CN108282801B - 一种基于移动边缘计算的切换管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于移动边缘计算的切换管理方法，属于无线通信技术领域。该方法包括：发明一种密集蜂窝网络场景下部署移动边缘服务器的一种网络架构，并提出基于MEC切换决策的无路径切换流程处理方法，在保证用户服务质量同时减少路径切换请求降低核心网大量信令的负载。MEC控制X2接口实现切换完成阶段的源基站缓冲区数据通过基站之间形成的数据链路进行数据传输，满足用户服务质量要求条件下用马尔科夫决策过程(MDP)模型优化方法确定数据链路列表最优长度，该方案有效降低核心网信令负荷和延迟，同时实现更高吞吐量。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于移动边缘计算的切换管理方法。
背景技术
近年来，随着移动智能终端的快速发展，移动通信数据流量需求呈现爆炸式的增长。为了满足用户的需求，5G网络正朝着密集化、综合化、宽带化的趋势发展。密集网络通过高密度部署小蜂窝基站来增强空间覆盖，能够极大提升网络容量。然而随着网络的密集化和层次化，移动性管理是影响这种新型网络架构的关键挑战。
基于X2的切换决策过程，目标基站根据小区负载以及测量报告进行接纳判决，如果目标小区负荷过大超出门限，目标基站将拒绝源基站的切换请求，导致切换失败发生。另一个缺陷是基于X2的切换流程中，建立X2链路并转发源基站数据在实际网络中可能需要几十毫秒，当用户连接到目标基站时，很可能源基站数据尚未发送到目标基站，此时目标基站数据缓存区可能为空，将增加数据中断时延。
切换完成阶段，由于用户连接不同基站，用户数据速率可能发生变化，不能做到无差异切换体验，并且基站资源无法得到充分体验。
传统网络中的切换决策是由无线接入点进行的，而不考虑基站和回程拓扑的部署，但是如果灵活部署小蜂窝的密集网络采用类似的机制，则不会选择最合适的目标小基站。因此，密集网络新的网络架构和移动性管理需要新的网络架构和切换管理方案。
基于X2的从源基站到目标基站的切换过程中，存在切换失败、切换中断时延过大、切换前后用户体验不一致等问题。因此，发明一种密集蜂窝网络场景下部署移动边缘服务器的一种网络架构，并给出基于MEC切换决策的无路径切换流程方法，在保证用户服务质量同时减少路径切换请求降低核心网信令的负载。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于移动边缘计算的切换管理方法，该技术方案网络架构设计为多个小蜂窝基站集合形成一个蜂窝簇，本地化部署MEC服务器与接入网和核心网设计接口，提供本地服务同时不影响传统核心网服务，基于MEC切换决策的无路径切换流程方法，在保证用户服务质量同时减少路径切换请求降低核心网信令的负载。MEC控制X2接口实现切换完成阶段的源基站缓冲区数据通过基站之间形成的数据链路进行数据传输，满足用户服务质量要求条件下用马尔科夫决策过程(MDP)模型优化方法确定数据链路列表最优长度，该方案有效降低核心网信令负荷和延迟，同时实现更高吞吐量。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于移动边缘计算的切换管理方法，包括以下步骤：
S1：在密集蜂窝网络场景下部署移动边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC)服务器，采用模块化MEC架构，包括MEC平台与接入网侧的接口、基础设施服务、通用服务，服务支持和应用开发框架，确定所需的无线网络接口；在该架构下采用基于MEC切换决策的无路径切换流程处理方法；
S2：切换完成阶段MEC控制X2接口实现源基站缓冲区数据通过基站之间X2接口形成的数据链路进行数据传输，满足用户服务质量要求用马尔科夫决策过程(MDP)优化方法确定数据链路列表的最优长度；
S3：数据链路长度的确定依赖用户侧和网络侧角度综合考虑所考虑创建的收益函数，路径切换执行与否以最大化值函数为目标，满足不同的业务应用类型进而确定最优数据链路，保证用户服务质量得同时，最大化降低切换过程中核心网的切换信令消耗和中断时延。
进一步，所述根据MEC平台与接入网侧的接口通过预定义的通信协议提供实时无线信息；控制平面接口处理或获取接入网和核心网络切换过程的控制信息X2应用协议X2AP和S1应用协议S1AP；数据平面接口处理接入网侧和接入网到核心网之间的数据平面消息，即X2-U和S1-U数据平面，通过集中控制和协调的能力，MEC服务器通过最小化基站之间的交互，降低信令消耗。
进一步，所述MEC服务器部署在基站侧，用户设备上报状态报告信息到源基站，源基站上报状态报告信息和用户业务数据速率到MEC服务器，MEC进行切换判决确定目标基站。
进一步，所述源基站在接收用户状态报告信息后，源基站含有计算用户设备业务数据速率R的计算单元，将报告和用户数据速率发送MEC服务器；MEC服务器基于邻小区负载和剩余带宽资源，计算出能否满足上报消息中包括的业务传输速率的需求，从而做出切换判决。
进一步，所切换判决为：MEC服务器根据用户测量结果、状态报告信息和通过感知实时信息以及预存储的小区信息来确定能够满足用户业务速率大于R的目标小区进行切换，保证用户无差异体验，下达包括时间间隙信息的切换命令给源基站和目标基站；
所述状态报告信息包括用户位置、移动速度和方向；
所述实时信息包括基站资源分配信息和网络负载。
进一步，在所述切换完成阶段，不执行到核心网的路径切换请求，直接通过小蜂窝基站之间X2-U接口形成数据链路列表进行数据的传输；满足用户服务质量需求用马尔科夫决策过程优化模型方法确定数据链路列表最优长度；建立MDP模型优化数据链路长度，在该模型中，基本元素包括：状态空间、路径切换行为、状态转移关系和收益函数。
进一步，所述状态空间由三部分组成：切换触发阶段、数据链路列表和用户关联小蜂窝基站位置信息；路径切换行为为到核心网执行路径切换或数据链路转发数据；状态转移关系是根据上一时刻状态、在该状态下所选择的行动，得到下一时刻的状态信息；收益函数综合考虑网络侧和用户侧的收益最大化为目标执行最优决策。
本发明的有益效果在于：本发明提供的方法提出基于MEC网络架构设计方法，实现本地化切换流程处理，最大化回报获得数据链路传输数据的最优路径，旨在减少切换核心网出信令负荷和路径切换导致切换中断时延，对于实现无缝移动性性能提升具有关键意义。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明实施例网络架构示意图；
图2为本发明实施例MEC平台示意图；
图3为本发明实施例切换流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1所示，基于MEC的小蜂窝基站切换管理方法的网络架构，每个簇包含多个小蜂窝基站的集合，一组相邻的小蜂窝簇形成一个本地网络。MEC服务器部署在接入网侧，通过接口连接基站和核心网网元，用户设备在小蜂窝簇重叠区内移动发生切换，从一个基站覆盖范围移动到另外一个基站覆盖范围中心；用户设备的IP数据包封装在核心网(CN)特定协议中，核心网部分主要包括移动性管理实体(MME)负责控制平面信令消息的发送、服务网关(SGW)负责数据平面IP数据包传输，分组数据网关(PGW)，核心网之间通过S5/S8接口连接。
组网架构主要优势：1)部署MEC服务器最小化控制平面及数据平面流量往返到CN，有效较少切换中断时延以及的核心网信令负载。2)支持本地化业务服务，MEC对于移动性管理控制平面进行切换控制，提供更加接近无缝连接服务体验。
如图2所示，MEC平台内部组件功能如下：
MEC平台图20是MEC平台接入侧接口、21是基础设施服务、22是MEC应用开发框架、23是通用服务、24是服务支持、25是MEC应用。
201无线网络信息接口，通过预定义通信协议提供对实时无线电信息(小区ID，基站负载，用户吞吐量)的直接访问；202控制平面接口，处理或获取的控制消息RAN和核心网络(LTE-A中包括X2应用协议)(X2AP)和S1应用协议(S1AP)；接口用于检索与用户和基站控制平面相关的信息，上层控制信息(LTE中的层3)，S1-C/X2-C参数等消息，用于网络控制。信息是状态类型，它包括：UE状态信息：UE能力，移动状态，移动历史报告，接近载波信息，无线电链路失败报告，记录的测量报告；小基站状态信息：eNB X2AP标识，切换数据链路列表，物理资源块使用；203数据平面接口，处理接入网和RAN之间的数据平面消息核心网络(LTE-A中包括X2和S1数据平面)。数据平面接口用于捕获，分析和处理数据包它将被用来提供低延迟的数据服务。接口通过X2-U或S1-U与LTE-A系统中的小基站和S/P-GW进行通信以获取信息。信息分组延迟，IP吞吐量。网络状态信息：业务类的延迟抖动，端到端延迟。211是缓存功能，212计算功能，213网络服务。221网络状态配置，222定位功能，223KPI估计和流量分析，224事件记录，225IP数据服务。231边缘数据服务，提供数据平面业务传输在MEC应用程序和相应的数据平面API之间进行通信路由或数据包缓存。232无线网络信息服务，底层网络的控制平面以提供所请求的无线接入网信息。241服务注册和发现，242通信服务提供明确定义的API，以促进MEC应用程序之间的通信MEC应用程序开发框架以及MEC服务之间的内部交互。
如图3所示，为基于MEC的切换流程图，本实施例包括：
步骤301、服务基站对用户设备UE进行测量配置，UE的测量结果以及状态信息上报源基站进行切换决策，测量配置通过信令下发；
步骤302、UE状态信息测量报告上报服务基站；
步骤303、服务基站计算用户业务数据速率并将测量报告以及状态信息发送到MEC边缘服务器；
步骤304、MEC服务器根据自身切换判决算法进行切换决策，快速的邻小区列表中确定目标基站；
步骤305、MEC服务器下达包含时隙切换命令到服务基站；
步骤306、MEC服务器下达切换命令到经切换判决后的目标基站；
步骤307、携带移动性控制信息的RRC连接重配置消息的切换命令通过源基站发送UE；
步骤308、服务基站状态序列号传输到目标基站；
步骤309、核心网数据包或者本地MEC服务数据包通过服务基站转发到目标基站，此过程如不执行到核心网路径切换时将在小基站之间形成X2-U数据链路传输数据包。
步骤310、切换执行过程无随机接入，当服务小区和目标小区同步时，UE可以导出要在目标小区使用的定时提前(Timing Advance,TA)值。获取UE可以获取目标小区而不执行在LTE-A切换中的随机接入过程，减少用户平面中断时延。
步骤311、UE发送RRC Connection Reconfiguration Complete命令消息，向目标基站确认切换过程完成；
步骤312、目标基站发送切换确认消息到MEC服务器，切换执行阶段结束；
步骤313、不执行到核心网路径切换，目标基站向服务基站发送用户上下文释放请求；
步骤314、服务基站资源释放；
步骤315、数据包在核心网或者MEC服务到服务基站再到目标基站形成数据链路上进行传输。
切换准备阶段提前将源基站数据和状态序列号转发到目标基站，切换执行阶段采用无随机接入方案和延迟与服务基站断开时间来减少中断时延。切换完成阶段，不执行路径切换，满足用户服务质量得条件下有效降低核心网信令负荷。
基于近似动态规划算法，首先选择初始状态s0，对每个状态s初始化G(s)；对值函数和步长在每一时刻进行更新，通过最大化收益函数为目标选取最优策略，从而确定数据链路最优长度。用于切换过程中满足服务质量前提下形成数据链路传输路径处理，提升性能。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (5)
1.一种基于移动边缘计算的切换管理方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：在密集蜂窝网络场景下部署移动边缘计算MEC服务器，包括MEC平台与接入网侧的接口、基础设施服务、通用服务，服务支持和应用开发框架，确定所需的无线网络接口；采用基于MEC切换决策的无路径切换流程处理方法；
基于MEC的切换流程包括：
步骤301、服务基站对用户设备UE进行测量配置，UE的测量结果以及状态信息上报源基站进行切换决策，测量配置通过信令下发；
步骤302、UE状态信息测量报告上报服务基站；
步骤303、服务基站计算用户业务数据速率并将测量报告以及状态信息发送到MEC服务器；
步骤304、MEC服务器根据自身切换判决算法进行切换决策，快速的邻小区列表中确定目标基站；
步骤305、MEC服务器下达包含时隙切换命令到服务基站；
步骤306、MEC服务器下达切换命令到经切换判决后的目标基站；
步骤307、携带移动性控制信息的RRC连接重配置消息的切换命令通过源基站发送UE；
步骤308、服务基站状态序列号传输到目标基站；
步骤309、核心网数据包或者本地MEC服务数据包通过服务基站转发到目标基站，此过程如不执行到核心网路径切换时将在小基站之间形成X2-U数据链路传输数据包；
步骤310、切换执行过程无随机接入，当服务小区和目标小区同步时，UE导出要在目标小区使用的定时提前TA值；获取UE获取目标小区而不执行在LTE-A切换中的随机接入过程，减少用户平面中断时延；
步骤311、UE发送RRC Connection Reconfiguration Complete命令消息，向目标基站确认切换过程完成；
步骤312、目标基站发送切换确认消息到MEC服务器，切换执行阶段结束；
步骤313、不执行到核心网路径切换，目标基站向服务基站发送用户上下文释放请求；
步骤314、服务基站资源释放；
步骤315、数据包在核心网或者MEC服务到服务基站再到目标基站形成数据链路上进行传输；
S2：切换完成阶段MEC服务器控制X2接口实现源基站缓冲区数据通过基站之间X2接口形成的数据链路进行数据传输，满足用户服务质量要求用马尔科夫决策过程MDP优化方法确定数据链路列表的最优长度；
在所述切换完成阶段，不执行到核心网的路径切换请求，直接通过小蜂窝基站之间X2-U接口形成数据链路列表进行数据的传输；满足用户服务质量需求用马尔科夫决策过程优化模型方法确定数据链路列表最优长度；建立MDP模型优化数据链路长度，在该模型中，基本元素包括：状态空间、路径切换行为、状态转移关系和收益函数；
所述状态空间由三部分组成：切换触发阶段、数据链路列表和用户关联小蜂窝基站位置信息；路径切换行为为到核心网执行路径切换或数据链路转发数据；状态转移关系是根据上一时刻状态、在该状态下所选择的行动，得到下一时刻的状态信息；收益函数综合考虑网络侧和用户侧的收益最大化为目标执行最优决策；
S3：数据链路长度的确定依赖用户侧和网络侧角度综合考虑所考虑创建的收益函数，路径切换执行与否以最大化值函数为基准，以满足不同的业务应用类型，进而确定最优数据链路，保证用户服务质量得同时，最大化降低切换过程中核心网的切换信令消耗和中断时延。
2.根据权利要求1所述的一种基于移动边缘计算的切换管理方法，其特征在于：所述根据MEC平台与接入网侧的接口通过预定义的通信协议提供实时无线信息；控制平面接口处理或获取接入网和核心网络切换过程的控制信息X2应用协议X2AP和S1应用协议S1AP；数据平面接口处理接入网侧和接入网到核心网之间的数据平面消息，即X2-U和S1-U数据平面，通过集中控制和协调的能力，MEC服务器通过最小化基站之间的交互，降低信令消耗。
3.根据权利要求1所述的一种基于移动边缘计算的切换管理方法，其特征在于：所述MEC服务器部署在基站侧，用户设备上报状态报告信息到源基站，源基站上报状态报告信息和用户业务数据速率到MEC服务器，MEC服务器进行切换判决确定目标基站。
4.根据权利要求1所述的一种基于移动边缘计算的切换管理方法，其特征在于：所述源基站在接收用户状态报告信息后，源基站含有计算用户设备业务数据速率R的计算单元，将报告和用户数据速率发送MEC服务器；MEC服务器基于邻小区负载和剩余带宽资源，计算出能否满足上报消息中包括的业务传输速率的需求，从而做出切换判决。
5.根据权利要求4所述的一种基于移动边缘计算的切换管理方法，其特征在于：所切换判决为：MEC服务器根据用户测量结果、状态报告信息和通过感知实时信息以及预存储的小区信息来确定能够满足用户业务速率大于R的目标小区进行切换，保证用户无差异体验，下达包括时间间隙信息的切换命令给源基站和目标基站；
所述状态报告信息包括用户位置、移动速度和方向；
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