一种C/U分离的5G蜂窝异构网络控制平面优化方法技术

本发明专利技术公开一种C/U分离的5G蜂窝异构网络控制平面优化方法，在C/U分离架构下，宏基站负责控制平面传输，处理网络的控制与广泛覆盖；小基站负责用户平面传输，在较高频段上为用户卸载数据。宏基站故障后，根据需求将故障宏基站的相邻宏基站进行覆盖范围扩增，故障宏基站覆盖区域下每个小基站选择相邻宏基站接入并进行控制平面传输。针对小基站的相邻宏基站选择方法进行优化，根据相邻宏基站的负载均衡指数和最大可扩增覆盖范围进行分析，形成最小化核心网信令负载的宏基站选择统计分析和优化部署，并给出系统中相邻宏基站可处理的总负载和小基站分配部署方法。本发明专利技术与基于距离的小基站均匀分配传统方法相比，提出方法可以有效地提高相邻宏基站可处理的总切换率负载，进而减少核心网上的信令负载。

A control plane optimization method for C/U separated 5G cellular heterogeneous networks

The invention discloses a control plane optimization method for 5G cellular heterogeneous network with C/U separation. Under the C/U separation framework, the macro base station is responsible for controlling plane transmission, processing network control and wide coverage, and the small base station is responsible for user plane transmission and unloading data for the user at a higher frequency band. After the failure of the macro base station, the coverage of the adjacent macro base station is expanded according to the demand, and each small base station in the coverage area of the fault macro base station selects the adjacent macro base station to access and transmit in the control plane. This paper optimizes the selection method of adjacent macro base stations for small base stations, analyzes the load balancing index and the maximum expandable coverage of adjacent macro base stations, forms the statistical analysis and optimal deployment of macro base station selection for minimizing the signaling load of core network, and gives the total load and small base stations that can be processed by adjacent macro base stations in the system. Assign deployment method. Compared with the traditional method of uniformly distributing small base stations based on distance, the proposed method can effectively increase the total handover rate load that can be processed by adjacent macro base stations, thereby reducing the signaling load on the core network.

【技术实现步骤摘要】
一种C/U分离的5G蜂窝异构网络控制平面优化方法
本专利技术属于5G蜂窝异构网络
，尤其涉及一种控制平面宏基站故障处理的方法，进一步涉及一种结合核心网信令负载及宏基站选择优化方法。技术背景在C/U分离的蜂窝异构网络架构下，宏基站负责控制平面传输，处理大范围的覆盖需求并支持连接性和移动性管理需求；小基站负责用户平面传输，在较高频段为用户卸载数据，提升网络容量。在蜂窝异构网络中宏基站故障的情况下，故障宏小区内所有用户的控制平面传输发生故障。根据移动网络小基站回程需求，故障宏基站覆盖区域下的每个小基站需要重新接管其控制平面功能，来完成相应的控制平面传输，但此方法一方面需要所有小基站都具备宏基站的控制功能，另一方面由于小基站的覆盖范围小、用户的密集分布与高速移动，导致频繁的切换事件发生，进而引起核心网中极高的信令负载，甚至引起信令风暴，造成核心网服务中断。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，提供一种C/U分离的5G蜂窝异构网络控制平面优化方法，采用最小化核心网信令负载的宏基站选择优化，以减少频繁的切换带来的大量核心网信令负载。将故障宏基站的相邻宏基站根据需求进行覆盖范围扩增，故障宏基站覆盖区域下的每个小基站根据优化方法，选择相邻宏基站进行控制平面传输。为解决上述问题，本专利技术采用如下的技术方法：一种C/U分离的5G蜂窝异构网络控制平面优化方法，包括以下步骤：步骤1、建立宏基站故障模型系统正常工作状态下，有(M+1)个宏基站负责控制平面传输，表示为{B0,B1,...,BM}。每个宏小区的覆盖区域下有N个小基站负责用户平面传输。系统中的用户和其对应的宏基站、小基站形成双连接组网方式。步骤2、业务模型与切换管理分析在蜂窝异构网络中，每个用户支持K种业务类型。业务的平均到达率为小小区bi中用户的移动交叉率Ri为：相邻的小小区bi和小小区bj之间的平均切换率可以表示为：步骤3、负载均衡指数约束负载均衡指数转化为：L的数值越高，说明小区的负载越均衡，当L＝1时，说明系统达到最优的均衡状态。步骤4、核心网信令负载优化的宏基站选择优化，包括以下步骤：通过相邻宏小区的优化选择和覆盖优化，使得核心网信令负载最小。即将具有更高平均切换率的相邻小小区分配到同一个宏小区，那么核心网的信令负载可以得到尽可能的减少。因此，优化问题转化为：s.t.C1:bimdim≤dmaxC4:L≥Lmin附图说明图1为本专利技术的流程图；图2为用户数量变化的总处理切换率变化趋势(vi＝10～20m/s)；图3为用户数量变化的总切换率占比变化趋势(vi＝10～20m/s)；图4为用户数量变化、速度对比的总处理切换率变化趋势(vi＝0～10m/s、vi＝10～20m/s、vi＝20～30m/s)；图5为用户数量变化、速度对比的系统负载均衡指数变化趋势(vi＝0～10m/s、vi＝10～20m/s、vi＝20～30m/s)。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步说明。如图1所示，本专利技术提供一种C/U分离的5G蜂窝异构网络控制平面优化方法，包括以下步骤：步骤1、建立宏基站故障模型系统正常工作状态下，有(M+1)个宏基站负责控制平面传输，表示为{B0,B1,...,BM}。每个宏小区的覆盖区域下有N个小基站负责用户平面传输。系统中的用户和其对应的宏基站、小基站形成双连接组网方式。设其中心宏基站为故障宏基站，宏基站B0由工作状态转为故障状态，宏基站{B1,...,BM}处于正常工作状态。故障宏基站B0的覆盖区域下的N个小基站{b1,b2,...,bN}根据优化算法选择相邻宏基站进行控制平面传输功能。本文以一个二元决策变量bim，(i＝,1,LN，m＝1,L,M)来表示小小区i的控制平面是否由相邻宏小区Bm接管：其覆盖区域下的用户和新选择的相邻宏基站、原小基站形成新的双连接组网方式。设系统中共有U个用户，服从随机分布，故障宏基站B0的用户数是U0,宏基站{B1,...,BM}的用户数分别是{U1,...,UM}，且对于故障宏基站B0来说，其覆盖区域下的N个小基站{b1,b2,...,bN}的用户数分别是{u1,u2,...,uN}，且那么对于小基站bi来说，其用户数为ui，设用户位置服从均匀分布。用户移动服从流体模型，小区内用户平均移动速度为vi；用户移动方向在[0,2π]之间，服从均匀分布。步骤2、业务模型与切换管理分析在蜂窝异构网络中，每个用户支持K种业务类型。业务k的平均会话持续(连接状态)时间设为μk-1，空闲状态的平均持续时间设为λk-1。那么业务的平均到达率为：用户处于空闲状态的概率PIDL和处于连接状态的概率PCON分别为：PCON＝1-PIDL每个小小区bi中共有ui个用户，用户位置服从均匀分布。用户移动服从流体模型，小区内用户平均移动速度为vi。设用户移动方向在[0,2π]之间，服从均匀分布。那么小小区bi中用户的移动交叉率Ri为：其中r为小小区的半径，简化用户密度为假设用户运动方向简化为标准的6个方向，对于相邻的两个小小区bi和bj的接壤边界，小小区bi的移动交叉率简化为小小区bj的移动交叉率简化为用户处于连接状态的概率为PCON，那么相邻的小小区bi和小小区bj之间的平均切换率可以表示为：其中,N′表示参与计算平均切换率的小基站个数，即故障宏基站覆盖区域下小基站数目、相邻宏基站与故障宏基站接壤的小基站的数目这两部分相加之和。步骤3：负载均衡指数约束用负载均衡指数来衡量宏小区间的负载均衡性能，负载均衡指数以简氏公平系数定义为：其中ρm是宏小区Bm的负载水平。假设每个处于连接状态的用户占用的控制资源量是相等的，这里以宏小区Bm内的用户数量水平来表示ρm，即：其中，PCON是用户处于连接状态的概率，Um是宏小区Bm覆盖范围内的用户数量且则简氏公平系数的参数有：使得负载均衡指数转化为：简氏公平系数的范围为表示网络的负载均衡等级，L的数值越高，说明小区的负载越均衡，当L＝1时，说明系统达到最优的均衡状态。我们将系统可接受的最小负载均衡指数设为Lmin，且那么L≥Lmin转化为：步骤4：核心网信令负载优化的宏基站选择优化通过相邻宏小区的优化选择和覆盖优化，使得核心网信令负载最小。即将具有更高平均切换率的相邻小小区分配到同一个宏小区，那么核心网的信令负载可以得到尽可能的减少。因此，优化问题转化为：s.t.C1:bimdim≤dmaxC4:L≥Lmin其中，Rij表示相邻的小小区bi和小小区bj之间的平均切换率。bim＝1表示小基站bi选择相邻宏基站Bm进行控制平面传输，否则bim＝0；bjm＝1表示小基站bi选择相邻宏基站Bm进行控制平面传输，否则bjm＝0。当bim＝1，bjm＝1，即小基站bi和小基站bj都选择相邻宏基站Bm，Rijbimbjm的切换次数将由宏基站Bm处理，并不引起核心网信令负载，因此优化目标为最大化所有接入到同一宏基站的小基站间的平均切换率。约束条件C1:dim表示小基站bi与宏基站Bm之间的距离，dmax表示系统设定的宏基站和小基站之间的最大距离。约束条件C2:根据前文中关于小基站的被接管选择的二元决策变量，{bi1,bi2,...,biM}中，只有一个变量的值为1，其余都为0，即的值为1。约束条件C3:根本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种C/U分离的5G蜂窝异构网络控制平面优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立宏基站故障模型系统正常工作状态下，有(M+1)个宏基站负责控制平面传输，表示为{B0,B1,...,BM}，每个宏小区的覆盖区域下有N个小基站负责用户平面传输，系统中的用户和其对应的宏基站、小基站形成双连接组网方式；步骤2、业务模型与切换管理分析在蜂窝异构网络中，每个用户支持K种业务类型，业务k的平均会话持续时间设为μk‑1，空闲状态的平均持续时间设为λk‑1，那么业务的平均到达率为：

【技术特征摘要】
1.一种C/U分离的5G蜂窝异构网络控制平面优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立宏基站故障模型系统正常工作状态下，有(M+1)个宏基站负责控制平面传输，表示为{B0,B1,...,BM}，每个宏小区的覆盖区域下有N个小基站负责用户平面传输，系统中的用户和其对应的宏基站、小基站形成双连接组网方式；步骤2、业务模型与切换管理分析在蜂窝异构网络中，每个用户支持K种业务类型，业务k的平均会话持续时间设为μk-1，空闲状态的平均持续时间设为λk-1，那么业务的平均到达率为：用户处于空闲状态的概率PIDL和处于连接状态的概率PCON分别为：PCON＝1-PIDL每个小小区bi中共有ui个用户，用户位置服从均匀分布，用户移动服从流体模型，小区内用户平均移动速度为vi，设用户移动方向在[0,2π]之间，服从均匀分布，那么小小区bi中用户的移动交叉率Ri为：其中，r为小小区的半径，简化用户密度为假设用户运动方向简化为标准的6个方向，对于相邻的两个小小区bi和bj的接壤边界，小小区bi的移动交叉率简化为小小区bj的移动交叉率简化为用户处于连接状态的概率为PCON，那么相邻的小小区bi和小小区bj之间的平均切换率可以表示为：其中,N′表示参与计算平均切换率的小基站个数，即故障宏基站覆盖区域下小基站数目、相邻宏基站与故障宏基站接壤的小基站的数目这两部分相加之和。步骤3：负载均衡指数约束用负载均衡指数来衡量宏小区间的负载均衡性能，负载均衡指数以简氏公平系数定义为：其中，ρm是宏小区Bm的负载水平。假设每个处于连接状态的用户占用的控制资源量是相等的，这里以宏小区Bm内的用户数量水平来表示ρm，即：其中，PCON是用户处于连接状态的概率，Um是宏小区...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨睿哲，毕瑞琪，张延华，孙艳华，王朱伟，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11