一种用于异构无线网络的多业务并发接入系统及接入方法

摘要

本发明公开了一种用于异构无线网络的多业务并发接入系统及接入方法，所述接入系统包括多模用户端、异构无线网络和无线资源管理节点，其中，多模用户端包括并发接入控制模块，用于业务接入申请和业务接入控制；异构无线网络包括SCA_A模块，用于完成网络监测，同时与所述的无线资源管理节点进行交互；无线资源管理节点用于异构无线网络的资源监控和执行并行网络接入决策。本发明的系统和方法通过SCA_C模块、SCA_A模块以及SCA_S模块进行交互，在多个网络同时覆盖的范围内，在进行用户多业务并发接入时，综合网络资源状况、业务友好度、网络费用、业务查询报文信息，选择最佳网络，保证业务质量，达到资源的最大利用。

说明书

技术领域

本发明属于无线网络技术领域，具体涉及异构无线网络的接入系统及接入方法。

背景技术

异构融合网络融合多种网络技术，可以为用户提供更多更新型的业务。目前，异构融合 网络主要有3G网络与WLAN网络互连的异构融合、UMTS网络与WiMAX网络互连的异构融 合、WLAN与WiMAX互连的异构融合等。在异构融合网络环境，移动终端具有多个无线天线， 当移动终端所处位置同时被多个网络覆盖时，该移动终端上运行的业务流可以根据需求选择 承载该业务流的接入网络，即执行网络选择。

在融合网络中，对具有不同资源、提供多种不同服务的网络，关键是如何根据每个业务 的QoS请求，为其提供最优的无线承载。在文献：ADual-mode Mobile Station Module for  WLAN/UMTS Interworking Systems中，设计了一种双模用户，能够根据两个网络的效用函数 来选择接入WLAN或者UMTS网络，但双模用户所有业务不能并发的选择不同的网络，而且 业务友好度，用户偏好等没有进行考虑。在文献：A novel network selection mechanism in an  integrated wlan and umts environment using AHP and modified GRA中提出用层次分析法和灰度 关联法来计算一个效用值较大的网络进行接入，并没有对业务进行区分，所有并发业务只能 根据效用值选择同一个网络进行接入。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的异构融合网络中进行网络接入时存在的上述问题，提 出了一种用于异构无线网络的多业务并发接入系统。

本发明的技术方案是：一种用于异构无线网络的多业务并发接入系统，包括：多模用户 端、异构无线网络和无线资源管理节点，其中，

多模用户端包括并发接入控制模块，用于业务接入申请和业务接入控制；

异构无线网络包括SCA_A模块，用于完成网络监测，同时与所述的无线资源管理节点进 行交互；

无线资源管理节点用于异构无线网络的资源监控和执行并行网络接入决策。

上述并发接入控制模块包括在IP层和数据链路层间添加的汇聚子层模块，以及在IP层上 添加的SCA_C模块，

所述的汇聚子层模块用于检测新业务，如果检测到的是新业务则触发所述的SCA_C模块 发送查询报文，汇聚子层模块根据SCA_C模块接收到的查询结果进行业务分流。

所述的SCA_C模块用于协同汇聚子层模块的工作，当汇聚子层模块检测到新业务时，触 发SCA_C模块发送业务查询报文，以供无线资源管理节点计算使用；同时收到无线资源管理 节点回送的查询结果，递交给汇聚子层模块。

上述无线资源管理节点包括添加在IP层上添加的SCA_S模块，

所述的SCA_S模块用于与所述的SCA_C模块形成对等实体，与多模用户端进行业务查询 报文以及业务决策报文的交互，与异构无线网络的SCA_A模块进行网络参数查询报文和网络 参数应答报文的交互。

为了解决上述问题，本发明还提出了一种用于异构无线网络的多业务并发接入方法，具 体包括如下步骤：

S1.当多模用户产生新业务时，多模用户端的汇聚子层模块检测新业务，触发SCA_C模 块封装业务查询报文，选择异构无线网络中预先指定的网络接口，发送至无线资源管理节点；

S2.无线资源管理节点接收到业务查询报文，获取用户IP地址，提取业务信息，无线资 源管理节点的SCA_S模块发送网络参数查询报文给异构无线网络的SCA_A模块；

S3.无线资源管理节点的SCA_S模块收到异构无线网络的SCA_A模块回送的网络参数 应答报文，提取异构无线网络中各个网络的资源信息，结合业务查询报文信息，进行决策， 封装业务决策报文回送至多模用户；

S4.多模用户收到无线资源管理节点回送的业务决策报文后，解析出报文中的决策结果 并根据决策结果选择恰当的网络接入。

上述业务查询报文信息包括业务类型、业务QoS、用户偏好。

步骤S3所述的进行决策具体使用层次分析法。

本发明的有益效果：本发明的系统和方法通过SCA_C模块、SCA_A模块以及SCA_S模块 进行交互，在多个网络同时覆盖的范围内，在进行用户多业务并发接入时，综合网络资源状 况、业务友好度、网络费用、业务查询报文信息，选择最佳网络，保证业务质量，达到资源 的最大利用；并且可以保证快速部署，极大减小费用开销。

附图说明

图1为本发明的异构无线网络多业务并发接入系统示意图。

图2为本发明的双模用户协议栈示意图。

图3为本发明的CRM协议栈示意图。

图4为本发明实施例的多业务并发接入场景示意图。

图5为本发明实施例的CONVERGE模块和SCA_C模块的交互流程图。

图6本发明实施例的CRM与AP、NODE_B的报文交互流程图。

图7为本发明实施例的层次分析法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的说明：

为了便于本领域的普通技术人员理解本发明的原理、工作过程，首先对本发明的中用到 的重要词汇作如下定义：

(1)异构无线网络：多种通信类型的网络共存的网络。

(2)多模用户(UE)：异构无线网络中的用户终端，能够同时与多个网络进行通信。

(3)无线资源管理节点(CRM)：用于异构无线网络资源监控和执行并行网络接入决策。

(4)多业务并发接入：指多模用户能够同时运行多个业务，每个业务接入可以选择相应 的网络进行接入。

(5)用户偏好：用户对接入网络的偏爱程度。

(6)业务友好度：指网络对于不同业务类型的支持能力，比如蜂窝网对于话音的支持能 力强于WLAN，则蜂窝网对于话音业务的友好度就高于WLAN对于话音业务的友好度。

(7)层次分析法：指将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，将目标分解为多个目 标或准则，进而分解为多指标(或准则、约束)的若干层次，通过定性指标模糊量化方法算 出层次单排序(权数)和总排序，以作为目标(多指标)、多方案优化决策的系统方法。

(8)业务查询报文：由多模用户发送至CRM的报文，用以查询当前产生的业务应该选 择哪个网络，可以包括但不限于：报文内容源IP、目的IP、源端口、目的端口、业务类型、 业务QoS、以及用户偏好。

(9)业务决策报文：由CRM发回至多模用户的报文，可以包括但不限于：源IP、目的IP、 源端口、目的端口、业务决策信息(即业务应选择哪个网络接入)。

(10)网络参数查询报文：由CRM发送至SCA_A模块的报文，用以查询需要的参数统计 量。

(11)网络参数应答报文：由SCA_A模块回送至CRM的报文，向CRM报告相应的参数统 计量。

(12)TOS：服务类型，指出了时延、吞吐量和可靠性方面的要求。

在异构无线网络中选择哪个网络，对于用户体验和网络效率都有着重要的意义。站在用 户的角度，希望能够对自己了解的业务拥有更多的自主权，对于另外一些业务由网络辅助选 择或者完全交给网络选择；站在网络角度，更希望在满足用户体验的基础上，更有效、均衡 地利用网络资源。

本发明正是基于上述考虑而设计的。

WLAN与3G/LTE融合网络中，WLAN与3G/LTE网络有各自不同的特点：移动蜂窝网络提 供的业务流量有限，但传输时延小，覆盖范围大；而WLAN能提供较高的业务流量，但传输 的时延大，覆盖范围小。两者的融合是发展的必然趋势。下面以WLAN与3G/LTE网络融合接 入为例进行具体说明。

如图1所示，本发明的用于异构无线网络的多业务并发接入系统，包括：多模用户端、异 构无线网络和无线资源管理节点，其中，

多模用户端包括并发接入控制模块，用于业务接入申请和业务接入控制。在本实施例中， 多模用户端即为双模用户端。

异构无线网络包括SCA_A模块，用于完成网络参数监测，同时与所述的无线资源管理节 点进行交互。

无线资源管理节点CRM用于异构无线网络的资源监控和执行并行网络接入决策。

如图2所示，这里，并发接入控制模块包括在IP层和数据链路层间添加的汇聚子层模块， 以及在IP层上添加的SCA_C模块，

所述的汇聚子层模块用于检测新业务，如果检测到的是新业务则触发所述的SCA_C模块 发送查询报文，汇聚子层模块根据SCA_C模块接收到的查询结果进行业务分流；

所述的SCA_C模块用于协同汇聚子层模块的工作，当汇聚子层模块检测到新业务时，触 发SCA_C模块发送业务查询报文，以供无线资源管理节点计算使用；同时收到无线资源管理 节点回送的查询结果，递交给汇聚子层模块。

为了能同时接入到WLAN和3G网络之中，需要两个数据链路层模块，即WLAN数据链路 层模块和3G数据链路层模块。两个数据链路层共用统一的IP模块。在IP和数据链路层之间添 加汇聚子层模块，用作监测新业务、建立并维护连接请求表、触发SCA_C模块发送业务查询 报文、根据决策结果分流等功能；在IP层上添加SCA_C模块，用于与CRM对应实体模块交互 业务查询报文和业务决策报文信息。其余各层分别完成标准TCP/IP协议中相应各层的功能。

当多模用户端产生新的用户业务时，汇聚子层模块收到上层的业务请求，查询业务查询 列表，如果存在结果，则根据结果进行分流，如果不存在，将请求报文缓存，同时触发SCA_C 模块发送业务查询报文；汇聚子层模块收到SCA_C模块递交的由CRM传回的决策结果，创建 查询列表，以供后来的报文查询使用；初始化时设置主IP为某一个网络时，如果决策结果为 另一个网络，则做相应的NAT(Network Address Translation)转换。SCA C模块协同汇聚子 层模块工作，当汇聚子层模块检测到新业务时，触发SCA_C模块发送业务查询报文；业务查 询报文可以包括但不限于目的端口、源端口、目的IP、源IP、业务QoS、业务类型以及用户偏 好，以供CRM计算使用；同时收到CRM的回送结果，递交给汇聚子层模块，以做分流处理。

本实施例中的双模用户端同时具有3G和WLAN通信模块，同时再增加并发接入控制模 块，负责业务接入申请和业务接入控制，实现3G和WLAN接口间的自适应分流。由于TCP/IP 协议栈本身缺乏业务接入控制的机制，所以并发接入控制模块需要具有新业务发现功能，从 高层数据报文中获取目的端口，源端口，目的IP，源IP，判断业务是否为新业务，同时从双 模用户属性中获取用户偏好，进一步形成接入决策所需的相关参数(包括业务是否需指定接 入网络和用户偏好等)，向CRM发起业务接入申请。按照CRM决策结果，UE并发接入控制 模块需要控制投递业务的网络接口。由于不同的网络接口具有不同的IP地址，所以为了实现 下行传输也能按照接入决策执行，该模块需要启动NAT的功能，修改源IP地址为接入网络接 口的IP地址，对IP头部进行必要的修改，并且修改IP至下层的ICI信息。

如图3所示，这里，无线资源管理节点CRM包括在IP层上添加的SCA_S模块。

所述的SCA_S模块用于与所述的SCA_C模块形成对等实体，与多模用户端进行业务查询 报文以及决策回送报文的交互，与异构无线网络的SCA_A模块进行网络参数查询报文和网络 参数应答报文的交互。

SCA_S模块与UE、AP、NODE_B的对等协议实体模块交互信息，其中，与UE的SCA_C 模块交互业务查询报文和业务应答报文，与AP、NODE_B的SCA_A模块交互网络参数查询报 文和网络参数应答报文。整体功能是CRM收到UE发来的业务查询报文时，发送网络参数查询 报文给AP和NodeB；收到两侧的网络参数应答报文后，提取网络参数信息，结合查询查询报 文中业务类型以及用户偏好，做出接入决策；决策结束后，将决策结果封装在业务决策报文 中，并通过WLAN回送给发起请求的UE。

CRM收到双模用户端发送的业务查询报文，提取查询信息，可以包括但不限于目的端口、 源端口、目的IP、源IP、TOS、业务类型、用户偏好；同时创建网络参数查询报文，分别发 送至重叠网络的AP和NODE_B，获取两个网络的参数统计量，参数统计量可以包括但不限于 各自网络的负载、时延、可靠性、丢包率；当收到AP和NODE_B回送的网络参数应答报文后， 调用层次分析法计算各个因素的权值，然后计算出两个网络的效用值，较大值作为决策结果， 根据决策结果，创建决策报文发回至双模用户端，以供双模用户端分流决策使用。

这里，AP和NODE_B分别指代WLAN和3G网络的用户接入点。AP和NODE_B完成各自 网络接入的基本功能外，需要增加与CRM对应的SCA_A模块，完成网络资源监测与统计功能， 同时与CRM进行交互，可以周期性的向CRM报告当前网络参数情况，或者收到CRM的网络 参数查询报文后，在SCA_A模块中，将需要的网络参数信息封装到网络参数应答报文中，回 送给CRM，以供CRM计算使用。

可以看出，这里SCA_C、SCA_A以及SCA_S三个模块组成了业务并发接入(SCA)协议， 分别位于UE、AP/NODE_B、CRM通信协议栈之中，其中，SCA_C用于业务接入请求以及控 制本地业务控制；SCA_A用于本地资源监测与统计，SCA_S用于多业务接入决策。

本发明的一种用于异构无线网络的多业务并发接入方法，具体包括如下步骤：

S1.当多模用户产生新业务时，多模用户端的汇聚子层模块检测新业务，触发SCA_C模 块封装业务查询报文，选择异构无线网络中预先指定的网络接口，发送至无线资源管理节点；

S2.无线资源管理节点接收到业务查询报文，获取用户IP地址，提取业务信息，无线资 源管理节点的SCA_S模块发送网络参数查询报文给异构无线网络的SCA_A模块；

S3.无线资源管理节点的SCA_S模块收到异构无线网络的SCA_A模块回送的网络参数 应答报文，提取异构无线网络中各个网络的参数信息，结合业务查询报文信息，进行决策， 封装业务决策报文回送至多模用户；

S4.多模用户收到无线资源管理节点回送的业务决策报文后，解析出报文中决策结果并 根据决策结果选择恰当的网络接入。

上述业务查询报文信息包括业务类型、业务OoS、用户偏好。

步骤S3所述的进行决策具体可以使用层次分析法。层次分析法为本领域的现有技术，不 再进行详细说明。

这里的多业务并发接入方法综合考虑网络资源、用户偏好、网络对业务友好度、网络费 用，利用层次分析法，得出各个因素对网络决策的影响的权值，最后计算出各个网络的效用 值，选择效用值较大的网络作为接入网络。

为了更好的体现用户特点与网络特点，可以将用户业务分为指定网络类和CRM决策类， 其中，CRM决策类中包含有用户对于网络的偏好信息。对于指定网络类的用户业务，直接在 用户指定的网络中进行接入控制和处理，使用指定网络自身的接入策略进行接入控制。如果 该指定网络无法提供所需业务，则直接拒绝该业务。

对于CRM决策类的用户业务，由CRM根据业务类型、业务QoS、WLAN和3G的网络资源 情况，以及业务友好度、网络费用因素等，依据层次分析法进行决策。对于CRM决策类业务， 根据业务的不同，利用层次分析法计算效用值时判决参数的重要性也会有所不同。例如对于 会话类业务，设定重要程度为：时延最重要，其次是业务友好度、负载，用户偏好和网络费 用最低；对于背景类、交互类、流类业务，设定重要程度为：负载最重要，其次是业务友好 度，用户偏好和网络费用最低。

本实例实施采用的仿真软件为OPNET Modeler 14.5。

下面以一个FTP业务来详细说明整个接入控制方法的实施过程。

多业务并发接入场景如图4所示，双模用户分布于位于WLAN和3G网络重叠覆盖区 域内，CRM位于后台。

配置双模用户IP层两个接口的IP地址，其中WLAN接口IP地址为主IP地址，两个 IP地址分属不同的子网。双模用户在100s时产生FTP业务和远端服务器请进行通信。100s 时，FTP业务由应用层产生，通过TCP层建立TCP连接，TCP封装成TCP连接请求报文， 通过IP层，封装成IP报文，会通过主IP接口向下传递给汇聚子层模块。

如图5所示为汇聚子层(CONVERGE)模块和SCA_C模块的交互流程示意图。

(1)初始化时，需要创建报文缓存列表和决策结果列表。

(2)CONVERGE产生中断，并判定为上层报文到来，解析报文，获得报文的源IP、 目的IP、源端口号、目的端口号、协议号、TOS值。CONVERGE获取协议号为6，表示使 用的TCP协议，并非自定义协议。查询决策结果列表，是否存在对应源IP、目的IP、源端 口号、目的端口号的决策结果，如果不存在，将报文存在报文缓存列表中，如果存在，则 根据结果进行发送。此时，不存在结果，则缓存报文，同时将信息传递给SCA_C模块。

(3)SCA_C模块获得CONVERGE传递信息，产生中断，提取业务查询报文信息；同 时获取用户偏好，用户偏好在用户属性中进行设置。SCA_C创建业务查询报文，绑定ICI 信息，发送至IP模块。

(4)SCA_C的业务查询报文通过IP模块封装成IP报文到达CONVERGE，解析报文 通过协议号判定为业务查询报文，直接通过WLAN端口发送至CRM。

(5)CRM回送的业务决策报文会到达SCA_C模块，SCA_C模块中断，将决策结果 传递给CONVERGE。

(6)CONVERGE将决策信息插入决策结果列表，缓存报文以及随后的数据报文根据 结果进行分流，如果结果为WLAN接口，不做处理，如果结果为3G接口，做相应的NAT 转换，更改源IP为3G接口地址以及下一跳IP地址为3G接入点地址。

如图6所示为CRM与AP、NODE_B的报文交换流程图。

(1)CRM的SCA_S模块收到UE的业务查询报文，提取业务查询信息，同时创建网 络参数查询报文，对于FTP业务，对时延要求小，对带宽要求高，因此主要查询参数为两 个网络的负载，分别发送至覆盖网络的AP和NODE_B。

(2)AP的SCA_A模块收到网络查询报文，获得当前WLAN网络的负载统计量，封 装网络参数应答报文会送至CRM。

(3)NODE_B的SCA_A模块收到网络查询报文，获得当前3G网络的负载统计量， 封装网络参数应答报文会送至CRM。

(4)CRM收到AP和NODE_B回送的网络参数应答报文后，利用层次分析法，计算 出网络决策结果，封装业务决策报文，回送至UE，供UE分流使用。

CRM的SCA_S模块使用层次分析法具体如图7所示。综合考虑网络资源、用户偏好、业 务友好度、网络费用因素，利用层次分析法计算各个参数权值，然后计算各个网络的效用值。

本示例中，对于FTP业务，CRM在进行并行接入决策时，参数的获取及计算具体过程如 下：

(1)CRM通过NODE B和AP回复的网络参数应答报文获取负载统计量。3G和WLAN负 载分别从NODE_B和AP处获取，可以分别用NODE_B和AP的吞吐率进行评估。

n_load＝rcvd_data+send_data/Δ，其中，rcvd_data、send_data分别代表在Δ时间 内发送和接收到的数据的比特数，Δ为统计的时间窗口。

(2)对用户偏好，可划分无偏好、较偏爱WLAN、非常偏好WLAN、指定选择WLAN、 较偏爱3G、非常偏爱3G、指定选择3G。指定选择WLAN和指定选择3G即表示用户决策类业 务。本实施例设置为无偏好，即用户对于选择哪个网络没有要求，则网络负载和业务友好度 占据重要作用。

(3)对于网络费用，实际应用中可以考虑WLAN价格相对低廉，可用其价格优势。

(4)根据多模用户发送的业务查询报文内容可以获取业务类型：对于FTP业务，划分为 背景类业务。对于FTP业务，最重要的参数为网络负载，其次是业务友好度，且WLAN比3G 网络对于FTP业务的友好度高，用户偏好和网络费用重要程度最低。

(5)利用层次分析法确定每个参数的权值，对于FTP业务，网络负载、业务友好度、用 户偏好、网络费用依次为：U_wlan＝(u₁ u₂ u₃ u₄)，U_3g＝(u₁ u₂ u₃ u₄)。

(6)利用公式计算每个网络的效用值，其中，b_ij表示第i个网络 的第j个参数的归一化值，m表示决策网络的个数，此处为2，n表示表示决策参数的个数， 此处为4。通过计算，选择效用值比较大网络作为决策结果，SCA_S模块将结果封转在业务决 策报文中，回送至UE。

当双模用户有多个业务产生时，每个业务都要遵循以上的接入流程，获取决策结果，根 据决策结果选择合适的网络进行接入，完成了IP对不同网络接口的自适应分流功能。

在两个网络同时覆盖的范围内，双模用户和CRM配合实现WLAN和3G接口间的自适应分 流功能；用户多业务并发接入时，综合网络资源、用户偏好、业务友好度、网络费用等因素， 选择最佳网络，保证业务质量，达到资源的最大利用；整个接入方法对已较为成熟的3G网络 修改较小，业务查询、应答报文均选择WLAN网络，以保证快速部署，减小庞大费用开销。 同时，本方法可以扩展至多个网络的并发接入，综合使用各个网络的资源。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的 原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通 技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体 变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。