張小云

（武警甘肅總隊(duì)，甘肅臨夏　730030）

基于OpenFlow的軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)中頻譜分配

張小云

（武警甘肅總隊(duì)，甘肅臨夏730030）

隨著無線設(shè)備以及移動(dòng)應(yīng)用的大規(guī)模發(fā)展，現(xiàn)有的信道分配方式已經(jīng)無法滿足用戶的數(shù)據(jù)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(shù)的頻譜分配算法在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上面進(jìn)行了測試，但是在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中的頻譜分配算法設(shè)計(jì)少之又少。2008年開始出現(xiàn)的OpenFlow，作為軟件定義網(wǎng)絡(luò)的第一套接口標(biāo)準(zhǔn)，給網(wǎng)絡(luò)研究者帶來了曙光。本文基于OpenFlow設(shè)計(jì)了一個(gè)易于頻譜分配的軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分析了在軟件定義網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行頻譜分配的挑戰(zhàn)和意義。本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠和IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)無縫結(jié)合。希望本文設(shè)計(jì)的架構(gòu)能夠給未來無線網(wǎng)絡(luò)研究者一些啟發(fā)。

頻譜分配；OpenFlow；軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)

0　引 言

近年來，隨著無線設(shè)備的爆發(fā)式增長，同時(shí)為這些無線設(shè)備設(shè)計(jì)的移動(dòng)應(yīng)用也隨即呈現(xiàn)了迅猛增長勢頭。但是當(dāng)下基于WIFI的無線設(shè)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(shù)據(jù)需求的增長造成了無線通信體驗(yàn)的持續(xù)下降［2-3］。一獨(dú)立的無線設(shè)備，諸如一款智能手機(jī)或者一臺(tái)筆記本電腦上可能同時(shí)運(yùn)行著不同類型的應(yīng)用，具體來說可以是Bitorrent，迅雷之類的文件下載服務(wù)，Youku、Youtube之類的視頻服務(wù)，或者Dropbox、Icloud之類的云存儲(chǔ)服務(wù)。這些服務(wù)對(duì)于吞吐和延遲的需求是各不相同的。也就是在應(yīng)用之間，吞吐和延遲的要求表現(xiàn)出了異構(gòu)的特點(diǎn)，并且這些異構(gòu)性隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增長愈呈顯著與突出。

這種異構(gòu)性增加了設(shè)計(jì)新的頻譜分配算法來對(duì)有限的頻譜進(jìn)行有效利用的難度。針對(duì)這一問題，研究學(xué)界也已開始通過靈活的信道分配方式來應(yīng)對(duì)移動(dòng)應(yīng)用中的異構(gòu)性問題［4-5］。典型異構(gòu)性的情形中，設(shè)備將根據(jù)其相應(yīng)的能量限制和應(yīng)用類型來進(jìn)行頻譜分配，比如：筆記本電腦并不需重點(diǎn)關(guān)注能量限制的問題，相較其他設(shè)備而言可以采用更寬的頻譜寬度，因?yàn)樵谄溥\(yùn)行中能夠采用耗能的信號(hào)解析方式。而能量限制稍顯苛刻的平板電腦則需采用相對(duì)較窄的頻譜寬度，因其采用了相對(duì)節(jié)能的信號(hào)解析方式。能量限制最為嚴(yán)苛的手機(jī)即需要采用最窄的頻譜寬度和最佳節(jié)能的信號(hào)解析方式，這一設(shè)計(jì)能使其消耗最低的能量。視頻服務(wù)和文件下載服務(wù)采用較寬的頻譜寬度，skype、web瀏覽等服務(wù)采用相對(duì)較窄的頻譜寬度，在線游戲業(yè)務(wù)等采用最窄的頻譜寬度，卻是因?yàn)槠鋵?duì)應(yīng)的流量要求最小。通過這樣的靈活信道分配方式，異構(gòu)的服務(wù)需求將能夠得到切實(shí)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(zhí)行，必須對(duì)WIFI通信設(shè)備開展深入研究。網(wǎng)絡(luò)管理人員必須對(duì)每個(gè)接入點(diǎn)（AP）進(jìn)行單獨(dú)配置，相應(yīng)的通信協(xié)議也需要給予拓展重新設(shè)計(jì)，同時(shí)其中有關(guān)AP的配置以及通信協(xié)議的修改對(duì)于網(wǎng)絡(luò)造成的影響也將難于估計(jì)。并且在此設(shè)計(jì)中將涉及許多驅(qū)動(dòng)代碼的修改部分。另外，還由于無線設(shè)備以及芯片的生產(chǎn)廠商也較多，例如TP-Link、Cisco、Netgear、Atheros、博通、騰達(dá)等，針對(duì)如上設(shè)備的驅(qū)動(dòng)統(tǒng)統(tǒng)加以修改也不具現(xiàn)實(shí)可行性。這也是時(shí)下頻譜分配算法的局限性所在。

為了解決這一重點(diǎn)關(guān)鍵問題，工業(yè)界以及學(xué)術(shù)界開始研究新的網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDWN）應(yīng)運(yùn)而生。在軟件定義網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的管理邏輯是由通信設(shè)備上抽取而得，運(yùn)行到相應(yīng)的控制器中。網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳送行為由運(yùn)行在控制器上的新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議決定，該協(xié)議即經(jīng)由安全通道將數(shù)據(jù)傳送規(guī)則通過表的方式寫入到硬件設(shè)備中，硬件設(shè)備具體是按照這些表中的規(guī)則來執(zhí)行數(shù)據(jù)的傳送。如此邏輯與數(shù)據(jù)分離的方式使得SDWN更加適用于當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)組織形式，特別是云計(jì)算出現(xiàn)之后的網(wǎng)絡(luò)組織形式，與此同時(shí)也進(jìn)一步解決了現(xiàn)有的根據(jù)上世紀(jì)的樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的邏輯和數(shù)據(jù)并行工作在各個(gè)數(shù)據(jù)通信設(shè)備上的方式對(duì)于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性較差問題［6］。

雖然軟件定義網(wǎng)絡(luò)在有限網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域大行其道，但是在無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域卻少有建樹。軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)應(yīng)該精細(xì)籌劃，用來保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行細(xì)粒度信道分配的同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧能夠穩(wěn)定地工作運(yùn)轉(zhuǎn)。在此基礎(chǔ)上，還需要深入考慮應(yīng)用需求的異構(gòu)性，頻譜動(dòng)態(tài)特性。OpenFlow的出現(xiàn)，給軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展帶來了研究起色。作為軟件定義網(wǎng)絡(luò)的第一套接口定義標(biāo)準(zhǔn)，OpenFlow起源于斯坦福大學(xué)的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)證實(shí)驗(yàn)作業(yè)，后經(jīng)該學(xué)生導(dǎo)師Nick McKeown教授為首的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行擴(kuò)充而發(fā)展成為一套軟件定義網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。OpenFlow可以經(jīng)過修改運(yùn)行在IEEE802.11訪問介入設(shè)備上，從而將傳統(tǒng)松散的無線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)軟件定義的中心控制無線網(wǎng)絡(luò)。

本文展示了如何利用基于OpenFlow的軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度的頻譜分配，以應(yīng)對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求的異構(gòu)性。為此，本文設(shè)計(jì)了基于OpenFlow的軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分析了在該架構(gòu)下進(jìn)行細(xì)粒度頻譜分配的挑戰(zhàn)和解決方案。

1　設(shè)計(jì)框架及模塊

1.1頻譜管理架構(gòu)

研究中，本文提出了一種有效的頻譜管理架構(gòu)，具體如圖1所示。這種架構(gòu)無縫整合網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

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

1.2設(shè)計(jì)模塊

圖1描繪了整個(gè)頻譜分配架構(gòu)的組成以及中間的過渡接口，分別是：一個(gè)應(yīng)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(shí)現(xiàn)。在此，給出如下的實(shí)用性闡述與分析。

1.2.1應(yīng)用程序QoS管理模塊

主要針對(duì)不用的應(yīng)用程序產(chǎn)生不同的QoS需求。在無線網(wǎng)絡(luò)中，通常存在多個(gè)應(yīng)用程序共存的情況，比如說圖2所示的網(wǎng)絡(luò)場景。

網(wǎng)絡(luò)中存在一個(gè)控制器，3個(gè)無線接入點(diǎn)和9個(gè)移動(dòng)終端設(shè)備。接入第一個(gè)無線接入點(diǎn)的筆記本上面運(yùn)行著Netflix、Dropbox、Voip以及在線游戲4種應(yīng)用。其他8個(gè)接入設(shè)備也分別運(yùn)行著不同的應(yīng)用程序。這些應(yīng)用程序?qū)τ赒oS（比如說延遲、網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)、吞吐等）的要求是不盡相同的。相應(yīng)地，下載類應(yīng)用（比如說Dropbox、迅雷等）對(duì)于延遲和抖動(dòng)要求低，對(duì)于吞吐要求卻偏高；VoIP類應(yīng)用對(duì)于吞吐和延遲均有著一定的要求；在線游戲類應(yīng)用對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的吞吐要求較低，但是對(duì)于網(wǎng)絡(luò)延遲和抖動(dòng)要求則表現(xiàn)為較高。綜上可知，QoS管理模塊針對(duì)這些應(yīng)用關(guān)于QoS需求的多樣性，也將產(chǎn)生不同的需求，并通過北向接口發(fā)送給頻譜管理模塊。

圖2　不同延遲和吞吐需求的應(yīng)用同時(shí)存在于無線網(wǎng)絡(luò)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(yùn)行在控制器上，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)相鄰無線接入點(diǎn)之間的頻譜分配問題。協(xié)調(diào)方式是依據(jù)著色來規(guī)劃進(jìn)行的：著色集是802.11內(nèi)含的11個(gè)信道，著色的頂點(diǎn)是無線網(wǎng)絡(luò)中的所有無線接入點(diǎn)。并且，相鄰的接入點(diǎn)不會(huì)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(jìn)行著色（比如說A著1信道，與A相鄰的節(jié)點(diǎn)中無法都著6-11信道，由此則將優(yōu)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(yùn)行在無線接入點(diǎn)上，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)無線移動(dòng)設(shè)備的接入控制。接入控制策略采用最大權(quán)控制方法，也就是數(shù)據(jù)接入點(diǎn)上為到達(dá)其覆蓋的終端建立獨(dú)立的隊(duì)列。設(shè)計(jì)中，該接入點(diǎn)覆蓋終端的數(shù)據(jù)首先到達(dá)并將存儲(chǔ)在接入點(diǎn)的隊(duì)列中。每個(gè)時(shí)間片借助一定的策略選擇移動(dòng)終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，比如說若著重于吞吐的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，那么則將選擇如下的終端設(shè)備進(jìn)行傳輸：隊(duì)列長度和信道強(qiáng)度的乘積最大。

1.2.4底層接口實(shí)現(xiàn)

底層接口實(shí)現(xiàn)也稱為基帶虛擬化，全局的頻譜分配策略以及接入點(diǎn)本地的接入點(diǎn)控制策略需要執(zhí)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(shè)備。為了在商用設(shè)備上面獲得這樣的靈活性，需要構(gòu)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(gè)虛擬的基帶，而且這個(gè)基帶能由被控制層對(duì)頻譜配置接口進(jìn)行編程控制?；鶐摂M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(tǒng)計(jì)信息并發(fā)送給控制器進(jìn)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(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，就能夠?qū)ξ锢韺舆M(jìn)行相應(yīng)的配置管理。

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

2　實(shí)施方案

2.1硬件平臺(tái)

硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示，控制器采用運(yùn)行debian 8.0的linux服務(wù)器。接入點(diǎn)采用TP-link841n，接入點(diǎn)和服務(wù)器之間通過交換機(jī)選用有線連接。接入點(diǎn)運(yùn)行OpenWrt和OpenVswitch。其中，Openwrt是一個(gè)基于Linux的無線接入管理系統(tǒng)，OpenVswitch是openflow在Linux系統(tǒng)下的一個(gè)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)由控制器、接入點(diǎn)和移動(dòng)設(shè)備組成。下面將對(duì)其給出具體介紹。

圖4　實(shí)驗(yàn)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(wǎng)上的服務(wù)器作為控制器，負(fù)責(zé)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(diǎn)，負(fù)責(zé)接入移動(dòng)客戶端（比如手機(jī)、平板、筆記本等等）和固定客戶端（主要是臺(tái)式電腦），同時(shí)又在接入點(diǎn)上面實(shí)現(xiàn)了一個(gè)信息采集器的功能，由其負(fù)責(zé)采集無線網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息，比如說信道質(zhì)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(wǎng)卡的信道信息，并通過beacon將信息通知給客戶端?？蛻舳撕徒尤朦c(diǎn)之間則通過beacon協(xié)調(diào)信道的使用情況。

2.5分配策略

本文實(shí)行按流量和延遲屬性要求而按需分配的統(tǒng)籌策略，并將流量與延遲的反比作為頻譜分配的權(quán)值。權(quán)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(shí)驗(yàn)評(píng)估

在真實(shí)場景下，對(duì)本文設(shè)計(jì)的頻譜分配平臺(tái)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)仿真測試。主要是評(píng)估本文提出的管理架構(gòu)的總體性能。在控制器上，算法模擬無線網(wǎng)絡(luò)的上層行為，而且變換接入點(diǎn)以及移動(dòng)設(shè)備的位置，連帶20個(gè)不同鏈路的吞吐，這些鏈路的信號(hào)干擾比從-3 dB變化到28 dB，每個(gè)鏈路傳輸500個(gè)數(shù)據(jù)幀，頻率選擇集合為40 MHz、20 MHz、10 MHz、5 MHz。

仿真結(jié)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(shù)量。由此可以看出，本文提出的框架下，網(wǎng)絡(luò)的吞吐比傳統(tǒng)的802.11網(wǎng)絡(luò)更高一些，這也從根本上驗(yàn)證了集中式控制方式在無線網(wǎng)絡(luò)中的明確優(yōu)勢。

圖5　本文設(shè)計(jì)框架下和普通802.11網(wǎng)絡(luò)中的吞吐對(duì)比Fig.5 Throughput comparison between the proposed algorithm and 802.11 method

4　結(jié)束語

在本文中，運(yùn)用了克拉克-甘模型對(duì)通信的信道進(jìn)行建模。而且，基于無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淝闆r，本文研究了一種最大權(quán)算法用于移動(dòng)數(shù)據(jù)的offloading。經(jīng)仿真驗(yàn)證，這種算法比當(dāng)下的算法具有明顯優(yōu)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(xué)士，工程師，主要研究方向：智能系統(tǒng)、無線通信。