基于OpenFlow的软件定义无线网络中频谱分配

张小云

（武警甘肃总队，甘肃临夏　730030）

基于OpenFlow的软件定义无线网络中频谱分配

张小云

（武警甘肃总队，甘肃临夏730030）

随着无线设备以及移动应用的大规模发展，现有的信道分配方式已经无法满足用户的数据传输需求。之前的信道分配方式大多都建立在理论层面，虽然少数的频谱分配算法在实验平台上面进行了测试，但是在真实网络中的频谱分配算法设计少之又少。2008年开始出现的OpenFlow，作为软件定义网络的第一套接口标准，给网络研究者带来了曙光。本文基于OpenFlow设计了一个易于频谱分配的软件定义无线网络架构，分析了在软件定义网络中进行频谱分配的挑战和意义。本文设计的网络架构能够和IEEE802.11标准无缝结合。希望本文设计的架构能够给未来无线网络研究者一些启发。

频谱分配；OpenFlow；软件定义无线网络

0　引 言

近年来，随着无线设备的爆发式增长，同时为这些无线设备设计的移动应用也随即呈现了迅猛增长势头。但是当下基于WIFI的无线设备一般都工作在2.4 GHz和5 GHz频段［1］，频谱资源受到明确限制，数据需求的增长造成了无线通信体验的持续下降［2-3］。一独立的无线设备，诸如一款智能手机或者一台笔记本电脑上可能同时运行着不同类型的应用，具体来说可以是Bitorrent，迅雷之类的文件下载服务，Youku、Youtube之类的视频服务，或者Dropbox、Icloud之类的云存储服务。这些服务对于吞吐和延迟的需求是各不相同的。也就是在应用之间，吞吐和延迟的要求表现出了异构的特点，并且这些异构性随着网络规模的增长愈呈显著与突出。

这种异构性增加了设计新的频谱分配算法来对有限的频谱进行有效利用的难度。针对这一问题，研究学界也已开始通过灵活的信道分配方式来应对移动应用中的异构性问题［4-5］。典型异构性的情形中，设备将根据其相应的能量限制和应用类型来进行频谱分配，比如：笔记本电脑并不需重点关注能量限制的问题，相较其他设备而言可以采用更宽的频谱宽度，因为在其运行中能够采用耗能的信号解析方式。而能量限制稍显苛刻的平板电脑则需采用相对较窄的频谱宽度，因其采用了相对节能的信号解析方式。能量限制最为严苛的手机即需要采用最窄的频谱宽度和最佳节能的信号解析方式，这一设计能使其消耗最低的能量。视频服务和文件下载服务采用较宽的频谱宽度，skype、web浏览等服务采用相对较窄的频谱宽度，在线游戏业务等采用最窄的频谱宽度，却是因为其对应的流量要求最小。通过这样的灵活信道分配方式，异构的服务需求将能够得到切实有效保障。

为了使得上文所述的信道分配方式能够获得理想高效执行，必须对WIFI通信设备开展深入研究。网络管理人员必须对每个接入点（AP）进行单独配置，相应的通信协议也需要给予拓展重新设计，同时其中有关AP的配置以及通信协议的修改对于网络造成的影响也将难于估计。并且在此设计中将涉及许多驱动代码的修改部分。另外，还由于无线设备以及芯片的生产厂商也较多，例如TP-Link、Cisco、Netgear、Atheros、博通、腾达等，针对如上设备的驱动统统加以修改也不具现实可行性。这也是时下频谱分配算法的局限性所在。

为了解决这一重点关键问题，工业界以及学术界开始研究新的网络管理架构，软件定义网络（SDWN）应运而生。在软件定义网络中，网络的管理逻辑是由通信设备上抽取而得，运行到相应的控制器中。网络中数据的传送行为由运行在控制器上的新的网络协议决定，该协议即经由安全通道将数据传送规则通过表的方式写入到硬件设备中，硬件设备具体是按照这些表中的规则来执行数据的传送。如此逻辑与数据分离的方式使得SDWN更加适用于当前的网络组织形式，特别是云计算出现之后的网络组织形式，与此同时也进一步解决了现有的根据上世纪的树形网络结构的逻辑和数据并行工作在各个数据通信设备上的方式对于当前网络的适应性较差问题［6］。

虽然软件定义网络在有限网络领域大行其道，但是在无线网络领域却少有建树。软件定义无线网络的设计应该精细筹划，用来保证整个网络在进行细粒度信道分配的同时，网络的协议栈能够稳定地工作运转。在此基础上，还需要深入考虑应用需求的异构性，频谱动态特性。OpenFlow的出现，给软件定义无线网络的发展带来了研究起色。作为软件定义网络的第一套接口定义标准，OpenFlow起源于斯坦福大学的一个网络安全认证实验作业，后经该学生导师Nick McKeown教授为首的研究团队进行扩充而发展成为一套软件定义网络标准。OpenFlow可以经过修改运行在IEEE802.11访问介入设备上，从而将传统松散的无线网络转变为一个软件定义的中心控制无线网络。

本文展示了如何利用基于OpenFlow的软件定义无线网络来实现细粒度的频谱分配，以应对实际应用需求的异构性。为此，本文设计了基于OpenFlow的软件定义无线网络架构，分析了在该架构下进行细粒度频谱分配的挑战和解决方案。

1　设计框架及模块

1.1频谱管理架构

研究中，本文提出了一种有效的频谱管理架构，具体如图1所示。这种架构无缝整合网络协议栈和无线网络基础设施。

图1　频谱分配总体框架Fig.1 The architecture of frequency allocation

1.2设计模块

图1描绘了整个频谱分配架构的组成以及中间的过渡接口，分别是：一个应用程序QoS管理模块、频谱分配管理模块，接入控制管理模块和底层接口实现。在此，给出如下的实用性阐述与分析。

1.2.1应用程序QoS管理模块

主要针对不用的应用程序产生不同的QoS需求。在无线网络中，通常存在多个应用程序共存的情况，比如说图2所示的网络场景。

网络中存在一个控制器，3个无线接入点和9个移动终端设备。接入第一个无线接入点的笔记本上面运行着Netflix、Dropbox、Voip以及在线游戏4种应用。其他8个接入设备也分别运行着不同的应用程序。这些应用程序对于QoS（比如说延迟、网络抖动、吞吐等）的要求是不尽相同的。相应地，下载类应用（比如说Dropbox、迅雷等）对于延迟和抖动要求低，对于吞吐要求却偏高；VoIP类应用对于吞吐和延迟均有着一定的要求；在线游戏类应用对于网络的吞吐要求较低，但是对于网络延迟和抖动要求则表现为较高。综上可知，QoS管理模块针对这些应用关于QoS需求的多样性，也将产生不同的需求，并通过北向接口发送给频谱管理模块。

图2　不同延迟和吞吐需求的应用同时存在于无线网络中Fig.2 Coexistence of applications with heterogeneous delay and throughput requirements

1.2.2频谱管理模块

频谱管理模块运行在控制器上，负责协调相邻无线接入点之间的频谱分配问题。协调方式是依据着色来规划进行的：着色集是802.11内含的11个信道，着色的顶点是无线网络中的所有无线接入点。并且，相邻的接入点不会选择相邻或者相同的颜色。如果不存在3着色（1、6、11信道）方案，那么使用最不干扰的信道进行着色（比如说A着1信道，与A相邻的节点中无法都着6-11信道，由此则将优先使用5信道，其次4信道）。

1.2.3接入控制模块

接入控制模块运行在无线接入点上，负责协调无线移动设备的接入控制。接入控制策略采用最大权控制方法，也就是数据接入点上为到达其覆盖的终端建立独立的队列。设计中，该接入点覆盖终端的数据首先到达并将存储在接入点的队列中。每个时间片借助一定的策略选择移动终端设备进行数据传输，比如说若着重于吞吐的目标实现，那么则将选择如下的终端设备进行传输：队列长度和信道强度的乘积最大。

1.2.4底层接口实现

底层接口实现也称为基带虚拟化，全局的频谱分配策略以及接入点本地的接入点控制策略需要执行频繁的物理层配置，并且需要不同的基带来支持类型不同的无线设备。为了在商用设备上面获得这样的灵活性，需要构建基带抽象层来解耦合物理层和射频前段之间的连接。该层提供了一个虚拟的基带，而且这个基带能由被控制层对频谱配置接口进行编程控制。基带虚拟化以及接口之间的交互如图3所示。一方面，频谱代理收集链路和信道的统计信息并发送给控制器进行分析决策。另一方面，频谱代理将物理层的基带接口暴露给频谱管理模块，频谱管理模块并不需要知道具体的实现细节，就能够对物理层进行相应的配置管理。

图3　基带虚拟化框架Fig.3 The architecture of base-band virtualization

2　实施方案

2.1硬件平台

硬件实验平台如图4所示，控制器采用运行debian 8.0的linux服务器。接入点采用TP-link841n，接入点和服务器之间通过交换机选用有线连接。接入点运行OpenWrt和OpenVswitch。其中，Openwrt是一个基于Linux的无线接入管理系统，OpenVswitch是openflow在Linux系统下的一个实现。整个系统由控制器、接入点和移动设备组成。下面将对其给出具体介绍。

图4　实验硬件框架Fig.4 The framework of experiments

2.2控制器

本文采用连接在以太网上的服务器作为控制器，负责频谱的分配。本文中，控制器部分采用了floodlight，这是一款基于java的openflow控制器。

2.3信息采集器

本文采用TP-link841n作为无线接入点，负责接入移动客户端（比如手机、平板、笔记本等等）和固定客户端（主要是台式电脑），同时又在接入点上面实现了一个信息采集器的功能，由其负责采集无线网络的状态信息，比如说信道质量，通信连接情况等。

2.4射频代理器

本文采用Linux下的Luci工具配置无线网卡的信道信息，并通过beacon将信息通知给客户端。客户端和接入点之间则通过beacon协调信道的使用情况。

2.5分配策略

本文实行按流量和延迟属性要求而按需分配的统筹策略，并将流量与延迟的反比作为频谱分配的权值。权值最高的使用40 MHz带宽，其次使用20 MHz带宽，再次使用10 MHz带宽，最差的使用5 MHz带宽。

3　实验评估

在真实场景下，对本文设计的频谱分配平台性能进行了实验仿真测试。主要是评估本文提出的管理架构的总体性能。在控制器上，算法模拟无线网络的上层行为，而且变换接入点以及移动设备的位置，连带20个不同链路的吞吐，这些链路的信号干扰比从-3 dB变化到28 dB，每个链路传输500个数据帧，频率选择集合为40 MHz、20 MHz、10 MHz、5 MHz。

仿真结果性能如图5所示，其中，纵轴是链路的平均吞吐，横轴是链路的数量。由此可以看出，本文提出的框架下，网络的吞吐比传统的802.11网络更高一些，这也从根本上验证了集中式控制方式在无线网络中的明确优势。

图5　本文设计框架下和普通802.11网络中的吞吐对比Fig.5 Throughput comparison between the proposed algorithm and 802.11 method

4　结束语

在本文中，运用了克拉克-甘模型对通信的信道进行建模。而且，基于无线网络的拓扑情况，本文研究了一种最大权算法用于移动数据的offloading。经仿真验证，这种算法比当下的算法具有明显优越性。

［1］WANG W，CHEN Y.A software-defined wireless networking enabled spectrummanagementarchitecture［J］.IEEECommunications Magazine，2016，15（5）：1033-1038.

［2］YIAKOUMIS Y，BANSAL M，COVINGTON A.Behop：A testbed for dense wifi networks［C］//Proceedings of the 9thACM International Workshop on Wireless Network Testbeds，Experimental Evaluation and Characterization.Maui，Hawaii，USA：ACM，2009：1-8.

［3］SHARMA S，STAESSENS D.In-band control，queuing，and failure recovery functionalities for openflow［J］.IEEE Network，2016，30（1）：106-112.

［4］SYAMA R，VARMA W，SIVALINGAM K.Dynamic drx algorithms for reduced energy consumption and delay in LTE networks［C］// Wireless Days（WD）.RiD De Janeiro，Brazil：IEEE，2014：1-8.

［5］CHEN K，HUANG P，WANG G S，et al.On the sensitivity of online game playing time to network qos［C］//INFOCOM.Barcelona，Catalunya，Spain：IEEE，2006：1-12.

［6］TASSIULAS L，EPHREMIDES A.Stability properties of constrained queueing systems and scheduling policies for maximum throughput in multihop radio networks［J］.Automatic Control，IEEE Transactions on，1992，37（12）：1936-1948.

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

张小云（1975-），男，学士，工程师，主要研究方向：智能系统、无线通信。