CN115567910A - 一种基于5g的多运营商网络的接入及切换策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于5G的多运营商网络的接入及切换策略，接入策略包括下述步骤：以接收机作为起点，接收机用于连接运营商的电网终端以及多个运营商接入网；以运营商的电网终端作为终点，构建随机树型网络；在对应的运营商接入网的信号传输范围内生成取样点；在节点网络中，搜索与取样点最近的点，若是，则生成新节点；判断生成新节点是否连通对应的运营商接入网，若是，则判断是否达到最大搜索次数；本发明旨在提供一种基于5G的多运营商网络的接入及切换策略，在不同运营商之间灵活接入并自由切换网络的整体框架，基于快速扩展随机树算法实时监测电网终端网络，检测电网终端与5G运营商之间出现网络故障时的平滑切换策略。

Description

一种基于5G的多运营商网络的接入及切换策略

技术领域

本发明涉及5G网络通讯技术领域，尤其涉及一种基于5G的多运营商网络的接入及切换策略。

背景技术

随着国家电网规模的扩大及5G通信技术的应用，电网终端数据吞吐量及业务需求不断增加，同时，智能电网对于数据传输需求量日益增大，不仅对网络的持续稳定提出了更高的要求，而且对数据传输速率和灵活业务也有了更大的需求。目前的电网终端虽然能够支持不同运营商提供的5G服务，但是实际上都是通过双卡双待或者三卡三待的方式解决，而且电网的业务终端使用的通信模块并不是运营商定制的，基于运营商网络的选择，一张SIM卡，只能对应一个运营商的网络，想要在一张卡上实现多个运营商网络的接入，目前比较可行的是在eSIM卡中提前写入多个运营商的profile，从而使eSIM卡可以通过在不同运营商的profile间切换实现网络更换。因此在电网系统这样数据量庞大，对信息传输的实时性和稳定性都有着巨大需求的背景下，设计一种基于5G的多运营商网络接入以及切换策略迫在眉睫。本发明结合eSIM的这一技术特点，通过对不同运营商网络状况的监测，主动实现eSIM卡中profile的切换。

传统接入方式无法使终端实时接收多个运营商的5G网络，主要在于接入时的终端鉴权，而终端鉴权是与终端IMEI和SIM卡内写入的profile信息关联的。现阶段各个运营商都有着不同的接入网，并且由于网间结算方式复杂，会限制不同运营商的网络共享意愿。如果让电网终端直接承受多种运营商的5G网络信号，不仅不符合运营商的接入协议，也会造成电网终端信号负载过大等问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于5G的多运营商网络的接入及切换策略，在不同运营商之间灵活接入并自由切换网络的整体框架，基于快速扩展随机树算法实时监测电网终端网络，检测电网终端与5G运营商之间出现网络故障时的平滑切换策略。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种基于5G的多运营商网络的接入策略，包括下述步骤：

以接收机作为起点，接收机用于连接运营商的电网终端以及多个运营商接入网；以运营商的电网终端作为终点，构建随机树型网络；

在对应的运营商接入网的信号传输范围内生成取样点；

在节点网络中，搜索与取样点最近的点，若是，则生成新节点，若否，则返回生成取样点的步骤；

判断生成新节点是否连通对应的运营商接入网，若是，则判断是否达到最大搜索次数，若否，则返回生成取样点的步骤；

若达到最大搜索次数，则网络存在故障，返回以接收机作为起点的步骤，若没有达到最大搜索次数，则接通对应的运营商接入网。

优选的，所述的设接收机起点为N_int，对应的运营商接入网的终端为N_goal，取样点为N_sample，搜索步长为L，最大搜索次数为n，在节点网络中，与取样点最近的点为N₁，则生成新节点的公式为：

优选的，所述取样点包括随机点和朝向对应的运营商接入网的目标点；所述随机点和所述目标点的数量比为1：1。

优选的，生成新节点的步骤中，还包括设定约束条件，判断新节点的信号传输是否畅通，具体包括下述步骤：

设定约束条件：|N_sample-N_goal|≤ε；

其中ε为最小误差，即从对应的运营商接入网出发的快速扩展随机树末端的新节点距离接收机的信号传输范围的最小距离；

若|N_sample-N_goal|≤ε成立，则跳出循环，发出对应的运营商接入网网络正常传输的信号给接收机；

若|N_sample-N_goal|≤ε不成立，则表示传输数据产生波动，发出对应的运营商接入网出现故障的信号给接收机。

一种基于5G的多运营商网络的切换策略，采用上述的基于5G的多运营商网络的接入策略，采用卡尔曼滤波预测算法，对接入接收机的运营商接入网进行实时监测并切换，包括下述步骤：

构建预测模型，系统的状态矩阵和观测矩阵；

系统进行滤波初始化；

通过系统的状态矩阵，计算当前状态的5G信号传输先验估计值，通过下一时刻迭代计算得到当前的5G信号状态值；

对预测过程进行计算，同时进行5G信号校正，根据系统的观测矩阵获得健康状态估计值，并将健康状态估计值反馈至时间状态方程，实现系统当前状态值的后验估计；

向接收机发送系统的测量结果。

优选的，计算步骤具体包括：

系统的状态矩阵：X_t＝FX_t-1+Βu_t+Γw_t；

系统的观测矩阵：Z_t＝ΗX_t+v_t；

计算健康状态估计值，即在时刻t，系统状态向量的预测值：

计算在时刻t，误差协方差矩阵的预测值：

计算5G信号状态估计误差的协方差矩阵：

P_t＝(I-K_tH)P_t ^-；

其中：X_t为时刻t的系统状态矩阵；X_t-1为时刻t-1的系统状态矩阵；F为系统的状态转移矩阵；B为控制输入矩阵；u_t为系统控制量；Γ为噪声矩阵；H为系统测量的参数矩阵；w_t’和v_t为不相关的高斯白噪声；

P_t ^-表达5G信号状态向量

估计的准确性；P_t-1为时刻t-1，更新的误差协方差矩阵的估计值；Q为对5G信号传输起干扰作用的协方差矩阵；K_t为卡尔曼滤波增益。

本发明的一个技术方案的有益效果：本专利针对现有的5G接入网协议，通过对不同运营商网络状况的监测，主动实现eSIM卡中profile的切换，设计一种能够接收多种运营商5G服务网络的策略，减少传统承载网的压力，同时以减少终端占用的信号数据资源为基础，实现多个不同运营商的网络信号的同时接收，在接入网与终端之间设计一个多运营商接收机的平台策略，可以把“多运营商接收机平台”理解成n个终端组成的一个大终端，分别接受来自n个不用运营商接入网的网络接入，然后n个终端再与电网终端进行桥接，实现电网终端能够接受多个5G运营商的网络接入功能。

本发明设计在接入网和电网终端之间采用适应于多种运营商5G网络的多频段的接收机代替传统承载网的功能，实现了电网终端与电力通信网络之间的灵活通信。在利用最少资源的条件下，基于快速扩展随机树算法的全局随机扩展策略，监测多个运营商网络的实时状态。在电网终端在遇到运营商网络故障时，能够灵活选择并切换到其他网络正常的运营商网络平台。

附图说明

图1是本发明一个实施例基于快速扩展随机树算法的实时监测接入网策略实现流程的示意图；

图2是本发明一个实施例卡尔曼滤波预测流程的示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参阅图1和图2所示，一种基于5G的多运营商网络的接入策略，包括下述步骤：

以接收机作为起点，接收机用于连接运营商的电网终端以及多个运营商接入网；以运营商的电网终端作为终点，构建随机树型网络；

在对应的运营商接入网的信号传输范围内生成取样点；

在节点网络中，搜索与取样点最近的点，若是，则生成新节点，若否，则返回生成取样点的步骤；

判断生成新节点是否连通对应的运营商接入网，若是，则判断是否达到最大搜索次数，若否，则返回生成取样点的步骤；

若达到最大搜索次数，则网络存在故障，返回以接收机作为起点的步骤，若没有达到最大搜索次数，则接通对应的运营商接入网。

随着国家电网规模的扩大及5G通信技术的应用，电网终端数据吞吐量及业务需求不断增加，同时，智能电网对于数据传输需求量日益增大，不仅对网络的持续稳定提出了更高的要求，而且对数据传输速率和灵活业务也有了更大的需求。目前的电网终端虽然能够支持不同运营商提供的5G服务，但是实际上都是通过双卡双待或者三卡三待的方式解决，而且电网的业务终端使用的通信模块并不是运营商定制的，基于运营商网络的选择，一张SIM卡，只能对应一个运营商的网络，想要在一张卡上实现多个运营商网络的接入，目前比较可行的是在eSIM卡中提前写入多个运营商的profile，从而使eSIM卡可以通过在不同运营商的profile间切换实现网络更换。因此在电网系统这样数据量庞大，对信息传输的实时性和稳定性都有着巨大需求的背景下，设计一种基于5G的多运营商网络接入以及切换策略迫在眉睫。本发明结合eSIM的这一技术特点，通过对不同运营商网络状况的监测，主动实现eSIM卡中profile的切换。

传统接入方式无法使终端实时接收多个运营商的5G网络，主要在于接入时的终端鉴权，而终端鉴权是与终端IMEI和SIM卡内写入的profile信息关联的。现阶段各个运营商都有着不同的接入网，并且由于网间结算方式复杂，会限制不同运营商的网络共享意愿。如果让电网终端直接承受多种运营商的5G网络信号，不仅不符合运营商的接入协议，也会造成电网终端信号负载过大等问题。

本专利针对现有的5G接入网协议，通过对不同运营商网络状况的监测，主动实现eSIM卡中profile的切换，设计一种能够接收多种运营商5G服务网络的策略，减少传统承载网的压力，同时以减少终端占用的信号数据资源为基础，实现多个不同运营商的网络信号的同时接收，在接入网与终端之间设计一个多运营商接收机的平台策略，可以把“多运营商接收机平台”理解成n个终端组成的一个大终端，分别接受来自n个不用运营商接入网的网络接入，然后n个终端再与电网终端进行桥接，实现电网终端能够接受多个5G运营商的网络接入功能。

本发明设计在接入网和电网终端之间采用适应于多种运营商5G网络的多频段的接收机代替传统承载网的功能，实现了电网终端与电力通信网络之间的灵活通信。在利用最少资源的条件下，基于快速扩展随机树算法的全局随机扩展策略，监测多个运营商网络的实时状态。在电网终端在遇到运营商网络故障时，能够灵活选择并切换到其他网络正常的运营商网络平台。

本发明提出一种电网终端在不同运营商之间灵活接入并自由切换网络的整体框架，基于快速扩展随机树算法实时监测电网终端网络，检测智能电网终端与5G运营商之间出现网络故障时的平滑切换策略。

接收机本质上是一种复合频段扩展信号设备，包括5G集成模块在内的多种软硬件设备，其中有AP接入点、集线器、中继器、网桥、交换机等，从各个运营商传入到接收机的信号正是通过这些设备进行合作，为电网终端传输信号提供了输入源。除了上述的设备，交换器中还应安装有接入设备的设备箱，为了满足多运营商信号的同时传输，设备箱内置有大功率降温设备、多网络接口模块、实时测温报警模块、实时监测接入网信号模块。接收机的结构及其工作原理不是本申请所保护的技术内容，在此不做赘述。

快速扩展随机树算法是一种模拟树苗生长的过程中发现路径的智能路径规划算法，根据目标点与随机点进行全局实时搜索，通过快速扩展随机树算法的路径优化求解，从而实现监测智能信号的接收机到接入网的信号路径是否正常。

优选的，所述的设接收机起点为N_int，对应的运营商接入网的终端为N_goal，取样点为N_sample，搜索步长为L，最大搜索次数为n，在节点网络中，与取样点最近的点为N₁，则生成新节点的公式为：

具体地，所述取样点包括随机点和朝向对应的运营商接入网的目标点；所述随机点和所述目标点的数量比为1：1。

优选的，生成新节点的步骤中，还包括设定约束条件，判断新节点的信号传输是否畅通，具体包括下述步骤：

设定约束条件：|N_sample-N_goal|≤ε；

其中ε为最小误差，即从对应的运营商接入网出发的快速扩展随机树末端的新节点距离接收机的信号传输范围的最小距离；

若|N_sample-N_goal|≤ε成立，则跳出循环，发出对应的运营商接入网网络正常传输的信号给接收机；

若|N_sample-N_goal|≤ε不成立，则表示传输数据产生波动，发出对应的运营商接入网出现故障的信号给接收机。

目前主流的检测网络策略均为设计定时器，使终端射频在各种模式之间不断搜索，在限定的时间内超过射频门限后则进行切换，这样的策略会造成切换过于频繁，并且造成终端的数据负载过大。本发明设计一款基于模拟真实网络传输路径的实时监测策略，利用多频段的接收机作为电网终端的中转站，以使得终端更轻松得获得实时网络健康状态。

在网络信号传输时，影响网络信号稳定的因素有很多，比如传输的介质、多径传播的作用等，把这种影响信号稳定传输的干扰视为传输空间里的障碍物，当信号在传输的过程中，遇到了这些障碍物则会引起波动，造成接收机接收的信号产生较大的波动，从而引起电网终端信号不稳定。因此设定一个约束条件，使节点范围内对传输信号的影响因子不能太大，需要判断是否满足新生成的节点信号是否畅通，如果是，则把该节点放进节点网络T_k，否则重新成N_new，循环上述步骤直至|N_sample-N_goal|≤ε成立。

满足|N_sample-N_goal|≤ε这个误差要求时，即跳出循环，告诉接收机一个信号：对应的运营商接入网的网络正常传输。反之，如果达到最大搜索次数之后还没有到达接收机，则说明延迟升高了，传输数据产生了波动，此时会返回一个信号给接收机：对应的运营商接入网的网络遇到故障。

不管信号是否到达，一旦接收机完成接收了一次经过快速扩展随机树算法规划的路径信息，就要马上循环再重新规划，产生一个动态循环，以达到实时监测网路是否稳定的目的。

一种基于5G的多运营商网络的切换策略，采用上述的基于5G的多运营商网络的接入策略，采用卡尔曼滤波预测算法，对接入接收机的运营商接入网进行实时监测并切换，包括下述步骤：

构建预测模型，系统的状态矩阵和观测矩阵；

系统进行滤波初始化；

通过系统的状态矩阵，计算当前状态的5G信号传输先验估计值，通过下一时刻迭代计算得到当前的5G信号状态值；

对预测过程进行计算，同时进行5G信号校正，根据系统的观测矩阵获得健康状态估计值，并将健康状态估计值反馈至时间状态方程，实现系统当前状态值的后验估计；

向接收机发送系统的测量结果。

目前主流的5G网络切换技术是与检测策略紧密关联的，通过定时器，检测延时，从而进行切换，这种切换方式虽然简易快速，但是，如果网络瞬时丢包率过大，会造成瞬间的网络连接故障，即使能够快速切换重连，也会对电网终端产生数据丢失的不良影响。因此本专利设计了基于卡尔曼滤波预测算法与接收机之间进行实时监测并进行切换，能够根据网络波动提前预判哪个运营商网络将会发生故障，提前在信号良好的情况下进行切换，能够改善电网终端数据丢包率，提高网络切换的平滑度。

本发明为了得到运营商5G网络健康状态的准确估计值，将根据最小方差构建预测模型，通过5G信号及其信号干扰因素不断更新迭代实时网络健康状态的估计值，并进一步处理健康状态的预测值，使健康状态的预测值满足最小均方差的卡尔曼滤波估计原则。卡尔曼预测是一种递归预测，预测无需记录历史数据，并且能够在模型未知时预测出即将发生的状态以及将来的状态，对于电网终端传输的这种非线性高阶系统十分适合。

优选的，计算步骤具体包括：

系统的状态矩阵：X_t＝FX_t-1+Bu_t+Γw_t；

系统的观测矩阵：Z_t＝HX_t+v_t；

计算健康状态估计值，即在时刻t，系统状态向量的预测值：

计算在时刻t，误差协方差矩阵的预测值：

计算5G信号状态估计误差的协方差矩阵：

P_t＝(I-K_tH)P_t ^-；

其中：X_t为时刻t的系统状态矩阵；X_t-1为时刻t-1的系统状态矩阵；F为系统的状态转移矩阵；B为控制输入矩阵；u_t为系统控制量；Γ为噪声矩阵；H为系统测量的参数矩阵；w_t’和v_t为不相关的高斯白噪声；

P_t ^-表达5G信号状态向量

估计的准确性；P_t-1为时刻t-1，更新的误差协方差矩阵的估计值；Q为对5G信号传输起干扰作用的协方差矩阵；K_t为卡尔曼滤波增益。

本实施例中，先计算当前状态的5G信号传输先验估计值，通过下一时刻迭代计算得到当前的5G信号状态值，为计算下一5G信号状态值做准备。然后对该预测过程进行计算，同时进行5G信号校正，并且根据测量方程得到的健康状态估计值反馈给时间状态方程，实现当前状态值的后验估计。

本专利设计运用的卡尔曼滤波算法的递归过程首先是对智能信号接收机系统的5G信号实时状态进行估计，并计算得到5G信号波动误差的协方差的预测值，接着计算5G信号状态向量的估计值，最后对5G信号状态值的估计误差的协方差矩阵迭代输出。

判断5G信号状态估计误差的协方差矩阵，在某个5G运营商网络即将发生故障的瞬间，提前切换另一个状态良好的5G运营商网络，实现一种5G信号的平滑切换策略。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于5G的多运营商网络的接入策略，其特征在于，包括下述步骤：

以接收机作为起点，接收机用于连接运营商的电网终端以及多个运营商接入网；以运营商的电网终端作为终点，构建随机树型网络；

在对应的运营商接入网的信号传输范围内生成取样点；

在节点网络中，搜索与取样点最近的点，若是，则生成新节点，若否，则返回生成取样点的步骤；

判断生成新节点是否连通对应的运营商接入网，若是，则判断是否达到最大搜索次数，若否，则返回生成取样点的步骤；

若达到最大搜索次数，则网络存在故障，返回以接收机作为起点的步骤，若没有达到最大搜索次数，则接通对应的运营商接入网。

2.根据权利要求1所述的一种基于5G的多运营商网络的接入策略，其特征在于，所述的设接收机起点为N_int，对应的运营商接入网的终端为N_goal，取样点为N_sample，搜索步长为L，最大搜索次数为n，在节点网络中，与取样点最近的点为N₁，则生成新节点的公式为：

3.根据权利要求1所述的一种基于5G的多运营商网络的接入策略，其特征在于，所述取样点包括随机点和朝向对应的运营商接入网的目标点；所述随机点和所述目标点的数量比为1：1。

4.根据权利要求1所述的一种基于5G的多运营商网络的接入策略，其特征在于，生成新节点的步骤中，还包括设定约束条件，判断新节点的信号传输是否畅通，具体包括下述步骤：

设定约束条件：|N_sample-N_goal|≤ε；

其中ε为最小误差，即从对应的运营商接入网出发的快速扩展随机树末端的新节点距离接收机的信号传输范围的最小距离；

若|N_sample-N_goal|≤ε成立，则跳出循环，发出对应的运营商接入网网络正常传输的信号给接收机；

若|N_sample-N_goal|≤ε不成立，则表示传输数据产生波动，发出对应的运营商接入网出现故障的信号给接收机。

5.一种基于5G的多运营商网络的切换策略，采用上述权利要求1至5任意一项所述的基于5G的多运营商网络的接入策略，其特征在于，采用卡尔曼滤波预测算法，对接入接收机的运营商接入网进行实时监测并切换，包括下述步骤：

构建预测模型，系统的状态矩阵和观测矩阵；

系统进行滤波初始化；

通过系统的状态矩阵，计算当前状态的5G信号传输先验估计值，通过下一时刻迭代计算得到当前的5G信号状态值；

对预测过程进行计算，同时进行5G信号校正，根据系统的观测矩阵获得健康状态估计值，并将健康状态估计值反馈至时间状态方程，实现系统当前状态值的后验估计；

向接收机发送系统的测量结果。

6.根据权利要求5所述的一种基于5G的多运营商网络的切换策略，其特征在于，计算步骤具体包括：

系统的状态矩阵：X_t＝FX_t-1+Bu_t+Γw_t；

系统的观测矩阵：Z_t＝HX_t+v_t；

计算健康状态估计值，即在时刻t，系统状态向量的预测值：

计算在时刻t，误差协方差矩阵的预测值：

计算5G信号状态估计误差的协方差矩阵：

其中：X_t为时刻t的系统状态矩阵；X_t-1为时刻t-1的系统状态矩阵；F为系统的状态转移矩阵；B为控制输入矩阵；u_t为系统控制量；Γ为噪声矩阵；H为系统测量的参数矩阵；w_t’和v_t为不相关的高斯白噪声；

表达5G信号状态向量

估计的准确性；P_t-1为时刻t-1，更新的误差协方差矩阵的估计值；Q为对5G信号传输起干扰作用的协方差矩阵；K_t为卡尔曼滤波增益。

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