軟件定義網絡在移動通信中的應用

鐘镕徽

摘 要：移動通信的發展極大地方便了人們的生活，使得人與人之間的聯系更加緊密。軟件定義網絡（SDN）數控分離的設計理念可以使得網絡獲得很高的靈活性。本文從移動通信的發展出發，將SDN的設計理念遷移到移動通信的網絡框架之中，探究使得移動通信網絡更加靈活高效的合理方案。本文也參考OpenFlow協議提出了SDN與移動通信結合的具體方案。由于SDN網絡架構的靈活多變，本文還將其與車聯網相結合，用于改善道路交通擁堵等社會問題。除此之外，基于SDN的無線資源管理策略在提高無線資源的利用效率方面的優勢也在本文進行探究。

關鍵詞：移動通信；SDN；車聯網；無線資源

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

通信，亦為人與人或人與自然之間通過某種行為或媒介進行的信息交流與傳遞，從廣義上指需要信息的雙方或多方在不違背各自意愿的情況下采用任意方法，任意媒質，將信息從某方準確安全地傳送到另一方，簡而言之，通信就是互通信息。通信自古就有，烽火通信始于商周，延至明清，是用以傳遞邊疆軍事情報的一種通信方法。因此，烽火通信可以認為是人類歷史上最早的光通信。蘇武的“鴻雁傳書”，用雁傳遞信息，報以危機，以得自保。中國清代以來自辦電話與無線電，從軍事到生活，通信功能的普及與運用使其至今蓬勃發展。

再來看現代通信，1793年，法國查佩兄弟在巴黎和里爾之間架設了一條230km長的接力方式傳送信息的托架式線路；1796年，休斯提出了用話筒接力傳送語音信息的辦法，并且把這種通信方式稱為—Telephone，一直延用至今；除此之外，電話、電報等技術使通信功能大幅度地完善。通信逐步成為當今世界最重要同時也是最基本的組成部分。

關于SDN（Software Defined Netwoks），其特點就是實現控制平面與數據平面的分離，通過協議將數據下發至底層的平面去執行。控制平面又被稱為SDN的大腦，指揮整個數據網絡的運行。SDN誕生于美國GENI項目資助的斯坦福大學Clean Slate課題，Clean Slate項目的最終目的是要重新發明因特網，旨在改變難以進化發展的現有網絡架構。隨后斯坦福大學的學生Martin Casado領導了一個關于網絡安全與管理的項目Ethane，該項目試圖通過一個集中式的控制器，讓網絡管理員基于網絡流進行編程，從而實現對整個網絡通信的安全控制。基于Ethane的啟發，斯坦福大學Nick Mckeown教授為首的研究團隊提出了Openflow的概念用于校園網絡實驗創新，發表論文闡述了其概念以及Openflow幾大運用場景。基于Openflow給網絡帶來可編程的特征，SDN的概念應運而生。

基于SDN數據與控制平面分離的設計理念，移動通信的網絡架構也可以引入SDN技術來更好地實現對用戶服務質量的提高和資源利用率的提升。首先，SDN可以讓移動通信的網絡架構更加靈活，移動通信的網絡開發者可以基于控制平面所提供的API接口通過軟件定義的方式改變網絡的狀態。其次，由于數據與控制平面分離，使得每一層的網元能夠更專注于自己的功能，處理能力和效率大大提高。基于SDN的理念，本文主要在以下3個方面進行研究：

一、SDN與移動通信網絡架構

隨著時代的發展，移動網絡面臨著用戶繁多，高流量等問題。豐富多彩的移動數據業務激發了用戶的需求，為提升網絡的靈活性和高效性，將SDN運用于網絡，克服移動網絡的不利因素顯得尤為重要。SDN最大的優勢是使數據平面和控制平面分離，進而對網絡設備的進行集中控制。以OpenFlow為代表的南向接口的提出使得底層的轉發設備可以被統一控制和管理，從而使其透明化，使設備的虛擬化。多種多樣的開放接口，推動網絡能力被便捷地調用，支持網絡數據的創新。

OpenFlow協議已經定義好了很多種適合網絡靈活運行的行動，比如：必備行動中的Controller能夠將數據包封裝并轉發給控制器，讓控制器決定數據包的轉發路徑是什么；再比如Table，對數據包執行流表中已經定義好的行動；還有Drop指令，對沒有定義的數據包或已經過期的數據包進行丟棄。基于SDN的設計理念，我們把它遷移到移動通信的網絡架構中去，來提高移動通信的網絡靈活性與高效性。

考慮到移動通信的特點，我們定義數據平面由多個基站（BS）構成，移動通信的數據包首先接入到距離用戶最近的基站，隨后由控制器優化路徑進行存儲轉發，最終到達目的基站發送給目標用戶，實現了通信的目的。在一個自治域內，所有基站集中控制于控制器，控制器維持著網絡的控制平面，控制器可以查詢BS的資源使用、負載等信息，負責網絡資源的調配。

基于以上的網絡框架，移動通信用戶進行通信的模式可以概括如下：假設數據流從用戶A轉發到用戶B，用戶A先將數據包發送給附著基站1，此時基站1需要查詢其本地流表中是否有數據包的轉發路徑。如果有，直接按流表進行操作；如果沒有，則上報給控制器進行尋址。控制器掌握了其自治域內所有基站的網絡拓撲和負載情況，所以可以更好地優化路徑。除此之外，控制器也會給數據包配置相應的無線傳輸資源，用于進行數據傳輸。控制器做完決策后將其尋址和資源分配結果發送給基站1。收到指示的基站1將數據包按照要求轉發給目的基站2，再由基站2發送給用戶B，基站1 的流表項增加一項。如果再有用戶A到用戶B的數據包則直接按流表轉發，不經過控制器，體現了數控分離的設計理念。

二、SDN與車聯網

除了在移動網絡架構上進行創新，車聯網也是移動通信中一個熱門的研究方向。當今，社會交通因汽車數量的增多而常常出現交通擁擠，交通安全性以及出行效率低等問題。與此同時汽車智能化的趨勢日漸明顯，預計 2017 年超過 60% 的新車將支持移動連接。2025 年所有新車都將聯網，汽車將成為最大的移動終端。建立車聯網來加強道路信息的溝通為解決這些問題提供了方向。隨著移動通信的發展，其在車聯網技術發展中有著至關重要的地位。endprint

車輛網的定義為：車聯網是以車內網、車際網和車載移動互聯網為基礎，融合了傳感器、RFID（radio frequency identification）、數據挖掘、自動控制等相關技術，按照約定的通信協議和標準，在車與X（X：車、路、行人、互聯網）交互過程中，實現車輛與公眾網絡的動態移動通信，是物聯網技術在交通系統領域的典型應用。車聯網至今有許多挑戰，從結構方面來看，車聯網的無線接入點與車上的基礎設施的通信需要大量的RSU（road side unit）支撐，增加了能源的消耗；從通信標準來看，車聯網需要低時延和高可靠性；從安全性能來看，車聯網需要阻擋惡意信息、數據泄露等隱私問題以及網絡連接問題。

本文中基于SDN的設計理念提出對移動通信網絡架構的改進方案以適用車聯網的應用場景。首先引入網元， controller即控制器，controller構成網絡的控制平面，起到匯總道路車輛信息的作用。其次，大量的路側單元（RSU）構成網絡的數據平面，用于支撐車輛與網絡進行通信，部署在沿路兩側始終保持與車輛的無線連接，實時發送控制信號給車輛。

汽車在道路行駛中，車輛通過車聯網實時報告位置信息。在本方案中RSU起到了對數據進行采集和下發指令的作用。車輛將位置信息實時地傳輸給RSU進行收集，再由RSU上報給控制器進行匯總并且對數據進行分析。控制器基于當前時刻的路況狀態，車流密度等因素優化出一條合適的行車路徑并將其下發給沿路各無線節點RSU。RSU接收到路徑信息后會在車輛接入后實時地為車輛進行控制，幫助車輛高效行駛并且協調全網的車流量。基于這樣的方案，可以避免道路的擁堵程度，而且當路段出現突發情況的時候，可以靈活地對路徑進行調整。值得注意的是SDN與車聯網的結合，必須滿足低時延高可靠性的要求，這樣才能適應道路狀態瞬息萬變的特點。將SDN引入車聯網后全網的車流量得到了極大地優化，可以明顯改善交通擁堵等社會問題。

三、SDN與無線資源管理

在移動通信中，無論什么應用場景都離不開對無線資源的管理。將SDN技術與移動通信相結合必然存在如何合理進行無線資源管理問題。由于移動通信的特殊性，需要我們合理地處理移動性管理，無線資源分配和調度管理等問題。因此需要在SDN控制器上面加上相應的功能模塊，以實現對移動通信網絡的功能管理。我們可以從3個維度對無線資源管理進行劃分，分別是頻率維度，時間維度和空間維度。

在頻率維度上面，SDN控制器可以靈活地分配用戶所占用的信道中心頻率和帶寬。例如：對延時敏感的VOIP流可以使用一個帶寬較窄但是干擾比較小的信道；對于數據業務則可以使用更寬的但是有一定干擾的信道。在時間維度上，SDN控制器可以分配用戶占用信道的時間，通過在特定頻率上給一個業務流分配信道占用時間，這個業務流能夠得到的大致無線帶寬就能被估算出來。在空間維度的參數主要包含了MIMO的流控制。無線接入節點能夠支持越來越多的空間流（這里的空間流指天線流），從1～4個甚至是8個。由于能量和移動終端空間的限制，并不是所有傳輸都使用多空間流。SDN控制器可以調節移動終端的流，如果有需要甚至還能調節數據流的空間流。

基于SDN的無線資源管理可以使無線資源靈活高效地分配給用戶，體現了SDN為移動通信帶來的好處。

結論

本文主要研究了移動通信的發展，并將軟件定義網絡與移動通信的發展相結合提出了對未來移動通發展方向的構想。本文合理地將軟件定義網絡數控分離的設計理念遷移到移動通信的網絡框架之中，使得網絡的結構更加靈活多變，極大地改進了現有網絡的性能。OpenFlow協議是實現SDN南向接口的關鍵技術，本文也參考OpenFlow協議提出了合理可行的具體方案。除此之外，本文還將理論與實踐相結合，提出了車輛網應用場景的SDN架構，用于改善道路交通擁堵等社會問題，體現了學以致用的創新理念。文章最后提出了基于SDN的無線資源管理策略，能夠提高無線資源的利用效率。

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