一種多跳認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及部署方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，特別涉及多跳通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)及部署方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，無線設(shè)備飛速增長(zhǎng)，同時(shí)無線應(yīng)用也越來越豐富，這對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)容量提出了巨大需求，然而固定的頻譜分配方案已經(jīng)不能滿足這種迅猛增長(zhǎng)的需求，認(rèn)知無線電機(jī)會(huì)式的頻譜利用技術(shù)為緩解頻譜資源短缺問題帶來了希望，然而由于頻譜動(dòng)態(tài)變化的特性，認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際部署成了巨大的挑戰(zhàn)，在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的研宄中一直沒有很好的解決實(shí)際部署中影響穩(wěn)定性和可行性的幾個(gè)問題。第一，公共控制信道問題，現(xiàn)有的研宄通常假設(shè)存在一條公共控制信道，負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間傳輸頻譜感知信息和控制信息，但是這個(gè)公共控制信道同樣會(huì)被主用戶剝奪，造成整個(gè)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的癱瘓；第二，多跳路由問題，在傳統(tǒng)的多跳網(wǎng)絡(luò)中相鄰節(jié)點(diǎn)間的信道是已知的，或者可以搜索整個(gè)信道范圍(如我國(guó)大陸在IEEE 802.11 2.4G頻段開放的13個(gè)信道)來確定鄰居信道，但是在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中可用頻譜是動(dòng)態(tài)變化的，每一個(gè)認(rèn)知無線電節(jié)點(diǎn)可能都不知道誰(shuí)是它的鄰居節(jié)點(diǎn)，因?yàn)闊o法確定鄰居節(jié)點(diǎn)的可用頻譜資源，因而傳統(tǒng)的路由協(xié)議在認(rèn)知無線mesh網(wǎng)絡(luò)中難以運(yùn)行；第三，隱藏終端問題，這是一個(gè)在傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中普遍存在的問題，通?？梢杂肦TS/CTS機(jī)制來解決，但在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)里面，可能在完成RTS/CTS握手后準(zhǔn)備傳輸數(shù)據(jù)時(shí)頻譜資源就發(fā)生變化了。這些問題的存在，對(duì)多跳認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)提出了新的要求。
[0003]另一方面，SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò))是最近興起的全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它將網(wǎng)絡(luò)控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)相分離，邏輯控制功能和上層的控制策略通過一個(gè)集中式的控制器來管理和配置，底層交換機(jī)構(gòu)成的數(shù)據(jù)平面只根據(jù)流表規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)數(shù)據(jù)包。OpenFlow協(xié)議就是規(guī)定控制器和交換機(jī)之間控制信息傳輸?shù)钠渲幸环N方式。不同于傳統(tǒng)的AC(訪問控制器)和AP (無線接入點(diǎn))無線網(wǎng)絡(luò)，SDN在網(wǎng)絡(luò)管理、配置和升級(jí)方面具有潛在優(yōu)勢(shì)，能夠完成信息感知、資源分配、全局決策等功能。然而，SDN的設(shè)計(jì)之初是應(yīng)用于有線網(wǎng)絡(luò)，無線SDN仍然是一個(gè)開放性的問題，在分析了認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的特征和面臨的挑戰(zhàn)后，本發(fā)明公開了一種基于SDN架構(gòu)的多跳認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)框架，同時(shí)公開了其部署方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004][發(fā)明目的]:現(xiàn)有的研宄成果大都基于理論假設(shè)，尤其是集中式算法缺乏獲取全局信息的集中式實(shí)體，現(xiàn)有的測(cè)試床也都是在被縮小的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行，實(shí)際環(huán)境中的穩(wěn)定性和魯棒性有待進(jìn)一步研宄，為了解決多跳認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)部署過程中存在的公共控制信道、多跳路由和隱藏終端的問題，本發(fā)明在多跳認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中引入了 SDN的架構(gòu)，并公開了具體實(shí)施流程。
[0005][技術(shù)方案]:本發(fā)明的目的是通過如下措施來達(dá)到的:
[0006]SDN架構(gòu)下的多跳認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)包括控制器、多跳認(rèn)知無線電節(jié)點(diǎn)和終端用戶。控制器是該架構(gòu)中的核心實(shí)體，采用開源的控制器(如Ν0Χ/Ρ0Χ)，它負(fù)責(zé)收集頻譜信息、分配無線信道、選擇發(fā)射功率和無線接口，所有的用戶請(qǐng)求也會(huì)首先發(fā)送到控制器，由控制器做出整體決策。每一個(gè)多跳認(rèn)知無線電節(jié)點(diǎn)都具有完全的認(rèn)知能力，即頻譜感知和動(dòng)態(tài)配置傳輸參數(shù)的功能，且裝配了多個(gè)相互獨(dú)立的無線接口，也就是裝配了多張無線網(wǎng)卡，另外還要有多跳路由的功能，簡(jiǎn)單地說，這些節(jié)點(diǎn)同時(shí)具備了認(rèn)知無線電和mesh節(jié)點(diǎn)的功能，它們可以在很寬泛的頻譜范圍上通信，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率在不同的幾個(gè)等級(jí)上可以調(diào)節(jié)的，并且OpenFlow協(xié)議也被編譯到節(jié)點(diǎn)的操作系統(tǒng)上，網(wǎng)絡(luò)中的這些節(jié)點(diǎn)就可以將收集到的本地信息和用戶請(qǐng)求通過OpenFlow協(xié)議上傳給控制器，反過來控制器的控制決策也將通過該協(xié)議傳回到每個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)。在現(xiàn)實(shí)生活中，手機(jī)、PAD、筆記本電腦等都是終端用戶，這些設(shè)備不具備認(rèn)知的功能，也很難讓用戶為連接認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)而改變手中的設(shè)備，因而本發(fā)明并沒有把終端設(shè)備規(guī)劃到傳輸網(wǎng)絡(luò)中，他們都在各自的原始頻段上工作，比如手機(jī)仍然在2G/3G/4G，平板電腦使用ISM頻段的WiFi信號(hào)連接與其最近的多跳認(rèn)知無線電節(jié)點(diǎn)以接入多跳認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)，認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)幫這些不具備認(rèn)知功能的終端設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。
[0007]為了適應(yīng)實(shí)時(shí)變化的無線電環(huán)境，每個(gè)多跳認(rèn)知無線電節(jié)點(diǎn)通過兩種方式向控制器上傳信息。一種是主動(dòng)式的，即當(dāng)無線環(huán)境發(fā)生變化或用戶請(qǐng)求到達(dá)，立刻將這些信息報(bào)告給控制器；另一種是被動(dòng)式的，即周期性地將頻譜信息、功率強(qiáng)度、可用無線接口和接入該節(jié)點(diǎn)的用戶信息報(bào)告給控制器。這里的頻譜信息是指在該節(jié)點(diǎn)的可用信道，由于地域和主用戶活動(dòng)的影響，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的可用信道是不一樣的，甚至相鄰節(jié)點(diǎn)都有可能是不一樣的。而接入該節(jié)點(diǎn)的用戶信息指的是通過本節(jié)點(diǎn)的SSID接入到網(wǎng)絡(luò)的終端用戶，將這些用戶的信息也上傳到控制器的原因是，終端用戶不參與認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)多跳傳輸，在傳統(tǒng)的IP尋址的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)下就找不到目的節(jié)點(diǎn)，控制器擁有了這些用戶信息后就可以在收到用戶請(qǐng)求后輪詢所有已經(jīng)接入認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的用戶地址，如果匹配直接為他們之間建立路由，否則，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際部署情況，或返回目的地址不存在，或?qū)⒃撜?qǐng)求發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，讓它在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中尋找匹配的目的地址。
[0008]SDN架構(gòu)下的多跳認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)，解決公共控制信道問題是將授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段區(qū)別對(duì)待。根據(jù)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的規(guī)范，在授權(quán)頻段，多跳認(rèn)知無線電節(jié)點(diǎn)需要考慮主用戶的活動(dòng)以避免干擾，而在非授權(quán)頻段，所有的節(jié)點(diǎn)都有平等占用信道的權(quán)利。因此，本發(fā)明將非授權(quán)頻段固定分配給公共控制信道，控制信道形成過程如下:
[0009]步驟一:每個(gè)多跳認(rèn)知無線電節(jié)點(diǎn)使用非授權(quán)信道(比如，ISM 2.4G頻段下的I信道)
[0010]感知鄰居節(jié)點(diǎn)；
[0011]步驟二:每個(gè)多跳認(rèn)知無線電節(jié)點(diǎn)使用另一個(gè)非授權(quán)信道(比如，ISM 2.4G頻段下的6
[0012]信道)廣播收集到的鄰居節(jié)點(diǎn)信息，如果收到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)過來的信息，則直接廣播出去；
[0013]步驟三:經(jīng)過一段時(shí)間后，控制器通過6信道收到所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的鄰居節(jié)點(diǎn)信息包，
[0014]據(jù)此構(gòu)建整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D；
[0015]步驟四:用Dijkstra算法計(jì)算控制器到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的最短路徑；
[0016]步驟五:按照寬度優(yōu)先搜索的次序?qū)⑿诺繧到11 (或13)循環(huán)分配給公共控制信道，并
[0017]結(jié)束公共控制信道建立過程。
[0018]值得注意的是，按照此方法建立的信道存在相互干擾的情況，但這并不太影響這些節(jié)點(diǎn)對(duì)頻譜的競(jìng)爭(zhēng)和正常的通信，因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)頻譜使用的優(yōu)先級(jí)是一樣的，在MAC層有CSMA/CD協(xié)議保證多個(gè)節(jié)點(diǎn)并發(fā)的傳輸數(shù)據(jù)。
[0019]在有了公共控制信道的保障后，多跳路由和隱藏終端問題就自然解決了，因?yàn)楦鱾€(gè)多跳認(rèn)知無線電節(jié)點(diǎn)的自身信息都可以通過公共控制信道上傳到控制器，在控制器處可以獲取全局網(wǎng)絡(luò)信息，并且所有的路由和資源分配策略都是控制器發(fā)出，這也是SDN集中式控制的優(yōu)勢(shì)所在。
[0020][有益效果]:本發(fā)明的有益效果是:(I)利用SDN的特性使網(wǎng)絡(luò)的部署和決策變得靈活可控，并且所有的連接都通過無線方式，減少了部署成本；(2)利用控制器直接搜索目的地址的方式，大大降低了廣播報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸，避免了廣播風(fēng)暴；(3)簡(jiǎn)單的公共信道分配算法大大降低了時(shí)間復(fù)雜度，留出更多的計(jì)算能力給資源分配。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明中多跳認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖；
[0022]圖2為公共控制信道建立過程；
[0023]圖3(a)為控制器中形成的全網(wǎng)拓?fù)鋱D；
[0024]圖3(b)為全網(wǎng)拓?fù)鋱D上形成的公共控制信道；
[0025]圖4為緊急救災(zāi)場(chǎng)