5G信令网的SCP路由优化的方法和系统与流程

5g信令网的scp路由优化的方法和系统
技术领域
1.本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种5g信令网的scp路由优化的方法、系统、计算机设备以及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.信令网络是移动通信核心网的神经组织，大量重要的控制信号通过信令网络传输，保证通信网络有序安全工作，同样信令网络在5g中也具有重要的作用。3gpp在r15版本中规范了5gc(5g core 5g核心网)各网元(nf)之间的寻址方式以及信令采用通信协议,在r16版本中引入了scp网元，完成服务化接口信令的集中路由和转发，优化5gc服务通信架构，增强了5gc信令网的组网能力，简化了信令网的管理。
3.5g初期业务量不是很大，5gc中的各网元之间的信令采用网状的直连方式。随着5g业务的爆发时增长，5gc中的网元数量急剧增多，信令连接的管理和维护将会变得极为繁杂，而且应对网络信令风暴的能力较差，很容易导致网络瘫痪。scp很好解决了这个问题，将基于nrf重定向路由的直连组网架构转变为基于scp代理路由的准直连组网架构。
4.scp支持代理路由的准直连方式，通过集中路由和转发，实现了实时和集中的有效路由处理。同时，scp的代理服务发现可以帮助网元完成代理到网络存储功能(nrf)服务服务。另外，scp的消息转发和寻址支持所有服务化接口的消息转发和寻址。
5.由于新型的scp信令架构代理了所有的信令路由，因此scp具有不同与其他网元的独特的优势，通过挖掘和开发scp的路由能力，对于提高整个5gc的性能可以发挥积极的作用。
6.现有scp的功能主要集中在路由代理，通过优化scp的路由进行5gc优化具有独特的优势，主要体现在如下几点：1、scp信令代理的能力可以使得scp与所有网元具有信令链路，这个优势没有充分利用；2、scp网元通过安排不同网元之间的路由，可以在流量控制、过载保护、负载均衡、信令跟踪等方面发挥重要作用；3、scp的路由优化是实现5gc整体网络优化的一条重要途径，可以与其他网络优化相互配合和协调；4、scp因为完成大量的信令路由代理，因此scp路由优化不适合复杂度太高的“重优化”算法。
7.由于scp通过信令代理的方式同所有的网元具有连接的路由，因此路由优化可以采用“生物模仿活动”的优化类算法来实现，例如模仿蚂蚁觅食行为的蚁群优化、模仿鸟类飞行的粒子群算法和模仿蝙蝠飞行的蝙蝠算法等。本发明采用了改进的蚁群优化算法来实现scp的信令路由优化。
8.蚁群算法是一种复杂度较低的优化算法，算法模拟蚂蚁的觅食行为，在蚂蚁寻找食物的过程中不断释放被称为信息素的物质，蚂蚁的栖息地到食物源的路径越短，该路径上通过的蚂蚁的数量就越多，信息素就越强，从而指引蚂蚁的行为，该行为也被称为信息正反馈。正是由于使用了正反馈机制，蚁群优化比其他优化算法在获取次优解方面具有更好的性能。此外，该算法还具有内在的分布式结构和较强的鲁棒性等特点。蚁群优化在实际生活中得到了广泛的关注与应用，特别是蚁群优化在组合优化问题中优异的性能表现，大量
应用于多目标组合优化的问题中。


技术实现要素：

9.为了至少部分解决现有技术中存在的5g网络优化需求而完成了本发明。
10.根据本发明的一方面，提供一种5g信令网的scp路由优化的方法，包括，
11.s1、通过信令网络定期向网元发送作为查询信令的人工蚂蚁，所述人工蚂蚁具有需要查询的参数以及需要网元执行的命令，
12.其中，需要查询的参数包括针对各个网元的不同的优化目标，所述优化目标按照预设权重划分为预设个数的优化层次目标，所述优化层次目标至少包括第一层次目标q、第二层次目标d、第三层次目标(e,b)和第四层次目标c，
13.其中，所述人工蚂蚁根据不同的所述优化层次目标划分为不同类型的人工蚂蚁，第一类人工蚂蚁a1对应所述第一层次目标，第二类人工蚂蚁a2对应所述第二层次目标，第三类人工蚂蚁a3对应所述第三层次目标，第四类人工蚂蚁a4对应所述第四层次目标；
14.s2、为人工蚂蚁选择不同的网元作为源网元i和目的网元j，并随机分配从源网元i到目的网元j的路由；
15.s3、接收从目的网元j返回的人工蚂蚁，其中，所述人工蚂蚁到达目的网元j后，将路由、源网元i和目的网元j的参数按照不同的优化层次目标划分并插入到相应类型的人工蚂蚁上；
16.s4、根据返回的不同类型的人工蚂蚁收集的对应该路由的源网元i和目的网元j的数据，作为该路由的信息素更新的依据，其中，不同类型的人工蚂蚁采用不同的信息素更新策略，所述信息素更新策略包括：
17.所述第一类人工蚂蚁a1的信息素更新策略，如果所述第一层次目标低于系统设定的门限，则无论其他优化层次目标的优化结果如何，信息素的增量都为0，
18.所述第二类人工蚂蚁a2的信息素更新策略，如果所述第二层次目标低于系统设定的门限，则无论其他优化层次目标的优化结果如何，信息素的增量都为0，并且如果所述第二层次目标高于系统设定的门限，则对所述第二层次目标进行优化，
19.所述第三类人工蚂蚁a3的信息素更新策略，在确保所述第一层次目标和所述第二层次目标都高于或等于系统设定的门限的基础上，对所述第三层次目标进行优化以更新信息素，以及
20.所述第四类人工蚂蚁a4的信息素更新策略，在确保不干扰所述第一层次目标、所述第二层次目标和所述第三层次目标的基础上，对所述第四层次目标进行优化以更新信息素；
21.s5、按照更新后的路由的信息素选择从源网元i到目的网元j的路由；以及
22.s6、重复s3至s5的步骤以适应网络的动态变化。
23.可选地，路由的信息素的更新包括：
[0024][0025]
其中，ρ∈(0，1)为信息素的挥发系数，以模拟信息素随着时间逐步挥发，τ
ij
(t)和
τ
ij
(t+1)分别为在t时刻和在t时刻的下一个时刻t+1时刻从源网元i到目的网元j的路径i
→
j上的信息素总量，δτ
ij
(t)为t时刻的路径i
→
j上的信息素增量，为t时刻第k∈{1，2，...,m}类蚂蚁在路径i
→
j上留下的信息素，其中，
[0026][0027]
其中，为人工蚂蚁在源网元i和目的网元j之间的路由的对应所述第一类人工蚂蚁a1的信息素的更新值，为人工蚂蚁在源网元i和目的网元j之间的路由的对应所述第二类人工蚂蚁a2的信息素的更新值，为人工蚂蚁在源网元i和目的网元j之间的路由的对应所述第三类人工蚂蚁a3的信息素的更新值，为人工蚂蚁在源网元i和目的网元j之间的路由的对应所述第四类人工蚂蚁a4的信息素的更新值。
[0028]
可选地，所述按照更新后的路由的信息素选择从源网元i到目的网元j的路由的步骤s5包括：
[0029]
人工蚂蚁在同类网元中选择网元作为路由的概率为：
[0030][0031]
从源网元i到目的网元j的路由根据该概率进行选择，
[0032]
其中，α＝1,2,3,4，所述第一、第二、第三、第四类人工蚂蚁对信息素的喜爱程度；β为期望启发式因子，表示对信息素的喜爱程度对整体概率的影响，z为人工蚂蚁的数量，z∈{1,2,...,z}。
[0033]
可选地，所述第一类人工蚂蚁a1的信息素更新策略包括：
[0034][0035]
其中，t1为系统设定的第一层次目标q的门限指标。
[0036]
可选地，所述第二类人工蚂蚁a2的信息素更新策略包括：
[0037][0038]
其中，t2为系统设定的第二层次目标d的门限指标，m是系统设定的常数,0≤m≤1。
[0039]
可选地，所述第三类人工蚂蚁a3的信息素更新策略包括：
[0040][0041]
其中，s
ij
为人工蚂蚁经过源网元i和目的网元j之间的路由带来的第三层次目标优化的灵敏度，0≤s
ij
≤1。
[0042]
可选地，所述第四类人工蚂蚁a4的信息素更新策略包括：
[0043][0044]
其中，p为第四层次目标的变化量。
[0045]
可选地，所述第一层次目标q为运行安全参数，所述第二层次目标d为动态调度参
数，动态调度参数为感知网络变化并通过路由应对异常情况的能力，所述第三层次目标(e,b)为系统效率参数e和负载均衡参数b，并且所述第四层次目标c为设备能耗参数。
[0046]
可选地，针对与用户号码无关的路由优化，本区域内的网元之间由本地的nrf提供同类网元的不同路由的优化。
[0047]
可选地，针对涉及跨省/大区的网元之间的与用户码号相关的路由，由两个区域的nrf配合完成优化。
[0048]
可选地，对于同时部署nrf和scp，网元的注册和服务发现通过直接调用nrf完成的模式，网络状态的感知由scp完成，路由的优化在nrf中进行。
[0049]
可选地，对于同时部署nrf和scp，但是网元的注册和服务发现，以及http信令代理都是通过scp完成的模式，在scp中完成全部的路由优化功能。
[0050]
根据本发明的另一方面，提供一种5g信令网的scp路由优化系统，包括：
[0051]
查询模块，其通过信令网络定期向网元发送作为查询信令的人工蚂蚁，所述人工蚂蚁具有需要查询的参数以及需要网元执行的命令，其中，需要查询的参数包括针对各个网元的不同的优化目标，所述优化目标按照预设权重划分为预设个数的优化层次目标，所述优化层次目标至少包括第一层次目标q、第二层次目标d、第三层次目标(e,b)和第四层次目标c，其中，所述人工蚂蚁根据不同的所述优化层次目标划分为不同类型的人工蚂蚁，第一类人工蚂蚁a1对应所述第一层次目标，第二类人工蚂蚁a2对应所述第二层次目标，第三类人工蚂蚁a3对应所述第三层次目标，第四类人工蚂蚁a4对应所述第四层次目标；
[0052]
选择模块，其为人工蚂蚁选择不同的网元作为源网元i和目的网元j，并随机分配从源网元i到目的网元j的路由，并在信息素更新后，按照更新后的路由的信息素选择从源网元i到目的网元j的路由；
[0053]
接收模块，其接收从目的网元j返回的人工蚂蚁，其中，所述人工蚂蚁到达目的网元j后，将路由、源网元i和目的网元j的参数按照不同的优化层次目标划分并插入到相应类型的人工蚂蚁上；以及
[0054]
更新模块，其根据返回的不同类型的人工蚂蚁收集的对应该路由的源网元i和目的网元j的数据，作为该路由的信息素更新的依据，其中，不同类型的人工蚂蚁采用不同的信息素更新策略，所述信息素更新策略包括：
[0055]
所述第一类人工蚂蚁a1的信息素更新策略，如果所述第一层次目标低于系统设定的门限，则无论其他优化层次目标的优化结果如何，信息素的增量都为0，
[0056]
所述第二类人工蚂蚁a2的信息素更新策略，如果所述第二层次目标低于系统设定的门限，则无论其他优化层次目标的优化结果如何，信息素的增量都为0，并且如果所述第二层次目标高于系统设定的门限，则对所述第二层次目标进行优化，
[0057]
所述第三类人工蚂蚁a3的信息素更新策略，在确保所述第一层次目标和所述第二层次目标都高于或等于系统设定的门限的基础上，对所述第三层次目标进行优化以更新信息素，以及
[0058]
所述第四类人工蚂蚁a4的信息素更新策略，在确保不干扰所述第一层次目标、所述第二层次目标和所述第三层次目标的基础上，对所述第四层次目标进行优化以更新信息素。
[0059]
根据本发明的又一方面，提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器
中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行前述的5g信令网的scp路由优化的方法。
[0060]
根据本发明的再一方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，所述处理器执行前述的5g信令网的scp路由优化的方法。
[0061]
本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：
[0062]
本发明提供的5g信令网的scp路由优化的方法，基于5gc引入scp后的架构特点，充分利用scp的信令代理位置，通过针对5gc的架构特点和scp信令路由代理的场景，对蚁群优化算法进行了针对性的适配和改进，配合nrf进行信令路由的优化，通过优化scp的路由实现5gc整体网络的多指标优化，提高了整个5gc网络性能。
[0063]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0064]
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
[0065]
图1为本发明实施例提供的一种5g信令网的scp路由优化的方法的流程示意图；
[0066]
图2为本发明实施例提供的方法的5g信令网的不同组网模式的路由优化方式的示意图；
[0067]
图3为本发明实施例提供的方法在与用户号码无关的路由优化条件下的示意图；
[0068]
图4为本发明实施例提供的方法在与用户号码相关的路由优化条件下的示意图；
[0069]
图5为本发明实施例提供的方法在同时部署nrf和scp并且网元的注册和服务发现通过直接调用nrf完成的模式下的示意图；
[0070]
图6为本发明实施例提供的方法在同时部署nrf和scp但是网元的注册和服务发现，以及http信令代理都是通过scp完成的模式下的示意图；
[0071]
图7为本发明实施例提供的5g信令网的scp路由优化的系统的结构示意图；
[0072]
图8为本发明实施例提供的计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
[0073]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0074]
本发明实施例提供了一种5g信令网的scp路由优化的方法。
[0075]
5g信令网的scp路由优化的方法包括：针对scp在5gc中的信令代理的实际场景，结合确定的5g信令网的路由目标，对蚁群优化算法进行适配和改进，通过scp的路由选择实现确定的优化目标的动态优化，由此可以为源nf分配合适的目的nf。图1为本发明实施例提供的一种5g信令网的scp路由优化的方法的流程示意图。该方法包括以下步骤：
[0076]
步骤s1、通过信令网络定期向网元发送作为查询信令的人工蚂蚁，人工蚂蚁具有
需要查询的参数以及需要网元执行的命令；
[0077]
步骤s2、为人工蚂蚁选择不同的网元作为源网元i和目的网元j，并随机分配从源网元i到目的网元j的路由；
[0078]
步骤s3、收从目的网元j返回的人工蚂蚁；
[0079]
步骤s4、根据返回的不同类型的人工蚂蚁收集的对应该路由的源网元i和目的网元j的数据，作为该路由的信息素更新的依据；
[0080]
步骤s5、按照更新后的路由的信息素选择从源网元i到目的网元j的路由；以及
[0081]
步骤s6、重复s3至s5的步骤以适应网络的动态变化。
[0082]
在该实施例中，针对多个优化目标，采用层次法融合多目标优化问题，将指标分为多个层次。在步骤s1中，需要查询的参数包括针对各个网元的不同的优化目标，优化目标按照预设权重划分为预设个数的优化层次目标，优化层次目标至少包括第一层次目标q、第二层次目标d、第三层次目标(e,b)和第四层次目标c。人工蚂蚁根据不同的优化层次目标划分为不同类型的人工蚂蚁，第一类人工蚂蚁a1对应第一层次目标，第二类人工蚂蚁a2对应第二层次目标，第三类人工蚂蚁a3对应第三层次目标，第四类人工蚂蚁a4对应第四层次目标。
[0083]
在步骤s3中，人工蚂蚁到达目的网元j后，将路由、源网元i和目的网元j的参数按照不同的优化层次目标划分并插入到相应类型的人工蚂蚁上。
[0084]
在步骤s4中，不同类型的人工蚂蚁采用不同的信息素更新策略。
[0085]
第一类人工蚂蚁a1的信息素更新策略为：如果第一层次目标低于系统设定的门限，则无论其他优化层次目标的优化结果如何，信息素的增量都为0。在这种情况下，这样信息素只有挥发，没有增长，到这个网元的路由就逐步减少，直到网元的负荷减轻到高于系统设定的门限，此时就不对第一层次目标做进一步的优化。
[0086]
第二类人工蚂蚁a2的信息素更新策略为：如果第二层次目标低于系统设定的门限，则无论其他优化层次目标的优化结果如何，信息素的增量都为0，并且如果第二层次目标高于系统设定的门限，则对第二层次目标进行优化。
[0087]
第三类人工蚂蚁a3的信息素更新策略，在确保第一层次目标和第二层次目标都高于或等于系统设定的门限的基础上，对第三层次目标进行优化以更新信息素。由此，可以在满足第一和第二层次目标的基础上，对第三层次目标进行大幅度的优化。
[0088]
第四类人工蚂蚁a4的信息素更新策略，在确保不干扰第一层次目标、第二层次目标和第三层次目标的基础上，对第四层次目标进行优化以更新信息素。在上述第一、第二和第三层次目标的基础上，对第四层次目标可以做小幅度的优化，以免干扰前面层次目标的优化。
[0089]
在5gc的信令路由优化问题中，通过nrf和scp可以通过信令分析网络的网元的工作状态信息和网络的连接信息(例如信令请求、应答延时)，并且利用nrf和scp对网元管理的优势，利用信令网络可以在所有的网元之间发送需要的状态请求和接收应答，即采用大量定制的“查询信令”定期去各个网元，“查询信令”中带有需要查询的参数，以及需要网元执行的命令，对应的网元收到“查询信令”后，将查询参数和执行指令下载，执行指令，同时将参数对应的状态结果加载到“查询信令”中，再将“查询信令”返回nrf或者scp。nrf或者scp不断发出和回收“查询信令”，就可以动态感知所有网元的状态，通过优化算法输出各个源nf到目标nf的优化路由，提高系统的整体性能。
[0090]
由于第一、二、三、四层次目标相互关联和制约，例如，提高第一层次目标就要降低第三层次目标，因此，本公开涉及多目标优化的问题。在此基础上，本实施例基于蚁群优化、并采用路由优化的多目标融合方法，将“查询信令”虚拟成人工蚂蚁，根据目标层次对应的不同类型的“查询信令”虚拟成不同类型的人工蚂蚁编码为a1、a2、a3、a4四种类型的人工蚂蚁，分别对应第一、二、三、四层次目标，对于不同类型的人工蚂蚁采用不同的信息素更新策略。
[0091]
在一些实施例中，路由的信息素的更新包括：
[0092][0093]
在式1中，ρ∈(0，1)为信息素的挥发系数，以模拟信息素随着时间逐步挥发，τ
ij
(t)和τ
ij
(t+1)分别为在t时刻和在t时刻的下一个时刻t+1时刻从源网元i到目的网元j的路径i
→
j上的信息素总量，δτ
ij
(t)为t时刻的路径i
→
j上的信息素增量，为t时刻第k∈{1，2，...,m}类蚂蚁在路径i
→
j上留下的信息素。
[0094][0095]
在式2中，为人工蚂蚁在源网元i和目的网元j之间的路由的对应第一类人工蚂蚁a1的信息素的更新值，为人工蚂蚁在源网元i和目的网元j之间的路由的对应第二类人工蚂蚁a2的信息素的更新值，为人工蚂蚁在源网元i和目的网元j之间的路由的对应第三类人工蚂蚁a3的信息素的更新值，为人工蚂蚁在源网元i和目的网元j之间的路由的对应第四类人工蚂蚁a4的信息素的更新值。
[0096]
在一些实施例中，步骤s5包括：从源网元i到目的网元j的路由根据人工蚂蚁在同类网元中选择网元作为路由的概率进行选择，该概率为：
[0097][0098]
在式3中，α＝1,2,3,4，第一、第二、第三、第四类人工蚂蚁对信息素的喜爱程度。例如，可以设置第一类蚂蚁a1对信息素不是太喜爱，这样第一类蚂蚁a1可以尽量去更多的网元对第一层次目标进行测试，设置第三类人工蚂蚁对信息素非常喜爱，这样可以在尽量短时间内获得优化的路由。β为期望启发式因子，表示对信息素的喜爱程度对整体概率的影响，z为人工蚂蚁的数量，z∈{1,2,...,z}。换句话说，在人工蚂蚁选择不同路由的概率中，设置了不同人工蚂蚁类型对信息素的喜爱程度的参数，可以调整历史数据对不同类型目标人工蚂蚁的影响程度。
[0099]
在一些实施例中，第一类人工蚂蚁a1的信息素更新策略包括：
[0100][0101]
在式4中，t1为系统设定的第一层次目标q的门限指标。
[0102]
在一些实施例中，第二类人工蚂蚁a2的信息素更新策略包括：
[0103][0104]
在式5中，t2为系统设定的第二层次目标d的门限指标，m是系统设定的常数,0≤m≤1。
[0105]
在一些实施例中，第三类人工蚂蚁a3的信息素更新策略包括：
[0106][0107]
在式6中，s
ij
为人工蚂蚁经过源网元i和目的网元j之间的路由带来的第三层次目标优化的灵敏度，0≤s
ij
≤1。例如，一条测试路由到一台个udm带来的区域内udm的pool效率的影响为s
ij
＝0.005，到另外一台udm的s
ij
＝0.0001。
[0108]
在一些实施例中，第四类人工蚂蚁a4的信息素更新策略包括：
[0109][0110]
在式7中，p为第四层次目标的变化量。
[0111]
在一些实施例中，p为网元独立完成任务的能耗，n*p是路由到网元后增加的能耗，
[0112]
在一些实施例中，第一层次目标q为运行安全参数，其必须保证达到设定的门限要求。运行安全参数的优化目标为保证5gc的运行安全，通过合理的路由构筑满足不同安全运行要求的主备用方式，以及控制每个网元设备工作在合适的负载区间以抵抗动态变化的信令流量，提高系统的瞬时安全性。
[0113]
在一些实施例中，第二层次目标d为动态调度参数，动态调度参数为感知网络变化并通过路由应对异常情况的能力，其满足一定指标下适度进行优化。例如，对于突发的信令，通过路由临时将信令调度到备用网元设备应对信令风暴的反应和处理延时。
[0114]
在一些实施例中，第三层次目标(e,b)为系统效率参数e和负载均衡参数b，是主要的优化目标。系统效率参数e的优化目标为通过合理的路由，用尽量少的设备处理现有业务，以充分利用现有网元设备。负载均衡参数b的优化目标为对5gc的所有网元实现负载的均衡路由，提高5gc的业务处理能力。例如，采用pool的工作方式的udm(对于相同supi号码段，多个udm同时工作)中udm的负载均衡分配。
[0115]
第四层次目标c为设备能耗参数，在保证系统安全和正常工作的前提下，对设备能耗进行优化。设备能耗参数的优化目标为通过合理的路由，随处理业务的变化动态调整使用的网元设备运行数量，以最低能耗处理当前业务。
[0116]
在一些实施例中，5gc中的通过nrf和scp的信令路由优化的方法可以总结为如下步骤：通过nrf和scp定期发送一定数量的不同类型的“查询信令”作为人工蚂蚁；nrf和scp为人工蚂蚁选择不同的网元作为源和目的网元，并随机分配从源网元到目的网元的路由；人工蚂蚁到达目的网元后，将路由的状态(例如延时)和源网元和目的网元的工作状态插入作为“查询信令”的人工蚂蚁上，返回nrf和scp；nrf和scp根据返回的人工蚂蚁收集的对应该路由的源和目的网元的数据，作为该路由信息素更新的依据，更新该路由的信息素；下一个时刻的人工蚂蚁，nrf和scp不再随机选择路由，而是根据(式4)选择上一个时刻的路由；
重复上述过程，不断对不同网元之间的路由进行动态优化。
[0117]
5g信令网的scp路由优化的方法还包括：设计5g信令网的不同组网模式的路由优化方式，确定5g信令网的路由目标，以作为上述设计优化方法的基础。
[0118]
3gpp定义5g网络系统(5gs)包括5g接入网(5g nr)和5g核心网(5gc)两大部分。5g网络架构分为nsa(non-standalone非独立组网)和sa(standalone独立组网)两种模式。其中，nsa模式的核心网为4g的epc的升级(epc+)，sa模式采用全新的基于服务化的网络架构，重新定义了各网络功能实体(nf)。3gpp在r15版本提出了5g核心网(5g core 5gc)的系统架构，采用sba(service-based architecture)架构，每个网元(nf)之间采用全新的服务化接口，基于http2.0协议的信令进行通信，任意网元之间可以直接互访，如图2所示。本实施例针对5g的sa模式。
[0119]
3gpp在r15版本提出了5gc的系统架构，并引入网元nrf(network repository function，网络仓储功能)，支持以下功能：支持服务发现功能，从nf实例接收nf发现请求，并将发现的nf实例(被发现)的信息提供给nf实例；维护可用nf实例及其支持的服务的nf配置文件。网元的能力注册和服务发现，以及数据配置和路由查询都通过nrf完成，因此不同网元之间的路由优化在nrf中可以完成。
[0120]
在一些实施例中，针对与用户号码无关的路由优化，本区域内的网元之间由本地的nrf提供同类网元的不同路由的优化。例如，如图3所示，在amf选择smf路由的情况下，smf启动时向nrf注册，nrf存储smf的地址。某个amf(例如amf-2)发起ue的ip地址管理服务，到nrf发现smf，nrf收到服务发现请求后，查询smf列表信息(例如smf-1到smf-n)，根据最优化算法，将{1,2...,n}中选定的smf返回给申请的amf。
[0121]
在一些实施例中，针对与用户码号相关的路由优化，主要涉及跨省/大区的网元之间的与用户码号相关的路由，由两个区域的nrf配合完成优化。例如，如图4所示，amf选择udm路由的情况，在跨区域的情况下，nf register允许将nrf信息注册到另一个nrf中(例如nrf-b注册到nrf-a中)用于转发或重定向服务发现请求。区域a的某个amf(例如amf-a2)发起用户注册，到nrf-a中发现udm，nrf-a将申请转发到nrf-b，nrf-b查询udm列表信息(例如udm-b1到udm-bn)，根据最优化算法，将{b1,b2...,bn}中选定的udm返回给申请的amf-a2。3gpp在r16版本中引入了网元scp(service communication proxy),用于5gc(sa)内的http消息的转接代理，以简化网元的信令路由和网络组织。在附录e中给出了4种组网参考模式(模式a-模式d)，其中模式c和模式d基于scp的代理模式。
[0122]
在一些实施例中，对于同时部署nrf和scp，网元的注册和服务发现通过直接调用nrf完成的模式(模式c)，网络状态的感知由scp完成，路由的优化在nrf中进行。例如，如图5所示，源nf和目标nf之间的路由优化过程是源nf向nrf请求目标nf的地址，nrf根据同类功能的目标nf的列表选择优化后的目标nf的地址，然后将优化后的目标nf的nf profile发送给源nf。源nf将目标nf的地址添加到http信令请求消息中发送给scp,scp选择一条到达目标nf的路由，将http信令请求消息转发给目标nf,目标nf向源nf返回的http信令响应消息先发送给scp,scp再将http信令响应消息转发给源nf。由于scp转发了所有网元的信令，所以通过分析转发的信令，可以获得全网的工作状态和所有网元及其之间链路的状态信息，相比提取所有的nf状态数据，scp中感知网络状态的能力更为高效。所以模式c中网络状态的感知由scp完成，路由的优化在nrf中进行。
[0123]
在一些实施例中，对于同时部署nrf和scp，但是网元的注册和服务发现，以及http信令代理都是通过scp完成的模式(模式d)，在scp中完成全部的路由优化功能。例如，如图6所示，由于scp通过nrf可以获得所有的网元的地址列表，同时scp又具有网络状态的感知能力，因此在scp中完成全部的路由优化功能。
[0124]
基于相同的技术构思，本发明实施例相应还提供5g信令网的scp路由优化系统的系统7，如图7所示，包括查询模块71、选择模块72接收模块73和更新模块74。
[0125]
查询模块71通过信令网络定期向网元发送作为查询信令的人工蚂蚁，人工蚂蚁具有需要查询的参数以及需要网元执行的命令，其中，需要查询的参数包括针对各个网元的不同的优化目标，优化目标按照预设权重划分为预设个数的优化层次目标，优化层次目标至少包括第一层次目标q、第二层次目标d、第三层次目标(e,b)和第四层次目标c。人工蚂蚁根据不同的优化层次目标划分为不同类型的人工蚂蚁，第一类人工蚂蚁a1对应第一层次目标，第二类人工蚂蚁a2对应第二层次目标，第三类人工蚂蚁a3对应第三层次目标，第四类人工蚂蚁a4对应第四层次目标。
[0126]
选择模块72为人工蚂蚁选择不同的网元作为源网元i和目的网元j，并随机分配从源网元i到目的网元j的路由。在信息素更新后，按照更新后的路由的信息素选择从源网元i到目的网元j的路由。
[0127]
接收模块73接收从目的网元j返回的人工蚂蚁，其中，人工蚂蚁到达目的网元j后，将路由、源网元i和目的网元j的参数按照不同的优化层次目标划分并插入到相应类型的人工蚂蚁上。
[0128]
更新模块74根据返回的不同类型的人工蚂蚁收集的对应该路由的源网元i和目的网元j的数据，作为该路由的信息素更新的依据，其中，不同类型的人工蚂蚁采用不同的信息素更新策略，信息素更新策略包括：第一类人工蚂蚁a1的信息素更新策略，如果第一层次目标低于系统设定的门限，则无论其他优化层次目标的优化结果如何，信息素的增量都为0；第二类人工蚂蚁a2的信息素更新策略，如果第二层次目标低于系统设定的门限，则无论其他优化层次目标的优化结果如何，信息素的增量都为0，并且如果第二层次目标高于系统设定的门限，则对第二层次目标进行优化；第三类人工蚂蚁a3的信息素更新策略，在确保第一层次目标和第二层次目标都高于或等于系统设定的门限的基础上，对第三层次目标进行优化以更新信息素；以及第四类人工蚂蚁a4的信息素更新策略，在确保不干扰第一层次目标、第二层次目标和第三层次目标的基础上，对第四层次目标进行优化以更新信息素。
[0129]
在信息素更新后，选择模块72按照更新后的路由的信息素选择从源网元i到目的网元j的路由。
[0130]
基于相同的技术构思，本发明实施例相应还提供一种计算机设备，如图8所示，计算机设备80包括存储器81和处理器82，存储器81中存储有计算机程序，当处理器82运行存储器81存储的计算机程序时，处理器82执行前述5g信令网的scp路由优化的方法。
[0131]
基于相同的技术构思，本发明实施例相应还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，处理器执行前述通过5g信令网的scp路由优化的方法。
[0132]
综上所述，本发明提供的5g信令网的scp路由优化的方法，基于5gc引入scp后的架构特点，充分利用scp的信令代理位置，通过针对5gc的架构特点和scp信令路由代理的场
景，对蚁群优化算法进行了针对性的适配和改进，配合nrf进行信令路由的优化，通过优化scp的路由实现5gc整体网络的多指标优化，提高了整个5gc网络性能。
[0133]
本领域普通技术人员可以理解，nrf(network repository function：网络仓储功能)网元的主要功能是：支持服务发现功能；接收来自nf或scp(service communication proxy：服务通信代理)的nf发现请求，并向nf实例或scp提供相关的nf实例信息；支持p-cscf发现(smf发现af的特例)；维护可用nf实例(及其支持服务)的nf配置文件；维护可用scp实例的scp配置文件；支持通过scp实例发现scp；向订阅nf服务的消费者或scp通知新注册/更新/注销的nf和scp实例(及其提供的服务)；维护nfs和scp的健康状态。在网络切片场景下，基于网络实现，可以部署多个不同级别的nrf。
[0134]
本领域普通技术人员可以理解，nrf中的nf实例的配置文件(nf profile)是nrf中维护的重要信息，可以包括：nf实例id、nf型、plmn id、网络片相关标识符、nf的fqdn或ip地址、nf容量信息、nf优先级信息、nf集合id、nf实例的nf服务集id、nf特定的服务授权信息、支持服务的名称、每个支持服务实例的端点地址、存储数据/信息的标识、其他服务参数、nf实例的位置信息、跟踪区tai-nf负载信息、udm和ausf的路由指示、amf的一个或多个guami、upf的smf区域标识、udm组id、supi范围、gpsi范围、udm内部组标识范围、udm外部组标识范围、udr组id、supi范围、gpsi范围、udr外部组标识范围、ausf组id、ausf supi范围、pcf组id、pcf supi范围、、hss组id、impi集、impu集、imsi集、psi集、hss msisdn集、nwdaf支持的分析id、服务区域信息、nef下af支持的事件id、nef下af支持的应用id、nef下外部标识的范围，或外部组标识的范围，或nef可服务的域名。
[0135]
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
[0136]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种5g信令网的scp路由优化的方法，包括，s1、通过信令网络定期向网元发送作为查询信令的人工蚂蚁，所述人工蚂蚁具有需要查询的参数以及需要网元执行的命令，其中，需要查询的参数包括针对各个网元的不同的优化目标，所述优化目标按照预设权重划分为预设个数的优化层次目标，所述优化层次目标至少包括第一层次目标q、第二层次目标d、第三层次目标(e,b)和第四层次目标c，其中，所述人工蚂蚁根据不同的所述优化层次目标划分为不同类型的人工蚂蚁，第一类人工蚂蚁a1对应所述第一层次目标，第二类人工蚂蚁a2对应所述第二层次目标，第三类人工蚂蚁a3对应所述第三层次目标，第四类人工蚂蚁a4对应所述第四层次目标；s2、为人工蚂蚁选择不同的网元作为源网元i和目的网元j，并随机分配从源网元i到目的网元j的路由；s3、接收从目的网元j返回的人工蚂蚁，其中，所述人工蚂蚁到达目的网元j后，将路由、源网元i和目的网元j的参数按照不同的优化层次目标划分并插入到相应类型的人工蚂蚁上；s4、根据返回的不同类型的人工蚂蚁收集的对应该路由的源网元i和目的网元j的数据，作为该路由的信息素更新的依据，其中，不同类型的人工蚂蚁采用不同的信息素更新策略，所述信息素更新策略包括：所述第一类人工蚂蚁a1的信息素更新策略，如果所述第一层次目标低于系统设定的门限，则无论其他优化层次目标的优化结果如何，信息素的增量都为0，所述第二类人工蚂蚁a2的信息素更新策略，如果所述第二层次目标低于系统设定的门限，则无论其他优化层次目标的优化结果如何，信息素的增量都为0，并且如果所述第二层次目标高于系统设定的门限，则对所述第二层次目标进行优化，所述第三类人工蚂蚁a3的信息素更新策略，在确保所述第一层次目标和所述第二层次目标都高于或等于系统设定的门限的基础上，对所述第三层次目标进行优化以更新信息素，以及所述第四类人工蚂蚁a4的信息素更新策略，在确保不干扰所述第一层次目标、所述第二层次目标和所述第三层次目标的基础上，对所述第四层次目标进行优化以更新信息素；s5、按照更新后的路由的信息素选择从源网元i到目的网元j的路由；以及s6、重复s3至s5的步骤以适应网络的动态变化。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于,路由的信息素的更新包括：其中，ρ∈(0，1)为信息素的挥发系数，以模拟信息素随着时间逐步挥发，τ
ij
(t)和τ
ij
(t+1)分别为在t时刻和在t时刻的下一个时刻t+1时刻从源网元i到目的网元j的路径i
→
j上的信息素总量，δτ
ij
(t)为t时刻的路径i
→
j上的信息素增量，为t时刻第k∈{1，2，...,m}类蚂蚁在路径i
→
j上留下的信息素，其中，
其中，为人工蚂蚁在源网元i和目的网元j之间的路由的对应所述第一类人工蚂蚁a1的信息素的更新值，为人工蚂蚁在源网元i和目的网元j之间的路由的对应所述第二类人工蚂蚁a2的信息素的更新值，为人工蚂蚁在源网元i和目的网元j之间的路由的对应所述第三类人工蚂蚁a3的信息素的更新值，为人工蚂蚁在源网元i和目的网元j之间的路由的对应所述第四类人工蚂蚁a4的信息素的更新值。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于,所述按照更新后的路由的信息素选择从源网元i到目的网元j的路由的步骤s5包括：人工蚂蚁在同类网元中选择网元作为路由的概率为：从源网元i到目的网元j的路由根据该概率进行选择，其中，所述第一、第二、第三、第四类人工蚂蚁对信息素的喜爱程度；β为期望启发式因子，表示对信息素的喜爱程度对整体概率的影响，z为人工蚂蚁的数量，z∈{1,2,...,z}。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于,所述第一类人工蚂蚁a1的信息素更新策略包括：其中，t1为系统设定的第一层次目标q的门限指标。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于,所述第二类人工蚂蚁a2的信息素更新策略包括：其中，t2为系统设定的第二层次目标d的门限指标，m是系统设定的常数,0≤m≤1。6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于,所述第三类人工蚂蚁a3的信息素更新策略包括：其中，s
ij
为人工蚂蚁经过源网元i和目的网元j之间的路由带来的第三层次目标优化的灵敏度，0≤s
ij
≤1。7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于,所述第四类人工蚂蚁a4的信息素更新策略包括：其中，p为第四层次目标的变化量。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于,所述第一层次目标q为运行安全参数，所述第二层次目标d为动态调度参数，动态调度
参数为感知网络变化并通过路由应对异常情况的能力，所述第三层次目标(e,b)为系统效率参数e和负载均衡参数b，并且所述第四层次目标c为设备能耗参数。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于,针对与用户号码无关的路由优化，本区域内的网元之间由本地的nrf提供同类网元的不同路由的优化。10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于,针对涉及跨省/大区的网元之间的与用户码号相关的路由，由两个区域的nrf配合完成优化。11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于,对于同时部署nrf和scp，网元的注册和服务发现通过直接调用nrf完成的模式，网络状态的感知由scp完成，路由的优化在nrf中进行。12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于,对于同时部署nrf和scp，但是网元的注册和服务发现，以及http信令代理都是通过scp完成的模式，在scp中完成全部的路由优化功能。13.一种5g信令网的scp路由优化系统，其特征在于，包括：查询模块，其通过信令网络定期向网元发送作为查询信令的人工蚂蚁，所述人工蚂蚁具有需要查询的参数以及需要网元执行的命令，其中，需要查询的参数包括针对各个网元的不同的优化目标，所述优化目标按照预设权重划分为预设个数的优化层次目标，所述优化层次目标至少包括第一层次目标q、第二层次目标d、第三层次目标(e,b)和第四层次目标c，其中，所述人工蚂蚁根据不同的所述优化层次目标划分为不同类型的人工蚂蚁，第一类人工蚂蚁a1对应所述第一层次目标，第二类人工蚂蚁a2对应所述第二层次目标，第三类人工蚂蚁a3对应所述第三层次目标，第四类人工蚂蚁a4对应所述第四层次目标；选择模块，其为人工蚂蚁选择不同的网元作为源网元i和目的网元j，并随机分配从源网元i到目的网元j的路由，并在信息素更新后，按照更新后的路由的信息素选择从源网元i到目的网元j的路由；接收模块，其接收从目的网元j返回的人工蚂蚁，其中，所述人工蚂蚁到达目的网元j后，将路由、源网元i和目的网元j的参数按照不同的优化层次目标划分并插入到相应类型的人工蚂蚁上；以及更新模块，其根据返回的不同类型的人工蚂蚁收集的对应该路由的源网元i和目的网元j的数据，作为该路由的信息素更新的依据，其中，不同类型的人工蚂蚁采用不同的信息素更新策略，所述信息素更新策略包括：所述第一类人工蚂蚁a1的信息素更新策略，如果所述第一层次目标低于系统设定的门限，则无论其他优化层次目标的优化结果如何，信息素的增量都为0，所述第二类人工蚂蚁a2的信息素更新策略，如果所述第二层次目标低于系统设定的门限，则无论其他优化层次目标的优化结果如何，信息素的增量都为0，并且如果所述第二层次目标高于系统设定的门限，则对所述第二层次目标进行优化，所述第三类人工蚂蚁a3的信息素更新策略，在确保所述第一层次目标和所述第二层次目标都高于或等于系统设定的门限的基础上，对所述第三层次目标进行优化以更新信息素，以及
所述第四类人工蚂蚁a4的信息素更新策略，在确保不干扰所述第一层次目标、所述第二层次目标和所述第三层次目标的基础上，对所述第四层次目标进行优化以更新信息素。14.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行根据权利要求1至12中任一项所述的5g信令网的scp路由优化的方法。15.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，所述处理器执行根据权利要求1至2中任一项所述的5g信令网的scp路由优化的方法。

技术总结
本发明提供一种5G信令网的SCP路由优化的方法，包括通过信令网络定期向网元发送作为查询信令的人工蚂蚁，人工蚂蚁具有需要查询的参数以及需要网元执行的命令；为人工蚂蚁选择不同的网元作为源网元i和目的网元j，并随机分配从源网元i到目的网元j的路由；接收从目的网元j返回的人工蚂蚁；根据返回的不同类型的人工蚂蚁收集的对应该路由的源网元i和目的网元j的数据，作为该路由的信息素更新的依据；按照更新后的路由的信息素选择从源网元i到目的网元j的路由。元j的路由。元j的路由。


技术研发人员：李希金 安岗 赵文东
受保护的技术使用者：中国联合网络通信集团有限公司
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/8/28