一种基于软件定义的异构无线网络设计架构

倪光华,王光辉,张春晖

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.通信训练基地，河北 宣化 075100)

0 引言

随着业务需求的快速增长，多种无线网络技术蓬勃发展，能够综合利用多种通信资源、为用户提供更好体验的异构网络已经备受研究者的青睐。在异构无线网络中，不同的无线网络软、硬件设计能力不同，技术规范不同，使用的物理层或者MAC层不同，提供业务类型的能力不同，相应的管理机制和控制方式不同，造成异构网络在应用中常处于静态配置状态：使用者在网络建立之前需进行长时间筹划，确定传输手段、网络拓扑，选定硬件设备，搭建网络；网络搭建完成后，除极少数参数可供调整以外，难以根据环境和应用的变化，实现系统网络层面自动/受控调整[1]。

近年来信息与通信系统朝着软件定义一切的方向发展[2]，不断将其设计理念运用到异构无线通信网络系统设计中。从资源视角将无线传输和网络资源虚拟化[3]，采用集中调度的设计思路，通过感知环境和应用需求变化，动态调配传输和网络资源，将原有静态异构网络动态化，从而提升异构网络的动态调整能力，实现异构无线网络的自主动态组网[4]。

1 总体架构及信息流程

1.1 总体架构

基于软件定义的无线异构无线网络设计，借鉴了通用的软件定义网络(Software Defined Network，SDN)架构[5-6]，并融合了软件定义的无线电(Software Defined Radio，SDR)技术，实现对无线通信网络的智能化管控和调度。其技术核心为：在无线传输能力和网络转发能力虚拟化的基础上，充分获取业务传输需求以及环境电磁态势信息，采用集中调度的方式统一调配系统中通道、波形、时隙、频率等传输资源，达到传输带宽、时延、稳定性等多方面的综合最优，实现通信网络对传输任务的精确适配[7-8]。

基于软件定义的异构无线网络架构设计采用分层设计，参照标准SDN架构[8]，分为应用平面、控制平面、转发平面和传输平面，如图1所示。

图1 基于软件定义的异构无线网络架构Fig.1 Framework of heterogeneous wireless network based on software defined method

应用平面主要由多种网络应用软件组成，如网络规划、智能运维等，提供用户交互界面或接口，获取网络传输需求，生成对无线网络的总体控制需求，并下发至控制平面。

控制平面主要实现网络控制功能，包括组网控制、转发路由生成、接入控制、全网频谱感知、网络资源和传输资源调度等。在控制平面主要根据应用平面的传输需求，生成相应的传输策略和控制指令(流表指令)，并下发至转发平面。异构无线自组网的自主组网功能主要通过控制平面实现，其硬件表现形式为网络控制器。网络控制器在网络中可以存在多个，但只能有一个起效(主控制器)，从而支持实现网络的集中控制。

转发平面实现系统转发功能，包括按照流表设置进行数据转发、无线信道适配、网络拓扑发现等。转发平面中通过软硬件设计，实现组网、转发功能虚拟化。其硬件形式为网络中各节点上的转发器。

传输平面实现节点间的可靠稳定传输，由各节点上的多个无线传输通道和功能波形组成。在异构无线网络中，受传输距离、信道状态等多种因素影响，通信节点之间可采用的通信波形有较大差异，在SDR技术的支撑下，采用SCA架构可以实现无线传输能力虚拟化，支持波形和通道硬件的灵活配属，达到无线传输资源的灵活调配。

该总体架构基于分布部署[9-10]和集中控制思想，通过将网络控制进行集中管理，实现网络功能的灵活控制，具备更强的灵活性和业务适配传输能力，更适于实现无线网络的随遇接入、动态组网等应用需求。另外，基于该架构设计的各项网络功能主要通过控制平面实现，转发平面和传输平面负责执行控制平面下发的指令。这样以来，网络控制功能和转发、传输功能实现了完全分离，可将复杂的网络协议和硬件解耦，通过逻辑模型的抽象，实现网络管理的简化、自动化和智能化。

1.2 信息流程

基于软件定义的异构无线网络主要信息流程与标准SDN网络类似,如图2所示。由业务端发起传输，如本节点有相关流表信息，则执行转发“动作”；若无，则通过控制信道向网内主控制器发起“业务传输申请”，主控制器按照“申请”需求，根据网内拓扑、频谱及资源等状态，确定转发路径和路径各节点的传输通道、传输波形以及无线传输参数，并生成相应的流表报文，下发至相关节点处。节点中的流表也可以由网络主控制器按照应用软件设置，直接生成、下发，并存储在各节点中[11]。

图2 数据转发流程Fig.2 Procedure of data forwarding

由于网络行为的决策由控制器统一完成，在充分获取网络中资源状态(频率、通道、时隙等)和传输应用需求的基础上，计算得出对传输通道、波形、频率及转发策略等的精确控制指令，完成对无线传输和组网资源的按需调配。在满足任务要求的同时，最大程度地提升通信网络的资源利用率和服务质量，从而实现无线通信网络对传输任务的最优化适配[12-13]。

2 网络控制器设计

本文的异构网络设计架构中，网络的核心功能均由控制平面中的网络控制器实现，以下将做详细设计论述。转发平面和传输平面只是执行网络控制指令，主要涉及的NFV，SDR等关键技术与网络功能关联不大，本文不再赘述。

2.1 功能模块组成

网络控制平面功能主要依托网络中的控制器实现，控制器功能模块组成如图3所示。

图3 控制器功能模块组成框图Fig.3 Structure of control module

图中：

① 控制器北向接口：接收上层应用或其他设备传入的业务信息，包括业务配置、控制器配置、控制器倒换、业务重路由等输入控制，以及其他设备发现的邻居、信道信息等拓扑信息。

② 网络拓扑发现：完成整个网络的拓扑发现，通过接收设备的邻居信息和信道信息，合并收敛成一个整网拓扑，并将拓扑信息存入数据库中。

③ 业务路径计算：按照业务传输要求，计算网络中数据转发路由。控制器在计算路径时会读取数据库中的网络拓扑信息，进行端到端的路径计算，找出最优路径。

④ 传输资源感知：通过传输平面的感知波形或系统中其他感知设备，获取本节点的无线频谱、通道占用和时隙分配图案等资源状态，并通过网络化传输的方式汇总至全网主控制节点，用于网络的资源调度。

⑤ 传输通道控制：控制器在获取网络中各节点通道、距离、频谱等相关信息的基础上，生成各节点无线传输波形选择方案，并生成相应的无线传输通道的参数控制指令。

⑥ 操作维护管理(Operation Administration and Maintenance，OAM)适配：接收网络中各设备OAM模块上送的链路和设备的告警信息，触发业务路径的重新计算。

⑦ 路径管理：主要负责端到端的业务路径管理，接收业务配置、业务感知模块的路径计算请求，调用业务路径计算模块的工作路径和保护路径计算结果，产生路径上各节点设备的控制指令，并配置给路径中的所有节点。另外，路径管理模块也维护当前路径的状态，当外部OAM模块检测到路径故障时，路径管理模块向路径计算模块发起重新计算路由请求，并维护最新的路径计算结果。

⑧ 控制器选举：负责网络中主控制器的选举和备用控制器的选举。同时还负责监控网络中主、备控制器状态，如果控制器状态异常，重新发起选举以替换故障控制器。

⑨ 控制器同步：负责主控制器的数据同步到备用控制器，以保证主、备控制器的状态机以及输入的一致性，确保主、备控制器角色切换时现网业务无损。

⑩ 控制器南向接口：通过流表下发的方式，实现对传输平面和转发平面设备的控制。

2.2 网络管理流程

异构无线网络的组网功能由控制器实现，控制器分布式部署在网络拓扑中，所有备选控制器通过共识机制完成主控制器的选举。主控制器完成整个网络的集中式管控功能，通过网络拓扑自动发现、业务信息感知，实现业务路径规划及保护部署。主控制器负责将控制器正常运行所需要的所有数据同步到备用控制器。主控制器发生故障不工作后，网络中备用控制器将再次重新选举出新的主控制器，新主控制器接管整个网络的管控功能。由于新主控制器包含所有实时的数据，主、备控制器的选举过程以及切换过程，能平滑切换，保证业务无损。

在无线网络开始构建时，主控制器通过网络中存在的管理信道，获取全网各节点的资源状态(频谱、通道、时隙等)，以及节点间的互联拓扑。在无应用需求状态下，网络只处于“静默”和网络信息采集状态。

当主控制器收到本节点或者其他节点发送的传输请求(或者应用平面发出的网络构建指令)后，按照掌握的网络拓扑状态和全网资源状态，计算传输路径和路径节点配置，形成可执行流表，下发至路径相关节点；下发的流表中，除报文匹配规则和转发规则信息外，还包含了用于传输通道控制的资源调度信息(频率、波形、速率、时隙等)。网络的建立为按需建立过程，只有与传输需求路径相关的设备和通道会启动和工作，无需全网“启动”。

在网络中发生部分通信节点设备故障、部分光缆故障或者部分无线信道故障等情况时，主控制器依托网络中剩余通信能力，自动、智能计算出新的端到端业务路径，应用下发到网络中的通信设备，从而实现基于剩余通信能力的组网，最大化提供网络通信服务，提升网络的可用性保障能力。

网络拓扑发生变化后主控制器实时收集网络新拓扑，并在新拓扑无法满足原先部署的业务和保护路径需求时，对业务路径进行重路由计算，新路径下发到设备中，并拆除原先已失效的路径和传输通道配置，从而满足无线通信网络随遇接入的需求。通过网络中控制器的感知、计算、决策和指令下发等一系列操作，可实现异构无线网络的自主、智能组网[14-15]。

3 结束语

本文描述了一种基于软件定义的异构无线网络设计架构，并重点描述了网络控制器和网络控制流程设计。本文提出的网络设计架构，充分考虑了异构网络的动态组网需求，具备较强的灵活性和资源按需调配能力。此外，本文提出的网络设计架构也具备较强的可扩展性，在系统架构层面为异构无线网络的设计提供有益参考。在此架构基础上，可以进一步开展极低速信道适配、路径智能切换、传输意图识别等关键问题的研究和功能设计，从而最终实现异构无线网络的智能化组网。