基于冗余刪除的軟件定義機載網(wǎng)絡控制器部署策略

潘 武，呂 娜，陳柯帆，劉 創(chuàng)，陳 坤

(1.空軍工程大學信息與導航學院，西安，710077； 2.國防科技大學電子對抗學院，合肥, 230000)

機載網(wǎng)絡[1]作為鏈接航空平臺的通信基礎設施，為航空平臺[2]提供業(yè)務交互服務，保障作戰(zhàn)任務的高效實施。隨著日益復雜化的戰(zhàn)場環(huán)境對作戰(zhàn)效能要求的不斷提高，受平臺載荷、平臺機動性、平臺隱身性、電磁兼容性等需求限制，令航空平臺本身具備充分滿足任務需求、靈活適應戰(zhàn)場環(huán)境的多樣化作戰(zhàn)能力已變得愈加困難[3]。軟件定義網(wǎng)絡(Software-Defined Networking,SDN)范式的出現(xiàn)為解決這類問題提供了新的契機。解耦合的控制平面與數(shù)據(jù)平面，為實現(xiàn)靈活配置多功能的網(wǎng)絡控制提供了支撐。SDN作為一種新型的網(wǎng)絡范式，目前已被廣泛研究并應用于各領域，包括互聯(lián)網(wǎng)、航空航天、戰(zhàn)術網(wǎng)絡等[4-7]。

控制器作為SDN的“大腦”，負責網(wǎng)絡中的流量控制和業(yè)務轉發(fā)配置。針對控制器部署問題，國內外相關研究已陸續(xù)展開，文獻[8]針對控制器放置問題(Controller Placement Problem, CPP)，提出控制器部署的位置和數(shù)量對部署的網(wǎng)絡性能有直接影響，描述了不同場景為達到不同的部署需求時，需考慮優(yōu)化不同的指標，如網(wǎng)絡節(jié)點間的傳輸時延、控制器控制的交換機節(jié)點數(shù)量、鏈路的可靠性、部署成本開銷或流部署開銷等。針對控制器部署中的目標優(yōu)化問題，目前主要研究分為以下2類：

類型1:對單個目標進行優(yōu)化[9-15]，此類研究主要解決對單個功能需求顯著的模型，重點優(yōu)化該指標，而其他指標只需滿足正常的要求。但其適用范圍限于規(guī)模較小的網(wǎng)絡，實現(xiàn)的功能種類較少。

類型2:對多個目標進行權衡優(yōu)化[16-19]，該類型研究主要解決規(guī)模較大的網(wǎng)絡，需要綜合多個性能指標，滿足多樣化的功能需求。

然而，隨著網(wǎng)絡規(guī)模的擴大，網(wǎng)絡的任務越來越多樣化，需要同時優(yōu)化多個性能指標，類型2的研究逐漸受到重視。

由于無人機具有靈活、成本低、易于部署等獨特優(yōu)勢，考慮利用無人機搭載控制器構成邏輯集中的控制平面，根據(jù)不同任務需求靈活配置，對任務編隊構成的數(shù)據(jù)平面進行管理和控制，能夠使網(wǎng)絡在滿足任務需求的同時降低部署成本開銷。研究如何在可靠通信的基礎上有效減少部署控制器的數(shù)量從而降低網(wǎng)絡的部署成本開銷，對網(wǎng)絡的部署具有重要意義。

針對上述優(yōu)化部署成本開銷問題，本文研究SDN架構下的機載網(wǎng)絡[3]，將優(yōu)化機載網(wǎng)絡可靠性和部署成本開銷2個指標抽象為多目標優(yōu)化問題，設計了一種基于冗余刪除的無人機控制器部署策略(UAV Controller Deployment Strategy Based on Redundant Deletion, UAV-CDSRD)，將多控制器部署問題轉化為初始布設、冗余判定和冗余刪除3個階段。依據(jù)任務區(qū)域的特點，提出了初步部署算法(Preliminary Deployment Algorithm，PDA)；考慮可靠連接和降低網(wǎng)絡的部署成本開銷的約束條件，提出了基于連接關系的冗余判定算法(Redundancy Decision Algorithm Based on Connection Relationship, RDCR)；以可靠性和部署成本開銷為優(yōu)化目標，提出了基于網(wǎng)絡連通的冗余刪除算法(Redundancy Deletion Algorithm Based on Network Connectivity, RDNC)，刪除冗余無人機控制器。

1 控制器部署模型

1.1 場景描述

機載網(wǎng)絡作戰(zhàn)場景中，在戰(zhàn)場區(qū)域(以下稱為任務區(qū)域)內分散著多種類型的有人機編隊(以下稱為任務平臺)，它們依據(jù)多任務需求，靈活變化拓撲結構。為對高動態(tài)的機載網(wǎng)絡進行有效管控，可以利用無人機搭載控制器(以下稱為控制平臺)構成邏輯集中的控制平面，實現(xiàn)控制信息的交互與下發(fā)，并且有效降低網(wǎng)絡部署成本開銷。有人機編隊構成的數(shù)據(jù)平面，按照控制信息中的流表指令等相關規(guī)則，實現(xiàn)業(yè)務信息的可靠交互以完成相應的作戰(zhàn)任務。

1.2 問題建模

針對部署場景作以下假設說明：

1)由于平臺間的信號通過無線信道傳輸，本文假設其信息傳輸?shù)乃ヂ淠Ｐ头先R斯分布，噪聲設為高斯白噪聲，通過發(fā)送接收到的信號功率和噪聲功率可以計算節(jié)點間的信噪比。

2)假設網(wǎng)絡模型中任務平臺數(shù)為M，根據(jù)任務平臺數(shù)量和任務區(qū)域大小初步部署控制平臺數(shù)為N。

3)a=[ai]1×N表示N個控制平臺的狀態(tài)，矩陣中的元素用0和1表示，ai=1表示控制平臺i處于活躍狀態(tài)，ai=0表示被刪除；

4)b=[bi,k]N×M表示控制平臺i與任務平臺k的連接狀態(tài)，bi,k=1表示控制平臺i與任務平臺k處于連接狀態(tài)，否則bi,k=0；

5)c=[ci,j]N×N表示控制平臺i與控制平臺j間的連接狀態(tài)，ci,j=1表示控制平臺i、j處于能夠連通的范圍內，否則ci,j=0。

2 基于冗余刪除的部署策略設計

將該策略分為3個階段：首先，依據(jù)任務區(qū)域的特點，采用初步部署算法PDA得出無人機的初步部署數(shù)量和位置；然后，在滿足可靠連接和降低成本開銷的部署約束下，依據(jù)基于連接關系的冗余判定算法RDCR得出冗余無人機；最后，以可靠性和降低部署成本開銷為優(yōu)化目標，利用基于網(wǎng)絡連通的冗余刪除算法RDNC刪除冗余無人機控制器。

策略算法中所用的符號參數(shù)如下：

M={1,2,…,M}為任務平臺集合；U={1,2,…,N}為控制平臺集合；Rc為平臺的通信半徑；di,j為平臺i、j間的距離；Qmax為控制平臺的容量閾值；γi,k為平臺i與平臺k間的信噪比；τ為未被覆蓋的任務平臺比例；Dopt為控制平臺間的最小距離閾值；Ω為控制平臺所控制的任務平臺集合；θ為任務平臺所連接的控制平臺集合；Λth為平臺間實現(xiàn)可靠通信的信噪比閾值；Gf為未滿足部署約束的冗余控制平臺集合；Gr為循環(huán)迭代前未被刪除冗余控制平臺集合。

2.1 部署約束及性能評估參數(shù)

2.1.1 部署約束

部署約束是指在對無人機控制器進行部署時，控制平臺和任務平臺需滿足的相應約束條件，以優(yōu)化部署結果的可靠性和部署成本開銷指標。

對于機載網(wǎng)絡中的覆蓋連接可描述為：假設控制平臺的通信覆蓋半徑固定為Rs，每個控制平臺的覆蓋范圍是以控制平臺為圓心，半徑為Rs的圓，如果任務平臺距該控制平臺的距離小于半徑Rs，則可實現(xiàn)覆蓋連接。

為使部署結果能夠在滿足可靠覆蓋的同時降低部署無人機的數(shù)量，部署約束如下：

1)約束1：無人機控制器與任務平臺間的距離應小于無人機的通信范圍，才能實現(xiàn)對任務平臺的覆蓋連接，并表示如下：

di,j≤Rc,?i≠j

(1)

2)約束2：考慮復雜戰(zhàn)場條件下信道的質量，要求平臺間的信噪比γi,k需大于設定的信噪比閾值Λth，并且閾值大小的設定需要衡量場景的實際需求，表示如下：

γi,k≥Λth

(2)

3)約束3：由于無人機控制器的狀態(tài)分為有效和無效，并且無效的無人機最終要被刪除，因此任務平臺需要與有效的無人機連接才能接收可靠的控制信息，表示如下：

bi,k≤ai,?i,k

(3)

4)約束4：無人機控制器所能連接的任務平臺數(shù)量受限于多方面因素[20]；如果所連接的任務平臺數(shù)量過多，則可能導致信息交互數(shù)量劇增而造成損壞的情況，因此每個控制平臺服務任務平臺的數(shù)量應小于控制平臺的容量閾值Qmax，并表示如下：

(4)

5)約束5：控制平面的連通是確?？刂菩畔⒁恢滦缘幕A，為增強控制平面的可靠性，設定每個控制平臺至少與另外2個控制平臺保持一跳連接(雙連接關系)，并且不能使機載網(wǎng)絡的控制平面出現(xiàn)孤立的分區(qū)，表示如下：

(5)

6)約束6：任務平臺只需與控制平面保持一條連接，通過該條鏈路接收控制信息。此約束能避免多個控制平臺同時控制一個任務平臺，減少控制資源的浪費，表示如下：

(6)

2.1.2 部署性能評估參數(shù)

在本文中，可靠性指標用部署結果中未被覆蓋的任務平臺比例進行評定，部署成本開銷指標用最終部署無人機控制器的數(shù)量進行評定。

1)可靠性。由于在進行部署的過程中，少數(shù)任務平臺與控制平臺會出現(xiàn)暫時的斷開，因此設定如果部署過程中未被覆蓋的任務平臺比例小于閾值τ，則滿足可靠性要求，并用式(7)評判部署結果的可靠性性能：

(7)

2)部署成本開銷。本文采用部署控制平臺數(shù)量評判網(wǎng)絡的部署成本開銷指標，即部署結果中處于活躍狀態(tài)的控制平臺數(shù)量，用式(8)表示：

(8)

2.2 初步部署算法PDA

根據(jù)任務平臺的分布特征，可以得出初步的部署結果以及各平臺的連接關系，算法1描述如下：

輸入：任務平臺分布特征

輸出：矩陣a、b、c，集合Ω、θ

1)根據(jù)任務平臺的分布特征放置控制平臺

2)初始化各平臺的狀態(tài)及相應的參數(shù)符號值

3)Ωi=0，ai=1，?i∈U

4)θk=0，?k∈M，Gr=U，Gf=?

5)for?i∈Uand ?j∈Udo

6)計算控制平臺i與控制平臺j間的距離di,j

7)ifdi,j≤Rc

8)ci,j=1

9) elseci,j=0

10) end if

11)end for

12)for ?i∈U and ?k∈Mdo

13) 計算控制平臺i與任務平臺k間的γi,k

14) ifγi,k≥Λth

15)bi,k=1，Ωi=Ωi+1，θk=θk+1

16) elsebi,k=0

17) end if

18)end for

算法第1～4行表示根據(jù)任務平臺的分布特征，在任務子區(qū)域的中心初步部署控制平臺，初始化最初部署的所有控制平臺均為有效狀態(tài)，各任務平臺所連接的控制平臺數(shù)為0，循環(huán)迭代前未被刪除的冗余控制平臺集合Gf為空集。

第5～10行通過計算控制平臺間的距離，根據(jù)約束1中的相鄰控制平臺間的距離應在其通信范圍內，得出矩陣c=[ci,j]N×N。

第11～17行表示控制平臺與任務平臺間的信噪比γi,k并與閾值Λth對比，根據(jù)約束6中使任務平臺連接的控制平臺數(shù)量最少，可以得出矩陣b=[bi,k]N×M，并且可以得出控制平臺所控制的任務平臺集合Ω和任務平臺所連接的控制平臺集合θ。

2.3 基于連接關系的冗余判定算法RDCR

針對約束2中的平臺間信噪比γi,k須大于閾值Λth、約束3中的任務平臺須與有效控制平臺連接、約束4中的控制平臺連接數(shù)須小于容量閾值Qmax，對2.2節(jié)得出的控制平臺所控制的任務平臺集合Ω、任務平臺所連接的控制平臺集合θ進行分析；對于θ>1的任務平臺則認為其存在冗余連接，設計冗余判定算法得出冗余控制平臺，算法2如下：

輸入：集合Ω、θ

輸出：冗余控制平臺(矩陣a)

1)while(θ>1)do

2) 找出Ω值最大的控制平臺并標記為μ

3) 找到所有與控制平臺μ相連的任務平臺，并用集合A表示

4) 記錄A中所有任務平臺的θ值，并用集合B表示

5) while(A中包含的任務平臺個數(shù)大于Qmax)do

6) 尋找與控制平臺μ相連中

θ值最大的任務平臺并刪除

7) 更新A和B

8) end while

9) 刪除A中任務平臺與其他控制平臺的連接

只保留其與控制平臺μ的連接

10) 更新b=[bi,k]N×M，Ω和θ

11)end while

12)依據(jù)b=[bi,k]N×M得出a=[ai]1×N

算法第1～4行表示首先找出Ω值最大的控制平臺并標記為μ，將其與容量閾值Qmax比較。

第5～8行表示如果Ωμ大于Qmax，則說明控制平臺μ所控制的任務平臺數(shù)超出了容量閾值Qmax，需要刪除其中部分連接。本文考慮刪除與控制平臺μ相連中θ值最大的任務平臺(認為θ值越大的任務平臺，與其他控制平臺相連的選擇更多)，循環(huán)刪除直到Ωμ小于Qmax。

第9行表示針對Ωμ小于Qmax，對控制平臺μ連接的任務平臺作如下處理：只保留其與控制平臺μ的連接，刪除其與其他控制平臺的連接，這將使任務平臺只與1個控制平臺連接，控制器資源得到充分利用。

第10～12行表示在刪除過程中及時更新矩陣b=[bi,k]N×M、c=[ci,j]N×N、Ω、θ，直到所有平臺均滿足約束2、3、4，得出初步部署中存在的冗余控制平臺。

2.4 基于網(wǎng)絡連通的冗余刪除算法RDNC

針對約束5中網(wǎng)絡模型中的控制平臺應滿足雙連接關系、不能出現(xiàn)孤立的網(wǎng)絡分區(qū)情況，對得出的冗余控制平臺進行循環(huán)驗證，設計基于網(wǎng)絡連通的冗余刪除算法，得出部署結果。算法3如下：

輸入：控制平臺數(shù)N，控制平臺i，矩陣c、a

輸出：條件變量z

1)初始化：z=1

2)根據(jù)c和a得出控制平臺i與

其他控制平臺的所有連接集合Γ

3)for ?p∈Γdo

4) 根據(jù)矩陣c，在Γ中尋找出除p之外的連接

5) if存在除p之外的連接

6) 遍歷Γ，重復此過程

7) else

8)z=0 and break

9) end if

10)end for

11)if冗余控制平臺q滿足雙連接關系

12) 令控制平臺q的發(fā)射功率為零

13)aq=0,ci,q=cq,i=0

14) if網(wǎng)絡出現(xiàn)孤立分區(qū)

15)aq=1

16) else if其他冗余控制平臺能被刪除

17) 刪除控制平臺q

18) 更新未被刪除冗余控制平臺集合Gr

19) else

20)aq=1

21) end if

22) end if

23) if未覆蓋率大于τ

24)aq=1

25) elseaq=0

26) end if

27)end if

算法第1～10行表示對于經(jīng)過上述兩階段得出的a=[ai]1×N和c=[ci,j]N×N，針對約束5中的雙連接關系約束，對每個控制平臺進行遍歷搜索，確定可以被刪除的控制平臺。

第11～15行表示對于滿足約束5中雙連接關系約束的平臺，對約束5中不能出現(xiàn)孤立分區(qū)約束進行驗證。

第16～22行表示對于出現(xiàn)網(wǎng)絡孤立分區(qū)的情況，考慮刪除順序對最終刪除結果的影響，循環(huán)驗證能被刪除的控制平臺，使得最終未滿足部署約束的冗余控制平臺集合Gr=?。

第23～27行表示對刪除過程中未被覆蓋的任務平臺比例進行判定，如果一個冗余控制平臺被刪除后，導致未被覆蓋的任務平臺比例超過閾值τ，則將其保留不予刪除。

為了更好地解釋刪除過程，對照圖1進行說明。假設依據(jù)a=[ai]1×N得出控制平臺1、2、3、4、5均為冗余控制平臺，其余均為有效控制平臺。對于實際刪除過程中可能出現(xiàn)的情況，說明如下：

情況1：如果控制平臺4或6被刪除，將導致控制平臺5或7只能與一個控制平臺保持一跳連接，不滿足約束5中的雙連接關系約束；

情況2：如果控制平臺3被刪除，將導致網(wǎng)絡部署出現(xiàn)孤立的網(wǎng)絡分區(qū)，不滿足約束5中避免出現(xiàn)孤立分區(qū)約束；

情況3：對于相連接的冗余控制平臺，則存在刪除順序的影響。如果考慮先刪除控制平臺2，則將導致控制平臺1只能與一個控制平臺保持一跳連接，不滿足約束5中的雙連接關系約束，導致無法刪除；然而如果考慮先刪除控制平臺1，則控制平臺2也可以被順利刪除。

圖1 刪除冗余控制平臺的舉例說明

3 仿真結果與分析

基于1.1節(jié)中的場景描述，將本文策略與基于全域覆蓋的控制器部署策略CDSGC進行仿真對比分析。由于平臺間的信噪比與平臺間實際接收的功率和噪聲功率有關。為簡化研究，本文認為如果任務平臺與在控制平臺的通信范圍內，則認為兩平臺間的信噪比大于閾值Λth，即能夠保證正常的可靠通信。仿真參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)

3.1 初步部署

首先在1 000 km×1 000 km的任務區(qū)域中，隨機部署200個任務平臺(圖2～4)，根據(jù)任務平臺的主要分布特征，結合無人機控制平臺的通信半徑，在任務子區(qū)域的中心(即小正方形區(qū)域的中心)初步部署16個控制平臺，以實現(xiàn)對任務平臺的全面覆蓋連接。

圖2表示將機載網(wǎng)絡中執(zhí)行任務的多個編隊類比為隨機產生的200個點，即為任務平臺構成數(shù)據(jù)平面。圖3表示根據(jù)任務區(qū)域的大小和任務平臺的分布特征，考慮在任務區(qū)域中的任務子區(qū)域中心(即小正方形區(qū)域的中心)初步部署無人機。圖4表示各控制平臺連接各自子區(qū)域內的任務平臺，形成初步的網(wǎng)絡連接部署關系。

圖2 隨機分布的任務平臺

圖3 初步部署控制平臺

圖4 初步連接部署圖

3.2 判定冗余控制平臺

對于初步部署的控制平臺，通過2.3節(jié)中的基于連接關系的冗余判定算法RDCR進行求解，可以判定得出網(wǎng)絡中存在的冗余控制平臺。

根據(jù)UAV-CDSRD的思想，逐步求解并判定初步部署中的冗余控制平臺，迭代判定過程如圖5所示。

1)首先依據(jù)控制平臺與任務平臺間的距離和平臺的通信范圍確定平臺間的連接關系，得出控制平臺i與任務平臺k的連接狀態(tài)關系矩陣b=[bi,k]N×M和控制平臺i與控制平臺j間的連接狀態(tài)關系矩陣c=[ci,j]N×N；

2)然后考慮使有效控制平臺所控制的任務平臺集合Ω達到最大，且不超過設定的控制器容量閾值Qmax，此做法目的是使控制器的資源利用率達到最大以盡可能減少部署控制器的數(shù)量；

3)對于任務平臺所連接的控制平臺集合θ，考慮每個任務平臺至多只能被一個控制平臺連接，使控制器資源利用率盡可能達到最大，以減少最終部署的控制平臺數(shù)量；

經(jīng)過上述步驟依次得出了冗余控制平臺6、7、9、15。

圖5 判定冗余控制平臺過程示意圖

3.3 刪除冗余控制平臺

對于3.2中的冗余控制平臺，有些能夠進行簡單的刪除(圖6)，而有些則需要考慮2.4節(jié)描述中可能出現(xiàn)的情況進行循環(huán)驗證刪除。

圖6 刪除冗余控制平臺部署圖

圖6表示依據(jù)基于網(wǎng)絡連通的冗余刪除算法RDNC，循環(huán)驗證部署結果是否滿足部署約束，得出刪除結果。對于上述判斷得出的冗余控制平臺，需要考慮刪除過程中可能出現(xiàn)的3種情況(鄰居控制該平臺數(shù)、出現(xiàn)通信孤立分區(qū)、刪除順序的影響)，并通過循環(huán)驗證判斷其是否能夠刪除，直到滿足算法3中的Gr=??？梢钥闯?，對于經(jīng)過上述過程判定得出的冗余控制平臺，將其全部刪除后，不會出現(xiàn)網(wǎng)絡孤立分區(qū)的連接，并且能被順利刪除。

3.4 策略對比分析

由于目前針對此類問題的相關部署策略和算法研究較少，很難進行多個策略的對比分析。因此，為說明本文策略的有效性及實用性，將本文策略得出的部署結果與基于全域覆蓋的控制器部署策略CDSGC得出的部署結果進行對比見圖7。

圖7 不同策略得出的網(wǎng)絡部署結果對比圖

圖7(a)表示通過本文UAV-CDSRD得出的部署結果；圖7(b)表示通過CDSGC得出的部署結果。CDSGC根據(jù)任務區(qū)域的特征以及控制平臺的通信半徑，考慮控制平面的可靠連接和控制容量等因素，在合適位置部署一定數(shù)量的控制平臺，實現(xiàn)對所有任務平臺可靠覆蓋連接，優(yōu)化機載網(wǎng)絡的可靠性性能(圖8)。

圖8為針對1.1節(jié)中的場景，2種策略在部署過程中，任務平臺的覆蓋率對比和最終部署無人機數(shù)量對比圖。對比圖反應了2種策略的部署可靠性和部署成本開銷性能指標的關系，通過對比可以看出：CDSGC能夠實現(xiàn)對任務平臺全面可靠連接，但未能使控制器的資源利用率盡可能最大以降低部署成本開銷。本文的UAV-CDSRD，雖然在迭代過程中造成對少數(shù)任務平臺的暫時斷開，但均未超出閾值，滿足可靠性指標；并且其控制器的資源利用率有較大的提升，使部署的無人機控制器數(shù)量減少了25%，有效降低了部署成本開銷。因此，本文所提策略更能降低高動態(tài)機載網(wǎng)絡的部署成本，有效提升作戰(zhàn)性能。

圖8 2種策略的部署性能對比圖

4 結語

本文將靈活易部署的無人機引入機載網(wǎng)絡的控制器部署問題，使其搭載控制器構成邏輯集中的控制平面，對有人機編隊進行可靠管控；綜合衡量可靠性和部署成本開銷指標，將其抽象為多目標優(yōu)化問題，提出了一種基于冗余刪除的無人機控制器部署策略。通過設計的初步部署算法PDA、基于連接關系的冗余判定算法RDCR和基于網(wǎng)絡連通的冗余刪除算法RDNC，對初始布設的控制平臺進行冗余刪除，從而減少部署無人機控制器的數(shù)量。仿真結果證明了冗余刪除策略的有效性和實用性。