基于OpenFlow的軟件定義無線網絡中頻譜分配

張小云

（武警甘肅總隊，甘肅臨夏　730030）

基于OpenFlow的軟件定義無線網絡中頻譜分配

張小云

（武警甘肅總隊，甘肅臨夏730030）

隨著無線設備以及移動應用的大規模發展，現有的信道分配方式已經無法滿足用戶的數據傳輸需求。之前的信道分配方式大多都建立在理論層面，雖然少數的頻譜分配算法在實驗平臺上面進行了測試，但是在真實網絡中的頻譜分配算法設計少之又少。2008年開始出現的OpenFlow，作為軟件定義網絡的第一套接口標準，給網絡研究者帶來了曙光。本文基于OpenFlow設計了一個易于頻譜分配的軟件定義無線網絡架構，分析了在軟件定義網絡中進行頻譜分配的挑戰和意義。本文設計的網絡架構能夠和IEEE802.11標準無縫結合。希望本文設計的架構能夠給未來無線網絡研究者一些啟發。

頻譜分配；OpenFlow；軟件定義無線網絡

0　引 言

近年來，隨著無線設備的爆發式增長，同時為這些無線設備設計的移動應用也隨即呈現了迅猛增長勢頭。但是當下基于WIFI的無線設備一般都工作在2.4 GHz和5 GHz頻段［1］，頻譜資源受到明確限制，數據需求的增長造成了無線通信體驗的持續下降［2-3］。一獨立的無線設備，諸如一款智能手機或者一臺筆記本電腦上可能同時運行著不同類型的應用，具體來說可以是Bitorrent，迅雷之類的文件下載服務，Youku、Youtube之類的視頻服務，或者Dropbox、Icloud之類的云存儲服務。這些服務對于吞吐和延遲的需求是各不相同的。也就是在應用之間，吞吐和延遲的要求表現出了異構的特點，并且這些異構性隨著網絡規模的增長愈呈顯著與突出。

這種異構性增加了設計新的頻譜分配算法來對有限的頻譜進行有效利用的難度。針對這一問題，研究學界也已開始通過靈活的信道分配方式來應對移動應用中的異構性問題［4-5］。典型異構性的情形中，設備將根據其相應的能量限制和應用類型來進行頻譜分配，比如：筆記本電腦并不需重點關注能量限制的問題，相較其他設備而言可以采用更寬的頻譜寬度，因為在其運行中能夠采用耗能的信號解析方式。而能量限制稍顯苛刻的平板電腦則需采用相對較窄的頻譜寬度，因其采用了相對節能的信號解析方式。能量限制最為嚴苛的手機即需要采用最窄的頻譜寬度和最佳節能的信號解析方式，這一設計能使其消耗最低的能量。視頻服務和文件下載服務采用較寬的頻譜寬度，skype、web瀏覽等服務采用相對較窄的頻譜寬度，在線游戲業務等采用最窄的頻譜寬度，卻是因為其對應的流量要求最小。通過這樣的靈活信道分配方式，異構的服務需求將能夠得到切實有效保障。

為了使得上文所述的信道分配方式能夠獲得理想高效執行，必須對WIFI通信設備開展深入研究。網絡管理人員必須對每個接入點（AP）進行單獨配置，相應的通信協議也需要給予拓展重新設計，同時其中有關AP的配置以及通信協議的修改對于網絡造成的影響也將難于估計。并且在此設計中將涉及許多驅動代碼的修改部分。另外，還由于無線設備以及芯片的生產廠商也較多，例如TP-Link、Cisco、Netgear、Atheros、博通、騰達等，針對如上設備的驅動統統加以修改也不具現實可行性。這也是時下頻譜分配算法的局限性所在。

為了解決這一重點關鍵問題，工業界以及學術界開始研究新的網絡管理架構，軟件定義網絡（SDWN）應運而生。在軟件定義網絡中，網絡的管理邏輯是由通信設備上抽取而得，運行到相應的控制器中。網絡中數據的傳送行為由運行在控制器上的新的網絡協議決定，該協議即經由安全通道將數據傳送規則通過表的方式寫入到硬件設備中，硬件設備具體是按照這些表中的規則來執行數據的傳送。如此邏輯與數據分離的方式使得SDWN更加適用于當前的網絡組織形式，特別是云計算出現之后的網絡組織形式，與此同時也進一步解決了現有的根據上世紀的樹形網絡結構的邏輯和數據并行工作在各個數據通信設備上的方式對于當前網絡的適應性較差問題［6］。

雖然軟件定義網絡在有限網絡領域大行其道，但是在無線網絡領域卻少有建樹。軟件定義無線網絡的設計應該精細籌劃，用來保證整個網絡在進行細粒度信道分配的同時，網絡的協議棧能夠穩定地工作運轉。在此基礎上，還需要深入考慮應用需求的異構性，頻譜動態特性。OpenFlow的出現，給軟件定義無線網絡的發展帶來了研究起色。作為軟件定義網絡的第一套接口定義標準，OpenFlow起源于斯坦福大學的一個網絡安全認證實驗作業，后經該學生導師Nick McKeown教授為首的研究團隊進行擴充而發展成為一套軟件定義網絡標準。OpenFlow可以經過修改運行在IEEE802.11訪問介入設備上，從而將傳統松散的無線網絡轉變為一個軟件定義的中心控制無線網絡。

本文展示了如何利用基于OpenFlow的軟件定義無線網絡來實現細粒度的頻譜分配，以應對實際應用需求的異構性。為此，本文設計了基于OpenFlow的軟件定義無線網絡架構，分析了在該架構下進行細粒度頻譜分配的挑戰和解決方案。

1　設計框架及模塊

1.1頻譜管理架構

研究中，本文提出了一種有效的頻譜管理架構，具體如圖1所示。這種架構無縫整合網絡協議棧和無線網絡基礎設施。

圖1　頻譜分配總體框架Fig.1 The architecture of frequency allocation

1.2設計模塊

圖1描繪了整個頻譜分配架構的組成以及中間的過渡接口，分別是：一個應用程序QoS管理模塊、頻譜分配管理模塊，接入控制管理模塊和底層接口實現。在此，給出如下的實用性闡述與分析。

1.2.1應用程序QoS管理模塊

主要針對不用的應用程序產生不同的QoS需求。在無線網絡中，通常存在多個應用程序共存的情況，比如說圖2所示的網絡場景。

網絡中存在一個控制器，3個無線接入點和9個移動終端設備。接入第一個無線接入點的筆記本上面運行著Netflix、Dropbox、Voip以及在線游戲4種應用。其他8個接入設備也分別運行著不同的應用程序。這些應用程序對于QoS（比如說延遲、網絡抖動、吞吐等）的要求是不盡相同的。相應地，下載類應用（比如說Dropbox、迅雷等）對于延遲和抖動要求低，對于吞吐要求卻偏高；VoIP類應用對于吞吐和延遲均有著一定的要求；在線游戲類應用對于網絡的吞吐要求較低，但是對于網絡延遲和抖動要求則表現為較高。綜上可知，QoS管理模塊針對這些應用關于QoS需求的多樣性，也將產生不同的需求，并通過北向接口發送給頻譜管理模塊。

圖2　不同延遲和吞吐需求的應用同時存在于無線網絡中Fig.2 Coexistence of applications with heterogeneous delay and throughput requirements

1.2.2頻譜管理模塊

頻譜管理模塊運行在控制器上，負責協調相鄰無線接入點之間的頻譜分配問題。協調方式是依據著色來規劃進行的：著色集是802.11內含的11個信道，著色的頂點是無線網絡中的所有無線接入點。并且，相鄰的接入點不會選擇相鄰或者相同的顏色。如果不存在3著色（1、6、11信道）方案，那么使用最不干擾的信道進行著色（比如說A著1信道，與A相鄰的節點中無法都著6-11信道，由此則將優先使用5信道，其次4信道）。

1.2.3接入控制模塊

接入控制模塊運行在無線接入點上，負責協調無線移動設備的接入控制。接入控制策略采用最大權控制方法，也就是數據接入點上為到達其覆蓋的終端建立獨立的隊列。設計中，該接入點覆蓋終端的數據首先到達并將存儲在接入點的隊列中。每個時間片借助一定的策略選擇移動終端設備進行數據傳輸，比如說若著重于吞吐的目標實現，那么則將選擇如下的終端設備進行傳輸：隊列長度和信道強度的乘積最大。

1.2.4底層接口實現

底層接口實現也稱為基帶虛擬化，全局的頻譜分配策略以及接入點本地的接入點控制策略需要執行頻繁的物理層配置，并且需要不同的基帶來支持類型不同的無線設備。為了在商用設備上面獲得這樣的靈活性，需要構建基帶抽象層來解耦合物理層和射頻前段之間的連接。該層提供了一個虛擬的基帶，而且這個基帶能由被控制層對頻譜配置接口進行編程控制。基帶虛擬化以及接口之間的交互如圖3所示。一方面，頻譜代理收集鏈路和信道的統計信息并發送給控制器進行分析決策。另一方面，頻譜代理將物理層的基帶接口暴露給頻譜管理模塊，頻譜管理模塊并不需要知道具體的實現細節，就能夠對物理層進行相應的配置管理。

圖3　基帶虛擬化框架Fig.3 The architecture of base-band virtualization

2　實施方案

2.1硬件平臺

硬件實驗平臺如圖4所示，控制器采用運行debian 8.0的linux服務器。接入點采用TP-link841n，接入點和服務器之間通過交換機選用有線連接。接入點運行OpenWrt和OpenVswitch。其中，Openwrt是一個基于Linux的無線接入管理系統，OpenVswitch是openflow在Linux系統下的一個實現。整個系統由控制器、接入點和移動設備組成。下面將對其給出具體介紹。

圖4　實驗硬件框架Fig.4 The framework of experiments

2.2控制器

本文采用連接在以太網上的服務器作為控制器，負責頻譜的分配。本文中，控制器部分采用了floodlight，這是一款基于java的openflow控制器。

2.3信息采集器

本文采用TP-link841n作為無線接入點，負責接入移動客戶端（比如手機、平板、筆記本等等）和固定客戶端（主要是臺式電腦），同時又在接入點上面實現了一個信息采集器的功能，由其負責采集無線網絡的狀態信息，比如說信道質量，通信連接情況等。

2.4射頻代理器

本文采用Linux下的Luci工具配置無線網卡的信道信息，并通過beacon將信息通知給客戶端。客戶端和接入點之間則通過beacon協調信道的使用情況。

2.5分配策略

本文實行按流量和延遲屬性要求而按需分配的統籌策略，并將流量與延遲的反比作為頻譜分配的權值。權值最高的使用40 MHz帶寬，其次使用20 MHz帶寬，再次使用10 MHz帶寬，最差的使用5 MHz帶寬。

3　實驗評估

在真實場景下，對本文設計的頻譜分配平臺性能進行了實驗仿真測試。主要是評估本文提出的管理架構的總體性能。在控制器上，算法模擬無線網絡的上層行為，而且變換接入點以及移動設備的位置，連帶20個不同鏈路的吞吐，這些鏈路的信號干擾比從-3 dB變化到28 dB，每個鏈路傳輸500個數據幀，頻率選擇集合為40 MHz、20 MHz、10 MHz、5 MHz。

仿真結果性能如圖5所示，其中，縱軸是鏈路的平均吞吐，橫軸是鏈路的數量。由此可以看出，本文提出的框架下，網絡的吞吐比傳統的802.11網絡更高一些，這也從根本上驗證了集中式控制方式在無線網絡中的明確優勢。

圖5　本文設計框架下和普通802.11網絡中的吞吐對比Fig.5 Throughput comparison between the proposed algorithm and 802.11 method

4　結束語

在本文中，運用了克拉克-甘模型對通信的信道進行建模。而且，基于無線網絡的拓撲情況，本文研究了一種最大權算法用于移動數據的offloading。經仿真驗證，這種算法比當下的算法具有明顯優越性。

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Frequencies allocations in software-defined wireless network based on OpenFlow

ZHANG Xiaoyun
（Gansu Provincial PAP Corps，Linxia Gansu 730030，China）

With the large-scale development of wireless networks and wireless devices，communication approaches of current wireless network can no longer satisfy the requirements of the data transmission of users.Previous researches of wireless network are mainly focused on theoretical level，few of them are evaluated by true wireless network，and little algorithms on true wireless network is already available.OpenFlow proposed in 2008 is an actual standard of software defined wireless network，which enlightens the algorithms of frequencies allocations in wireless networks.This paper proposes a frequencies allocation architecture in software defined wireless network，and can work with current 802.11 wireless communication protocols.It is expected that the proposed work can promote the research work of wireless networks.

frequencies allocations；OpenFlow；software-defined wireless network

TP391.41

A

2095-2163（2016）03-0065-03

2016-05-12

張小云（1975-），男，學士，工程師，主要研究方向：智能系統、無線通信。