使用软件定义网络mmWave回程试验台可配置性

文摘

移动数据流量预测未来期望用户数据流量显著增加,要求新形式的移动网络基础设施。第五代(5克)通信标准提出了致密化小细胞获取基站(BSs)为了提供装满和低延迟的连接。这种致密化需要一个高容量回程网络。使用光学链接连接所有的小细胞在经济上是不可行的大型无线电接入网络,多个BSs部署。无线回程形成网状的毫米波(mmWave)链接是一个有吸引力的移动回程解决方案,灵活的无线(多次反射)路径可以形成互连所有BSs的访问。此外,无线回程允许回程的动态重新配置拓扑匹配不同交通需求或自适应电源开/关小细胞绿色回程操作。然而,进行精确控制重构实验在实际mmWave多次反射网络是一个具有挑战性的任务。在本文中,我们开发一个基于软件定义网络(SDN),使这样一个动态回程重新配置和使用真实mmWave设备设置SDN-enabled mmWave试验台进行各种重构实验。在我们的方法中,SDN控制飞机不仅负责配置转发平面,也对于链接配置,天线调整,和自适应网格节点电源开/关操作。我们实现SDN-based重新配置操作在一个试验台有四个节点,每个配备多个mmWave机械接口,可以将连接到不同的邻居。 We evaluate the impact of various reconfiguration operations on existing user traffic using a set of extensive testbed measurements. Moreover, we measure the impact of the channel assignment on existing traffic, showing that a setup with an optimal channel assignment between the mesh links can result in a 44% throughput increase, when compared to a suboptimal configuration.

1。介绍

预计到2021年,移动数据流量增长每月49 eb,比2016年增加了7倍(1]。目前的移动设备和增加各自的交通需求,当前移动通信基础设施将很快成为resource-saturated。因此,第五代(5 g)移动网络需要提供装满容量和低延迟连接访问级别,特别是出现极其苛刻的应用,如增强现实、超高清晰度视频,和代的无人驾驶汽车2]。为此,提出多个促进这些需求,包括增加频谱效率,网络致密化和频谱扩展。频谱效率的目标是提高无线资源的使用,例如,通过协调多个基站(BSs)使用方案,比如协调多点处理(CoMP) [3),提高调制和编码方案(4),或使用大规模的多输入多输出(MIMO)技术(5]。网络致密化的目标是创造超密度网络(UDNs)和频谱扩展探索使用额外的频段进行通信。更具体地说,毫米波频率(mmWave)带,位于30至140 GHz,很有前景的解决方案,由于大量的可用频谱,可以提供必要的装满容量(6]。

通过实现5 g容量需求访问级别,回程网络需要的设计,使它不会成为网络瓶颈。BSs回程连接到核心网络,通常由fiber-cabled或固定微波点对点无线链接。然而,连接所有UDN小细胞通过光纤链接在经济上是不可行的,这促使无线回程解决方案的需要。mmWave-band链接可以用来支持聚合fronthaul交通、小细胞会经常位于关闭附近,形成多次反射回程拓扑(7]。然而,由于网络致密化,大量小细胞和回程链接给网络管理带来新的挑战,由于资源分配问题的复杂性,回程,转发决策和mmWave-related连接性问题。5 g标准化激励split-plane HetNet架构,控制平面和数据分割。例如,大电池可以提供控制平面连接尽管数据平面主要是转发流量通过小细胞(8]。split-plane架构,软件定义网络回程(SDN)成为一个有吸引力的解决方案管理。SDN网络范式,从数据平面解耦控制平面,逻辑上集中控制飞机在SDN控制器(9),可以被复制和分布的可扩展性和容错性。SDN,控制器有一个全球网络视图,可以决定转发平面,基于整体网络知识。

由于移动通信流量的动态特性引起的不同交通需求在一天的不同时刻,用户移动性和/或临时网络故障(例如,长久的障碍造成的堵塞mmWave链接),重要的是能够动态地重新配置回程,为了保持连通性和适应回程交通需求的能力。这种重定向重组通常涉及现有的流量匹配新的转发决策和打开更多的小细胞,提供额外的本地化能力随需应变。通过自适应不需要关闭电源节点和链接,回程还可以管理的节能方式。这种适应拓扑中导致重大变化和链接配置和应该是无缝的,以减少对现有交通的影响。因此,一个适当的编排的重新配置步骤是必需的。从SDN架构的角度来看,这些重新配置操作可以集中由一个控制器,以达到不同的目标政策定义为网络运营商,如能源效率或能力最大化。

而mmWave的重新配置无线回程仍需要考虑的一个基本方面,同样重要的是构建的实验环境来研究这种重构操作实际流量的影响。现有的实验工作主要是集中在探索物理层方面,如在IEEE波束形成802.11广告(10)网络(11)或传播属性mmWave频率(12]。的问题连接访问点使用IEEE (APs)802.11广告链接也一直在探索,重点部署(美联社13)和下层协议调优与更高层次及其关系(即。、TCP)协议(14]。在无线回程,几个架构考虑回程mmWave-related技术的使用链接和其管理通过SDN [15- - - - - -17]。然而,研究mmWave台仍然是有限的,尤其是当考虑动态可重构网络方面,和集成多次反射与SDN mmWave网状拓扑管理,为了构建未来的适应性和可重构SDN-based mmWave回程网络。

在本文中,我们使用SDN的概念来开发可动态重新配置的mmWave网回程网络,在重构实验可以策划在一个灵活的方式。在我们的方法中,SDN控制平面暴露一个高级API,可以管理应用程序所使用的时间表和引发各种重构操作,其中包括英吉利海峡(重新)作业的链接,更新流的转发规则,建立与不同的邻居节点,对齐mmWave定向天线,为开/关小细胞回程节点。我们部署一个室内实验涉及SDN控制器和四个小细胞multiradio mmWave网格节点,用于进行控制实验证明SDN-based重构业务流程平台的功能。根据不同的使用情况下,我们安排机械操纵天线元素的对齐与自适应功率重构和动态回程交通重路由,有效应对不同交通需求。我们组实验的目的是评价各种回程重构操作的影响在现有的用户流量。此外,我们进行实验的影响不同的信道指配配置无线回程。我们的结果显示44%的吞吐量和更低的延迟83倍增加场景没有cochannel干涉,而当cochannel干扰存在。

总之,本文提供了以下主要贡献:(我)一个全面的概述无线回程台和相关的重新配置用例(2)详细介绍我们的设计SDN-based架构的无线回程管理(3)彻底的描述我们的发达和可操纵的网状网络实验mmWave接口和电源控制单元,通过SDN控制平面是可配置的(iv)SDN-based重新配置的性能评估实验,集中在现有的用户流量的质量在不同拓扑结构的变化

本文的其余部分的结构如下。部分2探讨了使用SDN管理无线回程,其次是我们的相应的架构,在部分3。部分4描述了实验用来进行评价,提出了部分5。最后,我们提出我们的结论和未来的工作方向6。

2。无线网络管理软件定义网络

SDN有动机的集中原则新的split-plane架构的设计,可以有利于网络操作。集中化的控制平面、网络编程和全球网络的实施政策变得更容易。因此,网络配置调优可以通过SDN控制平面,而不是单独在每个网络设备。考虑的管理转发平面,SDN允许托管设备的配置与转发规则匹配不同的分组头字段。操作员可以选择安装通用的转发规则(例如,匹配流量从特定入口端口)或调整规则适用于区分特定流(通过匹配协议源和目的端口号,例如)。

SDN概念被应用到不同的移动网络领域,主要是结合网络功能虚拟化(NFV)当前的移动分组核心基础设施,例如,长期进化进化包芯(LTE EPC) [18]。然而,采用这种类型的架构在无线回程没有大大了。因此,在此我们讨论的放置SDN无线回程管理功能,专注于重组方面。

无线网络可以更复杂的管理,由于额外的配置原语中不存在有线网络(例如,邻居选择、信道分配或传动功率配置)。考虑两个不同的配置之间的过渡状态(组活跃的拓扑节点和链接,连同它们的配置和交通运输状态),C1和C2,在有线网络基本的转发规则更新时只需要安装新的转发规则的规范,内重新配置无线网络需要考虑更多的步骤。例如,它需要首先建立新的C2的链接,只有当每个链接是准备好了,可以安装新的转发规则从C1和删除未使用的链接。其他配置原语带来的分配渠道链接、电源开/关操作的小单元网格节点,和定向天线的对齐,形成与新邻居。特别是,当这些链接建设需要大量的时间和没有可用的备份路径,现有用户的服务质量可以显著受到处罚。没有这些命令的协调和正确的顺序,网络可以体验显著破坏现有的交通。

有多个选择如何实现一个增强的回程重新配置:(我)使用一个分布式方法,回程网络会自动重新配置本身的基础上,举例来说,分布式协议。SDN控制飞机只会负责转发规则安装数据平面。这种方法的一个例子是使用在19),它使用一个分布式信道分配方法。然而,其缺点是通常的路由影响交通要求给定的信道,信道分配的影响。为了实现优化的联合信道分配和路由,额外的分布式管理协议和SDN之间的协调控制飞机需要。(2)使用一个集中的遗留的方法,但是回程网络将由一个独立的网络管理和控制平面,而SDN控制平面将负责转发规则的建立。例如,在光传输网络,一个单独的光传输网络控制平面是连接到一个集中的网络管理系统(NMS)。通过使用遗留协议,然后负责NMS波长分配和光学路径管理(20.),在路由层可用容量的影响。表现不佳,将实现传统网络管理是否会执行自己的决策逻辑有关配置和适应,独立于SDN控制平面,将负责交通转向。优化运行,需要这两个管理系统之间的协调。(3)使用一个集成的SDN-based方法,SDN控制飞机将负责无线网络配置方面的管理,以及建立转发规则。这样一个集成的方法将使SDN交通工程控制和无线链接管理。这大大简化了联合优化的流量路由和无线资源管理(例如,信道分配)。当使用一个集成的SDN-based方法,无线资源的配置应由一组分布式SDN控制器(21),原因可伸缩性和弹性。

在本文中,我们利用集成SDN-based方法和我们确定一组重要的回程重新配置用例下一节。

2.1。无线回程重新配置用例

尽管集中全球网络视图中,当考虑一个密集的无线回程,重新配置决策过程变得难以计算。托管节点的高数和可能的参数选项增加新配置的计算的复杂性。这激励需要新的算法和框架优化回程操作能源效率目标或其他目的。这些框架可以从SDN接收拓扑数据作为输入控制器和应用优化算法来计算新的网络配置状态。因此优化算法很难实现,它们可以外包给专门的框架和实现特定领域建模语言(例如,MiniZinc [22]或OPL [23]),解决如Gurobi或最大化策略可以用来申请,例如,branch-and-cut或启发式算法解决优化问题。

在一个密集的无线回程,往往一个问题可以在多个小细胞覆盖,同时与一个或多个宏单元。通常情况下,最高的问题连接到细胞收到信号强度。然而,仅仅使用这个指标往往会导致一些BSs高度的情况下加载而另一些则很少使用,尤其是在热点地区,大量的用户可以同时位于。为了避免多次反射回程成为瓶颈,用户在fronthaul协会计划,共同优化资源和回程(例如,优化路由和功率分配)是必需的(24]。类似的,但考虑到双重连接这两个宏观的问题和小细胞,整个回程可以最大化吞吐量计算最优交通宏观之间的路由和小细胞(25]。

由于未来5 g mmWave无线回程网络的致密化,大量的小细胞导致显著增加的整体功耗。因此,它成为重要的自适应开/关小细胞,以优化网络权力高效运行,同时仍然保持网络连接。决定哪些细胞应该开启或关闭,结合现有交通的高效路由,成为一个很难解决的优化问题(26]。此外,回程能耗最小化,最大化可用的能力,自适应小细胞为开/关可以结合最优用户协会(27]。此外,回程小细胞可以依靠额外的可再生能源,可以用来优化总体能源消耗,与自适应驱动的回程小细胞(28]。

而众所周知,mmWave链接动态链接的优势由于随机路径损耗高,阴影,堵塞29日),当添加cochannel干扰,形成稳定mmWave链接变得更加具有挑战性的(30.]。解决这种干扰问题,干扰基站之间的协调是必需的。然而,干扰协调每个包的基础上很难实现由于严格的时间要求,和通常不提供现成的mmWave硬件(例如,IEEE802.11广告)。另外,干扰协调可通过信道分配方案,将不同频率分配给不同的链接更长的持续时间。作为最优信道分配取决于流量矩阵,交通的变化通常需要一个通道分配。

2.2。软件定义无线电体系结构和台

SDN-based架构已经彻底的使用提出了无线回程网络的管理。特定于SDN-based小细胞回程网络等方面带外控制通道,能源效率、动态优化政策,有弹性的转发,和灵活的路径计算策略应该考虑(17]。5 g-crosshaul架构(31日]介绍了一种控制基础设施,负责管理异构fronthaul和回程网络,基于SDN / NFV原则,不同的虚拟网络函数根据积极编制管理网络资源。作为mmWave网状网络也可以在不同的环境下形成的,作者的32]提出使用SDN来管理网络由无人机通过IEEE互联802.11广告/802.11交流链接。

最近,SDN-based概念的应用研究在无线台。例如,在[33]表明,使用集中式SDN-based转发重新配置可以减少网络中断,而分布式路由协议。集中式体系结构允许SDN控制器快速检测故障和反应,而分布式路由协议有较高的响应时间由于固有的收敛时间。通过使用SDN-based网实验,作者在34)显示的好处controller-triggered网络重构,解决interference-aware路由和负载平衡流场景。SDN-empowered无线小细胞回程试验台是面对WiseHAUL [35),9个节点可以有他们转发表配置由一个控制器。同样,OpenFlow-based韧性mmWave网回程网络的影响研究,展示了回程可以受益于fast-failover弹性和SDN-based重新配置,以避免网络中断,造成暂时的失败(36]。使用NITOS试验台、作者(37]部署混合回程由mmWave和子6 GHz网络接口,在SDN控制器可以获得相关链接质量量度mmWave接口通过OpenFlow协议扩展。的框架38)使用一个户外mmWave网状网络的部署mmWave链接横跨185米在柏林进行网络性能测量。在5 g-xhaul项目,全市SDN试验台mmWave无线回程链接是部署在布里斯托尔(39),一个示范,不同的网络片通过路径路由由异构的链接。此外,Facebook的Terragraph [40)提出了一个商业解决方案一个mmWave-based回程,替代传统铜和光纤网络。

虽然提出了不同的建筑解决方案使用SDN管理无线网络,这种网络的动态和复杂的重新配置方面还没有充分考虑。因此,使用真实的SDN-based无线台额外的实验工作,加上适当的绩效评估的关键重构方面,是必要的,为了了解和量化的好处为动态回程SDN重新配置。

3所示。体系结构方面的考虑

软件定义无线网络的集中方面做出这样范式对管理无线回程的吸引力。然而,重要的是要解决可配置性方面,如果需要更改回程配置。,我们的目标是提供一个架构,协调整个无线回程重构,利用无线网络的动态配置方面。因此,我们现在SOCRA(软件定义的小细胞无线接入网络)结构,其主要功能:(我)提供一个split-plane网络设计,使用一个带外控制通道(2)使回程转发配置的变化,通过指定不同的路线,可以单独调整以匹配单流(3)自适应电源开/关网格节点,以减少总体回程功耗(iv)动态地配置无线回程链接和相关的配置参数,例如,信道分配和梁对齐(v)网络运营商提供一个高层次的编排API,允许他们修改网络配置(例如,使两个mmWave接口,建立它们之间的联系)

我们考虑一个架构,SDN控制平面负责管理无线网状回程。回程是HetNet由多个小细胞节点之间相互连接的mmWave无线链接,如图1。小细胞可以提供局部高容量和覆盖现有的问题提出了访问级别流量通过多次反射mmWave向核心网络的链接。此外,伞下的小细胞位于宏单元(例如,LTE eNodeBs),它可以提供一个带外控制通道,以及备份数据飞机回程。SDN控制平面管理网络的动态配置网格节点转发规则,无线链接和拓扑的形成,和权力配置(电源开/关节点和接口)。

使户外链接,可以跨越很大的距离(例如,200米),高天线增益是必需的,尤其是对于mmWave链接。这是由于高mmWave频带的路径损耗,和额外的氧气衰减(41]。此外,回程网络,覆盖360°是必要的。可以实现高增益要么使用至少8×8的大型天线阵列天线元素,或使用常规数组和镜头42]。达到360°全覆盖数字波束形成,可以结合多个广播单位(例如,四个无线单元,每个覆盖90°)。与多个邻国为了使连接在同一部门,一个无线电装置可以使用点对多点(P2MP)连接39]。虽然这增加整个系统的灵活性,但也会增加其复杂性,随着这些节点共享可用的带宽从单个mmWave接口通过波束切换技术,具有对每个节点可实现的总吞吐量的影响。网状拓扑结构,其中小细胞节点需要接收和转发数据包到另一个邻居向目的地,这导致减少能力相互联系的链接。

当使用反映数组或镜头来实现收益高的链接,使用高增益波束收发器和集中在一个焦点,形成狭窄的“铅笔”梁(43]。然而,这需要一个机械排列的天线和反映阵列形成点对点(P2P)链接,消除P2MP功能的成本,因为他们需要一个常数梁连接节点之间的调整。另一方面,每个无线单元可以创建一个旋转360°全覆盖天线和反映数组。这允许专用的两个节点之间建立链接,提供完整的链接能力,独立于邻近的节点。可用的链接能力作为输入参数可以用于优化框架来计算最优解交通意识到网格回程重新配置。此外,提供弹性,多个mmWave接口可以定位在同一部门。尽管如此,一个机械校准要求SDN控制平面计算必要的回程节点之间的角度和对齐收音机单位,之前建立的链接。对齐是时间成本(即。,order of seconds) and depends on the angle and rotational speeds of the mechanical elements. Yet, once all links are established, the backhaul topology is rather static and changes are only necessary due to e.g., permanent link blocking, hardware failures, or significant changes in traffic demands, which happen typically in the order of minutes or hours. As targeted in our design, load balancing and recovery of link failure can be handled on higher layers, using fast-failover among different neighbor nodes [36),导致在网状拓扑快速重路由。

3.1。SOCRA SDN控制器

的SOCRA SDN控制器架构是描绘在图的顶部1的配置,旨在使无线回程。在内部,它包含核心SDN控制器模块,包括数据包处理程序,解决跟踪器,流作家和网络图。可伸缩性和弹性,理想情况下,控制器需要分布式的使用,例如,microservices架构或其他可伸缩multicontroller架构原则。然而,在这篇文章中,为简单起见,实验目的,我们讨论限制在一个控制器。

的地址跟踪器跟踪网络主机的位置(例如,用正餐),当他们最后的观察。网络图拓扑维护回程,回程之间提供一个内部接口来计算路径节点。包处理程序接收传入的数据包发送到控制器的设备管理。当它收到一个包,如果可以解决目标地址跟踪,计算路径源和目的节点之间通过网络图和安装相应的转发规则使用流的作家。

此外,特定的无线回程配置控制器功能模块。更具体地说,它包括一个mmWave配置服务(MCS)和电源管理模块。MCS处理回程mmWave链接的配置,管理回程的创建/修改链接和各自的梁/天线校准配置。电源管理器负责管理和监控回程节点的功率状态,开启/关闭回程节点和访问各自的功耗。

允许之间的通信网络管理和编制应用程序控制器暴露一组其他向北与协调器的api接口。高层配置命令提供的api功能,可用于配置管理回程网络,详细的部分3所示。3。控制器和网格节点之间的通信由南行api,允许转发管理表,mmWave链接配置和电源管理。

3.2。小单元网格节点

作为建议的体系结构的一部分,回程网络是由多个小单元网格节点。我们报告的概述一个小单元网格节点图2。每个节点是由两个主要组件,分别PCU和计算设备。

PCU用于计算设备的电源管理,提供能耗信息,自适应地开启/关闭网格节点的计算设备。计算设备被连接到一个灵活的mmWave无线电接口和各自的运动控制器。当使用机械旋转天线,该运动控制器负责旋转并调整mmWave接口,根据请求的定位。这个定位信息包含的方位角和高度角mmWave接口应该过渡,在支持范围内值(来 方位和来海拔),假设所有的接口都是最初校准对齐的相同坐标位置,。

在内部,网格节点包含不同的模块,处理多种类型的配置请求。转发平面保持网格节点的转发表和负责处理传入和传出mmWave数据包的接口,与mmWave交互驱动程序和操作系统的网络堆栈。链接配置模块负责mmWave接口的配置,设置新的链接和处理参数化现有的链接,例如,信道分配或传动功率,通过互动mmWave司机。界面运动模块与运动控制器、通信天线配置网格节点的定位和对齐。最后,电源管理模块负责优雅地关闭计算设备。

3.3。管理和编制

正如前面提到的部分3所示。1的协调器接口SOCRA SDN控制器可以接收配置管理应用程序的要求。这些配置允许托管回程网络配置,从较为抽象的角度。内部,控制器将接收到的信息转化为相应的低级配置命令,直接与管理网络设备交互。提供的RESTful API的概述提出了表1。API可以分为mmWave链接,权力,和转发规则管理命令。mmWave链接命令允许请求链接配置通过指定的相关接口,连接参数(例如,使用通道),可选地,对齐值。请求消息的抽象的权力配置电源管理操作,而转发规则管理信息提供一个接口用于指定所需的回程交通转发规则。

使用这些api, SDN控制飞机可以协调管理应用程序,它可以根据不同的用例配置回程。我们现在两个场景建议的体系结构可以用来重新配置mmWave网回程。

3.3.1。用例我:最优的可操纵的mmWave网回程重新配置

在此用例中,协调器API的SDN控制器是用来调整回程拓扑中,为了应对,例如,交通需求的变化或永久节点或链路故障。鉴于目前部署拓扑状态C1(图3(一个))、API可以用来安排必要的步骤以实现给定新的拓扑结构和链接配置状态C2,额外的回程节点供电,拓扑变化形成新的链接和转发规则相应的调整(图3 (d))。

因此,当一个新的链接,应该建立一个不同的邻居,mmWave光束对准需要改变。如果天线需要机械一致,这个操作不是直接,由于使用的接收机的方向性,是不可能建立一个新的链接,直到几乎一致的接口。因此,当一个网络接口,需要重新提供交通,需要对现有的交通路线通过一组不同的链接/节点,配置操作开始前,为了避免中断正在进行的网络服务。的顺序重新配置起着重要的作用,因为它是想避免回程的中断操作(图3 (b)),而创建选择备份路径,它允许现有的交通不会受到持续的影响(图拓扑变化3 (c))。

为了解决这个无线网状回程重构问题,我们之前开发的一个基于混合整数线性规划(MILP)框架,计算天线的最佳步骤整合、链接机构和流量路由需要做的操作,当两个拓扑配置之间的过渡C1和C2 (44]。系统模型构建一个无线回程拓扑与定向网络接口,可以重新。包括最大链路容量的约束,可能链接,可以形成,流保护和界面移动速度和对齐。决策变量定义的链接,界面位置和运动状态(移动时钟或逆时针),流速和包丢失。输入包含回程节点,它们各自的位置,可能的链接和最大容量,必要的接口一致性角度,联网网关节点,初始和最终交通需求矩阵。优化目标是最小化总包丢失在C1和C2拓扑配置之间的过渡状态。总包丢失是量化的总和回程节点的丢包总重新配置时间。

框架旨在减少丢包通过建立备份未使用的网络接口之间的联系,最终拓扑配置中使用的开始之前他们对齐。因此,通过提供更高的每个节点的网络接口数量,减少总包丢失可以改善。此外,通过提供额外的重新配置时段,可以建立更多的备份链接,也有助于整个包损失减少。

在评价部分,我们验证的主要配置原语框架提供了为了实现给定的用例。这些原语包括(a)旋转的小细胞网络接口自适应地改变回程拓扑,(b)动态回程mmWave链接建立和(c)回程交通运输。与这些原语可以配置消息之间交换框架和SDN控制器北向的REST API,通过JSON格式的消息。拓扑数据(例如,节点定位和一组可能的网格节点)之间的联系可以提供的SDN控制器作为输入,可以获得控制器的网络图。计算框架解决方案可以被解释成特定的配置指令发送到SDN控制器。例如,界面运动变量值可以被翻译成单一指令涉及的接口和目标定位坐标。此外,链接状态变量可以被翻译成链接配置和安装消息转发规则,每当有各自的变量值的变化。

3.3.2。用例2:按需驱动网回程

未来小细胞回程网络往往会形成一个密集的网格节点部署的小单元,通常近距离附近,和互联mmWave无线链接。所有小细胞节点总是动力将导致高运营成本由于其功耗。绿色回程,回程节点不为任何用户流量应自适应驱动,这改变了回程拓扑。例如,作者在24]共同解决最优问题协会交通流量路由、权力分配和关闭/操作以减少访问和回程功耗。

在这项工作中,我们考虑(26),计算整体拓扑开/关状态,最大限度地减少总能耗,同时提供所需的用户流量的要求。LTE宏单元提供覆盖问题和作为mmWave网关,可以连接周边小细胞核心网络。小细胞可以提供装满容量,只要他们可以连接到宏单元通过多次反射路径。因此,该算法可以激活小细胞传送,即使他们不提供任何用户流量。此外,交通问题可以多路不同的路径中,分裂所需的需求。

约束确保交通需求可以服务,最大链路容量并不违反,APs流量转发只有在活跃。决策变量定义每个AP的交通需求,相关用户提供每个AP的流量发送每个链接,每个流,APs的开/关状态。算法执行三个步骤,(1)执行一个回程的初始开/关选择节点,(2)创建必要的mmWave链接,和(3)激活继电器节点。算法计算新的回程拓扑和路由路径问题时流量变化的要求。此外,它降低了回程功耗卸载问题交通通过LTE宏单元,因此利用这种HetNet架构。

总的来说,作者在26)关注的计算一个新的回程配置状态C2,鉴于C1和假设交通需求的变化。另一方面,部分中给出的用例3.3。1基于C1和C2之间的重新配置。然而,应用程序的用例可以组合为了(a)计算新的回程拓扑和转发配置C2,基于能效要求,和(b)计算必要的回程重新配置操作,初始最后C1和C2配置之间的过渡状态。

在评价部分,因此我们关注无缝重新配置操作,回程中涉及多个开/关操作节点,建立新的联系,更新转发规则。同样如前所述,SDN控制器可以请求一个新的回程配置状态,通过提供拓扑信息和现有交通需求作为算法的输入。

4所示。mmWave网回程试验台

为了评估我们的架构和重新配置操作,我们部署一个小细胞无线网状回程试验台使用mmWave链接,这是结合我们SDN控制器和小单元网格节点扩展(参见图4)。试验台由SDN控制器,四个小细胞节点(分别为N1,陶瓷)和三个节点负责交通一代,即。发送方(S),接收器1 (R1)和接收器2 (R2)。回程网节点通过无线连接到一个内部控制的网络链接,接收方和发送方节点通过以太网连接到同一个控制网络链接。网格节点使用WiFi SDN控制通道内部网络;然而我们的架构支持使用其他链接类型(例如,LTE,或WiMAX)作为控制信道(45]。通过四个小细胞节点相互连接mmWave链接(N1-N2, N1-N3 N2-N4, N3-N4)。

试验台网格节点放置室内,和各自的定位布局如图5。每个节点的mmWave接口相互堆积的顶部,安装在三角架,陶瓷的例外,也有它的接口堆放,但附加到一个现有的平台在实验室的房间。见图5,链接mmWave接口之间的距离对2.4米至3.8米之间变化。

我们使用三个独立机器生成交通(R1、R2和S),连接到陶瓷,N2, N1,分别通过10千兆以太网链接。

我们使用以下三类商业现成的微型计算机计算设备可以支持必要的计算能力来处理高通量转发率:(我)第1类:英特尔NUC工具包D54250WYK英特尔i5 4250 u, 16 GB的RAM, SSD(2)二班:英特尔NUC工具包NUC7i7BNH英特尔酷睿i7 7567 u, 16 GB的RAM, SSD(3)第三类:g白利gb - bki7ha - 7500英特尔酷睿i7 7500 u, 16 GB的RAM, SSD

在我们的实验装置中,节点N1, N3,二班和陶瓷设备和节点N2 1类设备。SDN控制器作用于一个专门的类1机和连接到内部有线和无线控制网络。R1和R2都是3班设备和S是一个类1设备。所有实验节点使用Ubuntu 16.04内核4.15.0-34。安排实验和测试试验台的SDN-based重新配置功能,我们使用一个额外的控制网络的笔记本。这个笔记本电脑使用REST客户机应用程序与SDN通信控制器发出指令介绍部分3所示。3。此外,N2和N3配有TP-Link HS110智能插电源,用于动态开关打开或关闭,也连接到内部无线控制网络。

使用网格节点的功耗是列在表中2。下进行了测量计算的需求(闲置和在高CPU负载,和没有mmWave接口连接到节点的USB端口),收集报告功耗每秒钟,一个小时期间,为每一个测量状态。我们测量功耗使用古德8001配电装置,内置电源监控功能。在空闲状态,计算设备运行使用软件,但没有任何额外的计算过程运行。执行CPU-loaded测量,我们使用stress-ng(http://kernel.ubuntu.com/盛泰/ stress-ng /)设备的CPU利用率最大化。同时可见,功耗高CPU负载高很多,如果回程拓扑节点是由成千上万的小细胞,空闲节点的聚合功耗可能达到实质性的价值,激励能源高效的拓扑管理政策的需要。

4.1。SDN控制器

我们使用一个SDN控制器实现SDN试验台控制平面(见部分3所示。1)扩展OpenDaylight(光延迟线)L2Switch项目(https://github.com/opendaylight/l2switch),它有一个数据包处理程序,解决跟踪器,流作家,网络图组件实现。

MCS高层mmWave链接配置命令转换为单个设备配置信息,通过OpenFlow扩展(见部分实现4.1。1)。的配置两个节点之间的联系是通过设置第一个节点作为接入点(AP),和第二站(STA)。基于节点的内部接口标识符,一个惟一名称创建链接(例如,“:4:1-of: 3:2”接口1之间,如果新的链接节点的节点4和接口2 3)。此外,涉及到接口的定位也可以提供作为输入参数。

电源管理器与网格节点的交互使用TP-Link智能家居的实现协议PCU南行API (https://github.com/intrbiz/hs110)。此外,电源管理器发送关闭请求的计算设备扩展OpenFlow API。高级节点内部策划的关机命令(1)优雅的关闭将请求发送给计算设备,和(2)发送PCU关机请求后5秒(计算后的电源被切断设备的操作系统不再运行)。同样,电源管理器启动计算设备通过将各自PCU的权力,对权力的配置为后。

以下4.4.1。OpenFlow扩展

增加无线回程可配置性,我们引入新的消息类型OpenFlow协议。这种方法以前也认为,例如,(37,45,46]。通过扩展实现的扩展是光延迟线的OpenFlow插件,负责OpenFlow协议消息的序列化和反序列化。一个抽象的新的OpenFlow消息列表可以在表中找到3。的ofp_mmwave_config消息发送的SDN控制器来解决小单元配置,对于(1)mmWave链接配置,(2)mmWave接口对齐,和(3)小细胞能量状态(开/关)。每当一个新节点连接到SDN控制器,控制器请求初始状态的数据节点,通过特性请求消息。如果新节点是一个小的单元网格节点,它包括信息功能回复,然后发送ofp_sc_features消息(请求的控制器),其中包含的信息其GPS坐标,PCU IP地址用于管理权力配置和扫描列表邻国(BSSID、RSSI和各自的通道)。如果该节点不发送ofp_sc_features消息,它被视为一个正则OpenFlow SDN装置的控制器,提供向后兼容性与原OpenFlow规范。此外,定期控制器请求数据从现有mmWave链接,返回使用多部分的列表ofp_mmwave_stats消息。

4.2。小细胞网格节点

每个小单元网格节点有一个计算装置连接到两个mmWave接口。节点可以放置在一个封闭的车厢,见图6(a)。这个外壳提供了一个灵活的安装选项,耐水和天气情况室外实验,例如,在路灯或墙壁,使一个简单的集成到现有的基础设施。使用材料不添加显著衰减mmWave传播。此外,从容的流动性和与节点的交互组件,这些节点可以放置在可调三脚或类似的支持结构,我们使用我们的室内实验期间,见图63 (b),计算设备提供USB端口,用于连接mmWave接口,尽管其他设备总线类型可以集成在未来的研究(例如,迅雷3或M.2)。

每个网格节点使用一个修改版的Open vSwitch (ov) 2.10.1集增强OpenFlow API扩展。在内部,处理无线命令,ov小细胞交换消息代理(SCA)通过当地的UDP套接字。SCA软件是用Python编写的,用于与本地通信硬件和软件组件所使用的计算设备。见图7,SCA有多个内部模块:光束控制模块使用一个串行通信模块与运动控制器和交互集的对齐mmWave接口。电源管理模块优雅地终止所有正在运行的软件,例如,OVS and the other SCA modules, whenever the SCA receives a shutdown request message from OVS. Lastly, the Statistics and Link Configuration modules interact with the existing WiGig software in order to retrieve RSSI statistics and configure the existing links. Internally, the used software uses ported versions of the built-inwpa_cli和wpa_supplicant工具,适应经营mmWave模块驱动程序(wigig_cli和wigig_supplicant分别)。

配置mmWave链接时,SCA组合的一组程序(1)分离相关的接口机汇桥(在检查wigig_supplicant的日志,我们发现WiGig mmWave驱动程序不正确流程EAPOL认证框架接口添加时ov开关端口。我们没有访问驱动程序源代码,我们无法解决这种行为),(2)一个新的开始wigig_supplicant实例,(3)执行本地链接发现程序,最后,(4)再植接口机汇。本地链接发现进行不同的接口是否配置为美联社或者STA:在STA模式中,SCA检测到新的链接发送ICMP数据包通过相关接口每0.1 s使用平工具,直到它收到一个响应。在AP模式中,检测到新的链接当SCA捕获一个ICMP数据包在新接口。删除现有的链接,SCA终止各自的运行wigig_supplicant实例。

4.3。可操纵的mmWave接口

每个mmWave接口中使用网格节点是由3 USB软件狗60 GHz收发器,由松下公司内外的日本,可以看到,原来的附件图8。基于WiGig / IEEE软件狗802.11广告标准(47]。然而,当他们不遵守协议规范,软件狗不支持特性,比如数字波束形成或P2MP连接。WiGig模块使用调制编码方案(MCS) 9 ( - - - - - -正交相移编码与编码率和PHY数据2502.5 Mbps的速度,这是翻译成一个可实现的mac层的吞吐量1.6 Gbps [48])。模块可以操作通道2和通道3,IEEE 4通道之一802.11广告操作59.40至61.56 GHz, 61.56到63.72 GHz(每个2.16 GHz的带宽),分别为(49]。

提供必要的衰减来应对高路径损耗mmWave频带,mmWave接口使用无源天线反射阵列,提供波束形成能力。这个数组是由专门设计的 厘米的印刷电路板(PCB)。它增加了一个增益26 dBi和窄光束 ,允许的最大intersite距离200米,也大大减少了相邻节点之间的干扰50]。这种狭隘梁需要精密对准mmWave接口,以形式的节点之间的联系。出于这个原因,我们整合mmWave电子狗和反射阵列可操纵的机械平台。这个平台允许一个完整的水平运动自由和在垂直方向。分别为每个运动方向由步进电机控制,这是连接到一个运动控制器。这个控制器连接到计算设备通过serial-to-USB接口,可使用的计算设备修改天线校准。图9显示了一个完全的正面和背面组装mmWave接口。在左边,前面的反映出数组中可以看出,随着USB mmWave电子狗,和下面两个步进电机。图9(右)显示的设备,包含PCB运动控制器。

5。实验评价和讨论

在本节中,我们评估几个方面SDN-based网回程的重新配置,使用我们mmWave多次反射的实验。我们的实验目的不仅验证了回程重组原语,但也回答下列问题:(我)拓扑变化的影响和非最优信道分配现有交通使用SDN-based网回程重新配置吗?(2)节能小细胞的影响是什么电源开关在现有交通使用SDN-based网回程重新配置吗?

在接下来的部分,我们将分析重要的关键性能指标如延迟、损失,和吞吐量在回答这两个问题为各种不同的交通需求。我们开始与基线实验识别性能的影响不同的原语用于回程重新配置操作。

我们使用不同的交通生成工具进行实验。iperf3(https://software.es.net/iperf/)生成UDP发送方和接收方之间的交通节点。交通流是策划直到各自的远程运行iperf3客户端应用程序终止。每个流都使用7882字节数据包匹配配置的MTU在mmWave接口。我们改变发送速率,根据我们的实验。的iperf3服务器实例报道每秒的吞吐量和损失值,我们晚些时候与配置阶段,获得平均和标准偏差值。我们使用平工具来测量RTT通过发送ICMP数据包每10毫秒之间涉及到主机。我们使用tcpdump捕捉交通在整个实验期间从接收方和发送方节点连接链接(以及在网格节点对应),之后建立mmWave链接(如不可能启动流量捕获之前)在所有的mmWave接口涉及实验节点。我们实现脚本关联跟踪文件为了解剖RTT每链路和节点,确定延迟瓶颈。

5.1。基线回程链路重组

作为一个基线测量,我们评价一个回程链路配置的影响在现有交通。为此,我们准备一个网格节点的实验设置N1使用单个mmWave接口。起初,N1有其接口与N2和两个节点之间建立链接(图10 ())。此外,N2-N4和N3-N4链接也成立。同时,节点发送方发送一个800 Mbps的UDP流在N1-N2-N4 R1的道路。重新配置过程在于调整N1和N3(通过一个接口旋转),建立一个新的N1-N3链接,安装和更新之前的转发规则以匹配新的链接时检测到的SDN控制器(图10 (b))。我们重复实验的15倍。

请求的链接是对齐的N1天线旋转到一个新的位置,结合相反的链接接口。对齐值计算在实验之前,首先根据节点的室内位置,其次是手动调整各自的界面调整角度,为了提高信号质量的链接。获得的方位角和仰角值然后使用在配置脚本作为输入实验中,虽然他们也可以存储在SDN控制器。转发规则,每当有新更新链接形成的不同的接口。由于涉及无线链接,有必要重写每个链接的MAC地址,以匹配的源和目的MAC地址(STA /美联社各自相关的链接51,52]。交通被发送到主机之前,小细胞节点重写MAC地址,匹配原始的源地址和目的地址。虽然每个链接修改MAC地址,端到端转发路径保持确定的源和目的地从各自的主机的IP地址。

图11显示了累积分布函数(CDF)为不同的时间间隔执行配置操作和重建所需的端到端发送方和接收方节点之间的连通性。这些包括的机械接口对齐N1-N2 N1-N3目的地位置,内部链接配置N1和N3,检测新链接的SDN控制器。接口对齐时间是衡量机械控制器状态轮询到接口不再移动。内部链接配置时间计算通过计算最大链路配置时间美联社和STA之间。SDN控制器检测的链接获得通过测量运行时间从链接时配置请求被发送到N1和N3,直到检测到新的链接在光延迟线。在内部,光延迟线检测到一个新链接接收链路层时发现协议(LLDP)数据包从一个相应的接口(每5秒淹没,或者当一个新的交换机端口添加到节点)和更新其网络图。最后,通过计算获得的交通中断间隔的最长时间没有在重构过程中交换数据包。结果表明,校准时间是常数(3.06 s)。内部链接配置需要最低的延迟从重新建立连接的所有步骤。尽管如此,这个操作仍然需要平均2.88秒,由于重启的开销wigig_supplicant如前所述,部分4.2。注意,我们只触发后的内部链接配置接口合理对齐。检测到新的链接在SDN控制器平均约3.41年代后天线已经对齐。这是因为内部链接配置后,控制器需要接收LLDP链接检测消息和更新内部网络图,而这一个链接,在不到一秒(接口检测,其次是产生、接收和处理传入LLDP包在控制器)。平均总交通中断的时间(6.50)小于平均对齐之和乘以和链接检测SDN控制器(6.46秒)。通过数据包跟踪文件的分析,我们发现,N1仍然可以传输数据包N2对一些时间当天线开始旋转,直到链接中断由于完全错位。此外,机械平台最初增加它的速度,移动慢的开始旋转。这将会导致端到端连接的中断间隔小于总重新配置时间。

这个实验证明了SDN控制器能够重新配置网络,发送方和接收方之间重新建立端到端连接节点。由于只有一个接口的可用性在N1,回程的重构导致丢包和对现有交通,造成负面影响的情况下,天线需要旋转和链接需要确立不同的邻居。在下一节中,我们评估额外的好处有多个无线电天线,它允许我们建立备份路径可以为现有的交通而重新配置。

5.2。最佳的可操纵的mmWave网回程重新配置

实现任何无线回程重新配置用例部分2.1,至关重要的是,无线回程可以执行这些重构操作以最小的破坏现有交通问题。因此,我们问的问题:拓扑变化的影响和非最优信道分配现有交通使用SDN-based网回程重新配置吗?

要回答这个问题,我们设计一组实验中,我们使用两个不同的回程配置(C1, C2)为一个给定的流量矩阵。此外,这些实验的目的是验证相关重组原语用于网络优化框架(例如,之前原语中所描述的部分3.3。2)。

实验是由一组程序,允许从一个初始拓扑状态转换C1任何最终C2配置。的主要目标是让这个过渡尽可能无缝,导致最小交通中断。C1过渡是通过(1)调整涉及的C2 mmWave天线最后的位置,(2)配置的新链接C2,(3)更新新的拓扑路线通过重写OpenFlow规则,并从C1(4)删除未使用的链接。

在我们的实验中,发送者对每个接收器节点节点有一个活跃的流。我们考虑两个不同的情景:在第一个,最初的回程配置C1是能够处理现有的交通需求,但主要mmWave链接之一,将流量转发两个节点需要释放,导致回程的重新配置(天线运动,邻居建立规则更新)改变所有交通通过新的路径不最初配置,形成配置状态C2。在第二个场景中,最初的回程配置包含一个瓶颈链接不能前进所需的发送者和两个接收器节点之间的交通。然后重新分裂两回程流经不同的路径。我们研究最优和次优频道分配网格及其对重构的影响。

两个场景,实验方法是相似的。初始化试验台通过配置N1-N2和N2-N4 mmWave链接使用通道3和2,分别。一旦可用链接,安装初始转发规则,年代和R1节点之间的路由流量使用N1-N2-N4路径,和交通之间的年代和R2使用N1-N2链接(图12)。安装了转发规则,交通和RTT测量开始,大约20年代后,引发的回程重构是SDN控制器,调整到新的位置的接口和配置新的链接。与新链接形成,新配置的转发规则C2安装,取代了最初的。从初始拓扑之后,未使用的链接删除,测量持续到实验的最后。我们重复每个实验的15倍。

5.2.1。场景我:在低交通量的重新配置

在这种情况下,我们的目标是评估我们的重新配置实验在两个配置状态间转换的C1和C2,回程可以提供所需的要求在初始和结束状态。这种过渡是必要的,当SDN控制器检测到一个链接失败坚持很长一段时间,造成的,如长期堵塞或小细胞接收器的硬件问题。在这个实验中,发送方节点开始发送两个500 Mbps UDP流:F1(接收器1)和F2(接收器2)。随着N1-N2禁用链接在最后的配置状态C2,拓扑是由设置N1-N3重新配置(2)频道和N3-N4链接(渠道3)。当新的链接,新配置的交通路线C2, F1的转发规则在哪里配置为使用N1-N3-N4路径,并通过N1-N3-N4-N2 F2路由路径(图13)。

为了避免交通中断,规则是安装在节点没有积极的进行交通流,然后在节点初始链接在哪里被使用。因此,转发规则F1 N3安装,更新陶瓷和N1。安装在新F2转发条目N3,陶瓷,然后在N2和N1。交通路线变更后使用新的路径,禁用N1-N2链接和实验达到最终的配置状态C2。试验台,安装顺序流的计算非常简单,很容易被硬编码在实验脚本,但在更大的场景,这样的流动迁移需要计算考虑整个拓扑作为输入(53]。值得注意的是,在初始配置状态C1,流F1路由/ 2 mmWave链接啤酒花和F2 /一跳,而在C2,流F1经验两个无线啤酒花和F2经历三个啤酒花。

图14显示了两个接收器的RTT R1和R2以及流的吞吐量值F1和F2。补充情节,平均和标准偏差(方差)的RTT值、吞吐量、丢包,所有的测试迭代和所有配置阶段,在桌子上4。

这些实验不饱和的交通需求的链接,对排队的影响是最小的两个节点。R1经验更高的RTT因为它遍历更多的无线跳C1。链接是对齐后,在第二次路径配置(42),我们观察到守时的RTT峰值在接收节点(近10 ms)。更详细的分析这些突然延迟显示峰值干扰影响,导致从所有mmWave链接也活跃在这一时期,由于在实验物理部署的节点。这些干扰效应动机更深入分析信道分配的影响变化mmWave链接,详细讨论的部分5.2.3。

转发规则更新后,我们可以观察到新的配置C2的影响在现有流动。虽然R1不变的平均RTT由于新的转发配置有相同数量的啤酒花(平均短增加0.28毫秒之间由于更高的RTT测量造成的干扰N2-N4 N1-N3链接),平均RTT的R2增加到大约1.7 ms。这个值高于平均RTT R1 F2的新的转发路径是由三个mmWave啤酒花,而不是最初的单路径。

尽管RTT两个接收器节点之间的差异,两个流的吞吐量F1和F2由多个重构操作不受影响。因此,我们表明,下一个精心策划的重新配置网络可以实现低交通量与次要影响现有流动,不会造成丢包。

5.2.2。场景二:重新配置高的交通量

当回程链接是高度利用,增加用户流量峰值需求(比如,一个突然增加的用户进入体育场或音乐舞台)拥塞导致持久的联系。为了应对需求增加,新的小细胞可以开机时如果可用路由流量远离热点。与新要求,回程协调器需要计算一个新的回程配置能满足交通需求的增加。最后,我们评估这样的场景在我们的实验中,遵循同样的重构的目标,如前所述。

在这组实验中,我们设置两个900 Mbps UDP流之间的F1和F2和R1和R2,分别。然后触发试验台的重新配置,配置N1-N3和N3-N4链接。当新链接形成,流的转发规则F1更新使用N1-N3-N4路径。同样与在前一个场景中,我们安装新规则首先N3,之后才在陶瓷和N1。当流F1成功的路线,然后N2-N4链接失效,流流F1通过N1-N3-N4路由,F2使用N1-N2转发路由路径(图15)。

对于这个实验,结果流F1和F2的带宽,服务器之间的RTT和两个接收器节点,可以观察到在图16随着实验时间,在一个迭代。此外,各自的平均值和方差值,之前和之后的网络重构,提出了在桌子上5。

从一开始的流量测量(6 s),我们观察的饱和N1-N2链接,F1和F2收到较少的带宽相比,其目标(900 Mbps)。聚合两个流的吞吐量都是受限的1.5 Gbps最大可用链接能力,导致平均丢包的大约15%流在F1和F2的11% (18.9%)。链路拥塞导致队列阻塞,导致bufferbloat和大约45 RTT女士对接收器节点(异常之间的时间间隔测量的开始和接口对齐,这个平均值略低,由于初始测量值,在N1-N2链接变得拥挤)。

后新的N1-N3-N4路径配置和F1流动路线,F1和F2达到所需的吞吐量。N1-N2链接消失的拥堵,减少之间的延迟和R2 1.2毫秒左右。同时,年代之间的RTT和R1降到1.7 ms。这增加了延迟,R2的值相比,是由于额外的两个节点之间的跳(S-N1-N3-N4-N1),相比S-N1-N2-R2路径。最后实验间隔期间,我们再观察mmWave链接之间的干扰,导致延迟峰值(例如,在46岁)由单个high-RTT测量(4 ms),其次是减少延迟在平均值以下收到ICMP数据包。从表可以看出5最后的平均包丢失配置阶段是零。这是因为iperf3每秒钟记录包丢失,不完美结合配置阶段的变化。

5.2.3。mmWave回程中信道分配的影响

探讨信道指配对交通的影响和干扰,我们进行一系列的实验与理想信道配置使用链接。为此,我们从部分重建实验5.2.2,修改通道用于mmWave链接配置:N1-N2和N2-N4被设置为使用通道2,而N1-N3和N3-N4使用通道3。在这个配置中,每个N1和陶瓷之间的两个不相交的路径将使用相同的频道两个链接。

一个实验的吞吐量和RTT随着时间的迭代图所示1715,平均值和方差值迭代测试可以在表中找到6。从一开始的测量,直到更新转发规则(43),流都使用N1-N2链接路由,它使用相同的频道N2-N4流F1的第二跳。与前面的实验,N1-N2链接被充分利用,都流有一个聚合的吞吐量大约670 Mbps, 44%不到完整的链路利用率。因此,两个节点的经验增加包丢失F1和F2为47.99%(75.14%),不仅造成N1-N2链接饱和,而且通过cochannel干扰。在这个场景中,当两个链接路径中使用相同的频道和N2的接口是垂直堆放(无线电发射机和接收机密切的物理距离),当N2收到一个数据包从一个接口的N1和N2并行应该不同的数据包转发到陶瓷,发射机电台在N2它不会感觉N1由于定向天线的接收。因此,它将在陶瓷平行节点发送数据包。高发送功率的发射机接口N2将导致额外的cochannel干扰接收的数据包从N1 N2在接收广播。这额外的干扰减少了动态链接的mmWave链接由于随机路径损耗高,阴影,和堵塞,进一步导致高随机丢包。同样的,当陶瓷将ACK发送回N2 N1和N2发回的ACK,与此同时,ACK的传播会影响,导致丢包和降低吞吐量。注意,F2更高的吞吐量也在重组之前,而F1。 F2 is routed over a single hop, while F1 is forwarded over two links, leading to a higher packet loss rate in F1.

关于RTT测量接收器节点在重构之前,我们可以观察到在N1-N2增加排队延迟的影响,因为它增加交通污浊的链接后不久。然而,平均值较高(212.96女士在R1和R2中的35.9毫秒)相比的结果之前的场景。在使用一个信道指配配置没有显著干扰不会影响RTT值两个接收器节点之间的区别(因为它主要是由一个链接),在这组实验中我们观察到增加大约177毫秒之间的测量RTT R1和R2,由于延迟N2-N4链接。这是因为额外cochannel干扰导致高包丢失,要求较低的层经常重新发送数据包丢失。这导致有效队列堆积和bufferbloat由于cochannel干扰。

网络重新配置后,cochannel干扰流F1的性能产生不利影响,因为它是在两跳转发拥有相同的频道(ch。3)。低吞吐量和高丢包的原因为F1之前描述的一样。同时,F2从其吞吐量高赤字和延迟复苏,随着N1-N2链接是专门使用通道2只用于在源和之间提出了R2。

最后,可以观察理想信道指配的负面影响在无线回程,即使使用定向天线和转发数据包超过一跳。cochannel干扰造成的影响明显降低现有流的吞吐量和增加测量RTT,相比一个相同的场景,一个更好的信道分配会导致更少的干扰中使用链接。

5.3。自适应开/关网回程操作

降低整体功耗回程,应该关闭未使用的节点,从而改变回程配置。因此,当不同配置之间的过渡状态,SDN控制器必须能够打开或关闭回程节点,重新配置涉及mmWave回程链接,和更新现有的转发规则,根据新形成的拓扑结构。在本节中,我们评估自适应开关配置原语,回程的无缝执行重新配置与调整的联系,共同链接配置和转发规则更新命令,和所需的组合编排SDN控制器。

在实验的开始,N3断电和所有其余的网格节点是开启。我们最初配置N1-N2-N4路径(配置C1),通过安装相应的链接和转发规则,并开始一个800 Mbps UDP流之间的F1和R1,如图(18日)。与此同时,我们开始RTT测量R1和美国之间十年代后,我们力量N3,大约需要33个年代。所有网格节点打开,我们进行重新配置试验台使用N1-N3-N4路径,使用相同的重新配置例程与前面的描述场景:首先,调整相关mmWave接口的N1, N3,陶瓷,其次是新的链接的配置和更新转发规则匹配的新路径。十秒后,我们在N1-N2-N4禁用链接路径和关机N2,离开网状网络启动操作又有三个节点,见图18 (b)(C2)配置。N2是15秒后再次启动,操作之后,我们重新连接N1-N2-N4路径,重写流向原来的配置,直到实验结束(C1)配置。

表中可以看到7,接收方不经历任何包丢失在实验阶段。因此,现有的两个节点之间的流的吞吐量保持所需的速度。图19显示了RTT和吞吐量值在一个迭代,在网络重新配置事件标志着在垂直的破折号。由不同的直线的绘制RTT值。

虽然没有重大偏离整体测量RTT值在实验期间,类似于之前的实验中,可以看到守时RTT峰值时所有的回程链接活跃由于干扰(分别为64年代和138年代后不久),造成mac层链接建立信息交换。更新后不久的新转发规则(大约71年代和146年代),我们观察一个简短的中断延迟测量mmWave链接,虽然总RTT不受到影响。仔细检查收集到的跟踪文件显示,尽管转发规则正在更新,端到端延迟是成功以R1(通过发送和接收各自的ICMP请求和应答数据包)。然而,大量发送的ICMP请求R1新配置的路径,而回复发送旧路,N1的转发规则是最后的安装。每当请求和应答数据包分割在不同的链接,不可能单独计算RTT每个链接,因为他们需要两个包来计算这个指标。

类似于基线链接配置实验,接口对齐次也稳定,即。,4.92秒(0.053)旋转N3-N1 N3的接口链接,和3.48秒(0.012)旋转N3-N4 N3的接口链接。图20.显示了它的内部链接配置时的网格节点,与检测时间的联系SDN控制器(衡量的部分5。1所有配置的链接),对,在这组实验。而内部链接配置时间是一致的,场均1.92与方差0.149年代,新的链接在SDN控制器的检测在2.06和7.75年代各不相同。这种变化是由LLDP数据包的调度控制器回程的链接,当它发生时每5秒,或者当添加一个新的交换机端口。然而,当配置添加一个新的链接和mmWave界面回到ov SCA,如果两个接口的链接没有准备好(即。,两个接口配置在两个节点),ov LLDP发送数据包没有接收到相应的接口。因此,只能传播未来LLDP包(5秒之后),如果链接已经准备好了(例如,如果一个LLDP数据包发送链接在t = 1.8 s,准备在1.9秒,接下来LLDP包只是传播在t = 6.8)。

5.4。反射

我们的实验证明SDN使编排不同的回程重构机制,即使在复杂的重新配置操作,即。,一系列的接口对齐,链接建设,电源开/关管理和重路由步骤。正如我们所见,一个适当的编排会导致一个无缝的网络操作和不间断的端到端用户连接。通过自适应电源开/关的网络节点,回程可以很容易地重新配置实现节能目标和贡献对绿色网络操作的目标。

然而,我们还需要考虑如何应用弹性与这种类型的共同节能网络重新配置。具体来说,如果在一个给定的所有未使用的回程节点拓扑配置状态驱动,任何失败,即使是暂时的,也扰乱网络操作。因此,平衡需要节能和弹性操作之间的网状回程,可以自适应节点驱动的开/关,同时提供备份链接和/或路径。尽管如此,同时拥有fast-failover弹性和自适应网络中可用的开/关回程重构机制将允许运营商微调回程操作,根据所需的政策。

6。结论

在本文中,我们提出了SOCRA架构,它使用SDN控制平面管理一个小细胞无线多次反射网回程网络。SDN控制平面负责所有配置相关操作,包括信道分配、使用机械旋转定向天线接口对齐,开启/关闭的小细胞,和管理转发状态。建议的体系结构提供了一个编制接口,可用于与外部通信优化框架,框架可以使用优化的回程不同的经营目标(例如,能源效率或弹性)。

我们实现了一个SDN控制器和一个multiradio mmWave小细胞回程节点和部署一个实验在一个小细胞形成的网状拓扑节点,这可以解释重新配置命令签发SDN控制器并将其转化为适当的行动。节点配备多个机械可操纵的mmWave接口,可以旋转,相互结合,形成新的动态链接,根据SDN控制器的指令。试验台是用于验证不同重组原语,其中包括mmWave接口的调整,回程的动态配置链接,开/关小细胞节点的供电,并转发的更新规则。我们评估了重新配置在不同配置状态间转换的实验使用不同的交通场景和信道分配。我们的测量结果表明,它可以重新配置回程没有对现有的交通问题产生重大影响,如果有可用的备份路径,可以用于临时交通路由。

作为未来的工作,我们打算调查的影响回程通道分配使用不同的定位和距离的回程节点和接口。此外,我们将扩大我们的回程优化框架考虑使用fast-heuristics通道形成的联系和发展。fast-heuristics指导回程协调器,提供一个有序的序列重构操作执行,为了减少对端到端性能的影响。

数据可用性

实验日志和跟踪文件用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

部分这项工作一直由通过项目SOCRA瑞典的知识基础。这项工作也由欧洲委员会(EC) H2020和内部事务和通讯(MIC)在日本赠款协议723171年欧共体和0159 - 0149年,0150年,0151年的麦克风。

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