CN109587737A - 一种基于服务匹配的5g接入网功能分离方法 - Google Patents

Abstract

一种基于服务匹配的5G接入网功能分离方法，包括如下步骤：1)用户接入基站并向RRH服务器发出服务请求；2)RRH服务器接收用户的服务请求并转发给云管理机，云管理机根据本地卸载决策机制进行卸载决策，若允许用户进行本地卸载，则云管理机向云服务器发送资源分配请求，云服务器为用户服务分配资源，并向用户发送卸载请求应答；若不允许，则进入步骤3)；3)云管理机向用户下发送否定卸载应答，并根据用户的服务请求，利用分离方案选择机制选择最优的分离方案为用户进行服务。本发明不仅在移动侧部署边缘网络，使网络资源更靠近用户侧，能够为用户提供本地卸载服务，从而能提供低时延服务，而且让整个接入网系统具有按服务和需求动态调整的功能，具有更高的工作灵活性。

Description

一种基于服务匹配的5G接入网功能分离方法

技术领域

本发明涉及移动通信领域，尤其涉及5G下的接入网的优化设计方案。

背景技术

目前，移动通信正从4G向5G不断演进，并预计在2020年左右开始进行大规模商用。相比较4G，5G面临的主要问题是高速数据流量以及低延时高可靠性服务，因此在5G提出了一种新型的集中式接入网架构(Centralized Radio-Access-Network或Cloud RAN，C-RAN)。在C-RAN中利用云计算将来自远程基站(Base Stations，BSs)和远程无线电射频头(Remote Radio Heads,RRHs)的计算负载和物理层功能(例如信道编码、纠错解码、调制解调、资源映射和解映射、FFT/IFFT变换等)迁移到到一个可以进行集中处理的通用平台上进行池化处理，称为基带处理单元(Base band Unit,BBU)。这样形成的C-RAN架构就由RRHs和BBU组成，RRH只进行时域射频处理和A/D转换功能，而所有的数据处理都会在BBU中进行，在RRHs 和BBU之间利用前传网络进行数据传输。这种架构的优点是通过集中化简化了原来远程基站的架构，降低了密集蜂窝网络的部署和运营维护成本，并通过对资源的池化引进虚拟化和网络切片技术，实现无线电资源和计算资源的灵活分配。另外利用统计复用促进了一些先进传输技术的实现，比如能够利用多点协作处理(CoMP)和小区间干扰管理技术实现多小区的全局优化。但是这种C-RAN架构也有很大的缺点，其中最主要的在于前传网络所面临的巨大的基带数据传输压力，特别是在多用户和高速率服务下，前传网络和有限带宽会因此带来灾难性的时延和抖动。这就无法满足一些低时延服务的要求。

因此针对完全集中式的C-RAN中面临的前传带宽和时延问题，后来业界提出了灵活分割的C-RAN结构，即在RRH和BBU之间进行功能和资源的灵活分配，从而使对前传带宽需求降低并满足时延要求。而根据不同分离方案所设计的C-RAN架构称为弹性或灵活的C-RAN架构。 3GPP上对于C-RAN分割点的划分选择有8种选项，如图1所示。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的目前C-RAN的分离方案，提供了一种基于服务匹配的5G接入网功能分离方法，能够进行C-RAN动态划分的方案，能降低对前传网络的带宽需求和时延。

本发明采用如下技术方案：

一种基于服务匹配的5G接入网功能分离方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)用户接入基站并向RRH服务器发出服务请求；

2)RRH服务器接收用户的服务请求并转发给云管理机，云管理机根据本地卸载决策机制进行卸载决策，若允许用户进行本地卸载，则云管理机向云服务器发送资源分配请求，云服务器为用户服务分配资源，并向用户发送卸载请求应答；若不允许，则进入步骤3)；

3)云管理机向用户下发送否定卸载应答，并根据用户的服务请求，利用分离方案选择机制选择最优的分离方案为用户进行服务。

采用三元组{w_n，r_n，d_n}来表示用户的第n种服务的需求,w_n表示服务所需的工作量，r_n表示所需的数据传输量，d_n表示该服务所能承担的最大时延，n为整数。

所述本地卸载决策机制为判断用户服务在本地卸载后的总时延是否小于该用户服务所能承担的最大时延，若是，则若允许用户进行本地卸载，若否，则不允许用户进行本地卸载。

所述分离方案选择机制为：通过时延条件、带宽条件和代价函数条件来选择最优的分离方案。

所述时延条件为s.t:D_m，n＜d_n≤d_m，D_m，n为分离方案m下用户服务n的总时延，d_n为用户服务n所能承担的最大时延，d_m分离方案m所提供的时延，m、n均为整数。

所述带宽条件为r_m,n≤r_n＜b_m，r_m,n为分离方案m下用户服务n的数据传输量，r_n为用户服务n下所需要的数据传输量，b_m为分离方案m的前传带宽。

所述代价函数条件为：

代表在第n种服务下第m种分离方案的计算代价函数，代表此时信号处理功能链的前m个处理功能在RRH处理，剩下的都在BBU处理，f_i为处理功能模块，M为处理功能模块个数；代表此时的传输代价函数，α代表计算代价和传输代价的折中系数且 0≤α≤1；代表在第n服务下第m种分离方案下的代价函数。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

与现有的技术方案相比，本发明的优点在于在不仅移动侧部署边缘网络，使网络资源更靠近用户侧，能够为用户提供本地卸载服务，从而能提供低时延服务，而且让整个接入网系统具有按服务和需求动态调整的功能，具有更高的工作灵活性。

附图说明

图1为潜在的八种分离方案示意图。

图2为本发明提出的C-RAN系统模型示意图。

图3为云管理机和云服务器的交互操作示意图。

图4为服务本地卸载机制示意图。

图5为用户服务处理的流程图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

本发明提出了通过将BBU下的多个RRH形成边缘云网络来提高C-RAN的灵活性分离的接入网网络架构。其中中央云和边缘RRH云之间根据实际的服务需求和网络特性对网络进行的灵活功能划分，这样就把服务根据是否需要经核心网处理分为两类：一是用户服务能够在本地卸载，这样就不需要经过前传网络传送到核心网，所以不需要进行分离方案选择，这样处理的优点在于可以对用户的服务进行分流，就可以在一定程度上减轻前传网络的压力，而这就涉及到用户的服务卸载决定机制，即决定用户是否进行本地卸载；二就是针对无法在本地进行处理的服务提出了一种基于用户服务需求的功能分离选择机制，通过对用户服务需求的匹配，选择一种最优的分离方案，既使得接入网能满足用户需求又能使网络的成本最小。

本发明提出方案的接入网结构示意图如图2所示，其中

(1)RRH云服务器表示在RRH云中引入的存储和计算资源，使RRH云能在本地提供业务服务。

(2)在RRH云中利用SDN/NFV技术，引入一个控制功能实体，称为云管理机，它的主要功能包括：

a云服务器的放置或部署；

b云服务器的监控；

c应用调度，

图3表示了云管理机云服务器和之间的交互操作，移动用户可通过向云管理机发送本地卸载请求，云管理机激活实例化RRH云中的云服务器并在云服务器中卸载部分或者全部逻辑计算来获取服务。当然需要注意的是，云服务器并不总是处于活跃状态，可以通过云管理机控制激活或者关闭云服务器以实现能耗和成本的节约。

本发明的一种基于服务匹配的5G接入网功能分离方法，相应流程图见为图5。包括如下步骤：

1)在一个小区内具有一定数量的用户，用户接入基站并向RRH发出服务请求{w_n,r_n,d_n}。

2)RRH服务器接收用户的服务请求并转发给云管理机，云管理机根据本地卸载决策机制进行卸载决策，若允许用户进行本地卸载，则云管理机向云服务器发送资源分配请求，云服务器为用户服务分配资源，并向用户发送卸载请求应答；若不允许，则进入步骤3)。

3)云管理机向用户下发送否定卸载应答，并根据用户的服务请求，利用分离方案选择机制选择最优的分离方案为用户进行服务。

步骤2)中的，本地卸载决策机制为判断用户服务在本地卸载后的总时延是否小于该用户服务所能承担的最大时延，若是，则若允许用户进行本地卸载，若否，则不允许用户进行本地卸载。具体包括如下：

这部分内容主要是考虑到用户所需的部分服务，可以直接从本地RRH云服务器获取，而不需要经过核心网获得，比如用户所需的本地导航地图、交通路况信息或者天气预报等服务，在本发明中，卸载决策由图4中的云管理机做出。

在这里，假设可以用三元组{w_n，r_n，d_n}来表示用户的第n种服务的需求,其中第一项表示服务所需的工作量，第二项表示所需的数据传输量，第三部分表示该服务所能承担的最大时延，n为整数。而这里假设RRH云服务器的计算能力为C^C,用户终端的处理能力为C^T。那么在这里假设任务本地卸载分为两部分，即将工作量w_n分为两部分，一部分在用户终端进行处理，而另外一部分通过卸载到RRH云服务器上进行处理。在这里假设将服务工作量分为两本地处理和其中第一项为终端分配工作量，第二项为RRH云服务器卸载工作量。工作量分配原则按照终端最大努力实现，即根据终端所能支持的最大计算量进行分配。需要卸载到RRH 云服务器上的工作量通过无线信道传输到RRH云服务器上，假设无线信道的传输速率为R^C。则根据以上假设，若服务n依照在用户终端所处理任务的时间为：

则在RRH云服务器上的处理时间为

传输时间为

所以总的时延为

所以若是用户服务在本地卸载后的总时延D_n＜d_n，则判定用户的服务可以被本地卸载，因此在用户向RRH发送服务请求后，RRH将服务请求转发给云管理机，云管理机根据RRH云服务器中的资源分配情况和上述的决策机制判断是否允许用户卸载，若允许，则向下发送卸载请求应答，并分配相应的资源进行服务，若不允许则发送拒绝应答。图4表示了本地服务卸载的机制示意图。

步骤3)中的分离方案选择机制为：通过时延条件、带宽条件和代价函数条件来选择最优的分离方案。具体如下：

在这里假设一个BBU服务器的计算存储能力表示为C^B，一个RRH的存储计算能力为C^R， RRH和BBU之间的前传网络的传输能力(交换带宽)为C^Fbits/s。假设BBU和RRH之间的信号功能处理链路上有M个不同的功能处理模块，其集合可以表示为F＝{f₁,f₂,...f_M}，若这M个功能在BBU和RRH都能处理的话，那么潜在的分离方案也为M种。而用户所需的服务也可以用一个离散集S＝{s₁,s₂,...,s_N}表示N种不同的服务。而每一种服务都有自己的服务质量要求，主要体现为计算量和时延限制，在这里用一个三元关键性能指标组{w_n,r_n,d_n}表示第n种服务所要求的计算量，传输量和时延要求。用{b_m,d_m}表示第m种分离方案所提供的前传带宽和时延，m为整数。

因此，本发明针对业务的性能指标要求，为其选择一种功能分离方案，实际上就是在BBU 和RRH之间分配工作量，并在考虑计算处理时间开销和传输时间开销在内的总时延满足服务时延要求即可。比如在分离方案m下的服务n，此时在BBU和RRH各自分担的负载可以表示为即

同时在不同的分离方案下进行不同工作负载分担后，需要在前传网络上传输的数据量为 r_i,j。

综上可得，这个任务在RRH端的处理时间为

在BBU处理时间为

数据在RRH和BBU之间通过前传网络的传输时间为

这样这种服务所经历的总时延为

根据以上假设，则在根据用户所需服务类型选择一种最优的分离方案时，就是考虑分离方案所提供的带宽和时延是否满足。但是在考虑分离方案时还需要考虑分离方案所带来的代价，包括处理代价以及成本代价。比如将更多的功能放在RRH端，则就需要布置更多的基础设施。这样，对每个处理功能f将其放在RRH和BBU端的代价是不同的，所以在考虑分离方案时还应该使代价最小化。

所以在这里建立一个代价函数来评估分离方案：

其中，代表在第n种服务下第m种分离方案的计算代价函数，代表此时信号处理功能链的前m个处理功能在RRH处理，剩下的都在BBU处理，f_i为处理功能模块，M为处理功能模块个数；代表此时的传输代价函数，α代表计算代价和传输代价的折中系数且0≤α≤1；代表在第n服务下第m种分离方案下的代价函数。

所以，对一种服务选择最优的分离方案，可以用下面的优化模型进行选择。

r_m,n为分离方案m下用户服务n的数据传输量，r_n为用户服务n的数据传输量，b_m为分离方案m的前传带宽。

应用举例

下面本将会根据上述所述的网络架构和分离方法，以下面表1中M＝5种分离方案及相关指标为例，叙述本发明配置接入方案的过程。

表1

具体包括以下步骤：

(1)若是用户所需的服务可在本地卸载，那么直接将该业务卸载在RRH云服务器上进行处理，不需要进行分离方案选择，否则进行(2)。

(2)若用户所需要的服务无法在本地卸载，那么就根据用户所需服务的时延和带宽需求指标根据本发明所提出的优化模型进行分离方案的选择。

假设用户所需的服务仅要求时延为50ms，则上述5种分离方案都符合要求，但根据优化模型在α＝0.5下得到上述5种分离方案的代价依次为1302.5、534、114、118.5、124，可以得到其中分离方案3代价最小，因此最优分离方案为方案3。同理，在用户所需时延为1ms时，可以得到其最优分离方案也为方案3。

但是需要指出的是，当改变表1中的代价参数以及这折中系数α时都会对方案的选择带来影响，因此可以根据对不同的代价的偏好来选择最优的分离方案。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (7)

1.一种基于服务匹配的5G接入网功能分离方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)用户接入基站并向RRH服务器发出服务请求；

2)RRH服务器接收用户的服务请求并转发给云管理机，云管理机根据本地卸载决策机制进行卸载决策，若允许用户进行本地卸载，则云管理机向云服务器发送资源分配请求，云服务器为用户服务分配资源，并向用户发送卸载请求应答；若不允许，则进入步骤3)；

3)云管理机向用户下发送否定卸载应答，并根据用户的服务请求，利用分离方案选择机制选择最优的分离方案为用户进行服务。

2.如权利要求1所述的一种基于服务匹配的5G接入网功能分离方法，其特征在于：采用三元组{w_n，r_n，d_n}来表示用户的第n种服务的需求,w_n表示服务所需的工作量，r_n表示所需的数据传输量，d_n表示该服务所能承担的最大时延，n为整数。

3.如权利要求2所述的一种基于服务匹配的5G接入网功能分离方法，其特征在于：所述本地卸载决策机制为判断用户服务在本地卸载后的总时延是否小于该用户服务所能承担的最大时延，若是，则若允许用户进行本地卸载，若否，则不允许用户进行本地卸载。

4.如权利要求1所述的一种基于服务匹配的5G接入网功能分离方法，其特征在于：所述分离方案选择机制为：通过时延条件、带宽条件和代价函数条件来选择最优的分离方案。

5.如权利要求4所述的一种基于服务匹配的5G接入网功能分离方法，其特征在于：所述时延条件为s.t:D_m，n＜d_n≤d_m，D_m，n为分离方案m下用户服务n的总时延，d_n为用户服务n所能承担的最大时延，d_m分离方案m所提供的时延，m、n均为整数。

6.如权利要求4所述的一种基于服务匹配的5G接入网功能分离方法，其特征在于：所述带宽条件为r_m,n≤r_n＜b_m，r_m,n为分离方案m下用户服务n的数据传输量，r_n为用户服务n下所需要的数据传输量，b_m为分离方案m的前传带宽。

7.如权利要求5所述的一种基于服务匹配的5G接入网功能分离方法，其特征在于：所述代价函数条件为：

代表在第n种服务下第m种分离方案的计算代价函数，代表此时信号处理功能链的前m个处理功能在RRH处理，剩下的都在BBU处理，f_i为处理功能模块，M为处理功能模块个数；代表此时的传输代价函数，α代表计算代价和传输代价的折中系数且0≤α≤1；代表在第n服务下第m种分离方案下的代价函数。