一種基于軟件定義的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)架構(gòu)

倪光華,王光輝,張春暉

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.通信訓(xùn)練基地，河北 宣化 075100)

0 引言

隨著業(yè)務(wù)需求的快速增長(zhǎng)，多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)蓬勃發(fā)展，能夠綜合利用多種通信資源、為用戶提供更好體驗(yàn)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)備受研究者的青睞。在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)軟、硬件設(shè)計(jì)能力不同，技術(shù)規(guī)范不同，使用的物理層或者M(jìn)AC層不同，提供業(yè)務(wù)類型的能力不同，相應(yīng)的管理機(jī)制和控制方式不同，造成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用中常處于靜態(tài)配置狀態(tài)：使用者在網(wǎng)絡(luò)建立之前需進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間籌劃，確定傳輸手段、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，選定硬件設(shè)備，搭建網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)搭建完成后，除極少數(shù)參數(shù)可供調(diào)整以外，難以根據(jù)環(huán)境和應(yīng)用的變化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層面自動(dòng)/受控調(diào)整[1]。

近年來(lái)信息與通信系統(tǒng)朝著軟件定義一切的方向發(fā)展[2]，不斷將其設(shè)計(jì)理念運(yùn)用到異構(gòu)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。從資源視角將無(wú)線傳輸和網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化[3]，采用集中調(diào)度的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)感知環(huán)境和應(yīng)用需求變化，動(dòng)態(tài)調(diào)配傳輸和網(wǎng)絡(luò)資源，將原有靜態(tài)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)化，從而提升異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)調(diào)整能力，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的自主動(dòng)態(tài)組網(wǎng)[4]。

1 總體架構(gòu)及信息流程

1.1 總體架構(gòu)

基于軟件定義的無(wú)線異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，借鑒了通用的軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network，SDN)架構(gòu)[5-6]，并融合了軟件定義的無(wú)線電(Software Defined Radio，SDR)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的智能化管控和調(diào)度。其技術(shù)核心為：在無(wú)線傳輸能力和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)能力虛擬化的基礎(chǔ)上，充分獲取業(yè)務(wù)傳輸需求以及環(huán)境電磁態(tài)勢(shì)信息，采用集中調(diào)度的方式統(tǒng)一調(diào)配系統(tǒng)中通道、波形、時(shí)隙、頻率等傳輸資源，達(dá)到傳輸帶寬、時(shí)延、穩(wěn)定性等多方面的綜合最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳輸任務(wù)的精確適配[7-8]。

基于軟件定義的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)采用分層設(shè)計(jì)，參照標(biāo)準(zhǔn)SDN架構(gòu)[8]，分為應(yīng)用平面、控制平面、轉(zhuǎn)發(fā)平面和傳輸平面，如圖1所示。

圖1 基于軟件定義的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Framework of heterogeneous wireless network based on software defined method

應(yīng)用平面主要由多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件組成，如網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、智能運(yùn)維等，提供用戶交互界面或接口，獲取網(wǎng)絡(luò)傳輸需求，生成對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的總體控制需求，并下發(fā)至控制平面。

控制平面主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制功能，包括組網(wǎng)控制、轉(zhuǎn)發(fā)路由生成、接入控制、全網(wǎng)頻譜感知、網(wǎng)絡(luò)資源和傳輸資源調(diào)度等。在控制平面主要根據(jù)應(yīng)用平面的傳輸需求，生成相應(yīng)的傳輸策略和控制指令(流表指令)，并下發(fā)至轉(zhuǎn)發(fā)平面。異構(gòu)無(wú)線自組網(wǎng)的自主組網(wǎng)功能主要通過(guò)控制平面實(shí)現(xiàn)，其硬件表現(xiàn)形式為網(wǎng)絡(luò)控制器。網(wǎng)絡(luò)控制器在網(wǎng)絡(luò)中可以存在多個(gè)，但只能有一個(gè)起效(主控制器)，從而支持實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的集中控制。

轉(zhuǎn)發(fā)平面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)功能，包括按照流表設(shè)置進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、無(wú)線信道適配、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)等。轉(zhuǎn)發(fā)平面中通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)、轉(zhuǎn)發(fā)功能虛擬化。其硬件形式為網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)上的轉(zhuǎn)發(fā)器。

傳輸平面實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的可靠穩(wěn)定傳輸，由各節(jié)點(diǎn)上的多個(gè)無(wú)線傳輸通道和功能波形組成。在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，受傳輸距離、信道狀態(tài)等多種因素影響，通信節(jié)點(diǎn)之間可采用的通信波形有較大差異，在SDR技術(shù)的支撐下，采用SCA架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸能力虛擬化，支持波形和通道硬件的靈活配屬，達(dá)到無(wú)線傳輸資源的靈活調(diào)配。

該總體架構(gòu)基于分布部署[9-10]和集中控制思想，通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)控制進(jìn)行集中管理，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的靈活控制，具備更強(qiáng)的靈活性和業(yè)務(wù)適配傳輸能力，更適于實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的隨遇接入、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)等應(yīng)用需求。另外，基于該架構(gòu)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)功能主要通過(guò)控制平面實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)發(fā)平面和傳輸平面負(fù)責(zé)執(zhí)行控制平面下發(fā)的指令。這樣以來(lái)，網(wǎng)絡(luò)控制功能和轉(zhuǎn)發(fā)、傳輸功能實(shí)現(xiàn)了完全分離，可將復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和硬件解耦，通過(guò)邏輯模型的抽象，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理的簡(jiǎn)化、自動(dòng)化和智能化。

1.2 信息流程

基于軟件定義的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要信息流程與標(biāo)準(zhǔn)SDN網(wǎng)絡(luò)類似,如圖2所示。由業(yè)務(wù)端發(fā)起傳輸，如本節(jié)點(diǎn)有相關(guān)流表信息，則執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)“動(dòng)作”；若無(wú)，則通過(guò)控制信道向網(wǎng)內(nèi)主控制器發(fā)起“業(yè)務(wù)傳輸申請(qǐng)”，主控制器按照“申請(qǐng)”需求，根據(jù)網(wǎng)內(nèi)拓?fù)洹㈩l譜及資源等狀態(tài)，確定轉(zhuǎn)發(fā)路徑和路徑各節(jié)點(diǎn)的傳輸通道、傳輸波形以及無(wú)線傳輸參數(shù)，并生成相應(yīng)的流表報(bào)文，下發(fā)至相關(guān)節(jié)點(diǎn)處。節(jié)點(diǎn)中的流表也可以由網(wǎng)絡(luò)主控制器按照應(yīng)用軟件設(shè)置，直接生成、下發(fā)，并存儲(chǔ)在各節(jié)點(diǎn)中[11]。

圖2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流程Fig.2 Procedure of data forwarding

由于網(wǎng)絡(luò)行為的決策由控制器統(tǒng)一完成，在充分獲取網(wǎng)絡(luò)中資源狀態(tài)(頻率、通道、時(shí)隙等)和傳輸應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，計(jì)算得出對(duì)傳輸通道、波形、頻率及轉(zhuǎn)發(fā)策略等的精確控制指令，完成對(duì)無(wú)線傳輸和組網(wǎng)資源的按需調(diào)配。在滿足任務(wù)要求的同時(shí)，最大程度地提升通信網(wǎng)絡(luò)的資源利用率和服務(wù)質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳輸任務(wù)的最優(yōu)化適配[12-13]。

2 網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì)

本文的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)的核心功能均由控制平面中的網(wǎng)絡(luò)控制器實(shí)現(xiàn)，以下將做詳細(xì)設(shè)計(jì)論述。轉(zhuǎn)發(fā)平面和傳輸平面只是執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)控制指令，主要涉及的NFV，SDR等關(guān)鍵技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)功能關(guān)聯(lián)不大，本文不再贅述。

2.1 功能模塊組成

網(wǎng)絡(luò)控制平面功能主要依托網(wǎng)絡(luò)中的控制器實(shí)現(xiàn)，控制器功能模塊組成如圖3所示。

圖3 控制器功能模塊組成框圖Fig.3 Structure of control module

圖中：

① 控制器北向接口：接收上層應(yīng)用或其他設(shè)備傳入的業(yè)務(wù)信息，包括業(yè)務(wù)配置、控制器配置、控制器倒換、業(yè)務(wù)重路由等輸入控制，以及其他設(shè)備發(fā)現(xiàn)的鄰居、信道信息等拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

② 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)：完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)，通過(guò)接收設(shè)備的鄰居信息和信道信息，合并收斂成一個(gè)整網(wǎng)拓?fù)?，并將拓?fù)湫畔⒋嫒霐?shù)據(jù)庫(kù)中。

③ 業(yè)務(wù)路徑計(jì)算：按照業(yè)務(wù)傳輸要求，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路由。控制器在計(jì)算路徑時(shí)會(huì)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，進(jìn)行端到端的路徑計(jì)算，找出最優(yōu)路徑。

④ 傳輸資源感知：通過(guò)傳輸平面的感知波形或系統(tǒng)中其他感知設(shè)備，獲取本節(jié)點(diǎn)的無(wú)線頻譜、通道占用和時(shí)隙分配圖案等資源狀態(tài)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化傳輸?shù)姆绞絽R總至全網(wǎng)主控制節(jié)點(diǎn)，用于網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度。

⑤ 傳輸通道控制：控制器在獲取網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)通道、距離、頻譜等相關(guān)信息的基礎(chǔ)上，生成各節(jié)點(diǎn)無(wú)線傳輸波形選擇方案，并生成相應(yīng)的無(wú)線傳輸通道的參數(shù)控制指令。

⑥ 操作維護(hù)管理(Operation Administration and Maintenance，OAM)適配：接收網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備OAM模塊上送的鏈路和設(shè)備的告警信息，觸發(fā)業(yè)務(wù)路徑的重新計(jì)算。

⑦ 路徑管理：主要負(fù)責(zé)端到端的業(yè)務(wù)路徑管理，接收業(yè)務(wù)配置、業(yè)務(wù)感知模塊的路徑計(jì)算請(qǐng)求，調(diào)用業(yè)務(wù)路徑計(jì)算模塊的工作路徑和保護(hù)路徑計(jì)算結(jié)果，產(chǎn)生路徑上各節(jié)點(diǎn)設(shè)備的控制指令，并配置給路徑中的所有節(jié)點(diǎn)。另外，路徑管理模塊也維護(hù)當(dāng)前路徑的狀態(tài)，當(dāng)外部OAM模塊檢測(cè)到路徑故障時(shí)，路徑管理模塊向路徑計(jì)算模塊發(fā)起重新計(jì)算路由請(qǐng)求，并維護(hù)最新的路徑計(jì)算結(jié)果。

⑧ 控制器選舉：負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中主控制器的選舉和備用控制器的選舉。同時(shí)還負(fù)責(zé)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中主、備控制器狀態(tài)，如果控制器狀態(tài)異常，重新發(fā)起選舉以替換故障控制器。

⑨ 控制器同步：負(fù)責(zé)主控制器的數(shù)據(jù)同步到備用控制器，以保證主、備控制器的狀態(tài)機(jī)以及輸入的一致性，確保主、備控制器角色切換時(shí)現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)無(wú)損。

⑩ 控制器南向接口：通過(guò)流表下發(fā)的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面設(shè)備的控制。

2.2 網(wǎng)絡(luò)管理流程

異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)功能由控制器實(shí)現(xiàn)，控制器分布式部署在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校袀溥x控制器通過(guò)共識(shí)機(jī)制完成主控制器的選舉。主控制器完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的集中式管控功能，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥詣?dòng)發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)信息感知，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)路徑規(guī)劃及保護(hù)部署。主控制器負(fù)責(zé)將控制器正常運(yùn)行所需要的所有數(shù)據(jù)同步到備用控制器。主控制器發(fā)生故障不工作后，網(wǎng)絡(luò)中備用控制器將再次重新選舉出新的主控制器，新主控制器接管整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管控功能。由于新主控制器包含所有實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，主、備控制器的選舉過(guò)程以及切換過(guò)程，能平滑切換，保證業(yè)務(wù)無(wú)損。

在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始構(gòu)建時(shí)，主控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中存在的管理信道，獲取全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的資源狀態(tài)(頻譜、通道、時(shí)隙等)，以及節(jié)點(diǎn)間的互聯(lián)拓?fù)洹Ｔ跓o(wú)應(yīng)用需求狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò)只處于“靜默”和網(wǎng)絡(luò)信息采集狀態(tài)。

當(dāng)主控制器收到本節(jié)點(diǎn)或者其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的傳輸請(qǐng)求(或者應(yīng)用平面發(fā)出的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建指令)后，按照掌握的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)和全網(wǎng)資源狀態(tài)，計(jì)算傳輸路徑和路徑節(jié)點(diǎn)配置，形成可執(zhí)行流表，下發(fā)至路徑相關(guān)節(jié)點(diǎn)；下發(fā)的流表中，除報(bào)文匹配規(guī)則和轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則信息外，還包含了用于傳輸通道控制的資源調(diào)度信息(頻率、波形、速率、時(shí)隙等)。網(wǎng)絡(luò)的建立為按需建立過(guò)程，只有與傳輸需求路徑相關(guān)的設(shè)備和通道會(huì)啟動(dòng)和工作，無(wú)需全網(wǎng)“啟動(dòng)”。

在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生部分通信節(jié)點(diǎn)設(shè)備故障、部分光纜故障或者部分無(wú)線信道故障等情況時(shí)，主控制器依托網(wǎng)絡(luò)中剩余通信能力，自動(dòng)、智能計(jì)算出新的端到端業(yè)務(wù)路徑，應(yīng)用下發(fā)到網(wǎng)絡(luò)中的通信設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)基于剩余通信能力的組網(wǎng)，最大化提供網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，提升網(wǎng)絡(luò)的可用性保障能力。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化后主控制器實(shí)時(shí)收集網(wǎng)絡(luò)新拓?fù)?，并在新拓?fù)錈o(wú)法滿足原先部署的業(yè)務(wù)和保護(hù)路徑需求時(shí)，對(duì)業(yè)務(wù)路徑進(jìn)行重路由計(jì)算，新路徑下發(fā)到設(shè)備中，并拆除原先已失效的路徑和傳輸通道配置，從而滿足無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)隨遇接入的需求。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中控制器的感知、計(jì)算、決策和指令下發(fā)等一系列操作，可實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的自主、智能組網(wǎng)[14-15]。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文描述了一種基于軟件定義的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)架構(gòu)，并重點(diǎn)描述了網(wǎng)絡(luò)控制器和網(wǎng)絡(luò)控制流程設(shè)計(jì)。本文提出的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)架構(gòu)，充分考慮了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)需求，具備較強(qiáng)的靈活性和資源按需調(diào)配能力。此外，本文提出的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)架構(gòu)也具備較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，在系統(tǒng)架構(gòu)層面為異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)提供有益參考。在此架構(gòu)基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步開(kāi)展極低速信道適配、路徑智能切換、傳輸意圖識(shí)別等關(guān)鍵問(wèn)題的研究和功能設(shè)計(jì)，從而最終實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的智能化組網(wǎng)。