周逸凡，趙志峰，張宏綱

（浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

基于智能 SDN 面向 5G 的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

周逸凡，趙志峰，張宏綱

（浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

首次提出了智能 SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）的概念和架構(gòu)，解決了以往 SDN 系統(tǒng)缺乏智能化的問題。 通過與蜂窩網(wǎng)的結(jié)合，提出了基于智能 SDN 面向 5G 的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)，實現(xiàn)對無線接入網(wǎng)和有線核心網(wǎng)的統(tǒng)一管理。 基于智能 SDN 的管理和協(xié)調(diào)，在無線接入部分提出控制和數(shù)據(jù)分離、上行和下行分離、無線資源動態(tài)適配等技術(shù)，提高頻譜效率和能量效率；在核心網(wǎng)部分實現(xiàn)高效的內(nèi)容分發(fā)以及快速的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)策略，增加數(shù)據(jù)吞吐率以及網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性。 同時，通過無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)之間的資源共享和聯(lián)合優(yōu)化，提供網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化和個性化業(yè)務(wù)定制，實現(xiàn)智能 SDN 系統(tǒng)與異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的深度融合。

智能 SDN；異構(gòu)蜂窩網(wǎng)；5G；深度融合

1 引言

近年來，隨著無線智能設(shè)備的不斷普及，蜂窩網(wǎng)絡(luò)的流 量 增 長 呈 現(xiàn) 加 速 發(fā) 展 趨 勢［1］。為 了 滿 足 大 規(guī) 模 的 無 線 覆 蓋 、多樣化的終端接入、多種業(yè)務(wù)承載的差異化容量需求，無線蜂窩 網(wǎng) 的 部 署也 呈 現(xiàn) 出 異 構(gòu) 、融 合 、多 樣 化 的 趨 勢［2，3］。為 了滿足未來蜂窩網(wǎng)絡(luò)（如 5G）的覆蓋需要，需要從更高層次、更 寬 視 角 來 著 手 設(shè) 計 系 統(tǒng) 架 構(gòu)［4］，比 如 動 態(tài) 和 智 能 控 制 機(jī)制的引入、接入網(wǎng)與核心網(wǎng)的融合、無線接入方式的優(yōu)化以及傳輸資源的動態(tài)分配等。

軟 件 定 義 網(wǎng) 絡(luò) （software defined networking，SDN）是 近年來網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域的一項新興技術(shù)，它通過實現(xiàn)控制與數(shù)據(jù)分離、集中化管理調(diào)度、開放可編程接口，正在推動通信網(wǎng)絡(luò)向新一代演進(jìn)。 將 SDN 與移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，也受到了普遍關(guān)注。美國斯坦福大學(xué)和貝爾實驗室研究組在2013 年 提 出 的 SoftRAN 架 構(gòu)［5］，在 接 入 網(wǎng) 中 提 出 大 基 站 的概念，其中包括集中式的控制器以及分布式的無線接入單元，通過軟件編程的方式實現(xiàn)在一定區(qū)域范圍內(nèi)的資源集中調(diào)度和配置管理。美國普林斯頓大學(xué)和貝爾實驗室研究組 在 2013 年 提 出 的 SoftCell架 構(gòu)［6］，將 SDN 技 術(shù) 引 入 移 動蜂窩網(wǎng)的核心網(wǎng)中，通過引入集中控制器，完成控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面的分離，簡化核心網(wǎng)中復(fù)雜的網(wǎng)元設(shè)備，并且能夠?qū)崿F(xiàn)針對不同用戶、不同應(yīng)用的流量轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則定制和網(wǎng)絡(luò)安 全 策 略 選 擇 。 西 班 牙 學(xué) 者 在 2014 年［7］提 出 ，在 無 線 移 動異構(gòu)網(wǎng)中引入 SDN 控制器并和虛擬化技術(shù)相結(jié)合，在控制面提供相應(yīng)功能接口，并且在用戶面提供靈活的流量調(diào)度。國內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)也對此展開了相關(guān)研究，清華大學(xué)在2013 年 提 出 的 OpenRAN 方 案［8］，引 入 云 化 資 源 池 的 概 念 ，同時利用虛擬化技術(shù)來實現(xiàn)軟件定義的無線接入網(wǎng)，能夠提供完整的可編程性質(zhì)，使蜂窩移動網(wǎng)更加靈活可控。另外，清華大學(xué)課題組提出的在超蜂窩架構(gòu)下的軟件定義接入 方 式［9］，通 過 把 基 站 分 為 控 制 基 站 和 流 量 基 站 ，實 現(xiàn) 控 制面和數(shù)據(jù)面的分離，并且在控制基站上引入 SDN 控制器功能，利用全局信息對其他流量基站進(jìn)行資源動態(tài)調(diào)配。

現(xiàn)有的研究雖然在不同的側(cè)面將 SDN 與移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)合，卻沒有充分考慮無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)不同于有線網(wǎng)絡(luò)的特殊之處。一方面，無線蜂窩網(wǎng)在接入端不僅具有異構(gòu) 多 樣 性 的 特 點［2，3］，而 且 時 刻 面 對 復(fù) 雜 多 變 的 信 道 環(huán) 境 和干擾環(huán)境，同時要服務(wù)于大量的、行為習(xí)慣各不相同的移動用戶，解決瞬時變化的流量需求，這給集中化的管理、決策和控制帶來了極大的挑戰(zhàn)。 另一方面，在核心網(wǎng)一側(cè)，為了實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)相關(guān)功能的處理，集中化的管理、決策和控制也在靈活性、可靠性、實時性等方面遇到了挑戰(zhàn)。還有，現(xiàn)有的融合方案沒有將接入網(wǎng)和核心網(wǎng)部分納入統(tǒng)一的軟件定義管理和控制之下，仍然無法解決目前移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)面臨的協(xié)同困難的問題。面對未來愈加復(fù)雜的異構(gòu)移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋場景、愈加復(fù)雜的多業(yè)務(wù)承載需求、更加扁平化的融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，必須對現(xiàn)有的 SDN 架構(gòu)進(jìn)行全面改進(jìn)才能真正實現(xiàn)與下一代蜂窩接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的融合。首先，要在 SDN 的架構(gòu)中引入智能分析和決策機(jī)制，以滿足復(fù)雜控制和管理的需要；其次，要充分利用 SDN 全局化和集中化管理的優(yōu)勢，實現(xiàn)異構(gòu)層疊覆蓋基站間的協(xié)同，創(chuàng)新接入機(jī)制，提升頻譜和能量效率；再次，要充分利用 SDN 在核心網(wǎng)的工作模式優(yōu)勢，實現(xiàn)對更多控制網(wǎng)元、功能網(wǎng)元的交互和協(xié)同，在可提供網(wǎng)絡(luò)虛擬化和支持分片功能的同時，提供更加智能的協(xié)同管理和控制；最后，要實現(xiàn)接入網(wǎng)和核心網(wǎng)在統(tǒng)一 SDN 管理架構(gòu)下的無縫融合。這些問題對未來蜂窩網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)設(shè)計、核心技術(shù)研究、部署和運營服務(wù)將產(chǎn)生重要影響，意義重大。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

目前的 SDN 技術(shù)實現(xiàn)了控制面與數(shù)據(jù)面的分離，上層應(yīng)用通過控制器向下層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備下發(fā)流表項進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。復(fù)雜的策略控制和轉(zhuǎn)發(fā)路徑選擇都有控制器完成，其三層架構(gòu)如圖 1左側(cè)所示。

圖1 SDN 向智能 SDN 的演進(jìn)

2.1 智能 SDN 架構(gòu)

隨著上層應(yīng)用的不斷豐富，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，SDN 對控制器的控制能力要求越來越高。為了解決這個性能瓶頸，亟需在控制器之外增加一個具有復(fù)雜計算能力、智能策略選擇功能的新模塊，它在幫助控制器完成復(fù)雜決策功能的同時，通過搜集大量實測數(shù)據(jù)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，不斷完善對整個網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)控，以便快速高效地實現(xiàn)功能部署和問題預(yù)警。

如圖 1 右側(cè)所示，提出了智能 SDN 的新架構(gòu)，引入智能中心的概念。智能中心可以基于云平臺來構(gòu)建，具有海量存儲、海量計算能力，并可以根據(jù)需要部署不同的智能引擎，如面向用戶行為分析、面向流量工程、面向網(wǎng)絡(luò)信息安全防護(hù)等。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能 SDN 中智能中心的結(jié)構(gòu)

2.2 基于智能 SDN 的異構(gòu)蜂窩融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

有了智能中心的支撐，SDN 能夠和異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面的融合，從而實現(xiàn)接入網(wǎng)和核心網(wǎng)各自的高效控制和聯(lián)合優(yōu)化。整體架構(gòu)設(shè)想如圖 3 所示，基于智能 SDN 的異構(gòu)蜂窩融合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在邏輯上分為基礎(chǔ)設(shè)施層和決策控制層。其中，基礎(chǔ)設(shè)施層包括無線接入網(wǎng)和核心傳輸網(wǎng)；決策控制層包括接入網(wǎng)控制器、核心網(wǎng)控制器、業(yè)務(wù)總體控制器以及智能決策中心。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層

在基礎(chǔ)設(shè)施層中，無線接入網(wǎng)通過基站和核心傳輸網(wǎng)連接，核心傳輸網(wǎng)通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)與外部的 Internet相連。在無線接入網(wǎng)中，存在多種接入方式，既有傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)基站（包括 LTE 或 UMTS、宏基站或微基站），又有覆蓋范圍極大的廣播基站和 小 范圍覆蓋 的 Wi-Fi接入 點 ，不 同的接入方式體現(xiàn)了未來蜂窩網(wǎng)的異構(gòu)趨勢。在邏輯上，各個無線接入點在接入控制器的控制下，在不同的場景中，可以實現(xiàn)用戶和基站的多種接入方式，比如控制與數(shù)據(jù)分離、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上下行分離、多點協(xié)同傳輸?shù)?。在核心傳輸網(wǎng)中，包含各種網(wǎng)關(guān)設(shè)備、交換機(jī)、路由器、內(nèi)容存放節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備， 它們統(tǒng)一通過 SDN 的南向接口接收核心控制器的管理，通過流表項的更新實現(xiàn)恰當(dāng)?shù)穆酚赊D(zhuǎn)發(fā)、高效的內(nèi)容存放和智能的安全策略等。

（2）決策控制層

在決策控制層中，接入控制器、核心控制器和業(yè)務(wù)總體控制器都通過 SDN 的東西向接口相互連接，完成用戶請求或業(yè)務(wù)要求的各種信令傳輸。同時，它們各自通過服務(wù)接口和智能決策中心相連，上傳數(shù)據(jù)記錄，獲取基于各種功能引擎實現(xiàn)的快速決策結(jié)果。具體地，當(dāng)用戶請求通過接入點上傳到?jīng)Q策層，業(yè)務(wù)總體控制器可以根據(jù)用戶請求的業(yè)務(wù)類型分別向接入網(wǎng)控制器和核心網(wǎng)控制器提出相應(yīng)的功能需求，接入網(wǎng)控制器和核心網(wǎng)控制器在收到相應(yīng)的功能需求后，根據(jù)自己管理的資源，匹配出相應(yīng)的服務(wù)策略，并且以控制信令的方式通知下層的基礎(chǔ)設(shè)施層實現(xiàn)相應(yīng)功能。比如，對于車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，同時具有高移動性和時延敏感性的特點，業(yè)務(wù)總體控制器在得知這類業(yè)務(wù)請求時，通過用戶鑒權(quán)和資源適配，向接入網(wǎng)控制器提出大范圍覆蓋和低時延的功能要求，向核心網(wǎng)控制器提出低時延高可靠性的功能要求。在接到功能要求后，接入網(wǎng)控制器采用分離策略，分配 LTE 的宏基站滿足車輛的上行連接，實現(xiàn)大范圍覆蓋，減少切換次數(shù)，分配廣播基站進(jìn)行下行傳輸，根據(jù)用戶需求相似的特點實現(xiàn)內(nèi)容的統(tǒng)一傳輸。同樣，核心網(wǎng)控制器在接到功能要求后，在核心網(wǎng)為車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)選擇快速的轉(zhuǎn)發(fā)通道，高可靠性地糾錯傳輸。在整個控制決策過程中，各個控制器可以收集業(yè)務(wù)流的行為特征上報給智能決策中心，智能決策中心可以為每一位用戶、每一類業(yè)務(wù)維護(hù)一個知識庫，并利用學(xué)習(xí)算法不斷更新，當(dāng)各個控制器在決策過程中遇到任何困難時可以向智能決策中心發(fā)起決策請求，并得到基于可擴(kuò)展的功能引擎實現(xiàn)的快速響應(yīng)。

3 應(yīng)用案例

傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)為了保證大量用戶的移動性和滿足不同業(yè)務(wù)的 QoS 需求，無線接入網(wǎng)和有線核心網(wǎng)都設(shè)計得十分臃腫，并且整個系統(tǒng)需要一套復(fù)雜的控制流程。比如，在無線接入側(cè)，為了實現(xiàn)用戶的無縫切換，新舊基站和服務(wù)網(wǎng) 關(guān) 節(jié) 點 （serving gateway，SGW）需 要 多 條 交 互 信 令 ，并 且需 要 通 過 GTP （GPRS tunneling protocol）來 完 成 ，這 造 成 一定的資源浪費；又比如，有線核心網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)節(jié)點（PDN gateway，PGW）作 為 流 量 匯 聚 節(jié) 點 ，需 要 同 時 處 理 上百萬用戶的數(shù)據(jù)傳送和控制信令，這使得它造價昂貴并且難以擴(kuò)展。通過引入智能 SDN，通過控制器來協(xié)調(diào)各個無線接入點和核心網(wǎng)元設(shè)備，借助智能中心強(qiáng)大的信息庫和計算能力，能夠在完全分布和絕對集中兩種方式之間取得較好的平衡，高效并且準(zhǔn)確地管理用戶接入和數(shù)據(jù)傳輸，處理新型的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，比如內(nèi)容分發(fā)和網(wǎng)絡(luò)安全。

3.1 無線接入側(cè)

圖3 基于智能SDN 的異構(gòu)蜂窩融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)想

在目前的蜂窩網(wǎng)無線接入中，主要還是秉承以基站為中心的接入策略，比如用戶的控制面和數(shù)據(jù)面消息都耦合在同一個基站節(jié)點上，同樣對于上行鏈路和下行鏈路也是如此。但實際上，控制面和數(shù)據(jù)面、上行與下行在通信過程中所占比重并不均衡，理想情況下應(yīng)該對它們進(jìn)行區(qū)別對待。由此帶來的用戶接入選擇問題、頻譜資源調(diào)度問題，涉及大量需要協(xié)調(diào)和管理的信令流程，智能 SDN 能夠根據(jù)用戶和基站的上報信息統(tǒng)一協(xié)同控制信令、數(shù)據(jù)傳輸、基站資源、用戶行為等，從而可以支持動態(tài)資源分配、快速切換、基站休眠等新功能。考慮到系統(tǒng)擴(kuò)展性，多個 SDN 控制器可以在一個智能中心的支持下工作，實現(xiàn)大范圍、跨域的分離策略。

3.1.1 控制與數(shù)據(jù)分離

傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)用戶接入策略中，單個用戶相關(guān)的控制信令和數(shù)據(jù)信令同時耦合到同一個基站節(jié)點上，這極大 降 低 了 移 動 蜂 窩 網(wǎng) 的 能 量 效 率［10］。同 時 ，針 對 未 來 的 小基站或微基站，要處理長連接的信令，需要解決切換等問題，不經(jīng)濟(jì)也不科學(xué)。采用控制面與數(shù)據(jù)面分離的策略，宏基站提供信令連接，微基站僅處理數(shù)據(jù)功能，將可以極大地提高效率，并能夠?qū)崿F(xiàn)對用戶的有效管理。在智能 SDN 的框架下，控制基站和數(shù)據(jù)基站都可以看成SDN 控制器下的一個交換節(jié)點，控制器可以根據(jù)信道狀況、業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)整體負(fù)載，為用戶配置適當(dāng)?shù)慕尤敕绞健?/p>

3.1.2 上行與下行分離

傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)用戶接入策略中，用戶的上行和下行鏈路都是和同一個基站相連接，常用的方法是用戶根據(jù)下行接 收 信 號 強(qiáng) 度 來 選 擇 關(guān) 聯(lián) 基 站［11］，但 是 在 層 疊 覆 蓋 的 情 況下，同一個基站無法提供最優(yōu)的上下行帶寬。此時可以采用上下行分別接入不同最優(yōu)基站的方式進(jìn)行優(yōu)化，如下行使用基于參考信號接收功率的準(zhǔn)則，上行則接入距離最近的 基 站［12］。上 下 行 分 離 策 略 雖 然 可 以 使 用 戶 的 上 行 和 下 行接入選擇分別達(dá)到最優(yōu)，但需要集中控制設(shè)備的支持。在智能 SDN 框架下，用戶和基站需要上報信號強(qiáng)度、信道狀況、位置等信息，智能中心將協(xié)助接入網(wǎng)控制器完成接入策略的選擇并指示基站控制用戶接入。

3.1.3 無線資源動態(tài)適配

面對越來越復(fù)雜和密集的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署，基站之間的無線干擾問題也越來越突出，這嚴(yán)重制約了蜂窩網(wǎng)絡(luò)的容量提升?；谥悄?SDN 的框架，可以集中地采集基站的無線資源使用情況、干擾情況和負(fù)載需求情況，通過智能決策，對無線資源進(jìn)行彈性匹配，最大化網(wǎng)絡(luò)整體吞吐率和效能。雖然蜂窩網(wǎng)絡(luò)的用戶位置和流量需求隨時間不斷 變 化 ， 但 是 它 們 也 呈 現(xiàn) 出 一 定 的 可 預(yù) 測 性 的 特 點［13］，如果能夠?qū)崿F(xiàn)在時間和空間上對用戶行為進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測，這將能夠使有限的無線資源發(fā)揮出更為出色的服務(wù)效果。智能 SDN 預(yù)測算法可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)記錄，對用戶的行為、運動、流量進(jìn)行預(yù)測，預(yù)先匹配合適的無線資源。在智能中心內(nèi)，通過安裝可擴(kuò)展的機(jī)器學(xué)習(xí)算法（如強(qiáng)化學(xué)習(xí)、轉(zhuǎn)移學(xué) 習(xí) 等 ）［14］，對 大 范 圍 內(nèi) 的 無 線 資 源 使 用 信 息 進(jìn) 行 分 析 ，輔之以對用戶流量需求的準(zhǔn)確預(yù)測，從而達(dá)到使總體網(wǎng)絡(luò)資源分配最佳的聯(lián)合優(yōu)化。

3.2 有線核心網(wǎng)

在蜂窩核心網(wǎng)部分，目前部署的 4G 網(wǎng)絡(luò)都是采用分組交換進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，相比于傳統(tǒng)的電路域?qū)崿F(xiàn)更加簡單和高效。然而，隨著用戶對互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容的海量實時需求，傳統(tǒng)的通過網(wǎng)關(guān)向 Internet獲取內(nèi)容并 基于隧道協(xié)議傳送給移動終端的方式，已經(jīng)無法提供足夠的容量和時延要求。另一方面，隨著蜂窩網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的不斷融合，傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)安全問題也將蔓延到蜂窩核心網(wǎng)，例如大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)攻擊和移動終端劫持。為解決以上問題，核心網(wǎng)各網(wǎng)元之間需要進(jìn)行高效協(xié)調(diào)和統(tǒng)一管理，并且大規(guī)模的內(nèi)容需求數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)攻擊記錄也需要進(jìn)行分析和決策，智能 SDN架構(gòu)的引入能夠在提高網(wǎng)絡(luò)吞吐率的同時給網(wǎng)絡(luò)部署帶來智能化的解決方案。

3.2.1 高效內(nèi)容分發(fā)

內(nèi)容分發(fā)技術(shù)是目前互聯(lián)網(wǎng)研究重要的領(lǐng)域之一，它在 目 前 的 互 聯(lián) 網(wǎng) 基 礎(chǔ) 設(shè) 施 之 上 構(gòu) 建 了 一 張 層 疊 （overlay）網(wǎng) 絡(luò) ，通 過 內(nèi) 容 分 發(fā) 網(wǎng) 絡(luò) （content delivery network，CDN）、內(nèi)容緩存等技術(shù)實現(xiàn)內(nèi)容的有效分發(fā)并提升用戶的體驗。CDN 與智能 SDN 結(jié)合，一方面可以解決高效的邊緣服務(wù)器選擇問題，另一方面可以解決服務(wù)過程中邊緣服務(wù)器的動 態(tài) 切 換 問 題 ，將 是 對 目 前 CDN 架 構(gòu) 的 極 大 提 升［15］。內(nèi) 容分發(fā)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)融合，可以充分利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)“廣播信道”的屬性，融合廣播多播機(jī)制和內(nèi)容緩存機(jī)制，提供最優(yōu)化的方案。通過將 CDN、邊緣緩存等機(jī)制結(jié)合，基于蜂窩網(wǎng)無線廣播的屬性，在智能 SDN 的控制下，統(tǒng)籌協(xié)作 CDN和邊緣緩存機(jī)制，統(tǒng)籌協(xié)作單播、多播、廣播機(jī)制，將為未來移動互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)容分發(fā)提供一個全新的架構(gòu)。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)

分 布 式 拒 絕 服 務(wù) （distributed denial of service，DDoS）攻擊借助于被感染的龐大僵尸終端網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)合起來對一個或多個目標(biāo)發(fā)動拒絕服務(wù)攻擊，從而成倍地提高拒絕服務(wù)攻 擊 的 威 力［16］。隨 著 移 動 終 端 設(shè) 備 的 計 算 能 力 越 來 越 強(qiáng) ，移動設(shè)備作為僵尸節(jié)點來組建僵尸網(wǎng)絡(luò)正逐漸成為現(xiàn)實威脅。在智能 SDN 架構(gòu)下，互聯(lián)網(wǎng)域向蜂窩網(wǎng)絡(luò)邊緣延伸，需要將蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站、網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備等納入抗 DDoS 攻擊的統(tǒng)一策略控制之下。一方面是攻擊監(jiān)測，另一方面是攻擊解決。在智能 SDN 架構(gòu)下，終端、基站、控制和轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備可以根據(jù)智能 SDN 的需要，按照策略進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)流量特征采集和上報，智能中心將集中判斷攻擊行為是否發(fā)生。如果判斷攻擊行為發(fā)生，可以采取已有的安 全 策 略［17］，通 過 全 局 拓 撲 的 感 知 和 流 量 分 析 來 鎖 定 攻 擊的錨節(jié)點，下發(fā)攻擊解決策略給這些錨節(jié)點（基站、路由器或控制器等），在錨節(jié)點將攻擊流量丟棄或阻塞。

3.3 接入網(wǎng)與核心網(wǎng)的深度融合

在當(dāng)前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，無線域與 IP 域是完全分離的，IP 域與互聯(lián)網(wǎng)域也是完全分離的。無線域與 IP 域通過隧道聯(lián)接，IP 域與互聯(lián)網(wǎng)域通過網(wǎng)關(guān)聯(lián)接。這會帶來效率不高、資源浪費、控制不靈活、無法實現(xiàn)統(tǒng)一控制等一系列問題。面向未來的移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，需要承載海量、高實時、大連接等多方面的業(yè)務(wù)，分離的隧道和網(wǎng)關(guān)方案已經(jīng)無法滿足要求，必須要通過 IP 域和互聯(lián)網(wǎng)域向蜂窩網(wǎng)絡(luò)邊緣的延伸來解決。為了實現(xiàn)無線接入網(wǎng)和有線核心網(wǎng)的深度融合，需要智能 SDN 的全局協(xié)調(diào)和統(tǒng)一管理以及基于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的及時智能決策。

3.3.1 資源聯(lián)合調(diào)度

用戶通過基站、核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與互聯(lián)網(wǎng)建立數(shù)據(jù)連接。用戶和基站之間的連接涉及無線資源的分配，基站到數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)之間的連接涉及有線鏈路的分配，這些資源的分配都涉及全局的性能優(yōu)化（無線側(cè)涉及總體的干擾水平，有線側(cè)涉及網(wǎng)絡(luò)的總?cè)萘亢驼w時延）。另外，不同的業(yè)務(wù)有不同的 QoS 要求，不同的用戶有不同的鑒權(quán)等級，需要分配不同的無線資源和鏈路帶寬。同時，在傳輸效率上，用戶的內(nèi)容請求可能具有相似性，這給無線端提供了多播和廣播的可能以及核心網(wǎng)中熱門內(nèi)容存放的決策。為了達(dá)到這種按需服務(wù)的效果，整個蜂窩網(wǎng)需要具有全局調(diào)控、統(tǒng)一管理和易于擴(kuò)展的能力。在基于智能 SDN 的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)架構(gòu)中，無線接入網(wǎng)和有線核心網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施都置于相應(yīng)SDN 控制器的管理下，接入網(wǎng)控制器和核心網(wǎng)控制器之間可以交互各種業(yè)務(wù)信令，同時向上一級的業(yè)務(wù)總體控制器提供各種相應(yīng)功能。在智能中心的幫助決策下，各個控制器可以根據(jù)用戶的實時業(yè)務(wù)請求按需分配相應(yīng)的傳輸資源。同時，每一條請求和傳遞都記錄在智能中心的數(shù)據(jù)庫中，以協(xié)助下一次資源調(diào)度決策和智能 SDN 的自主學(xué)習(xí)。

3.3.2 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化

在未來 5G 的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)架構(gòu)中，無線端存在多種接入點，如廣播基站、宏蜂窩、微蜂窩或 AP；多種接入方式，如 CDMA、OFDMA 或 Wi-Fi，不同 的接 入 點和接入 方 式提供不同的傳輸服務(wù)。核心網(wǎng)中，選取不一樣的交換機(jī)、中間件和網(wǎng)關(guān)，可以實現(xiàn)不同的路由選擇和功能策略，以滿足相應(yīng)的業(yè)務(wù)服務(wù)要求。

這樣，接入網(wǎng)和核心網(wǎng)內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施分別通過各自的SDN 控制器向上層業(yè)務(wù)提供不同策略優(yōu)先級的功能（比如上下行分離、能效優(yōu)先策略、低時延轉(zhuǎn)發(fā)、高容量傳輸），不同的上層業(yè)務(wù)可以通過業(yè)務(wù)總體控制器向接入網(wǎng)和核心網(wǎng)控制器提出相應(yīng)傳輸要求，并獲得相應(yīng)服務(wù)，如圖 4 所示。比如，面向大連接的 IoT 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量很小，但是對時延要求很敏感，總體控制器在檢測到業(yè)務(wù)請求類型后，可以通過接入網(wǎng)控制器選擇宏蜂窩完成信令控制和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸，同時通過核心網(wǎng)控制器選擇時延優(yōu)先的路由策略，以滿足 IoT 業(yè)務(wù)總體的 QoS 需求。

在圖 4中，無線接入網(wǎng)控制器把所轄域內(nèi)的所有物理資源都虛擬成池化資源，其中包括頻譜資源、能量資源、接入基礎(chǔ)設(shè)施以及用戶請求記錄等，利用這些虛擬資源，接入網(wǎng)控制器向上提供無線端的業(yè)務(wù)功能，包括廣覆蓋、高速數(shù)據(jù)傳遞、能量收割和用戶多接入等核心網(wǎng)控制器把所轄區(qū)域內(nèi)的所有物理資源也虛擬成池化資源，其中包括鏈路帶寬、計算能力以及網(wǎng)元基礎(chǔ)設(shè)施，利用這些虛擬資源，核心網(wǎng)控制器向上提供核心網(wǎng)的業(yè)務(wù)功能，包括智能路由、內(nèi)容緩存、安全防護(hù)和負(fù)載均衡等。

同樣在圖 4中，業(yè)務(wù)總體控制器基于接入網(wǎng)和核心網(wǎng)控制器向上提供的業(yè)務(wù)功能，虛擬出各種網(wǎng)絡(luò)資源，繼續(xù)向上提供業(yè)務(wù)服務(wù)，其中包括物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、智慧城市業(yè)務(wù)、VoLTE、網(wǎng)上高速視頻和車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)等。上層的移動虛擬運 營 商 （mobile virtual network operator，MVNO）可 以 根 據(jù) 自身需要訂購相應(yīng)的業(yè)務(wù)。

在具體的資源調(diào)度和功能實現(xiàn)上，各個控制器需要和智能決策中心進(jìn)行交互。智能決策中心根據(jù)收集到的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)信息以及可擴(kuò)展的功能引擎，對控制器請求做出快速而準(zhǔn)確的決策，通過向外的服務(wù)端口完成請求應(yīng)答。

4 結(jié)束語

首次提出了智能 SDN 的概念和架構(gòu)，解決了以往SDN 系統(tǒng)缺乏智能化的問題，同時通過對智能 SDN 所需的智能引擎、學(xué)習(xí)算法以及交互機(jī)制等關(guān)鍵技術(shù)的研究，形成完善的智能 SDN 技術(shù)體系。進(jìn)一步地，通過與蜂窩網(wǎng)的結(jié)合，提出了基于智能 SDN 面向 5G 的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)，實現(xiàn)了無線接入網(wǎng)和有線核心網(wǎng)與 SDN 的深度融合。通過智能 SDN 的控制和協(xié)調(diào)，使異構(gòu)蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)更加簡潔，易于管理，便于擴(kuò)展，并且在滿足傳統(tǒng)業(yè)務(wù)需求的同時能夠根據(jù)需要快速部署新業(yè)務(wù)。在這一架構(gòu)下，移動運營商可以提供規(guī)?；?、效果可感知的廣泛業(yè)務(wù)，供上層的移動虛擬運營商使用，實現(xiàn)真正的以用戶為中心、以業(yè)務(wù)為導(dǎo)向的移動通信產(chǎn)業(yè)。

圖4 基于智能 SDN 異構(gòu)蜂窩網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化

［1］ Cisco.Cisco visual networking index：global mobile data traffic forecast update，2015-2020 ［R／OL］. （2016-02-04）［2016-03-18］. http：／／www.cisco.com／c／en／us／solutions／collateral／service-provider／visual-networking-index-vni／mobile-white-paper-c11-520862.html.

［2］ GHOSH A.Heterogeneous cellular networks：from theory to practice ［J］.IEEE Communications Magazine，2012，50（6）：54-64.

［3］ ANDREWS J G.What will 5G be［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2014，32（6）：1065-1082.

［4］ MCKEOWN N，ANDERSON T，BALAKRISHNAN H，et al. OpenFlow：enabling innovation in campus networks ［J］.ACM Sigcomm Computer Communication Review，2008，38（2）：69-74.

［5］ GUDIPATI A，PERRY D，LI L E，et al.SoftRAN：software defined radio access network ［C］／／ACM SIGCOMM Workshop on Hot Topics in Software Defined Networking，August 12-16，2013，Hong Kong，China.New York：ACM Press，2013：25-30.

［6］ JIN X，LI L E，VANBEVER L，et al.Soft cell：scalable and flexible cellular core network architecture ［C］／／ACM Conference on Emerging Networking Experiments & Technologies，December 9-12，2013，Santa Barbara，CA，USA.New York：ACM Press，2013：163-174.

［7］ BERNARDOS C.An architecture for software defined wireless networking ［J］.IEEE Wireless Communications，2014 ，21 （3 ）：52-61.

［8］ YANG M，LI Y，JIN D，et al.OpenRAN：a software-defined RAN architecture via virtualization［J］.ACM SIGCOMM Computer Communication Review，2013，43（4）：549-550.

［9］ ZHOU S.Software-defined hyper-cellular architecture for green and elastic wireless access［J］.IEEE Communications Magazine，2016，54（1）：12-19.

［10］XU X Q.On functionality separation for green mobile networks：concept study over LTE ［J］.IEEE Communications Magazine，2013，51（5）：82-90.

［11］SARABJOT S，ZHANG X C，ANDREWS J G.Joint rate and SINR coverage analysis for decoupled uplink-downlink biased cell associations in HetNets ［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2015，14（10）：5360-5373.

［12］KATERINA S，POPOVSKI P，GAVRILOVSKA L.Analysis of the decoupled access for downlink and uplink in wireless heterogeneous networks ［J］.IEEE Wireless Communications Letters，2015，4（2）：173-176.

［13］RAO J B，F(xiàn)APOJUWO A O.A survey of energy efficient resource management techniques for multicell cellular networks［J］. IEEE Communications Surveys&Tutorials，2014，16（1）：154-180.［14］LI R P，ZHAO Z F，ZHOU X，et al.The prediction analysis of cellular radio access network traffic：from entropy theory to networking practice ［J］.IEEE Communications Magazine，2014，52（6）：234-240.

［15］WICHTLHUBERM， REINECKER， HAUSHEERD.An SDN-based CDN／ISP collaboration architecture for managing high-volume flows［J］.IEEE Transactions on Network and Service Management，2015，12（1）：48-60.

［16］QIAO Y.Software-defined networking （SDN）and distributed denial of service （DDoS）attacks in cloud computing environments：a survey， some research issues， and challenges ［J］.IEEE Communications Surveys&Tutorials，2015，18（1）：602-622.

［17］JéR?ME F ，F(xiàn)ESTOR O.Anomaly traceback using software defined networking［C］／／EEEInternationalWorkshoponInformation Forensics and Security （WIFS），November 16-19，2014，Rome，Italy.New Jersey：IEEE Press，2014：203-208.

Towards 5G：heterogeneous cellular network architecture design based on intelligent SDN paradigm

ZHOU Yifan，ZHAO Zhifeng，ZHANG Honggang
College of Information Science&Electronic Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China

To enrich the SDN （software defined networking）with intelligence and learning capability，an intelligent SDN paradigm was proposed for the first time.Combining it with the traditional cellular networks，5G-oriented heterogeneous cellular network architecture based on the intelligent SDN was set up，which made the integrated management of radio access networks and core networks possible.Based on the management and coordination of intelligent SDN，the decoupling of control and data，decoupling of uplink and downlink，and dynamic resource utilization in radio access networks to improve the spectrum efficiency and energy efficiency were put forward；content caching and network security strategies were deployed in the core networks to enhance the network scalability and data throughput.Globally，the resource utilization in radio access networks and core networks was optimized to achieve the network function virtualization and customized service provision，which contributed to the in-depth combination between the heterogeneous cellular networks and intelligent SDN.

intelligent SDN，heterogeneous cellular network，5G，in-depth combination

s：The National Key Basic Research Program of China（973 Program）（No.2012CB316000），Program for Zhejiang Leading Team of Science and Technology Innovation （No.2013TD20）

TN929.53

：A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016163

周逸凡（1991-），男，浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院博士生，主要研究方向為異構(gòu)蜂窩網(wǎng)中的基站空間分布、 智能 SDN 架構(gòu)與下一代蜂窩網(wǎng)的融合技術(shù)。

趙志峰（1975-），男，浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院副教授，主要研究方向為認(rèn)知無線電、 無線 mesh 網(wǎng)絡(luò)和 SDN 在無線通信中的應(yīng)用。

張宏綱（1967-），男，浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院教授，主要研究方向為認(rèn)知無線電、綠色通信和下一代異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2016-05-10；

：2016-06-05

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（“973”計劃）基金資助項目（No.2012CB316000）；浙江省重點科技創(chuàng)新團(tuán)隊“軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用創(chuàng)新團(tuán)隊”項目（No.2013TD20）