一种基于SDN的无线通信网络性能优化方法和SDN控制器

摘要

本发明提供了一种基于SDN的无线通信网络性能优化方法和SDN控制器，所述方法包括：通过SDN控制器获取一定区域内的不准确的网络状态信息，所述获取的网络状态信息由移动终端或基站通过无线信道反馈给SDN控制器的接收单元；SDN控制器对获取的不准确的网络状态信息进行检测和估计，运行系统性能优化算法，进而选取最佳系统参数；SDN控制器确定的最佳系统参数通过OpenFlow协议将设置信息发送给系统的所有基站或移动终端进行参数设置。通过本发明能提升无线通信的服务质量，提供更高的信号覆盖率，提高用户满意度及系统的整体性能，从而到达对基础设施层的进行分析和优化的目的。

说明书

技术领域

本发明实施例涉及通信领域，尤其是涉及一种实现无线通信网络性能优化的方法。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展和无线终端应用的日益丰富，尤其是5G的快速兴起，各种无线终 端设备数量急速增长，如何满足高速率大容量的无线通信的要求，如何满足更高的覆盖率，如何提高 用户满意度及系统的整体性能已经成为无线通信的快速发展不得不正视的问题。

软件定义网络(SoftwareDefinednetwork，SDN)为无线通信网络的结构和融合提供了新思路。 SDN是美国斯坦福大学CleanSlate研究组提出的一种新型的网络创新结构，它的核心架构就是通过 将网络的数据层和控制层进行分离，将控制功能从数据层抽离出来，通过控制器对网络进行控制和优 化，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。目前，SDN在无线通信方面的应用研究还很少，主 要是由于无线通信独有的特性，使得研究遇到较多障碍。SDN技术在有线网络中已得到很充分的发展， 部分成熟的技术可以直接转移到无线通信领域使用，但是由于无线信道与有线信道的巨大差异，不得 不考虑无线信道对SDN控制器以及架构性能的影响，也就是对SDN接收到的不准确的网络状态信息进 行检测和估计。如何通过SDN得到相对准确的信息，如何达到无线通信网络系统优化的目的，至今未 有有效的解决方案。

发明内容

本发明提供一种基于SDN的无线通信网络优化方法和SDN控制器，以解决无线通信网络整体性能 的优化问题，具体的技术方案如下：

第一方面本发明提供了一种基于SDN的无线通信网络系统性能优化方法，其特征在于：包括如下 步骤：

步骤S101：通过SDN控制器获取一定区域内的不准确的网络状态信息，所述获取的的网络状态 信息由移动终端或基站通过无线信道反馈给SDN控制器的接收单元；

步骤S102：SDN控制器对获取的不准确的网络状态信息进行检测和估计，运行系统性能优化算法， 进而选取最佳系统参数；

步骤S103：通过OpenFlow协议将SDN控制器确定的最佳系统参数设置信息发送给系统的所有基 站和移动终端进行参数设置；

前述的步骤S103中SDN控制器选取最佳系统参数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S201：同时对系统的多项评价指标进行分析，分别为用户的基站覆盖率C(β)，网络的负载 均衡状态N(β)，用户的满意度Q(β)，其中表示的是无线通信网络系统的某项参数β；

步骤S202：通过效用函数sigmoid函数作为转换函数，将各种评价指标转换为系统整体效用函 数的子效用函数，公式如下：

$U\left(x\right)=\frac{1}{1+\exp \left\{\xi (x_m-x)\right\}},(x_m>0,\xi >0);$其中ζ为效能函数曲线陡峭程度的参数，x_m为效能 函数的中值纵坐标；

进而用户的基站覆盖率C(β)对应的子效用函数，公式如下：

$U_C\left(\beta \right)=\frac{1}{1+\exp \left\{{\xi }_c(x_m^c-\frac{1}{C\left(\beta \right)})\right\}};$

网络的负载均衡状态N(β)对应的子效用函数，公式如下：

$U_N\left(\beta \right)=\frac{1}{1+\exp \left\{{\xi }_n(x_m^n-N(\beta \left)\right)\right\}};$

用户的满意度Q(β)对应的子效用函数，公式如下：

$U_Q\left(x\right)=\frac{1}{1+\exp \left\{{\xi }_Q(x_m^Q-\frac{1}{Q\left(\beta \right)})\right\}};$

步骤S203：将各个子效用函数通过效用理论计算，得到系统整体的效用函数，计算公式如下：

$U\left(\beta \right)=U_C^a\left(\beta \right)\times U_N^b\left(\beta \right)\times U_Q^c\left(\beta \right);$

其中a，b，c表示的是各个子效用函数分别对应的权重；

步骤S204：基于求出的系统整体效用函数以及SDN接收模块接收到的不准确的网络状态信息， SDN控制器中的处理模块通过运行离散随机优化算法，逐个测试计算系统参数β对应的系统效用值， 由于反馈信息的不准确性，SDN控制器必须根据大数定理来多次计算样本值进而去平均值，然后对效 用值比大小排序，快速高效地找到相应的最佳的效用函数值及其最佳的系统参数。

第二方面本发明还提供了一种SDN控制器，包括接收模块、处理模块、发送模块，其特征在于包 括：

所述接收模块，用于获取来自于移动终端或基站的反馈信息，并将该信息传送给SDN控制器处理 模块；

所述处理模块，接收到所述接收模块发送的来自移动终端或基站的反馈信息，对系统的效用函数 进行估计并分析，运行离散随机优化算法，得到最佳效用值以及对应的参数值；

所述发送模块，用于向无线通信网络架构中的基站或移动终端发送导频信号，对系统参数进行设 置。

优选地，所述接收模块还获取多个移动终端或者基站设备的状态信息进而得到系统整体的状态信 息，例如移动终端的位移信息，基站设备的负载信息。

本发明提供了一种基于SDN的无线通信网络优化方法和SDN控制器，以解决无线通信网络系统的 整体性能优化问题，从而提升无线通信的服务质量，提供更高的信号覆盖率，提高用户满意度及系统 的整体性能。本发明还可以帮助无线通信网络系统实现更佳的资源配置和动态调度，提供了一种更为 灵活的管理方法，从而到达对基础设施层的进行分析和优化的目的。

附图说明

图1为基于SDN的无线通信网络性能优化方法流程图。

图2为离散随机优化算法流程图。

图3为SDN控制器的结构框图。

图4为基于SDN的无线通信网络系统框架图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本实施例中提供了一种基于SDN的无线通信网络系统性能优化方法，图1是根据本发明实施例的 流程图，如图1所示，该流程包括如下步骤：

步骤101：通过SDN控制器获取一定区域内的不准确的网络状态信息，所述获取的的网络状态信 息由移动终端或基站通过无线信道反馈给SDN控制器的接收单元；

步骤102：SDN控制器对获取的不准确的网络状态信息进行检测和估计，运行系统性能优化算法， 进而选取最佳系统参数；

步骤103：通过OpenFlow协议将SDN控制器确定的最佳系统参数设置信息发送给系统的所有基 站和移动终端进行参数设置。

其中步骤103中SDN控制器选取最佳系统参数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤201：同时对系统的多项评价指标进行分析，分别为用户的基站覆盖率C(β)，网络的负载 均衡状态N(β)，用户的满意度Q(β)，其中表示的是无线通信网络系统的某项参数β；

步骤202：通过效用函数sigmoid函数作为转换函数，将各种评价指标转换为系统整体效用函数 的子效用函数，公式如下：

$U\left(x\right)=\frac{1}{1+\exp \left\{\xi (x_m-x)\right\}},(x_m>0,\xi >0);$其中ζ为效用函数曲线陡峭程度的参数，x_m为效用 函数的中值纵坐标。

进而用户的基站覆盖率C(β)对应的子效用函数，公式如下：

$U_C\left(\beta \right)=\frac{1}{1+\exp \left\{{\xi }_c(x_m^c-\frac{1}{C\left(\beta \right)})\right\}};$

网络的负载均衡状态N(β)对应的子效用函数，公式如下：

$U_N\left(\beta \right)=\frac{1}{1+\exp \left\{{\xi }_n(x_m^n-N(\beta \left)\right)\right\}};$

用户的满意度Q(β)对应的子效用函数，公式如下：

$U_Q\left(x\right)=\frac{1}{1+\exp \left\{{\xi }_Q(x_m^Q-\frac{1}{Q\left(\beta \right)})\right\}};$

步骤203：将各个子效用函数通过效用理论计算，得到系统整体的效用函数，计算公式如下：

$U\left(\beta \right)=U_C^a\left(\beta \right)\times U_N^b\left(\beta \right)\times U_Q^c\left(\beta \right);$

其中a，b，c表示的是各个子效用函数分别对应的权重。

步骤204：基于求出的系统整体效用函数以及SDN接收模块接收到的不准确的网络状态信息，SDN 控制器中的处理模块通过运行离散随机优化算法，逐个测试计算系统参数β对应的系统效用值，由于 反馈信息的不准确性，SDN控制器必须根据大数定理来多次计算样本值进而去平均值，然后对效用值 比大小排序，快速高效地找到相应的最佳的效用函数值及其最佳的系统参数。

优选地，离散随机优化算法流程图如图2所示，包括如下步骤：

步骤301：初始化，选取某一参数值并确定为最佳状态；

步骤302：判断是否达到要求的循环次数，达到次数时进入步骤306，达不到次数时进入步骤303；

步骤303：此时的效用值与上一时刻的效用值进行比较，此时效用值更佳进入步骤304，上一时 刻效用值更佳进入步骤305；

步骤304：该次选取的参数为最佳参数，进入步骤302；

步骤305：上次选取的参数为最佳参数，进入步骤302；

步骤306：输出最终的参数值，，即为最佳的参数值。

在本实施例中还提供了一种SDN控制器，图3是根据本发明实施例的SDN控制器的结构框图， 如图3所示，该结构包括：接收模块401、处理模块402、发送模块403。其中接收模块401，用于 获取来自于移动终端或基站的反馈信息，并将该信息传送给SDN控制器处理模块402；处理模块402， 接收到所述接收模块401发送的来自移动终端或基站的反馈信息，对系统的效用函数进行估计并分 析，运行离散随机优化算法，得到最佳效用值以及对应的参数值；发送模块403，用于向无线通信架 构中的基站或移动终端发送导频信号，对系统参数进行设置。

优选地，该接收模块401还获取多个移动终端或者基站设备的状态信息进而得到系统整体的状态 信息，例如移动终端的位移信息，基站设备的负载信息。

本实施例所述的基于SDN控制器的无线通信网络，其系统框架如图4所示，SDN控制器502为本 无线通信网络的核心，SDN控制器502通过北向接口与应用层的应用501进行通信，使得各应用501 能够便利地调用基础设施层的网络资源和能力；SDN控制器502通过南向接口与基站、移动终端503 进行通信，方便SDN控制器502对各SDN转发设备进行统一控制。每当移动终端与某基站相连或者与 SDN控制器进行通信时，SDN控制器会给移动终端分配一个专属的IP地址，控制器会将移动终端的 IP地址等信息封装成一个用户身份标识符，便于应用层的应用调用使用。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得 的技术方案，均落在本发明的保护范围内。