軟件定義網絡的異構無線網絡資源分配框架

吳詩奎，王 艷

(1. 重慶工程學院 通識學院, 重慶 400056； 2.西南大學 計算機與信息科學學院, 重慶 400715)(*通信作者電子郵箱wuser0101@163.com)

0 引言

隨著智能便攜設備在蜂窩網絡[1]中的大量普及，流量需求呈幾何級增長[2]。為網絡運營商帶來了越來越多的技術難題。在第四代長期演進(Long Term Evolution, LTE)網絡[3]中，運營商擁有的無線局域網(Wireless Local Area Network, WLAN)[4]熱點可被集成到蜂窩網絡內，支持多無線電接入的智能設備將提供異構LTE和WiFi無線電接口的同時使用功能，以更高效地利用多無線電接入。為此，在網絡利用率方面，如何將增強后的異構帶寬集中分配到多無線電用戶設備顯得非常重要。

軟件定義網絡(Software Defined Network, SDN)[5]正成為多個領域的研究熱點。SDN通過將控制平面與數據平面分離，可支持各種新服務，包括SDN云數據中心[6]、SDN結合網絡功能虛擬化的FiWi接入體系[7]，以及利用SDN虛擬化的資源管理[8]。有些研究人員嘗試將SDN應用到LTE蜂窩網絡中, 如Gudipati等[9]將SDN理念應用到LTE無線接入網絡，將多個eNB(evolved Node Base)抽象為單個大基站，并集中管理無線資源，以實現負載平衡和利用優化; 崔競松等[10]提出基于SDN的縱深防御系統，檢測可疑虛擬機并控制其發出的流量，抑制來自虛擬機的攻擊行為，同時使用干擾圖計算無線資源分配，該方法比基于用戶速率的資源分配方法更加精細, 然而，其僅能處理與單無線電LTE網絡相鄰小區間的用戶; Mnedoca等[11]驗證了在異構無線網絡、基礎設施的無線網絡以及無基礎設施網絡(例如移動Ad Hoc網絡)中應用SDN方法的可行性; 何倩等[12]提出基于SDN的反飽和分組負載均衡方法，使得不管請求量如何變化，各云主機的資源利用率標準方差總比輪詢波動更小。

本文將SDN范式應用到LTE-WLAN集成網絡的異構資源分配中，將集中式解決方案的功能分解到指定網絡實體。不同于分布式網絡效用最大化(Network Utility Maximization, NUM)[13]框架，本文基于SDN的資源分配框架，以集中方式處理異構資源，模擬實驗結果表明所提框架的可行性。

1 基于SDN的資源分配框架

1.1 架構

將SDN控制器引入目標網絡，假定所有帶分組轉發功能的蜂窩網絡實體均遵循中央SDN控制器指示的轉發規則。本文資源分配方案的架構如圖1所示，SDN控制器應該集中地收集網絡拓撲，并在目標LTE/WLAN多無線電網絡中指定分組轉發和異構資源分配的決策，其后向網絡實體指示轉發規則和資源分配規則。圖1中S-GW(Serving Gate Way)代表服務網關； P-GW(Packet Gate Way)代表數據分組網關； RPC(Remote Procedure Call)表示遠程過程調用; PDCP(Packet Data Convergence Protocol)表示分組數據匯聚協議；RLC(Radio Link Control)表示無線鏈路層控制；MAC(Media Access Control)表示介質訪問控制；PHY(Physical)表示端口物理層。

圖1 基于SDN的異構資源分配

SDN控制器處的鏈路發現模塊，使用OpenFlow協議消息定位網絡中的交換實體，并通過OpenFlow的Packet-Out消息以及鏈路層發現協議(Link Layer Discovery Protocol, LLDP)分組來觸發鏈路發現程序。基于每個用戶u的連接和無線電狀態發生變化時的鏈路發現結果，SDN控制器為轉發實體生成相關的轉發規則。這些規則可以在SDN控制器和使用OpenFlow協議的交換實體之間進行交換。

關于目標網絡的所有全局信息均在SDN控制器處可用，由此使其成為以極小的通信開銷分配異構無線電資源的最佳選擇。根據每個用戶u的速率份額信息生成的用戶資源分配規則，且被傳輸到交換實體進行下行鏈路流量管理，進一步傳輸到用戶設備進行上行流量管理。由于WLAN鏈路是雙向的，需要根據用戶設備分別確定下行鏈路方向和上行鏈路方向的實際份額，并通知相關的交換實體。

1.2 設計過程

圖2給出了本文異構資源分配能量的SDN控制器的軟件設計及其控制轉發實體, 該圖還給出了所提框架在模擬空間中實施SDN控制器和交換機的集成方式。

圖2中的IRIS作為一個真實SDN控制器，基于Java編程語言，其基本組件包括一個鏈路發現模塊、一個拓撲管理模塊、一個設備管理模塊和一個轉發模塊。本文提出了一個異構資源分配模塊對IRIS進行增強。

圖2中的ns-3是一個包含轉發實體的模擬器。這里通過集成OpenFlow軟件實現分布，利用OpenFlow兼容模塊對ns-3 LTE和WLAN轉發實體進行增強。本文對模擬空間中的轉發實體也進行了增強，以使得ns-3內置的仿真設備通過一個連接網絡與真實SDN控制器進行通信。本文采用ns-3.19 中的LTE模擬模型，可以設定LTE模擬參數。通過使用這些完善的內置模型，能夠確保所提框架的可靠性能。

圖2 轉發實體在分組級模擬空間中的集成

1.3 異構資源分配模塊

SDN控制器包括一個異構資源分配模塊[14]，該模塊的作用是為每個具有實際通信數據流量的活躍用戶計算LTE和WLAN的速率份額信息。在本文基于價格的異構資源公平分配算法中，當小區用戶的數量上升時，每個用戶的速率份額也會隨之縮小。

1.3.1 異構LTE/WLAN多無線電資源分配

LTE-WLAN多無線電網絡中的資源分配問題可表示為式(1), 式中Uu(·)表示分配給用戶的所有異構帶寬之和的每用戶效用函數。式(1)能夠反映LTE-WLAN多無線電網絡中支持的異構帶寬聚合。假定接入鏈路容量比對應的核心網絡容量小得多，則僅需關注接入無線電鏈路，因此，式(1)能夠反映網絡利用率和公平性，并通過各種效用函數在網絡利用率和公平性之間作出權衡。

(1)

LTE無線電資源表示為時間和頻率的二維網格。頻率一般為5 MHz、10 MHz和20 MHz，時間單位為子幀(1 ms)/資源調度周期。資源分配的單位是12個子載波和7個符號的資源塊(Resource Block, RB)，對應于0.5 ms和180 kHz的時頻塊。

1.3.2 按比例公平分配資源

可以指定分別與LTE下行鏈路、LTE上行鏈路和WLAN鏈路相關的一組拉格朗日乘子：λ、μ和ν，以得到拉格朗日公式。λb為LTE eNBb中下行鏈路的價格信息，μb為b中上行鏈路的價格信息,νa為WLAN APa的價格信息。該拉格朗日公式具體如式(2)，c為一個較小的常數。

(2)

拉格朗日公式的對偶函數為:

(3)

式(2)的對偶問題轉化為：

minD(λ,μ,ν)

(4)

滿足λ≥0,μ≥0,ν≥0

本文應用梯度投影法來求解式(4)。通過減去與λb、μb和νa對偶函數的偏導數相乘的步長γ，在每次迭代中對LTE下行鏈路、LTE上行鏈路和WLAN鏈路的拉格朗日乘子λ、μ和ν進行更新。式中，[z]+=max{z,0}和c=1/2。

(5)

SDN控制器中，對每個用戶速率xu更新如下：

(6)

1.3.3 最大-最小公平資源分配算法

對于異構多無線電網絡來說，最大-最小公平性是一個非常重要的公平性準則。本文提出的第二個資源分配算法，旨在通過求解式(7)，對最小用戶速率進行最大化：

(7)

價格信息和更新規則與式(5)相同。根據式(8)中的規則對用戶速率進行更新。

(8)

2 功能驗證和評價

在完善的分組模擬空間中，真實SDN控制器和轉發實體的集成，可作為LTE/WLAN多無線電網絡場景的仿真測試環境。本文首先對所提框架進行功能驗證; 然后，研究網絡利用率和公平性能。

包含可用WLAN AP的LTE小區及其相鄰LTE小區場景，反映了LTE小區間的干擾。在第1個小區中存在3個用戶(用戶1、2和3)，分別被放置于小區中心、小區中部和小區邊緣位置。基于所處場景，每個用戶都可能在一個單獨的WiFi AP的覆蓋范圍中。實驗共采用8個場景：

場景1 所有用戶均無可用的WiFi AP；

場景2 僅處于小區中心的用戶1具有WiFi AP；

場景3 僅處于小區中部的用戶2具有WiFi AP；

場景4 僅處于小區邊緣的用戶3具有WiFi AP；

場景5 用戶1和用戶2具有單獨的WiFi AP；

場景6 用戶1和用戶3具有單獨的WiFi AP；

場景7 用戶2和用戶3有單獨的WiFi AP；

場景8 用戶1、2和3均有單獨的WiFi AP。

其中，用戶1、2和3可能被放置在WiFi AP覆蓋范圍內(或之外)。實驗中的用戶數量較少，以便于分析位置和可用AP等重要因素。在第2個小區中存在3個用戶即用戶4、5和6，分別被放置于小區邊緣、小區中部和小區中心位置。由于兩個小區間的干擾，每個用戶的下行鏈路MCS與上行鏈路MCS水平根據其所處的位置而不同。起初，所有的6個用戶均僅使用LTE，隨后在模擬時間5時，第1個小區中的3個用戶開始利用各自WiFi無線電的10 Mb/s份額。該場景充分強調了面對異構帶寬變化時資源分配方案的適應性。用戶數據報協議(User Datagram Protocol, UDP)僅被用于提供傳輸層的復用和解復用功能, 不執行傳輸層的端到端擁塞控制，因此用戶速率不受擁塞控制的影響。

2.1 總體網絡利用情況

圖3和表1給出了8個場景的總體網絡利用情況。比較的方法包括了資源分配的基準方法(非SDN)，基于SDN的方法在演進分組核心(Evolved Packet Core, EPC)中能消除通道，使得選擇性流量重定向得以繞開EPC，即：SDN控制器擴展了EPC功能，將控制平面與數據平面分離。然而，非SDN方法則無法做到上述功能，每種資源必須單獨考慮，在綜合資源分配考慮過程中較為乏力。在所有場景中，基于SDN的按比例分配方法均得到最優性能，這證明了異構資源的有效性。在場景4、5、6和7中，小區中部或小區邊緣的用戶僅WLAN AP可用，這說明了基準方法的網絡利用率低于基于SDN的最大-最小分配方法，后者旨在通過犧牲總體網絡利用率來實現所有用戶速率的均衡。而基準方法未綜合考慮LTE和WLAN資源，由此證明了對異構的LTE和WLAN資源進行整體分配的必要性。

圖3 不同場景的拓撲和場景

表1 不同場景下網絡總體利用率%

2.2 資源分配算法的收斂性

圖4給出了本文資源分配算法在場景7中的收斂性，假定所有用戶的起始速率為2 Mb/s。在基于SDN按比例分配方法中，用戶速率在收斂環約2 000次迭代后收斂至公平比例狀態。迭代次數代表SDN控制器的資源分配模塊中收斂環的計算次數。在模擬時間5，異構帶寬中發生了變化，用戶2額外使用了WiFi無線電資源。從該點開始，收斂環被觸發，收斂至新的公平狀態經過了大約3 000次迭代(圖4中迭代次數5 000開始)。然而，基于SDN的最大-最小分配方法中，在初始(圖4的0次迭代)和異構帶寬變化中(圖4的5 000次迭代后)，用戶速率均在1 000次迭代內收斂。

2.3 用戶速率的軌跡

圖5給出了用戶速率隨時間推移的變化。在模擬時間1時，用戶應用程序開始按照來自SDN控制器的資源分配規則來發送和接收數據包。在達到公平狀態之前存在一些延時，該延時與收斂環中的計算時間和OpenFlow消息交換有關。在模擬時間5處，一些用戶接入了額外的WiFi無線電，并在一些延時后，用戶速率表現出按比例的公平狀態。數據報傳輸和接收中存在一定隨機性，這是由于存在沖突和沖突-避免機制。同時，LTE eBM的確定性RB調度增加了使用LTE時速率的穩定性。另外，還可以看出，基于SDN按比例分配方法對于用戶1(中心位置)的速率提升尤為明顯，大幅優于另兩種方法。對于其他用戶，也有一定優勢。這充分證明了異構資源的有效性。

圖4 兩種基于SDN資源分配算法的收斂性

圖5 三種不同方法各用戶的速率

2.4 網絡利用率和公平性之間的權衡

對于8個不同的場景，圖6給出了本文SDN資源分配框架在異構資源利用率與多無線電用戶公平性之間的權衡，使用了Jain公平性指數[15]。

場景1中，所有用戶均無可用的WiFi AP，最能體現權衡的性能，由圖6的場景1坐標數值可以看出，與其他兩種方法相比，基于SDN按比例分配方法通過LTE和WLAN資源明顯提升了總體網絡利用率，同時保持僅使用LTE資源相同的公平性，同理參考其他場景，基于SDN按比例分配方法依然更優。多個異構無線電資源的SDN按比例分配方法，與傳統蜂窩網絡中單個資源的按比例公平分配所采用的基本原理是相同的。從圖6可以看到，8個場景中，基于SDN的最大-最小分配方法尋求用戶均衡性的同時利用異構資源，在指數為1時，按比例分配資源，基本取得了吞吐量與公平性間的平衡。圖6中，對于場景3、4、6和7，這些包含邊緣區域的用戶或不包含中心用戶的情形，基準方法(非SDN)未綜合考慮LTE和WLAN資源，在權衡方面明顯表現出短板，在一半場景中均未能獲得較好的權衡。

圖6 網絡吞吐量與Jain用戶公平性指數關系

2.5 分組延遲的討論分析

(9)

圖7 隊列分析模型

對于不同qnf的平均數據包延遲結果如圖8所示。根據文獻[16]提出的Jackson模型參數選取，使用參數μc=4 175(每秒響應數)，1/μs=9.8，qnf∈{0.04,0.25,0.5,1}。μb為每秒5 000個數據包(假定10 MHz LTE帶寬)。由圖8可知，到達率λ根據μc而變化，當qnf數值較小時，延遲幾乎不變，因為數據包正在被轉發到控制器的概率較低，因此，控制器隊列僅需要處理較少流量; 而當qnf數值較大時，控制器隊列需要處理較多流量，此時控制器處的排隊延遲成為主要因素。

圖8 不同qnf時平均數據包延遲結果

3 結語

本文將SDN范式應用到LTE-WLAN多無線電網絡的異構資源分配中，并進行了擴展。設計了基于SDN的集中式整體框架，通過預期的網絡利用率和公平性目標，向多無線電智能手機用戶分配異構無線電資源。在結合了SDN控制器和LTE/WLAN轉發實體的模擬空間中，進行了功能驗證和評價。所提框架可以更好地平衡網絡吞吐量和用戶公平性，以及較好的算法收斂性等特點，可行性較好。

雖然本文采用的IRIS，能夠將控制器的區域網絡抽象為單個交換機，配置出用于大規模網絡的分層式控制器，但將其部署于LTE/WLAN多無線電網絡中的方法尚待研究。