，控制器进行数据接收并对其进行处理，receive_fankui_single函数则对反馈信息进行处理，提取反馈信息里面的属性值，计算处理后得到丢包率、包间隔等信息，同时将这些信息动态的展示在窗口界面上；
接收处理LTE链路传输过来的数据包的功能由ReceiveMessage函数实现，该函数主要是对接收LTE链路传输过来的数据进行处理，一方面将CP2PMessage数据对象里添加的value、time等属性提取出来进行处理得到反馈信息，另一方面将原始数据抽离出来发送给VLC播放器。
接收wifi链路的数据包逻辑相同。
步骤七、控制器根据两条链路质量信息中的丢包率进行链路传输状况优劣的比较，判断是否进行链路切换，如果是，发送链路切换命令回到控制平台，实现链路之间的智能切换；否则，继续保持现有传输模式。
本发明对丢包率的比较设置了阈值空间，当备用链路的丢包率a小于10％时，且备用链路丢包率a相较于传输链路的丢包率b降低提升达到25％以上；即(b-a)/b>25％时向控制器发送链路切换命令，依据约定向最上层控制器发送切换命令“change link”，最上层控制器收到该命令后会进行链路切换：将备用链路改为传输链路，传输链路变为备用链路。
当备用链路的丢包率a>10％则不用进行比较，维持当前的传输模式。
本发明对不同链路的传输状况优劣进行比较，原有手动切换模式下会对业务数据反馈信息集合mytcplist里的数据进行处理，统计多个反馈信息TCPMessage得到一个汇总链路反馈信息TCPMessageSingle发送回到最上层控制器并实时显示在窗口界面上。
智能切换模式下，传输链路发送视频数据到目的地址，同时用备用链路发送测试数据，在保持原有链路状况反馈信息回传不变的情况下，备用链路不断产生测试数据包，需要统计备用链路的测试数据反馈信息，然后根据判决规则进行比较得出不同链路的传输状况优劣，决定是否需要进行链路切换；测试数据反馈信息的处理逻辑与业务数据相同。
终端对收到的数据包进行分类处理，如果是视频数据，则统计传输链路的链路质量信息，同时将视频数据转发给VLC播放器进行视频播放，如果是测试数据，则统计备用链路的链路传输信息，同时传输链路的链路质量信息将会回传给控制器。
本发明控制平台实时统计LTE和WiFi异构网络的传输质量，设计并开发智能切换功能，根据链路质量信息动态地设置丢包率阈值区间，实现智能的链路选择。

Claims (7)

1.一种基于软件定义的多制式无线网络高效切换方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、基于软件无线电设备搭建LTE和WiFi的链路传输平台，终端同时接入LTE和WiFi网络；
所述的传输平台包括控制平台和传输平台；
控制平台包括最上层的控制器，位于基站侧的控制器客户端，以及位于UE侧的控制器客户端；传输平台作为底层传输链路，由LTE链路和WiFi链路组成；进行数据流量的传输，对异构网络的传输及切换性能进行验证；
步骤二、控制器与两个客户端分别建立异步等待连接，并实时监听控制器自身端口；
步骤三、当某视频数据传输到控制器端口时，控制器的业务源接收线程接收该业务数据，并进行打包；
步骤四、两个客户端分别发送连接请求给控制器，控制器记录UE侧的控制器客户端的IP地址及端口号作为传输数据的目标地址；
步骤五、控制器将打包的视频数据通过LTE链路或WiFi链路发送到目标地址；
控制器人为设定某条链路为视频数据的传输链路，另一条链路同时发送测试数据用于测试链路状况，即备用链路；
步骤六、目标地址接收视频数据和测试数据，并统计两条链路的传输链路信息回传给控制器；
步骤七、控制器根据两条链路质量信息中的丢包率进行链路传输状况优劣的比较，判断是否进行链路切换，如果是，发送链路切换命令回到控制平台，实现链路之间的智能切换；否则，继续保持现有传输模式；
当备用链路的丢包率a小于10％时，且备用链路丢包率a相较于传输链路的丢包率b降低提升达到25％以上；即(b-a)/b>25％时向控制器发送链路切换命令，将备用链路改为传输链路，传输链路变为备用链路；
当备用链路的丢包率a>10％则不用进行比较，维持当前的传输模式。
2.如权利要求1所述的一种基于软件定义的多制式无线网络高效切换方法，其特征在于，步骤一中，所述的最上层控制器负责发送数据、切换传输链路、处理客户端回传的反馈信息等功能，为四线程应用，包括主线程，业务源接收线程，LTE发送线程以及WiFi发送线程；
主线程启动程序并接受链路状况反馈信息，将反馈信息实时显示在控制器主界面上；
业务源接收线程从业务源接收数据，并添加上相应数据进行打包处理；打包好的数据经LTE发送线程和WiFi发送线程分别发送到LTE链路的数据接收端口以及WiFi链路的数据接收端口，分别经LTE链路和WiFi链路传输到位于UE侧的控制器客户端。
3.如权利要求1所述的一种基于软件定义的多制式无线网络高效切换方法，其特征在于，步骤二中所述的两个客户端为位于基站侧的控制器客户端，以及位于UE侧的控制器客户端。
4.如权利要求1所述的一种基于软件定义的多制式无线网络高效切换方法，其特征在于，步骤五中，所述的传输链路信息包括：吞吐量、丢包率以及端到端时延，并实时地显示在控制平台窗口界面上；
测试数据包括的信息为：除掉视频数据后的其余与传输链路相同的信息。
5.如权利要求1所述的一种基于软件定义的多制式无线网络高效切换方法，其特征在于，所述的步骤六具体为：UE侧的控制器客户端接收视频数据后，统计传输链路的链路质量信息并反馈回传给控制器，同时将视频数据转发给VLC播放器进行视频播放；
UE侧的控制器客户端接收测试数据后，统计备用链路的链路质量信息并回传给控制器。
6.如权利要求2所述的一种基于软件定义的多制式无线网络高效切换方法，其特征在于，所述的LTE发送线程由函数sendmessage_LTE实现；WiFi发送线程由函数sendmessage_WiFi实现。
7.如权利要求5所述的一种基于软件定义的多制式无线网络高效切换方法，其特征在于，所述的控制器接收到UE侧的控制器客户端反馈信息时，利用receive_fankui_single函数进行处理，得到传输链路信息；
控制器接收到LTE链路反馈信息时，利用ReceiveMessage函数进行处理，一方面将CP2PMessage数据对象里添加的value和time属性提取出来进行处理得到反馈信息，另一方面将原始数据抽离出来发送给VLC播放器。
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