-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein verbessertes flaches 5G-Netzwerkkommunikationssystem mit mobilem Kern. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein Kernmobilnetz, das auf einer SDN-Architektur basiert zur Verwendung in einem 5G-Kommunikationssystem, wobei die Funktionalität der Steuerebene mit dem SDN dezentralisiert und die Benutzerdatenebene verteilt ist.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Die Weiterentwicklung mobiler Netzwerke zur Deckung des steigenden Datenbedarfs und der erwartete Anstieg der IoT- Verbindungen erforderte eine Neugestaltung der Kernarchitektur mobiler Netzwerke, um skalierbare Lösungen zu ermöglichen. Prognosen, die eine Verdoppelung des mobilen Datenverkehrs pro Jahr prognostizierten, gepaart mit einer erwarteten Verbreitung von IoT- Geräten, stellten Netzwerkanbieter vor große Herausforderungen bei der Bewältigung des wachsenden Datenverkehrs. Das Aufkommen von 5G zielte darauf ab, diese Herausforderungen zu lösen, indem es eine verbesserte Gerätekonnektivität und höhere Geschwindigkeiten versprach. Die bestehende Mobilfunknetzarchitektur, insbesondere das Evolved Packet System (EPS) in 4G, wies jedoch Einschränkungen bei der effizienten Verwaltung des Datenverkehrs und der Netzwerkkapazität auf. Lösungen wie eine flache Mobilfunknetzarchitektur und Innovationen in der Funkressourcenverwaltung und der Gerät-zu-Gerät-Kommunikation versuchten, diese Herausforderungen zu bewältigen, waren jedoch nicht ohne Einschränkungen.
-
Das EPS-Netzwerk in 4G zeichnete sich durch eine flache IP-basierte Architektur aus, die das Netzwerk in den Evolved Packet Core (EPC) und das Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) unterteilte. Die hierarchische Struktur und die zentralisierte Steuerung stellten jedoch Einschränkungen bei der Bewältigung des wachsenden Datenverkehrs- und Mobilitätsbedarfs dar. Vorgeschlagene Lösungen wie Software Defined Networking (SDN) versuchten, diese Probleme durch die Trennung von Steuerungs- und Datenebene zu entschärfen. Allerdings wurden diese Lösungen durch das weiterhin zentralisierte Mobilitätsdesign behindert.
-
Angesichts dieser Herausforderungen entstand ein dringender Bedarf an einer verbesserten 5G-Systemarchitektur, die den Datenverkehr effizient verarbeiten, die Netzwerkkapazität verbessern und das Mobilitätsmanagement optimieren würde. Die Notwendigkeit entstand aufgrund des exponentiellen Wachstums der mobilen Datennutzung, der bevorstehenden Zunahme von IoT- Verbindungen und der Einschränkungen bestehender Mobilfunknetzarchitekturen bei der Bewältigung dieser wachsenden Herausforderungen. Vor diesem Hintergrund wurde die Notwendigkeit eines innovativen Ansatzes hervorgehoben, der in der Lage ist, den Datenverkehr effizient zu verwalten, die Netzwerkkapazität zu optimieren und die Mobilität innerhalb der aufstrebenden 5G-Landschaft zu verbessern.
-
Aus der Sicht der vorangegangenen Diskussion wird deutlich, dass ein Bedarf an einem verbesserten flachen Mobilfunkkern-5G-Netzwerkkommunikationssystem besteht.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein verbessertes flaches 5G-Netzwerkkommunikationssystem mit mobilem Kern. Die Erfindung stellt ein neuartiges flaches 5G-Netzwerksystem mit mobilem Kern vor, das traditionelle zentralisierte Architekturen revolutioniert, um das Umstellungsmanagement und die Benutzererfahrung zu verbessern. Es beinhaltet eine verteilte Architektur, die die Steuerungs- und Datenebene trennt, um die Netzwerkfunktionalität zu verbessern. Zu den Kernkomponenten gehören eine Mobile Control Unit (MCU), die die Funktionalitäten von MME, SGW und PGW in einer zentralen Steuerungsebene zusammenfasst, mehrere Control Units (CUs), die bestimmte Regionen verwalten, und ein Mobility Packet Gateway (MPG)-Modul, das für die Datenpakete verantwortlich ist Routing und fungiert als Mobilitätsanker. Die MCU übernimmt wichtige Funktionen wie die Zuweisung von UE-IP-Adressen, Datenweiterleitung, Authentifizierung, Standortverfolgung und Gateway-Auswahl. Diese Architektur optimiert das Datenrouting, verbessert Anschlussverfahren und verfeinert Intra- und Inter-Handover-Szenarien und demonstriert letztendlich überlegene Leistungsmetriken, wie z. B. schnellere Erstanbindung, reduzierte Netzwerklatenz und verbessertes Wechselmanagement im Vergleich zu herkömmlichen Architekturen, wie durch umfangreiche NS3 validiert Simulationen, wobei mehrere Simulationen durchgeführt werden, einschließlich Anhang und Inter- und Intra-Handover.
-
Die Offenbarung bezieht sich darauf, ein verbessertes flaches 5G-Netzwerkkommunikationssystem mit mobilem Kern bereitzustellen. Das System umfasst: eine mobile Steuereinheit (MCU), die so konfiguriert ist, dass sie die Funktionen von Mobility Management Entity (MME), Serving Gateway (SGW) und Packet Data Network Gateway (PGW) in einer zentralen Steuerebene zur Verwaltung und Steuerung des entwickelten Pakets konsolidiert Kernnetzwerk (EPC); eine Vielzahl von Steuereinheiten (CUs) innerhalb der MCU, von denen jede eine definierte Region überwacht, die von Gateways und E-UTRAN bedient wird, und so die lokale Verwaltung von Benutzerverbindungen und IP-Adresszuweisung erleichtert; und ein Mobility Packet Gateway (MPG)-Modul, das für die Weiterleitung von Datenpaketen verantwortlich ist und als Mobilitätsanker dient und die Zuweisung an das Benutzergerät (UE) basierend auf seinem Standort innerhalb des Netzwerks vornimmt.
-
In einer Ausführungsform steuert die MCU-Funktionen einschließlich UE-IP-Adresszuweisung, Datenweiterleitung, DP-Sitzungsaufbau, Benutzerauthentifizierung, Standortverfolgung, Trägersteuerung und Gateway-Auswahl.
-
In einer Ausführungsform umfasst das System außerdem eine SDN-basierte Architektur, die Control Plane (CP) und Data Plane (DP) trennt, wobei CP durch die MCU repräsentiert wird und verteilte DP durch mehrere CUs innerhalb der MCU verwaltet wird.
-
In einer Ausführungsform ist der MPG für den Empfang von DP-Routing-Regeln, die Verwaltung der DP-Klassifizierung und die Filterung für Uplink-, Downlink- und Benutzerprofilverkehr konfiguriert.
-
In einer Ausführungsform fungiert der CP als zentraler Mobilitätsanker und erweitert die CP-Anzahl im gesamten Kernnetzwerk, um verteiltes DP und Datenrouting zu unterstützen, ohne die Netzwerkstruktur wesentlich zu ändern.
-
Ein Ziel der vorliegenden Offenbarung besteht darin, ein verbessertes flaches 5G-Netzwerkkommunikationssystem mit mobilem Kern bereitzustellen.
-
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung betrifft die Optimierung des Changeover-Managements innerhalb der 5G-Netzwerkarchitektur durch die Einführung eines verteilten Systems, das die Effizienz von Intra- und Inter-Handover-Prozessen steigert.
-
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung betrifft die Verbesserung des gesamten Benutzererlebnisses durch Reduzierung der Netzwerklatenz, Verbesserung der Datenweiterleitung und Beschleunigung der anfänglichen Verbindungsvorgänge im 5G-Netzwerk.
-
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung betrifft die Verfeinerung der Netzwerkfunktionalitäten durch die Trennung der Steuerungs- und Datenebene, was einen reibungsloseren Betrieb und eine bessere Verwaltung der IP-Adresszuweisung, Datenweiterleitung und Benutzerauthentifizierung ermöglicht.
-
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung betrifft die Einrichtung eines zentralen Mobilitätsankers über die Control Plane (CP), der eine nahtlose Unterstützung der verteilten Data Plane (DP) und eine effiziente Datenweiterleitung ohne wesentliche Änderungen an der Netzwerkstruktur ermöglicht.
-
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Leistung der vorgeschlagenen Architektur durch umfangreiche NS3-Simulationen zu validieren und im Vergleich zu herkömmlichen 5G-Netzwerkarchitekturen überlegene Metriken wie schnellere Erstanbindung, reduzierte Netzwerklatenz und verbessertes Wechselmanagement zu demonstrieren.
-
Um die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Offenbarung weiter zu verdeutlichen, erfolgt eine detailliertere Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen davon, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Es versteht sich, dass diese Zeichnungen nur typische Ausführungsformen der Erfindung darstellen und daher nicht als deren Umfang einschränkend anzusehen sind. Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen genauer und detaillierter beschrieben und erläutert.
-
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
-
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden besser verständlich, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen in den Zeichnungen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile darstellen, wobei:
- 1 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines verbesserten flachen mobilen 5G-Netzwerkkommunikationssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
- 2 zeigt ein Diagramm, das die vorgeschlagene verteilte flache 5G-Kernarchitektur des vorgeschlagenen Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
-
Darüber hinaus werden erfahrene Handwerker erkennen, dass Elemente in den Zeichnungen der Einfachheit halber dargestellt sind und möglicherweise nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet wurden. Beispielsweise veranschaulichen die Flussdiagramme die Methode anhand der wichtigsten Schritte, die dazu beitragen, das Verständnis von Aspekten der vorliegenden Offenbarung zu verbessern. Darüber hinaus können im Hinblick auf die Konstruktion des Geräts eine oder mehrere Komponenten des Geräts in den Zeichnungen durch herkömmliche Symbole dargestellt worden sein, und die Zeichnungen zeigen möglicherweise nur die spezifischen Details, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung relevant sind um die Zeichnungen nicht durch Details zu verdecken, die für den Durchschnittsfachmann, der die Beschreibung hierin nutzt, leicht ersichtlich sind.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG:
-
Um das Verständnis der Prinzipien der Erfindung zu fördern, wird nun auf die in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform Bezug genommen und für deren Beschreibung eine spezifische Sprache verwendet. Es versteht sich jedoch, dass dadurch keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, da Änderungen und weitere Modifikationen des dargestellten Systems und weitere Anwendungen der darin dargestellten Prinzipien der Erfindung in Betracht gezogen werden, wie sie einem Fachmann normalerweise in den Sinn kommen würden in der Technik, auf die sich die Erfindung bezieht.
-
Der Fachmann wird verstehen, dass die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd für die Erfindung sind und diese nicht einschränken sollen.
-
Verweise in dieser Spezifikation auf „einen Aspekt“, „einen anderen Aspekt“ oder eine ähnliche Sprache bedeuten, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder ein bestimmtes Merkmal, das in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten ist. Daher beziehen sich die Formulierungen „in einer Ausführungsform“, „in einer anderen Ausführungsform“ und ähnliche Formulierungen in dieser Spezifikation möglicherweise, aber nicht unbedingt, auf dieselbe Ausführungsform.
-
Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“ oder alle anderen Variationen davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken, sodass ein Prozess oder eine Methode, die eine Liste von Schritten umfasst, nicht nur diese Schritte umfasst, sondern möglicherweise andere Schritte nicht umfasst ausdrücklich aufgeführt oder diesem Prozess oder dieser Methode innewohnend sind. Ebenso schließen ein oder mehrere Geräte oder Subsysteme oder Elemente oder Strukturen oder Komponenten, denen „umfasst... a“ vorangestellt ist, nicht ohne weitere Einschränkungen die Existenz anderer Geräte oder anderer Subsysteme oder anderer Elemente oder anderer Strukturen aus andere Komponenten oder zusätzliche Geräte oder zusätzliche Subsysteme oder zusätzliche Elemente oder zusätzliche Strukturen oder zusätzliche Komponenten.
-
Sofern nicht anders definiert, haben alle hier verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, allgemein verstanden werden. Das hier bereitgestellte System, die Methoden und Beispiele dienen nur der Veranschaulichung und sollen nicht einschränkend sein.
-
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden ausführlich unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
-
Die in dieser Spezifikation beschriebenen Funktionseinheiten sind als Geräte gekennzeichnet. Ein Gerät kann in programmierbaren Hardwaregeräten wie Prozessoren, digitalen Signalprozessoren, Zentraleinheiten, feldprogrammierbaren Gate-Arrays, programmierbarer Array-Logik, programmierbaren Logikgeräten, Cloud-Verarbeitungssystemen oder dergleichen implementiert werden. Die Geräte können auch in Software zur Ausführung durch verschiedene Prozessortypen implementiert werden. Ein identifiziertes Gerät kann ausführbaren Code enthalten und beispielsweise einen oder mehrere physische oder logische Blöcke von Computeranweisungen umfassen, die beispielsweise als Objekt, Prozedur, Funktion oder anderes Konstrukt organisiert sein können. Dennoch muss die ausführbare Datei eines identifizierten Geräts nicht physisch zusammen angeordnet sein, sondern kann aus unterschiedlichen, an unterschiedlichen Orten gespeicherten Anweisungen bestehen, die, wenn sie logisch zusammengefügt werden, das Gerät bilden und den angegebenen Zweck des Geräts erfüllen.
-
Tatsächlich könnte ein ausführbarer Code eines Geräts oder Moduls eine einzelne Anweisung oder mehrere Anweisungen sein und sogar über mehrere verschiedene Codesegmente, zwischen verschiedenen Anwendungen und über mehrere Speichergeräte verteilt sein. In ähnlicher Weise können Betriebsdaten hier innerhalb des Geräts identifiziert und dargestellt werden und können in jeder geeigneten Form verkörpert und in jeder geeigneten Art von Datenstruktur organisiert werden. Die Betriebsdaten können als einzelner Datensatz erfasst oder über verschiedene Standorte, einschließlich verschiedener Speichergeräte, verteilt werden und können zumindest teilweise als elektronische Signale in einem System oder Netzwerk vorliegen.
-
Verweise in dieser Spezifikation auf „eine ausgewählte Ausführungsform“, „eine Ausführungsform“ oder „eine Ausführungsform“ bedeuten, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder ein bestimmtes Merkmal, das in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform des offenbarten Gegenstands enthalten ist. Daher beziehen sich die Ausdrücke „eine ausgewählte Ausführungsform“, „in einer Ausführungsform“ oder „in einer Ausführungsform“ an verschiedenen Stellen in dieser Spezifikation nicht unbedingt auf dieselbe Ausführungsform.
-
Darüber hinaus können die beschriebenen Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften in einer oder mehreren Ausführungsformen auf jede geeignete Weise kombiniert werden. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details bereitgestellt, um ein umfassendes Verständnis der Ausführungsformen des offenbarten Gegenstands zu ermöglichen. Ein Fachmann auf dem betreffenden Gebiet wird jedoch erkennen, dass der offenbarte Gegenstand ohne eines oder mehrere der spezifischen Details oder mit anderen Methoden, Komponenten, Materialien usw. in die Praxis umgesetzt werden kann. In anderen Fällen können wohlbekannte Strukturen, Materialien, oder Vorgänge werden nicht im Detail gezeigt oder beschrieben, um Aspekte des offengelegten Gegenstands nicht zu verschleiern.
-
Gemäß den beispielhaften Ausführungsformen können die offenbarten Computerprogramme oder -module auf viele beispielhafte Arten ausgeführt werden, beispielsweise als Anwendung, die sich im Speicher eines Geräts befindet, oder als gehostete Anwendung, die auf einem Server ausgeführt wird und mit diesem kommuniziert Geräteanwendung oder Browser über eine Reihe von Standardprotokollen wie TCP/IP, HTTP, XML, SOAP, REST, JSON und andere ausreichende Protokolle. Die offenbarten Computerprogramme können in beispielhaften Programmiersprachen geschrieben sein, die aus dem Speicher des Geräts oder von einem gehosteten Server ausgeführt werden, wie etwa BASIC, COBOL, C, C++, Java, Pascal, oder Skriptsprachen wie JavaScript, Python, Ruby, PHP, Perl oder andere geeignete Programmiersprachen.
-
Einige der offenbarten Ausführungsformen beinhalten oder beinhalten auf andere Weise die Datenübertragung über ein Netzwerk, beispielsweise die Übermittlung verschiedener Eingaben oder Dateien über das Netzwerk. Das Netzwerk kann beispielsweise eines oder mehrere der folgenden Elemente umfassen: Internet, Wide Area Networks (WANs), Local Area Networks (LANs), analoge oder digitale drahtgebundene und drahtlose Telefonnetzwerke z. B. ein PSTN, Integrated Services Digital Network (ISDN), ein Mobilfunknetz und Digital Subscriber Line (xDSL), Radio, Fernsehen, Kabel, Satellit und/oder andere Übertragungs- oder Tunnelmechanismen zur Datenübertragung. Das Netzwerk kann mehrere Netzwerke oder Teilnetzwerke umfassen, von denen jedes beispielsweise einen drahtgebundenen oder drahtlosen Datenweg umfassen kann. Das Netzwerk kann ein leitungsvermitteltes Sprachnetzwerk, ein paketvermitteltes Datennetzwerk oder jedes andere Netzwerk umfassen, das elektronische Kommunikation übertragen kann. Das Netzwerk kann beispielsweise Netzwerke umfassen, die auf dem Internetprotokoll (IP) oder dem asynchronen Übertragungsmodus (ATM) basieren, und kann Sprache beispielsweise mithilfe von VoIP, Voice-over-ATM oder anderen vergleichbaren Protokollen unterstützen, die für Sprachdatenkommunikation verwendet werden. In einer Implementierung umfasst das Netzwerk ein Mobilfunknetz, das so konfiguriert ist, dass es den Austausch von Text- oder SMS-Nachrichten ermöglicht.
-
Beispiele für das Netzwerk sind unter anderem ein Personal Area Network (PAN), ein Storage Area Network (SAN), ein Home Area Network (HAN), ein Campus Area Network (CAN) und ein Local Area Network (LAN), ein Wide Area Network (WAN), ein Metropolitan Area Network (MAN), ein Virtual Private Network (VPN), ein Enterprise Private Network (EPN), Internet, ein Global Area Network (GAN) und so weiter.
-
1 zeigt ein Blockdiagramm eines verbesserten flachen mobilen SG-Netzwerkkommunikationssystems (100) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das System (100) umfasst eine mobile Steuereinheit (MCU) (102), die so konfiguriert ist, dass sie die Funktionalitäten von Mobility Management Entity (MME), Serving Gateway (SGW) und Packet Data Network Gateway (PGW) in einer zentralen Steuerungsebene zur Verwaltung konsolidiert und Steuerung des Evolved Packet Core (EPC)-Netzwerks.
-
In einer Ausführungsform gibt es mehrere Steuereinheiten (CUs) (104) innerhalb der MCU (102), von denen jede eine definierte Region überwacht, die von Gateways und E-UTRAN bedient wird, und so die lokale Verwaltung von Benutzerverbindungen und IP-Adresszuweisung erleichtert.
-
In einer Ausführungsform umfasst ein Mobility Packet Gateway (MPG)-Modul (106) mehrere MPGs, die jeweils für die Weiterleitung von Datenpaketen verantwortlich sind und als Mobilitätsanker dienen und dem Benutzergerät (UE) basierend auf seinem Standort innerhalb des Netzwerks Zuweisungen vornehmen.
-
In einer Ausführungsform steuert die MCU (102) Funktionen einschließlich UE-IP-Adresszuweisung, Datenweiterleitung, DP-Sitzungsaufbau, Benutzerauthentifizierung, Standortverfolgung, Trägersteuerung und Gateway-Auswahl.
-
In einer Ausführungsform umfasst das System (100) außerdem eine SDN-basierte Architektur (108), die Control Plane (CP) (108a) und Data Plane (DP) (108b) trennt, wobei CP durch die MCU (102) und verteilte DP repräsentiert wird von mehreren CUs (104) innerhalb der MCU (102) verwaltet.
-
In einer Ausführungsform ist der MPG (106) für den Empfang von DP-Routing-Regeln, die Verwaltung der DP-Klassifizierung und die Filterung für Uplink-, Downlink- und Benutzerprofilverkehr konfiguriert.
-
In einer Ausführungsform fungiert der CP (108a) als zentraler Mobilitätsanker und erweitert die CP-Anzahl über das Kernnetzwerk, um verteiltes DP (108b) und Datenrouting zu unterstützen, ohne die Netzwerkstruktur wesentlich zu verändern.
-
In einer Ausführungsform können die MCU (102), mehrere CUs (104), das MPG-Modul (106) und die SDN-basierte Architektur in programmierbaren Hardwaregeräten wie Prozessoren, digitalen Signalprozessoren, Zentraleinheiten und feldprogrammierbaren Gattern implementiert werden Arrays, programmierbare Array-Logik, programmierbare Logikgeräte, Cloud-Verarbeitungssysteme oder dergleichen.
-
Die Erfindung führt ein innovatives flaches 5G-Netzwerkkommunikationssystem mit mobilem Kern ein, das die traditionelle zentralisierte Architektur überarbeiten soll und sich auf die Verbesserung des Umstellungsmanagements und die Bereitstellung einer überlegenen Quality-of-Experience (QoE) für Benutzer konzentriert. Das vorgeschlagene System verwendet eine verteilte Architektur, die die Steuerungs- und Datenebene trennt und so die Netzwerkfunktionen optimiert.
-
2 zeigt ein Diagramm, das die vorgeschlagene verteilte flache 5G-Kernarchitektur des vorgeschlagenen Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
-
In 2 ist die vorgeschlagene 5G-Netzwerkinfrastruktur dargestellt. Die vorgeschlagene Architektur für ein flach verteiltes Konzept beinhaltet die Entfernung von Steuerprotokollen, die zuvor zwischen SGW, PGW und MME betrieben wurden, und deren Zusammenführung in der Mobility Control Unit (MCU). Diese MCU dient als zentrale Steuereinheit für die Verwaltung und Steuerung des Kerns des Evolved Packet Core (EPC) und ist für Aufgaben wie die Zuweisung von UE-IP-Adressen, die Datenweiterleitung, den Aufbau von DP-Sitzungen, die Authentifizierung und Autorisierung des UE, die Verfolgung des UE-Standorts usw. verantwortlich Steuerung der Träger- und Gateway-Auswahl. Um die Ausfallsicherheit zu gewährleisten und Einzelpunktausfälle zu vermeiden, ist die MCU in mehrere Control Units (CUs) unterteilt, von denen jede bestimmte Regionen überwacht, die von Gateways und E-UTRAN bedient werden. Dadurch behält das UE innerhalb einer CU-Domäne dieselbe IP-Adresse, erhält jedoch beim Übergang zu einer anderen CU-Domäne eine neue IP-Adresse .
-
Als Reaktion auf die wachsende Zahl von IoT- Geräten und UE, die zu einem erhöhten Signalverkehr führt, umfasst die vorgeschlagene Architektur eine flache verteilte Datenebene mit einer höheren Anzahl von Gateways, die auf Nicht-Anker-Mobilität basieren. Dieser Ansatz reduziert die Latenz, indem Pakete an den nächstgelegenen Mobility Packet Gateway (MPG)-Knoten weitergeleitet werden. Der MPG dient sowohl als Internet-Paketrouter als auch als Mobilitätsanker. Sie wird von der CU basierend auf der Nähe des aktuellen Standorts des UE zum angeschlossenen MPG zugewiesen. Der MPG verwaltet die von CE empfangenen DP-Routing-Regeln, wendet sie auf entsprechende Knoten an, führt DP-Klassifizierung und Filterung für Uplink-/Downlink-Verkehr und Benutzerprofile durch und behält dabei das im aktuellen 4G-Kernnetzwerk verwendete GTP-Protokoll bei.
-
Die Control Plane (CP) fungiert als zentraler Mobilitätsanker, der SDN im vorgeschlagenen Netzwerk repräsentiert und darauf abzielt, die aktuelle Netzwerkarchitektur ohne wesentliche strukturelle Änderungen aufrechtzuerhalten. Die Erweiterung und Verteilung der CP-Nummern über das Kernnetzwerk hinweg unterstützt verteiltes DP- und Datenrouting und verbessert so die Gesamtleistung des Netzwerks.
-
Die Funktionsweise der vorgeschlagenen verteilten flachen 5G-Kernarchitektur wird im Folgenden ausführlich erläutert.
-
Erster Anhang:
-
In der vorgeschlagenen Netzwerkarchitektur wird der Anhangsprozess erheblich rationalisiert. Die Steuereinheit (CU) spielt eine zentrale Rolle, indem sie das Benutzergerät (UE) direkt mit der erforderlichen IP-Adresse und den Registrierungsdaten versorgt, wodurch das UE nicht mehr das Netzwerk für diese Informationen durchqueren muss und die Anschlusszeit erheblich verkürzt wird. Wenn das UE die Datenübertragung initiiert, stellt das Mobile Gateway (MGW) umgehend einen direkten Datenpfad zwischen dem UE und dem designierten Gateway (GW) her. Gleichzeitig übermittelt die Basisstation (gNB) eine erweiterte Attach-Request-Nachricht an die CU und ergänzt sie über die anfängliche UE-Kontextnachricht um wichtige Parameter wie E-UTRAN Cell Global Identifier (ECGI) und Tracking Area Identifier (TAI). Insbesondere bleiben Authentifizierungs-, Autorisierungs- und Standortaktualisierungsverfahren davon unberührt. Nach Abschluss dieser Schritte weist die CU dem UE eine IP-Adresse zu und wählt das nächstgelegene Gateway aus ihrem IP-Pool aus. Anschließend wird eine Attach Accept-Nachricht mit relevanten MPG-Details (Mobility Packet Gateway) wie UE-IP, Gateway-IP, ULTEID und Quality of Service (QoS) an den gNB weitergeleitet . Dies erleichtert die Einrichtung eines Uplink-GTP-Tunnels, die Konfiguration des Funkträgers für das UE und einen Übergang im Funkträgerzustand des gNB von abgemeldet zu registriert . Darüber hinaus überträgt die CU eine Sitzungskontrollnachricht und gNB-Informationen, um eine Downlink-GTP-Verbindung aufzubauen (IP gNB , DL TEID, QoS). Triggernachrichten erleichtern den Aufbau von Up/Down-Links-GTP-Tunneln zwischen dem eNB und dem Gateway, wenn eine sofortige Internetverbindung erforderlich ist.
-
Datenlieferung:
-
Das User Equipment (UE) ist in der Lage, Pakete über den GTP-Tunnel innerhalb des Mobilfunknetzes zu senden und zu empfangen, abhängig von der vorgesehenen Zieladresse. Es gibt zwei Hauptarten der Datenübertragung: von einem mobilen Knoten zu einem anderen und von einem mobilen Knoten zum Internet.
-
Mobiler Knoten zum Internet
-
Das User Equipment (UE) sendet das Paket an den nächstgelegenen gNB , der das GTP-Tunnelprotokoll verwendet, um es zu kapseln und an das Mobility Packet Gateway (MPG) zu übertragen. Anschließend analysiert und identifiziert der MPG den optimalen Weg, um das Datenpaket an sein Ziel im Internet weiterzuleiten. Folglich entfällt bei diesem Prozess die Notwendigkeit, dass das Serving Gateway (SGW) und das Packet Data Network Gateway (PGW) sich am Austausch von Kontrollnachrichten beteiligen. Darüber hinaus erhöht diese strukturelle Anordnung die Signalisierungseffizienz, verkürzt die Übertragungsdauer und vereinfacht den Tunnelaufbau für S5/S8-Verbindungen.
-
Mobiler Knoten zu mobiler Knoten
-
Die Datenübertragung zwischen zwei mobilen Hosts beginnt damit, dass das Benutzergerät (UE) Daten über den GTP-Tunnel an das Mobility Packet Gateway (MPG) sendet. Beim Empfang des Pakets entschlüsselt der MPG es, um die Zieladresse zu ermitteln. Wenn die Ziel-IP-Adresse zu einem anderen Netzwerk gehört, fordert der MPG die entsprechende MPGcn-IP-Adresse von der Control Unit (CU)-Entität an. Mithilfe der von der CU erhaltenen Informationen wählt der MPG die optimale Route zum Gateway aus. Nachdem der MPGcn das Paket erfolgreich empfangen hat, wird ein Paging-Mechanismus aktiviert , der die Identifizierung des Standorts des UE ermöglicht. Anschließend wird ein GTP-Tunnel eingerichtet, um die Zustellung von Paketen an die Control Entity (CE) zu erleichtern. Dieser sequentielle Prozess stellt die effektive Datenübertragung zwischen mobilen Hosts sicher, indem er CU- und MPG-Informationen zur Routenbestimmung und UE-Standortverfolgung nutzt.
-
Intra-Gateway-Übergabe
-
Handover (HO) ist ein wichtiger Prozess, der eine kontinuierliche Konnektivität der Benutzerausrüstung (UE) während der Bewegung innerhalb des E-UTRAN-Bereichs gewährleistet. Es gibt zwei Typen: Inter-Gateway-Handover (Inter-HO) und Intra-Gateway-Handover (Intra-HO). Inter-HO tritt auf, wenn ein Benutzer von einem Quell- gNB zu einem Ziel- gNB an einem anderen Standort wechselt, wohingegen Intra-HO stattfindet, wenn das UE innerhalb von diesem vom Quell- gNB (gNB -S) zum Ziel- eNB (eNB -T) wechselt demselben Domänenbereich. In der vorgeschlagenen 5G-Netzwerkarchitektur bleiben die E-UTRAN-Verfahren und -Funktionen unberührt, wodurch das Intra-HO mit X2-Asset-Szenario dem 4G-Übergabeprozess ähnelt. Dieser Vorschlag zielt darauf ab, Übergabeprozesse zu rationalisieren, indem alle Kontrollvorgänge der CU-Einheit übertragen werden, wodurch die Notwendigkeit einer MME-Einheit entfällt. Der Übergabeprozess erfolgt mit einer Pfadwechselanforderung von gNB -T an die CU, die die Zuweisung von Gateway-Informationen, das Hinzufügen von gNB - T-Parametern und die Datenübertragung an das Mobility Packet Gateway (MPG) über eine Nachrichtensitzungssteuerung anstrebt. Anschließend wird eine Path-Switch-Antwort an gNB -T weitergeleitet , gefolgt von der Erstellung des GTP-Protokolls, um die Paketübertragung zwischen MPG und gNB -T zu erleichtern.
-
Übergabe zwischen Gateways
-
Der Prozess von Inter Home NodeB (Inter-HO) findet statt, wenn das Benutzergerät (UE) in einen anderen Gateway-Bereich wechselt. Es wurde eine vorgeschlagene Architektur eingeführt, um Signalisierungsnachrichten während der Übergabe zu reduzieren, indem die Rolle des Packet Data Network Gateway (PGW) eliminiert wird. Diese Architektur umfasste die Platzierung eines verteilten Mobile Gateway (MGW) im Kernnetzwerk und ermöglichte eine direkte Kommunikation zwischen verschiedenen MGWs.
-
Das Übergabeverfahren im vorgeschlagenen System umfasst die Einrichtung eines Inter-MGW-Tunnels, eines X2-Tunnels und die Weiterleitung zum Ziel-Gateway (GW). Ähnlich wie beim aktuellen 4G-Aufbau wird der Bau des X2-Tunnels durchgeführt. Die Entscheidung für die Übergabe und Auswahl des Ziel- gNB wird von gNB -S getroffen und die erforderlichen Nachrichten an andere gNBs übermittelt. Die Handover-Anfrage wird an gNB -T initiiert, während die X2-Signalisierung vorbereitet wird. Mit gNB -T wird ein X2-Tunnel gebildet, und die Datenübertragung beginnt mit der Bestätigung, dass gNB -T bereit ist, das UE zu bedienen. Das UE trennt sich dann von gNB -S und verbindet sich mit gNB -T.
-
Der vorgeschlagene Ansatz führt Inter Gateway Tunneling (IGT) ein, um die Nachrichtenübertragung direkt zum Gateway zu ermöglichen. Im Gegensatz zum GTP-Tunnel des 4G-Netzwerks, der von SGW zu PGW eingerichtet wird, werden Pakete direkt von IGT an den Quell- und Ziel-MPG (MGW-S und MGW-T) gesendet. Wenn das UE unter einem neuen MPG zu einem gNB wechselt, sendet gNB -T basierend auf dem neuen MPG eine Pfadwechselanforderung an die CU-Entität. CU weist Parameter zu, verteilt die Datenebene (DP) an gNB und Gateway und verwendet das GTP-Protokoll zum Tunneln zwischen Kernnetzwerkgeräten und dem E-UTRAN. Diese Optimierung reduziert die End-to-End-Latenz, indem ein direkter Tunnel als beste Route für die Paketübertragung eingerichtet wird.
-
In der letzten Phase geht es um die Weiterleitung von Daten an MPG-T. Zunächst werden Pakete vom nahegelegenen MPGn weitergeleitet. Wenn sich MPGn unter der aktuellen CU befindet, leitet die CU den Datenpfad über eine Anforderungsnachricht um. Wenn MPGn zu einer anderen CU gehört, fordert die CU Informationen von der Multi-CU (MCU)-Entität an, bevor sie die Daten weiterleitet.
-
Die Übergabe mit Gateway-Verlagerung umfasst die Erstellung eines X2-Tunnels, eine Pfadwechselanforderung an CU durch gNB -T, die Entscheidung der CU über die Verlagerung des MPG auf MPG-T, Sitzungssteuerungsnachrichten zwischen CU, MPG-S und MPG-T sowie die Beendigung des X2-Tunnels durch gNB -T und Einrichtung von IGT- und GTP-Tunneln zu MPG-T. CU benachrichtigt gNB -S über den Erfolg der Übergabe, gibt Ressourcen frei und fordert MCU- oder MPG-Informationen an, um Pakete zwischen MPG und MPGn umzuleiten .
-
In einer Ausführungsform wird eine numerische Analyse der vorgeschlagenen Architektur durchgeführt, wobei die folgende Tabelle die Standardgewichte und -werte zeigt, die in der numerischen Analyse verwendet werden.
| Parameter | Beschreibung | Wert |
| DL | Verzögerung | 2ms |
| QD | Verzögerung in der Warteschlange | 2 ms |
| cm | Kontrollieren Sie die Nachrichtengröße | 50 Byte |
| dm | Größe der Datennachrichten | 200 Byte |
| ζ | Hop-Zählung zwischen gNBs | 2 |
| Θ | Hop-Zählung zwischen CU und MPG | 2 |
| Π | Hop-Zählung zwischen HSS und CU | 3 |
| Ψ | Hop-Zählung zwischen gNB und CU | 2 |
| ω | Hopfenzählung zwischen SGW und PGW | 3 |
| ηx | Hop-Zählung zwischen gNB und SGW | 2 |
-
Der Vergleich zwischen der vorgeschlagenen Architektur und der alten Netzwerkstruktur erfordert die Anpassung der in der obigen Tabelle aufgeführten Variablen. Die Leistung einer teilweise verteilten Technik in der vorgeschlagenen Architektur und des vollständig verteilten 4G-Netzwerks wird hervorgehoben.
-
Der Einfluss der Warteschlangenverzögerung (Queuing Delay, QD) auf die Gesamtübertragungslatenz an jedem Netzwerkknoten wird beobachtet und zeigt ein lineares Wachstum über alle Netzwerke hinweg. Die vorgeschlagene Methodik zeigt eine wettbewerbsfähige Leistung, da 5G-Datenpakete entlang der optimalen Route übertragen werden, im Gegensatz zum 4G-Netzwerk, wo die Datenroute durch PGW und SGW geregelt wird.
-
Durch Ändern der Variablen Ψ wird die Beziehung zwischen der Hop-Anzahl (gNB zu CU) und der Übertragungslatenz dargestellt. Die vorgeschlagene Architektur übertrifft das 4G-Netzwerk, da Datenpakete optimal zwischen MPG und gNB weitergeleitet werden , was im Gegensatz zur zentralisierten Ankernutzung zwischen SGW und PGW in 4G steht.
-
Ψ wirkt sich erheblich auf die Übergabeverzögerung im 4G-Netzwerk aus, während das vorgeschlagene Netzwerk, bei dem gNB beim Routing direkt mit CU zusammenarbeitet, eine deutliche Verbesserung aufweist. Bei 4G erfolgt die Übergabe zwischen PGW und MME
-
Die Inter-Gateway-Handover-Verzögerung vergleicht Verzögerungen zwischen identischen Netzwerk-ω- eNBs . Variieren ω hat erheblichen Einfluss auf die Verzögerung im 4G-Netzwerk, wo MME den Träger über SGW und PGW wechselt. Die 5G-Architektur, bei der CU neben MPG das Pfadrouting ausführt, bleibt jedoch von der Änderung unberührt ω.
-
In einer Ausführungsform wird der NS3-Simulator (LENA-Simulation) verwendet, um die Leistung des vorgeschlagenen Modells innerhalb der 4G-Netzwerktopologie zu bewerten. NS-3 stellt vorgefertigte LTE- und EPC-Modelle bereit, die den Kern der Simulation bilden.
-
Das LTE-Framework umfasst den höheren Funkstapel mit den Protokollen RLC, RRC und PDCP und den unteren Funkstapel mit MAC, PHY-Schichten und Scheduler. Das eingeführte SG-Netzwerkmodell behält die Zugriffsschicht des 4G-Netzwerks bei und lässt die Funktionalitäten der UE- und eNB -Knoten unverändert. Es wurden jedoch Änderungen am EPC-Framework vorgenommen:
- - SGW und PGW fungieren jetzt als einheitliche Netzwerkeinheit, wodurch die Unterstützung für die S5/S8-Schnittstelle und das Gateway entfällt und die Mobilität verlagert wird.
- - Das Tunnelprotokoll GTPv1 wurde durch GTPv2 ersetzt.
- - Die Datenebene nutzt die Socket-Übertragung und logische Verbindungen werden verwaltet, um fehlerhafte Ergebnisse zu korrigieren.
-
Die Implementierung einer einzelnen SGW-PGW-Einheit (MPG) führte nach der Simulation zunächst zu falschen Signalisierungsnachrichtenprotokollen. Um dieses Problem anzugehen, wurde ein neuer Knoten eingeführt, der als SGW fungiert und die Mobilitätsfunktionen des ersten SGW/PGW-Knotens übernimmt. Anschließend wurde eine S5/S8-GTP-Verbindung zwischen SGW und PGW aufgebaut, die eine vollständige Signalisierungsnachrichtenimplementierung gewährleistete. Folglich liefert das simulierte 4G-Netzwerk jetzt realistischere Ergebnisse sowohl für Control Plane (CP) als auch für Data Plane (DP).
-
Diese Netzwerkarchitektur, die mit LENA NS-3 Version 3.22 in einer Linux-Umgebung erstellt wurde, umfasst zwei Hauptschritte: erstens die Erstellung von MCU-, CU- und MPG-Knoten; zweitens die Integration der Steuerungs- und Datenebene in die relevanten Schnittstellen. Unser Schwerpunkt liegt in der Durchführung von Simulationen für Inter- und Intra-Handover-Gateway-Mobilitätsszenarien. Diese Simulationen beinhalten UE-Bewegungen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten über mehrere Domänen hinweg, wobei die Ergebnisse auf der Grundlage von Verzögerungsmetriken gegenübergestellt werden.
-
Die Daten des simulierten Netzwerks werden mit dem Flow-Monitor-Modul erfasst und gespeichert. Darüber hinaus wurde ein Remote-Host-Knoten entwickelt, der die Paketübertragung zwischen Knoten erleichtert und gleichzeitig als Internet-Server dient.
-
Die Ergebnisse der Simulation werden im Folgenden beschrieben.
-
Zunächst initiiert das UE einen Angriff und baut zu Beginn des Szenarios einen GTP-Tunnel vom gNB zum MPG auf. Die Schritte zum erneuten Anbringen während der Übergabe ähneln stark dem Anbringungsprozess. Das überarbeitete Anschlussszenario optimiert den Signalisierungsprozess zwischen dem gNB und dem Gateway, was zu einer kürzeren durchschnittlichen Gesamtzeit für das vorgeschlagene 5G führt. Folglich führt dies bei Übergabeereignissen zu einer kürzeren Gesamtzeit für die erneute Verbindung im Vergleich zu 4G. Die Analyse der gesamten anfänglichen Verbindungszeiten für 4G und geplantes 5G wird vorgestellt.
-
Intra-Handover (HO) tritt auf, wenn das UE in eine neue Domäne außerhalb der Abdeckung der aktuellen Basisstation wechselt, wie im vorherigen Abschnitt zum Handover erläutert. In der ersten Simulation bewegt sich das UE mit Geschwindigkeiten zwischen 18 und 120 km/h zwischen Quell- und Ziel- gNBs , wobei die Anbringungs-/Wiederanbindungszeit und die Datenbereitstellung die Gesamtausführungszeit ausmachen. Die eNBs sind 60 Meter voneinander entfernt und das Flow-Monitor-Modul zeichnet den DelaySum- Wert nach erfolgreichem Abschluss der Übergabe auf. Die in der unbenannten dargestellten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die vorgeschlagene 5G-Architektur bei verschiedenen UE-Geschwindigkeiten die Gesamtverzögerungszeit im Vergleich zum alten 4G um 40 % reduziert.
-
Dies unterstreicht die zeitsparenden und leistungssteigernden Aspekte des vorgeschlagenen Frameworks.
-
Die zweite Simulation bewertet die Leistung, wenn sich das UE zwischen verschiedenen gNBs innerhalb der Domäne desselben Gateways bewegt, wobei die Anzahl der gNB- Knoten zwischen 2 und 6 variiert und jeweils 60 Meter voneinander entfernt sind. Alle gNBs verbinden sich mit einem einzigen SGW/PGW und dem vorgeschlagenen einzelnen MPG. Das UE durchquert diese gNB- Gebiete mit einer Geschwindigkeit von 108 km/h. Der Flussmonitor erfasst den Wert von „delaySum“ nach einem 2-Sekunden-Intervall nach der erneuten Verbindung des UE mit einem anderen gNB . Die Ergebnisse, die in einer unbenannten dargestellt sind, zeigen, dass die Gesamtverzögerungszeit mit dem vorgeschlagenen 5G-Ansatz um über 30 % reduziert wird, was den Erwartungen entspricht.
-
Die Inter-Gateway-Mobilität umfasst sowohl interne Gateway-Tunnel als auch den X2-Tunnel. In dieser Simulation werden mehrere MPGs erstellt und mit einem einzigen gNB verbunden . Im ersten Szenario bewegt sich das UE mit variabler Geschwindigkeit zwischen den Domänen zweier separater Gateways, was zu einer um 14 % geringeren Gesamtverzögerungszeit im vorgeschlagenen SG-Netzwerk im Vergleich zum 4G-Netzwerk führt, wie in einer unbenannten dargestellt. Im zweiten Szenario Szenario wird eine kontinuierliche Bewegung des UE über Gateway-Domänen hinweg simuliert. Das vorgeschlagene 5G mit einem verteilten Gateway (wie in einer unbenannten dargestellt) mildert Bedenken hinsichtlich nicht optimaler Pfade und verbessert die Übertragungsleistung. Hier reduziert das SG-Netzwerk die Gesamtverzögerungszeit im Vergleich zum 4G-Netzwerkmodell um 28 %.
-
Die vorgeschlagene Architektur zeigte im Vergleich zum vorherigen Design eine überlegene Leistung in Bezug auf die Gesamtübertragungslatenz, die Verzögerung zwischen und innerhalb der Übergabe, die Warteschlangenverzögerung und die Gesamtverbindungszeit. Numerische Analysen und Simulationsergebnisse zeigten, dass die vorgeschlagene Architektur die ältere durch die Reduzierung der End-to-End-Latenz übertraf. Darüber hinaus erlebten Benutzergeräte (UE) beschleunigte Übergabeprozesse und reibungslosere Übergänge zwischen mehreren Gateways. Die beschriebene Architektur übermittelte Datenpakete effizient über optimierte Routing-Pfade.
-
Die Zeichnungen und die vorstehende Beschreibung geben Beispiele für Ausführungsformen. Fachleute werden erkennen, dass eines oder mehrere der beschriebenen Elemente durchaus zu einem einzigen Funktionselement kombiniert werden können. Alternativ können bestimmte Elemente in mehrere Funktionselemente aufgeteilt werden. Elemente einer Ausführungsform können zu einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. Beispielsweise können die Reihenfolgen der hier beschriebenen Prozesse geändert werden und sind nicht auf die hier beschriebene Weise beschränkt. Darüber hinaus müssen die Aktionen eines Flussdiagramms nicht in der gezeigten Reihenfolge implementiert werden; Es müssen auch nicht unbedingt alle Handlungen ausgeführt werden. Auch solche Handlungen, die nicht von anderen Handlungen abhängig sind, können parallel zu den anderen Handlungen durchgeführt werden. Der Umfang der Ausführungsformen wird durch diese spezifischen Beispiele keineswegs eingeschränkt. Zahlreiche Variationen, ob explizit in der Spezifikation angegeben oder nicht, wie z. B. Unterschiede in Struktur, Abmessung und Materialverwendung, sind möglich. Der Umfang der Ausführungsformen ist mindestens so breit wie durch die folgenden Ansprüche angegeben.
-
Vorteile, andere Vorzüge und Problemlösungen wurden oben im Hinblick auf spezifische Ausführungsformen beschrieben. Die Vorteile, Vorzüge, Problemlösungen und alle Komponenten, die dazu führen können, dass ein Nutzen, ein Vorteil oder eine Lösung eintritt oder ausgeprägter wird, dürfen jedoch nicht als kritische, erforderliche oder wesentliche Funktion oder Komponente von ausgelegt werden einzelne oder alle Ansprüche.
-
REFERENZEN
-
- 100
- Ein Verbessertes Flaches Mobiles 5G-Kernnetz-Kommunikationssystem.
- 102
- Mobile Steuereinheit (MCU).
- 104
- Vielzahl Von Steuereinheiten (Cus)
- 106
- Mobility Packet Gateway (MPG)-Modul
- 108
- SDN-Basierte Architektur
- 108a
- Kontrollebene (CP)
- 108b
- Datenebene (DP)
- 202
- CU (Steuereinheit)
- 202a
- PGW/SGW-Funktionalität
- 202b
- Kontrollsignalisierung
- 202c
- Resourcenmanagement
- 202d
- Routing-Regeln
- 202e
- MME
- 204
- Internet
- 204a
- MPG
- 204b
- Gnb
- 206
- UE
- 208
- MCU
- 208a
- CU
