基于SDN的MBMS网络架构及网络优化方法

摘要

本发明公开了一种基于SDN的MBMS网络架构，包括OpenFlow API、矩阵收集模块、OpenFlow插件、协调接口、MBMS网络动态优化协调模块、网络优化模块、路径优化管理模块、网络资源管理模块、拓扑关系映射模块和紧急问题处理模块。本发明还公开了采用基于SDN的MBMS网络架构进行MBMS网络优化的方法。本发明在传统蜂窝网络的核心网中引入了SDN技术，给出一种基于SDN的MBMS网络架构并实现MBMS传输，降低了MBMS通信资源管理的难度，还实现了对MBMS网络的动态控制功能。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及基于SDN的MBMS网络架构及网络优化方法。

背景技术

多媒体广播多播业务(MBMS，Multimedia Broadcast Multicast Service)是一种同时向网络中所有用户或某一部分用户群体发送高速的多媒体数据业务的技术。在MBMS通信系统中，不仅能以单个小区为单位进行配置和通信，还可以采用多小区协作传输方式，形成多播广播单频网(MBSFN,Multimedia Broadcast Single Frequency Network)。通过多小区采用同一频率向订制相同多媒体数据业务的用户同时发送信息，可以极大地提高小区整体信噪比分布，还可以大幅度提升频谱效率。但是在传统通信网络架构下，多小区之间的协作带来的复杂的信息交互和大量的信令开销让网络难以承受。传统通信网络下MBMS传输具有以下局限性：

1)MBMS同步传输较难实现。多小区MBMS业务需要多小区同步发送数据，如果不能同步，用户将不能进行宏分集，得不到宏分集增益。网络侧在发送端需要保证物理层帧定时同步和内容传输同步。

2)资源管理的难度较大。LTE系统中协调多小区MBMS传输的MBMS协调实体(MCE,MBMS Coordination Entity)负责对MBMS区域中所有演进型移动基站(eNB,evolved NodeB)分配资源。集中式无线资源管理(RRM,Radio Resource Management)方式下MCE之间没有交互功能，一个eNB只与一个MCE有联系。分步式RRM方式下存在一个主MCE和一个辅MCE，辅MCE之间没有交互。多个MCE之间交互功能较少，提高了资源管理的难度。

3)MBMS区域的动态控制功能难以实现。传统网络中MBMS通信使用的是基于运行和维护(O&M,operation and maintenance)配置的静态MBMS网络组网方法，该方法操作简单，但是灵活性较差。由于传统MBMS业务没有回传信息，网络动态控制功能难以实现。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的基于SDN的MBMS网络架构及网络优化方法。

技术方案：本发明所述的基于SDN的MBMS网络架构，包括：

OpenFlow API：用于通过有线连接与eNB进行信息的交互；

矩阵收集模块：与eNB连接，用于收集MBMS网络中的信息；包括信息收集单元API；

OpenFlow插件：用于通过OpenFlow API与MBMS网络之间进行信息交互；

协调接口：用于将矩阵收集模块和OpenFlow插件收集的信息传送给MBMS网络动态优化协调模块，以及将MBMS网络动态优化协调模块的信令下发给路径优化管理模块、网络资源管理模块、拓扑关系映射模块和紧急问题处理模块；

MBMS网络动态优化协调模块：用于通过协调接口传送来的信息判断是否发起MBMS网络拓扑优化：如果发起MBMS网络拓扑优化，则发出MBMS网络拓扑优化命令给网络优化模块；如果无需发起MBMS网络拓扑优化，则发出维持当前MBMS网络拓扑命令给网络优化模块；

网络优化模块：用于在收到MBMS网络动态优化协调模块发出的命令后给出对应的网络优化方案：当收到MBMS网络拓扑优化命令时，给出对应的网络拓扑优化和资源优化方案，并将该网络拓扑优化和资源优化方案通过MBMS网络动态优化协调模块发送给协调接口；当收到维持当前MBMS网络拓扑命令时，给出对应的资源优化方案，并将该资源优化方案通过MBMS网络动态优化协调模块发送给协调接口；

路径优化管理模块：用于接收协调接口传送来的信令，按照网络优化模块给出的网络优化方案进行路径优化处理；

网络资源管理模块：用于接收协调接口传送来的信令，按照网络优化模块给出的网络优化方案进行资源分配操作；

拓扑关系映射模块：用于接收协调接口传送来的信令，按照网络优化模块给出的网络优化方案进行网络拓扑的改变；

紧急问题处理模块：用于接收协调接口传送来的信令，按照网络优化模块给出的网络优化方案协调路径优化管理模块、网络资源管理模块和拓扑关系映射模块的功能。

进一步，所述OpenFlow插件包括：

网络拓扑监控模块：通过OpenFlow API获取MBMS网络拓扑信息；

用户移动监控模块：通过OpenFlow API获取MBMS网络中移动用户的当前区域和目标区域；

无线资源配置模块：通过OpenFlow API获取MBMS网络中无线资源的配置情况；

通信资源监控模块：通过OpenFlow API获取MBMS网络中用户的通信质量；

设备管理模块：通过OpenFlow API获取MBMS网络中用户的信息，管理网络中的通信设备。

进一步，所述MBMS网络动态优化协调模块在MBMS网络中用户发生移动时，通过判断网络拓扑优化后网络性能的提升程度与网络拓扑优化的代价之比是否超过阈值，判断是否发出MBMS网络拓扑优化命令：如果超过阈值，则发出MBMS网络拓扑优化命令；否则，则发出维持当前网络拓扑命令。

进一步，所述矩阵收集模块收集的信息包括链路时延和传输时延。

采用所述的基于SDN的MBMS网络架构进行网络优化的方法，包括以下步骤：

S1：eNB监测各个MBMS业务用户的移动信息、用户通信质量，以及用户设备信息，并向OpenFlow API汇报监测结果；

S2：信息收集单元API从eNB处获取链路时延和传输时延信息；

S3：OpenFlow插件从OpenFlow API处获取用户及网络的信息，矩阵收集模块从信息收集单元API处获取链路时延和传输时延信息；

S4：OpenFlow插件和矩阵收集模块通过协调接口将收集的信息上报给MBMS网络动态优化协调模块；

S5：MBMS网络动态优化协调模块判断是否发起MBMS网络拓扑优化：如果是，则向网络优化模块发送MBMS网络拓扑优化的命令，网络优化模块给出对应拓扑优化和资源优化方案，依次通过MBMS网络动态优化协调模块和协调接口传送命令给路径优化管理模块、网络资源管理模块、紧急问题处理模块和拓扑关系映射模块，实现网络优化；否则，则向网络优化模块发送维持当前网络拓扑命令，网络优化模块给出相应的资源优化方案，依次通过MBMS网络动态优化协调模块和协调接口传送命令给路径优化管理模块、网络资源管理模块和紧急问题处理模块，实现保持原拓扑结构下的网络资源优化。

进一步，所述步骤S3中，OpenFlow插件从OpenFlow API处获取用户及网络的信息的过程如下：网络拓扑监控模块通过OpenFlow API获取MBMS网络拓扑信息；用户移动监控模块通过OpenFlow API获取MBMS网络中移动用户的当前区域和目标区域；无线资源配置模块通过OpenFlow API获取MBMS网络中无线资源的配置情况；通信资源监控模块通过OpenFlow API获取MBMS网络中用户的通信质量；设备管理模块通过OpenFlow API获取MBMS网络中用户的信息。

有益效果：本发明公开了一种基于SDN的MBMS网络架构及网络优化方法，在传统蜂窝网络的核心网这引入了SDN技术，通过OpenFlow插件和矩阵收集模块对MBMS网络和用户信息进行实时获取，能够降低信息交互的复杂度，实现MBMS同步传输；网内所有资源以虚拟化的形式管理，通过MBMS网络动态优化协调模块判断是否发出网络拓扑结构优化命令，从而请求网络优化模块给出相应的网络拓扑结构和资源优化方案，并通过控制路径优化管理模块、网络资源管理模块、拓扑关系映射模块和紧急问题处理模块来实现网络的优化，有效降低了时间和信令的消耗，也有效降低了资源管理的难度；此外，还能够实现对MBMS网络的动态控制功能。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中网络架构的示意图；

图2为本发明实施例1中网络优化方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本具体实施方式公开了一种基于SDN的MBMS网络架构，如图1所示，包括：

OpenFlow API：用于通过有线连接与eNB进行信息的交互；

矩阵收集模块：与eNB连接，用于收集OpenFlow插件无法收集到的信息，比如链路时延和传输时延；矩阵收集模块包括信息收集单元API；

OpenFlow插件：用于通过OpenFlow API与MBMS网络之间进行信息交互，OpenFlowAPI将网络的统计信息反馈给OpenFlow插件，OpenFlow插件将配置信息、Flow规则等下发至OpenFlow API；OpenFlow插件具体包括网络拓扑监控模块、用户移动监控模块、无线资源配置模块、通信质量监控模块和设备管理模块；

协调接口：用于将矩阵收集模块和OpenFlow插件收集的信息传送给MBMS网络动态优化协调模块，以及将MBMS网络动态优化协调模块的信令下发给路径优化管理模块、网络资源管理模块、拓扑关系映射模块和紧急问题处理模块；

MBMS网络动态优化协调模块：用于通过协调接口传送来的信息判断是否发起MBMS网络拓扑优化，如果发起MBMS网络拓扑优化，则发出MBMS网络拓扑优化命令给网络优化模块，如果无需发起MBMS网络拓扑优化，则发出维持当前MBMS网络拓扑命令给网络优化模块；

网络优化模块：用于在收到MBMS网络动态优化协调模块发出的命令后给出对应的网络优化方案：当收到MBMS网络拓扑优化命令时，给出对应的网络拓扑优化和资源优化方案，并将该网络拓扑优化和资源优化方案通过MBMS网络动态优化协调模块发送给协调接口；当收到维持当前MBMS网络拓扑命令时，给出对应的资源优化方案，并将该资源优化方案通过MBMS网络动态优化协调模块发送给协调接口；

路径优化管理模块：用于接收协调接口传送来的信令，按照网络优化模块给出的网络优化方案进行路径优化处理；

网络资源管理模块：用于接收协调接口传送来的信令，按照网络优化模块给出的网络优化方案进行资源分配操作；

拓扑关系映射模块：用于接收协调接口传送来的信令，按照网络优化模块给出的网络优化方案进行网络拓扑的改变；

紧急问题处理模块：用于接收协调接口传送来的信令，按照网络优化模块给出的网络优化方案协调路径优化管理模块、网络资源管理模块和拓扑关系映射模块的功能。也即，如果各模块无法单独完成任务，则紧急问题处理模块在多个模块间进行协调，完成紧急问题处理。

OpenFlow插件中各个模块的功能为：

网络拓扑监控模块：通过OpenFlow API获取MBMS网络拓扑信息；

用户移动监控模块：通过OpenFlow API获取MBMS网络中移动用户的当前区域和目标区域；

无线资源配置模块：通过OpenFlow API获取MBMS网络中无线资源的配置情况；

通信资源监控模块：通过OpenFlow API获取MBMS网络中用户的通信质量；

设备管理模块：通过OpenFlow API获取MBMS网络中用户的信息，管理网络中的通信设备。

此外，OpenFlow插件、OpenFlow API、矩阵收集模块、路径优化管理模块、网络资源管理模块、拓扑关系映射模块和紧急问题处理模块还可以统称为SDN控制中心。

本具体实施方式还公开了一种采用基于SDN的MBMS网络架构进行网络优化的方法，包括以下步骤：

S1：eNB监测各个MBMS业务用户的移动信息、用户通信质量，以及用户设备信息，并向OpenFlow API汇报监测结果；

S2：信息收集单元API从eNB处获取链路时延和传输时延信息；

S3：OpenFlow插件从OpenFlow API处获取用户及网络的信息，矩阵收集模块从信息收集单元API处获取链路时延和传输时延信息；OpenFlow插件从OpenFlow API处获取用户及网络的信息的过程如下：网络拓扑监控模块通过OpenFlow API获取MBMS网络拓扑信息，用户移动监控模块通过OpenFlow API获取MBMS网络中移动用户的当前区域和目标区域，无线资源配置模块通过OpenFlow API获取MBMS网络中无线资源的配置情况，通信资源监控模块通过OpenFlow API获取MBMS网络中用户的通信质量，设备管理模块通过OpenFlowAPI获取MBMS网络中用户的信息；

S4：OpenFlow插件和矩阵收集模块通过协调接口将收集的信息上报给MBMS网络动态优化协调模块；

S5：MBMS网络动态优化协调模块判断是否发起MBMS网络拓扑优化：如果是，则向网络优化模块发送MBMS网络拓扑优化的命令，网络优化模块给出对应拓扑优化和资源优化方案，依次通过MBMS网络动态优化协调模块和协调接口传送命令给路径优化管理模块、网络资源管理模块、紧急问题处理模块和拓扑关系映射模块，实现网络优化；否则，则向网络优化模块发送维持当前网络拓扑的命令，网络优化模块给出相应的资源优化方案，依次通过MBMS网络动态优化协调模块和协调接口传送命令给路径优化管理模块、网络资源管理模块和紧急问题处理模块，实现保持原拓扑结构下的网络资源优化。

本具体实施方式中，eNB是演进型基站Evolved Node B的英文缩写。

下面以一个实施例对本具体实施方式中的网络优化方法进行进一步的介绍。

实施例1：

MBMS网络区域包含3种小区。第一种小区，同时传输数据和信令信息，被称作发送和通告小区(TAC,Transmitting and Advertising Cell)。第二种小区仅传输数据信息，被称作发送小区(TOC,Transmitting-Only Cell)。第三种为预留小区，不传输数据和信令信息，被称作保留小区(RC,Reserved Cell)。在SDN架构下，MBMS网络中多播数据经过SDN核心网、MCE、基站，最终传给用户。所有基站以相同的时频资源同时传输同一组多播数据，用户对这些信号进行合并。在SDN架构下，MCE的功能被削弱了，SDN控制中心负责MBMS网络中基站间的信息获取和控制功能。

下面以多播广播业务订阅用户从核心区域向边缘区域移动为例进行说明。在多播广播业务进行过程中，若有处于MBMS区域边界小区的业务定制用户发生跨小区移动的情况出现，根据SDN控制中心获取的网络拓扑信息和用户移动方向判断是否更新当前网络拓扑结构。当用户从核心小区移动到边界小区时，考虑用户服务的连续性，设计动态组网的优化目标，SDN控制中心负责对网络信息、用户信息进行获取分析和计算，并通过协调接口与MBMS网络动态优化协调模块通信，MBMS网络动态优化协调模块判断是否对当前网络拓扑结构进行延展，由网络优化模块负责提供一种新的网络组网方式并给出相应的资源分配方案。

当用户设备(UE，User Equipment)从TAC边缘移动到TOC时，为了满足用户服务的连续性，TOC小区的eNB向SDN控制中心发送延展MBMS网络请求；SDN控制中心根据当前网络拓扑结构、用户性能，以及目标小区定制该业务的用户数目等综合因素判断是否需要对MBMS网络进行延展。如图2所示，具体步骤如下：

S11：eNB以一定的频率不断监测UE的移动信息、用户通信质量，以及用户设备信息，并向OpenFlow API汇报监测结果；

S22：信息收集单元API从eNB处获取链路时延和传输时延信息；

S33：OpenFlow插件从OpenFlow API处获取用户及网络的信息，矩阵收集模块从信息收集单元API处获取链路时延和传输时延信息；OpenFlow插件中的网络拓扑监控模块和用户移动监控模块根据OpenFlow API获取的用户移动信息，判断UE是否有跨区域移动的行为：当UE从TAC边缘移动到TOC时，为了满足用户业务的连续性，OpenFlow插件通过协调接口向MBMS网络动态优化协调模块发起MBMS网络延展请求；

S44：OpenFlow插件和矩阵收集模块通过协调接口将收集的信息上报给MBMS网络动态优化协调模块；

S55：MBMS网络动态优化协调模块通过判断网络延展后网络性能的提升程度与网络延展的代价之比是否超过阈值，判断是否进行网络延展：如果是，则向网络优化模块发送网络延展的命令，网络优化模块给出延展方案，依次通过MBMS网络动态优化协调模块和协调接口传送命令给路径优化管理模块、网络资源管理模块、紧急问题处理模块和拓扑关系映射模块，对当前MBMS区域进行延展，将UE移动的目标TOC小区设置为TAC小区，并将其邻小区设置为TOC小区，继续以多播广播通信方式给UE传输信息；否则，则向网络优化模块发送维持当前网络拓扑的命令，网络优化模块不进行网络延展，但针对当前的MBMS网络拓扑结构给出资源分配方案，依次通过MBMS网络动态优化协调模块和协调接口传送命令给路径优化管理模块、网络资源管理模块和紧急问题处理模块，实现保持原拓扑结构下的网络资源优化：协调网络资源为移出该MBMS区域的UE通信分配资源，以单播通信方式传输信息。