軟件定義網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)資源分配框架

吳詩奎，王 艷

(1. 重慶工程學(xué)院 通識學(xué)院, 重慶 400056； 2.西南大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院, 重慶 400715)(*通信作者電子郵箱wuser0101@163.com)

0 引言

隨著智能便攜設(shè)備在蜂窩網(wǎng)絡(luò)[1]中的大量普及，流量需求呈幾何級增長[2]。為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商帶來了越來越多的技術(shù)難題。在第四代長期演進(jìn)(Long Term Evolution, LTE)網(wǎng)絡(luò)[3]中，運(yùn)營商擁有的無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network, WLAN)[4]熱點(diǎn)可被集成到蜂窩網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，支持多無線電接入的智能設(shè)備將提供異構(gòu)LTE和WiFi無線電接口的同時(shí)使用功能，以更高效地利用多無線電接入。為此，在網(wǎng)絡(luò)利用率方面，如何將增強(qiáng)后的異構(gòu)帶寬集中分配到多無線電用戶設(shè)備顯得非常重要。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network, SDN)[5]正成為多個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。SDN通過將控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，可支持各種新服務(wù)，包括SDN云數(shù)據(jù)中心[6]、SDN結(jié)合網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的FiWi接入體系[7]，以及利用SDN虛擬化的資源管理[8]。有些研究人員嘗試將SDN應(yīng)用到LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)中, 如Gudipati等[9]將SDN理念應(yīng)用到LTE無線接入網(wǎng)絡(luò)，將多個(gè)eNB(evolved Node Base)抽象為單個(gè)大基站，并集中管理無線資源，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡和利用優(yōu)化; 崔競松等[10]提出基于SDN的縱深防御系統(tǒng)，檢測可疑虛擬機(jī)并控制其發(fā)出的流量，抑制來自虛擬機(jī)的攻擊行為，同時(shí)使用干擾圖計(jì)算無線資源分配，該方法比基于用戶速率的資源分配方法更加精細(xì), 然而，其僅能處理與單無線電LTE網(wǎng)絡(luò)相鄰小區(qū)間的用戶; Mnedoca等[11]驗(yàn)證了在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)、基礎(chǔ)設(shè)施的無線網(wǎng)絡(luò)以及無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)(例如移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò))中應(yīng)用SDN方法的可行性; 何倩等[12]提出基于SDN的反飽和分組負(fù)載均衡方法，使得不管請求量如何變化，各云主機(jī)的資源利用率標(biāo)準(zhǔn)方差總比輪詢波動更小。

本文將SDN范式應(yīng)用到LTE-WLAN集成網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)資源分配中，將集中式解決方案的功能分解到指定網(wǎng)絡(luò)實(shí)體。不同于分布式網(wǎng)絡(luò)效用最大化(Network Utility Maximization, NUM)[13]框架，本文基于SDN的資源分配框架，以集中方式處理異構(gòu)資源，模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提框架的可行性。

1 基于SDN的資源分配框架

1.1 架構(gòu)

將SDN控制器引入目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，假定所有帶分組轉(zhuǎn)發(fā)功能的蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)體均遵循中央SDN控制器指示的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則。本文資源分配方案的架構(gòu)如圖1所示，SDN控制器應(yīng)該集中地收集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌⒃谀繕?biāo)LTE/WLAN多無線電網(wǎng)絡(luò)中指定分組轉(zhuǎn)發(fā)和異構(gòu)資源分配的決策，其后向網(wǎng)絡(luò)實(shí)體指示轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則和資源分配規(guī)則。圖1中S-GW(Serving Gate Way)代表服務(wù)網(wǎng)關(guān)； P-GW(Packet Gate Way)代表數(shù)據(jù)分組網(wǎng)關(guān)； RPC(Remote Procedure Call)表示遠(yuǎn)程過程調(diào)用; PDCP(Packet Data Convergence Protocol)表示分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議；RLC(Radio Link Control)表示無線鏈路層控制；MAC(Media Access Control)表示介質(zhì)訪問控制；PHY(Physical)表示端口物理層。

圖1 基于SDN的異構(gòu)資源分配

SDN控制器處的鏈路發(fā)現(xiàn)模塊，使用OpenFlow協(xié)議消息定位網(wǎng)絡(luò)中的交換實(shí)體，并通過OpenFlow的Packet-Out消息以及鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議(Link Layer Discovery Protocol, LLDP)分組來觸發(fā)鏈路發(fā)現(xiàn)程序。基于每個(gè)用戶u的連接和無線電狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)的鏈路發(fā)現(xiàn)結(jié)果，SDN控制器為轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)體生成相關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則。這些規(guī)則可以在SDN控制器和使用OpenFlow協(xié)議的交換實(shí)體之間進(jìn)行交換。

關(guān)于目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的所有全局信息均在SDN控制器處可用，由此使其成為以極小的通信開銷分配異構(gòu)無線電資源的最佳選擇。根據(jù)每個(gè)用戶u的速率份額信息生成的用戶資源分配規(guī)則，且被傳輸?shù)浇粨Q實(shí)體進(jìn)行下行鏈路流量管理，進(jìn)一步傳輸?shù)接脩粼O(shè)備進(jìn)行上行流量管理。由于WLAN鏈路是雙向的，需要根據(jù)用戶設(shè)備分別確定下行鏈路方向和上行鏈路方向的實(shí)際份額，并通知相關(guān)的交換實(shí)體。

1.2 設(shè)計(jì)過程

圖2給出了本文異構(gòu)資源分配能量的SDN控制器的軟件設(shè)計(jì)及其控制轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)體, 該圖還給出了所提框架在模擬空間中實(shí)施SDN控制器和交換機(jī)的集成方式。

圖2中的IRIS作為一個(gè)真實(shí)SDN控制器，基于Java編程語言，其基本組件包括一個(gè)鏈路發(fā)現(xiàn)模塊、一個(gè)拓?fù)涔芾砟K、一個(gè)設(shè)備管理模塊和一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)模塊。本文提出了一個(gè)異構(gòu)資源分配模塊對IRIS進(jìn)行增強(qiáng)。

圖2中的ns-3是一個(gè)包含轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)體的模擬器。這里通過集成OpenFlow軟件實(shí)現(xiàn)分布，利用OpenFlow兼容模塊對ns-3 LTE和WLAN轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)體進(jìn)行增強(qiáng)。本文對模擬空間中的轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)體也進(jìn)行了增強(qiáng)，以使得ns-3內(nèi)置的仿真設(shè)備通過一個(gè)連接網(wǎng)絡(luò)與真實(shí)SDN控制器進(jìn)行通信。本文采用ns-3.19 中的LTE模擬模型，可以設(shè)定LTE模擬參數(shù)。通過使用這些完善的內(nèi)置模型，能夠確保所提框架的可靠性能。

圖2 轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)體在分組級模擬空間中的集成

1.3 異構(gòu)資源分配模塊

SDN控制器包括一個(gè)異構(gòu)資源分配模塊[14]，該模塊的作用是為每個(gè)具有實(shí)際通信數(shù)據(jù)流量的活躍用戶計(jì)算LTE和WLAN的速率份額信息。在本文基于價(jià)格的異構(gòu)資源公平分配算法中，當(dāng)小區(qū)用戶的數(shù)量上升時(shí)，每個(gè)用戶的速率份額也會隨之縮小。

1.3.1 異構(gòu)LTE/WLAN多無線電資源分配

LTE-WLAN多無線電網(wǎng)絡(luò)中的資源分配問題可表示為式(1), 式中Uu(·)表示分配給用戶的所有異構(gòu)帶寬之和的每用戶效用函數(shù)。式(1)能夠反映LTE-WLAN多無線電網(wǎng)絡(luò)中支持的異構(gòu)帶寬聚合。假定接入鏈路容量比對應(yīng)的核心網(wǎng)絡(luò)容量小得多，則僅需關(guān)注接入無線電鏈路，因此，式(1)能夠反映網(wǎng)絡(luò)利用率和公平性，并通過各種效用函數(shù)在網(wǎng)絡(luò)利用率和公平性之間作出權(quán)衡。

(1)

LTE無線電資源表示為時(shí)間和頻率的二維網(wǎng)格。頻率一般為5 MHz、10 MHz和20 MHz，時(shí)間單位為子幀(1 ms)/資源調(diào)度周期。資源分配的單位是12個(gè)子載波和7個(gè)符號的資源塊(Resource Block, RB)，對應(yīng)于0.5 ms和180 kHz的時(shí)頻塊。

1.3.2 按比例公平分配資源

可以指定分別與LTE下行鏈路、LTE上行鏈路和WLAN鏈路相關(guān)的一組拉格朗日乘子：λ、μ和ν，以得到拉格朗日公式。λb為LTE eNBb中下行鏈路的價(jià)格信息，μb為b中上行鏈路的價(jià)格信息,νa為WLAN APa的價(jià)格信息。該拉格朗日公式具體如式(2)，c為一個(gè)較小的常數(shù)。

(2)

拉格朗日公式的對偶函數(shù)為:

(3)

式(2)的對偶問題轉(zhuǎn)化為：

minD(λ,μ,ν)

(4)

滿足λ≥0,μ≥0,ν≥0

本文應(yīng)用梯度投影法來求解式(4)。通過減去與λb、μb和νa對偶函數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)相乘的步長γ，在每次迭代中對LTE下行鏈路、LTE上行鏈路和WLAN鏈路的拉格朗日乘子λ、μ和ν進(jìn)行更新。式中，[z]+=max{z,0}和c=1/2。

(5)

SDN控制器中，對每個(gè)用戶速率xu更新如下：

(6)

1.3.3 最大-最小公平資源分配算法

對于異構(gòu)多無線電網(wǎng)絡(luò)來說，最大-最小公平性是一個(gè)非常重要的公平性準(zhǔn)則。本文提出的第二個(gè)資源分配算法，旨在通過求解式(7)，對最小用戶速率進(jìn)行最大化：

(7)

價(jià)格信息和更新規(guī)則與式(5)相同。根據(jù)式(8)中的規(guī)則對用戶速率進(jìn)行更新。

(8)

2 功能驗(yàn)證和評價(jià)

在完善的分組模擬空間中，真實(shí)SDN控制器和轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)體的集成，可作為LTE/WLAN多無線電網(wǎng)絡(luò)場景的仿真測試環(huán)境。本文首先對所提框架進(jìn)行功能驗(yàn)證; 然后，研究網(wǎng)絡(luò)利用率和公平性能。

包含可用WLAN AP的LTE小區(qū)及其相鄰LTE小區(qū)場景，反映了LTE小區(qū)間的干擾。在第1個(gè)小區(qū)中存在3個(gè)用戶(用戶1、2和3)，分別被放置于小區(qū)中心、小區(qū)中部和小區(qū)邊緣位置?；谒巿鼍?，每個(gè)用戶都可能在一個(gè)單獨(dú)的WiFi AP的覆蓋范圍中。實(shí)驗(yàn)共采用8個(gè)場景：

場景1 所有用戶均無可用的WiFi AP；

場景2 僅處于小區(qū)中心的用戶1具有WiFi AP；

場景3 僅處于小區(qū)中部的用戶2具有WiFi AP；

場景4 僅處于小區(qū)邊緣的用戶3具有WiFi AP；

場景5 用戶1和用戶2具有單獨(dú)的WiFi AP；

場景6 用戶1和用戶3具有單獨(dú)的WiFi AP；

場景7 用戶2和用戶3有單獨(dú)的WiFi AP；

場景8 用戶1、2和3均有單獨(dú)的WiFi AP。

其中，用戶1、2和3可能被放置在WiFi AP覆蓋范圍內(nèi)(或之外)。實(shí)驗(yàn)中的用戶數(shù)量較少，以便于分析位置和可用AP等重要因素。在第2個(gè)小區(qū)中存在3個(gè)用戶即用戶4、5和6，分別被放置于小區(qū)邊緣、小區(qū)中部和小區(qū)中心位置。由于兩個(gè)小區(qū)間的干擾，每個(gè)用戶的下行鏈路MCS與上行鏈路MCS水平根據(jù)其所處的位置而不同。起初，所有的6個(gè)用戶均僅使用LTE，隨后在模擬時(shí)間5時(shí)，第1個(gè)小區(qū)中的3個(gè)用戶開始利用各自WiFi無線電的10 Mb/s份額。該場景充分強(qiáng)調(diào)了面對異構(gòu)帶寬變化時(shí)資源分配方案的適應(yīng)性。用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(User Datagram Protocol, UDP)僅被用于提供傳輸層的復(fù)用和解復(fù)用功能, 不執(zhí)行傳輸層的端到端擁塞控制，因此用戶速率不受擁塞控制的影響。

2.1 總體網(wǎng)絡(luò)利用情況

圖3和表1給出了8個(gè)場景的總體網(wǎng)絡(luò)利用情況。比較的方法包括了資源分配的基準(zhǔn)方法(非SDN)，基于SDN的方法在演進(jìn)分組核心(Evolved Packet Core, EPC)中能消除通道，使得選擇性流量重定向得以繞開EPC，即：SDN控制器擴(kuò)展了EPC功能，將控制平面與數(shù)據(jù)平面分離。然而，非SDN方法則無法做到上述功能，每種資源必須單獨(dú)考慮，在綜合資源分配考慮過程中較為乏力。在所有場景中，基于SDN的按比例分配方法均得到最優(yōu)性能，這證明了異構(gòu)資源的有效性。在場景4、5、6和7中，小區(qū)中部或小區(qū)邊緣的用戶僅WLAN AP可用，這說明了基準(zhǔn)方法的網(wǎng)絡(luò)利用率低于基于SDN的最大-最小分配方法，后者旨在通過犧牲總體網(wǎng)絡(luò)利用率來實(shí)現(xiàn)所有用戶速率的均衡。而基準(zhǔn)方法未綜合考慮LTE和WLAN資源，由此證明了對異構(gòu)的LTE和WLAN資源進(jìn)行整體分配的必要性。

圖3 不同場景的拓?fù)浜蛨鼍?/p>

表1 不同場景下網(wǎng)絡(luò)總體利用率%

2.2 資源分配算法的收斂性

圖4給出了本文資源分配算法在場景7中的收斂性，假定所有用戶的起始速率為2 Mb/s。在基于SDN按比例分配方法中，用戶速率在收斂環(huán)約2 000次迭代后收斂至公平比例狀態(tài)。迭代次數(shù)代表SDN控制器的資源分配模塊中收斂環(huán)的計(jì)算次數(shù)。在模擬時(shí)間5，異構(gòu)帶寬中發(fā)生了變化，用戶2額外使用了WiFi無線電資源。從該點(diǎn)開始，收斂環(huán)被觸發(fā)，收斂至新的公平狀態(tài)經(jīng)過了大約3 000次迭代(圖4中迭代次數(shù)5 000開始)。然而，基于SDN的最大-最小分配方法中，在初始(圖4的0次迭代)和異構(gòu)帶寬變化中(圖4的5 000次迭代后)，用戶速率均在1 000次迭代內(nèi)收斂。

2.3 用戶速率的軌跡

圖5給出了用戶速率隨時(shí)間推移的變化。在模擬時(shí)間1時(shí)，用戶應(yīng)用程序開始按照來自SDN控制器的資源分配規(guī)則來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。在達(dá)到公平狀態(tài)之前存在一些延時(shí)，該延時(shí)與收斂環(huán)中的計(jì)算時(shí)間和OpenFlow消息交換有關(guān)。在模擬時(shí)間5處，一些用戶接入了額外的WiFi無線電，并在一些延時(shí)后，用戶速率表現(xiàn)出按比例的公平狀態(tài)。數(shù)據(jù)報(bào)傳輸和接收中存在一定隨機(jī)性，這是由于存在沖突和沖突-避免機(jī)制。同時(shí)，LTE eBM的確定性RB調(diào)度增加了使用LTE時(shí)速率的穩(wěn)定性。另外，還可以看出，基于SDN按比例分配方法對于用戶1(中心位置)的速率提升尤為明顯，大幅優(yōu)于另兩種方法。對于其他用戶，也有一定優(yōu)勢。這充分證明了異構(gòu)資源的有效性。

圖4 兩種基于SDN資源分配算法的收斂性

圖5 三種不同方法各用戶的速率

2.4 網(wǎng)絡(luò)利用率和公平性之間的權(quán)衡

對于8個(gè)不同的場景，圖6給出了本文SDN資源分配框架在異構(gòu)資源利用率與多無線電用戶公平性之間的權(quán)衡，使用了Jain公平性指數(shù)[15]。

場景1中，所有用戶均無可用的WiFi AP，最能體現(xiàn)權(quán)衡的性能，由圖6的場景1坐標(biāo)數(shù)值可以看出，與其他兩種方法相比，基于SDN按比例分配方法通過LTE和WLAN資源明顯提升了總體網(wǎng)絡(luò)利用率，同時(shí)保持僅使用LTE資源相同的公平性，同理參考其他場景，基于SDN按比例分配方法依然更優(yōu)。多個(gè)異構(gòu)無線電資源的SDN按比例分配方法，與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)資源的按比例公平分配所采用的基本原理是相同的。從圖6可以看到，8個(gè)場景中，基于SDN的最大-最小分配方法尋求用戶均衡性的同時(shí)利用異構(gòu)資源，在指數(shù)為1時(shí)，按比例分配資源，基本取得了吞吐量與公平性間的平衡。圖6中，對于場景3、4、6和7，這些包含邊緣區(qū)域的用戶或不包含中心用戶的情形，基準(zhǔn)方法(非SDN)未綜合考慮LTE和WLAN資源，在權(quán)衡方面明顯表現(xiàn)出短板，在一半場景中均未能獲得較好的權(quán)衡。

圖6 網(wǎng)絡(luò)吞吐量與Jain用戶公平性指數(shù)關(guān)系

2.5 分組延遲的討論分析

(9)

圖7 隊(duì)列分析模型

對于不同qnf的平均數(shù)據(jù)包延遲結(jié)果如圖8所示。根據(jù)文獻(xiàn)[16]提出的Jackson模型參數(shù)選取，使用參數(shù)μc=4 175(每秒響應(yīng)數(shù))，1/μs=9.8，qnf∈{0.04,0.25,0.5,1}。μb為每秒5 000個(gè)數(shù)據(jù)包(假定10 MHz LTE帶寬)。由圖8可知，到達(dá)率λ根據(jù)μc而變化，當(dāng)qnf數(shù)值較小時(shí)，延遲幾乎不變，因?yàn)閿?shù)據(jù)包正在被轉(zhuǎn)發(fā)到控制器的概率較低，因此，控制器隊(duì)列僅需要處理較少流量; 而當(dāng)qnf數(shù)值較大時(shí)，控制器隊(duì)列需要處理較多流量，此時(shí)控制器處的排隊(duì)延遲成為主要因素。

圖8 不同qnf時(shí)平均數(shù)據(jù)包延遲結(jié)果

3 結(jié)語

本文將SDN范式應(yīng)用到LTE-WLAN多無線電網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)資源分配中，并進(jìn)行了擴(kuò)展。設(shè)計(jì)了基于SDN的集中式整體框架，通過預(yù)期的網(wǎng)絡(luò)利用率和公平性目標(biāo)，向多無線電智能手機(jī)用戶分配異構(gòu)無線電資源。在結(jié)合了SDN控制器和LTE/WLAN轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)體的模擬空間中，進(jìn)行了功能驗(yàn)證和評價(jià)。所提框架可以更好地平衡網(wǎng)絡(luò)吞吐量和用戶公平性，以及較好的算法收斂性等特點(diǎn)，可行性較好。

雖然本文采用的IRIS，能夠?qū)⒖刂破鞯膮^(qū)域網(wǎng)絡(luò)抽象為單個(gè)交換機(jī)，配置出用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的分層式控制器，但將其部署于LTE/WLAN多無線電網(wǎng)絡(luò)中的方法尚待研究。