軟件定義網(wǎng)絡(luò)在移動(dòng)通信中的應(yīng)用

鐘镕徽

摘 要：移動(dòng)通信的發(fā)展極大地方便了人們的生活，使得人與人之間的聯(lián)系更加緊密。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）數(shù)控分離的設(shè)計(jì)理念可以使得網(wǎng)絡(luò)獲得很高的靈活性。本文從移動(dòng)通信的發(fā)展出發(fā)，將SDN的設(shè)計(jì)理念遷移到移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)框架之中，探究使得移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)更加靈活高效的合理方案。本文也參考OpenFlow協(xié)議提出了SDN與移動(dòng)通信結(jié)合的具體方案。由于SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的靈活多變，本文還將其與車聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，用于改善道路交通擁堵等社會(huì)問題。除此之外，基于SDN的無線資源管理策略在提高無線資源的利用效率方面的優(yōu)勢也在本文進(jìn)行探究。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)通信；SDN；車聯(lián)網(wǎng)；無線資源

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

通信，亦為人與人或人與自然之間通過某種行為或媒介進(jìn)行的信息交流與傳遞，從廣義上指需要信息的雙方或多方在不違背各自意愿的情況下采用任意方法，任意媒質(zhì)，將信息從某方準(zhǔn)確安全地傳送到另一方，簡而言之，通信就是互通信息。通信自古就有，烽火通信始于商周，延至明清，是用以傳遞邊疆軍事情報(bào)的一種通信方法。因此，烽火通信可以認(rèn)為是人類歷史上最早的光通信。蘇武的“鴻雁傳書”，用雁傳遞信息，報(bào)以危機(jī)，以得自保。中國清代以來自辦電話與無線電，從軍事到生活，通信功能的普及與運(yùn)用使其至今蓬勃發(fā)展。

再來看現(xiàn)代通信，1793年，法國查佩兄弟在巴黎和里爾之間架設(shè)了一條230km長的接力方式傳送信息的托架式線路；1796年，休斯提出了用話筒接力傳送語音信息的辦法，并且把這種通信方式稱為—Telephone，一直延用至今；除此之外，電話、電報(bào)等技術(shù)使通信功能大幅度地完善。通信逐步成為當(dāng)今世界最重要同時(shí)也是最基本的組成部分。

關(guān)于SDN（Software Defined Netwoks），其特點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)控制平面與數(shù)據(jù)平面的分離，通過協(xié)議將數(shù)據(jù)下發(fā)至底層的平面去執(zhí)行?？刂破矫嬗直环Q為SDN的大腦，指揮整個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。SDN誕生于美國GENI項(xiàng)目資助的斯坦福大學(xué)Clean Slate課題，Clean Slate項(xiàng)目的最終目的是要重新發(fā)明因特網(wǎng)，旨在改變難以進(jìn)化發(fā)展的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。隨后斯坦福大學(xué)的學(xué)生Martin Casado領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)關(guān)于網(wǎng)絡(luò)安全與管理的項(xiàng)目Ethane，該項(xiàng)目試圖通過一個(gè)集中式的控制器，讓網(wǎng)絡(luò)管理員基于網(wǎng)絡(luò)流進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信的安全控制?；贓thane的啟發(fā)，斯坦福大學(xué)Nick Mckeown教授為首的研究團(tuán)隊(duì)提出了Openflow的概念用于校園網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，發(fā)表論文闡述了其概念以及Openflow幾大運(yùn)用場景?；贠penflow給網(wǎng)絡(luò)帶來可編程的特征，SDN的概念應(yīng)運(yùn)而生。

基于SDN數(shù)據(jù)與控制平面分離的設(shè)計(jì)理念，移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也可以引入SDN技術(shù)來更好地實(shí)現(xiàn)對用戶服務(wù)質(zhì)量的提高和資源利用率的提升。首先，SDN可以讓移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加靈活，移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)者可以基于控制平面所提供的API接口通過軟件定義的方式改變網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。其次，由于數(shù)據(jù)與控制平面分離，使得每一層的網(wǎng)元能夠更專注于自己的功能，處理能力和效率大大提高?；赟DN的理念，本文主要在以下3個(gè)方面進(jìn)行研究：

一、SDN與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

隨著時(shí)代的發(fā)展，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)面臨著用戶繁多，高流量等問題。豐富多彩的移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)激發(fā)了用戶的需求，為提升網(wǎng)絡(luò)的靈活性和高效性，將SDN運(yùn)用于網(wǎng)絡(luò)，克服移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的不利因素顯得尤為重要。SDN最大的優(yōu)勢是使數(shù)據(jù)平面和控制平面分離，進(jìn)而對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的進(jìn)行集中控制。以O(shè)penFlow為代表的南向接口的提出使得底層的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備可以被統(tǒng)一控制和管理，從而使其透明化，使設(shè)備的虛擬化。多種多樣的開放接口，推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)能力被便捷地調(diào)用，支持網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的創(chuàng)新。

OpenFlow協(xié)議已經(jīng)定義好了很多種適合網(wǎng)絡(luò)靈活運(yùn)行的行動(dòng)，比如：必備行動(dòng)中的Controller能夠?qū)?shù)據(jù)包封裝并轉(zhuǎn)發(fā)給控制器，讓控制器決定數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)路徑是什么；再比如Table，對數(shù)據(jù)包執(zhí)行流表中已經(jīng)定義好的行動(dòng)；還有Drop指令，對沒有定義的數(shù)據(jù)包或已經(jīng)過期的數(shù)據(jù)包進(jìn)行丟棄?；赟DN的設(shè)計(jì)理念，我們把它遷移到移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中去，來提高移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)靈活性與高效性。

考慮到移動(dòng)通信的特點(diǎn)，我們定義數(shù)據(jù)平面由多個(gè)基站（BS）構(gòu)成，移動(dòng)通信的數(shù)據(jù)包首先接入到距離用戶最近的基站，隨后由控制器優(yōu)化路徑進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，最終到達(dá)目的基站發(fā)送給目標(biāo)用戶，實(shí)現(xiàn)了通信的目的。在一個(gè)自治域內(nèi)，所有基站集中控制于控制器，控制器維持著網(wǎng)絡(luò)的控制平面，控制器可以查詢BS的資源使用、負(fù)載等信息，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)配。

基于以上的網(wǎng)絡(luò)框架，移動(dòng)通信用戶進(jìn)行通信的模式可以概括如下：假設(shè)數(shù)據(jù)流從用戶A轉(zhuǎn)發(fā)到用戶B，用戶A先將數(shù)據(jù)包發(fā)送給附著基站1，此時(shí)基站1需要查詢其本地流表中是否有數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。如果有，直接按流表進(jìn)行操作；如果沒有，則上報(bào)給控制器進(jìn)行尋址?？刂破髡莆樟似渥灾斡騼?nèi)所有基站的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜拓?fù)載情況，所以可以更好地優(yōu)化路徑。除此之外，控制器也會(huì)給數(shù)據(jù)包配置相應(yīng)的無線傳輸資源，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?？刂破髯鐾隂Q策后將其尋址和資源分配結(jié)果發(fā)送給基站1。收到指示的基站1將數(shù)據(jù)包按照要求轉(zhuǎn)發(fā)給目的基站2，再由基站2發(fā)送給用戶B，基站1 的流表項(xiàng)增加一項(xiàng)。如果再有用戶A到用戶B的數(shù)據(jù)包則直接按流表轉(zhuǎn)發(fā)，不經(jīng)過控制器，體現(xiàn)了數(shù)控分離的設(shè)計(jì)理念。

二、SDN與車聯(lián)網(wǎng)

除了在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新，車聯(lián)網(wǎng)也是移動(dòng)通信中一個(gè)熱門的研究方向。當(dāng)今，社會(huì)交通因汽車數(shù)量的增多而常常出現(xiàn)交通擁擠，交通安全性以及出行效率低等問題。與此同時(shí)汽車智能化的趨勢日漸明顯，預(yù)計(jì) 2017 年超過 60% 的新車將支持移動(dòng)連接。2025 年所有新車都將聯(lián)網(wǎng)，汽車將成為最大的移動(dòng)終端。建立車聯(lián)網(wǎng)來加強(qiáng)道路信息的溝通為解決這些問題提供了方向。隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，其在車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展中有著至關(guān)重要的地位。endprint

車輛網(wǎng)的定義為：車聯(lián)網(wǎng)是以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，融合了傳感器、RFID（radio frequency identification）、數(shù)據(jù)挖掘、自動(dòng)控制等相關(guān)技術(shù)，按照約定的通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，在車與X（X：車、路、行人、互聯(lián)網(wǎng)）交互過程中，實(shí)現(xiàn)車輛與公眾網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)移動(dòng)通信，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通系統(tǒng)領(lǐng)域的典型應(yīng)用。車聯(lián)網(wǎng)至今有許多挑戰(zhàn)，從結(jié)構(gòu)方面來看，車聯(lián)網(wǎng)的無線接入點(diǎn)與車上的基礎(chǔ)設(shè)施的通信需要大量的RSU（road side unit）支撐，增加了能源的消耗；從通信標(biāo)準(zhǔn)來看，車聯(lián)網(wǎng)需要低時(shí)延和高可靠性；從安全性能來看，車聯(lián)網(wǎng)需要阻擋惡意信息、數(shù)據(jù)泄露等隱私問題以及網(wǎng)絡(luò)連接問題。

本文中基于SDN的設(shè)計(jì)理念提出對移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的改進(jìn)方案以適用車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景。首先引入網(wǎng)元， controller即控制器，controller構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的控制平面，起到匯總道路車輛信息的作用。其次，大量的路側(cè)單元（RSU）構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)平面，用于支撐車輛與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，部署在沿路兩側(cè)始終保持與車輛的無線連接，實(shí)時(shí)發(fā)送控制信號給車輛。

汽車在道路行駛中，車輛通過車聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)報(bào)告位置信息。在本方案中RSU起到了對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和下發(fā)指令的作用。車輛將位置信息實(shí)時(shí)地傳輸給RSU進(jìn)行收集，再由RSU上報(bào)給控制器進(jìn)行匯總并且對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析?？刂破骰诋?dāng)前時(shí)刻的路況狀態(tài)，車流密度等因素優(yōu)化出一條合適的行車路徑并將其下發(fā)給沿路各無線節(jié)點(diǎn)RSU。RSU接收到路徑信息后會(huì)在車輛接入后實(shí)時(shí)地為車輛進(jìn)行控制，幫助車輛高效行駛并且協(xié)調(diào)全網(wǎng)的車流量。基于這樣的方案，可以避免道路的擁堵程度，而且當(dāng)路段出現(xiàn)突發(fā)情況的時(shí)候，可以靈活地對路徑進(jìn)行調(diào)整。值得注意的是SDN與車聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，必須滿足低時(shí)延高可靠性的要求，這樣才能適應(yīng)道路狀態(tài)瞬息萬變的特點(diǎn)。將SDN引入車聯(lián)網(wǎng)后全網(wǎng)的車流量得到了極大地優(yōu)化，可以明顯改善交通擁堵等社會(huì)問題。

三、SDN與無線資源管理

在移動(dòng)通信中，無論什么應(yīng)用場景都離不開對無線資源的管理。將SDN技術(shù)與移動(dòng)通信相結(jié)合必然存在如何合理進(jìn)行無線資源管理問題。由于移動(dòng)通信的特殊性，需要我們合理地處理移動(dòng)性管理，無線資源分配和調(diào)度管理等問題。因此需要在SDN控制器上面加上相應(yīng)的功能模塊，以實(shí)現(xiàn)對移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的功能管理。我們可以從3個(gè)維度對無線資源管理進(jìn)行劃分，分別是頻率維度，時(shí)間維度和空間維度。

在頻率維度上面，SDN控制器可以靈活地分配用戶所占用的信道中心頻率和帶寬。例如：對延時(shí)敏感的VOIP流可以使用一個(gè)帶寬較窄但是干擾比較小的信道；對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則可以使用更寬的但是有一定干擾的信道。在時(shí)間維度上，SDN控制器可以分配用戶占用信道的時(shí)間，通過在特定頻率上給一個(gè)業(yè)務(wù)流分配信道占用時(shí)間，這個(gè)業(yè)務(wù)流能夠得到的大致無線帶寬就能被估算出來。在空間維度的參數(shù)主要包含了MIMO的流控制。無線接入節(jié)點(diǎn)能夠支持越來越多的空間流（這里的空間流指天線流），從1～4個(gè)甚至是8個(gè)。由于能量和移動(dòng)終端空間的限制，并不是所有傳輸都使用多空間流。SDN控制器可以調(diào)節(jié)移動(dòng)終端的流，如果有需要甚至還能調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)流的空間流。

基于SDN的無線資源管理可以使無線資源靈活高效地分配給用戶，體現(xiàn)了SDN為移動(dòng)通信帶來的好處。

結(jié)論

本文主要研究了移動(dòng)通信的發(fā)展，并將軟件定義網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信的發(fā)展相結(jié)合提出了對未來移動(dòng)通發(fā)展方向的構(gòu)想。本文合理地將軟件定義網(wǎng)絡(luò)數(shù)控分離的設(shè)計(jì)理念遷移到移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)框架之中，使得網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)更加靈活多變，極大地改進(jìn)了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的性能。OpenFlow協(xié)議是實(shí)現(xiàn)SDN南向接口的關(guān)鍵技術(shù)，本文也參考OpenFlow協(xié)議提出了合理可行的具體方案。除此之外，本文還將理論與實(shí)踐相結(jié)合，提出了車輛網(wǎng)應(yīng)用場景的SDN架構(gòu)，用于改善道路交通擁堵等社會(huì)問題，體現(xiàn)了學(xué)以致用的創(chuàng)新理念。文章最后提出了基于SDN的無線資源管理策略，能夠提高無線資源的利用效率。

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