软件定义网络在移动通信中的应用

摘 要：移动通信的发展极大地方便了人们的生活，使得人与人之间的联系更加紧密。软件定义网络（SDN）数控分离的设计理念可以使得网络获得很高的灵活性。本文从移动通信的发展出发，将SDN的设计理念迁移到移动通信的网络框架之中，探究使得移动通信网络更加灵活高效的合理方案。本文也参考OpenFlow协议提出了SDN与移动通信结合的具体方案。由于SDN网络架构的灵活多变，本文还将其与车联网相结合，用于改善道路交通拥堵等社会问题。除此之外，基于SDN的无线资源管理策略在提高无线资源的利用效率方面的优势也在本文进行探究。

关键词：移动通信；SDN；车联网；无线资源

中图分类号：TP393 文献标识码：A

通信，亦为人与人或人与自然之间通过某种行为或媒介进行的信息交流与传递，从广义上指需要信息的双方或多方在不违背各自意愿的情况下采用任意方法，任意媒质，将信息从某方准确安全地传送到另一方，简而言之，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，是用以传递边疆军事情报的一种通信方法。因此，烽火通信可以认为是人类历史上最早的光通信。苏武的“鸿雁传书”，用雁传递信息，报以危机，以得自保。中国清代以来自办电话与无线电，从军事到生活，通信功能的普及与运用使其至今蓬勃发展。

再来看现代通信，1793年，法國查佩兄弟在巴黎和里尔之间架设了一条230km长的接力方式传送信息的托架式线路；1796年，休斯提出了用话筒接力传送语音信息的办法，并且把这种通信方式称为—Telephone，一直延用至今；除此之外，电话、电报等技术使通信功能大幅度地完善。通信逐步成为当今世界最重要同时也是最基本的组成部分。

关于SDN（Software Defined Netwoks），其特点就是实现控制平面与数据平面的分离，通过协议将数据下发至底层的平面去执行。控制平面又被称为SDN的大脑，指挥整个数据网络的运行。SDN诞生于美国GENI项目资助的斯坦福大学Clean Slate课题，Clean Slate项目的最终目的是要重新发明因特网，旨在改变难以进化发展的现有网络架构。随后斯坦福大学的学生Martin Casado领导了一个关于网络安全与管理的项目Ethane，该项目试图通过一个集中式的控制器，让网络管理员基于网络流进行编程，从而实现对整个网络通信的安全控制。基于Ethane的启发，斯坦福大学Nick Mckeown教授为首的研究团队提出了Openflow的概念用于校园网络实验创新，发表论文阐述了其概念以及Openflow几大运用场景。基于Openflow给网络带来可编程的特征，SDN的概念应运而生。

基于SDN数据与控制平面分离的设计理念，移动通信的网络架构也可以引入SDN技术来更好地实现对用户服务质量的提高和资源利用率的提升。首先，SDN可以让移动通信的网络架构更加灵活，移动通信的网络开发者可以基于控制平面所提供的API接口通过软件定义的方式改变网络的状态。其次，由于数据与控制平面分离，使得每一层的网元能够更专注于自己的功能，处理能力和效率大大提高。基于SDN的理念，本文主要在以下3个方面进行研究：

一、SDN与移动通信网络架构

随着时代的发展，移动网络面临着用户繁多，高流量等问题。丰富多彩的移动数据业务激发了用户的需求，为提升网络的灵活性和高效性，将SDN运用于网络，克服移动网络的不利因素显得尤为重要。SDN最大的优势是使数据平面和控制平面分离，进而对网络设备的进行集中控制。以OpenFlow为代表的南向接口的提出使得底层的转发设备可以被统一控制和管理，从而使其透明化，使设备的虚拟化。多种多样的开放接口，推动网络能力被便捷地调用，支持网络数据的创新。

OpenFlow协议已经定义好了很多种适合网络灵活运行的行动，比如：必备行动中的Controller能够将数据包封装并转发给控制器，让控制器决定数据包的转发路径是什么；再比如Table，对数据包执行流表中已经定义好的行动；还有Drop指令，对没有定义的数据包或已经过期的数据包进行丢弃。基于SDN的设计理念，我们把它迁移到移动通信的网络架构中去，来提高移动通信的网络灵活性与高效性。

考虑到移动通信的特点，我们定义数据平面由多个基站（BS）构成，移动通信的数据包首先接入到距离用户最近的基站，随后由控制器优化路径进行存储转发，最终到达目的基站发送给目标用户，实现了通信的目的。在一个自治域内，所有基站集中控制于控制器，控制器维持着网络的控制平面，控制器可以查询BS的资源使用、负载等信息，负责网络资源的调配。

基于以上的网络框架，移动通信用户进行通信的模式可以概括如下：假设数据流从用户A转发到用户B，用户A先将数据包发送给附着基站1，此时基站1需要查询其本地流表中是否有数据包的转发路径。如果有，直接按流表进行操作；如果没有，则上报给控制器进行寻址。控制器掌握了其自治域内所有基站的网络拓扑和负载情况，所以可以更好地优化路径。除此之外，控制器也会给数据包配置相应的无线传输资源，用于进行数据传输。控制器做完决策后将其寻址和资源分配结果发送给基站1。收到指示的基站1将数据包按照要求转发给目的基站2，再由基站2发送给用户B，基站1 的流表项增加一项。如果再有用户A到用户B的数据包则直接按流表转发，不经过控制器，体现了数控分离的设计理念。

二、SDN与车联网

除了在移动网络架构上进行创新，车联网也是移动通信中一个热门的研究方向。当今，社会交通因汽车数量的增多而常常出现交通拥挤，交通安全性以及出行效率低等问题。与此同时汽车智能化的趋势日渐明显，预计 2017 年超过 60% 的新车将支持移动连接。2025 年所有新车都将联网，汽车将成为最大的移动终端。建立车联网来加强道路信息的沟通为解决这些问题提供了方向。随着移动通信的发展，其在车联网技术发展中有着至关重要的地位。

车辆网的定义为：车联网是以车内网、车际网和车载移动互联网为基础，融合了传感器、RFID（radio frequency identification）、数据挖掘、自动控制等相关技术，按照约定的通信协议和标准，在车与X（X：车、路、行人、互联网）交互过程中，实现车辆与公众网络的动态移动通信，是物联网技术在交通系统领域的典型应用。车联网至今有许多挑战，从结构方面来看，车联网的无线接入点与车上的基础设施的通信需要大量的RSU（road side unit）支撑，增加了能源的消耗；从通信标准来看，车联网需要低时延和高可靠性；从安全性能来看，车联网需要阻挡恶意信息、数据泄露等隐私问题以及网络连接问题。

本文中基于SDN的设计理念提出对移动通信网络架构的改进方案以适用车联网的应用场景。首先引入网元， controller即控制器，controller构成网络的控制平面，起到汇总道路车辆信息的作用。其次，大量的路侧单元（RSU）构成网络的数据平面，用于支撑车辆与网络进行通信，部署在沿路两侧始终保持与车辆的无线连接，实时发送控制信号给车辆。

汽车在道路行驶中，车辆通过车联网实时报告位置信息。在本方案中RSU起到了对数据进行采集和下发指令的作用。车辆将位置信息实时地传输给RSU进行收集，再由RSU上报给控制器进行汇总并且对数据进行分析。控制器基于当前时刻的路况状态，车流密度等因素优化出一条合适的行车路径并将其下发给沿路各无线节点RSU。RSU接收到路径信息后会在车辆接入后实时地为车辆进行控制，帮助车辆高效行驶并且协调全网的车流量。基于这样的方案，可以避免道路的拥堵程度，而且当路段出现突发情况的时候，可以灵活地对路径进行调整。值得注意的是SDN与车联网的结合，必须满足低时延高可靠性的要求，这样才能适应道路状态瞬息万变的特点。将SDN引入车联网后全网的车流量得到了极大地优化，可以明显改善交通拥堵等社会问题。

三、SDN与无线资源管理

在移动通信中，无论什么应用场景都离不开对无线资源的管理。将SDN技术与移动通信相结合必然存在如何合理进行无线资源管理问题。由于移动通信的特殊性，需要我们合理地处理移动性管理，无线资源分配和调度管理等问题。因此需要在SDN控制器上面加上相应的功能模块，以实现对移动通信网络的功能管理。我们可以从3个维度对无线资源管理进行划分，分别是频率维度，时间维度和空间维度。

在频率维度上面，SDN控制器可以灵活地分配用户所占用的信道中心频率和带宽。例如：对延时敏感的VOIP流可以使用一个带宽较窄但是干擾比较小的信道；对于数据业务则可以使用更宽的但是有一定干扰的信道。在时间维度上，SDN控制器可以分配用户占用信道的时间，通过在特定频率上给一个业务流分配信道占用时间，这个业务流能够得到的大致无线带宽就能被估算出来。在空间维度的参数主要包含了MIMO的流控制。无线接入节点能够支持越来越多的空间流（这里的空间流指天线流），从1～4个甚至是8个。由于能量和移动终端空间的限制，并不是所有传输都使用多空间流。SDN控制器可以调节移动终端的流，如果有需要甚至还能调节数据流的空间流。

基于SDN的无线资源管理可以使无线资源灵活高效地分配给用户，体现了SDN为移动通信带来的好处。

结论

本文主要研究了移动通信的发展，并将软件定义网络与移动通信的发展相结合提出了对未来移动通发展方向的构想。本文合理地将软件定义网络数控分离的设计理念迁移到移动通信的网络框架之中，使得网络的结构更加灵活多变，极大地改进了现有网络的性能。OpenFlow协议是实现SDN南向接口的关键技术，本文也参考OpenFlow协议提出了合理可行的具体方案。除此之外，本文还将理论与实践相结合，提出了车辆网应用场景的SDN架构，用于改善道路交通拥堵等社会问题，体现了学以致用的创新理念。文章最后提出了基于SDN的无线资源管理策略，能够提高无线资源的利用效率。

参考文献

[1]周炯槃，等.通信原理（第3版）[M].北京：邮电大学出版社，2008.

[2]王良民，等.5G车联网展望[J].网络信息安全学报，2016， 2（6）：1-12.

[3]李贺武，等.SDN+：基于SDN 的未来无线网络系统架构和扩展[J].邮电设计技术，2015 （10）：44-50.

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