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CADWAN：密集wifi接入网络的控制体系结构
Pierluigi Gallo，Katarzyna Kosek-Szott，Szymon Szott，Ilenia Tinnirello
无处不在的计算需求日益增长，导致了网络接入网络的密集化。
高密度部署的挑战可以通过
网络范围的集中控制。 为此，
作者提出了CADWAN，一种用于高效管理密集wifi接入网络的控制体系结构。
1 我们将wifi单元格定义为由AP及其相关站点（即用户设备）组成的网络。
2 当一个单元位于两个没有知觉的单元之间时，就会出现中间流动问题
彼此。 如果外部单元处于较大的交通负荷下，中间单元感觉到介质永久繁忙，因此无法访问通道。
摘要
无处不在的计算需求日益增长，导致了无线接入网络的密集化。 高密度部署的挑战可以通过网络范围的集中控制来解决。为此，我们提出了CADWAN，一种用于高效管理密集wifi接入网络的控制体系结构。 它的主要优点是：灵活性（它支持软件定义的无线网络)、可伸缩性(它使用三层优化框架)和可扩展性(它利用支持异构设备的统一控制接口）。 此外，CADWAN对IEEE802.11特别是802.11ax的持续发展达成了互补。
介绍
无线接入网络需要满足无处不在的计算需求。 思科的“可视化网络指数”估计，到2020年，移动设备的月流量将超过116亿字节。 新出现的能力问题的主要解决办法之一是接入网络的密集化。 对于细胞网络工作，致密化意味着较小的细胞和伞细胞与异质的宏观/微观/女性覆盖区域共存。 对于wifi网络，致密化既包括增加一个区域的接入点(APs)的数量，也包括客户端设备的扩散。 在这两种情况下，致密化有几个缺点：
- 由单元间引起的信噪比增加，特别是对边缘用户 1 干扰。
- 由于竞争用户数量增加（甚至属于独立的，但重叠的单元格）而导致随机访问方法性能下降。
- 增加拓扑情况的机会（例如，中间流动）2 在这种情况下，载体感觉机制不能很好地工作。
- 捕获效应的突出性（控制电流传输中最强帧的正确接收），导致容量分布不均匀。
因此，不总是很明显的是，密集阳离子的wifi细胞增加了容量，如预期的ED。 性能改进可能很小，在特殊情况下完全可以忽略不计。 为了减轻这些问题，可以考虑不同程度的协调。 对于长期进化，例子包括增强细胞间干扰协调和协调
指定的多点扩展[1]以及新的标准化控制体系结构[2]。 对于wifi，示例包括改进带有颜色编码的空间重用(802.11ah)，或者为单元内和单元间连接维护两个净工作分配向量(802.11ax)。 此外，所提出的解决办法之一是集中控制这类网络的概念。 研究表明，对于wifi网络，使用全局网络知识的集中式方法可以优于基于有限局部知识的信道分配[3]。 然而，其他wifi方面也需要集中协调，包括无线电配置（例如，设置最佳传输功率[4])和介质访问优化(例如，控制载波传感阈值[5]），这些通常在本地(每AP)尺度上考虑。
为了简化大规模网络的管理和安全功能，在研究工作和商业产品中都提出了对无线AP的集中控制。 然而，信道访问仍然是典型的分布和随机的，而没有利用集中机制的好处。 这是因为由于协调信道访问操作的严格时间要求，集中更难实现。 现有的解决方案引入了数据路径的集中管理。 CENTAUR[6]允许通过利用中央控制器来调度每个单元中的活动间隔来配置AP之间的非冲突操作间隔。 FLUID[4]允许根据流量负载在单元之间分配异构带宽。 这些体系结构基于特定于应用程序的解决方案，包括自定义控制器、信令机制和AP侧的代理，它们不能很容易地扩展以支持其他集中优化。 另一方面，基于分离数据平面和控制平面的软件定义网络(SDN)范式的通用体系结构，以及AP编程接口的提取，被提出用于处理移动性和关联(例如。 ，wifi流量卸载)，没有明确考虑干扰管理问题[7，8]。 在Cloud MAC[9]中，AP功能的虚拟化被扩展到云中远程处理媒体访问控制(MAC)帧，其中中央控制器生成管理帧并剖析节点响应。 云MAC只允许细粒度控制物理层(PHY)参数。
数字对象标识符：10.1109/MCOM.2017.1601097
皮耶路易吉·加洛和伊琳娜·丁尼雷洛在意大利巴勒莫大学。
Katarzyna Kosek-Szott和Szymon Szott是波兰克拉科夫AGH科技大学的学生。
图1. 使用CADWAN协调wifi网络，CADWAN与遗留网络共存，以及CADWAN的消息流。
遗产法
AP1
共存
CADWAN方法
协调信息
CADWAN
留言
协调信息
AP2
。.
APN
APN 1
站点
APN 2
SDN控制器（交流）
初始AP配置
初始站配置
MAC日志
AP监测
集中控制回路 交流
决定
数据交换
AP配置
监测站
集中控制回路
数据交换
车站 监测
本地控制回路 MAC日志
车站 配置 数据交换
PHY
MAC
PHY
MAC
PHY
MAC
中央操作系统
控制算法
决定
留言视图
网络功能的集中需要定义wifi节点和中央控制器之间的控制消息和协议。 虽然许多体系结构在定制协议上工作，但在引入SDN概念之前，一种用于集中式wifi控制的标准解决方案，称为控制和提供无线接入点(CAPWAP)[10]。 CAPWAP的一个限制是控制消息中的信息元素是预定义的. 这意味着CAPWAP不能用于配置实现新标准的设备，而不批准Proto-col扩展。 CAPWAP的另一个缺点是它只允许修改预定义的参数，这对于重新配置MAC操作逻辑是无效的。 同时，采用SDN模式的wifi网络建议使用开放流协议配置AP作为专门的无线交换机。在wifi网络中编程移动性管理解决方案的OpenFlow利用率的一个例子是由Open Road[7]给出的，而Open Radio[8]则通过考虑额外的PHY相关字段来扩展OpenFlow规则，以过滤传入的数据包并配置转发平面。 此外，IEEEP1930.1还将使用SDN范式定义一个用于控制AP的中间件，但仍处于早期阶段。
CADWA包括CAPWAP的扩展和优化框架. CAPWAP扩展为可编程无线设备提供了绑定，允许站配置，并确保数据和控制平面完全分离。 优化框架工作可以提高密集wifi网络的集中控制效率。
逻辑视图
物理观点
|
控制算法 |
|
操作系统 |
|
MAC |
|
PHY |
|
控制算法 |
|
操作系统 |
|
MAC |
|
PHY |
发展。 然而，在所有情况下，不考虑细胞间和MAC协调。
为了弥补CAPWAP能力与无线SDN需求之间的差距，我们提出了CAD-WAN，一种高效管理密集wifi接入网络的控制体系结构（图1）。 它基于中央控制器、全局网络视图和暴露编程接口的AP。 我们以前已经展示了这种方法如何提高单个wifi单元格的性能[11]。 在本文中，我们展示了如何在密集场景中集中协调多个单元格以提高性能。 具体来说，CADWAN包括CAPWAP的扩展和优化框架。 CAPWAP扩展支持可编程无线设备的绑定，允许站配置，并确保数据和控制平面的完全分离。 优化框架可以提高集中控制的密集wifi网络的效率。 我们的结论是，所提出的方法是灵活的、可扩展的，使运营商对密集部署的网络有更大的控制，并补充了现有的802.11相关工作。
提出的控制结构
在现有部署中，wifi单元格之间的协调仅限于本地协调（图1）。 每个AP都有自己的控制实例
|
特点 |
遗留管制计划w/o |
现有管制计划w/SDN |
CADWAN |
|
架构类型 |
分散 |
集中 |
集中 |
|
数据和控制平面 |
合并 |
分离 |
分离 |
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决策 |
本地 |
全球 |
全球 |
|
控制类型 |
参数 |
参数和/或基于流量 |
灵活PHY/MAC |
|
控制费用 |
大型 |
减少 |
减少 |
|
适用性 |
一般 |
特定应用程序的专有解决方案 |
一般 |
|
延伸性 |
有限 |
有限 |
改进 |
|
安全 |
有限 |
改进 |
改进 |
|
电力消耗 |
高 |
减少 |
减少 |
|
效率 |
低 |
有限 |
高 |
表1. 遗留控制方案、现有控制方案与SDN的比较，以及所提出的CADWAN体系结构。
与其他AP交换协调消息。 相反，在CADWAN中，我们建议通过将操作系统和控制算法集中在SDN控制器中来管理新出现的密集wifi部署的复杂性，该控制器被指示为访问控制器(AC)，同时通过允许AP之间的遗留coor-dining消息来保持向后兼容性（图1）。 1)。 然后，SDN控制器可以通过收集无线电和网络测量并执行集中式配置决策来协调控制平面上的AP集。 因此，从逻辑的角度来看，每个AP都构成了中心系统的托管部分。 从网络部署的角度来看，这种方法允许网络操作器协调它们的wifi单元格。 不受AC控制的AP代表了优化过程中要考虑的约束。
第二个关键的构建块是wifi设备的可编程性。 虽然在传统的wifi网络中，配置主要局限于频率和安全设置，但在先进的PHY能力和扩展操作模式的新兴场景中，必须考虑多个配置参数（传输功率、载波感知阈值、天线配置等）。 这种复杂性注定会随着无线设备的增加而增加，例如基于无线MAC处理器(WMP)体系结构[12]，将允许硬件支持的特定MAC特性的可编程性。 在这种情况下，AC负责在一组可能的模式之间定义MAC操作模式，或者利用新的可编程接口编程一种新的MAC操作模式。 一旦检测到新的网络状态，就可以在受控AP上强制执行所需的MAC操作，这是通过将MAC逻辑注入AP来表示的。 另外，为了提高重构延迟，AC可以指定一组MAC操作
模式和激活规则到每个AP，这反过来可以自主激活一个新的模式，并通知相关的站点时，其中一个规则是匹配的，即AC发送策略到负责站点配置的AP（表1）。通过运行与上下文相关的原始COLS，启用了wifi操作的强大优化（如前面所述）。 然而，网络配置空间相应地增加，在处理日益增加的问题复杂性时，AC需要更有效。
虽然单个网络运营商管理AC及其控制网络，但技术间协调，包括LTE卸载、蓝牙/ZigBee共存和相互操作策略，也可以通过在AC上运行的控制策略来考虑，使用[11]中提出的思想。
CADWAN需要一个信号协议来集中协调和策略执行。 它有三个主要特征，我们在下面描述。 我们将它们与CAPWAP进行对比，CAPWAP是目前可用的wifi网络信令协议。
首先，CADWAN将数据平面和控制平面分开。 相比之下，在最初的CAPWAP建议中，存在一种操作模式，将所有wifi数据和控制消息封
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