蜂窩網絡信道分配均衡化控制器的設計與實現

李偉群

摘 要： 當前的蜂窩網絡中，移動具有隨機特征，使得蜂窩網絡信道到達率、業務應用類型等都具有隨機性，導致部分蜂窩網絡信道負載過大，資源均衡性較差的缺陷。因此，依據分層架構和模塊化思想，設計并實現蜂窩網絡信道分配均衡化控制器，其包括應用層、控制層以及基礎設施層。控制器的基礎模塊和應用模塊協同運行，實現網絡信道資源的均衡分配，控制器通過OpenFlow協議控制下的南向接口，同底層網絡設備交流信息。蜂窩網絡信道業務通過REST接口將資源申請命令反饋給控制器，促使控制器管理底層設備完成資源數據的轉發，確保信道資源分配的均衡化。實驗結果表明，所設計控制器下的網絡信道吞吐量、平均系統公平性指數、用戶平均中斷概率以及信道負載率四個指標都較優秀，取得了令人滿意的結果。

關鍵詞： 蜂窩網絡； 信道分配； 均衡控制器； 分層架構

中圖分類號： TN926?34； TN929.53 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）22?0032?04

0 引 言

隨著通信技術的發展，具有海量數據處理性能的蜂窩網絡在不同的領域具有較高的應用價值。蜂窩網絡規模較大，運行著較多的協議，傳遞海量信息，對網絡信道的可靠性和均衡性要求較高[1?3]。當前的蜂窩網絡中，移動具有隨機特征，使得蜂窩網絡信道到達率、業務應用類型等都具有隨機性，出現部分蜂窩網絡信道負載過大，資源均衡性較差的缺陷[4?6]。因此，尋求有效的方法，提高蜂窩網絡信道資源分配的均衡化，對于增強蜂窩網絡的性能具有重要意義。

文獻[7]提出了跨層調度和資源分配方案，確保信道吞吐量最高化，實現信道分配均衡化控制，但是在部分信道狀態下，調度速率高于互信息量，將導致信道數據包丟失。文獻[8]提出一種依據OpenFlow網絡的信道均衡控制方法，在信道帶寬的約束下，通過失真優化方法獲取可分級碼流，確保信號傳遞和接收具有較高的穩定性，但是該方法需要在一定的帶寬環境下實施，存在一定的局限性。文獻[9]采用時間序列預測算法預測信道資源需求，通過帶寬資源預留算法和負載均衡器，實現信道資源均衡化控制，但其存在控制效率低的缺陷。文獻[10]分析了虛擬內容服務供應商方案，采用云服務供應商動態租賃信道資源，依據資源使用需求調控信道寬帶資源，然而該方法的控制成本較高。

本文依據分層架構和模塊化思想，設計并實現蜂窩網絡信道分配均衡化控制器，其包括應用層、控制層以及基礎設施層。控制器的基礎模塊和應用模塊協同運行，實現網絡信道資源的均衡分配。

1 信道分配均衡化控制器的設計與實現

1.1 控制器的總體架構

依據分層架構設計信道分配均衡化控制器包括應用層、控制層以及基礎設施層。控制器采用南向接口OpenFlow協議控制蜂窩網絡信道資源的轉發行為，采用北向接口同應用層中的信道資源調度平臺進行通信。蜂窩網絡信道分配均衡化控制器的總體結構如圖1所示。

基礎設施層由信道分配均衡化控制器交換機構成，按照控制器反饋的流表規范對信道資源進行匹配、完成資源的轉發和控制。信道分配均衡化控制器交換機的信息存儲、流表生成、資源分配方案規劃以及資源下發管理都由控制器完成。

控制層中運行蜂窩網絡信道分配均衡化控制器的關鍵部件：控制器，其采用南向接口的OpenFlow協議，對交換機的數據轉發過程進行控制。控制層通過REST北向接口為上層信道資源調度平臺中的用戶提供業務和資源的調用，管理蜂窩網絡信道資源的均衡化分配。

應用層中存在OpenStack信道資源調度平臺，其通過北向REST接口驅動控制器，對基礎設施層中的交換機進行管理，實現總體蜂窩網絡信道資源均衡分配的綜合控制。

1.2 控制器的功能模塊設計

控制器是信道分配均衡化控制器系統的關鍵，可對不同類型的蜂窩網絡信息進行采集和操作。控制器包括基礎模塊和應用模塊，兩種模塊協同運行，實現網絡信道資源的均衡分配。其中：

（1） 基礎模塊是控制器實現蜂窩網絡控制的關鍵，其負責蜂窩網絡信息狀態的采集、信道流量的分析、信道流量表的生成和發送等工作。基礎模塊由流表生成、信息存儲、信道資源分配方案規劃等模塊構成。

（2） 應用模塊在控制器啟動時，按照不同的需求啟動相應信道資源負載均衡以及資源分配均衡等應用模塊，應用模塊調用基礎模塊有關的功能和信息，完成信道資源均衡分配功能，同時給應用層提供資源和接口，支持蜂窩網絡信道資源均衡調度業務的處理。

1.3 信道分配均衡化控制器的工作邏輯設計

控制器是信道分配均衡化控制器系統的控制中心，工作邏輯決定著控制器功能和性能的優劣，對總體蜂窩網絡系統的運行具有重要作用。依據OpenFlow協議的工作原理，對控制器模塊間的工作邏輯進行設計，如圖2所示。

交換機同控制器相連后，向蜂窩網絡設備管理模塊進行注冊，設備管理模塊將交換機的信息保存在信息存儲模塊中，并塑造采集和傳遞兩個線程，完成交換機數據的操作。

控制器采集線程獲取交換機反饋的數據包后，將數據包輸入隊列排隊操作中。采集線程在隊列中獲取數據包，并將數據包反饋給數據分發模塊。

數據分發模塊解析數據包，若其內容為設備信息，則將數據包反饋到設備管理模塊進行操作；若是管理信息，則將數據包反饋到信道資源均衡分配方案規劃模塊中進行操作；若是網絡數據，將數據包反饋到鏈路發現模塊中，激發該模塊的運行。

鏈路發現模塊采集到數據包后，則運行鏈路發現過程，將數據包反饋給信道資源下發管理模塊，信道資源下發管理模塊將數據包封裝成信息，同時將信息反饋給交換機。每完成一次鏈路發現過程，鏈路發現模塊將鏈路信息保存在信息存儲模塊中，并將鏈路信息傳輸到網絡拓撲模塊中進行操作。

網絡拓撲模塊按照接收的鏈路信息塑造蜂窩網絡拓撲結構，同時運算信道資源分配路徑，并將信道資源分配路徑信息保存在信息存儲模塊中，為其他模塊提供分析依據。

資源分配方案規劃模塊全面分析蜂窩網絡信息和控制信息，獲取蜂窩網絡信道資源分配方案，并將該信道資源分配方案傳輸給流表生成模塊，獲取相關的靜態和動態流表。下發管理模塊對流表以及發送給交換機的信息進行封裝，并將封裝好的數據包反饋給交換機的傳遞線程中進行排隊。控制器各個模塊間協調運行，確保控制器對蜂窩網絡信道資源進行均衡分配，為網絡的順利運行提供保障。

1.4 控制器的接口體系設計

控制器通過接口體系同基層設施層、應用平面層以及控制平面層相連。控制器的接口體系由南向接口和北向接口構成。控制器通過OpenFlow協議控制下的南向接口，同底層網絡設施交流資源調度信息；蜂窩網絡信道業務通過北向REST接口將資源申請命令反饋給控制器，促使控制器管理底層設備完成資源數據的轉發，實現信道資源的均衡分配。

1.4.1 控制器通過南向接口同底層網絡設施通信

采用OpenFlow協議涉及南向接口，實現控制器同底層交換機交流信息。數據包通過南向接口被傳輸到控制器中進行操作，控制器按照底層網絡拓撲以及交換機情況，運算出網絡信道操作流程和流表，并將運算結果通過南向接口反饋給交換機。交換機按照OpenFlow協議對控制器反饋的流表信息進行解析和存儲，當出現新數據時，將其同存儲的流表進行對比，增強交換機轉發數據的效率，提高網絡信道資源分配效率。

OpenFlow協議規定控制器同交換機通過TCP完成通信，端口為6633，并且設置交換機和控制器通信的消息類型結構，消息類型包括交換機和控制器實現連接時采用的HELLO，ECHO以及VENDOR等消息；控制器詢問交換機信息以及傳遞管理信息的FEATURES和CONFIG消息，還描述了其他控制器對交換機的控制信息。這些信息類型實現了控制器同交換機間的交互，確保控制器對總體蜂窩網絡信道資源均衡分配控制的準確性 。

1.4.2 控制器采用北向接口同上層業務通信

上層業務應用通過控制器的北向接口，驅動控制器對蜂窩網絡信道資源進行調度，實現網絡信道資源對上層應用的均衡化。采用REST API方案設計控制器北向接口，具有較強的關聯性和可尋址性。控制器依據北向接口REST同上層融合蜂窩網絡信道資源分配平臺OpenStack間進行通信，實現管理平臺通過控制器對底層網絡資源的編排和調度，完成信道資源的均衡控制。

控制器與蜂窩網絡信道資源分配平臺整合的架構如圖3所示。

2 實驗分析

為了驗證本文設計的控制器的性能優劣，進行相關的實驗分析。實驗對某多用戶、單小區蜂窩網絡信道資源使用情況進行分析。實驗從網絡信道吞吐量、平均系統公平性指數、用戶平均中斷概率以及信道負載率四個指標，分析本文控制器、多信道調度方法以及跨層調度方法的性能。

分析圖4可以看出，隨著蜂窩網絡信號質量的提高，也就是平均SNR的增加，三種控制方法下的信道吞吐量都不斷增加，并且本文控制方法下的信道吞吐量明顯高于其他兩種控制方法。

實驗通過公平性指數評估兩種方法下信道的公平性，進而分析不同蜂窩網絡用戶的平均吞吐量變化。如圖5所示。公平性指數表達式為：

[JE=k=1Krk2Kk=1Kr2k]

式中：JE為公平性指數；[rk]表示第k個用戶的速率；k表示當前用戶；K表示總用戶數量。

分析圖5可得，相對于其他兩種控制方法，本文控制器下的信道資源均衡控制的平均系統公平性最高，本文方法可實現最高的平均系統公平性主要是因為本文方法依據分層架構和模塊化思想，通過應用層、控制層以及基礎設施層的協同運行，實現網絡信道資源的均衡分配，確保用戶間網絡信道資源使用的長期公平性。

三種控制方法下的信道平均中斷概率如圖6所示。

分析圖6可得，當信道的平均信號質量SNR低于17 dB時，本文控制方法概率的信道平均中斷概率略高于其他兩種控制方法，當信道平均信號質量SNR高于17 dB時，隨著信道平均信號質量的增加，本文控制方法下的信道平均中斷概率遠遠低于其他兩種控制方法，并且跨層調度方法下的信道平均中斷概率迅速增加，本文方法的平均中斷概率始終保持在較低的水平。主要因為本文控制方法可確保用戶資源調度過程處于平穩狀態，使得總體信道具有較低的平均中斷概率。而跨層調度方法，對用戶未設置最高速率約束，若用戶處于資源較多的環境下，則具有較高的數據速率，使得信道平均中斷概率迅速提升。信道負載率越低，網絡信道控制的時耗越高，網絡趨于平穩的時間越長。因此，實驗對比分析本文控方法和跨層調度方法下的信道負載率情況如圖7所示。

從圖7中可以看出，本文控制方法下的信道負載率低于跨層調度方法，并且隨著節點數量的增加，兩種方法間的差距逐漸增加。說明本文控制方法具有較高的適應性，魯棒性較高。

3 結 論

本文依據分層架構和模塊化思想，設計并實現蜂窩網絡信道分配均衡化控制器，其包括應用層、控制層以及基礎設施層。控制器的基礎模塊和應用模塊協同運行，實現網絡信道資源的均衡分配。控制器通過OpenFlow協議控制下的南向接口同底層網絡設備交流信息；蜂窩網絡信道業務通過REST接口將資源申請命令反饋給控制器，促使控制器管理底層設備完成資源數據的轉發，確保信道資源分配的均衡化。

實驗結果說明，所設計控制器下的網絡信道吞吐量、平均系統公平性指數、用戶平均中斷概率以及信道負載率四個指標都較優秀，取得了令人滿意的結果。

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