一种基于SDWN架构的无线接入网能耗优化方法技术

本发明专利技术提供了一种基于SDWN架构的无线接入网能耗优化方法，在SDWN网络架构下应用基站节能策略。本发明专利技术设计了在SDWN环境下的基站节能策略的信令交互过程，将基站节能问题进行抽象，然后采用基于量子熵变异的量子禁忌算法来求解。本发明专利技术在求取最优解时，使用量子位来表示染色体，并通过量子旋转门实现量子位状态的更新，使得计算收敛速度明显加快，同时量子变异机制有效加强了对最优解周围区域的搜索，提高了搜索到最优解的概率。本发明专利技术根据所求取的最优解实现基站节能策略，从而实现基站在网络请求量较少的时段关闭以节约更多的能量的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及软件定义无线网络(SoftwareDefinedWirelessNetworking，简称SDWN)
，具体是一种基于SDWN架构的无线接入网能耗优化方法。
技术介绍
随着互联网时代的到来，移动互联网也迎来了爆炸性的增长。网络应用的极大丰富和网络流量的急剧增加也使整个网络产生了极大的能耗。在2011年就有超过4Million的基站被部署用来服务移动用户，而在所有网络设备的能耗中有超过60％的能耗是基站引起的，据估计这种由基站引起的高水平能耗达到了大约平均每年为25MWh。在2013年全球的移动网络在用电方面的业务费用高达220亿美元，而且这个数字还在快速的增长中。为了保障网络的鲁棒性以及优质的网络服务，运营商在建设移动网络时通常会使网络的设计承载能力大大超过网络可能的最大请求量。这就造成了在网络空闲时段会有大量的网络设备处于闲置状态，包括基站。根据网络流量的变化来调整基站的开关状态是一种有效的基站节能方法。这种动态的基站开关问题被证明为是NP-hard问题。这类问题至今未有一个有效的算法能在多项式时间复杂度内解决它，通常情况下解决该类问题需要知道系统的全局信息。现有技术中使用最多的是贪婪算法。贪婪算法拥有较快的收敛速度，但是其所得解十分容易陷入局部最优。另外限于现有网络架构无法提供实时有效的全局信息，现有的交换设备中，网络策略以软件的形式与网络设备紧密耦合，部署新的网络策略需要大范围更新网络设备中的软件。这给新策略的大范围更新和部署带来了很大的困难和极高的成本。另外，通过开关基站的方式来实现基站节能，必然会导致网络稳定性与服务质量的降低，所以如何度量QoS的损失并在算法执行过程中使其损失程度在可以接受的范围内成为策略设计过程中必须考虑的问题。SDWN是软件定义无线网络，是软件定义网络(SoftwareDefinedNetworks，简称SDN)在移动网络的发展，SDWN继承了SDN拥有的架构特点，并对原有的移动网络结构进行了SDN式的改造。与传统网络不同，它强调将原来存在于物理设备中的可编程的控制软件剥离，并将这些控制功能整合为一个控制器整体(controllerentity)。这样，原来各个层级的交换设备只在控制器的控制下承担简单的数据转发任务，而控制逻辑转移到了SDWN控制器或者SDWN控制系统(networkoperatingsystem，简记为NOS)，它们提供网络资源分配，网络视图的抽象，为网络应用提供可以控制网络流量的软件平台。这与计算机操作系统的功能类似。这样的结构能够实现更为快速的网络策略部署和更为灵活的网络流量控制。如图1所示，采用3GPPEvolvedPacketSystem的网络的结构加以改进来说明SDWN结构的功能划分，其中实线代表用户层的链接，虚线代表控制层的链接。整个网络架构从下往上依次分为为数据层、控制层和管理层。在SDWN中，底层的网络转发设备不像现有网络中的设备那样具有嵌入式的控制软件，而成为单纯的转发设备，这些网络设备不仅包含核心骨干网中的各个交换机和路由器，也包括E-UTRAN、WiFi热点以及其他的无线接入网中的各种接入点和路由器，它们都通过南向接口接受控制器的控制。SDWN控制器是一个逻辑集中的流级转发控制整体，位于控制层。虚拟机管理器提供对硬件的虚拟化，以实现不同的虚拟机能共享相同的硬件资源，这使得控制器对于资源的分配更为灵活。运行在控制器上的NOS提供了网络状态和网络拓扑的信息，进行网络资源的分配，提供了网络设备的抽象以及相关的应用接口等功能。这使得开发者在进行网络流量控制时不需要了解下层的网络设备运行的细节，方便了网络策略的快速部署。由于单个控制器的处理能力有限，可以通过东西向接口将多个分布式的控制器整合为一个整体，使其具备更强大的处理能力，以应对更大规模的、更复杂的流量控制任务。与南向接口被整合在硬件中不同，北向接口更可能是一个软件生态系统。通过北向接口，网络业务的开发者，例如运营商和服务提供者能以软件编程的形式调用各种网络资源。同时上层的网络资源管理系统可以通过控制器的北向接口全局把控整个网络的资源状态，并对资源进行统一调度。在管理层，开发者们使用编程语言抽象控制器功能的内部细节以及数据层的行为。基于这一系列的软件功能，开发者使用编程语言开发基于SDWN的网络应用，制定各种流量转发策略，在NOS上运行并通过控制器下发控制命令到底层的网络设备，以实现路由、接入控制、负载均衡、移动管理等网络管理功能。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于SDWN架构的无线接入网能耗优化方法，在SDWN网络架构下应用基站节能策略，以实现基站能够在网络请求量较少的时段关闭以节约更多的能量。本专利技术的基于SDWN架构的无线接入网能耗优化方法，在SDWN网络架构下应用基站节能策略，并采用基于量子熵变异的量子禁忌算法来求解基站节能问题。首先，设网络中的所有基站的开关状态组合用s＝{x1,x2…,xn本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于SDWN架构的无线接入网能耗优化方法，在SDWN网络架构下应用基站节能策略，其特征在于，首先，设网络中的所有基站的开关状态组合用s＝{x1,x2...,xn}来表示，xi表示基站i的开关状态，xi取值为0时表示基站开启，xi取值为1时表示基站关闭，将基站节能问题描述如下：其中，Bon是网络中所有处于开启状态的基站的集合；E(Bon)是网络中所有处于开启状态的基站的总能耗；Eb是基站b的总能耗；ρb是基站b的系统负载；是基站b的系统负载上限；n为网络中所有基站的数量；然后，通过如下步骤求解基站节能问题；步骤一，初始化，具体是：设置迭代此时t的值为0，设置禁忌表T为空；初始化当前迭代中的量子寄存器q(t)，分别表示在第t次迭代时基站i开启、关闭的量子幅，和的初始值均设为i＝1,2,…n；初始化当前迭代最优解sb和当前迭代最差解sw，sb和sw均为元素值都是1的n维向量，代表所有基站均处于开启状态；初始化历史最优解M和其能耗E(M)，M的初始值与sb相同；步骤二，执行迭代过程，直到满足迭代终止条件；第t次迭代的过程是：步骤2.1，将t自增1；步骤2.2，对q(t‑1)进行m次测量得到本次迭代的量子种群Qt；其中，m是正整数，表示在第t次迭代中第j次测量得到的基站开关组合；步骤2.3，将种群Qt中不满足负载约束条件的基站开关组合删除；计算种群Qt中剩余的每个基站开关组合的基站总能耗，从中筛选出当前最优解sb和当前最差解sw；步骤2.4，将sb和历史最优解M的基站总能耗进行比较，若E(sb)比E(M)更小，则用sb替换M；若M的节能效果优于sb，则保持M不变；步骤2.5，使用量子旋转门更新q(t)，如果和相同时，将对应的第i位量子位放到禁忌表T中，禁忌表中量子位在接下来的步骤中不使用量子旋转门更新；其中，和分别表示对应的基站开关组合中基站i的开关状态；步骤三，当达到迭代终止条件时，输出最终的历史最优解M，根据M设置网络中的基站开关状态。...

【技术特征摘要】
1.一种基于SDWN架构的无线接入网能耗优化方法，在SDWN网络架构下应用基站节能策...

【专利技术属性】
技术研发人员：王朝炜，梅吴杨，王卫东，彭宏玉，王刚，崔高峰，冯志勇，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11