CN109561486A - 一种sdn与d2d网络接入策略的模式选择方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线网络通信切换领域，具体涉及一种SDN与D2D网络接入策略的模式选择方法，包括：通过对引入SDN技术的异构接入网进行网络状态的实施监管，实现基于SDN技术的异构接入网实时集中化控制；在D2D通信复用宏蜂窝信道中，利用SDN局部控制器采集异构网络的信道状态信息、终端设备信息和环境信息等，根据D2D通信模式选择算法计算接入终端备选模式的传输速率，将预设的终端接入时延作为目标函数，选择出传输速率最佳且时延最小的网络模式；对多路径传输的网络节点提供带宽建模，筛选出具有高度适应性的流量和路径分配规则，根据该规则通过“终端‑中继‑终端”方式进行异构接入网中网内数据的转发。

Description

一种SDN与D2D网络接入策略的模式选择方法
技术领域
本发明属于无线网络通信切换领域，具体涉及一种SDN与D2D网络接入策略的模式选择方法。
背景技术
由于多媒体业务需求的急剧增长，频谱资源短缺成为移动通信面临的挑战。传统蜂窝网络是不允许用户之间直接通信的。通信过程由基站转接分为两个阶段：发射机到基站，即上行链路；基站到接收机，即下行链路。这种集中式工作方式，便于对资源和干扰的管理与控制，但资源利用效率低。为了提高频谱利用效率，申请人觉得可以从两个方面下手：(1)改变现有通信的过程，降低通信中心节点的数据压力，提高信息处理速度，减少通信过程中占用频谱的时长，提高通信效率；(2)提高资源管理效率，灵活控制网络流量，使得作为信息交流管道的网络更加智能。
针对上述(1)中所提出的方向，申请人觉得D2D通信技术在这方面做得很优秀。D2D通信是一种在蜂窝系统的控制下，允许终端用户通过共享小区资源进行直接通信的新技术。因此，D2D通信技术利用近邻设备直接交换数据，可以降低通信系统中心节点的数据压力，提升频谱利用率，扩大网络容量，使中断设备具有多种接入选择模式，为设备的零延迟通信、移动轴端的海量接入及数据传输开辟了新的途径。
针对上述(2)中所提出的方向，申请人觉得SDN值得借鉴。SDN的全称是SoftwareDefined Network，即软件定义网络；SDN是Emulex网络一种新型网络创新架构，是网络虚拟化的一种实现方式，其核心技术OpenFlow通过将网络设备控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能。
在SDN通信中，强调众连接、智能化和移动通信。多层覆盖的多种无线接入技术共存的大规模易构网络中用户终端节点数量的陡增，使得网络拓扑和特性变得极为复杂。网络的接入端可能遇到以下问题：(a)低功率基站较小的覆盖范围会导致具有较高移动速度的终端用户遭受频繁切换，降低用户体验速率；(b)未来移动网络基础设备和用户设备的界线越来越不明显，将会存在大量用户设备作为临时基站的情况，基站的开启、关闭和移动使得网络拓扑大范围地快速变化；(c)大量终端接入的网络中将同时存在需求迥异、业务特征差异巨大的业务应用，不同业务和用户的服务质量要求不同。
而D2D技术的引入，正是解决这些问题的关键。在D2D模式中，数据在同一小区内的传输不通过基站进行中转，而是在基站监控下，直接由发送端向接收端进行传输，显然，这将形成一种新型的异构通信体系，这种新型通信网络的体系结构以及该结构下终端的接入模式选择势必成为构建D2D通信系统首先要解决的关键技术难题。
并且，在D2D通信中，由于数据在同一小区内的传输不通过基站进行中转，接收端会接收到多个发送端的信息，而这些信息在传输的过程中很容易发生干扰，所以D2D通信的小区内部干扰较大。由于采用了多种接入选择模式，所以节点的数量增加，使得网络拓扑和特性变得极为复杂，对此进行管理的难度颇高；而对于D2D通信中众多节点的通信管理，SDN就显得很是轻易。因此，申请人认为，将SDN与D2D网络进行融合，能够充分管理和调度资源，解决频谱资源不足的问题。
综上所述，申请人认为，将SDN与D2D网络融合是具有一定研究价值的。而将SDN与D2D网络融合，将会形成一种新型的异构通信体系，这种新型通信网络的体系结构以及该结构下终端的接入模式选择势必成为构建D2D通信系统首先要解决的关键技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种SDN与D2D网络接入策略的模式选择方法，实现异构D2D终端的高效接入，提高设备的工作效率及整个网络的系统容量和服务质量，实现最佳流量和路径分配策略。
本发明的基础方案，一种SDN与D2D网络接入策略的模式选择方法，包括：
通过对引入SDN技术的异构接入网进行网络状态的实施监管，实现基于SDN技术的异构接入网实时集中化控制；
在D2D通信复用宏蜂窝信道中，利用SDN局部控制器采集异构网络的信道状态信息、终端设备信息和环境信息等，根据D2D通信模式选择算法计算接入终端备选模式的传输速率，将预设的终端接入时延作为目标函数，选择出传输速率最佳且时延最小的网络模式；
对多路径传输的网络节点提供带宽建模，筛选出具有高度适应性的流量和路径分配规则，根据该规则通过“终端-中继-终端”方式进行异构接入网中网内数据的转发。
基础方案的有益效果为：
进一步，异构接入网架构引入SDN技术，按照以下步骤进行：
步骤101：选择合适的5G宏基站并确定其覆盖范围；
步骤102：在已选定的5G宏基站覆盖范围内部署层次性异构网络，所述层次型异构网络由若干微蜂窝及微微蜂窝网络构成；
步骤103：将SDN技术引入到该异构接入网的架构中；
步骤104：实时监管异构网络中的网络状态，实现通过SDN技术实时集中化控制异构网络中的网络状态；
步骤105；利用云计算技术和虚拟化技术，生成局部控制器与全局控制器；
步骤106：局部控制器监控管理一个宏基站覆盖范围内的所有无线接入点和终端；全局控制器监控管理所有局部控制器的状态信息。
本方案中，将SDN技术与异构接入网融合，利用SDN技术集中化监管异构网络中的网络状态，同时通过生成的局部控制器和全局控制器，分别监控单个宏基站覆盖范围内的无线接入点和所有局部控制器；局部控制器与全局控制器协同工作，实现从局部和全局角度对整个网络进行实时监控、管理以及预测，动态地调度网络资源等，使得异构无线网络实现有效互通，支持网络融合、网络模式选择以及负载均衡策略，最终实现异构D2D终端的高效接入。
进一步，D2D通信复用宏蜂窝信道执行流程如下：
步骤201：收集异构网络系统的信道状态信息、终端设备和环境信息；
步骤202：通过D2D通信模式选择算法，计算接入终端备选模式的传输速率；
步骤203：预设传输速率阈值；
步骤204：如果终端备选模式的传输速率满足传输速率阈值，则跳转步骤205，否则跳转到步骤201；
步骤205：收集终端传输数据队列状态信息；
步骤206：以终端接入时延为目标函数，计算出终端传输数据的预计时延，并选择时延最小的最佳网络模式。
本方案中，通过D2D通信模式选择算法选择出系统最大容量的通信网络系统，再根据传输速率和终端接入时延，保证通信网络系统在运行时，选择可用传输速率下时延最小的最佳网络模式，提高设备的工作效率以及整个网络的系统容量和服务质量。
进一步，对多路径传输的网络节点提供带宽建模，包括：
步骤301：对网络中节点的行为进行分析，提取出网络节点的带宽；
步骤302：多路径传输的网络中节点能提供的带宽建模作为拍卖模型；
步骤303：进行路由发现；
步骤304：源节点与中继节点的理性行为进行博弈；
步骤305：如果节点成本满足路由带宽的最小代价路径集合，则跳转步骤306，否则跳转到步骤301；
步骤306：将路由选择和网络带宽分配策略转化为凸优化问题；
步骤307：针对该凸优化问题提出基于拉格朗日函数的求解方法，得到最优解，推算出具有高度适应性的最佳流量和路径分配策略。
本方案，通过对网络中节点的通信情况，判断带宽建模下，路由与中继节点之间的博弈，判断出路由带宽的最小代价，再在选用最小代价路径的情况下进行凸优化，实现具有高度适应性的最佳流量和路径分配策略。
终上所述，通过基于凸优化理论的D2D路径规划，从全局角度进行管理和调度网络负载，从网络整体性能最优的角度设计路径及带宽配制方法。该方法能够实现异构D2D终端的高效接入，提高设备的工作效率及整个网络的系统容量和服务质量，实现最佳流量和路径分配策略。
附图说明
图1为本发明一种SDN与D2D网络接入策略的模式选择方法中实施例的异构接入网架构流程示意图；
图2本发明一种SDN与D2D网络接入策略的模式选择方法中实施例的D2D通信复用宏蜂窝信道执行流程示意图；
图3为本发明一种SDN与D2D网络接入策略的模式选择方法中实施例的带宽建模的流程示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
目前，SND技术已经在城域网边缘进行了应用。将边缘路由器的设备资源虚拟化，并整合成一个虚拟整体，利用SDN对上述虚拟整体进行同一管理，从而实现网络设备的无缝切换，保证用户的使用体验。
一种SDN与D2D网络接入策略的模式选择方法，包括：
通过对引入SDN技术的异构接入网进行网络状态的实施监管，实现基于SDN技术的异构接入网实时集中化控制；具体步骤如下：
步骤101：选择合适的5G宏基站并确定其覆盖范围；
步骤102：在已选定的5G宏基站覆盖范围内部署层次性异构网络，所述层次型异构网络由若干微蜂窝及微微蜂窝网络构成；
步骤103：将SDN技术引入到该异构接入网的架构中；
步骤104：监管异构网络中的网络状态，并通过SDN技术实时集中化控制异构网络中的网络状态；
步骤105；利用云计算技术和虚拟化技术，生成局部控制器与全局控制器；
步骤106：局部控制器监控管理一个宏基站覆盖范围内的所有无线接入点和终端；全局控制器监控管理所有局部控制器的状态信息。
步骤103中，SDN引入接入网的架构中，这一技术已经成熟。通常是，在OLT(opticalline terminal，光线路终端)上保留数据面的转发功能，并为上层提供统一的编程接口；SDN控制器只需要对虚拟的接入网配置参数，而OLT对配置参数进行内部分解，形成接入网内部理解的参数并进行下发。
在步骤105中，云计算技术主要运用在按需分配，具体为：按使用量进行收费，提供可配置的资源共享池，用户可以通过云计算进行网络访问，获得多种服务。在步骤105中，虚拟化技术主要运用在将物理服务器资源(文中的基站)整理成资源池，以虚拟机的形式提供给用户使用。目前，云计算和虚拟化是已经公认的可以和SDN结合使用的技术，虚拟机能够满足云计算对服务器负载均衡的需求，而SDN可以满足对云计算和虚拟化的集中控制，保证通信范围和数据传输的稳定。
在D2D通信复用宏蜂窝信道中，利用SDN局部控制器采集异构网络的信道状态信息、终端设备信息和环境信息等，根据D2D通信模式选择算法计算接入终端备选模式的传输速率，将预设的终端接入时延作为目标函数，选择出传输速率最佳且时延最小的网络模式；具体步骤如下：
步骤201：收集异构网络系统的信道状态信息、终端设备和环境信息；
步骤202：通过D2D通信模式选择算法，计算接入终端备选模式的传输速率；
步骤203：预设传输速率阈值；
步骤204：如果终端备选模式的传输速率满足传输速率阈值，则跳转步骤205，否则跳转到步骤201；
步骤205：收集终端传输数据队列状态信息；
步骤206：以终端接入时延为目标函数，计算出终端传输数据的预计时延，并选择时延最小的最佳网络模式。
值得注意的是：为达成步骤206的目标，在终端通信链路达到一定传输阈值的前提下，工作人员通常使用D2D中的联合决策模式选择机制和功率控制机制，在基于时延的异构无线接入网络模式的选择过程中，通过联合决策模式选择方案，在保证传输速率的前提下降低系统的丢包率及减少传输时延。
对多路径传输的网络节点提供带宽建模，筛选出具有高度适应性的流量和路径分配规则，根据该规则通过“终端-中继-终端”方式进行异构接入网中网内数据的转发；具体步骤如下：
步骤301：对网络中节点的行为进行分析，提取出网络节点的带宽；
步骤302：多路径传输的网络中节点能提供的带宽建模作为拍卖模型；
步骤303：进行路由发现；
步骤304：源节点与中继节点的理性行为进行博弈；
步骤305：如果节点成本满足路由带宽的最小代价路径集合，则跳转步骤306，否则跳转到步骤301；
步骤306：将路由选择和网络带宽分配策略转化为凸优化问题；
步骤307：针对该凸优化问题提出基于拉格朗日函数的求解方法，得到最优解，推算出具有高度适应性的最佳流量和路径分配策略。
在步骤301中，对网络节点行为进行分析，通常包括对节点链路状态、节点链路状态可提供的转发带宽、节点传输过程中继线路的链路特性和节点传输过程中中继线路的带宽进行分析。在步骤302中提及的“拍卖模型”，用于对提供的带宽进行合理分配；因此，步骤302中采用拍卖模型的方式，对于带宽资源进行交换，有利于带宽合理分配。
步骤303中，当节点进行路由发现时，需要通信的节点基于最小能耗原则检测路径。在路由发现的过程中，每个节点为备选链路中其他节点建立信誉表评价其行为，在路由发现和报文转发过程中根据不同应用参数和对应的权值对信誉值进行调整，实现激励。
步骤304中，博弈是根据在数据传输过程中所经过中继节点及中继链路所耗费的能量(根据到达目的地时的吞吐量判断)进行博弈，从而选出满足路由带宽的最小代价路径集合。
步骤306中，由于路由选择的目的是选择传输过程中能效消耗最小的路径，网络带宽的分配本质是将带宽分配给传输所需代价最小的链路，所以路由选择和网络带宽分配在本质上是一致的，都是将选择最优链路的通信问题通过凸优化数学方式进行表达。
步骤307中，“最优解”就是对凸优化数学问题进行求解，得到路由选择和网络带宽分配策略在数学公式中的最佳表达方式。结合步骤306，步骤307完成了对传输代价最小、传输效果优秀的传输链路集合的选择。
因此，通过对网络中节点的通信情况，判断带宽建模下，路由与中继节点之间的博弈，判断出路由带宽的最小代价，再在选用最小代价路径的情况下进行凸优化，实现具有高度适应性的最佳流量和路径分配策略。
终上所述，将SDN技术与异构接入网融合，利用SDN技术集中化监管异构网络中的网络状态，同时通过生成的局部控制器和全局控制器，分别监控单个宏基站覆盖范围内的无线接入点和所有局部控制器；局部控制器与全局控制器协同工作，实现从局部和全局角度对整个网络进行实时监控、管理以及预测，动态地调度网络资源等，使得异构无线网络实现有效互通，支持网络融合、网络模式选择以及负载均衡策略，最终实现异构D2D终端的高效接入。
通过D2D通信模式选择算法选择出系统最大容量的通信网络系统，再根据传输速率和终端接入时延，保证通信网络系统在运行时，选择可用传输速率下时延最小的最佳网络模式，提高设备的工作效率以及整个网络的系统容量和服务质量。
通过基于凸优化理论的D2D路径规划，从全局角度进行管理和调度网络负载，从网络整体性能最优的角度设计路径及带宽配制方法。该方法能够实现异构D2D终端的高效接入，提高设备的工作效率及整个网络的系统容量和服务质量，实现最佳流量和路径分配策略。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (4)

1.一种SDN与D2D网络接入策略的模式选择方法，其特征在于，包括：
通过对引入SDN技术的异构接入网进行网络状态的实施监管，实现基于SDN技术的异构接入网实时集中化控制；
在D2D通信复用宏蜂窝信道中，利用SDN局部控制器采集异构网络的信道状态信息、终端设备信息和环境信息等，根据D2D通信模式选择算法计算接入终端备选模式的传输速率，将预设的终端接入时延作为目标函数，选择出传输速率最佳且时延最小的网络模式；
对多路径传输的网络节点提供带宽建模，筛选出具有高度适应性的流量和路径分配规则，根据该规则通过“终端-中继-终端”方式进行异构接入网中网内数据的转发。
2.根据权利要求1所述的一种SDN与D2D网络接入策略的模式选择方法，其特征在于，异构接入网架构引入SDN技术，按照以下步骤进行：
步骤101：选择合适的5G宏基站并确定其覆盖范围；
步骤102：在已选定的5G宏基站覆盖范围内部署层次性异构网络，所述层次型异构网络由若干微蜂窝及微微蜂窝网络构成；
步骤103：将SDN技术引入到该异构接入网的架构中；
步骤104：实时监管异构网络中的网络状态，实现通过SDN技术实时集中化控制异构网络中的网络状态；
步骤105；利用云计算技术和虚拟化技术，生成局部控制器与全局控制器；
步骤106：局部控制器监控管理一个宏基站覆盖范围内的所有无线接入点和终端；全局控制器监控管理所有局部控制器的状态信息。
3.根据权利要求1所述的一种SDN与D2D网络接入策略的模式选择方法，其特征在于：D2D通信复用宏蜂窝信道执行流程如下：
步骤201：收集异构网络系统的信道状态信息、终端设备和环境信息；
步骤202：通过D2D通信模式选择算法，计算接入终端备选模式的传输速率；
步骤203：预设传输速率阈值；
步骤204：如果终端备选模式的传输速率满足传输速率阈值，则跳转步骤205，否则跳转到步骤201；
步骤205：收集终端传输数据队列状态信息；
步骤206：以终端接入时延为目标函数，计算出终端传输数据的预计时延，并选择时延最小的最佳网络模式。
4.根据权利要求1所述的一种SDN与D2D网络接入策略的模式选择方法，其特征在于，对多路径传输的网络节点提供带宽建模，包括：
步骤301：对网络中节点的行为进行分析，提取出网络节点的带宽；
步骤302：多路径传输的网络中节点能提供的带宽建模作为拍卖模型；
步骤303：进行路由发现；
步骤304：源节点与中继节点的理性行为进行博弈；
步骤305：如果节点成本满足路由带宽的最小代价路径集合，则跳转步骤306，否则跳转到步骤301；
步骤306：将路由选择和网络带宽分配策略转化为凸优化问题；
步骤307：针对该凸优化问题提出基于拉格朗日函数的求解方法，得到最优解，推算出具有高度适应性的最佳流量和路径分配策略。
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