基于智能 SDN 面向 5G 的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

周逸凡，趙志峰，張宏綱

（浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

基于智能 SDN 面向 5G 的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

周逸凡，趙志峰，張宏綱

（浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

首次提出了智能 SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）的概念和架構(gòu)，解決了以往 SDN 系統(tǒng)缺乏智能化的問(wèn)題。 通過(guò)與蜂窩網(wǎng)的結(jié)合，提出了基于智能 SDN 面向 5G 的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線接入網(wǎng)和有線核心網(wǎng)的統(tǒng)一管理。 基于智能 SDN 的管理和協(xié)調(diào)，在無(wú)線接入部分提出控制和數(shù)據(jù)分離、上行和下行分離、無(wú)線資源動(dòng)態(tài)適配等技術(shù)，提高頻譜效率和能量效率；在核心網(wǎng)部分實(shí)現(xiàn)高效的內(nèi)容分發(fā)以及快速的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)策略，增加數(shù)據(jù)吞吐率以及網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性。 同時(shí)，通過(guò)無(wú)線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)之間的資源共享和聯(lián)合優(yōu)化，提供網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化和個(gè)性化業(yè)務(wù)定制，實(shí)現(xiàn)智能 SDN 系統(tǒng)與異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的深度融合。

智能 SDN；異構(gòu)蜂窩網(wǎng)；5G；深度融合

1 引言

近年來(lái)，隨著無(wú)線智能設(shè)備的不斷普及，蜂窩網(wǎng)絡(luò)的流 量 增 長(zhǎng) 呈 現(xiàn) 加 速 發(fā) 展 趨 勢(shì)［1］。為 了 滿 足 大 規(guī) 模 的 無(wú) 線 覆 蓋 、多樣化的終端接入、多種業(yè)務(wù)承載的差異化容量需求，無(wú)線蜂窩 網(wǎng) 的 部 署也 呈 現(xiàn) 出 異 構(gòu) 、融 合 、多 樣 化 的 趨 勢(shì)［2，3］。為 了滿足未來(lái)蜂窩網(wǎng)絡(luò)（如 5G）的覆蓋需要，需要從更高層次、更 寬 視 角 來(lái) 著 手 設(shè) 計(jì) 系 統(tǒng) 架 構(gòu)［4］，比 如 動(dòng) 態(tài) 和 智 能 控 制 機(jī)制的引入、接入網(wǎng)與核心網(wǎng)的融合、無(wú)線接入方式的優(yōu)化以及傳輸資源的動(dòng)態(tài)分配等。

軟 件 定 義 網(wǎng) 絡(luò) （software defined networking，SDN）是 近年來(lái)網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域的一項(xiàng)新興技術(shù)，它通過(guò)實(shí)現(xiàn)控制與數(shù)據(jù)分離、集中化管理調(diào)度、開(kāi)放可編程接口，正在推動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)向新一代演進(jìn)。 將 SDN 與移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，也受到了普遍關(guān)注。美國(guó)斯坦福大學(xué)和貝爾實(shí)驗(yàn)室研究組在2013 年 提 出 的 SoftRAN 架 構(gòu)［5］，在 接 入 網(wǎng) 中 提 出 大 基 站 的概念，其中包括集中式的控制器以及分布式的無(wú)線接入單元，通過(guò)軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)在一定區(qū)域范圍內(nèi)的資源集中調(diào)度和配置管理。美國(guó)普林斯頓大學(xué)和貝爾實(shí)驗(yàn)室研究組 在 2013 年 提 出 的 SoftCell架 構(gòu)［6］，將 SDN 技 術(shù) 引 入 移 動(dòng)蜂窩網(wǎng)的核心網(wǎng)中，通過(guò)引入集中控制器，完成控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面的分離，簡(jiǎn)化核心網(wǎng)中復(fù)雜的網(wǎng)元設(shè)備，并且能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)不同用戶、不同應(yīng)用的流量轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則定制和網(wǎng)絡(luò)安 全 策 略 選 擇 。 西 班 牙 學(xué) 者 在 2014 年［7］提 出 ，在 無(wú) 線 移 動(dòng)異構(gòu)網(wǎng)中引入 SDN 控制器并和虛擬化技術(shù)相結(jié)合，在控制面提供相應(yīng)功能接口，并且在用戶面提供靈活的流量調(diào)度。國(guó)內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)也對(duì)此展開(kāi)了相關(guān)研究，清華大學(xué)在2013 年 提 出 的 OpenRAN 方 案［8］，引 入 云 化 資 源 池 的 概 念 ，同時(shí)利用虛擬化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件定義的無(wú)線接入網(wǎng)，能夠提供完整的可編程性質(zhì)，使蜂窩移動(dòng)網(wǎng)更加靈活可控。另外，清華大學(xué)課題組提出的在超蜂窩架構(gòu)下的軟件定義接入 方 式［9］，通 過(guò) 把 基 站 分 為 控 制 基 站 和 流 量 基 站 ，實(shí) 現(xiàn) 控 制面和數(shù)據(jù)面的分離，并且在控制基站上引入 SDN 控制器功能，利用全局信息對(duì)其他流量基站進(jìn)行資源動(dòng)態(tài)調(diào)配。

現(xiàn)有的研究雖然在不同的側(cè)面將 SDN 與移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)合，卻沒(méi)有充分考慮無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)不同于有線網(wǎng)絡(luò)的特殊之處。一方面，無(wú)線蜂窩網(wǎng)在接入端不僅具有異構(gòu) 多 樣 性 的 特 點(diǎn)［2，3］，而 且 時(shí) 刻 面 對(duì) 復(fù) 雜 多 變 的 信 道 環(huán) 境 和干擾環(huán)境，同時(shí)要服務(wù)于大量的、行為習(xí)慣各不相同的移動(dòng)用戶，解決瞬時(shí)變化的流量需求，這給集中化的管理、決策和控制帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。 另一方面，在核心網(wǎng)一側(cè)，為了實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)相關(guān)功能的處理，集中化的管理、決策和控制也在靈活性、可靠性、實(shí)時(shí)性等方面遇到了挑戰(zhàn)。還有，現(xiàn)有的融合方案沒(méi)有將接入網(wǎng)和核心網(wǎng)部分納入統(tǒng)一的軟件定義管理和控制之下，仍然無(wú)法解決目前移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)面臨的協(xié)同困難的問(wèn)題。面對(duì)未來(lái)愈加復(fù)雜的異構(gòu)移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋場(chǎng)景、愈加復(fù)雜的多業(yè)務(wù)承載需求、更加扁平化的融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，必須對(duì)現(xiàn)有的 SDN 架構(gòu)進(jìn)行全面改進(jìn)才能真正實(shí)現(xiàn)與下一代蜂窩接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的融合。首先，要在 SDN 的架構(gòu)中引入智能分析和決策機(jī)制，以滿足復(fù)雜控制和管理的需要；其次，要充分利用 SDN 全局化和集中化管理的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)層疊覆蓋基站間的協(xié)同，創(chuàng)新接入機(jī)制，提升頻譜和能量效率；再次，要充分利用 SDN 在核心網(wǎng)的工作模式優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)更多控制網(wǎng)元、功能網(wǎng)元的交互和協(xié)同，在可提供網(wǎng)絡(luò)虛擬化和支持分片功能的同時(shí)，提供更加智能的協(xié)同管理和控制；最后，要實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)和核心網(wǎng)在統(tǒng)一 SDN 管理架構(gòu)下的無(wú)縫融合。這些問(wèn)題對(duì)未來(lái)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)設(shè)計(jì)、核心技術(shù)研究、部署和運(yùn)營(yíng)服務(wù)將產(chǎn)生重要影響，意義重大。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

目前的 SDN 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了控制面與數(shù)據(jù)面的分離，上層應(yīng)用通過(guò)控制器向下層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備下發(fā)流表項(xiàng)進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。復(fù)雜的策略控制和轉(zhuǎn)發(fā)路徑選擇都有控制器完成，其三層架構(gòu)如圖 1左側(cè)所示。

圖1 SDN 向智能 SDN 的演進(jìn)

2.1 智能 SDN 架構(gòu)

隨著上層應(yīng)用的不斷豐富，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，SDN 對(duì)控制器的控制能力要求越來(lái)越高。為了解決這個(gè)性能瓶頸，亟需在控制器之外增加一個(gè)具有復(fù)雜計(jì)算能力、智能策略選擇功能的新模塊，它在幫助控制器完成復(fù)雜決策功能的同時(shí)，通過(guò)搜集大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，不斷完善對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)控，以便快速高效地實(shí)現(xiàn)功能部署和問(wèn)題預(yù)警。

如圖 1 右側(cè)所示，提出了智能 SDN 的新架構(gòu)，引入智能中心的概念。智能中心可以基于云平臺(tái)來(lái)構(gòu)建，具有海量存儲(chǔ)、海量計(jì)算能力，并可以根據(jù)需要部署不同的智能引擎，如面向用戶行為分析、面向流量工程、面向網(wǎng)絡(luò)信息安全防護(hù)等。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能 SDN 中智能中心的結(jié)構(gòu)

2.2 基于智能 SDN 的異構(gòu)蜂窩融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

有了智能中心的支撐，SDN 能夠和異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面的融合，從而實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)和核心網(wǎng)各自的高效控制和聯(lián)合優(yōu)化。整體架構(gòu)設(shè)想如圖 3 所示，基于智能 SDN 的異構(gòu)蜂窩融合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在邏輯上分為基礎(chǔ)設(shè)施層和決策控制層。其中，基礎(chǔ)設(shè)施層包括無(wú)線接入網(wǎng)和核心傳輸網(wǎng)；決策控制層包括接入網(wǎng)控制器、核心網(wǎng)控制器、業(yè)務(wù)總體控制器以及智能決策中心。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層

在基礎(chǔ)設(shè)施層中，無(wú)線接入網(wǎng)通過(guò)基站和核心傳輸網(wǎng)連接，核心傳輸網(wǎng)通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)與外部的 Internet相連。在無(wú)線接入網(wǎng)中，存在多種接入方式，既有傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)基站（包括 LTE 或 UMTS、宏基站或微基站），又有覆蓋范圍極大的廣播基站和 小 范圍覆蓋 的 Wi-Fi接入 點(diǎn) ，不 同的接入方式體現(xiàn)了未來(lái)蜂窩網(wǎng)的異構(gòu)趨勢(shì)。在邏輯上，各個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)在接入控制器的控制下，在不同的場(chǎng)景中，可以實(shí)現(xiàn)用戶和基站的多種接入方式，比如控制與數(shù)據(jù)分離、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上下行分離、多點(diǎn)協(xié)同傳輸?shù)取Ｔ诤诵膫鬏斁W(wǎng)中，包含各種網(wǎng)關(guān)設(shè)備、交換機(jī)、路由器、內(nèi)容存放節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備， 它們統(tǒng)一通過(guò) SDN 的南向接口接收核心控制器的管理，通過(guò)流表項(xiàng)的更新實(shí)現(xiàn)恰當(dāng)?shù)穆酚赊D(zhuǎn)發(fā)、高效的內(nèi)容存放和智能的安全策略等。

（2）決策控制層

在決策控制層中，接入控制器、核心控制器和業(yè)務(wù)總體控制器都通過(guò) SDN 的東西向接口相互連接，完成用戶請(qǐng)求或業(yè)務(wù)要求的各種信令傳輸。同時(shí)，它們各自通過(guò)服務(wù)接口和智能決策中心相連，上傳數(shù)據(jù)記錄，獲取基于各種功能引擎實(shí)現(xiàn)的快速?zèng)Q策結(jié)果。具體地，當(dāng)用戶請(qǐng)求通過(guò)接入點(diǎn)上傳到?jīng)Q策層，業(yè)務(wù)總體控制器可以根據(jù)用戶請(qǐng)求的業(yè)務(wù)類型分別向接入網(wǎng)控制器和核心網(wǎng)控制器提出相應(yīng)的功能需求，接入網(wǎng)控制器和核心網(wǎng)控制器在收到相應(yīng)的功能需求后，根據(jù)自己管理的資源，匹配出相應(yīng)的服務(wù)策略，并且以控制信令的方式通知下層的基礎(chǔ)設(shè)施層實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。比如，對(duì)于車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，同時(shí)具有高移動(dòng)性和時(shí)延敏感性的特點(diǎn)，業(yè)務(wù)總體控制器在得知這類業(yè)務(wù)請(qǐng)求時(shí)，通過(guò)用戶鑒權(quán)和資源適配，向接入網(wǎng)控制器提出大范圍覆蓋和低時(shí)延的功能要求，向核心網(wǎng)控制器提出低時(shí)延高可靠性的功能要求。在接到功能要求后，接入網(wǎng)控制器采用分離策略，分配 LTE 的宏基站滿足車輛的上行連接，實(shí)現(xiàn)大范圍覆蓋，減少切換次數(shù)，分配廣播基站進(jìn)行下行傳輸，根據(jù)用戶需求相似的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的統(tǒng)一傳輸。同樣，核心網(wǎng)控制器在接到功能要求后，在核心網(wǎng)為車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)選擇快速的轉(zhuǎn)發(fā)通道，高可靠性地糾錯(cuò)傳輸。在整個(gè)控制決策過(guò)程中，各個(gè)控制器可以收集業(yè)務(wù)流的行為特征上報(bào)給智能決策中心，智能決策中心可以為每一位用戶、每一類業(yè)務(wù)維護(hù)一個(gè)知識(shí)庫(kù)，并利用學(xué)習(xí)算法不斷更新，當(dāng)各個(gè)控制器在決策過(guò)程中遇到任何困難時(shí)可以向智能決策中心發(fā)起決策請(qǐng)求，并得到基于可擴(kuò)展的功能引擎實(shí)現(xiàn)的快速響應(yīng)。

3 應(yīng)用案例

傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)為了保證大量用戶的移動(dòng)性和滿足不同業(yè)務(wù)的 QoS 需求，無(wú)線接入網(wǎng)和有線核心網(wǎng)都設(shè)計(jì)得十分臃腫，并且整個(gè)系統(tǒng)需要一套復(fù)雜的控制流程。比如，在無(wú)線接入側(cè)，為了實(shí)現(xiàn)用戶的無(wú)縫切換，新舊基站和服務(wù)網(wǎng) 關(guān) 節(jié) 點(diǎn) （serving gateway，SGW）需 要 多 條 交 互 信 令 ，并 且需 要 通 過(guò) GTP （GPRS tunneling protocol）來(lái) 完 成 ，這 造 成 一定的資源浪費(fèi)；又比如，有線核心網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（PDN gateway，PGW）作 為 流 量 匯 聚 節(jié) 點(diǎn) ，需 要 同 時(shí) 處 理 上百萬(wàn)用戶的數(shù)據(jù)傳送和控制信令，這使得它造價(jià)昂貴并且難以擴(kuò)展。通過(guò)引入智能 SDN，通過(guò)控制器來(lái)協(xié)調(diào)各個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)和核心網(wǎng)元設(shè)備，借助智能中心強(qiáng)大的信息庫(kù)和計(jì)算能力，能夠在完全分布和絕對(duì)集中兩種方式之間取得較好的平衡，高效并且準(zhǔn)確地管理用戶接入和數(shù)據(jù)傳輸，處理新型的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，比如內(nèi)容分發(fā)和網(wǎng)絡(luò)安全。

3.1 無(wú)線接入側(cè)

圖3 基于智能SDN 的異構(gòu)蜂窩融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)想

在目前的蜂窩網(wǎng)無(wú)線接入中，主要還是秉承以基站為中心的接入策略，比如用戶的控制面和數(shù)據(jù)面消息都耦合在同一個(gè)基站節(jié)點(diǎn)上，同樣對(duì)于上行鏈路和下行鏈路也是如此。但實(shí)際上，控制面和數(shù)據(jù)面、上行與下行在通信過(guò)程中所占比重并不均衡，理想情況下應(yīng)該對(duì)它們進(jìn)行區(qū)別對(duì)待。由此帶來(lái)的用戶接入選擇問(wèn)題、頻譜資源調(diào)度問(wèn)題，涉及大量需要協(xié)調(diào)和管理的信令流程，智能 SDN 能夠根據(jù)用戶和基站的上報(bào)信息統(tǒng)一協(xié)同控制信令、數(shù)據(jù)傳輸、基站資源、用戶行為等，從而可以支持動(dòng)態(tài)資源分配、快速切換、基站休眠等新功能?？紤]到系統(tǒng)擴(kuò)展性，多個(gè) SDN 控制器可以在一個(gè)智能中心的支持下工作，實(shí)現(xiàn)大范圍、跨域的分離策略。

3.1.1 控制與數(shù)據(jù)分離

傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)用戶接入策略中，單個(gè)用戶相關(guān)的控制信令和數(shù)據(jù)信令同時(shí)耦合到同一個(gè)基站節(jié)點(diǎn)上，這極大 降 低 了 移 動(dòng) 蜂 窩 網(wǎng) 的 能 量 效 率［10］。同 時(shí) ，針 對(duì) 未 來(lái) 的 小基站或微基站，要處理長(zhǎng)連接的信令，需要解決切換等問(wèn)題，不經(jīng)濟(jì)也不科學(xué)。采用控制面與數(shù)據(jù)面分離的策略，宏基站提供信令連接，微基站僅處理數(shù)據(jù)功能，將可以極大地提高效率，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)用戶的有效管理。在智能 SDN 的框架下，控制基站和數(shù)據(jù)基站都可以看成SDN 控制器下的一個(gè)交換節(jié)點(diǎn)，控制器可以根據(jù)信道狀況、業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)整體負(fù)載，為用戶配置適當(dāng)?shù)慕尤敕绞健?/p>

3.1.2 上行與下行分離

傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)用戶接入策略中，用戶的上行和下行鏈路都是和同一個(gè)基站相連接，常用的方法是用戶根據(jù)下行接 收 信 號(hào) 強(qiáng) 度 來(lái) 選 擇 關(guān) 聯(lián) 基 站［11］，但 是 在 層 疊 覆 蓋 的 情 況下，同一個(gè)基站無(wú)法提供最優(yōu)的上下行帶寬。此時(shí)可以采用上下行分別接入不同最優(yōu)基站的方式進(jìn)行優(yōu)化，如下行使用基于參考信號(hào)接收功率的準(zhǔn)則，上行則接入距離最近的 基 站［12］。上 下 行 分 離 策 略 雖 然 可 以 使 用 戶 的 上 行 和 下 行接入選擇分別達(dá)到最優(yōu)，但需要集中控制設(shè)備的支持。在智能 SDN 框架下，用戶和基站需要上報(bào)信號(hào)強(qiáng)度、信道狀況、位置等信息，智能中心將協(xié)助接入網(wǎng)控制器完成接入策略的選擇并指示基站控制用戶接入。

3.1.3 無(wú)線資源動(dòng)態(tài)適配

面對(duì)越來(lái)越復(fù)雜和密集的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署，基站之間的無(wú)線干擾問(wèn)題也越來(lái)越突出，這嚴(yán)重制約了蜂窩網(wǎng)絡(luò)的容量提升?；谥悄?SDN 的框架，可以集中地采集基站的無(wú)線資源使用情況、干擾情況和負(fù)載需求情況，通過(guò)智能決策，對(duì)無(wú)線資源進(jìn)行彈性匹配，最大化網(wǎng)絡(luò)整體吞吐率和效能。雖然蜂窩網(wǎng)絡(luò)的用戶位置和流量需求隨時(shí)間不斷 變 化 ， 但 是 它 們 也 呈 現(xiàn) 出 一 定 的 可 預(yù) 測(cè) 性 的 特 點(diǎn)［13］，如果能夠?qū)崿F(xiàn)在時(shí)間和空間上對(duì)用戶行為進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，這將能夠使有限的無(wú)線資源發(fā)揮出更為出色的服務(wù)效果。智能 SDN 預(yù)測(cè)算法可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)記錄，對(duì)用戶的行為、運(yùn)動(dòng)、流量進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)先匹配合適的無(wú)線資源。在智能中心內(nèi)，通過(guò)安裝可擴(kuò)展的機(jī)器學(xué)習(xí)算法（如強(qiáng)化學(xué)習(xí)、轉(zhuǎn)移學(xué) 習(xí) 等 ）［14］，對(duì) 大 范 圍 內(nèi) 的 無(wú) 線 資 源 使 用 信 息 進(jìn) 行 分 析 ，輔之以對(duì)用戶流量需求的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，從而達(dá)到使總體網(wǎng)絡(luò)資源分配最佳的聯(lián)合優(yōu)化。

3.2 有線核心網(wǎng)

在蜂窩核心網(wǎng)部分，目前部署的 4G 網(wǎng)絡(luò)都是采用分組交換進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，相比于傳統(tǒng)的電路域?qū)崿F(xiàn)更加簡(jiǎn)單和高效。然而，隨著用戶對(duì)互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容的海量實(shí)時(shí)需求，傳統(tǒng)的通過(guò)網(wǎng)關(guān)向 Internet獲取內(nèi)容并 基于隧道協(xié)議傳送給移動(dòng)終端的方式，已經(jīng)無(wú)法提供足夠的容量和時(shí)延要求。另一方面，隨著蜂窩網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的不斷融合，傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題也將蔓延到蜂窩核心網(wǎng)，例如大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)攻擊和移動(dòng)終端劫持。為解決以上問(wèn)題，核心網(wǎng)各網(wǎng)元之間需要進(jìn)行高效協(xié)調(diào)和統(tǒng)一管理，并且大規(guī)模的內(nèi)容需求數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)攻擊記錄也需要進(jìn)行分析和決策，智能 SDN架構(gòu)的引入能夠在提高網(wǎng)絡(luò)吞吐率的同時(shí)給網(wǎng)絡(luò)部署帶來(lái)智能化的解決方案。

3.2.1 高效內(nèi)容分發(fā)

內(nèi)容分發(fā)技術(shù)是目前互聯(lián)網(wǎng)研究重要的領(lǐng)域之一，它在 目 前 的 互 聯(lián) 網(wǎng) 基 礎(chǔ) 設(shè) 施 之 上 構(gòu) 建 了 一 張 層 疊 （overlay）網(wǎng) 絡(luò) ，通 過(guò) 內(nèi) 容 分 發(fā) 網(wǎng) 絡(luò) （content delivery network，CDN）、內(nèi)容緩存等技術(shù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的有效分發(fā)并提升用戶的體驗(yàn)。CDN 與智能 SDN 結(jié)合，一方面可以解決高效的邊緣服務(wù)器選擇問(wèn)題，另一方面可以解決服務(wù)過(guò)程中邊緣服務(wù)器的動(dòng) 態(tài) 切 換 問(wèn) 題 ，將 是 對(duì) 目 前 CDN 架 構(gòu) 的 極 大 提 升［15］。內(nèi) 容分發(fā)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)融合，可以充分利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)“廣播信道”的屬性，融合廣播多播機(jī)制和內(nèi)容緩存機(jī)制，提供最優(yōu)化的方案。通過(guò)將 CDN、邊緣緩存等機(jī)制結(jié)合，基于蜂窩網(wǎng)無(wú)線廣播的屬性，在智能 SDN 的控制下，統(tǒng)籌協(xié)作 CDN和邊緣緩存機(jī)制，統(tǒng)籌協(xié)作單播、多播、廣播機(jī)制，將為未來(lái)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)容分發(fā)提供一個(gè)全新的架構(gòu)。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)

分 布 式 拒 絕 服 務(wù) （distributed denial of service，DDoS）攻擊借助于被感染的龐大僵尸終端網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)合起來(lái)對(duì)一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)發(fā)動(dòng)拒絕服務(wù)攻擊，從而成倍地提高拒絕服務(wù)攻 擊 的 威 力［16］。隨 著 移 動(dòng) 終 端 設(shè) 備 的 計(jì) 算 能 力 越 來(lái) 越 強(qiáng) ，移動(dòng)設(shè)備作為僵尸節(jié)點(diǎn)來(lái)組建僵尸網(wǎng)絡(luò)正逐漸成為現(xiàn)實(shí)威脅。在智能 SDN 架構(gòu)下，互聯(lián)網(wǎng)域向蜂窩網(wǎng)絡(luò)邊緣延伸，需要將蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站、網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備等納入抗 DDoS 攻擊的統(tǒng)一策略控制之下。一方面是攻擊監(jiān)測(cè)，另一方面是攻擊解決。在智能 SDN 架構(gòu)下，終端、基站、控制和轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備可以根據(jù)智能 SDN 的需要，按照策略進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)流量特征采集和上報(bào)，智能中心將集中判斷攻擊行為是否發(fā)生。如果判斷攻擊行為發(fā)生，可以采取已有的安 全 策 略［17］，通 過(guò) 全 局 拓 撲 的 感 知 和 流 量 分 析 來(lái) 鎖 定 攻 擊的錨節(jié)點(diǎn)，下發(fā)攻擊解決策略給這些錨節(jié)點(diǎn)（基站、路由器或控制器等），在錨節(jié)點(diǎn)將攻擊流量丟棄或阻塞。

3.3 接入網(wǎng)與核心網(wǎng)的深度融合

在當(dāng)前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)線域與 IP 域是完全分離的，IP 域與互聯(lián)網(wǎng)域也是完全分離的。無(wú)線域與 IP 域通過(guò)隧道聯(lián)接，IP 域與互聯(lián)網(wǎng)域通過(guò)網(wǎng)關(guān)聯(lián)接。這會(huì)帶來(lái)效率不高、資源浪費(fèi)、控制不靈活、無(wú)法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制等一系列問(wèn)題。面向未來(lái)的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，需要承載海量、高實(shí)時(shí)、大連接等多方面的業(yè)務(wù)，分離的隧道和網(wǎng)關(guān)方案已經(jīng)無(wú)法滿足要求，必須要通過(guò) IP 域和互聯(lián)網(wǎng)域向蜂窩網(wǎng)絡(luò)邊緣的延伸來(lái)解決。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線接入網(wǎng)和有線核心網(wǎng)的深度融合，需要智能 SDN 的全局協(xié)調(diào)和統(tǒng)一管理以及基于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的及時(shí)智能決策。

3.3.1 資源聯(lián)合調(diào)度

用戶通過(guò)基站、核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與互聯(lián)網(wǎng)建立數(shù)據(jù)連接。用戶和基站之間的連接涉及無(wú)線資源的分配，基站到數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)之間的連接涉及有線鏈路的分配，這些資源的分配都涉及全局的性能優(yōu)化（無(wú)線側(cè)涉及總體的干擾水平，有線側(cè)涉及網(wǎng)絡(luò)的總?cè)萘亢驼w時(shí)延）。另外，不同的業(yè)務(wù)有不同的 QoS 要求，不同的用戶有不同的鑒權(quán)等級(jí)，需要分配不同的無(wú)線資源和鏈路帶寬。同時(shí)，在傳輸效率上，用戶的內(nèi)容請(qǐng)求可能具有相似性，這給無(wú)線端提供了多播和廣播的可能以及核心網(wǎng)中熱門內(nèi)容存放的決策。為了達(dá)到這種按需服務(wù)的效果，整個(gè)蜂窩網(wǎng)需要具有全局調(diào)控、統(tǒng)一管理和易于擴(kuò)展的能力。在基于智能 SDN 的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)架構(gòu)中，無(wú)線接入網(wǎng)和有線核心網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施都置于相應(yīng)SDN 控制器的管理下，接入網(wǎng)控制器和核心網(wǎng)控制器之間可以交互各種業(yè)務(wù)信令，同時(shí)向上一級(jí)的業(yè)務(wù)總體控制器提供各種相應(yīng)功能。在智能中心的幫助決策下，各個(gè)控制器可以根據(jù)用戶的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)請(qǐng)求按需分配相應(yīng)的傳輸資源。同時(shí)，每一條請(qǐng)求和傳遞都記錄在智能中心的數(shù)據(jù)庫(kù)中，以協(xié)助下一次資源調(diào)度決策和智能 SDN 的自主學(xué)習(xí)。

3.3.2 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化

在未來(lái) 5G 的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)架構(gòu)中，無(wú)線端存在多種接入點(diǎn)，如廣播基站、宏蜂窩、微蜂窩或 AP；多種接入方式，如 CDMA、OFDMA 或 Wi-Fi，不同 的接 入 點(diǎn)和接入 方 式提供不同的傳輸服務(wù)。核心網(wǎng)中，選取不一樣的交換機(jī)、中間件和網(wǎng)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)不同的路由選擇和功能策略，以滿足相應(yīng)的業(yè)務(wù)服務(wù)要求。

這樣，接入網(wǎng)和核心網(wǎng)內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施分別通過(guò)各自的SDN 控制器向上層業(yè)務(wù)提供不同策略優(yōu)先級(jí)的功能（比如上下行分離、能效優(yōu)先策略、低時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)、高容量傳輸），不同的上層業(yè)務(wù)可以通過(guò)業(yè)務(wù)總體控制器向接入網(wǎng)和核心網(wǎng)控制器提出相應(yīng)傳輸要求，并獲得相應(yīng)服務(wù)，如圖 4 所示。比如，面向大連接的 IoT 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量很小，但是對(duì)時(shí)延要求很敏感，總體控制器在檢測(cè)到業(yè)務(wù)請(qǐng)求類型后，可以通過(guò)接入網(wǎng)控制器選擇宏蜂窩完成信令控制和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)通過(guò)核心網(wǎng)控制器選擇時(shí)延優(yōu)先的路由策略，以滿足 IoT 業(yè)務(wù)總體的 QoS 需求。

在圖 4中，無(wú)線接入網(wǎng)控制器把所轄域內(nèi)的所有物理資源都虛擬成池化資源，其中包括頻譜資源、能量資源、接入基礎(chǔ)設(shè)施以及用戶請(qǐng)求記錄等，利用這些虛擬資源，接入網(wǎng)控制器向上提供無(wú)線端的業(yè)務(wù)功能，包括廣覆蓋、高速數(shù)據(jù)傳遞、能量收割和用戶多接入等核心網(wǎng)控制器把所轄區(qū)域內(nèi)的所有物理資源也虛擬成池化資源，其中包括鏈路帶寬、計(jì)算能力以及網(wǎng)元基礎(chǔ)設(shè)施，利用這些虛擬資源，核心網(wǎng)控制器向上提供核心網(wǎng)的業(yè)務(wù)功能，包括智能路由、內(nèi)容緩存、安全防護(hù)和負(fù)載均衡等。

同樣在圖 4中，業(yè)務(wù)總體控制器基于接入網(wǎng)和核心網(wǎng)控制器向上提供的業(yè)務(wù)功能，虛擬出各種網(wǎng)絡(luò)資源，繼續(xù)向上提供業(yè)務(wù)服務(wù)，其中包括物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、智慧城市業(yè)務(wù)、VoLTE、網(wǎng)上高速視頻和車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)等。上層的移動(dòng)虛擬運(yùn) 營(yíng) 商 （mobile virtual network operator，MVNO）可 以 根 據(jù) 自身需要訂購(gòu)相應(yīng)的業(yè)務(wù)。

在具體的資源調(diào)度和功能實(shí)現(xiàn)上，各個(gè)控制器需要和智能決策中心進(jìn)行交互。智能決策中心根據(jù)收集到的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)信息以及可擴(kuò)展的功能引擎，對(duì)控制器請(qǐng)求做出快速而準(zhǔn)確的決策，通過(guò)向外的服務(wù)端口完成請(qǐng)求應(yīng)答。

4 結(jié)束語(yǔ)

首次提出了智能 SDN 的概念和架構(gòu)，解決了以往SDN 系統(tǒng)缺乏智能化的問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)對(duì)智能 SDN 所需的智能引擎、學(xué)習(xí)算法以及交互機(jī)制等關(guān)鍵技術(shù)的研究，形成完善的智能 SDN 技術(shù)體系。進(jìn)一步地，通過(guò)與蜂窩網(wǎng)的結(jié)合，提出了基于智能 SDN 面向 5G 的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線接入網(wǎng)和有線核心網(wǎng)與 SDN 的深度融合。通過(guò)智能 SDN 的控制和協(xié)調(diào)，使異構(gòu)蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔，易于管理，便于擴(kuò)展，并且在滿足傳統(tǒng)業(yè)務(wù)需求的同時(shí)能夠根據(jù)需要快速部署新業(yè)務(wù)。在這一架構(gòu)下，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商可以提供規(guī)?；摹⑿Ч筛兄膹V泛業(yè)務(wù)，供上層的移動(dòng)虛擬運(yùn)營(yíng)商使用，實(shí)現(xiàn)真正的以用戶為中心、以業(yè)務(wù)為導(dǎo)向的移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)。

圖4 基于智能 SDN 異構(gòu)蜂窩網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化

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Towards 5G：heterogeneous cellular network architecture design based on intelligent SDN paradigm

ZHOU Yifan，ZHAO Zhifeng，ZHANG Honggang
College of Information Science&Electronic Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China

To enrich the SDN （software defined networking）with intelligence and learning capability，an intelligent SDN paradigm was proposed for the first time.Combining it with the traditional cellular networks，5G-oriented heterogeneous cellular network architecture based on the intelligent SDN was set up，which made the integrated management of radio access networks and core networks possible.Based on the management and coordination of intelligent SDN，the decoupling of control and data，decoupling of uplink and downlink，and dynamic resource utilization in radio access networks to improve the spectrum efficiency and energy efficiency were put forward；content caching and network security strategies were deployed in the core networks to enhance the network scalability and data throughput.Globally，the resource utilization in radio access networks and core networks was optimized to achieve the network function virtualization and customized service provision，which contributed to the in-depth combination between the heterogeneous cellular networks and intelligent SDN.

intelligent SDN，heterogeneous cellular network，5G，in-depth combination

s：The National Key Basic Research Program of China（973 Program）（No.2012CB316000），Program for Zhejiang Leading Team of Science and Technology Innovation （No.2013TD20）

TN929.53

：A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016163

周逸凡（1991-），男，浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院博士生，主要研究方向?yàn)楫悩?gòu)蜂窩網(wǎng)中的基站空間分布、 智能 SDN 架構(gòu)與下一代蜂窩網(wǎng)的融合技術(shù)。

趙志峰（1975-），男，浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無(wú)線電、 無(wú)線 mesh 網(wǎng)絡(luò)和 SDN 在無(wú)線通信中的應(yīng)用。

張宏綱（1967-），男，浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院教授，主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無(wú)線電、綠色通信和下一代異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2016-05-10；

：2016-06-05

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（“973”計(jì)劃）基金資助項(xiàng)目（No.2012CB316000）；浙江省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)“軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”項(xiàng)目（No.2013TD20）