CN111343705B

CN111343705B - 一种5g通信网元的智能节能方法

Info

Publication number: CN111343705B
Application number: CN202010154294.9A
Authority: CN
Inventors: 马宗健; 秦海; 吕东
Original assignee: Guangzhou Aipu Road Network Technology Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Aipu Road Network Technology Co Ltd
Priority date: 2020-03-07
Filing date: 2020-03-07
Publication date: 2022-03-18
Anticipated expiration: 2040-03-07
Also published as: CN111343705A

Abstract

本发明公开了一种5G通信网元的智能节能方法，基于智能节能网来实现，智能节能网包括至少两个同类型的5G网元，所述的至少两个同类型的5G网元是对等模式或主从模式；所述的智能节能网中某一个网元判断自身负载情况，当自身负载小于设定的基准值时向其他同类型的网元或主控网元申请下线；经其他同类型的网元或主控网元同意后下线；在满足唤醒规则后，被其他同类型的网元或主控网元唤醒。本发明的网元自己判断负载情况，在5G分散管理的环境里更容易部署，更容易添加或移除网元，减少对其他网元的部署影响。使得在5G分散管理的异构环境里，使动态节能成为可能，智能节能网元可以方便的动态组网。

Description

一种5G通信网元的智能节能方法

技术领域

本发明涉及移动通信网络中的节能技术领域，特别涉及一种5G通信网元的智能节能网及节能方法。

背景技术

现在通信领域发展迅速，无线5G时代马上到来，5G通信虚拟化，网元多样化，通信系统能源消耗很大，因此网络节能就变得尤为重要。现有的节能技术只考虑到基站或按机房来考虑。对虚拟化部署的网元没有涉及到。现有技术主要靠智能代理人模块去收集负载数据，而不是网元本身。

中国专利申请公开号为CN106879057A，发明名称为“一种5G无线网络智能化节能方法”，通过智能代理人模块分析宏基站网络负载变化和微基站用户流量变化信息，来确定微基站进入休眠状态或工作状态。没有提及到网络虚拟化网元本身。

中国专利申请公开号为CN105592536A，发明名称为“5G网络中动态开启/关闭微蜂窝的节能方法”，通过设计一个网络的流量门限值TL、TH表示门限值的下限和上限；当宏蜂窝的流量负载值高于上限时，通过开启微蜂窝来补充当前所需要的网络容量，当流量负载值低于下限时，通过关闭一些微蜂窝来提高网络的资源利用率，从而达到节能的目的。也没有提及到网络虚拟化网元本身。

5G核心网的网络架构图如图1所示，5G核心网的网元包括：接入和移动性管理AMF、会话管理SMF、用户平面功能UPF、统一数据管理UDM、策略控制功能PCF、认证服务器功能AUSF、网络能力开放NEF、网络切片选择功能NSSF、网络注册功能NRF。各网元之间的接口N1-N22都是5G标准中定义的各网元间通信接口。

4G核心网的网络架构图如图2所示，4G核心网的网元包括：

MME：移动性管理实体，MME用于SAE网络，也是接入核心网的第一个控制平面节点，用于本地接入的控制。

Serving GateWay：服务网关(Serving-GW)，负责UE用户平面数据的传送、转发和路由切换等。

PDN GateWay：分组数据网网关(PDN-GW)，是分组数据接口的终接点，与各分组数据网络进行连接。提供与外部分组数据网络会话的定位功能。

PCRF：策略计费功能实体，是支持业务数据流检测、策略实施和基于流量计费的功能实体的总称。

HSS：(Home Subscriber Server)用于存储用户签约信息的数据库，存储的信息包括：用户标识信息、用户安全控制信息、用户位置信息、用户策略控制信息等。

4G核心网中各网元之间的接口s1到s11都是4G标准中定义的各网元间通信接口。

由于移动4G和5G通信每个网元都有容量限制，所以常有同一地点部署相同的网元来增加处理容量，完成同样功能。特别是应付忙时容量问题。

这些设备常年开启，无论是忙时，还是闲时。在夜晚通信业务低时，很多网元利用率很低，每天低利用率长达数小时，是很大的能源浪费。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种5G通信网元的智能节能网及节能方法，能弥补现有节能技术对虚拟化网元的缺失。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明公开一种5G通信网元的智能节能网，包括至少两个同类型的5G网元，所述的至少两个同类型的5G网元是对等模式或主从模式；所述的智能节能网中某一个网元判断自身负载情况，当自身负载小于设定的基准值时向其他同类型的网元或主控网元申请下线；经其他同类型的网元或主控网元同意后下线；在满足唤醒规则后，被其他同类型的网元或主控网元唤醒。

第二方面，本发明公开一种5G通信网元的智能节能方法，包括以下步骤：

步骤S1、智能节能网中的第一网元向负责值守工作的其他同类型的目标网元申请下线并获得目标网元同意下线的响应，并收到目标网元的节能申请响应信息，第一网元从节能申请响应信息中的回应类型是同意下线的目标网元中选择繁忙程度最高的目标网元或选择主控网元作为唤醒网元；

步骤S2、第一网元向网络注册功能NRF注销服务；

步骤S3、唤醒网元开始检测唤醒规则，满足唤醒条件时，唤醒已下线的第一网元；

步骤S4、第一网元收到唤醒后，开始提供服务，向保存联系的网元发送节能申请重新服务信息。

进一步的，所述的步骤S1包括：

步骤S101、第一网元判断自身负载情况，如果自身负载小于设定的基准值，则向同类型的目标网元发出携带了唤醒规则的第一次节能下线申请信息；

步骤S102、目标网元接收到节能下线申请信息后，发送节能申请响应信息给所述第一网元；

步骤S103、第一网元从节能申请响应信息中回应类型是同意下线的目标网元中，选择繁忙程度最高的目标网元或选择主控网元作为唤醒网元；

步骤S104、第一网元向唤醒网元发送第二次节能下线申请信息，并请求唤醒网元保存唤醒规则；同时第一网元向备选网元发送已经选定信息；

步骤S105、唤醒网元发送节能申请响应信息给第一网元，回复保存唤醒规则成功。

进一步的，当繁忙程度最高的目标网元不止一个时，优先选择被其他已下线的网元选择过的作为唤醒网元。

进一步的，所述的繁忙程度的计算公式为：

繁忙程度＝(网元当前业务量/网元最大支持的业务量)×100％。

进一步的，所述的步骤S3中唤醒第一网元的步骤包括：

步骤S301、唤醒网元检测是否满足唤醒规则中的绝对唤醒时间，如果满足，则转至步骤S303；如果不满足，则转至步骤S302；

步骤S302、唤醒网元检测是否满足唤醒规则中的条件唤醒，如果满足，则转至步骤S303；如果不满足，则回到步骤S301；

步骤S303、唤醒网元开始三次唤醒。

进一步的，绝对唤醒时间是在唤醒规则中设定好的时间，绝对唤醒时间一到即刻唤醒第一网元。

进一步的，条件唤醒的流程包括：

步骤S310、唤醒网元开始计时；

步骤S311、唤醒网元检测自身繁忙程度是否大于第一设定阈值，如果是则转至步骤S312，如果否则重新开始步骤S310；

步骤S312、唤醒网元判断繁忙程度是否大于第二设定阈值，如果是则转至步骤S314，如果否则开始步骤S313；

步骤S313、唤醒网元判断繁忙程度大于第一设定阈值的持续时间是否超过第一设定时间值，如果是则转至步骤S315，如果否则重新开始步骤S311；

步骤S314、唤醒网元判断繁忙程度大于第二设定阈值的持续时间是否超过第二设定时间值，如果是则转至步骤S315，如果否则重新开始步骤S312；

步骤S315、条件唤醒结束，唤醒网元开始三次唤醒第一网元。

进一步的，第一设定阈值小于第二设定阈值，第一设定时间值大于第二设定时间值。

本发明的有益效果在于：5G核心网作为新的技术分布式地部署虚拟化网元，考虑新的节能方法，让设备更加智能的节约能源，从每个虚拟化网元开始。同时现在通信网络中不同公司的产品很多，本发明能互联互通，作为一个互通的节能接口，互相支持，进行节能组网。

附图说明

图1为移动5G通信的主要核心网架构示意图；

图2为移动4G通信的主要核心网架构示意图；

图3为本发明的UPF智能节能组应用于5G核心网的架构示意图；

图4为本发明的对等模式的智能节能网示意图；

图5为本发明的主从模式的智能节能网示意图；

图6为本发明的智能节能网关闭过程示意图；

图7为协议层次结构图；

图8为向NRF注销服务的流程图；

图9为向NRF注册服务的流程图；

图10为本发明的节能方法中唤醒流程的主流程图；

图11为本发明的唤醒流程中条件唤醒流程图。

具体实施例

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

实施例一

本发明通过5G网元实现通信网络中网元的智能节能功能。

本发明的一种5G通信网元的智能节能网，包括至少两个同类型的5G网元，至少两个同类型的5G网元可以是两个UPF网元、两个AMF网元、两个SMF网元、两个UDM网元、两个PCF网元、两个AUSF网元、两个NEF网元、两个NSSF网元或两个NRF网元等。所述的至少两个同类型的5G网元可以是对等模式，也可以是主从模式。智能节能网的主要功能包括申请下线功能、同意下线功能、唤醒已下线的网元启动功能、被唤醒自动运行功能等。

以UPF网元组成的智能节能网为例来说明各功能的具体作用：

申请下线功能：网元本身自行判断自身负载情况，负载低(负载的高低值可以设定)时向其他同类型的网元申请下线；比如网络中有多台UPF网元组成的智能节能网，没有主控制时，多台UPF网元之间形成对等模式，当某一UPF网元向其他UPF发送申请下线信息，同意的多，反对的少时(规则可设置)可以下线关闭；有设置主控网元时(坚守最后者)，形成主从节能制模式，从节能网元向主控网元申请下线；在早晨忙时，被其他UPF或主控UPF唤醒。

同意下线功能：当某一UPF或主控UPF收到其他UPF网元申请下线信息时，该UPF或主控UPF做出是否同意申请下线的判断回复，记录下线设备地址。

唤醒已下线的网元启动功能:能根据记录下线网元的地址，通过网络唤醒关闭的下线网元。

被唤醒自动运行功能：能接受其他同类型网元的唤醒，并自动运行，注册服务，并提供服务。

本发明的智能节能网的工作原理具体如下：

用UPF网元举例来说：智能节能网包括多台UPF网元，如图4所示，没有主控制时，形成对等模式，某一个UPF网元自行判断负载情况，负载小于设定的基准值时使用节能接口协议向智能节能网中其他UPF网元发送下线申请信息，同意的多，反对的少时(规则可设置)可以下线关闭；在早晨忙时，被其他UPF唤醒。在其他UPF申请下线时，做是否同意的判断回复，记录下线设备地址。

网络中有多台UPF组网，可以设置节能主控(坚守最后者)，形成主从节能制模式，如图5所示。其他UPF向主控制UPF申请下线，主控制UPF(规则可设置)同意后关闭；在(早晨)忙时，被主控制UPF唤醒。

实施例二

本发明的一种5G通信网元的智能节能方法，基于实施例一的智能节能网来实现，包括以下步骤：

步骤S1、智能节能网中的某一个网元(为了方便描述，以下称为第一网元)向核心网中负责值守工作的同类型的目标网元申请下线，并收到目标网元的节能申请响应信息，第一网元从节能申请响应信息中的回应类型是同意下线的目标网元中，选择繁忙程度最高的目标网元或选择主控网元作为唤醒网元。

步骤S1具体包括：

步骤S101、第一网元判断自身负载情况，如果自身负载小于设定的基准值，则使用节能接口协议向同类型的目标网元发出节能下线申请信息。

在对等模式下，目标网元是与第一网元相连的同类型的其他网元。在主控模式下，目标网元是与第一网元同类型的主控网元。

节能下线申请信息中带有唤醒规则。目前3GPP的5G接口和协议没有关于节能的协议，本发明定义自己的节能接口协议。

自定义的节能接口协议如下表1所示：

表1

设备类型标志：定义设备的类型，如果是UPF智能节能的话，可以定义该设备为普通UPF或主控UPF；如果是SMF智能节能的话，可以定义该设备为普通SMF或主控SMF；如果是AMF智能节能的话，可以定义该设备为普通AMF或主控AMF等等。用户可以根据参与智能节能的网元类型进行定义。

节能组编号：由于不同的网元部署的位置不同、区域不同、管理的用户不同，不同的区域的网元可能不能相互替代工作，所以有必要用编号进行标识。

节能协议内容：包括但不限于节能下线申请信息、节能申请响应信息、已经选定信息、节能申请重新服务信息等。

以UPF为例，节能接口协议采用UPF发送，协议的层次结构如图7所示。

在该步骤中，协议类型为节能申请下线，节能协议内容就是节能下线申请信息的内容，节能下线申请信息包括以下表2中的内容：

表2

在该步骤中，第一网元是第一次发送节能申请下线信息，为预约申请，申请标志＝0，预约申请(第一次)。

申请下线信息中携带的唤醒规则说明如下：

“条件控制标志”为1个字节(8个比特，从低位bit1到高位bit8)，取值如下：

bit1和bit2全为0：繁忙程度1、2判断唤醒，与唤醒时间无关。

bit1＝1：繁忙程度1判断唤醒，同时满足条件唤醒时间要求。

bit2＝1：繁忙程度2判断唤醒，同时满足条件唤醒时间要求。

bit3＝1：满足条件唤醒时间要求就唤醒。

bit4＝1：使用唤醒方默认规则。

bit5-bit8：备用。

默认规则为设置网元的缺省值，缺省值设置举例说明：繁忙程度大于50％并持续1小时或繁忙程度大于80％并持续0.5小时，或时间超过早上7点，缺省值可以根据实际情况进行设定，并不局限于这里的一种设定。

一般情况下繁忙程度2高于繁忙程度1，条件2持续时间短于条件1持续时间。繁忙程度2属于紧急唤醒功能,繁忙程度1属于一般唤醒功能。

网元的繁忙程度的计算公式为：

繁忙程度＝(网元当前业务量/网元最大支持的业务量)×100％

对于实际使用网元计算，可以取几天的最大业务量平均值来替代“网元最大支持的业务量”参与计算。这样每个网元不同的核心业务都能换算成繁忙程度，节能协议能够通用各类网元。

对于UPF来说，它的繁忙程度计算公式为：

UPF繁忙程度＝(目前会话数/最大支持的会话容量)×100％。

其中“最大支持的会话容量”可以出厂部署时设置。

步骤S102、目标网元接收到下线申请后，发送节能申请响应信息(带自身目前的繁忙程度)给所述第一网元。

节能申请响应信息包含以下内容：

表3

对第一次预约申请的，目标网元判断其与第一网元是否同组，是否可替代第一网元的工作，如果是回复“节能申请响应”同意下线。

步骤S103、第一网元从节能申请响应信息中回应类型是同意下线的目标网元中，选择繁忙程度最高的目标网元或选择主控网元作为唤醒网元。

在对等模式下，繁忙程度最高的网元不止一个时，优先选择被其他已下线的网元选择过的。未被选择的网元作为备选网元。

步骤S104、第一网元向唤醒网元发送节能下线申请信息，并请求唤醒网元保存唤醒规则；同时第一网元向备选网元发送已经选定信息。

在该步骤中，第一网元是第二次发送节能下线申请信息，本次是正式申请(第二次)，申请标志＝1。

已选定信息包含以下内容(申请标志3时)：

字节数	说明	取值和备注
			1	申请标志	3：已经选定其他主机
6	MAC地址	被选定的主机MAC地址
			4	IP地址	被选定的主机IP地址

表4

步骤S2、第一网元向NRF注销服务。

向NRF注销服务,这里使用5G标准协议，见3GPP TS 23.502V15.6.0(2019-06),第4.17.3章节。注销的具体流程如图8所示。NRF(Network Repository Function)是网络注册功能，是5GC的网元。

其他有联系网元选择其他可用同类替代网元，见3GPP TS 23.502V15.6.0(2019-06),第4.17.4章节和第4.17.5章节，找到替代网元进行联系和工作。

第一网元保存联系的网元信息，保存下线时间，下线完成。

步骤S3、唤醒网元开始检测唤醒规则，满足唤醒条件时，唤醒已下线的第一网元。

唤醒网元按保存的唤醒规则，按顺序或规则(默认每启动一个间隔5分钟)唤醒智能关闭的UPF。唤醒规则如默认规则：繁忙程度大于50％并持续1小时或繁忙程度大于80％并持续0.5小时，或时间超过早上7点，或达到保存的唤醒规则要求，开始三次唤醒。

唤醒流程如图10所示，具体包括以下步骤：

步骤S303、唤醒网元开始三次唤醒。

通过向网元支持网络唤醒的网卡发送唤醒信息，市场有支持的网卡唤醒软件，一般是连续发送网卡MAC地址。三次唤醒是指向网元发送第一次唤醒后，一定时间(5-10分钟)检查被唤醒网元是否启动，如果没有启动再次发送第二次唤醒，再在一定时间(5-10分钟)检查被唤醒网元是否启动，如果没有启动再次发送第三次唤醒。

条件唤醒的流程如图11所示，具体包括以下步骤：

步骤S310、唤醒网元开始计时；

步骤S315、条件唤醒结束，唤醒网元开始三次唤醒第一网元。

本发明中的第一设定阈值、第二设定阈值、第一设定时间值、第二设定时间值可以根据实际情况进行设定或修改，比如设定第一设定阈值为50％，设定第二设定阈值为80％、设定第一设定时间值为1小时，设定第二设定时间值为0.5小时。一般情况下，第一设定阈值小于第二设定阈值，第一设定时间值大于第二设定时间值。

第一网元开启系统，运行程序，程序全部开启就绪，开始提供服务，记录开始服务时间。

步骤S4中包括第一网元重新向NRF注册服务的过程，使用5G标准协议，见3GPP TS23.502V15.6.0(2019-06),第4.17.1章节。注册流程见图9，向NRF注册服务的过程属于现有技术，在此不再赘述。

节能申请重新服务信息的内容如下：

字节数	说明	取值和备注
			1	申请标志	4：重新服务
6	MAC地址	主机MAC地址
			4	IP地址	主机IP地址

表5

本发明的方法，关键技术点在于5G网元自己判断自身负载情况，来判定是否关闭自己，通过其他同类型的网元唤醒。

网元自己判断负载情况，由于网元自己更能够知道真实负载的变化，而且不用复杂的收集其他网元的负载情况，在5G分散管理的环境里更容易部署，更容易添加或移除网元，减少对其他网元的部署影响。

这些都使得在5G分散管理的异构环境里，使动态节能成为可能，智能节能网元可以方便的动态组网。

本发明适用于5G所有网元，也同样适用于4G及3G网元中。

以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种5G通信网元的智能节能方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、智能节能网中的第一网元向负责值守工作的其他同类型的目标网元申请下线，并收到目标网元的节能申请响应信息，第一网元从节能申请响应信息中的回应类型是同意下线的目标网元中选择繁忙程度最高的目标网元或选择主控网元作为唤醒网元；

步骤S2、第一网元向网络注册功能NRF注销服务；

步骤S4、第一网元收到唤醒后，开始提供服务，向保存联系的网元发送节能申请重新服务信息；

所述的步骤S1包括：

2.根据权利要求1所述的一种5G通信网元的智能节能方法，其特征在于，当繁忙程度最高的目标网元不止一个时，优先选择被其他已下线的网元选择过的作为唤醒网元。

3.根据权利要求2所述的一种5G通信网元的智能节能方法，其特征在于，所述的繁忙程度的计算公式为：

4.根据权利要求1所述的一种5G通信网元的智能节能方法，其特征在于，所述的步骤S3中唤醒第一网元的步骤包括：

步骤S303、唤醒网元开始三次唤醒。

5.根据权利要求4所述的一种5G通信网元的智能节能方法，其特征在于，绝对唤醒时间是在唤醒规则中设定好的时间，绝对唤醒时间一到即刻唤醒第一网元。

6.根据权利要求4所述的一种5G通信网元的智能节能方法，其特征在于，条件唤醒的流程包括：

步骤S310、唤醒网元开始计时；

步骤S315、条件唤醒结束，唤醒网元开始三次唤醒第一网元。

7.根据权利要求6所述的一种5G通信网元的智能节能方法，其特征在于，第一设定阈值小于第二设定阈值，第一设定时间值大于第二设定时间值。