CN107277858A - 一种基于sdn的多信道传输的5g网络架构及传输数据的方法 - Google Patents

一种基于sdn的多信道传输的5g网络架构及传输数据的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于SDN的多信道传输的5G网络架构，包括移动设备，无线接入网络（RAN）设备，以及核心网络，移动设备侧定义有OpenFlow控制器（M‑OFC）和OpenFlow网关（M‑OFG）；无线接入网络设备（RAN）上定义有OpenFlow控制器（R‑OFC）和OpenFlow网关（R‑OFG）；核心网络上定义有OpenFlow控制器（N‑OFC）和OpenFlow网关（N‑OFG）；通过在发送侧与接收侧共享流表信息，使数据包的分离与组合相互匹配，极大地提高了5G网络的数据传输速率，该网络架构有效地缓解了网络承载的数据流量压力，提升移动网络环境下的用户体验。

Description

一种基于SDN的多信道传输的5G网络架构及传输数据的方法
技术领域
本发明属于移动通信网络技术领域，具体涉及一种基于SDN的多信道传输的5G网络架构及传输数据的方法。
背景技术
近年来，随着移动互联网技术的迅速发展，使用移动设备的用户急速增长，随时随地进行无线网络连接已经逐渐成为现实。然而，用户无线传输需求的持续增长以及物联网等各类通信应用的普及，对移动通信系统的业务支撑能力提出了新的挑战。
根据思科第11次年度视觉网络指数(VNI)全球移动数据流量预测(2016年至2021年)，到2021年全球手机用户数(55亿)将超过银行账户用户数(54亿)、自来水用户数(53亿)和固定电话用户数(29亿)。移动用户、智能手机和物联网连接的迅猛增长以及移动视频消费的大幅增加，预计将在未来五年内促使移动数据流量增长七倍。
但是，当前长期演进网络(LTE-A)的流量增量已经无法满足用户移动流量增长的需求，因此对新的一代移动网络(5G)的研究已经成为近年来的一个热门话题。
5G的目标是实现移动网络“传输率高”、“大容量”和“无缝切换”，其中传输速率的增加可能是实现5G最重要和紧迫的目标。5G网络有望在下行信道提供1Gbps以上的传输速率，而LTE-A只能提供150Mbps的速率，随着新的方法和技术的使用，更高的数据传输速率要求也被提出。
总的来说，以下两种方法都被认为能够实现未来5G中的高传输速率：
1)使用频率较高的通信技术如毫米波；
2)使用现有的多个无线网络信道并行传输。
第一种方法需要一个新的无线接入技术(RATs)，毫米波具有较高的频率6Ghz。一系列关于毫米波的研究已经部署在不同场景中对网络性能进行评估。实验结果表明，数据传输速率可以明显提高。直到现在，大多数研究者都认为，5G的毫米波技术将成为未来5G传输速率提升的主要解决方案。然而，毫米波的高频段导致了它最大的缺点就是穿透力差、衰减大，它的传播能力强烈地受环境干扰。这些缺陷导致了毫米波的部署应与其他一些现有的RATs相结合，即需要工作在微微蜂窝和小基站网络的拓扑结构内。在这方面，毫米波的使用可能只局限在一些大城市，而乡镇等地区需要适应未来5G需求的其他解决方案。
第二种方法的主要思想是分配流量负载到多个无线网络信道以提高数据传输速率。当前移动设备发展迅速，随之也出现很多RATs，如GPRS、CDMA、3G、LTE、LTE-A、 WiMAX和WiFi等等，它们可以同时部署在同一个移动设备中，这使得多个无线接入网络(RANs)的并行传输成为可能。这种解决方案不需要改变当前的移动网络拓扑结构，因为RATs的基础设施在5G之前已经被部署。因此，与第一种方案相比，第二个方案将节省投资者大量的投入成本。而且，因为大部分部署的无线接入技术已经被证明在乡镇地区是可以运行的，第二种方法自然能够满足乡镇环境下的高数据传输速率的要求。所以，即使毫米波的应用将成为未来5G的主要趋势，研究优化利用现有的异构网络仍然十分重要。在本专利中，我们专注于未来5G网络传输速率的提升，并使用上述提到的第二种方案进行相应的研究和分析。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于SDN的多信道传输的5G网络架构及传输数据的方法。
为此，本发明提供了一种基于SDN的多信道传输的5G网络架构，包括移动设备，无线接入网络(RAN)设备，以及核心网络，移动设备侧定义有OpenFlow控制器(M-OFC) 和OpenFlow网关(M-OFG)，用于对经过多个无线接入模块的数据包进行配置、管理；无线接入网络设备(RAN)上定义有OpenFlow控制器(R-OFC)和OpenFlow网关 (R-OFG)，用于对通过该无线接入网络设备的数据包进行配置、管理；
核心网络接入设备上定义有OpenFlow控制器(N-OFC)和OpenFlow网关(N-OFG)，用于配置、管理核心网中的网络流量。
使用上述5G网络架构传输数据的方法，包括如下步骤：
步骤一、M-OFC确定vIP(虚拟IP)，并通过M-OFG分发给移动设备的上层应用程序；
步骤二、应用程序用vIP标记自身，并将数据包发送到M-OFG。M-OFG收到消息后，检查流表项，如果是从这个vIP收到的第一个消息，M-OFG会向M-OFC发送报告，然后M-OFC将会为这个的应用程序创建一个新的流表；
步骤三、M-OFG根据M-OFC规定的数据包发送规则，将数据包分离转发到相应的RAN模块，RAN模块通过对应的RAN信道将数据包传送到RAN设备，同时，M-OFC 将当前M-OFG中运行的流表信息通过安全信道发送给RAN设备的控制器R-OFC；
步骤四、R-OFC将接收到的流表信息下发至R-OFG网关，协助RAN设备将经由不同RAN信道传输的数据包重新整合为与原移动设备中一致的数据流，然后发送给 N-OFG，并接入核心网发送给对应的服务器；
步骤五、服务器处理完数据后，返回的下行数据包首先经由核心网中的N-OFG到达R-OFG；
步骤六、R-OFG请求R-OFC根据vIP标签和下行信道容量分离数据包，制定流表项，并根据对应的流表要求，通过不同的无线网络信道发送数据包至对应移动设备的 M-OFG；同时，R-OFC将当前的流表信息发送给对应移动设备的M-OFC；
步骤七、移动设备的M-OFG检查M-OFC下发的下行链路流表信息，按照流表内容组合数据包，然后将数据包转发到用户端的应用程序。
步骤三中的数据包发送规则为SDN控制器动态可控流表转发方法
本发明的有益效果：本发明提供的这种基于SDN的多信道传输的5G网络架构及传输数据的方法，通过在发送侧与接收侧共享流表信息，使数据包的分离与组合相互匹配；利用SDN控制器全局监控无线网络信道状态信息，并选择综合状况好的无线网络信道进行数据传输，极大地提高了5G网络的数据传输速率，该网络架构有效地缓解了网络承载的数据流量压力，提升移动网络环境下的用户体验。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1为基于SDN的多信道传输的5G网络架构示意图。
图2为移动端和网络端的对称架构示意图。
图3为基于SDN的多信道传输的5G网络架构的流程示意图。
图4为基于Mininet的仿真设计示意图。
图5为Mininet仿真的输出结果示意图。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
实施例1
SDN被称为软件定义网络，它采用集中控制的新型网络架构，能够在不改变传统IP数据包转发行为的基础上，将传统数据转发设备的数据转发与逻辑控制功能进行分离，实现了数据层与控制层的解耦，从而实现更加高效、灵活的数据转发及设备管理。通过在移动设备和无线接入网络设备(RAN设备)中部署SDN组件，即OpenFlow控制器和OpenFlow网关，可以创建一个虚拟的IP网络用来高效的组织和管理移动设备内部或周围的多个无线接入网络信道。
如今，用户设备变得越来越智能和普遍，这使得移动设备支持多个RANs将变得非常容易。这些RATs，如GPRS，CDMA，3G，LTE，WiMAX，Wi-Fi等等，可能同时部署在这样智能的移动设备中，这使得多个无线接入网络信道的并行传输成为可能。在这种情况下，由于从应用层接收的总数据包数量不改变，数据速率的提高可以通过多个信道并行发送数据包来实现。然而，在当前的IP协议栈结构中，移动应用程序通过套接字与它的应用服务器在Internet上进行通信，一旦移动设备侧或应用服务侧的IP地址发生变化，套接字连接将终止。所以，这种方法的核心问题将转变为：如何让移动设备使用多个网络的无线接入接口RAI并在整个流量通信中保持IP地址是相同的。SDN网络可以帮助5G克服这样的问题。SDN提出了一种对网络设备的控制平面和数据平面进行耦合的方法，它可以控制数据包流向，使得在同一IP地址下的多址通信成为可能。
为了以最低的成本提高网络数据的传输速率，满足5G网络的数据传输要求，本实施例提供了一种如图1所示的基于SDN的多信道传输的5G网络架构，包括移动设备，无线接入网络(RAN)设备，以及核心网络，其特征在于：移动设备侧定义有OpenFlow 控制器(M-OFC)和OpenFlow网关(M-OFG)，用于对经过多个无线接入模块的数据包进行配置、管理；无线接入网络设备(RAN)上定义有OpenFlow控制器(R-OFC) 和OpenFlow网关(R-OFG)，用于对通过该无线接入网络设备的数据包进行配置、管理；核心网络接入设备上定义有OpenFlow控制器(N-OFC)和OpenFlow网关(N-OFG)，用于配置、管理核心网中的网络流量。
虽然在本架构中，我们只提出了三种可能的RANs，其他RANs如WiMAX，GPRS 和CDMA也可以在这样的系统中实现。在这里，我们假设每个无线接入网络中的RAI 是基于OpenFlow协议且通过OpenFlow协议和无线网络接入设备进行通信。所以在LTE 网络中，RAN设备是基站ENodeB；在3G网络中，RAN设备是NodeB；而在Wi-Fi 中，它是无线接入点AP。
图2展示了移动端和网络端的对称网络架构。两侧的OpenFlow控制器通过下发流表给对应的OpenFlow网关来控制数据包在三个无线网络通道中进行传输。
图3在图1的基础上展示了基于SDN的多信道传输的5G网络架构的流程，其中完成了移动终端和RAN设备之间的多个无线接入网络的使用，传输过程中涉及到数据包的分离与组合。在移动设备端通过M-OFC和M-OFG设计了一个管理数据包流动的重要功能。
了评价所提出架构的可行性和性能，我们通过Mininet和Floodlight定义了一个仿真环境如图4所示。Mininet是OpenFlow协议的网络模拟器，Floodlight是一种实现OpenFlow协议的控制器。我们将Mininet安装在计算机的虚拟机上，将Floodlight安装在装有Windows操作系统的计算机上，虚拟机的通信模式选择为“host-only”模式。在本发明的仿真实例中，我们在Mininet中创建了主机H0和H1，OVS交换机M-OFG和 R-OFG以及两个Floodlight控制器M-OFC和R-OFC。两主机H0和H1是用来仿真通信的移动用户和应用服务器，M-OFC和R-OFC分别连接和控制M-OFG和R-OFG。为了模拟由WiFi，LTE和3G网络构成的RANs，我们在Mininet中建立三个分离的IP网络，并通过NAT功能在Mininet中将它们与H0和H1进行连接，除此之外还对仿真过程中核心网络的链路延时和带宽进行了配置。
实施例2
上述即为SDN-5G架构的简单描述，它的结构是对称的，且是可扩展的，它基于SDN技术利用现有的多个无线网络信道来实现高速数据传输。结合图3和图4对该网络架构的具体流程描述，使用上述5G网络架构传输数据的方法，包括如下七个步骤(其中，步骤一～四为上行链路传输过程，步骤五～七为下行链路传输过程)：
步骤一、M-OFC确定vIP(虚拟IP)，并通过M-OFG分发给移动设备的上层应用程序；具体的说就是：在移动设备的应用程序开始通信之前，M-OFC将vIP分发给M-OFG，随后应用程序向M-OFG发出vIP请求，M-OFG将对应的vIP返回至M-OFG；在Mininet 仿真中，主机H0相当于移动设备的应用程序，分配IP地址为10.0.0.1，主机H1相当于网络的应用服务器，分配IP地址为10.0.0.2。
步骤二、应用程序用vIP标记自身，并将数据包发送到M-OFG；M-OFG收到消息后，检查流表项，如果是从这个vIP收到的第一个消息，M-OFG会向M-OFC发送报告，然后M-OFC将会为这个的应用程序创建一个新的流表；在Mininet仿真中，H0向交换机S0(M-OFG)发送目的地址为主机H1地址的消息，与此同时控制器C0(M-OFC) 会根据当前网络中不同信道的综合情况生成对应的流表下发给S0。
步骤三、M-OFG根据M-OFC规定的数据包发送规则，将数据包分离转发到相应的RAN模块，RAN模块通过对应的RAN信道将数据包传送到RAN设备，同时，M-OFC 将当前M-OFG中运行的流表信息通过安全信道发送给RAN设备的控制器R-OFC；在Mininet仿真中，S0根据C0下发的流表将接收到的信息进行分离并转发至不同的RAN， NAT1，NAT2和NAT3通过地址转换功能实现外网和内网之间的转换，从而模拟了三个不同的无线网络(WiFi，LTE和3G)。在本次仿真中，分离的数据包会通过三个RAN 信道进行传输。
步骤四、R-OFC将接收到的流表信息下发至R-OFG网关，协助RAN设备将经由不同RAN信道传输的数据包重新整合为与原移动设备中一致的数据流，然后发送给 N-OFG，并接入核心网发送给对应的服务器；在Mininet中，NAT4-6和前面的NAT1-3 有相同的作用，即通过网络地址转换实现RAN模块的功能，通过三个RAN信道传输的分离的数据包在S4(R-OFG)进行组合，最后将组合后的数据包发送至目标地址H1。
步骤五、服务器处理完数据后，返回的下行数据包首先经由核心网中的N-OFG到达R-OFG；在Mininet仿真中，H1将数据包直接发送给与其相连接的S4。
步骤六、R-OFG请求R-OFC根据vIP标签和下行信道容量分离数据包，制定流表项，并根据对应的流表要求，通过不同的无线网络信道发送数据包至对应移动设备的 M-OFG；同时，R-OFC将当前的流表信息发送给对应移动设备的M-OFC；在Mininet 仿真中，S4将接收到的数据包按照对应的流表内容进行分离，将分离后的数据包通过三个RAN信道(WiFi，LTE和3G)传输至移动设备的RAN模块，RAN模块是由NAT1、 NAT2和NAT3模拟实现的。
步骤七、移动设备的M-OFG检查M-OFC下发的下行链路流表信息，按照流表内容组合数据包，然后将数据包转发到用户端的应用程序；在Mininet仿真中，NAT1、 NAT2和NAT3各自将接收到的数据包发送至S0，S0按照C0下发的流表信息对数据包进行组合并将其发送给H0。
步骤三中的数据包发送方法为基于SDN控制器动态可控流表转发规则。SDN控制器会根据RAN信道的运行情况，动态的对数据包转发链路进行调整。具体来说，首先，各个无线网络RAN设备中的R-OFC会设置一个临近时间，即收集当前无线网络信道状态信息的周期，临近时间根据具体的网络通信行为可以进行调整。R-OFC控制器收集无线网络信道的信息，包括信道链路的可用带宽、数据缓冲区大小、传输时延和吞吐量等信息，然后R-OFC将收集的无线网络信道的状态信息发送给移动端的M-OFC。为了实现高速网络传输速率的目标，M-OFC根据当前无线网络信道剩余带宽和吞吐量大小等信息，动态调整分发策略，将数据包分配到多个无线网络信道进行并行传输，并及时根据网络信道容量变化调整数据包的分配。RAN模块通过对应的RAN信道将数据包传送到RAN设备。同时，M-OFC将数据包的分配信息和流表信息通过安全信道发送至 R-OFC，使得数据包接收端可以及时的对接收的数据包进行正确的重组。图2给出了 M-OFC对无线网络信道容量信息进行收集的示意过程，进而构成上述的SDN控制器动态可控流表转发规则。
图5展示了Mininet仿真中的实验结果。可以明显的看到，IP地址被分配给相应的设备，虚拟网络连接到Floodlight控制器。Floodlight控制器给用户提供了很多应用接口去控制它的行为，所以我们可以通过M-OFC将流表分配给M-OFG来控制从H0到H1 的IP流。即我们可以控制移动设备来使用WiFi，LTE或者3G等RANs。在这种情况下，如果我们想要从H0到H1发送一个1GB大小的文件，假设我们可以使用所有核心网络的带宽，采用并行结构，传输时间可提高约18.5秒。显然，本实验中基于SDN的网络数据传输速率大致等于三个无线信道传输速率的总和。因此能够说明本发明可以极大提高未来5G网络的数据传输速率，为乡镇地区适应未来5G需求提供了很好的解决方案。
另外，表1给出了所用英文词的缩写对照表，表2为实验使用符号中文对照表，具体如下：
表1为所用英文名词缩写对照表。
RATs Radio Access Technologies
RANs Radio Access Networks
RAI Radio Access Interface
M-OFC Mobile-OpenFLow Controller
M-OFG Mobile-OpenFLow Gateway
R-OFC Radio-OpenFLow Controller
R-OFG Radio-OpenFLow Gateway
N-OFC Network-OpenFLow Controller
N-OFG Network-OpenFLow Gateway
vIP Virtual IP
表2为实验使用符号中文对照表。
H0 移动设备
H1 应用服务器
S0 移动设备OF交换机
S4 无线网络OF交换机
C0 移动设备OF控制器
C1 无线网络OF控制器
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于SDN的多信道传输的5G网络架构，包括移动设备，无线接入网络（RAN）设备，以及核心网络，其特征在于：移动设备侧定义有OpenFlow控制器（M-OFC）和OpenFlow网关（M-OFG），用于对经过多个无线接入模块的数据包进行配置、管理；
无线接入网络设备（RAN）上定义有OpenFlow控制器（R-OFC）和OpenFlow网关（R-OFG），用于对通过该无线接入网络设备的数据包进行配置、管理；
核心网络接入设备上定义有OpenFlow控制器（N-OFC）和OpenFlow网关（N-OFG），用于配置、管理核心网中的网络流量。
2.如权利要求1的一种基于SDN的多信道传输的5G网络架构，其特征在于：使用上述5G网络架构传输数据的方法，包括如下步骤：
步骤一、M-OFC确定vIP（虚拟IP），并通过M-OFG分发给移动设备的上层应用程序；
步骤二、应用程序用vIP标记自身，并将数据包发送到M-OFG；M-OFG收到消息后，检查流表项，如果是从这个vIP收到的第一个消息，M-OFG会向M-OFC发送报告，然后M-OFC将会为这个的应用程序创建一个新的流表；
步骤三、M-OFG根据M-OFC规定的数据包发送规则，将数据包分离转发到相应的RAN模块，RAN模块通过对应的RAN信道将数据包传送到RAN设备，同时，M-OFC将当前M-OFG中运行的流表信息通过安全信道发送给RAN设备的控制器R-OFC；
步骤四、R-OFC将接收到的流表信息下发至R-OFG网关，协助RAN设备将经由不同RAN信道传输的数据包重新整合为与原移动设备中一致的数据流，然后发送给N-OFG，并接入核心网发送给对应的服务器；
步骤五、服务器处理完数据后，返回的下行数据包首先经由核心网中的N-OFG到达R-OFG；
步骤六、R-OFG请求R-OFC根据vIP标签和下行信道容量分离数据包，制定流表项，并根据对应的流表要求，通过不同的无线网络信道发送数据包至对应移动设备的M-OFG；同时，R-OFC将当前的流表信息发送给对应移动设备的M-OFC；
步骤七、移动设备的M-OFG检查M-OFC下发的下行链路流表信息，按照流表内容组合数据包，然后将数据包转发到用户端的应用程序。
3.如权利要求2的一种基于SDN的多信道传输的5G网络架构，其特征在于：步骤三中的数据包发送规则为SDN控制器动态可控流表转发方法。
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