蜂窝网络信道分配均衡化控制器的设计与实现

李伟群

摘 要： 当前的蜂窝网络中，移动具有随机特征，使得蜂窝网络信道到达率、业务应用类型等都具有随机性，导致部分蜂窝网络信道负载过大，资源均衡性较差的缺陷。因此，依据分层架构和模块化思想，设计并实现蜂窝网络信道分配均衡化控制器，其包括应用层、控制层以及基础设施层。控制器的基础模块和应用模块协同运行，实现网络信道资源的均衡分配，控制器通过OpenFlow协议控制下的南向接口，同底层网络设备交流信息。蜂窝网络信道业务通过REST接口将资源申请命令反馈给控制器，促使控制器管理底层设备完成资源数据的转发，确保信道资源分配的均衡化。实验结果表明，所设计控制器下的网络信道吞吐量、平均系统公平性指数、用户平均中断概率以及信道负载率四个指标都较优秀，取得了令人满意的结果。

关键词： 蜂窝网络； 信道分配； 均衡控制器； 分层架构

中图分类号： TN926?34； TN929.53 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）22?0032?04

0 引 言

随着通信技术的发展，具有海量数据处理性能的蜂窝网络在不同的领域具有较高的应用价值。蜂窝网络规模较大，运行着较多的协议，传递海量信息，对网络信道的可靠性和均衡性要求较高[1?3]。当前的蜂窝网络中，移动具有随机特征，使得蜂窝网络信道到达率、业务应用类型等都具有随机性，出现部分蜂窝网络信道负载过大，资源均衡性较差的缺陷[4?6]。因此，寻求有效的方法，提高蜂窝网络信道资源分配的均衡化，对于增强蜂窝网络的性能具有重要意义。

文献[7]提出了跨层调度和资源分配方案，确保信道吞吐量最高化，实现信道分配均衡化控制，但是在部分信道状态下，调度速率高于互信息量，将导致信道数据包丢失。文献[8]提出一种依据OpenFlow网络的信道均衡控制方法，在信道带宽的约束下，通过失真优化方法获取可分级码流，确保信号传递和接收具有较高的稳定性，但是该方法需要在一定的带宽环境下实施，存在一定的局限性。文献[9]采用时间序列预测算法预测信道资源需求，通过带宽资源预留算法和负载均衡器，实现信道资源均衡化控制，但其存在控制效率低的缺陷。文献[10]分析了虚拟内容服务供应商方案，采用云服务供应商动态租赁信道资源，依据资源使用需求调控信道宽带资源，然而该方法的控制成本较高。

本文依据分层架构和模块化思想，设计并实现蜂窝网络信道分配均衡化控制器，其包括应用层、控制层以及基础设施层。控制器的基础模块和应用模块协同运行，实现网络信道资源的均衡分配。

1 信道分配均衡化控制器的设计与实现

1.1 控制器的总体架构

依据分层架构设计信道分配均衡化控制器包括应用层、控制层以及基础设施层。控制器采用南向接口OpenFlow协议控制蜂窝网络信道资源的转发行为，采用北向接口同应用层中的信道资源调度平台进行通信。蜂窝网络信道分配均衡化控制器的总体结构如图1所示。

基础设施层由信道分配均衡化控制器交换机构成，按照控制器反馈的流表规范对信道资源进行匹配、完成资源的转发和控制。信道分配均衡化控制器交换机的信息存储、流表生成、资源分配方案规划以及资源下发管理都由控制器完成。

控制层中运行蜂窝网络信道分配均衡化控制器的关键部件：控制器，其采用南向接口的OpenFlow协议，对交换机的数据转发过程进行控制。控制层通过REST北向接口为上层信道资源调度平台中的用户提供业务和资源的调用，管理蜂窝网络信道资源的均衡化分配。

应用层中存在OpenStack信道资源调度平台，其通过北向REST接口驱动控制器，对基础设施层中的交换机进行管理，实现总体蜂窝网络信道资源均衡分配的综合控制。

1.2 控制器的功能模块设计

控制器是信道分配均衡化控制器系统的关键，可对不同类型的蜂窝网络信息进行采集和操作。控制器包括基础模块和应用模块，两种模块协同运行，实现网络信道资源的均衡分配。其中：

（1） 基础模块是控制器实现蜂窝网络控制的关键，其负责蜂窝网络信息状态的采集、信道流量的分析、信道流量表的生成和发送等工作。基础模块由流表生成、信息存储、信道资源分配方案规划等模块构成。

（2） 应用模块在控制器启动时，按照不同的需求启动相应信道资源负载均衡以及资源分配均衡等应用模块，应用模块调用基础模块有关的功能和信息，完成信道资源均衡分配功能，同时给应用层提供资源和接口，支持蜂窝网络信道资源均衡调度业务的处理。

1.3 信道分配均衡化控制器的工作逻辑设计

控制器是信道分配均衡化控制器系统的控制中心，工作逻辑决定着控制器功能和性能的优劣，对总体蜂窝网络系统的运行具有重要作用。依据OpenFlow协议的工作原理，对控制器模块间的工作逻辑进行设计，如图2所示。

交换机同控制器相连后，向蜂窝网络设备管理模块进行注册，设备管理模块将交换机的信息保存在信息存储模块中，并塑造采集和传递两个线程，完成交换机数据的操作。

控制器采集线程获取交换机反馈的数据包后，将数据包输入队列排队操作中。采集线程在队列中获取数据包，并将数据包反馈给数据分发模块。

数据分发模块解析数据包，若其内容为设备信息，则将数据包反馈到设备管理模块进行操作；若是管理信息，则将数据包反馈到信道资源均衡分配方案规划模块中进行操作；若是网络数据，将数据包反馈到链路发现模块中，激发该模块的运行。

链路发现模块采集到数据包后，则运行链路发现过程，将数据包反馈给信道资源下发管理模块，信道资源下发管理模块将数据包封装成信息，同时将信息反馈给交换机。每完成一次链路发现过程，链路发现模块将链路信息保存在信息存储模块中，并将链路信息传输到网络拓扑模块中进行操作。

网络拓扑模块按照接收的链路信息塑造蜂窝网络拓扑结构，同时运算信道资源分配路径，并将信道资源分配路径信息保存在信息存储模块中，为其他模块提供分析依据。

资源分配方案规划模块全面分析蜂窝网络信息和控制信息，获取蜂窝网络信道资源分配方案，并将该信道资源分配方案传输给流表生成模块，获取相关的静态和动态流表。下发管理模块对流表以及发送给交换机的信息进行封装，并将封装好的数据包反馈给交换机的传递线程中进行排队。控制器各个模块间协调运行，确保控制器对蜂窝网络信道资源进行均衡分配，为网络的顺利运行提供保障。

1.4 控制器的接口体系设计

控制器通过接口体系同基层设施层、应用平面层以及控制平面层相连。控制器的接口体系由南向接口和北向接口构成。控制器通过OpenFlow协议控制下的南向接口，同底层网络设施交流资源调度信息；蜂窝网络信道业务通过北向REST接口将资源申请命令反馈给控制器，促使控制器管理底层设备完成资源数据的转发，实现信道资源的均衡分配。

1.4.1 控制器通过南向接口同底层网络设施通信

采用OpenFlow协议涉及南向接口，实现控制器同底层交换机交流信息。数据包通过南向接口被传输到控制器中进行操作，控制器按照底层网络拓扑以及交换机情况，运算出网络信道操作流程和流表，并将运算结果通过南向接口反馈给交换机。交换机按照OpenFlow协议对控制器反馈的流表信息进行解析和存储，当出现新数据时，将其同存储的流表进行对比，增强交换机转发数据的效率，提高网络信道资源分配效率。

OpenFlow协议规定控制器同交换机通过TCP完成通信，端口为6633，并且设置交换机和控制器通信的消息类型结构，消息类型包括交换机和控制器实现连接时采用的HELLO，ECHO以及VENDOR等消息；控制器询问交换机信息以及传递管理信息的FEATURES和CONFIG消息，还描述了其他控制器对交换机的控制信息。这些信息类型实现了控制器同交换机间的交互，确保控制器对总体蜂窝网络信道资源均衡分配控制的准确性 。

1.4.2 控制器采用北向接口同上层业务通信

上层业务应用通过控制器的北向接口，驱动控制器对蜂窝网络信道资源进行调度，实现网络信道资源对上层应用的均衡化。采用REST API方案设计控制器北向接口，具有较强的关联性和可寻址性。控制器依据北向接口REST同上层融合蜂窝网络信道资源分配平台OpenStack间进行通信，实现管理平台通过控制器对底层网络资源的编排和调度，完成信道资源的均衡控制。

控制器与蜂窝网络信道资源分配平台整合的架构如图3所示。

2 实验分析

为了验证本文设计的控制器的性能优劣，进行相关的实验分析。实验对某多用户、单小区蜂窝网络信道资源使用情况进行分析。实验从网络信道吞吐量、平均系统公平性指数、用户平均中断概率以及信道负载率四个指标，分析本文控制器、多信道调度方法以及跨层调度方法的性能。

分析图4可以看出，随着蜂窝网络信号质量的提高，也就是平均SNR的增加，三种控制方法下的信道吞吐量都不断增加，并且本文控制方法下的信道吞吐量明显高于其他两种控制方法。

实验通过公平性指数评估两种方法下信道的公平性，进而分析不同蜂窝网络用户的平均吞吐量变化。如图5所示。公平性指数表达式为：

[JE=k=1Krk2Kk=1Kr2k]

式中：JE为公平性指数；[rk]表示第k个用户的速率；k表示当前用户；K表示总用户数量。

分析图5可得，相对于其他两种控制方法，本文控制器下的信道资源均衡控制的平均系统公平性最高，本文方法可实现最高的平均系统公平性主要是因为本文方法依据分层架构和模块化思想，通过应用层、控制层以及基础设施层的协同运行，实现网络信道资源的均衡分配，确保用户间网络信道资源使用的长期公平性。

三种控制方法下的信道平均中断概率如图6所示。

分析图6可得，当信道的平均信号质量SNR低于17 dB时，本文控制方法概率的信道平均中断概率略高于其他两种控制方法，当信道平均信号质量SNR高于17 dB时，随着信道平均信号质量的增加，本文控制方法下的信道平均中断概率远远低于其他两种控制方法，并且跨层调度方法下的信道平均中断概率迅速增加，本文方法的平均中断概率始终保持在较低的水平。主要因为本文控制方法可确保用户资源调度过程处于平稳状态，使得总体信道具有较低的平均中断概率。而跨层调度方法，对用户未设置最高速率约束，若用户处于资源较多的环境下，则具有较高的数据速率，使得信道平均中断概率迅速提升。信道负载率越低，网络信道控制的时耗越高，网络趋于平稳的时间越长。因此，实验对比分析本文控方法和跨层调度方法下的信道负载率情况如图7所示。

从图7中可以看出，本文控制方法下的信道负载率低于跨层调度方法，并且随着节点数量的增加，两种方法间的差距逐渐增加。说明本文控制方法具有较高的适应性，鲁棒性较高。

3 结 论

本文依据分层架构和模块化思想，设计并实现蜂窝网络信道分配均衡化控制器，其包括应用层、控制层以及基础设施层。控制器的基础模块和应用模块协同运行，实现网络信道资源的均衡分配。控制器通过OpenFlow协议控制下的南向接口同底层网络设备交流信息；蜂窝网络信道业务通过REST接口将资源申请命令反馈给控制器，促使控制器管理底层设备完成资源数据的转发，确保信道资源分配的均衡化。

实验结果说明，所设计控制器下的网络信道吞吐量、平均系统公平性指数、用户平均中断概率以及信道负载率四个指标都较优秀，取得了令人满意的结果。

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