MSC中基于SDN的拓?fù)涓兄猂LNC重傳方案

姚玉坤, 任麗丹, 任 智, 馮 鑫, 杜文正

(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院, 重慶 400065)

0 引 言

由于5G網(wǎng)絡(luò)的高速率和大容量需求,傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和技術(shù)面臨重大挑戰(zhàn),例如:缺少網(wǎng)絡(luò)整體拓?fù)淇赡軙?huì)導(dǎo)致效率降低和特定路徑上的擁塞[1],同時(shí),由于無(wú)線(xiàn)信道易受干擾等因素,會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的不必要重傳而浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源。

面對(duì)日益增長(zhǎng)的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量,移動(dòng)小蜂窩(mobile small cell, MSC)[2]成為5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)中處理海量數(shù)據(jù)的有效解決方案之一[3]。與傳統(tǒng)的靜態(tài)小蜂窩[4]不同,首先,MSC可以根據(jù)動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)負(fù)載以高效、經(jīng)濟(jì)的方式進(jìn)行部署,以補(bǔ)充宏蜂窩覆蓋漏洞并增強(qiáng)其服務(wù)范圍[5]。其次,MSC可以移動(dòng)到更靠近用戶(hù)設(shè)備(user equipments, UEs)的位置,以便UEs接收更強(qiáng)的信號(hào),獲得更高的數(shù)據(jù)速率。最后,采用MSC可以真正從宏蜂窩釋放更多的流量[6-7],從而提高系統(tǒng)性能。同時(shí)為了更好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量激增,在5G中引入軟件定義網(wǎng)絡(luò)(software defined network, SDN)[8],將用戶(hù)面和控制面分離,由不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)承載。此外,為應(yīng)對(duì)通信鏈路傳輸中丟包導(dǎo)致的重傳問(wèn)題,引入網(wǎng)絡(luò)編碼(network coding, NC)[9]在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包之前對(duì)其進(jìn)行編碼、重組;其中,隨機(jī)線(xiàn)性NC(random linear NC,RLNC)[10-11]以其隨機(jī)選取編碼系數(shù)和中間節(jié)點(diǎn)無(wú)需解碼即可重新編碼分組等特性,被廣泛應(yīng)用。SDN和NC的應(yīng)用與結(jié)合極大地促進(jìn)了5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的管理和運(yùn)營(yíng)[12]。

在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)NC的主要挑戰(zhàn)為在分布式環(huán)境中建立編碼路徑和在路由器中添加NC的相關(guān)功能[13],然而SDN以其全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蚈penFlow[14]提供的訪問(wèn)交換機(jī)流表的接口,使SDN與NC的結(jié)合成為可能,并且逐漸引起諸多學(xué)者的關(guān)注。最早將NC和SDN技術(shù)相聯(lián)系的是Felician[15]提出的OpenFlow，已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)革新的關(guān)鍵技術(shù)和驅(qū)動(dòng)力。但是,該研究并沒(méi)有將NC與SDN結(jié)合,僅僅考慮到OpenFlow面臨的各種流中,可能存在由NC產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流,并且,該研究只考慮了蝶形網(wǎng)絡(luò),而非隨機(jī)的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。Liu和Hua[16]提出的在SDN上實(shí)現(xiàn)NC框架(framework for realizing network coding over SDN,NCoS)不單單將NC作為一種服務(wù)融合到SDN中,而是將NC的功能添加到SDN控制器和交換機(jī)中,真正意義上實(shí)現(xiàn)了二者的結(jié)合。文獻(xiàn)[17]從概念上進(jìn)一步融合NC與SDN,探討了二者的結(jié)合對(duì)5G傳輸存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的重要性——SDN技術(shù)帶來(lái)的靈活性和NC對(duì)于網(wǎng)絡(luò)容量的高效利用,成為5G時(shí)代必不可少的關(guān)鍵技術(shù)。隨后,Yang等[18]利用現(xiàn)有的編碼策略,結(jié)合服務(wù)質(zhì)量(quality of service, QoS)需求,提出了一種在OpenFlow協(xié)議中使用NC的框架(framework to enable networking coding in openflow protocol, NC-OF),推進(jìn)了NC與SDN相結(jié)合的研究工作。在此基礎(chǔ)上,Di等[19]為提高網(wǎng)絡(luò)性能,制定了合理的NC策略,提出了基于SDN的NC架構(gòu)(SDN-based network coding architecture, SDNC)。考慮到SDN網(wǎng)絡(luò)中的預(yù)約多播式流量等問(wèn)題,劉道桂[20]提出了一種可保證指定多播速率的網(wǎng)控編碼節(jié)點(diǎn)選取算法(network orchestrated coding nodes selection, NOCNS),還在尋找流間編碼條件下提出了SDN中一種面向流的協(xié)作編碼(flow-oriented collaborative coding, FCC)算法。Leyva等[21]為減輕長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)升級(jí)版(longterm evolution advanced, LTE-A)中基站的負(fù)擔(dān),同時(shí)提高吞吐量和能量增益,有效地進(jìn)行大規(guī)模內(nèi)容分發(fā),提出了一種NC協(xié)作(network-coded cooperation, NCC)協(xié)議,相較于之前均未涉及任何網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究而言,該研究雖是在LTE-A中展開(kāi),但未將SDN拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)等功能融入其中。

綜合前述工作可以發(fā)現(xiàn),一部分未涉及到任何網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),另一部分沒(méi)有深層次的、基于拓?fù)渑c流量特征的協(xié)同編碼。為了更好地將NC和SDN技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)中有機(jī)融合、相互促進(jìn),本文提出了一種MSC中基于SDN的拓?fù)涓兄猂LNC重傳機(jī)制(topology-aware RLNC retransmission scheme SDN-based in MSC,TRRS),貢獻(xiàn)如下:

(1) 為SDN控制器設(shè)計(jì)端口設(shè)備映射表,用于構(gòu)建全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

(2) 根據(jù)拓?fù)湫畔⑦x取最佳編碼包為來(lái)自同一MSC中丟失數(shù)據(jù)包的線(xiàn)性組合,并且給出了最佳編碼數(shù)據(jù)包格式。

(3) 提出了基于拓?fù)湫畔⒌腞LNC重傳方案,該方案分為4步:報(bào)告丟失數(shù)據(jù)包、生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、生成最佳編碼包、傳輸最佳編碼包。相比于傳統(tǒng)的RLNC,該方案有效地減少了重傳次數(shù),增加了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和彈性,降低了傳輸能耗。

1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及問(wèn)題分析

1.1 網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景描述

在5G蜂窩系統(tǒng)中,MSC在維持網(wǎng)絡(luò)連接性、滿(mǎn)足時(shí)空變化流量需求的同時(shí),為UEs提供更好的蜂窩QoS[3],并且使系統(tǒng)吞吐量得到很大提升。

SDN作為一種全新的組網(wǎng)設(shè)計(jì)思想,通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)的控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離,構(gòu)建開(kāi)放可編程的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。OpenFlow是連接SDN控制層和轉(zhuǎn)發(fā)層的協(xié)議,為網(wǎng)絡(luò)控制層操作轉(zhuǎn)發(fā)層的路由器、交換機(jī)等設(shè)備提供鏈路通道[22]。

基于SDN的MSC無(wú)線(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[23]如圖1所示,以應(yīng)用OpenFlow協(xié)議為基礎(chǔ),其基本架構(gòu)主要由核心網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)、移動(dòng)終端3部分組成,①其中，核心網(wǎng)主要由核心網(wǎng)OpenFlow控制器(core network OpenFlow controller, NOFC)和核心網(wǎng)OpenFlow協(xié)議網(wǎng)關(guān)(core network openflow gateway, NOFG)組成；對(duì)于每一個(gè)無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)都包含1個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)OpenFlow控制器(radio network OpenFlow controller, ROFC)和各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)接入接口(network radio access interface, NRAI)；移動(dòng)終端具備多種無(wú)線(xiàn)接入接口可以同時(shí)連接不同網(wǎng)絡(luò)。各部分內(nèi)的網(wǎng)元設(shè)備均支持OpenFlow協(xié)議,從而利用SDN技術(shù)增加網(wǎng)絡(luò)彈性,促進(jìn)各類(lèi)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的融合。

1.2 問(wèn)題分析

在圖1所示的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中,每個(gè)UE都會(huì)接收到應(yīng)用服務(wù)器下發(fā)的數(shù)據(jù)包,但由于環(huán)境等影響,UEs可能會(huì)丟失不同的數(shù)據(jù)包,因此產(chǎn)生編碼機(jī)會(huì),若采用傳統(tǒng)的RLNC,則所有丟失的數(shù)據(jù)包將隨機(jī)組合,并且隨機(jī)傳輸給NRAI,從而導(dǎo)致大量冗余數(shù)據(jù)包的傳輸,浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源。若將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⑷诤系絉LNC的編碼過(guò)程中,則可以根據(jù)拓?fù)湫畔⑦x取特定的丟失數(shù)據(jù)包進(jìn)行組合,并且傳輸給特定的NRAI,有效減少數(shù)據(jù)包的重傳次數(shù)。

2 系統(tǒng)模型

本節(jié)將描述本方案采用的系統(tǒng)模型,并陳述RLNC數(shù)據(jù)包重傳方法。

2.1 系統(tǒng)模型

在圖1所示的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中,內(nèi)容分發(fā)發(fā)生在兩個(gè)階段:蜂窩階段和TRRS階段。

(1) 蜂窩階段

首先將NRAI(主要是LTE網(wǎng)中的eNodeB，簡(jiǎn)寫(xiě)為eNB、3G中NodeB簡(jiǎn)寫(xiě)為NB、Wi-Fi的AP等)[24-26]從服務(wù)器中請(qǐng)求到的內(nèi)容進(jìn)行分組,每組包含G個(gè)數(shù)據(jù)包,P={P1,P2,P3,…,PG},用Pi(0≤i≤G)來(lái)表示第i個(gè)數(shù)據(jù)包,進(jìn)而將G個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸給蜂窩內(nèi)的m個(gè)UEs。由于信道干擾等因素,蜂窩階段傳輸會(huì)存在丟包,因此為每個(gè)UE設(shè)置了一個(gè)接收數(shù)據(jù)包索引P*,用于定義第k個(gè)UE接收到的數(shù)據(jù)包的順序:

(1)

(2) TRRS階段

各UE向該MSC中的NRAI發(fā)送丟包報(bào)告,NRAI進(jìn)而將報(bào)告?zhèn)鬏斀oSDN控制器,其根據(jù)接收到的報(bào)告生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?并根據(jù)丟失的數(shù)據(jù)包確定最佳編碼包組合,進(jìn)而傳輸給服務(wù)器生成最佳編碼包,并將其發(fā)送到目標(biāo)NRAI,再?gòu)V播給MSC中的UEs,最后各UE根據(jù)接收到的編碼包與緩存的數(shù)據(jù)包解碼得到原始數(shù)據(jù)包。

2.2 分析模型

定義 1數(shù)據(jù)包類(lèi)型

在傳輸過(guò)程中,將數(shù)據(jù)包Pi按照是否被成功接收分為以下兩種。

Ri:UEs成功接收的數(shù)據(jù)包Pi;

Li:UEs未接收到,在傳輸中丟失的數(shù)據(jù)包Pi。

每個(gè)UE通過(guò)報(bào)告將有關(guān)數(shù)據(jù)包以及拓?fù)湫畔⑼ㄖo應(yīng)用服務(wù)器,服務(wù)器根據(jù)接收到的報(bào)告生成編碼包Ci用于重傳,Ci根據(jù)是否即時(shí)可解分為以下3種。

τ1不可即時(shí)解碼數(shù)據(jù)包:Ci包含多個(gè)Li;

τ2即時(shí)可解碼數(shù)據(jù)包:Ci僅包含一個(gè)Li或者τ1中獨(dú)立線(xiàn)性數(shù)據(jù)包的數(shù)量等于Ci的數(shù)量;

τ3冗余數(shù)據(jù)包:Ci不包含任意一個(gè)Li。

結(jié)合基于SDN的MCS無(wú)線(xiàn)異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)景定義。

CBi最佳編碼包:來(lái)自于同一MSC中丟失數(shù)據(jù)包的線(xiàn)性組合,即同一NRAI傳輸?shù)木幋a包。

主要目的為減少數(shù)據(jù)包的重傳次數(shù)R,表示每個(gè)UE可以解碼所有丟失的數(shù)據(jù)包之前,應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送的CBi的總數(shù),此處假設(shè)Li≠?,?Pi∈P。因此,分析模型的重點(diǎn)在于找到CBi的傳輸次數(shù)Ri。

定義 2CBi數(shù)量

蜂窩階段結(jié)束后,定義Gi為每個(gè)UE接收到的原始數(shù)據(jù)包數(shù)量;在TRRS階段,從服務(wù)器中傳輸?shù)腃Bi的數(shù)量為R,n為網(wǎng)絡(luò)中NRAI的數(shù)量?；诖?在期望的傳輸可靠性為σ的情況下,將R*定義為應(yīng)用服務(wù)器需要傳輸?shù)淖钌俚腃Bi數(shù)量,即

R*min{R|σ≤FR(R;n)}

(2)

式中:FR為R的累積分布函數(shù)(cumulative distribution function,CDF)[25]；σ為FR的閾值,其值需根據(jù)應(yīng)用程序內(nèi)容分發(fā)的需求進(jìn)行選取。

將Ri定義為傳輸給每個(gè)NRAI的CBi的數(shù)量,NRAI的索引值為i,總數(shù)為n,一代的大小為G:

(3)

(4)

Ri也可定義為第i個(gè)NRAI的編碼矩陣滿(mǎn)秩需要CBi的數(shù)量,則Ri的CDF為

(5)

基于此,可得R的CDF為

FR(R)minFR(R;i)

(6)

顯然地,對(duì)任意FR(R;i)均滿(mǎn)足FR(R;i)≥FR(R)。進(jìn)一步來(lái)講,必然存在解碼出整代數(shù)據(jù)包最低概率的NRAI表示為i?滿(mǎn)足FR(R;i?)=FR(R),因此:

R*min{R|σ≤FR(R;i?)}

(7)

2.3 RLNC分組重傳

RLNC數(shù)據(jù)包重傳,即使用RLNC組合多個(gè)丟失的數(shù)據(jù)包,在服務(wù)器中編碼k個(gè)重傳的數(shù)據(jù)包可以表示為

(8)

式中：編碼系數(shù)矩陣β是從隨機(jī)域F(28)[9-11]中選取的。

RLNC平均數(shù)據(jù)包重傳次數(shù)為

(9)

3 TRRS最佳編碼包重傳方案

首先分析利用MSC中基于SDN的拓?fù)湫畔⑷绾螠p少編碼包的傳輸次數(shù),在此基礎(chǔ)上,詳細(xì)介紹所提出的TRRS最佳編碼包重傳方案及算法。

3.1 理論分析

在蜂窩階段結(jié)束后每個(gè)UE接收到一定數(shù)量的數(shù)據(jù)包,并且將其丟失數(shù)據(jù)包信息報(bào)告給NRAI,考慮如下情形:MSC1中的eNB接收到報(bào)告，UE1丟失數(shù)據(jù)包P1,UE2丟失數(shù)據(jù)包P2；MSC2中的AP接收到報(bào)告，UE3丟失數(shù)據(jù)包P3,UE4丟失數(shù)據(jù)包P2；則在服務(wù)器中丟失數(shù)據(jù)包有4種可能的組合:P1+P2+P3、P1+P2、P2+P3、P1+P3。若服務(wù)器發(fā)送P2+P3給eNB、P1+P2給AP,則UE1無(wú)法接收到P1、UE3無(wú)法接收到P3,從而導(dǎo)致更多的重傳;以上假設(shè)情況忽略了拓?fù)湫畔?由拓?fù)淝闆r可知:eNB的最佳編碼數(shù)據(jù)包組合為P1+P2或者P1+P2+P3,AP的最佳編碼數(shù)據(jù)包組合為P2+P3或者P1+P2+P3,因此,若對(duì)于每個(gè)eNB和AP發(fā)送最佳編碼包,則只需要重傳一次即可使所有MSC中的UEs接收到全部的數(shù)據(jù)包,從而減少重傳次數(shù)。

相較于此,在傳統(tǒng)未知拓?fù)淝闆r下的RLNC中,每種編碼數(shù)據(jù)包等概率出現(xiàn),對(duì)于每個(gè)NRAI來(lái)說(shuō)，接收到最佳編碼數(shù)據(jù)包的概率均為0.5,因此所有UEs恢復(fù)丟失數(shù)據(jù)包所需的平均重傳次數(shù)為R=(0.5×2+0.5×1)×2=3次。

由以上分析可得,在已知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒌那闆r下,應(yīng)用服務(wù)器為每個(gè)NRAI發(fā)送最佳編碼數(shù)據(jù)包,可以減少傳輸次數(shù),提高系統(tǒng)的吞吐量。

3.2 TRRS方案設(shè)計(jì)

圖2為系統(tǒng)架構(gòu),包括應(yīng)用服務(wù)器、NOFG[27]、SDN控制器、NRAI、UEs。

TRRS算法:

(1) 報(bào)告丟失數(shù)據(jù)包

在蜂窩階段,NRAI將服務(wù)器發(fā)送的G個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸給其所屬M(fèi)SC中的UEs,每個(gè)UE將其丟失數(shù)據(jù)包信息報(bào)告給其蜂窩內(nèi)的NRAI,丟失報(bào)告包含:UE的MAC-ID、丟失的數(shù)據(jù)包索引值。

(2) 生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

由于在SDN控制器中包含具有路由計(jì)算、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)等功能的模塊,因此,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒃赟DN控制器中生成。MSC中的NRAI通過(guò)OpenFlow協(xié)議與SDN控制器進(jìn)行通信,NRAI將其接收到的丟包報(bào)告連同該NRAI的IP地址和端口號(hào)信息通過(guò)數(shù)據(jù)流傳輸給NOFG,通過(guò)控制流在SDN控制器中生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?并且將對(duì)應(yīng)于每個(gè)NRAI最佳數(shù)據(jù)包的組合信息附加到丟包報(bào)告中發(fā)送給應(yīng)用服務(wù)器。由于在移動(dòng)UEs切換到新的MSC之前,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔３植蛔?因此,端口設(shè)備映射信息僅包含在第一個(gè)丟包報(bào)告中。

(3) 生成最佳編碼包

當(dāng)應(yīng)用服務(wù)器接收到包含丟失數(shù)據(jù)包、端口設(shè)備映射信息、最佳數(shù)據(jù)包組合的報(bào)告后,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?采用RLNC編碼方式對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼,生成最佳編碼包。在此,我們將最佳編碼包頭根據(jù)需要設(shè)置為如圖3所示的內(nèi)容,并將最佳編碼包頭放在IP數(shù)據(jù)包頭后,傳輸層包頭前生成最佳編碼包,如圖4所示。

(4) 傳輸最佳編碼包

應(yīng)用服務(wù)器將生成的編碼包傳輸給目標(biāo)NRAI,NRAI將編碼包廣播給各UE。對(duì)于每個(gè)UE來(lái)說(shuō),冗余數(shù)據(jù)包τ3被丟棄,不可即時(shí)解碼數(shù)據(jù)包τ1被緩存,包含不可即時(shí)解碼數(shù)據(jù)包的所有線(xiàn)性獨(dú)立的數(shù)據(jù)包均用于解碼接收到的線(xiàn)性組合的編碼包,當(dāng)移動(dòng)UEs接收到即時(shí)可解碼數(shù)據(jù)包τ2后,更新丟失報(bào)告。最終每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)獲得丟失的數(shù)據(jù)包,成功得到完整的數(shù)據(jù)包。各階段的丟失數(shù)據(jù)包索引及端口設(shè)備映射表示例如圖5所示。

Fig.1基于上述方案設(shè)計(jì)TRRS算法流程,如圖6所示。

在上述方案的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)算法來(lái)計(jì)算重傳次數(shù),以便證明本方案有效地減少了重傳次數(shù)。由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆S著MSC中UEs的移動(dòng)而變化,TRRS的重傳性能取決于拓?fù)?因此代替直接計(jì)算數(shù)據(jù)包平均重傳次數(shù),通過(guò)迭代來(lái)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包的重傳次數(shù)。

算法 1 TRRS輸入:用戶(hù)設(shè)備m,源文件P,端口設(shè)備映射表PT,PM矩陣,UE-IDs=False,重傳次數(shù)R=0輸出:重傳次數(shù)R

1:for all mi∈mdo2:for all Pj∈Pdo3: if Pj∈Lthen4:PM(mi,Pj)=05: else6:PM(mi,Pj)=17:end if8:end for9:end for10:While 有丟包 do11:[UE-IDs,P-IDs]=find(PM=0)12: for all mi∈UE-IDs AND mi==False do13:T-P-IDs=014:IP=NRAIi-IP15:T-UE-IDs=find(PT=IP)16:T-UE-IDs=True17:ID=find(PM(T-UE-IDs,:)=0)18:T-P-IDs=ID∪T-P-IDs19:CBi=RLNC(T-P-IDs)20:將CBi重傳給T-UE-IDs21:R=R+122: if mi接收到τ2 then23:PM(mi,Pj)=124:end if25:end for26: end while

在算法中定義find(PM=K)返回包含在PM中值為K的每個(gè)元素組成的向量,find(PT=K)返回包含在PT中值為K的每個(gè)元素組成的向量,PM(H,:)表示PM中第H行的所有元素,RLNC(T-P-IDs)表示對(duì)T-P-IDs集合中的數(shù)據(jù)包執(zhí)行RLNC編碼方法。相比于傳統(tǒng)的隨機(jī)結(jié)合所有的丟失數(shù)據(jù)包而言,此算法僅結(jié)合來(lái)自同一NRAI丟失的數(shù)據(jù)包,通過(guò)將不同的重傳編碼包廣播給不同MSC(通過(guò)NRAI的IP地址來(lái)識(shí)別)中的UEs,從而減少重傳次數(shù)。最后,當(dāng)所有的UEs均正確接收到了所有的數(shù)據(jù)包后,結(jié)束重傳。

考慮到在實(shí)際情況中,雖處于同一MSC,但不同的UEs與NRAI之間的距離不同,因此應(yīng)用服務(wù)器也可能會(huì)在不同時(shí)間接收到來(lái)自不同UEs的報(bào)告,此時(shí),應(yīng)用服務(wù)器將重傳過(guò)程分為多個(gè)子進(jìn)程,每個(gè)進(jìn)程僅對(duì)來(lái)自于同一NRAI中移動(dòng)UEs的丟失數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼,而無(wú)需接收到所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的報(bào)告,由于TRRS可以避免來(lái)自不同MSC中的UEs冗余丟包組合,因此與未結(jié)合MSC的SDNC、未將SDN的拓?fù)涔δ苡糜贜C的NCC相比,TRRS可以避免大量冗余編碼包的重傳。

4 仿真分析

為了評(píng)估本文所提出的TRRS重傳方案,我們使用OPENT Modeler 14.5平臺(tái)進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn),并與NCC傳輸和SDNC[19]架構(gòu)進(jìn)行比較,以凸顯TRRS方案在改善網(wǎng)絡(luò)性能,減少網(wǎng)絡(luò)流量中的優(yōu)勢(shì)。

4.1 仿真設(shè)置

在仿真中,考慮基于SDN的MSC,無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)為L(zhǎng)TE和WiFi,覆蓋范圍為200 m2,分別包含1個(gè)無(wú)線(xiàn)接入接口eNB和AP覆蓋范圍為100 m2的蜂窩區(qū)域[28],每個(gè)蜂窩小區(qū)內(nèi)包含m個(gè)移動(dòng)UEs。蜂窩階段:由NRAI向其蜂窩內(nèi)的UEs傳輸服務(wù)器下發(fā)的G個(gè)數(shù)據(jù)包[21];TRRS階段:各UE向其所屬蜂窩的NRAI發(fā)送丟包報(bào)告,進(jìn)而建立端口設(shè)備映射表,生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?應(yīng)用服務(wù)器基于此將拓?fù)涓兄猂LNC的最佳編碼包傳輸給各UE,即可解碼得到原始數(shù)據(jù)包。仿真在Windows 7系統(tǒng)上執(zhí)行,該系統(tǒng)由配備8 GB RAM的Core i7 3.40 GHz CPU的計(jì)算機(jī)上配置。表1為仿真參數(shù)配置。

表1 參數(shù)配置表Table 1 Parameter configuration table

4.2 仿真結(jié)果

4.2.1 移動(dòng)UEs的數(shù)量對(duì)重傳次數(shù)的影響

當(dāng)傳輸32個(gè)原始數(shù)據(jù)包時(shí),在ε為0.01的情況下,比較UEs的數(shù)量對(duì)系統(tǒng)中重傳次數(shù)的影響[29]。由圖7可見(jiàn),隨著UEs數(shù)量的增加,重傳次數(shù)也增加,這是由于當(dāng)UEs數(shù)量增加時(shí),網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)量也會(huì)增加,在ε一定的情況下,需要重傳的編碼包的數(shù)量也隨之增加,但是TRRS結(jié)合MSC卸載蜂窩流量的特點(diǎn)以及其傳輸最佳編碼包,因此具有拓?fù)湫畔⒌腘C相比于無(wú)拓?fù)湫畔⒑臀纯紤]MSC特點(diǎn)的NC會(huì)顯示出更高的傳輸效率。

4.2.2 丟包率對(duì)重傳次數(shù)的影響

當(dāng)每個(gè)MSC包含10個(gè)UEs和32個(gè)原始數(shù)據(jù)包時(shí),比較ε對(duì)重傳次數(shù)的影響。由圖8可見(jiàn),由于SDN的拓?fù)涓兄δ?TRRS和SDNC方案均優(yōu)于NCC。隨著丟包率從0.01增加到0.16,NCC方案所需重傳次數(shù)呈指數(shù)增長(zhǎng),由式(9)可知SDNC和TRRS方案的重傳次數(shù)呈線(xiàn)性增長(zhǎng)。與SDNC相比,TRRS平均減少了21.3%的重傳次數(shù),這是由于無(wú)線(xiàn)鏈路通信質(zhì)量劣于蜂窩鏈路,NC的適用性下降,因此基于SDN的蜂窩網(wǎng)絡(luò)彈性更好。

4.2.3 消耗能量

當(dāng)ε為0.01時(shí),傳輸32個(gè)原始數(shù)據(jù)包,比較TRRS、NCC、SDNC 3種方案的平均能耗。由圖9可見(jiàn),隨著移動(dòng)UEs數(shù)量的增加,3種傳輸方案的平均能耗呈穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì),但是由于MSC可以從宏蜂窩中卸載數(shù)據(jù)流量,很大程度上節(jié)約了能耗[30],因此TRRS和NCC的平均能耗低于SDNC,由于TRRS傳輸最佳編碼包,減少了傳輸次數(shù),因此相比于NCC,TRRS的平均能耗減少了12.4%。

5 結(jié) 論

本文提出了一種在MSC中基于SDN的具有拓?fù)涓兄δ艿腞LNC最佳編碼包重傳方案TRRS。所提出的TRRS將由SDN控制器獲得的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⑶度隦LNC中,智能地組合丟失數(shù)據(jù)包,并將其傳輸給對(duì)應(yīng)的NRAI。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方案有效地減少了重傳次數(shù),增加了網(wǎng)絡(luò)彈性,降低了蜂窩鏈路的能耗,節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)資源。