蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道分配均衡化控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李偉群

摘 要： 當(dāng)前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)具有隨機(jī)特征，使得蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道到達(dá)率、業(yè)務(wù)應(yīng)用類型等都具有隨機(jī)性，導(dǎo)致部分蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載過(guò)大，資源均衡性較差的缺陷。因此，依據(jù)分層架構(gòu)和模塊化思想，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道分配均衡化控制器，其包括應(yīng)用層、控制層以及基礎(chǔ)設(shè)施層。控制器的基礎(chǔ)模塊和應(yīng)用模塊協(xié)同運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信道資源的均衡分配，控制器通過(guò)OpenFlow協(xié)議控制下的南向接口，同底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交流信息。蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道業(yè)務(wù)通過(guò)REST接口將資源申請(qǐng)命令反饋給控制器，促使控制器管理底層設(shè)備完成資源數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，確保信道資源分配的均衡化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)控制器下的網(wǎng)絡(luò)信道吞吐量、平均系統(tǒng)公平性指數(shù)、用戶平均中斷概率以及信道負(fù)載率四個(gè)指標(biāo)都較優(yōu)秀，取得了令人滿意的結(jié)果。

關(guān)鍵詞： 蜂窩網(wǎng)絡(luò)； 信道分配； 均衡控制器； 分層架構(gòu)

中圖分類號(hào)： TN926?34； TN929.53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）22?0032?04

0 引 言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，具有海量數(shù)據(jù)處理性能的蜂窩網(wǎng)絡(luò)在不同的領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值。蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大，運(yùn)行著較多的協(xié)議，傳遞海量信息，對(duì)網(wǎng)絡(luò)信道的可靠性和均衡性要求較高[1?3]。當(dāng)前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)具有隨機(jī)特征，使得蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道到達(dá)率、業(yè)務(wù)應(yīng)用類型等都具有隨機(jī)性，出現(xiàn)部分蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載過(guò)大，資源均衡性較差的缺陷[4?6]。因此，尋求有效的方法，提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道資源分配的均衡化，對(duì)于增強(qiáng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的性能具有重要意義。

文獻(xiàn)[7]提出了跨層調(diào)度和資源分配方案，確保信道吞吐量最高化，實(shí)現(xiàn)信道分配均衡化控制，但是在部分信道狀態(tài)下，調(diào)度速率高于互信息量，將導(dǎo)致信道數(shù)據(jù)包丟失。文獻(xiàn)[8]提出一種依據(jù)OpenFlow網(wǎng)絡(luò)的信道均衡控制方法，在信道帶寬的約束下，通過(guò)失真優(yōu)化方法獲取可分級(jí)碼流，確保信號(hào)傳遞和接收具有較高的穩(wěn)定性，但是該方法需要在一定的帶寬環(huán)境下實(shí)施，存在一定的局限性。文獻(xiàn)[9]采用時(shí)間序列預(yù)測(cè)算法預(yù)測(cè)信道資源需求，通過(guò)帶寬資源預(yù)留算法和負(fù)載均衡器，實(shí)現(xiàn)信道資源均衡化控制，但其存在控制效率低的缺陷。文獻(xiàn)[10]分析了虛擬內(nèi)容服務(wù)供應(yīng)商方案，采用云服務(wù)供應(yīng)商動(dòng)態(tài)租賃信道資源，依據(jù)資源使用需求調(diào)控信道寬帶資源，然而該方法的控制成本較高。

本文依據(jù)分層架構(gòu)和模塊化思想，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道分配均衡化控制器，其包括應(yīng)用層、控制層以及基礎(chǔ)設(shè)施層?？刂破鞯幕A(chǔ)模塊和應(yīng)用模塊協(xié)同運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信道資源的均衡分配。

1 信道分配均衡化控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 控制器的總體架構(gòu)

依據(jù)分層架構(gòu)設(shè)計(jì)信道分配均衡化控制器包括應(yīng)用層、控制層以及基礎(chǔ)設(shè)施層。控制器采用南向接口OpenFlow協(xié)議控制蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道資源的轉(zhuǎn)發(fā)行為，采用北向接口同應(yīng)用層中的信道資源調(diào)度平臺(tái)進(jìn)行通信。蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道分配均衡化控制器的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基礎(chǔ)設(shè)施層由信道分配均衡化控制器交換機(jī)構(gòu)成，按照控制器反饋的流表規(guī)范對(duì)信道資源進(jìn)行匹配、完成資源的轉(zhuǎn)發(fā)和控制。信道分配均衡化控制器交換機(jī)的信息存儲(chǔ)、流表生成、資源分配方案規(guī)劃以及資源下發(fā)管理都由控制器完成。

控制層中運(yùn)行蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道分配均衡化控制器的關(guān)鍵部件：控制器，其采用南向接口的OpenFlow協(xié)議，對(duì)交換機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程進(jìn)行控制。控制層通過(guò)REST北向接口為上層信道資源調(diào)度平臺(tái)中的用戶提供業(yè)務(wù)和資源的調(diào)用，管理蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道資源的均衡化分配。

應(yīng)用層中存在OpenStack信道資源調(diào)度平臺(tái)，其通過(guò)北向REST接口驅(qū)動(dòng)控制器，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施層中的交換機(jī)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)總體蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道資源均衡分配的綜合控制。

1.2 控制器的功能模塊設(shè)計(jì)

控制器是信道分配均衡化控制器系統(tǒng)的關(guān)鍵，可對(duì)不同類型的蜂窩網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行采集和操作?？刂破靼ɑA(chǔ)模塊和應(yīng)用模塊，兩種模塊協(xié)同運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信道資源的均衡分配。其中：

（1） 基礎(chǔ)模塊是控制器實(shí)現(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)控制的關(guān)鍵，其負(fù)責(zé)蜂窩網(wǎng)絡(luò)信息狀態(tài)的采集、信道流量的分析、信道流量表的生成和發(fā)送等工作?；A(chǔ)模塊由流表生成、信息存儲(chǔ)、信道資源分配方案規(guī)劃等模塊構(gòu)成。

（2） 應(yīng)用模塊在控制器啟動(dòng)時(shí)，按照不同的需求啟動(dòng)相應(yīng)信道資源負(fù)載均衡以及資源分配均衡等應(yīng)用模塊，應(yīng)用模塊調(diào)用基礎(chǔ)模塊有關(guān)的功能和信息，完成信道資源均衡分配功能，同時(shí)給應(yīng)用層提供資源和接口，支持蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道資源均衡調(diào)度業(yè)務(wù)的處理。

1.3 信道分配均衡化控制器的工作邏輯設(shè)計(jì)

控制器是信道分配均衡化控制器系統(tǒng)的控制中心，工作邏輯決定著控制器功能和性能的優(yōu)劣，對(duì)總體蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行具有重要作用。依據(jù)OpenFlow協(xié)議的工作原理，對(duì)控制器模塊間的工作邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示。

交換機(jī)同控制器相連后，向蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理模塊進(jìn)行注冊(cè)，設(shè)備管理模塊將交換機(jī)的信息保存在信息存儲(chǔ)模塊中，并塑造采集和傳遞兩個(gè)線程，完成交換機(jī)數(shù)據(jù)的操作。

控制器采集線程獲取交換機(jī)反饋的數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)包輸入隊(duì)列排隊(duì)操作中。采集線程在隊(duì)列中獲取數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包反饋給數(shù)據(jù)分發(fā)模塊。

數(shù)據(jù)分發(fā)模塊解析數(shù)據(jù)包，若其內(nèi)容為設(shè)備信息，則將數(shù)據(jù)包反饋到設(shè)備管理模塊進(jìn)行操作；若是管理信息，則將數(shù)據(jù)包反饋到信道資源均衡分配方案規(guī)劃模塊中進(jìn)行操作；若是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)包反饋到鏈路發(fā)現(xiàn)模塊中，激發(fā)該模塊的運(yùn)行。

鏈路發(fā)現(xiàn)模塊采集到數(shù)據(jù)包后，則運(yùn)行鏈路發(fā)現(xiàn)過(guò)程，將數(shù)據(jù)包反饋給信道資源下發(fā)管理模塊，信道資源下發(fā)管理模塊將數(shù)據(jù)包封裝成信息，同時(shí)將信息反饋給交換機(jī)。每完成一次鏈路發(fā)現(xiàn)過(guò)程，鏈路發(fā)現(xiàn)模塊將鏈路信息保存在信息存儲(chǔ)模塊中，并將鏈路信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠K中進(jìn)行操作。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠K按照接收的鏈路信息塑造蜂窩網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)運(yùn)算信道資源分配路徑，并將信道資源分配路徑信息保存在信息存儲(chǔ)模塊中，為其他模塊提供分析依據(jù)。

資源分配方案規(guī)劃模塊全面分析蜂窩網(wǎng)絡(luò)信息和控制信息，獲取蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道資源分配方案，并將該信道資源分配方案?jìng)鬏斀o流表生成模塊，獲取相關(guān)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)流表。下發(fā)管理模塊對(duì)流表以及發(fā)送給交換機(jī)的信息進(jìn)行封裝，并將封裝好的數(shù)據(jù)包反饋給交換機(jī)的傳遞線程中進(jìn)行排隊(duì)。控制器各個(gè)模塊間協(xié)調(diào)運(yùn)行，確保控制器對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道資源進(jìn)行均衡分配，為網(wǎng)絡(luò)的順利運(yùn)行提供保障。

1.4 控制器的接口體系設(shè)計(jì)

控制器通過(guò)接口體系同基層設(shè)施層、應(yīng)用平面層以及控制平面層相連?？刂破鞯慕涌隗w系由南向接口和北向接口構(gòu)成?？刂破魍ㄟ^(guò)OpenFlow協(xié)議控制下的南向接口，同底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)施交流資源調(diào)度信息；蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道業(yè)務(wù)通過(guò)北向REST接口將資源申請(qǐng)命令反饋給控制器，促使控制器管理底層設(shè)備完成資源數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)信道資源的均衡分配。

1.4.1 控制器通過(guò)南向接口同底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)施通信

采用OpenFlow協(xié)議涉及南向接口，實(shí)現(xiàn)控制器同底層交換機(jī)交流信息。數(shù)據(jù)包通過(guò)南向接口被傳輸?shù)娇刂破髦羞M(jìn)行操作，控制器按照底層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约敖粨Q機(jī)情況，運(yùn)算出網(wǎng)絡(luò)信道操作流程和流表，并將運(yùn)算結(jié)果通過(guò)南向接口反饋給交換機(jī)。交換機(jī)按照OpenFlow協(xié)議對(duì)控制器反饋的流表信息進(jìn)行解析和存儲(chǔ)，當(dāng)出現(xiàn)新數(shù)據(jù)時(shí)，將其同存儲(chǔ)的流表進(jìn)行對(duì)比，增強(qiáng)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的效率，提高網(wǎng)絡(luò)信道資源分配效率。

OpenFlow協(xié)議規(guī)定控制器同交換機(jī)通過(guò)TCP完成通信，端口為6633，并且設(shè)置交換機(jī)和控制器通信的消息類型結(jié)構(gòu)，消息類型包括交換機(jī)和控制器實(shí)現(xiàn)連接時(shí)采用的HELLO，ECHO以及VENDOR等消息；控制器詢問(wèn)交換機(jī)信息以及傳遞管理信息的FEATURES和CONFIG消息，還描述了其他控制器對(duì)交換機(jī)的控制信息。這些信息類型實(shí)現(xiàn)了控制器同交換機(jī)間的交互，確保控制器對(duì)總體蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道資源均衡分配控制的準(zhǔn)確性 。

1.4.2 控制器采用北向接口同上層業(yè)務(wù)通信

上層業(yè)務(wù)應(yīng)用通過(guò)控制器的北向接口，驅(qū)動(dòng)控制器對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道資源進(jìn)行調(diào)度，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信道資源對(duì)上層應(yīng)用的均衡化。采用REST API方案設(shè)計(jì)控制器北向接口，具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性和可尋址性。控制器依據(jù)北向接口REST同上層融合蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道資源分配平臺(tái)OpenStack間進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)管理平臺(tái)通過(guò)控制器對(duì)底層網(wǎng)絡(luò)資源的編排和調(diào)度，完成信道資源的均衡控制。

控制器與蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道資源分配平臺(tái)整合的架構(gòu)如圖3所示。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的控制器的性能優(yōu)劣，進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)對(duì)某多用戶、單小區(qū)蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道資源使用情況進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)從網(wǎng)絡(luò)信道吞吐量、平均系統(tǒng)公平性指數(shù)、用戶平均中斷概率以及信道負(fù)載率四個(gè)指標(biāo)，分析本文控制器、多信道調(diào)度方法以及跨層調(diào)度方法的性能。

分析圖4可以看出，隨著蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號(hào)質(zhì)量的提高，也就是平均SNR的增加，三種控制方法下的信道吞吐量都不斷增加，并且本文控制方法下的信道吞吐量明顯高于其他兩種控制方法。

實(shí)驗(yàn)通過(guò)公平性指數(shù)評(píng)估兩種方法下信道的公平性，進(jìn)而分析不同蜂窩網(wǎng)絡(luò)用戶的平均吞吐量變化。如圖5所示。公平性指數(shù)表達(dá)式為：

[JE=k=1Krk2Kk=1Kr2k]

式中：JE為公平性指數(shù)；[rk]表示第k個(gè)用戶的速率；k表示當(dāng)前用戶；K表示總用戶數(shù)量。

分析圖5可得，相對(duì)于其他兩種控制方法，本文控制器下的信道資源均衡控制的平均系統(tǒng)公平性最高，本文方法可實(shí)現(xiàn)最高的平均系統(tǒng)公平性主要是因?yàn)楸疚姆椒ㄒ罁?jù)分層架構(gòu)和模塊化思想，通過(guò)應(yīng)用層、控制層以及基礎(chǔ)設(shè)施層的協(xié)同運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信道資源的均衡分配，確保用戶間網(wǎng)絡(luò)信道資源使用的長(zhǎng)期公平性。

三種控制方法下的信道平均中斷概率如圖6所示。

分析圖6可得，當(dāng)信道的平均信號(hào)質(zhì)量SNR低于17 dB時(shí)，本文控制方法概率的信道平均中斷概率略高于其他兩種控制方法，當(dāng)信道平均信號(hào)質(zhì)量SNR高于17 dB時(shí)，隨著信道平均信號(hào)質(zhì)量的增加，本文控制方法下的信道平均中斷概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他兩種控制方法，并且跨層調(diào)度方法下的信道平均中斷概率迅速增加，本文方法的平均中斷概率始終保持在較低的水平。主要因?yàn)楸疚目刂品椒纱_保用戶資源調(diào)度過(guò)程處于平穩(wěn)狀態(tài)，使得總體信道具有較低的平均中斷概率。而跨層調(diào)度方法，對(duì)用戶未設(shè)置最高速率約束，若用戶處于資源較多的環(huán)境下，則具有較高的數(shù)據(jù)速率，使得信道平均中斷概率迅速提升。信道負(fù)載率越低，網(wǎng)絡(luò)信道控制的時(shí)耗越高，網(wǎng)絡(luò)趨于平穩(wěn)的時(shí)間越長(zhǎng)。因此，實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析本文控方法和跨層調(diào)度方法下的信道負(fù)載率情況如圖7所示。

從圖7中可以看出，本文控制方法下的信道負(fù)載率低于跨層調(diào)度方法，并且隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，兩種方法間的差距逐漸增加。說(shuō)明本文控制方法具有較高的適應(yīng)性，魯棒性較高。

3 結(jié) 論

本文依據(jù)分層架構(gòu)和模塊化思想，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道分配均衡化控制器，其包括應(yīng)用層、控制層以及基礎(chǔ)設(shè)施層?？刂破鞯幕A(chǔ)模塊和應(yīng)用模塊協(xié)同運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信道資源的均衡分配?？刂破魍ㄟ^(guò)OpenFlow協(xié)議控制下的南向接口同底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交流信息；蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道業(yè)務(wù)通過(guò)REST接口將資源申請(qǐng)命令反饋給控制器，促使控制器管理底層設(shè)備完成資源數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，確保信道資源分配的均衡化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，所設(shè)計(jì)控制器下的網(wǎng)絡(luò)信道吞吐量、平均系統(tǒng)公平性指數(shù)、用戶平均中斷概率以及信道負(fù)載率四個(gè)指標(biāo)都較優(yōu)秀，取得了令人滿意的結(jié)果。

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