星地融合网络中以用户为中心的核心网架构设计
这是一篇关于卫星通信,5G核心网,DRQN,遗传算法的论文, 主要内容为随着5G技术的快速发展和成熟,越来越多的人享受到了 5G带来的高速率、低时延的体验,然而由于5G基站的覆盖范围、能耗等原因,5G只能覆盖地球上极少部分区域。相对来说,少数几颗高轨卫星网络就能够更轻易地覆盖地球绝大多数区域,为用户提供全球服务,但是其时延较高且信号受环境影响大。低轨卫星网络作为地面蜂窝网络的有效补充,其覆盖面积较大,发射成本在不断降低,带宽和时延相对于高轨卫星有较大改善,但是其移动性强,且覆盖全球需要较多数量的卫星。因此需要研究如何将地面网络和卫星网络有效结合在一起,以更低的成本实现全球覆盖的低时延网络。在上述背景下,本文综合考虑了地面网络覆盖范围小、卫星网络时延高移动速率快等特点,开展了在星地融合网络背景下的核心网架构设计、资源分配和服务迁移方面的研究。主要研究内容为:1.针对星地融合网络环境,本文提出了以用户为中心的核心网架构,并基于开源软件open5gs搭建了星地融合网络仿真平台和用户专属核心网管理平台。用户专属核心网由改进的AMF、SMF、UPF以及新增的 GPF(gNB Proxy Function)、CMF(CN Manage Function)和LUD(LocalUser Data)组成,该轻量级核心网可以快速部署、迁移和销毁。通过在边缘侧、地面云端部署为用户提供低时延的服务,通过卫星链路连接云端为用户提供了覆盖范围更广的服务;通过对用户专属核心网自动回收资源,大大降低用户在空闲时期的资源消耗。最后基于核心网管理平台验证了用户对核心网的主动选择和动态销毁功能;并使用UERANSIM模拟用户,证明了用户专属核心网相对于传统核心网能够有效降低资源消耗;最后通过与核心网云端部署、UPF下沉的方式对比,证明了用户专属核心网在地面网络和卫星网络中能够降低用户的连接时延和传输时延。2.针对星地融合网络中多用户的专属核心网资源分配问题,提出了一种基于亲缘关系改进的遗传算法,根据该算法设计了用户专属核心网的资源分配机制。该机制考虑到了链路特性和节点资源限制,并设计了默认核心网和用户友好度机制,友好度低的用户使用专属核心网的概率更大,并使用基于亲缘关系改进的遗传算法进行求解问题模型。通过仿真实验证明,基于亲缘关系的遗传算法相对于传统遗传算法在求解多用户资源分配问题中迭代速率更快,并且损失值更低;相对于随机选择算法和传统遗传算法,该算法能够降低用户的平均时延,并降低单位用户体验(Quality ofExperience,QoE)所需要的成本(Cost per QoE,CPQ)。3.针对星地融合网络中高速移动的低轨卫星环境,本文设计了基于DRQN(Deep Recurrent Q-Network)的用户专属核心网迁移方案。在低轨卫星通信环境中,链路时延和带宽会随着低轨卫星移动呈现规律性的波动,用户在不断地切换和重连过程中会产生较大的时延。本文提出的基于DRQN的核心网迁移方案利用DRQN模型来预测不同链路的时延、带宽特性并拟合不同链路的Q值,通过提前部署用户专属核心网(AMF、SMF、UPF和LUD),来减少用户切换的时延,避免频繁切换核心网。通过仿真实验证明,在星地融合网络中,基于DRQN的核心网迁移算法相对于传统的DQN算法以及贪婪算法能够降低用户在一段时间内核心网的平均切换频率以及CPQ。
5G虚拟仿真实验研究与设计
这是一篇关于教育信息化,第五代移动通信技术,虚拟仿真,实验教学,5G基站,5G核心网的论文, 主要内容为为积极响应国家对教育信息化建设的号召,同时解决高校传统移动通信实验课程中存在的实验设备落后、数量有限、成本高昂,实验形式老套、生硬、灵活性低,实验操作上用户自主性差且不能良好地体现实验中的关键环节等问题,本文通过虚拟仿真实验的形式对传统移动通信实验模式进行优化,同时引入新型的第五代移动通信技术(5th-Generation Mobile Communication Technology,5G),研究并设计“虚实结合”的信息化创新实验教学系统,主要内容如下:基于对5G虚拟仿真实验的实验化教学需求分析制定系统整体的设计方案,梳理系统的开发平台和流程,同时构建系统整体的技术架构,将系统划分为系统安装和系统调试两大模块,并分别对其技术架构和运行原理进行分析和阐述。结合5G网络的特点和实际5G工程项目的建设实施过程,详细设计了系统安装和系统调试两大模块。在系统安装模块方面,首先对5G网络覆盖区域的划分进行研究,分析总结出本系统采用的实验场景并对其进行仿真设计;其次借鉴当今主流通信设备开发商的典型5G产品,在对其工作原理、功能组成等方面进行分析的基础上,结合实验的交互需求,对本系统涉及的5G网络设备从外观、结构、接口等角度进行硬件仿真设计;最后根据不同的网络传输介质设计各实验场景之间的关联方式并进行统一定义。在系统调试模块方面,在对传统后台网络管理软件的界面特征和管理方式进行借鉴和改进的基础上,结合学生和教师的使用需求,设计主要用于管理系统安装模块物理设备的实验管理平台,同时在遵循第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project,3GPP)标准的条件下设计实验中5G基站设备与5G核心网设备之间进行对接的相关环节,主要包括对接前的设备数据配置流程与具体参数,以及对接后基于开放系统互联(Open System Interconnect,OSI)参考模型的业务逻辑判决机制。为了满足系统的数据管理、存储需求和运行需要,按照从需求分析、概念结构设计到逻辑结构设计的完整流程,详细设计了支撑系统两大模块进行交互反馈的数据库,实现了对用户实验数据的分类和统一管理。依托5G虚拟仿真实验系统开展大学城5G业务融合实验来体现本文的综合设计结果,通过场景规划、组网规划、设备安装连线、参数规划、数据配置、业务验证这一系列实验环节,完整展现5G工程项目建设与实施过程的仿真效果。
星地融合网络中以用户为中心的核心网架构设计
这是一篇关于卫星通信,5G核心网,DRQN,遗传算法的论文, 主要内容为随着5G技术的快速发展和成熟,越来越多的人享受到了 5G带来的高速率、低时延的体验,然而由于5G基站的覆盖范围、能耗等原因,5G只能覆盖地球上极少部分区域。相对来说,少数几颗高轨卫星网络就能够更轻易地覆盖地球绝大多数区域,为用户提供全球服务,但是其时延较高且信号受环境影响大。低轨卫星网络作为地面蜂窝网络的有效补充,其覆盖面积较大,发射成本在不断降低,带宽和时延相对于高轨卫星有较大改善,但是其移动性强,且覆盖全球需要较多数量的卫星。因此需要研究如何将地面网络和卫星网络有效结合在一起,以更低的成本实现全球覆盖的低时延网络。在上述背景下,本文综合考虑了地面网络覆盖范围小、卫星网络时延高移动速率快等特点,开展了在星地融合网络背景下的核心网架构设计、资源分配和服务迁移方面的研究。主要研究内容为:1.针对星地融合网络环境,本文提出了以用户为中心的核心网架构,并基于开源软件open5gs搭建了星地融合网络仿真平台和用户专属核心网管理平台。用户专属核心网由改进的AMF、SMF、UPF以及新增的 GPF(gNB Proxy Function)、CMF(CN Manage Function)和LUD(LocalUser Data)组成,该轻量级核心网可以快速部署、迁移和销毁。通过在边缘侧、地面云端部署为用户提供低时延的服务,通过卫星链路连接云端为用户提供了覆盖范围更广的服务;通过对用户专属核心网自动回收资源,大大降低用户在空闲时期的资源消耗。最后基于核心网管理平台验证了用户对核心网的主动选择和动态销毁功能;并使用UERANSIM模拟用户,证明了用户专属核心网相对于传统核心网能够有效降低资源消耗;最后通过与核心网云端部署、UPF下沉的方式对比,证明了用户专属核心网在地面网络和卫星网络中能够降低用户的连接时延和传输时延。2.针对星地融合网络中多用户的专属核心网资源分配问题,提出了一种基于亲缘关系改进的遗传算法,根据该算法设计了用户专属核心网的资源分配机制。该机制考虑到了链路特性和节点资源限制,并设计了默认核心网和用户友好度机制,友好度低的用户使用专属核心网的概率更大,并使用基于亲缘关系改进的遗传算法进行求解问题模型。通过仿真实验证明,基于亲缘关系的遗传算法相对于传统遗传算法在求解多用户资源分配问题中迭代速率更快,并且损失值更低;相对于随机选择算法和传统遗传算法,该算法能够降低用户的平均时延,并降低单位用户体验(Quality ofExperience,QoE)所需要的成本(Cost per QoE,CPQ)。3.针对星地融合网络中高速移动的低轨卫星环境,本文设计了基于DRQN(Deep Recurrent Q-Network)的用户专属核心网迁移方案。在低轨卫星通信环境中,链路时延和带宽会随着低轨卫星移动呈现规律性的波动,用户在不断地切换和重连过程中会产生较大的时延。本文提出的基于DRQN的核心网迁移方案利用DRQN模型来预测不同链路的时延、带宽特性并拟合不同链路的Q值,通过提前部署用户专属核心网(AMF、SMF、UPF和LUD),来减少用户切换的时延,避免频繁切换核心网。通过仿真实验证明,在星地融合网络中,基于DRQN的核心网迁移算法相对于传统的DQN算法以及贪婪算法能够降低用户在一段时间内核心网的平均切换频率以及CPQ。
星地融合网络中以用户为中心的核心网架构设计
这是一篇关于卫星通信,5G核心网,DRQN,遗传算法的论文, 主要内容为随着5G技术的快速发展和成熟,越来越多的人享受到了 5G带来的高速率、低时延的体验,然而由于5G基站的覆盖范围、能耗等原因,5G只能覆盖地球上极少部分区域。相对来说,少数几颗高轨卫星网络就能够更轻易地覆盖地球绝大多数区域,为用户提供全球服务,但是其时延较高且信号受环境影响大。低轨卫星网络作为地面蜂窝网络的有效补充,其覆盖面积较大,发射成本在不断降低,带宽和时延相对于高轨卫星有较大改善,但是其移动性强,且覆盖全球需要较多数量的卫星。因此需要研究如何将地面网络和卫星网络有效结合在一起,以更低的成本实现全球覆盖的低时延网络。在上述背景下,本文综合考虑了地面网络覆盖范围小、卫星网络时延高移动速率快等特点,开展了在星地融合网络背景下的核心网架构设计、资源分配和服务迁移方面的研究。主要研究内容为:1.针对星地融合网络环境,本文提出了以用户为中心的核心网架构,并基于开源软件open5gs搭建了星地融合网络仿真平台和用户专属核心网管理平台。用户专属核心网由改进的AMF、SMF、UPF以及新增的 GPF(gNB Proxy Function)、CMF(CN Manage Function)和LUD(LocalUser Data)组成,该轻量级核心网可以快速部署、迁移和销毁。通过在边缘侧、地面云端部署为用户提供低时延的服务,通过卫星链路连接云端为用户提供了覆盖范围更广的服务;通过对用户专属核心网自动回收资源,大大降低用户在空闲时期的资源消耗。最后基于核心网管理平台验证了用户对核心网的主动选择和动态销毁功能;并使用UERANSIM模拟用户,证明了用户专属核心网相对于传统核心网能够有效降低资源消耗;最后通过与核心网云端部署、UPF下沉的方式对比,证明了用户专属核心网在地面网络和卫星网络中能够降低用户的连接时延和传输时延。2.针对星地融合网络中多用户的专属核心网资源分配问题,提出了一种基于亲缘关系改进的遗传算法,根据该算法设计了用户专属核心网的资源分配机制。该机制考虑到了链路特性和节点资源限制,并设计了默认核心网和用户友好度机制,友好度低的用户使用专属核心网的概率更大,并使用基于亲缘关系改进的遗传算法进行求解问题模型。通过仿真实验证明,基于亲缘关系的遗传算法相对于传统遗传算法在求解多用户资源分配问题中迭代速率更快,并且损失值更低;相对于随机选择算法和传统遗传算法,该算法能够降低用户的平均时延,并降低单位用户体验(Quality ofExperience,QoE)所需要的成本(Cost per QoE,CPQ)。3.针对星地融合网络中高速移动的低轨卫星环境,本文设计了基于DRQN(Deep Recurrent Q-Network)的用户专属核心网迁移方案。在低轨卫星通信环境中,链路时延和带宽会随着低轨卫星移动呈现规律性的波动,用户在不断地切换和重连过程中会产生较大的时延。本文提出的基于DRQN的核心网迁移方案利用DRQN模型来预测不同链路的时延、带宽特性并拟合不同链路的Q值,通过提前部署用户专属核心网(AMF、SMF、UPF和LUD),来减少用户切换的时延,避免频繁切换核心网。通过仿真实验证明,在星地融合网络中,基于DRQN的核心网迁移算法相对于传统的DQN算法以及贪婪算法能够降低用户在一段时间内核心网的平均切换频率以及CPQ。
5G虚拟仿真实验研究与设计
这是一篇关于教育信息化,第五代移动通信技术,虚拟仿真,实验教学,5G基站,5G核心网的论文, 主要内容为为积极响应国家对教育信息化建设的号召,同时解决高校传统移动通信实验课程中存在的实验设备落后、数量有限、成本高昂,实验形式老套、生硬、灵活性低,实验操作上用户自主性差且不能良好地体现实验中的关键环节等问题,本文通过虚拟仿真实验的形式对传统移动通信实验模式进行优化,同时引入新型的第五代移动通信技术(5th-Generation Mobile Communication Technology,5G),研究并设计“虚实结合”的信息化创新实验教学系统,主要内容如下:基于对5G虚拟仿真实验的实验化教学需求分析制定系统整体的设计方案,梳理系统的开发平台和流程,同时构建系统整体的技术架构,将系统划分为系统安装和系统调试两大模块,并分别对其技术架构和运行原理进行分析和阐述。结合5G网络的特点和实际5G工程项目的建设实施过程,详细设计了系统安装和系统调试两大模块。在系统安装模块方面,首先对5G网络覆盖区域的划分进行研究,分析总结出本系统采用的实验场景并对其进行仿真设计;其次借鉴当今主流通信设备开发商的典型5G产品,在对其工作原理、功能组成等方面进行分析的基础上,结合实验的交互需求,对本系统涉及的5G网络设备从外观、结构、接口等角度进行硬件仿真设计;最后根据不同的网络传输介质设计各实验场景之间的关联方式并进行统一定义。在系统调试模块方面,在对传统后台网络管理软件的界面特征和管理方式进行借鉴和改进的基础上,结合学生和教师的使用需求,设计主要用于管理系统安装模块物理设备的实验管理平台,同时在遵循第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project,3GPP)标准的条件下设计实验中5G基站设备与5G核心网设备之间进行对接的相关环节,主要包括对接前的设备数据配置流程与具体参数,以及对接后基于开放系统互联(Open System Interconnect,OSI)参考模型的业务逻辑判决机制。为了满足系统的数据管理、存储需求和运行需要,按照从需求分析、概念结构设计到逻辑结构设计的完整流程,详细设计了支撑系统两大模块进行交互反馈的数据库,实现了对用户实验数据的分类和统一管理。依托5G虚拟仿真实验系统开展大学城5G业务融合实验来体现本文的综合设计结果,通过场景规划、组网规划、设备安装连线、参数规划、数据配置、业务验证这一系列实验环节,完整展现5G工程项目建设与实施过程的仿真效果。
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