CN112261667A - 一种基于边缘计算的fiwi网络媒体接入控制***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于边缘计算的FIWI网络媒体接入控制***及方法,属于通信技术领域。该***包括TDM‑PON光网络、无线接入***以及边缘计算服务器,其中TDM‑PON光网络和无线接入***集成为新的无线接入节点,边缘计算服务器与集成的无线接入节点相连,处理时延要求高的数据。该方法根据流量类型同时采用静态带宽分配和动态带宽分配方式,采用最大最小带宽分配算法为个接入节点分配带宽资源,实现各接入节点间数据的有序通信。本发明能够提高FIWI网络的时延、丢包率等性能。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域,涉及一种基于边缘计算的FIWI网络媒体接入控制***及方法。
背景技术
随着各种智能设备、物联网和新兴的5G应用的出现,各种高带宽消耗的多媒体应用呈现***性增长趋势,无线接入网的速率也需要大幅的提升。为了满足网络边缘越来越多的延迟敏感应用程序的严格服务质量要求,边缘计算(Edge Computing)应运而生,它需要与现有网络基础设施相集成以增强存储、处理和缓存能力,实现网络边缘数据的及时处理。光网络技术具有的传输距离远、高容量和高可靠性等特性使得其成为最合适的远距离回传网络技术,但它部署困难、成本高,无法实现与所有终端用户直连。WLAN具有布点灵活,低成本的优点,适合提供无处不在的移动宽带接入,其带宽和速率也在不断提升,但它面临传输距离较短,易受干扰,传输可靠性不高等问题。
光纤网络和无线接入技术结合的混合宽带接入网络被称为FIWI(Fiber WirelessBroadband Access,FiWi)网络。它既有光纤网络的高带宽和高可靠性,又能提供高速、灵活、移动的无线接入能力,是应用于边缘计算的一个可行网络技术。FIWI网络由前端的无线接入网和后端的光纤接入网两部分组成,不同的光纤技术和无线接入技术组合构成了不同类型的FIWI网络。以基于TDM-PON的FIWI网络为例,其中ONU和与其相连的AP(AccessPoint)通常集成为一个部件,即ONU-AP。在下行流方向,OLT通过1:N的分光器将分组传送到各个ONU节点,属于点到多点结构;在上行流方向,无线端的数据通过光网络单元(OpticalNetwork Unit,ONU)后到达光线路终端(Optical Line Terminal,OLT),属于点到点结构,各个ONU间不能进行直接通信。FIWI网络虽然具有光网络和无线接入网的优点,但由于FIWI网络上行带宽的限制以及业务负载的突发性、不稳定性无法保障数据在光域和无线域间的高效通信和整个网络的性能,因此有效合理的带宽分配过程是至关重要的。目前的FIWI网络中的带宽分配机制主要存在以下几个问题:
带宽分配公平性保证:在具有多种QoS需求业务的场景中,带宽资源应保证各个业务内的公平分配,实现业务所获得的带宽资源和业务的权值相匹配。静态带宽分配算法不能充分利用负载较小的ONU的带宽,使其他ONU传输时延不断增大,导致网络吞吐量逐渐减小。动态带宽分配算法中OLT通过ONU请求动态调整权值并授权其带宽值进行数据传输,若不考虑各无线用户实际带宽分配需求,无法实现带宽资源分配的公平性,造成带宽的浪费。因此需要一种合理的带宽分配机制,保证带宽分配时的公平性。
业务QoS需求保证:按照分配的时隙带宽,各种业务的分组进入ONU-AP节点的队列进行排队,然而传统的先到先服务模型无法保证各种业务的QoS需求。无线用户侧接入的数据按照优先级高低一般分为加速转发(Expedited Forwarding,EF)业务,确保转发(Assured Forwarding,AF)和尽力而为(Best Effort,BE)三种。其中EF业务对时延和抖动要求最为敏感,具有最高优先级,如何保证其及时转发和处理以及避免与其他业务流量的时隙冲突是一个重要的问题。
负载均衡的考虑:当某个WLAN区域的上行业务流量较大时,会造成链路的拥塞和分组丢包数量的增加,而某个WLAN区域的上行流量较小时,带宽资源又没有得到充分利用,从而都降低FIWI网络的相关性能。负载均衡不仅可以有效地提升用户的服务质量,还可以降低ONU-AP对最大带宽资源的需求,提高***性能并降低成本。考虑到不同业务的优先级,负载均衡策略不仅相同且需要在各个ONU-AP节点间频繁地交换信息,增加了设备的控制复杂度。
因此,需要一个合理的负载均衡策略,提升网络的相关性能,同时降低设备控制复杂度。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种基于边缘计算的FIWI网络媒体接入控制***及方法,提高FIWI网络的时延、丢包率等性能。
为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种基于边缘计算的FIWI(Fiber Wireless Broadband Access,FiWi)网络媒体接入控制***,包括TDM-PON光网络、无线接入***以及边缘计算(Mobile EdgeComputing,MEC)服务器,其中TDM-PON光网络和无线接入***集成为新的无线接入节点,边缘计算服务器与集成的无线接入节点相连,处理时延要求高的数据。
该***采用蜂窝和WIFI技术,控制方法为:无线接入节点对流量进行分析和识别并向光线路终端发送请求消息;光线路终端收集各个无线接入节点的请求消息后根据其需求和边缘计算服务器部署信息分配网络资源;无线接入节点使用网络资源完成数据通信。
进一步,该***采用静态带宽分配和动态带宽分配结合的方式,区分不同优先级业务的带宽分配过程,实现带宽的差分分配;并采用最大-最小公平带宽分配算法为各无线接入节点分配网络资源。
进一步,该***的控制方法具体包括以下步骤:
步骤一:无线接入节点识别流量类型,并发送请求消息给光线路终端报告当前队列长度。
步骤二:光线路终端收集无线接入节点的请求消息,并根据无线接入节点检测识别到的流量信息,判断该流量是否为时延敏感类型流量。若流量为时延敏感流量,则转入步骤三,若流量不为时延敏感流量,则转入步骤四。
步骤三:判断无线接入节点是否部署有边缘计算节点,若无边缘计算节点,光线路终端则根据接收到的无线接入节点流量信息情况,在当前周期内根据带宽请求信息分配固定时隙给时延敏感流量进行数据传输,并在下一周期进行固定时隙分配的更新;若有边缘计算节点部署,时延敏感流量则直接卸载到边缘计算服务器无需上传到光线路终端节点进行处理。
步骤四:判断无线接入节点是否部署有边缘计算节点,若无边缘计算节点,光线路终端则根据接收到的无线接入节点流量信息情况,计算当前周期内的非时延敏感流量的请求带宽,若当前流量请求带宽小于时延敏感流时隙带宽分配剩余后的最大传输带宽,则分配授权带宽为该请求带宽大小,否则分配授权带宽为剩余最大传输带宽,并在下一周期更新最大剩余传输带宽信息;若有边缘计算节点部署,则直接卸载时延敏感流量到边缘计算服务器进行处理。
进一步,步骤一中识别流量类型时采用以下方法:无线接入节点根据流量的统计特征信息(包含字节数、分组长度均值和到达间隔均值等),与先验流量分类信息进行比对,确定流量的类型。
进一步,步骤三或四中边缘计算服务器节点的部署位置依据如下:考虑到经济效应,边缘计算服务器节点部署位置选在无线用户连入数较多(即无线用户侧流量较多)或基站流量较多的无线接入节点,因此边缘计算服务器部署跟实际网络流量环境相关。
本发明的有益效果在于:
1)本发明可以降低时延敏感流量的平均端到端时延。采用本方案对网络的平均端到端时延进行仿真分析,与现有基于最大最小带宽分配的动态带宽分配(DBA)机制和静态带宽分配(SBA)+动态带宽分配(DBA)机制相比,本发明的网络平均端到端时延更小。
2)本发明可以提高网络的负载均衡效果。采用本方案对网络的吞吐量进行仿真分析,与现有的基于最大最小带宽分配的DBA机制相比,在牺牲少量的网络吞吐量性能下,提高了整个网络的负载均衡效果,同时与现有的SBA+DBA机制相比,本发明的网络吞吐量更高。
3)本发明提高了数据传输的可靠性。使用移动边缘计算(MEC)服务器就近处理数据使链路上的数据量更少,丢包率更低,与不使用边缘计算服务器的方案相比,具有更低的分组丢包率。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述,并且在某种程度上,基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的,或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作优选的详细描述,其中:
图1为本发明采用的FIWI网络架构;
图2为面向边缘计算的FIWI网络MAC机制流程示意图;
图3为本实施例的工作状态示意图;
图4为本发明与DBA机制和SBA+DBA机制的时延敏感流的平均端到端时延结果图;
图5为本发明与DBA机制和SBA+DBA机制的非时延敏感流的平均端到端时延结果图;
图6为本发明与DBA机制和SBA+DBA机制的网络吞吐量结果图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是,以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1~图6,本发明提供了一种基于边缘计算的FIWI网络媒体接入控制***,如图1所示,包括一种基于边缘计算的FIWI网络结构,包括TDM-PON光网络、无线接入技术以及边缘计算服务器,其中TDM-PON的光纤基础设施光网络单元(Optical NetworkUnit,ONU)和蜂窝或WIFI技术集成为新的无线接入节点(ONU-AP),边缘计算服务器与集成的ONU-AP节点相连,处理时延要求高的数据;光线路终端(Optical Line Terminal,OLT)通过光纤连接各个ONU-AP节点,并根据流量需求为节点动态分配网络资源。
OLT考虑不同流量的QoS需求,采用静态带宽分配和动态带宽分配结合的媒体接入控制机制(SBA+DBA),同时在流量较多的无线接入节点处部署移动边缘计算(Mobile EdgeComputing,MEC)服务器,实现对时延需求较高的流量的就近处理。该机制(SBA+DBA+MEC)的目标是为各个终端节点公平地分配网络资源,从而避免网络发生碰撞,提高网络的吞吐量,并实现各接入节点间的负载均衡。该机制的流程如图2所示,具体包括以下步骤:
步骤1:ONU-AP节点根据流量的统计特征信息识别流量的类型,判断其是EF类流量(时延敏感流量)还是非EF类流量,随后流量缓存到无线接入节点的队列中等待调度。
步骤2:ONU-AP节点向OLT发送请求消息,请求消息中包含无线接入节点的缓存队列长度;OLT收集各个ONU-AP节点的请求消息并判断是否有边缘计算服务器相连,若有边缘计算服务器相连,则直接将EF类流量缓存到边缘计算服务器上进行处理,无需分配带宽;若无边缘计算服务器相连,则将所有流量传回OLT进行处理。
步骤3:OLT根据ONU-AP节点的流量需求运行带宽资源分配算法分配网络资源,包括根据EF流数据量运行静态带宽分配算法为其分配固定时隙,以及动态带宽分配算法为非EF流量分配网络资源。
步骤4:在带宽分配算法运行结束后,OLT向各个无线接入节点发送“授权消息”,授权消息中包含了本周期内的带宽分配结果。
步骤5:无线接入节点使用相应的网络资源在相应的时隙内完成数据间的通信,各无线接入节点在各自时隙结束后继续向OLT发送请求消息,请求消息包括该节点当前的缓存队列长度,并作为下一周期的带宽资源分配依据。
步骤6:OLT更新各无线接入节点请求消息,进行带宽分配结果的更新。
非EF流的动态带宽分配采用最大-最小公平共享带宽分配算法,通过该算法,网络资源会公平地分配给需要通信的各个无线接入节点。其中网络资源按照流量需求递增的顺序进行分配,并限制每个无线接入节点获得的资源小于等于其请求的资源,未得到满足的无线接入节点等价的分享剩下的带宽资源,因此多于其他请求已经得到满足的终端节点,提高网络资源的利用效率。
下文中将结合附图3对本发明中基于边缘计算的FIWI网络MAC机制在多个周期内的实施进行详细说明。在该实施例中,OLT通过分光器连接各个光网络基础设施ONU节点,ONU与蜂窝或WIFI无线接入技术集成为ONU-AP节点。当网络开始运行后,各无线接入节点首先对到来的流量特性进行分析,包括流量的字节大小、分组长度、到达时间间隔等特征信息,进而识别其是时延敏感的EF流还是时延不敏感的非EF流,然后将流量缓存到无线接入节点的队列中。OLT接收到来自无线接入节点的带宽请求信息后判断是否有边缘计算服务器相连,若无边缘计算服务器相连,则运行静态带宽分配算法为EF流分配固定时隙,运行最大最小动态带宽分配算法为非EF流分配带宽资源;若有边缘计算服务器相连,则为非EF流分配带宽资源,EF流直接在边缘计算服务器进行处理。接入节点在完成各时隙内的资源分配后,向OLT发送报告消息,告知该周期内的带宽分配已经结束,并发送当前自身节点的缓存队列长度信息。OLT在收到ONU-AP节点的报告消息后,更新所有节点的缓存队列长度,并重复以上的带宽分配过程。
本实例展现了多个周期内的基于边缘计算的FIWI网络MAC机制实施过程。
本发明提供的基于边缘计算的FIWI网络MAC机制中的带宽分配机制与传统的FIWI网络带宽分配机制不同。传统的FIWI网络带宽分配机制多通过各业务流量的权重因子进行动态的带宽分配,着重考虑带宽分配时的公平性,未考虑不同流量的时延需求差异特性。采用基于边缘计算的FIWI网络MAC机制,通过该机制实现各ONU-AP节点与OLT间的有序通信。本发明与传统的FIWI网络MAC机制相比,具有以下优势:
1)本发明可以降低时延敏感流量的平均端到端时延,对本发明中的带宽分配机制进行仿真和平均端到端时延的数值分析,与现有的动态带宽分配(DBA)机制相比,本发明的时延敏感流量的平均端到端时延更小。如图4所示,随着网络负载增加,DBA机制、SBA+DBA机制以及SBA+DBA+MEC机制中时延敏感流量的平均端到端时延都不断增大,但SBA+DBA+MEC机制中的时延敏感流量的平均端到端时延要更小。并且网络负载在0.6以上(即网络负载较大)时,SBA+DBA机制和SBA+DBA+MEC机制中的时延敏感流量的平均端到端时延增长速率低于DBA机制。因此本发明在时延敏感流量的时延表现上更具优势。
2)本发明可以降低非时延敏感流量的平均端到端时延,对本发明中的带宽分配机制进行仿真和平均端到端时延的数值分析,与现有的动态带宽分配(DBA)机制相比,本发明的非时延敏感流量的平均端到端时延性能也更好。如图5所示,随着网络负载增加,DBA机制、SBA+DBA机制以及SBA+DBA+MEC机制中非时延敏感流量的平均端到端时延都不断增大,但SBA+DBA+MEC机制中的时延敏感流量的平均端到端时延要更小。该发明在保证时延敏感流量时延性能的同时使非时延敏感流量的平均端到端时延性能也得到了提升。
3)本发明可以提高网络的负载均衡效果。对本发明中的带宽分配机制进行仿真和网络吞吐量的数值分析,如图6所示,与现有的DBA机制相比,SBA+DBA+MEC机制的网络吞吐量性能虽然有所下降,但提高了整个网络的负载均衡效果,同时与SBA+DBA机制相比,本发明保证了时延敏感流量的及时处理,同时其网络吞吐量也更高。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种基于边缘计算的FIWI网络媒体接入控制***,其特征在于,该***包括TDM-PON光网络、无线接入***以及边缘计算服务器,其中TDM-PON光网络和无线接入***集成为新的无线接入节点,边缘计算服务器与集成的无线接入节点相连,处理时延要求高的数据;
该***采用蜂窝和WIFI技术,控制方法为:无线接入节点对流量进行分析和识别并向光线路终端发送请求消息;光线路终端收集各个无线接入节点的请求消息后根据其需求和边缘计算服务器部署信息分配网络资源;无线接入节点使用网络资源完成数据通信。
2.根据权利要求1所述的FIWI网络媒体接入控制***,其特征在于,该***采用静态带宽分配和动态带宽分配结合的方式,并采用最大-最小公平带宽分配算法为各无线接入节点分配网络资源。
3.根据权利要求1或2所述的FIWI网络媒体接入控制***,其特征在于,该***的控制方法具体包括以下步骤:
步骤一:无线接入节点识别流量类型,并发送请求消息给光线路终端报告当前队列长度;
步骤二:光线路终端收集无线接入节点的请求消息,并根据无线接入节点检测识别到的流量信息,判断该流量是否为时延敏感流量;若流量为时延敏感流量,则转入步骤三,若流量不为时延敏感流量,则转入步骤四;
步骤三:判断无线接入节点是否部署有边缘计算节点,若无边缘计算节点,光线路终端则根据接收到的无线接入节点流量信息情况,在当前周期内根据带宽请求信息分配固定时隙给时延敏感流量进行数据传输,并在下一周期进行固定时隙分配的更新;若有边缘计算节点部署,时延敏感流量则直接卸载到边缘计算服务器无需上传到光线路终端节点进行处理;
步骤四:判断无线接入节点是否部署有边缘计算节点,若无边缘计算节点,光线路终端则根据接收到的无线接入节点流量信息情况,计算当前周期内的非时延敏感流量的请求带宽,若当前流量请求带宽小于时延敏感流时隙带宽分配剩余后的最大传输带宽,则分配授权带宽为该请求带宽大小,否则分配授权带宽为剩余最大传输带宽,并在下一周期更新最大剩余传输带宽信息;若有边缘计算节点部署,则直接卸载时延敏感流量到边缘计算服务器进行处理。
4.根据权利要求3所述的FIWI网络媒体接入控制***,其特征在于,所述步骤一中,无线接入节点识别流量类型的具体方法为:无线接入节点根据流量的统计特征信息,与先验流量分类信息进行比对,确定流量的类型。
5.根据权利要求3所述的FIWI网络媒体接入控制***,其特征在于,所述步骤三或步骤四中,边缘计算服务器节点的部署位置依据如下:边缘计算服务器节点部署位置选在无线用户连入数多或基站流量多的无线接入节点,即边缘计算服务器部署跟实际网络流量环境相关。
6.根据权利要求4所述的FIWI网络媒体接入控制***,其特征在于,所述流量的统计特征信息包括字节数、分组长度均值和到达间隔均值。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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