CN112888069B - 一种服务城市中心环境的5g网络切片系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种服务城市中心环境的5G网络切片系统，其特征在于：包括5G通信模块、数据存储模块、权重计算模块、网络切片模块以及资源调度模块，其用于为5G手机用户在城市中心环境中对各种通信业务、无线网络资源按其设定的处理方式进行权重计算，作出符合业务优先级的切片调度处理，其通过实时获取5G移动通信基站布局数据和网络链路数据，对物理网络资源进行切片，得到通信业务优先级排序作为资源调度结果，资源调度器利用该结果，使基站阻塞和切换次数下降明显，同时用户连接数以及带宽总占用量也可长期保持较高值，而基站覆盖率、单切片带宽占用率以及单切片用户占用数，稳定且无显著波动，可极大提升5G基站无线资源的整体利用率。
Description
技术领域
本发明涉及信息技术领域，尤其涉及到一种服务城市中心环境的5G网络切片系统。
背景技术
随着第五代移动通信技术(5G)的快速发展，民众的5G手机使用率不断增大。5G的设计目标以及最显著的特征是为用户满足速率、时延、可靠性、流量密度等多种需求，对应的应用场景可细分为增强型移动宽带(Enhance Moblie BroadBoand,eMBB)、超可靠低时延通信(Ultra Reliable Low Latency Communication,uRLLC)、海量机器类通信(MassiveMachnice Type Communication,mMTC)。作为5G移动网的五大主要通信业务类型：实时会话业务、流业务、交互式业务、背景业务、尽力而为业务，需时常在各类城市环境下进行应用，譬如：语音传输、直播视频流、网络页面、文件传输协议、短信服务以及电子邮件等。而频繁进行上述活动时，均不适合在人流量巨大且用户行为难以预测的城市中心环境下使用，所以就要选择性的对重要性较低的通信业务进行限流或延处理，以保证重要通信业务的高优先级。目前还未有城市中心场景下采用相应切片方法进行网络资源调度的功能，只是依靠网络转发节点通过预先设置系统初始值，以保证网络流量的正常传输。若用户在城市中心环境下，其网络资源不满足当前展开通信业务的必要条件时，既想保证通信业务的顺利运行，又不想在运行期间因5G核心网络拥塞等突发情况，导致本业务多次被其他用户以及其他网络业务抢占，则必须采用合理的网络切片方法进行资源调度，用于解决用户业务传输中断和核心网络拥塞的困扰。
现有的网络切片方法，如动态切片、状态切片、预测切片等，均无法满足5G用户所需的如下功能：1.对在城市中心某一区域内进行不宜进行通信业务时，可自动计算业务优先级以保证传输效率；2.自动判断用户是否处于业务设定场景内，针对各类场景进行权重分配；3.对通信业务的重要性可采用相应依据进行优先级排序。
本发明正是为了解决上述技术问题。
在对城市中心用户提供网络传输业务服务时，需要保证网络传输的持续稳定，因此本发明设计的5G网络切片方法及系统，综合考虑了用户保证带宽、最大带宽限制、服务质量(QoS,Quality of Service)业务、链路延迟容忍，切片吞吐量等多项重要网络性能指标，大幅提升5G基站用户连接数和网络资源利用率，并有效降低用户频繁阻塞及切换次数，降低了整体网络调度的时间与计算成本，且保证对用户网络业务检测具备足够的判别度，达到了城市中心环境的网络带宽、往返时延等需求。在这个5G网络切片系统中，具备5G通信模块、数据存储模块、权重计算模块、网络切片模块以及资源调度模块等多个部分，完整地实现了城市中心环境下5G核心网络对相关资源调度的要求，大大地降低了系统的时间复杂度，减少了5G传输设备的部署成本，增大了整体网络的传输能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种服务城市中心环境的5G网络切片系统，用于为5G用户在城市中心内使用各种通信业务时，对各种无线网络资源按其设定的处理方式进行权重计算，作出符合业务优先级的切片调度处理。
针对上述，本发明公开了一种用于上述目的技术方案：一种服务城市中心环境的5G网络切片系统，其特征在于：包括5G通信模块、数据存储模块、权重计算模块、网络切片模块以及资源调度模块，其用于为5G手机用户在城市中心环境中对各种通信业务、无线网络资源按其设定的处理方式进行权重计算，作出符合业务优先级的切片调度处理。
优选的，所述5G通信模块采用华为5G MH5000-31作为通信模组，采用RaspberryPi4 4B作为控制单元，在RaspberryPi4 4B中烧写Linux操作系统，运行基于服务城市中心环境设计的5G网络切片系统，采用树莓派卡片机处理MH5000-31射频型号，所述5G通信模块用于负责汇总5G信号源传送过来的信息，实时计算当前用户所处的网络链路状态，并向数据存储模块发送当前网络相关数据。
优选的，所述数据存储模块用于存储5G通信模块传输过来的用户占用带宽、单用户最大带宽限制、单切片占用吞吐量、QoS业务、链路可容忍延迟数据指标，这5项数据指标用于提供给权重计算模块进行切片权重向量计算，还包括存储权重计算模块回传的切片权重向量以及将切片权重向量传输至网络切片模块进行网络切片，并存储网络切片模块的网络切片结果，所述网络切片结果可传输至资源调度模块，同时作为输入与5G无线接入网结合计算资源调度结果。
优选的，所述权重计算模块的权重计算过程分为以下五个步骤：
步骤一：
首先，为了在同一度量标准下对网络切片性能指标进行比较，先对切片起始矩阵进行归一化，通过对切片性能指标进行向量归一化，获得切片归一化矩阵R，以用于权重矩阵的计算，起始矩阵X和归一化矩阵R分别如式(1)和式(2)所示，向量归一化的具体计算过程见式(3)：
X＝||xij||m×n (1)
R＝||rij||m×n (2)
其中xij为起始矩阵X第i个切片中对应第j个性能指标的原始值，rij为归一化矩阵R第i个切片中对应第j个性能指标的归一化值，m和n分别为切片与性能指标的总数目；
步骤二：
为了综合考虑切片性能指标的相对重要性，通过对归一化矩阵进行加权计算，所得到的加权归一化矩阵V如式(4)所示：
V＝||wjrij||m×n＝||vij||m×n (4)
其中wj为第j个性能指标的权重，vij为加权归一化矩阵V第i个切片中对应第j个性能指标的加权归一化值；
步骤三：
采用基于概率论作为数据不确定性度量的依据的熵权法，基于广泛的数据分布带来更高的不确定性的理论，通过每个性能指标在切片起始矩阵中所具备的信息熵，根据各切片之间的相对差异，进行权重的精确计算，切片性能指标的信息熵ej计算过程见式(5)与式(6)：
步骤四：
通过信息熵ej可计算切片性能指标权重wj，过程如式(7)所示：
步骤五：
根据式(7)计算出性能指标权重wj后，带入式(4)得加权归一化矩阵V，作为切片权重矩阵，通过计算对各个性能指标加权归一化值进行累加，并统计累加分值在所有分值总和重的最终所占比，最终确定切片权重向量F，其中Fi表示第i个网络切片的权重，计算过程见式(8)：
优选的，所述网络切片模块的网络性能指标包括：1)单用户占用带宽；2)单用户最大带宽限制；3)单切片占用吞吐量；4)QoS业务；5)链路可容忍延迟；其用于计算当前城市中心的5G用户通信业务优先级，并将通信业务的优先级作为网络切片结果，数据传输至数据存储模块。
优选的，所述资源调度模块用于以网络切片结果作为输入与5G无线接入网结合，当5G无线接入网(NG Radio Access Network,NG-RAN)初始接入开启，用户终端(UserEquipment,UE)首先需寻找5G无线网络并建立网络连接，具体包括以下2个步骤：(1)获得上下行同步,即通过侦听网络获得下行链路(DownLink,DL)同步，以及通过随机接入获取上行链路(UpLink,UL)同步；(2)收发消息，建立连接；还包括以资源调度结果作为依据，数据传输至网络资源调度器。
有益效果：本发明针对城市中心环境设计了一种服务城市中心环境的5G网络切片系统，该方法系统用于为5G用户在城市中心内使用各种通信业务时，对各种无线网络资源按其设定的处理方式进行权重计算，作出符合业务优先级的切片调度处理，可应用于eMBB、URLLC、mMTC三大典型应用场景的5G切片策略。该策略通过对单用户占用带宽、单用户最大带宽限制、单切片占用吞吐量、QoS业务、链路可容忍延迟5种指标进行分析，可为城市中心5G用户的通信业务的传输优化以及基站的无线资源调度提供参考依据。
本发明实时获取5G移动通信基站布局数据和网络链路数据，对物理网络资源进行切片，得到通信业务优先级排序作为资源调度结果。资源调度器采用该结果，可使基站阻塞和切换次数下降明显，同时用户连接数以及带宽总占用量也可长期保持较高值，而基站覆盖率、单切片带宽占用率以及单切片用户占用数，稳定且无显著波动，可极大提升5G基站无线资源的整体利用率。
附图说明
图1为本方案的系统架构示意图；
图2为本方案权重计算模块的5G网络切片策略参考依据图；
图3为本方案资源调度模块中无线接入流程图；
图4为本方案资源调度模块中RAN整体架构图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1-4所示一种服务城市中心环境的5G网络切片系统，用于为5G手机用户在城市中心环境中对各种通信业务，对各种无线网络资源按其设定的处理方式进行权重计算，作出符合业务优先级的切片调度处理，所述系统的模块设计包括：5G通信模块、数据存储模块、权重计算模块、网络切片模块以及资源调度模块，对5G网络切片系统进行以下技术方案的设计：
1.5G通信模块
5G通信模块使用华为5G MH5000-31作为通信模组，采用RaspberryPi4 4B作为控制单元，在RaspberryPi4 4B中烧写Linux操作系统，运行服务城市中心环境的5G网络切片方法及系统，树莓派卡片机运算能力较强，适合用于处理MH5000-31射频型号，5G通信模块负责汇总5G信号源传送过来的信息，实时计算当前用户所处的网络链路状态，并向数据存储模块发送当前网络相关数据。
2.数据存储模块
数据存储模块用于存储5G通信模块传输过来的用户占用带宽、单用户最大带宽限制、单切片占用吞吐量、QoS业务、链路可容忍延迟数据指标，这5项数据指标可提供给权重计算模块进行切片权重向量计算，并存储权重计算模块回传的切片权重向量，随后将切片权重向量传输至网络切片模块进行网络切片，并存储网络切片模块的网络切片结果，最后网络切片结果可传输至资源调度模块，同时作为输入与5G无线接入网结合计算资源调度结果。
3.权重计算模块
城市中心环境下可主要考虑单用户占用带宽、单用户最大带宽限制、单切片占用吞吐量、QoS业务、链路可容忍延迟共5项指标对5G网络切片性能的影响，可将数据存储模块中存储的性能指标通过保证带宽(单用户)、最大带宽(单用户)、保证吞吐量(单切片)、QoS优先级、最大时延(单用户)这5项网络数据进行量化表征，随后通过熵权法计算5项网络性能指标影响下的切片权重矩阵，进而最终确定切片权重向量，最终将切片权重向量存储至数据存储模块，用于网络切片模块调用计算，权重计算过程可分以下五个步骤。
步骤一：
为了能够在同一度量标准下对网络切片性能指标进行比较，首先需对切片起始矩阵进行归一化，通过对切片性能指标进行向量归一化，可获得切片归一化矩阵R，以用于权重矩阵的计算，起始矩阵X和归一化矩阵R分别如式(1)和式(2)所示，而向量归一化的具体计算过程见式(3)：
X＝||xij||m×n (1)
R＝||rij||m×n (2)
其中xij为起始矩阵X第i个切片中对应第j个性能指标的原始值，rij为归一化矩阵R第i个切片中对应第j个性能指标的归一化值，而m和n分别为切片与性能指标的总数目。
步骤二：
为了综合考虑切片性能指标的相对重要性，通过对归一化矩阵进行加权计算，所得到的加权归一化矩阵V如式(4)所示：
V＝||wjrij||m×n＝||vij||m×n (4)
其中wj为第j个性能指标的权重，vij为加权归一化矩阵V第i个切片中对应第j个性能指标的加权归一化值。
步骤三：
本发明所采用的熵权法是基于概率论作为数据不确定性度量的依据，该理论表明广泛的数据分布会带来更高的不确定性，所以每个性能指标在切片起始矩阵中所具备的信息熵，根据各切片之间的相对差异，可用于权重的精确计算，切片性能指标的信息熵ej计算过程见式(5)与式(6)：
步骤四：
通过信息熵ej可计算切片性能指标权重wj，过程如式(7)所示：
步骤五：
根据式(7)计算出性能指标权重wj后，带入式(4)得加权归一化矩阵V，可作为切片权重矩阵，通过计算对各个性能指标加权归一化值进行累加，并统计累加分值在所有分值总和重的最终所占比，最终确定切片权重向量F，其中Fi表示第i个网络切片的权重，计算过程见式(8)：
4.网络切片模块
本发明涉及一种服务城市中心环境的5G网络切片系统，所采用的5G网络切片策略核心在于满足多连接、多业务、灵活部署的同时，提供定制的网络特性，如带宽、延时、容量等，所以通过5G网络切片技术，在一个独立的物理网络上切分出多个逻辑网络，该发明调用数据存储模块保存的权重向量用于切片，该权重向量代表5项网络性能指标作为城市中心环境下5G网络切片策略的参考依据，如图4所示，选用这5项网络性能指标的依据如下：
1)单用户占用带宽，由于5G采用更为先进的符号成型技术，降低了频谱边缘保护带开销，因此相比于传统4G网络，大幅提升了传输带宽，而mMTC应用场景下，5G网络通常要求在单位面积区域具备更高带宽，考虑到城市中心环境下人流量巨大，某特定区域内会存在大量设备同时请求连接。
2)单用户最大带宽限制，在针对eMBB应用场景实际部署时，若不考虑基站改建或后续优化，5G基站的无线资源通常为恒定值，此时需设定单用户最大带宽限制，以保证不会令某一用户抢占过多资源，从而导致其他用户带宽受限，降低整体用户体验。
3)单切片占用吞吐量，对于交互式应用网络来说，吞吐量指标反映网络整体能够承受的压力，吞吐量作为一个能够较为直观的网络性能指标，能够反映切片对系统负载能力的影响，采用吞吐量选择切片能为在切片接入服务中为用户提供最大数据传输速率,实现5G网络切片下的切换过程管控。
4)QoS业务，根据3GPP标准规范定义，将QoS分为5种业务类型：(1)实时会话，如基于IP的语音传输，是目前应用较广的话题；(2)流业务，如Video等；(3)交互式业务，包括广泛应用的Internet，如Web浏览等；(4)背景业务，如E-mail、文件传输协议和短信服务等，(5)除此之外其他类型则可作为尽力而为业务处理。
5)链路可容忍延迟，自从5G设计之初就将网络时延特性作为重点，成为5G需求的一部分，uRLLC中超低时延和超高可靠的应用场景对导致对5G网络往返时延要求较高，通常需达到1ms以内，相比4G网络所要求的10ms，降低了近10倍，所以在进行网络切片时，需将链路可容忍时延因素考虑在内。
根据5G网络切片策略的5项参考依据，计算当前城市中心的5G用户通信业务优先级，并将通信业务的优先级作为网络切片结果，数据传输至数据存储模块。
5.资源调度模块
该模块将数据存储模块中的网络切片结果，作为输入与5G无线接入网结合，当5G无线接入网(NG Radio Access Network,NG-RAN)初始接入开启后，用户终端(UserEquipment,UE)首先需寻找5G无线网络并建立网络连接，具体包括以下2个步骤：(1)获得上下行同步,即通过侦听网络获得下行链路(DownLink,DL)同步，以及通过随机接入获取上行链路(UpLink,UL)同步；(2)收发消息，建立连接，其中包括建立UE与5G核心网之间的移动性上下文、缺省承载以及附着流程，以获取网络分配的IP地址。
在初始接入过程中非独立组网(non-Standalone,NSA)组网模式下，NG-RAN基站即gNodeB不需要广播剩余最小系统信息(Remaining Minimum System Information,RMSI)，RMSI中的内容通过由LTE发送的无线资源控制层(Radio Resource Control,RRC)信令在UE开始接入新空口(New Radio,NR)前发生给UE，其中gNodeB又可从架构上分离为集中单元(Centralized Unit,CU)和分布单元(Distributed Unit,DU)，所以存在gNB-DU和gNB-CU两类基站。
NG-RAN节点包括2类节点：第一类为gNB节点，该节点能够向UE提供NR用户平面和控制平面协议终端；第二类为ng-eNB节点，该节点则能向UE提供演进陆地无线接入网用户平面和控制平面协议终端，gNB和ng-eNB可通过NG-RAN节点之间的网络接口进行双方通信。
gNB和ng-eNB也通过NG接口连接到5G核心网，即可通过接口连接到接入和移动管理功能(Access and Mobility Management Function,AMF)和用户平面功能(User PlaneFunction,UPF)，而会话管理功能(Session Management Function,SMF)则承载了UEIP地址分配和管理、选择和控制UP功能、配置UPF的交通路由、控制指令执行和QoS策略以及下行链路数据通知，最后将资源调度结果作为依据，数据传输至网络资源调度器。
本发明针对城市中心环境设计的服务城市中心环境的5G网络切片方法及系统，该方法系统用于为5G用户在城市中心内使用各种通信业务时，对各种无线网络资源按其设定的处理方式进行权重计算，作出符合业务优先级的切片调度处理，可应用于eMBB、URLLC、mMTC三大典型应用场景的5G切片策略，该策略通过对单用户占用带宽、单用户最大带宽限制、单切片占用吞吐量、QoS业务、链路可容忍延迟5种指标进行分析，可为城市中心5G用户的通信业务的传输优化以及基站的无线资源调度提供参考依据；
本发明实时获取5G移动通信基站布局数据和网络链路数据，对物理网络资源进行切片，得到通信业务优先级排序作为资源调度结果，资源调度器采用该结果，可使基站阻塞和切换次数下降明显，同时用户连接数以及带宽总占用量也可长期保持较高值，而基站覆盖率、单切片带宽占用率以及单切片用户占用数，稳定且无显著波动，可极大提升5G基站无线资源的整体利用率。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改，所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (3)
1.一种服务城市中心环境的5G网络切片系统，其特征在于：包括5G通信模块、数据存储模块、权重计算模块、网络切片模块以及资源调度模块，其用于为5G手机用户在城市中心环境中对各种通信业务、无线网络资源按其设定的处理方式进行权重计算，作出符合业务优先级的切片调度处理；所述5G通信模块采用华为5GMH5000-31作为通信模组，采用RaspberryPi44B作为控制单元，在RaspberryPi44B中烧写Linux操作系统，运行服务城市中心环境的5G网络切片系统，采用树莓派卡片机处理MH5000-31射频型号，所述5G通信模块用于负责汇总5G信号源传送过来的信息，实时计算当前用户所处的网络链路状态，并向数据存储模块发送当前网络相关数据；所述数据存储模块用于存储5G通信模块传输过来的用户占用带宽、单用户最大带宽限制、单切片占用吞吐量、QoS业务、链路可容忍延迟数据指标，这5项数据指标用于提供给权重计算模块进行切片权重向量计算，且包括存储权重计算模块回传的切片权重向量以及将切片权重向量传输至网络切片模块进行网络切片，并存储网络切片模块的网络切片结果，所述网络切片结果可传输至资源调度模块，同时作为输入与5G无线接入网结合计算资源调度结果；所述权重计算模块的权重计算过程分为以下五个步骤：
步骤一：
首先，为了在同一度量标准下对网络切片性能指标进行比较，先对切片起始矩阵进行归一化，通过对切片性能指标进行向量归一化，获得切片归一化矩阵R，以用于权重矩阵的计算，起始矩阵X和归一化矩阵R分别如式(1)和式(2)所示，向量归一化的具体计算过程见式(3)：
X＝||xij||m×n (1)
R＝||rij||m×n (2)
其中xij为起始矩阵X第i个切片中对应第j个性能指标的原始值，rij为归一化矩阵R第i个切片中对应第j个性能指标的归一化值，m和n分别为切片与性能指标的总数目；
步骤二：
为了综合考虑切片性能指标的相对重要性，通过对归一化矩阵进行加权计算，所得到的加权归一化矩阵V如式(4)所示：
V＝||wjrij||m×n＝||vij||m×n (4)
其中wj为第j个性能指标的权重，vij为加权归一化矩阵V第i个切片中对应第j个性能指标的加权归一化值；
步骤三：
采用基于概率论作为数据不确定性度量的依据的熵权法，基于广泛的数据分布带来更高的不确定性的理论，通过每个性能指标在切片起始矩阵中所具备的信息熵，根据各切片之间的相对差异，进行权重的精确计算，切片性能指标的信息熵ej计算过程见式(5)与式(6)：
步骤四：
通过信息熵ej可计算切片性能指标权重wj，过程如式(7)所示：
步骤五：
根据式(7)计算出性能指标权重wj后，带入式(4)得加权归一化矩阵V，作为切片权重矩阵，通过计算对各个性能指标加权归一化值进行累加，并统计累加分值在所有分值总和重的最终所占比，最终确定切片权重向量F，其中Fi表示第i个网络切片的权重，计算过程见式(8)：
2.根据权利要求1所述的一种服务城市中心环境的5G网络切片系统，其特征在于：所述网络切片模块的网络性能指标包括：1)单用户占用带宽；2)单用户最大带宽限制；3)单切片占用吞吐量；4)QoS业务；5)链路可容忍延迟；其用于计算当前城市中心的5G用户通信业务优先级，并将通信业务的优先级作为网络切片结果，数据传输至数据存储模块。
3.根据权利要求2所述的一种服务城市中心环境的5G网络切片系统，其特征在于：所述资源调度模块用于以网络切片结果作为输入与5G无线接入网结合，当5G无线接入网(NGRadio Access Network,NG-RAN)初始接入开启，用户终端(User Equipment,UE)首先需寻找5G无线网络并建立网络连接，具体包括以下2个步骤：(1)获得上下行同步,即通过侦听网络获得下行链路(DownLink,DL)同步，以及通过随机接入获取上行链路(UpLink,UL)同步；(2)收发消息，建立连接；还包括以资源调度结果作为依据，数据传输至网络资源调度器。
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