SDN在移动通信的应用

　　随着通信的发展，人们的生活方式发生了极大的改变。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。本文将移动通信与SDN相结合，探究SDN在移动通信中的应用价值。本文将SDN与D2D通信模式相结合，提出了图书馆无线系统的实现方案;除此之外，本文还参考OpenFlow协议提出了基于SDN移动通信网络架构下的负载均衡方案;最后研究了SDN在无线资源虚拟化方面的优势与可行性方案。

　　随之而来的是现代通信技术的快速发展，尤其是在电报、电话和电磁波领域有了重要突破。例如：1837年世界上第一台电磁式电报机问世，1878年贝尔发明了世界上第一台电话机，实现了远距离语音通话技术，1906年又在语音通话的基础上研发出了无线电广播技术。人类的通信手段开始变得丰富多彩，不仅可以通过有线的方式进行通信还可以通过无线的方式进行信息沟通。由于我国现代化发展的特殊性，我国的通信产业尤其是移动通信的发展有着自己独特的发展道路。第一代移动通信系统主要是引进西方国家的先进技术，大量采购海外通信设备。由于第一代移动通信系统的积累，我国的设备制造商开始参与第二代移动通信系统标准的制定工作，在市场中也占有一定份额。我国在第三代移动通信系统的研发中开始主导标准化的工作，并且提出了有自主知识产权的TD-SCDMA制式。第四代移动通信我国已经将TD-LTE-Advanced技术规范成功地申请为国际标准，正式确认为4G国际标准，今后的通信的发展中国将赢得更多的优势。目前国际电信运营企业和制造企业均开始着手TD-LTE的发展研究了。伴随着移动通信的发展，SDN(softwaredefinednetworking，软件定义网络)技术也在蓬勃发展。它被视为未来IT行业的发展方向与关键技术，谷歌、华为和中国移动等大型公司也在纷纷部署和实现自己的SDN网络。SDN起源于斯坦福大学的CleanSlate项目组，属于互联网中的革命派。它主张打破现有网络的体系结构，重新设计出一种数控分离的网络架构。该架构由一个集中式的控制器来管理网络中的数据流量与路由选择，从而实现对整个网络通信的集中有效管理。2008年，McKeown等人在论文中明确定义了SDN网络架构中的南向接口，取名为OpenFlow协议。该协议将网络设备的数据平面和控制平面相分离，利用OpenFlow协议来实现数据平面与控制平面的信息交流。这种方式为网络带来了极大的灵活性，有利于推动网络创新和新兴业务的产生。

　　1基于SDN的D2D技术

　　在未来5G网络中，设备到设备通信(device-to-devicecommunication，D2D)可以实现短距离用户间的快速通信，在提高了业务响应时间的同时，也会带来网络容量、功率消耗和频谱效率的提升。D2D通信模式的控制平面仍然在基站侧，但是会话的数据可以在终端之间直接传输，不需要基站的中转，这样能提高网络的容量和响应时间。本文探究了在SDN网络架构下利用D2D传送模式的可能性。其控制平面由一个集中式的控制器构成，其数据平面由各个基站构成，数据平面与控制平面基于OpenFlow协议建立连接。控制器基于用户上报的信息，可以汇总出一幅全网的网络拓扑图，基于网络拓扑图可以在合适的时机触发D2D的通信模式。进而可以大大地提高网络容量，减少业务响应时间。我们用一个图书馆无线网络作为一个具体的应用场景进行方案设计。大量图书馆的用户同时在发送和接收很多的信息，由于人数众多，每一个基站的流量是巨大的，甚至会造成过载。如果相同的数据包被相邻的用户进行请求，可以考虑采用D2D的模式进行数据传输，进而缓解基站的压力，同时可以提高网络的容量，减少发送功率。不妨设想，A需要数据包a，几分钟后，B也同时需要数据包a，这时大可不必发送请求到基站要求基站寻找数据包再返回发送给B。B可以先向周围的用户发送hello包，得到周围用户的信息。再将得到的用户信息和请求一起发送给基站，这时，如果中央处理器检测到A在B的附近，而A在几分钟前已经接收过B所需要的数据包，就可以在A与B之间启用D2D通信模式，让A把数据包直接发送给B，这样就有效的减弱了基站的压力。而如果A不在B的附近，或者B的附近没有已经接收过这个数据包的用户，那么就还是依靠基站调取数据包来发送给B。

　　2基于SDN架构的移动通信网络架构与负载均衡

　　除了图书馆无线管理系统，我们可以将应用场景放大到移动通信网络架构的设计中去。在基于SDN的移动通信网络架构中，数据平面由基站(BS)构成，移动通信的数据包经过基站存储转发。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。在我们生活的城市移动网络的覆盖率已达到很高的水平，众所周知，信号的接收和发送就是通过基站来完成的，数据流从用户A转发到用户B需要经过以下步骤，我们考虑用户A和用户B在不同的基站信号的覆盖范围内，用户A先将数据包发送给附着基站1，基站1查询流表中是否有与数据包相匹配的转发路径。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。控制器将寻址结果发送给基站1，基站1将数据包转发给基站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。在移动通信中，存在数据业务分布不均匀的现象。例如：在商务区里，此刻是节假日，商场里人十分密集，所有人的手机接入商场附近的基站A，通过基站A来接收发送信息。基站A的流量有限，面对如此多的数据业务显然拥堵，商场附近的办公楼有基站B，手机也处于B的信号覆盖范围内，只是路径比较远。那么与其和其他无数的手机一起挤在已经达到负荷基站A，不如通过路径较远的基站B，虽然每次接收发送信息较慢一些，也比起在基站A处等待分配信道快。那么这就需要基站时时统计业务负载信息，通过计数器针对每张表、每个流、每个端口、每个队列来分别维护。实时监测基站内的信息流量，并上报给控制器，由控制器来分析数据，对数据流进行优化，优先选择负载较轻的路径，决策下发给基站执行。若周末商场人群密集程度较大，控制器就可将一些手机业务从A基站卸载到基站B，这样就有效的减轻了基站A的压力，同时提高了用户的通信速度。相对的，在工作日显然办公楼的人群密集程度较大，此时控制器就再将交换机划分给基站B。

　　3无线资源虚拟化

　　由于SDN数控分离的设计理念，我们可以将底层物理资源虚拟化，进而对网络应用体现出合适的业务支撑能力。在将SDN引入移动通信的过程中，虚拟化的难点在于如何将变化莫测的无线空口资源虚拟化成无线资源来进行调度。首先，各个基站将所拥有的各种物理资源通过香农公式将所拥有的无线频谱资源进行整合映射，将无线频谱资源折合成与速率相关的矩阵。SDN控制器负责上层虚拟资源管理，此时各个基站将无线链路信息上报到控制器汇总并处理信息。SDN控制器再根据映射后的矩阵，按需动态地为上层统一分配虚拟资源，根据用户的需求，将不同速率资源块打包，构成满足各个用户所需的合适速率的虚拟资源块。上层虚拟资源分配结果，通过控制器下发具体策略和资源映射信息给基站，最后各个基站根据分配结果对实际频谱资源进行分配将用户所需要的资源分配给各个用户。此外，因为不同业务分配资源的优先级不同，SDN控制器需要先将高优先级的业务进行打包。例如：会话类、流类的业务对传输时延要求较高，而交互类和背景类传输时延就很宽松甚至无限制，为了保证通话类业务的实时性，可以优先满足其对资源的需求。而交互类和背景类则需要低比特误差率的无线资源。这些都可以通过SDN控制器进行实时的管理，有利于节约无线通信的资源，有效地规避资源浪费。

　　4结论

　　本文从移动通信的发展出发，探究未来移动通信的发展方向。软件定义网络作为未来网络发展的方向，将其数控分离的设计理念与移动通信相结合可以极大地提高网络的灵活性与有效性。本文将SDN与D2D通信模式相结合，提出了图书馆无线系统的实现方案，极大地提高了业务的响应速度和频谱效率。除此之外，本文还参考OpenFlow协议提出了基于SDN移动通信网络架构下的负载均衡方案，充分利用网络资源;文章最后研究了SDN在无线资源虚拟化方面的应用，体现出SDN在无线资源虚拟化上的优势。

　　参考文献

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

　　[2]毕军.SDN体系结构与未来网络体系结构创新环境[J].电信科学，2013，29(8)：6-15.

　　[3]郝伟.Femtocell网络中基于无线资源虚拟化的资源分配研究[D].西安：西安电子科技大学，2014.