CN109495938B

CN109495938B - 基于多接入边缘计算的网络切换方法

Info

Publication number: CN109495938B
Application number: CN201811568233.6A
Authority: CN
Inventors: 赵力强; 李婷; 梁凯; 卢晓迪
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2020-02-21
Anticipated expiration: 2038-12-21
Also published as: CN109495938A

Abstract

一种基于多接入边缘计算的网络切换方法，为用户提供多种接入方式获取边缘计算服务，及多种接入网络的灵活切换，实现方法为：边缘服务器控制中心获取用户服务需求，并根据长期演进LTE接入网和WiFi接入网的网络利用率分析不同网络的状态，当源网络无法满足用户需求时，为用户切换到目标网络，用户请求访问边缘服务器数据中心后，边缘服务器数据中心为用户分配相应的资源。克服了现有技术无法满足5G场景中多样化接入方式和用户特定服务需求的问题，保证接入方式的多样性和切换过程的连续性，提高无线网络的可靠性，并满足用户的服务需求，提升用户的服务体验。

Description

基于多接入边缘计算的网络切换方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信技术中的一种基于多接入边缘计算的网络切换方法。本发明可用于第五代移动通信网络5G(the fifth generation)中多样化无线接入网之间的切换，支持WiFi、长期演进LTE等多种接入网络的无缝切换，提供距离用户更近的定制化边缘计算服务，以保证用户通过多种接入方式获取边缘计算服务的服务质量。

背景技术

多接入边缘计算技术是指由移动边缘技术发展而来的第五代移动通信网络5G技术，移动边缘计算技术可以在距离用户更近的接入网边缘灵活分配网络各类通信、计算和存储资源的技术。目前，基于移动边缘计算技术的切换方法主要是指针对现有蜂窝无线通信网络中设备在基站之间切换的方法。

上海中兴软件有限责任公司在其申请的专利文献“移动边缘计算中路径切换方法、移动边缘计算平台及网关”(申请日：2016年12月21日，申请号：201611193387.2，申请公布号：CN108235298A)中公开了一种移动边缘计算中路径切换方法。该方法的具体步骤为：第一步，在终端接入源接入点后，源移动边缘计算平台从所述源接入点接收上行数据，所述上行数据具体为所述终端针对所述源移动边缘计算平台发送的数据。第二步，在终端从源接入点切换到目的接入点后，所述源移动边缘计算平台从目的移动边缘计算平台接收所述上行数据。该方法通过接入网关为用户从源接入基站和与其连接的源边缘计算平台切换到目的基站和与其连接的目的边缘计算平台。该方法存在的不足之处是：第一，该方法在网络切换过程中，网关接收到用户接入网变更请求后仅被动的为设备从源接入点切换到目的接入点，当海量数据涌入网络，网关无法及时获取信道状态，尤其在5G网络环境急剧恶化时，该切换方法的稳定性差。第二，该方法的接入网络采取的均为长期演进LTE中的基站，无法满足5G场景中多样化的物联网设备接入方式，因此用户接入方式局限性大。

重庆邮电大学在其申请的专利文献“一种基于移动边缘计算的切换管理方法”(申请日：2018年01月26日，申请号：201810077675.4，申请公布号：CN108282801A)中公开了一种计算移动边缘的切换管理方法。该方法的具体步骤为：第一步，提出基于移动边缘计算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。第二步，移动边缘计算控制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。该方法虽然可以根据用户状态和基站状态信息为用户切换到目标基站，但是该方法仍然存在的不足之处是：第一，该方法仅支持传统蜂窝网络的接入网切换，无法保证与现有异构网络接入方式的兼容。第二，该方法中的移动边缘计算设备在面临用户访问不同计算或缓存业务时为其分配统一的资源，存在资源的严重浪费。此外，由于部分用户的资源需求高于普通用户，统一的资源分配无法高效保证用户的服务质量。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的问题，提出了一种基于多接入边缘计算的网络切换方法，该网络切换方法将传统边缘计算的长期演进LTE接入网络扩展为5G场景中多种接入网络，进一步细化为用户从源接入网切换到目标接入网，并针对用户特定需求为其分配定制化的存储、计算、通信资源。以保证接入方式的多样性和切换过程的连续性，提高了无线网络的可靠性，并满足用户的服务需求，提升用户的服务体验。

实现本发明目的的思路是，将核心网计算、缓存等资源和服务网关S-GW和分组数据网网关P-GW下沉到接入网侧，组成边缘服务器的数据中心用于为用户提供数据转发和相关服务，同时在边缘服务器部署控制中心用于多种无线接入方式的集中管理。边缘服务器控制中心获取用户服务需求，并根据长期演进LTE接入网和WiFi接入网的网络利用率分析不同网络的状态。当源接入网的网络利用率较高，网络出现拥塞，从而无法满足用户服务需求时，边缘服务器控制中心为用户从源网络切换到目标网络；当源接入网可以满足用户服务需求时，边缘服务器控制中心维持用户接入源网络，不进行网络切换。用户请求访问边缘计算服务器数据中心时，边缘计算服务器数据中心为用户分配相应的计算资源、存储资源和通信资源。

本发明的具体步骤如下：

(1)用户随机接入源网络：

用户基于竞争的随机接入方式，建立与源网络的连接；

(2)获取网络状态信息：

(2a)当用户随机接入源网络后，软基站控制器和WiFi控制器分别获取用户的边缘计算服务需求信息；

(2b)软基站控制器和WiFi控制器分别监控长期演进LTE接入网和WiFi接入网的网络利用率；

(2c)软基站控制器和WiFi控制器，将用户的边缘计算服务需求信息和长期演进LTE接入网和WiFi接入网的网络利用率，上传到边缘服务器控制中心；

(3)边缘服务器控制中心判断用户的边缘计算服务需求是否为低时延边缘计算服务需求，若是，则执行步骤(4)，否则，执行步骤(9)；

(4)边缘服务器控制中心判断当前接入网的网络利用率是否超过网络容量的1/2，若是，则执行步骤(5)，否则，执行步骤(9)；

(5)发送网络切换请求：

边缘服务器控制中心根据用户的边缘计算服务需求信息，和长期演进LTE接入网和WiFi接入网的网络利用率，同时向源网络控制器和目标网络控制器发送用户接入无线网络的切换请求；

(6)释放源网络与用户的连接：

源网络控制器接收到网络切换请求后，与用户断开连接，将切换完成信息反馈给边缘服务器控制中心，并释放用户占用的通信带宽资源；

(7)建立目标网络与用户的连接：

目标网络控制器接收到网络切换请求后，与用户建立连接，并将当前目标网络的连接状态信息发送给边缘服务器控制中心；

(8)更新网络信息：

边缘服务器控制中心用接收到的目标网络的连接状态信息，更新源网络的连接状态信息；

(9)用户请求访问边缘计算服务器数据中心：

用户向边缘计算服务器数据中心发出边缘计算服务请求，通过传输控制协议TCP，建立边缘计算服务器数据中心与用户之间的连接，允许用户访问边缘计算服务器数据中心；

(10)分配资源：

边缘计算服务器数据中心接收到用户的边缘计算服务请求后，针对用户的边缘计算服务需求，为用户分配相应的资源。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明采用边缘服务器控制中心根据用户服务需求信息，和长期演进LTE接入网和WiFi接入网的网络利用率完成多种无线接入网切换的方法，克服了现有技术无法满足5G场景中多样化接入方式的问题，使得本发明极大地保证了接入方式的多样性和切换过程的连续性，提高了无线网络的可靠性。

第二，本发明采用边缘计算服务器数据中心根据用户服务需求为用户分配定制化资源的方法，克服了现有技术无法高效保证用户的服务质量的问题，使得本发明保证了用户通过多种接入方式获取边缘计算服务的服务质量，极大地提高了用户的服务体验。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明基于多接入边缘计算网络切换的场景图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照图1，对本发明的实现步骤做进一步的描述。

步骤1，用户随机接入源网络。

用户基于竞争的随机接入方式，建立与源网络的连接。

所述的基于竞争的随机接入方式的具体步骤如下：

第1步，用户向源基站控制器发送随机前导码，发起接入请求。

第2步，源基站控制器接收到用户的接入请求后，通过标识用户发送随机前导码所用资源块进行资源寻址，资源块位置由物理随机接入信道时频资源唯一确定，从而指定上行信道资源分配给用户。

第3步，用户收到源基站的随机响应后，在源基站控制器为其分配的上行信道资源上向源基站控制器发送连接请求信息。

第4步，源基站接收到用户的连接请求信息后，建立与用户之间的连接。

步骤2，获取网络状态信息。

当用户随机接入源网络后，软基站控制器和WiFi控制器分别获取用户的边缘计算服务需求信息。

软基站控制器和WiFi控制器分别监控长期演进LTE接入网和WiFi接入网的网络利用率。

软基站控制器和WiFi控制器，将用户的边缘计算服务需求信息和长期演进LTE接入网和WiFi接入网的网络利用率，上传到边缘服务器控制中心。

步骤3，边缘服务器控制中心判断用户的边缘计算服务需求是否为低时延边缘计算服务需求，若是，则用户服务需求较高，执行步骤4，进一步分析源接入网状态；否则，执行步骤9。

步骤4，边缘服务器控制中心判断当前接入网的网络利用率是否超过网络容量的1/2，若是，则源接入网无法满足用户的边缘计算服务需求，边缘服务器控制中心决定为用户进行网络切换，执行步骤5；否则，则源接入网可以满足用户的边缘计算服务需求，边缘服务器控制中心维持用户接入源网络，执行步骤9。

步骤5，发送网络切换请求。

边缘服务器控制中心根据用户的边缘计算服务需求信息，和长期演进LTE接入网和WiFi接入网的网络利用率，同时向源网络控制器和目标网络控制器发送用户接入无线网络的切换请求。

步骤6，释放源网络与用户的连接。

源网络控制器接收到网络切换请求后，与用户断开连接，将切换完成信息反馈给边缘服务器控制中心，并释放用户占用的资源。

所述资源主要为用户接入网络占用的通信带宽资源，以便其他用户接入源网络，有效提高网络资源利用率。

步骤7，建立目标网络与用户的连接。

目标网络控制器接收到网络切换请求后，与用户建立连接，并将当前目标网络的连接状态信息发送给边缘服务器控制中心。

步骤8，更新网络信息。

边缘服务器控制中心用接收到的目标网络的连接状态信息，更新源网络的连接状态信息。

步骤9，用户请求访问边缘计算服务器数据中心。

用户向边缘计算服务器数据中心发出边缘计算服务请求，通过传输控制协议TCP，建立边缘计算服务器数据中心与用户之间的连接，允许用户访问边缘计算服务器数据中心。

所述的通过传输控制协议TCP，边缘计算服务器数据中心建立用户与之间的连接方法具体步骤如下：

第1步，用户主动发送包含初始序列号的连接请求SYN报文给边缘计算服务器数据中心后进入连接请求发送SYN_SEND状态。

第2步，边缘计算服务器数据中心接收到用户发送的连接请求SYN报文后，向用户发送包含连接请求确认和自身序列号的请求响应报文，进入连接请求响应SYN_RECV状态。

第3步，用户收到边缘计算服务器数据中心的请求响应报文后，向边缘计算服务器数据中心发送确认ACK报文，进入连接建立ESTABLISHED状态，用户与边缘计算服务器数据中心建立连接。

下面结合图2，对本发明步骤5、步骤6、步骤7、步骤8、步骤9发送网络切换请求，释放源网络与用户的连接，建立目标网络与用户的连接，更新网络信息和用户请求访问边缘计算服务器数据中心过程做进一步的描述。

边缘服务器控制中心根据用户服务需求信息和长期演进LTE接入网和WiFi接入网的网络利用率，判断源接入网络是否可以满足用户的服务需求，若源接入网无法满足用户需求，则边缘服务器控制中心同时向源网络控制器和目标网络控制器发送用户接入无线网络的切换请求。源网络控制器接收到网络切换请求后，断开与用户之间的连接，将用户占用的带宽资源释放，同时，目标网络控制器接收到网络切换请求后，建立与用户之间的连接，将网络连接状态反馈给边缘服务器控制中心。用户成功从源接入网络切换到符合用户服务需求的目标接入网络后，边缘服务器控制中心用接收到的目标网络的连接状态信息，更新源网络的连接状态信息。当用户请求访问边缘服务时，边缘计算服务器数据中心通过传输控制协议TCP，建立用户与边缘计算服务器数据中心之间的连接，用户可以从边缘计算服务器数据中心获取相应的服务。

基于多接入边缘计算网络切换的场景图包括云状图形、边缘服务器、边缘服务器的控制中心、边缘服务器的数据中心、软基站控制器、WiFi控制器、软基站、虚拟接入点、用户、不同接入网之间网络切换的箭头、用户和软基站之间的无线网连接标志、用户和虚拟接入点之间的无线网连接标志、经过软基站、软基站控制中心和边缘服务器控制中心的实线、经过虚拟接入点、WiFi控制器和边缘服务器控制中心的加粗实线和经过用户、虚拟接入点和边缘服务控制中心的加粗虚线，其中：

边缘服务器包括边缘服务器控制中心和边缘计算服务器数据中心，提供更加接近用户的边缘服务。

边缘服务器控制中心，通过用户服务需求和接入网的网络状态判断是否需要为用户进行接入网切换，当源接入网无法满足用户的服务需求时，边缘服务器控制中心同时向软基站控制器和WiFi控制器发送网络切换请求，并根据目标网络控制器获取的连接状态更新网络信息，成功为用户从源接入网络切换到目标接入网络。

软基站控制器，在LTE接入网，主要用于控制用户接入LTE网络，并向边缘服务器控制中心反馈获取的用户服务需求信息和监控的LTE接入网的网络状态信息。

软基站，在LTE接入网，用户通过与软基站完成数据转发，接入LTE网络，用户通过软基站进行发送和接收数据，从而获取相应服务。

WiFi控制器，在WiFi接入网，主要用于控制用户接入WiFi网络，并向边缘服务器控制中心反馈获取的用户服务需求信息和监控的WiFi接入网的网络状态信息。

虚拟接入点，在WiFi接入网，用户通过与虚拟接入点完成数据转发，接入WiFi网络，用户通过虚拟接入点进行发送和接收数据，从而获取相应服务。

用户，是向边缘服务器请求相应服务的用户。

云状图形，表示边缘计算网络。

用户、不同接入网之间网络切换的箭头，表示用户从不符合服务需求的源接入网切换到符合用户需求的目标接入网。

用户和软基站之间的无线网连接标志，表示用户通过无线接入的方式接入LTE接入网软基站。

用户和软基站之间的无线网连接标志，表示用户通过无线接入的方式接入WiFi接入网虚拟接入点。

经过软基站、软基站控制中心和边缘服务器控制中心的实线，表示用户通过与软基站进行数据转发接入源接入网络，并通过软基站控制器将网络状态信息和用户需求信息上传到边缘计算服务器控制中心。

经过虚拟接入点、WiFi控制器和边缘服务器控制中心的加粗实线，表示用户通过与虚拟接入点进行数据转发切换到目标接入网络，并通过WiFi控制器将网络状态信息上传到边缘计算服务器控制中心。

经过用户、虚拟接入点和边缘服务控制中心的加粗虚线，表示用户通过目标接入网虚拟接入点向边缘计算服务器数据中心发送访问服务请求，与边缘计算服务器数据中心建立连接后获取相应的边缘计算服务。

步骤10，分配资源。

所述的资源包括计算、存储和通信资源。

Claims

1.一种基于多接入边缘计算的网络切换方法，其特征在于，根据用户的边缘计算服务需求和不同接入网的网络状态，发送网络切换请求，针对用户的边缘计算服务需求为其分配相应的资源；该方法的步骤包括如下：

(1)用户随机接入源网络：

用户基于竞争的随机接入方式，建立与源网络的连接；

(2)获取网络状态信息：

(5)发送网络切换请求：

(6)释放源网络与用户的连接：

(7)建立目标网络与用户的连接：

(8)更新网络信息：

(9)用户请求访问边缘计算服务器数据中心：

(10)分配资源：

2.根据权利要求1所述的基于多接入边缘计算的网络切换方法，其特征在于，步骤(1)中所述的基于竞争的随机接入方式的具体步骤如下：

第一步，用户向源基站控制器发送随机前导码，发起接入请求；

第二步，源基站控制器接收到用户的接入请求后，通过标识用户发送随机前导码所用资源块进行资源寻址，资源块位置由物理随机接入信道时频资源唯一确定，从而指定上行信道资源分配给用户；

第三步，用户收到源基站的随机响应后，在源基站控制器为其分配的上行信道资源上向源基站控制器发送连接请求信息；

第四步，源基站接收到用户的连接请求信息后，建立与用户之间的连接。

3.根据权利要求1所述的基于多接入边缘计算的网络切换方法，其特征在于，步骤(9)中所述的通过传输控制协议TCP，边缘计算服务器数据中心建立用户与之间的连接方法具体步骤如下：

第一步，用户主动发送包含初始序列号的连接请求SYN报文给边缘计算服务器数据中心后进入连接请求发送SYN_SEND状态；

第二步，边缘计算服务器数据中心接收到用户发送的连接请求SYN报文后，向用户发送包含连接请求确认和自身序列号的请求响应报文，进入连接请求响应SYN_RECV状态；

第三步，用户收到边缘计算服务器数据中心的请求响应报文后，向边缘计算服务器数据中心发送确认ACK报文，进入连接建立ESTABLISHED状态，用户与边缘计算服务器数据中心建立连接。

4.根据权利要求1所述的基于多接入边缘计算的网络切换方法，其特征在于，步骤(10)中所述的资源包括计算、存储和通信资源。