CN104883695A - 一种多跳认知无线电网络架构及部署方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多跳认知无线电网络架构及部署方法，针对认知无线电网络频谱资源动态变化的特性和实际部署中存在的问题，将SDN控制和转发分离的思想与多跳认知无线电网络相结合，该架构由控制器和多跳认知无线电节点组成，控制器负责收集全局信息，并将控制信息通过OpenFlow协议下发到各个认知无线电节点，这些节点同时具备了认知无线电和mesh节点的功能，并且发射功率是可以调节的。控制器和认知无线电节点之间的环境信息和控制信息通过公共控制信道传输，本发明为实际部署提供了一种建立公共控制信道的方法。

Description

一种多跳认知无线电网络架构及部署方法

技术领域

本发明属于认知无线电网络领域，特别涉及多跳通信网络的架构及部署方法。

背景技术

近年来，无线设备飞速增长，同时无线应用也越来越丰富，这对无线网络容量提出了巨大需求，然而固定的频谱分配方案已经不能满足这种迅猛增长的需求，认知无线电机会式的频谱利用技术为缓解频谱资源短缺问题带来了希望，然而由于频谱动态变化的特性，认知无线电网络的实际部署成了巨大的挑战，在认知无线电网络的研究中一直没有很好的解决实际部署中影响稳定性和可行性的几个问题。第一，公共控制信道问题，现有的研究通常假设存在一条公共控制信道，负责无线网络节点间传输频谱感知信息和控制信息，但是这个公共控制信道同样会被主用户剥夺，造成整个认知无线网络的瘫痪；第二，多跳路由问题，在传统的多跳网络中相邻节点间的信道是已知的，或者可以搜索整个信道范围(如我国大陆在IEEE802.11 2.4G频段开放的13个信道)来确定邻居信道，但是在认知无线电网络中可用频谱是动态变化的，每一个认知无线电节点可能都不知道谁是它的邻居节点，因为无法确定邻居节点的可用频谱资源，因而传统的路由协议在认知无线mesh网络中难以运行；第三，隐藏终端问题，这是一个在传统无线网络中普遍存在的问题，通常可以用RTS/CTS机制来解决，但在认知无线电网络里面，可能在完成RTS/CTS握手后准备传输数据时频谱资源就发生变化了。这些问题的存在，对多跳认知无线网络的架构提出了新的要求。

另一方面，SDN(软件定义网络)是最近兴起的全新的网络架构，它将网络控制和数据转发相分离，逻辑控制功能和上层的控制策略通过一个集中式的控制器来管理和配置，底层交换机构成的数据平面只根据流表规则转发相应数据包。OpenFlow协议就是规定控制器和交换机之间控制信息传输的其中一种方式。不同于传统的AC(访问控制器)和AP(无线接入点)无线网络，SDN在网络管理、配置和升级方面具有潜在优势，能够完成信息感知、资源分配、全局决策等功能。然而，SDN的设计之初是应用于有线网络，无线SDN仍然是一个开放性的问题，在分析了认知无线电网络的特征和面临的挑战后，本发明公开了一种基于SDN架构的多跳认知无线网络框架，同时公开了其部署方法。

发明内容

[发明目的]：现有的研究成果大都基于理论假设，尤其是集中式算法缺乏获取全局信息的集中式实体，现有的测试床也都是在被缩小的网络环境下进行，实际环境中的稳定性和鲁棒性有待进一步研究，为了解决多跳认知无线电网络部署过程中存在的公共控制信道、多跳路由和隐藏终端的问题，本发明在多跳认知无线电网络中引入了SDN的架构，并公开了具体实施流程。

[技术方案]：本发明的目的是通过如下措施来达到的：

SDN架构下的多跳认知无线电网络包括控制器、多跳认知无线电节点和终端用户。控制器是该架构中的核心实体，采用开源的控制器(如NOX/POX)，它负责收集频谱信息、分配无线信道、选择发射功率和无线接口，所有的用户请求也会首先发送到控制器，由控制器做出整体决策。每一个多跳认知无线电节点都具有完全的认知能力，即频谱感知和动态配置传输参数的功能，且装配了多个相互独立的无线接口，也就是装配了多张无线网卡，另外还要有多跳路由的功能，简单地说，这些节点同时具备了认知无线电和mesh节点的功能，它们可以在很宽泛的频谱范围上通信，每一个节点的发射功率在不同的几个等级上可以调节的，并且OpenFlow协议也被编译到节点的操作系统上，网络中的这些节点就可以将收集到的本地信息和用户请求通过OpenFlow协议上传给控制器，反过来控制器的控制决策也将通过该协议传回到每个分布式节点。在现实生活中，手机、PAD、笔记本电脑等都是终端用户，这些设备不具备认知的功能，也很难让用户为连接认知无线电网络而改变手中的设备，因而本发明并没有把终端设备规划到传输网络中，他们都在各自的原始频段上工作，比如手机仍然在2G/3G/4G，平板电脑使用ISM频段的WiFi信号连接与其最近的多跳认知无线电节点以接入多跳认知无线电网络，认知无线电网络负责帮这些不具备认知功能的终端设备传输数据。

为了适应实时变化的无线电环境，每个多跳认知无线电节点通过两种方式向控制器上传信息。一种是主动式的，即当无线环境发生变化或用户请求到达，立刻将这些信息报告给控制器；另一种是被动式的，即周期性地将频谱信息、功率强度、可用无线接口和接入该节点的用户信息报告给控制器。这里的频谱信息是指在该节点的可用信道，由于地域和主用户活动的影响，各个节点的可用信道是不一样的，甚至相邻节点都有可能是不一样的。而接入该节点的用户信息指的是通过本节点的SSID接入到网络的终端用户，将这些用户的信息也上传到控制器的原因是，终端用户不参与认知无线电网络多跳传输，在传统的IP寻址的网络体系结构下就找不到目的节点，控制器拥有了这些用户信息后就可以在收到用户请求后轮询所有已经接入认知无线电网络的用户地址，如果匹配直接为他们之间建立路由，否则，根据网络实际部署情况，或返回目的地址不存在，或将该请求发送给网关节点，让它在传统网络中寻找匹配的目的地址。

SDN架构下的多跳认知无线电网络，解决公共控制信道问题是将授权频段和非授权频段区别对待。根据认知无线电网络的规范，在授权频段，多跳认知无线电节点需要考虑主用户的活动以避免干扰，而在非授权频段，所有的节点都有平等占用信道的权利。因此，本发明将非授权频段固定分配给公共控制信道，控制信道形成过程如下：

步骤一：每个多跳认知无线电节点使用非授权信道(比如，ISM 2.4G频段下的1信道)

感知邻居节点；

步骤二：每个多跳认知无线电节点使用另一个非授权信道(比如，ISM 2.4G频段下的6

信道)广播收集到的邻居节点信息，如果收到其他节点发过来的信息，则直接广播出去；

步骤三：经过一段时间后，控制器通过6信道收到所有节点发送过来的邻居节点信息包，

据此构建整个网络的拓扑图；

步骤四：用Dijkstra算法计算控制器到各个节点的最短路径；

步骤五：按照宽度优先搜索的次序将信道1到11(或13)循环分配给公共控制信道，并

结束公共控制信道建立过程。

值得注意的是，按照此方法建立的信道存在相互干扰的情况，但这并不太影响这些节点对频谱的竞争和正常的通信，因为每个节点对频谱使用的优先级是一样的，在MAC层有CSMA/CD协议保证多个节点并发的传输数据。

在有了公共控制信道的保障后，多跳路由和隐藏终端问题就自然解决了，因为各个多跳认知无线电节点的自身信息都可以通过公共控制信道上传到控制器，在控制器处可以获取全局网络信息，并且所有的路由和资源分配策略都是控制器发出，这也是SDN集中式控制的优势所在。

[有益效果]：本发明的有益效果是：(1)利用SDN的特性使网络的部署和决策变得灵活可控，并且所有的连接都通过无线方式，减少了部署成本；(2)利用控制器直接搜索目的地址的方式，大大降低了广播报文在网络中的传输，避免了广播风暴；(3)简单的公共信道分配算法大大降低了时间复杂度，留出更多的计算能力给资源分配。

附图说明

图1为本发明中多跳认知无线电网络架构图；

图2为公共控制信道建立过程；

图3(a)为控制器中形成的全网拓扑图；

图3(b)为全网拓扑图上形成的公共控制信道；

图4为紧急救灾场景的案例。

具体实施方式

基于SDN的认知无线mesh网络，与现有的集中式控制方法不同，现有的集中式控制传递的只是全局信息，而对网络的控制不能满足动态需求，SDN架构已经从有线跨入到无线，无线SDN架构是实际可部署的，且在管理、配置、更新等方面具有广泛优势。本发明将SDN架构应用于频谱动态变化的认知无线电环境，既充分发挥了SDN控制和转发分离，灵活可编程的特性，又成功解决了认知无线电网络的实际挑战。

以下结合附图和具体实例对本发明做具体的介绍。

如图1所示，整个网络包括三种实体，中间以“C”标示的是控制器，实际部署可以由一台普通主机和一张带有全向天线的无线网卡组成，主机上装的控制器软件可以为POX/NOX、floodnight等开源控制器；圆形的实体代表多跳认知无线电节点，可以由具有认知功能的板卡组成，带有足够或可扩展内存卡(用于装系统和缓存数据包)，如果板卡硬件支持openflow则可以直接使用，否则需要安装openflow协议或者openvswitch到节点的系统上(开源的linux都可以安装这些协议，如openWRT)，这种板卡应带有多个无线接口和有线接口，其中有线接口可以将其设置为网关节点；三角形实体代表终端用户，比如电脑、手机、pad等，它们只与最近的多跳认知无线电节点通讯。在此架构下最重要的是建立控制器和多跳认知无线电节点的公共控制信道，与传统网络类似有带内和带外两种方式，本发明采用带外方式，即独立分配固定信道作为控制信道。

如图2所示，在确定了每个多跳认知无线电节点和控制器的位置后，上电开启各个设备，在所有多跳认知无线电节点上可以运行最初信道分配的脚本(linux下的shell命令)，假设有三块认知无线电网卡，第一块的信道设为IEEE 802.11信道1，负责感知邻居节点信息，第二块信道设为信道6，负责广播本身和其他节点的邻居信息，第三块为数据传输网卡，系统模式设为mesh或ad hoc。接下来的处理步骤如下：

步骤11：每个多跳认知无线电节点通过信道1搜索周围的邻居节点信息，由于所有的节点都在信道1上侦听对等节点，所以在通信半径范围内的节点都将被搜索到。

步骤12：每个节点通过信道6将感知到的信息广播出去，这里的广播信道不一定使用信道6，保证邻居节点信道搜索信道和广播信道正交即可，若不正交，搜索的过程会比较长，甚至出现广播风暴。

步骤13：经过一段时间后，即控制器收到了所有多跳认知无线电节点的邻居信息，一跳以内的节点信息最先被收到，远处的节点通过多跳的方式传送到控制器。根据这些信息就可以构建全网拓扑图，如图3(a)所示，图中每段链路的权值都设为1，通过Dijkstra算法找出控制器到各个节点的最短路径(最小跳数)。

步骤14：按照宽度优先搜索的顺序循环固定分配公共控制信道(IEEE 802.11 2.4G频段的11个信道)，如图3(b)所示，离控制器有1跳距离的链路被分配为1-5信道，两跳距离的链路分配为6-11-2信道，中间经过一个循环，从信道1重新开始分配，三跳距离的链路分配了3信道，依此类推，需要注意的是，如果要保证良好的通信，公用控制信道的跳数需要在5跳以内，跳数越多通信效果越差。

经过以上步骤，公共控制信道就建立起来了，openflow协议通过公共控制信道将首次收到的数据包上传给控制器，由控制器为其分配从源节点到目的节点路由所需的资源，如果该节点的目的节点在认知无线电网络之外，则为其分配到网关节点的路由资源，其中路由资源包括哪条信道、哪个无线接口、哪个功率强度，经过哪些节点，这些都可以通过流表和SNMP或OF-CONFIG实现。

如图4所示，为紧急救灾场景的一个案例，假如A地区发生了地震，通信系统和电力系统全部瘫痪，A地的信息只能通过人力方式传出来。这时就可以在A地部署一批多跳认知无线电网络，每个节点只需要一个12V或48V的直流蓄电池为其供电(一天换一次电池，由于主动上传环境变化机制的保障，换电池时并不影响其余节点的信息传输)，然后按照通信距离以多跳方式沿途部署，直到可以连接到Internet的地方，图中以G表示，并与控制器相连，图中以C表示。这种部署方式不需要有线链路，部署的地点不受限制，电力的供应也容易满足。更重要的是，SDN的集中式控制方式能以最优的方式分配资源，例如通过功率的选择节省电量，以最小的跳数满足高带宽的需求等，更加灵活的配置、控制方式可以在本发明的框架下实现。

Claims (4)

1.一种多跳认知无线电网络架构及部署方法，其特征在于，网络架构包含集中式控制器，多跳认知无线电节点和终端用户，控制器是整个网络的核心实体，采用开源的SDN控制器，负责收集全局信息和分配无线信道、选择发射功率和无线接口，每个多跳认知无线电节点具有认知无线电功能、支持OpenFlow协议并且可以多跳传输，终端用户通过原始的频带与附近的认知无线节点通信。

2.根据权利要求1所述的多跳认知无线电网络架构及部署方法，其特征在于，控制器与多跳认知无线电节点通信的公共控制信道分配方法为：

步骤一：每个多跳认知无线电节点使用非授权信道(比如，ISM 2.4G频段下的1信道)感知邻居节点；

步骤二：每个多跳认知无线电节点使用另一个非授权信道(比如，ISM 2.4G频段下的6信道)广播收集到的邻居节点信息，如果收到其他节点发过来的信息，则直接广播出去；

步骤三：经过一段时间后，控制器通过6信道收到所有节点发送过来的邻居节点信息包，据此构建整个网络的拓扑图；

步骤四：用Dijkstra算法计算控制器到各个节点的最短路径；

步骤五：按照宽度优先搜索的次序将信道1到11(或13)循环分配给公共控制信道，并结束公共控制信道建立过程。

3.根据权利要求1所述的多跳认知无线电网络架构及部署方法，其特征在于，每个多跳认知无线电节点通过两种方式向控制器上传信息，一种是主动式的，即当无线环境发生变化或用户请求到达，立刻将这些信息报告给控制器，另一种是被动式的，即周期性地将频谱信息、功率强度、可用无线接口和接入该节点的用户信息报告给控制器。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，频谱信息是指在该节点的可用信道，由于地域和主用户活动的影响，各个节点的可用信道是不一样的，甚至相邻节点都有可能是不一样的，而接入该节点的用户信息指的是通过本节点的SSID接入到网络的终端用户，将这些用户的信息也上传到控制器的原因是，终端用户不参与认知无线电网络多跳传输，控制器拥有了这些用户信息后就可以在收到用户请求后轮询所有已经接入认知无线电网络的用户地址，如果匹配直接为他们之间建立路由，否则，根据网络实际部署情况，或返回目的地址不存在，或将该请求发送给网关节点，让它在传统网络中寻找匹配的目的地址。