CN116347404B - 一种基于群组认证的mMTC网络切片映射方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线通信网络领域,具体涉及一种基于群组认证的mMTC网络切片映射方法及系统,方法包括:获取mMTC网络切片的切片请求S及其时延要求;进行MTC设备的群组长选举;根据时延要求判断mMTC网络切片的业务类型,并将不同的业务类型匹配不同的切片处理路径;构建动态切片请求流量模型,根据动态切片请求流量模型输出的切片到达顺序,依次为每个切片请求S进行节点映射与链路映射。本发明的有益技术效果包括:针对mMTC网络切片广连接的特性而设计,在切片映射前进行MTC设备的群组长选举,相比传统的通用切片映射方法,考虑到了大规模物联网设备入网时的群组认证需求。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信网络领域,具体涉及一种基于群组认证的mMTC网络切片映射方法。
背景技术
5G技术飞速发展的背后是日趋广泛的物联网应用,其中海量机器类通信(mMTC)与物联网技术息息相关,并作为5G三大典型应用场景之一备受研究人员的关注。运营商为了在控制CapEx(Capital Expenditure,资本支出)和OpEx(Operating Expenditure,营运支出)的同时提供定制的网络服务,考虑使用网络切片的概念将物理网络划分为多个逻辑虚拟网络用于承载mMTC业务。mMTC类业务基础性能指标由IMT—2020(5G)推进组给出定义,即连接密度应达到106设备数/km2、设备电池寿命应达到15年,端到端时延3—10ms。有鉴于此,大规模物联网设备认证入网的情况需被纳入相应mMTC网络切片映射机制的重点考虑范畴。
LTE系统中,各类终端的接入认证及密钥协商采用EPS-AKA机制。而在5G系统中,尽管目前尚未对MTC(多任务计算)设备及HTC(高通量计算)设备的鉴权机制作出进一步区分,然而作为共识的是,基于群组认证的方案能够有效提升MTC设备(物联网设备)的接入认证效率,缓解信令拥塞。其主流思想为将统一归属网络下的多个物联网设备构建为一个托管群组,并为其选择可信的群组长,移动管理实体(MME)通过验证群组长代表所有组成员生成的聚合签名来验证托管群组。因此,承载这些设备的mMTC网络切片映射过程,应当区别于其他只考虑异构网络资源分配的通用切片映射过程,换言之,这种群组认证需求深刻影响着相应mMTC网络切片的构建及映射过程。
针对物联网服务中的切片认证及映射问题,现有技术通常采用两种解决方案:其一,使用生成对抗网络实现深度网络切片,并基于SDN(Software-defined Networking,软件定义网络)技术与NFV(Network Function Virtualization,网络功能虚拟化)技术进行网络切片映射与资源管理,并采用马尔可夫决策模拟基于上下文的身份验证;其二,通过简化身份验证过程及模拟小数据包聚合来确立mMTC网络切片,并进行物理硬件平台搭建及实验验证所提出的系统在动态创建、调整、删除切片方面的性能。
然而,现有技术的解决方案更倾向于关注包含接入认证的网络切片框架或系统,以期获得整体的通信性能提升。在这些解决方案中,尽管mMTC网络切片的部分特性得到了考虑,但mMTC切片本身仅作为安全切片范式的验证方案之一,而非研究主体。而且,现有技术忽略了对于拥有群组认证需求的mMTC切片模型的设计,进而忽略了群组认证机制对切片映射过程的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题:目前mMTC网络切片的建立及资源映射方案存在缺乏对群组认证需求的关注的技术问题,提出了一种基于群组认证的mMTC网络切片映射方法及系统,旨在解决上述技术问题。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
一种基于群组认证的mMTC网络切片映射方法,用于实现具有多组MTC设备可信接入核心网的切片部署,包括以下步骤:
步骤S1,获取mMTC网络切片的切片请求S,并获取切片请求S的时延要求;
步骤S2,进行MTC设备的群组长选举;
步骤S3,根据所述时延要求判断mMTC网络切片的业务类型,并将不同的业务类型匹配不同的切片处理路径;
步骤S4,构建动态切片请求流量模型,将mMTC网络切片的切片请求S输入所述动态切片请求流量模型,根据所述动态切片请求流量模型输出的切片到达顺序,依次为每个切片请求S进行节点映射与链路映射。
现有技术主要针对uRLLC、eMBB、mMTC三类切片应用场景使用通用的网络切片资源部署与切片映射方法,即采用启发式算法或机器学习手段,以网络设置作为输入,将不同类型切片的QoS(Quality of Service)需求作为依据,设计目标函数为优化网络资源并最终输出切片映射部署方案,而忽略了切片使用的具体场景及相应存在的切片映射问题。而本申请针对mMTC网络切片广连接的特性而设计,在切片映射前进行MTC设备的群组长选举,相比传统的通用切片映射方法,考虑到了大规模物联网设备入网时的群组认证需求。
切片的QoS需求可以归纳为以下三个方面:(1)带宽需求:不同类型的网络应用需要不同的带宽,例如流媒体应用需要高带宽的网络支持,而电子邮件则需要较低的带宽。因此,网络服务提供商需要根据应用的类型和用户的需求,提供适当的带宽资源。(2)延迟需求:某些应用对延迟非常敏感,例如在线游戏、云办公应用等。因此,网络服务提供商需要提供低延迟的服务,例如使用较短的网络路径、限制网络拥塞等方法。(3)可靠性需求:对于某些移动应用来说,网络连接的时候必须保持稳定和可靠,例如在线支付和视频会议,因此,网络服务提供商需要提供高度稳定的网络连接。因此,本申请根据所述时延要求判断mMTC网络切片的业务类型,并将不同的业务类型匹配不同的切片处理路径,从而能够对目标切片的时延需求进行差异化的处理路径规划,进而有效降低切片阻塞率,平衡光网络带宽资源与边缘节点处理资源消耗,具有一定的实际应用参考价值。
而且,现有技术在切片资源部署与切片映射中大多采用静态网络流量场景,本申请通过构建动态切片请求流量模型,模拟真实网络切片请求的流量变化情况,从而提高mMTC网络切片相关资源部署与映射策略的实用性,具备一定的可靠性与创造性。
作为优选,步骤S1中获取mMTC网络切片的切片请求S的方法包括:
构建用于接入多组MTC设备的网络模型,所述网络模型包括若干个无线电单元以及中心局,所述无线电单元与中心局通过光纤链路连接;
一组MTC设备随机接入若干个无线电单元并发起切片请求S;
所述无线电单元统计每个小区所需的无线电资源块并记录接入的MTC设备身份信息;
以每个切片请求S覆盖范围归属的小区加总的无线电资源块数量为依据,对切片请求S进行降序排列,并将排序后的集合记为切片迭代集S’。
作为优选,所述中心局包括若干个接入中心局、若干个主中心局以及核心中心局,多个无线电单元与一个接入中心局连接,多个接入中心局构成一个接入环,每个接入环与一个主中心局连接,多个主中心局构成一个汇聚环,所述汇聚环与核心中心局连接。
作为优选,步骤S2中进行MTC设备的群组长选举的方法包括:
判断一组MTC设备随机接入的无线电单元是否归属于同一主中心局,若归属于同一主中心局,则该主中心局被选举为群组长,若归属于不同主中心局,则计算各主中心局的综合评价指标Fn,将综合评价指标Fn最大的主中心局选举为组长。
作为优选,所述综合评价指标Fn的计算方法为:
综合评价指标Fn为主中心局节点的剩余处理资源、主中心局节点光端口的剩余带宽、归属无线电单元集到主中心局节点的平均距离以及归属MTC设备连接数量的加权求和。
作为优选,所述接入中心局和主中心局均部署有分布式单元,主中心局还部署有集中式单元,核心中心局部署有移动边缘计算实体,则步骤S3具体包括:
判断所述时延要求的数值大小是否超过预设阈值,若时延要求的数值大小未超过预设阈值,则将该mMTC网络切片的业务类型归为时延敏感型,若时延要求的数值大小超过预设阈值,则将该mMTC网络切片的业务类型归为时延容忍型;
针对时延敏感型mMTC网络切片,该mMTC网络切片的分布式单元在接入中心局中进行处理,该mMTC网络切片的集中式单元在被选举为群组长的主中心局中进行处理;
针对时延容忍型mMTC网络切片,该mMTC网络切片的分布式单元以及集中式单元均在被选举为群组长的主中心局中进行处理。
作为优选,所述动态切片请求流量模型的输入为切片迭代集S’中的切片请求S,其中,单个切片请求S的持续时间由负指数分布模拟,而下一切片请求S到来的间隔时间由泊松分布模拟,所述动态切片请求流量模型的输出为具有不同切片到达顺序的切片请求序列。
作为优选,在步骤S4之前还包括以下步骤:
接收一组MTC设备的聚合签名信息,群组长根据所述聚合签名信息执行群组认证并将密钥分发至每个MTC设备;
确定每个切片请求S进行节点映射与链路映射的候选路径,依次搜索所述候选路径中满足切片业务需求的节点以及网络资源;
在满足切片业务需求的节点中执行网络资源分配。
作为优选,执行网络资源分配的方法包括:
检查相应节点的可用网络资源及相应光纤链路的剩余带宽资源,若相应节点存在可用网络资源且相应光纤链路存在剩余带宽资源,则切片请求S在切片服务时间内分配网络资源,并在切片服务时间结束后释放相应网络资源;若相应节点不存在可用网络资源且相应光纤链路不存在剩余带宽资源,则阻塞该切片请求S。
一种基于群组认证的mMTC网络切片映射系统,包括:
切片获取单元,用于获取mMTC网络切片的切片请求S,并获取切片请求S的时延要求;
群组长选举单元,用于进行MTC设备的群组长选举;
切片处理单元,用于根据所述时延要求判断mMTC网络切片的业务类型,并将不同的业务类型匹配不同的切片处理路径;
动态切片请求流量模型,用于将mMTC网络切片的切片请求S输出为具有不同切片到达顺序的切片请求序列;
映射单元,用于根据所述动态切片请求流量模型输出的切片到达顺序,依次为每个切片请求S进行节点映射与链路映射。
本发明的有益技术效果包括:采用一种基于群组认证的mMTC网络切片映射方法及系统,针对mMTC网络切片广连接的特性而设计mMTC网络切片映射方法,在切片映射前进行MTC设备的群组长选举,相比传统的通用切片映射方法,考虑到了大规模物联网设备入网时的群组认证需求;
通过以MTC设备接入的基站上层归属进行划分的群组长选举方法,使得mMTC网络切片首先能够考虑主中心局节点中远程传输距离带来的时延损耗成本,当该成本无法避免时,则能根据综合评价指标Fn进行处理节点判断,极大的释放了网络资源,减轻切片请求S的部署压力,在满足切片部署要求的前提下完成网络最大数量的切片承载;
通过在综合评价指标Fn的计算中引入归属MTC设备连接数量这一影响因素,不仅能够适应海量物联网设备规模化接入的应用场景,在网络容灾(即节点受攻击导致相应带宽、计算资源不足)场景下,也能够自适应的避免选择受攻击节点,即避免将大量MTC设备的接入请求分配到该类节点上,以缓解节点的压力;
借助时延要求的数值大小将mMTC网络切片的业务类型分为时延敏感型以及时延容忍型,并将不同的业务类型匹配不同的切片处理路径,从而能够对目标切片的时延需求进行差异化的处理路径规划,进而有效降低切片阻塞率,平衡光网络带宽资源与边缘节点处理资源消耗,具有一定的实际应用参考价值;
通过构建动态切片请求流量模型,使得切片请求S的到达和结束过程呈现不规则顺序,区分于现有技术中切片请求S先到先出的静态网络流量场景,实现真实网络切片请求的流量变化情况的模拟,从而提高了本申请提出的mMTC网络切片相关资源部署与映射策略的实用性,具备一定的可靠性与创造性。
本发明的其他特点和优点将会在下面的具体实施方式、附图中详细的揭露。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明:
图1为本发明实施例一种基于群组认证的mMTC网络切片映射方法流程图。
图2为本发明实施例获取mMTC网络切片的切片请求S的方法流程图。
图3为本发明实施例网络模型的结构示意图。
图4为本发明实施例一种基于群组认证的mMTC网络切片映射系统结构示意图。
其中:1、无线电单元,2、接入环,3、汇聚环,4、切片获取单元,5、群组长选举单元,6、切片处理单元,7、动态切片请求流量模型,8、映射单元。
具体实施方式
下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明,但下述实施例仅为本发明的优选实施例,并非全部。基于实施方式中的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例,都属于本发明的保护范围。
在下文描述中,出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系仅是为了方便描述实施例和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
本申请提供了一种基于群组认证的mMTC网络切片映射方法,用于实现具有多组MTC设备可信接入核心网的切片部署,请参阅附图1,包括以下步骤:
步骤S1)获取mMTC网络切片的切片请求S,并获取切片请求S的时延要求。
进一步的,本实施例中,切片请求S的时延要求定义为数据的传播时延和交换时延及执行相应基带处理所需要的计算时延之和。
步骤S2)进行MTC设备的群组长选举。
步骤S3)根据时延要求判断mMTC网络切片的业务类型,并将不同的业务类型匹配不同的切片处理路径。
步骤S4)构建动态切片请求流量模型,将mMTC网络切片的切片请求S输入动态切片请求流量模型,根据动态切片请求流量模型输出的切片到达顺序,依次为每个切片请求S进行节点映射与链路映射。
现有技术主要针对uRLLC、eMBB、mMTC三类切片应用场景使用通用的网络切片资源部署与切片映射方法,即采用启发式算法或机器学习手段,以网络设置作为输入,将不同类型切片的QoS(Quality of Service)需求作为依据,设计目标函数为优化网络资源并最终输出切片映射部署方案,而忽略了切片使用的具体场景及相应存在的切片映射问题。而本申请实施例针对mMTC网络切片广连接的特性而设计,在切片映射前进行MTC设备的群组长选举,相比传统的通用切片映射方法,考虑到了大规模物联网设备入网时的群组认证需求。
切片的QoS需求可以归纳为以下三个方面:(1)带宽需求:不同类型的网络应用需要不同的带宽,例如流媒体应用需要高带宽的网络支持,而电子邮件则需要较低的带宽。因此,网络服务提供商需要根据应用的类型和用户的需求,提供适当的带宽资源。(2)延迟需求:某些应用对延迟非常敏感,例如在线游戏、云办公应用等。因此,网络服务提供商需要提供低延迟的服务,例如使用较短的网络路径、限制网络拥塞等方法。(3)可靠性需求:对于某些移动应用来说,网络连接的时候必须保持稳定和可靠,例如在线支付和视频会议,因此,网络服务提供商需要提供高度稳定的网络连接。因此,本申请实施例根据时延要求判断mMTC网络切片的业务类型,并将不同的业务类型匹配不同的切片处理路径,从而能够对目标切片的时延需求进行差异化的处理路径规划,进而有效降低切片阻塞率,平衡光网络带宽资源与边缘节点处理资源消耗,具有一定的实际应用参考价值。
而且,现有技术在切片资源部署与切片映射中大多采用静态网络流量场景,本申请实施例通过构建动态切片请求流量模型,模拟真实网络切片请求的流量变化情况,从而提高mMTC网络切片相关资源部署与映射策略的实用性,具备一定的可靠性与创造性。
另一方面,本实施例中,请参阅附图2,步骤S1中获取mMTC网络切片的切片请求S的方法包括:
步骤S101)构建用于接入多组MTC设备的网络模型,网络模型包括若干个无线电单元1以及中心局,无线电单元1与中心局通过光纤链路连接。
本实施例构建基于密集波分复用的城域光网络模型。其中,负责收集mMTC网络切片业务流量的若干无线电单元1分布在一定的物理区域中并通过光纤链路与中心局互联,以实现数据的传输。
步骤S102)一组MTC设备随机接入若干个无线电单元1并发起切片请求S。
其中,一个网络切片请求S上承载的MTC设备是在一定的物理区域中随机收集的,此时,MTC设备接入的基站可能处于不同小区,因此,本实施例中的切片请求S能够针对跨小区的MTC设备接入进行处理。
步骤S103)无线电单元1统计每个小区所需的无线电资源块并记录接入的MTC设备身份信息。
示例地,无线电单元1统计每个小区所需的无线电资源块的实现方法为:
(1)测量信号强度,无线电单元1测量每个小区的信号质量和强度,以确定MTC设备接入的小区。这可以通过测量接收到的信号强度指示器(RSSI)来实现。一般来说,MTC设备连接到信号最强的小区。
(2)请求设备的服务质量(QoS)需求,无线电单元1在MTC设备连接到小区后,向MTC设备发送特定的控制信号,以请求MTC设备发送其服务质量需求。这可以通过向MTC设备发送请求来实现,MTC设备在请求中包括其所需的带宽,时延和可靠性等指标。
(3)资源块分配算法,基于设备的服务质量需求,无线电单元1可以计算每个小区需要的无线电资源块数量。这可以通过利用资源块分配算法来实现,可以考虑动态分配资源块,以满足不同小区的不同服务质量需求。
(4)建立资源块分配表,无线电单元1记录每个小区所需的资源块数量和每个MTC设备的身份信息。这可以通过建立一个资源块分配表来实现,该表记录每个小区的资源块需求和分配给每个MTC设备的资源块数量,以及每个MTC设备的身份信息。
步骤S104)以每个切片请求S覆盖范围归属的小区加总的无线电资源块数量为依据,对切片请求S进行降序排列,并将排序后的集合记为切片迭代集S’。
通常认为物联网切片收益与所承载物联网设备具有一定正向关联关系,因此,本实施例以每个切片请求S覆盖范围归属的小区加总的无线电资源块数量为依据,对切片请求S进行降序排列,有助于先满足经济收益更高的相对高优的切片业务需求。
另一方面,本实施例中,中心局包括若干个接入中心局、若干个主中心局以及核心中心局,多个无线电单元1与一个接入中心局连接,多个接入中心局构成一个接入环2,每个接入环2与一个主中心局连接,多个主中心局构成一个汇聚环3,汇聚环3与核心中心局连接。
请参阅附图3,本实施例中,中心局根据它们在聚合层次结构中的位置可以分为多个阶段。具体地说,在最低的网络阶段(例如阶段0),无线电单元1(Radio Unit,RU)存在,而阶段1和阶段2分别由接入中心局(Access Central Office,Access COs)和主中心局(MainCentral Office,Main COs)组成。核心中心局(Core Central Office,Core CO)作为因特网接入点,代表着通向5G核心网段的接口。无线电单元1被均匀分散地分配在接入中心局上,一个接入中心局可能被多个无线电单元1所连接,多个接入中心局构成一个接入环2,每个接入环2都具有一个主中心局,多个主中心局构成一个汇聚环3,并与核心中心局相连。本实施例网络模型中的中心局采用环形拓扑结构组织,且配置了光层和IP层的交换能力以支持光电光信号的变换,可以实现灵活的转发和业务分流功能。
具体而言,本实施例将网络建模为,用来表示5G RAN中DWDM传输的环状拓扑,其中,/>指的是网络中包含各个层次的节点集,例如无线电单元1、接入中心局、主中心局以及核心中心局,/>是网络中所有光纤链路的集合,/>用于表征节点i到节点j的光纤链路,链路长度为/>,可容纳光纤链路波长数为w,每条波长的最大承载带宽为/>。网络模型的符号及符号定义如表1所示。
表1 网络模型的符号及符号定义表
另一方面,本实施例中,步骤S2中进行MTC设备的群组长选举的方法包括:
判断一组MTC设备随机接入的无线电单元1是否归属于同一主中心局,若归属于同一主中心局,则该主中心局被选举为群组长,若归属于不同主中心局,则计算各主中心局的综合评价指标Fn,将综合评价指标Fn最大的主中心局选举为组长。
本实施例提出的群组长选举方法根据MTC设备接入的基站上层归属进行划分,因此mMTC网络切片首先能够考虑主中心局节点中远程传输距离带来的时延损耗成本,当该成本无法避免时,则能根据综合评价指标Fn进行处理节点判断,极大的释放了网络资源,减轻切片请求S的部署压力,在满足切片部署要求的前提下完成网络最大数量的切片承载。
另一方面,本实施例中,综合评价指标Fn的计算方法为:
综合评价指标Fn为主中心局节点的剩余处理资源、主中心局节点光端口的剩余带宽、归属无线电单元1集到主中心局节点的平均距离以及归属MTC设备连接数量的加权求和。
与现有技术相比,本实施例通过在综合评价指标Fn的计算中引入归属MTC设备连接数量这一影响因素,不仅能够适应海量物联网设备规模化接入的应用场景,在网络容灾(即节点受攻击导致相应带宽、计算资源不足)场景下,也能够自适应的避免选择受攻击节点,即避免将大量MTC设备的接入请求分配到该类节点上,以缓解节点的压力。此外,该技术方案还能够均衡mMTC网络节点负载分配,对mMTC网络承载其他类型切片或服务应用的场景,具有一定鲁棒性和潜在收益。
示例地,综合评价指标Fn可以由以下公式表示:
其中,Fn为主中心局节点n的综合评价指标,N为主中心局节点的总数,Un被定义为的剩余处理资源,Bn被定义为/>的所有光端口的剩余带宽资源,使用公式计算Bn,其中p为主中心局节点的光端口,/>为主中心局节点/>每个光端口的剩余带宽。另外,Un、Bn以及/>均作归一化处理。同时,由于考虑到光纤链路的部署成本与传输距离引起的时延问题,定义了Hn为用于表征mMTC切片请求中目标节点到切片请求所有连接无线电单元1之间的平均物理距离。使用公式/>计算Hn,其中是主中心局节点n与每个小区之间采用最短路径搜索算法得到的最短传输距离,R表示mMTC网络切片请求S的所有蜂窝节点。Qn为/>的归属MTC设备连接数量。/>、/>和/>是相关因素的预设系数,且有/>,用于平衡四部分因素之间的相对影响。
其中,对于这四个预设系数的调整,由不同的切片QoS需求及优化目标来决定。示例地,针对带宽需求弱的强计算型切片,/>的值变大时,具有更多计算资源的节点更倾向于作为映射目标被选择,而/>值较大时,节点排名决策时应当更多考虑具有丰富带宽资源的节点。
另一方面,本实施例中,接入中心局和主中心局均部署有分布式单元,主中心局还部署有集中式单元,核心中心局部署有移动边缘计算实体,则步骤S3具体包括:
判断时延要求的数值大小是否超过预设阈值,若时延要求的数值大小未超过预设阈值,则将该mMTC网络切片的业务类型归为时延敏感型,若时延要求的数值大小超过预设阈值,则将该mMTC网络切片的业务类型归为时延容忍型;
针对时延敏感型mMTC网络切片,该mMTC网络切片的分布式单元在接入中心局中进行处理,该mMTC网络切片的集中式单元在被选举为群组长的主中心局中进行处理;
针对时延容忍型mMTC网络切片,该mMTC网络切片的分布式单元以及集中式单元均在被选举为群组长的主中心局中进行处理。
请参阅附图3,本实施例中,中心局具备托管RAN功能的对应基带处理能力,为了放置无线电功能,按照3GPP三层RAN体系结构对基带单元协议栈进行功能划分。其中分布式单元(DistributedUnit,DU)功能部署接入中心局和主中心局节点上,集中式单元(CentralUnit,CU)功能部署在主中心局节点上,移动边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC)功能部署在核心中心局节点上。无线电单元1与分布式单元间的接口定义为eCPRI,连接无线电单元1与分布式单元的链路称为前传路径。分布式单元与集中式单元间的接口称为F1,F1对传送能力的需求与常规的回传接口容量相似,连接集中式单元和分布式单元的链路称为中传路径。集中式单元和移动边缘计算之间的接口称为S1,连接集中式单元和移动边缘计算实体的链路称为回传路径。
进一步的,基于网络功能虚拟化(Network Functions Virtualization,NFV)技术,集中式单元与分布式单元都可以作为虚拟容器vDU和虚拟容器vCU在商业服务器上执行虚拟化资源部署。每个中心局节点的服务器均可根据计算能力的不同容纳数量不等的多个虚拟容器vCU或虚拟容器vDU。因此,通过这样的逻辑隔离,每个mMTC切片的映射过程都需要包含一组异构资源。该方法的实现步骤包括:首先,为切片请求S分配无线电单元1以执行信号采集;其次,为eCPRI、F1、S1接口通信分配带宽资源;最后,为切片执行计算资源的分配,即依次分配完成vDU和vCU功能所需的计算复杂度。
mMTC网络切片业务常见为大量设备进行低用户数据速率的上行传输,但同时也会面临部分时延敏感类业务需求。本实施例根据时延要求的数值大小将mMTC网络切片的业务类型分为时延敏感型以及时延容忍型,并将不同的业务类型匹配不同的切片处理路径,从而能够对目标切片的时延需求进行差异化的处理路径规划,进而有效降低切片阻塞率,平衡光网络带宽资源与边缘节点处理资源消耗,为mMTC网络切片后续根据最短选路原则进行相应的波长分配及路由转发提供基础,具有一定的实际应用参考价值。
另一方面,本实施例中,动态切片请求流量模型的输入为切片迭代集S’中的切片请求S,其中,单个切片请求S的持续时间由负指数分布模拟,而下一切片请求S到来的间隔时间由泊松分布模拟,动态切片请求流量模型的输出为具有不同切片到达顺序的切片请求序列。
具体而言,本实施例将动态切片请求流量模型建模为。动态切片请求流量模型的符号说明及符号如表2所示。
表2 动态切片请求流量模型的符号说明及符号表
本实施例通过构建动态切片请求流量模型,使得切片请求S的到达和结束过程呈现不规则顺序,区分于现有技术中切片请求S先到先出的静态网络流量场景,实现真实网络切片请求的流量变化情况的模拟,从而提高了本实施例提出的mMTC网络切片相关资源部署与映射策略的实用性,具备一定的可靠性与创造性。
另一方面,本实施例中,在步骤S4之前还包括以下步骤:
接收一组MTC设备的聚合签名信息,群组长根据聚合签名信息执行群组认证并将密钥分发至每个MTC设备;
确定每个切片请求S进行节点映射与链路映射的候选路径,依次搜索候选路径中满足切片业务需求的节点以及网络资源;
在满足切片业务需求的节点中执行网络资源分配。
其中,MTC设备的身份信息、MTC设备随机接入的无线电单元1的身份信息以及接入中心局自身的身份信息相结合,构成聚合签名信息。
其中,每个mMTC网络的切片业务所需的网络资源包括切片覆盖连接的无线电单元1范围,无线电单元1的无线侧流量负载,切片在前传、中传、回传链路中的时延要求及带宽需求,以及完成对应虚拟功能集中式单元、分布式单元和移动边缘计算所需的计算复杂度。
对于一个MTC设备,其入网过程中的关键步骤是身份鉴权,具体来说,MTC设备的接入认证过程需要遵循当前的标准化方法,例如演进分组系统认证和密钥协议(EPS—AKA)。当多个MTC设备同时请求接入网络时,每个MTC设备都需要独立的与网络执行完整的接入认证过程以确保MTC安全,这种单一鉴权的方式可能会导致相关5G传送网络上的信令过载,严重时网络可以选择拒绝提供服务。在该背景下,为避免移动通信网络中的海量物联网设备连接的拥塞,本实施例提出的网络模型中的群组长负责对聚合签名信息进行接收和认证。
另一方面,本实施例中,执行网络资源分配的方法包括:
检查相应节点的可用网络资源及相应光纤链路的剩余带宽资源,若相应节点存在可用网络资源且相应光纤链路存在剩余带宽资源,则切片请求S在切片服务时间内分配网络资源,并在切片服务时间结束后释放相应网络资源;若相应节点不存在可用网络资源且相应光纤链路不存在剩余带宽资源,则阻塞该切片请求S。
需要注意的是,本实施例中,相应节点的可用网络资源及相应光纤链路的剩余带宽资源的数值为零或者小于所需资源,都属于后者相应节点不存在可用网络资源且相应光纤链路不存在剩余带宽资源的情况,该情况下切片请求S会被阻塞。
由于在本实施例中,可以使用多个主中心局节点或接入中心局来提供各类切片业务所需的网络资源,且处理节点的选择是综合相应节点的网络资源现状与切片业务本身的部署需求综合决定的,区别于现有技术为了某一项独立优化指标(如时延约束)去始终选择光纤传输距离最接近的主中心局节点或接入中心局节点,这样在目标节点的可用网络资源不足或相应光接口带宽资源匮乏时,现有技术采用单一优化目标策略反而更有可能阻止切片请求,因此本实施例能够有效降低切片阻塞率。此外,本实施例通过群组长选举,使得汇聚环3中的主中心局节点的网络资源得到充分利用,从而实现了在满足mMTC网络切片映射的群组认证需求的基础上合理规划网络资源。
另一方面,本申请还提供了一种基于群组认证的mMTC网络切片映射系统,请参阅附图4,包括:
切片获取单元4,用于获取mMTC网络切片的切片请求S,并获取切片请求S的时延要求;
群组长选举单元5,用于进行MTC设备的群组长选举;
切片处理单元6,用于根据时延要求判断mMTC网络切片的业务类型,并将不同的业务类型匹配不同的切片处理路径;
动态切片请求流量模型7,用于将mMTC网络切片的切片请求S输出为具有不同切片到达顺序的切片请求序列;
映射单元8,用于根据动态切片请求流量模型输出的切片到达顺序,依次为每个切片请求S进行节点映射与链路映射。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
Claims (9)
1.一种基于群组认证的mMTC网络切片映射方法,用于实现具有多组MTC设备可信接入核心网的切片部署,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1,获取mMTC网络切片的切片请求S,并获取切片请求S的时延要求;
步骤S2,进行MTC设备的群组长选举,其中选举出的群组长用于对mMTC网络切片进行处理;
步骤S3,根据所述时延要求判断mMTC网络切片的业务类型,并将不同的业务类型匹配不同的切片处理路径;
接收一组MTC设备的聚合签名信息,群组长根据所述聚合签名信息执行群组认证并将密钥分发至每个MTC设备;
确定每个切片请求S进行节点映射与链路映射的候选路径,依次搜索所述候选路径中满足切片业务需求的节点以及网络资源;
在满足切片业务需求的节点中执行网络资源分配;
步骤S4,构建动态切片请求流量模型,将mMTC网络切片的切片请求S输入所述动态切片请求流量模型,根据所述动态切片请求流量模型输出的切片到达顺序,依次为每个切片请求S进行节点映射与链路映射。
2.如权利要求1所述的一种基于群组认证的mMTC网络切片映射方法,其特征在于,
步骤S1中获取mMTC网络切片的切片请求S的方法包括:
构建用于接入多组MTC设备的网络模型,所述网络模型包括若干个无线电单元以及中心局,所述无线电单元与中心局通过光纤链路连接;
一组MTC设备随机接入若干个无线电单元并发起切片请求S;
所述无线电单元统计每个小区所需的无线电资源块并记录接入的MTC设备身份信息;
以每个切片请求S覆盖范围归属的小区加总的无线电资源块数量为依据,对切片请求S进行降序排列,并将排序后的集合记为切片迭代集S’。
3.如权利要求2所述的一种基于群组认证的mMTC网络切片映射方法,其特征在于,
所述中心局包括若干个接入中心局、若干个主中心局以及核心中心局,多个无线电单元与一个接入中心局连接,多个接入中心局构成一个接入环,每个接入环与一个主中心局连接,多个主中心局构成一个汇聚环,所述汇聚环与核心中心局连接。
4.如权利要求3所述的一种基于群组认证的mMTC网络切片映射方法,其特征在于,
步骤S2中进行MTC设备的群组长选举的方法包括:
判断一组MTC设备随机接入的无线电单元是否归属于同一主中心局,若归属于同一主中心局,则该主中心局被选举为群组长,若归属于不同主中心局,则计算各主中心局的综合评价指标Fn,将综合评价指标Fn最大的主中心局选举为组长。
5.如权利要求4所述的一种基于群组认证的mMTC网络切片映射方法,其特征在于,
所述综合评价指标Fn的计算方法为:
综合评价指标Fn为主中心局节点的剩余处理资源、主中心局节点光端口的剩余带宽、归属无线电单元集到主中心局节点的平均距离以及归属MTC设备连接数量的加权求和。
6.如权利要求4所述的一种基于群组认证的mMTC网络切片映射方法,其特征在于,
所述接入中心局和主中心局均部署有分布式单元,主中心局还部署有集中式单元,核心中心局部署有移动边缘计算实体,则步骤S3具体包括:
判断所述时延要求的数值大小是否超过预设阈值,若时延要求的数值大小未超过预设阈值,则将该mMTC网络切片的业务类型归为时延敏感型,若时延要求的数值大小超过预设阈值,则将该mMTC网络切片的业务类型归为时延容忍型;
针对时延敏感型mMTC网络切片,该mMTC网络切片的分布式单元在接入中心局中进行处理,该mMTC网络切片的集中式单元在被选举为群组长的主中心局中进行处理;
针对时延容忍型mMTC网络切片,该mMTC网络切片的分布式单元以及集中式单元均在被选举为群组长的主中心局中进行处理。
7.如权利要求2所述的一种基于群组认证的mMTC网络切片映射方法,其特征在于,
所述动态切片请求流量模型的输入为切片迭代集S’中的切片请求S,其中,单个切片请求S的持续时间由负指数分布模拟,而下一切片请求S到来的间隔时间由泊松分布模拟,所述动态切片请求流量模型的输出为具有不同切片到达顺序的切片请求序列。
8.如权利要求1所述的一种基于群组认证的mMTC网络切片映射方法,其特征在于,
执行网络资源分配的方法包括:
检查相应节点的可用网络资源及相应光纤链路的剩余带宽资源,若相应节点存在可用网络资源且相应光纤链路存在剩余带宽资源,则切片请求S在切片服务时间内分配网络资源,并在切片服务时间结束后释放相应网络资源;若相应节点不存在可用网络资源且相应光纤链路不存在剩余带宽资源,则阻塞该切片请求S。
9.一种基于群组认证的mMTC网络切片映射系统,其特征在于,包括:
切片获取单元,用于获取mMTC网络切片的切片请求S,并获取切片请求S的时延要求;
群组长选举单元,用于进行MTC设备的群组长选举,其中选举出的群组长用于对mMTC网络切片进行处理;
切片处理单元,用于根据所述时延要求判断mMTC网络切片的业务类型,并将不同的业务类型匹配不同的切片处理路径,接收一组MTC设备的聚合签名信息,群组长根据所述聚合签名信息执行群组认证并将密钥分发至每个MTC设备,确定每个切片请求S进行节点映射与链路映射的候选路径,依次搜索所述候选路径中满足切片业务需求的节点以及网络资源,在满足切片业务需求的节点中执行网络资源分配;
动态切片请求流量模型,用于将mMTC网络切片的切片请求S输出为具有不同切片到达顺序的切片请求序列;
映射单元,用于根据所述动态切片请求流量模型输出的切片到达顺序,依次为每个切片请求S进行节点映射与链路映射。
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