韩小月 左成章 袁世彬
【摘要】随着5G网络的逐步建设，智慧城市的研究和使用引起了越来越多的关注。智慧城市建设需要使用合适的技术和新颖的设计模式。软件定义网络（SDN）是近十年来发展起来的一种新兴平台技术，解决了卫星通信在传统网络通信中面临的许多問题。本文介绍了一种基于SDN的智能城市环境下的交通管理和天气预报设计框架。该框架主要由数据检索、计算、验证和信息传输四个模块组成。
【关键词】智慧城市;SDN;网络;框架
中图分类号：TN92 文献标识码：A DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.17.026
智慧城市通过收集必要的数据对城市资源进行有效管理。城市信息主要包括道路、车辆、学校、社区等方面的内容。通过对这些数据进行分析，以监测和管理交通运输系统、供水网络、信息系统、学校、图书馆、医院和其他社区服务。智慧城市技术允许管理人员与社区和城市基础设施进行互动，并监控城市活动。
卫星实时遥感不同区域的数据，可广泛应用于智慧城市的基础设施管理。这有助于避免环境灾害，如：道路交通状况、恶劣的天气等。传统的TCP/IP网络与卫星通信面临卫星网络封闭、不支持拓扑结构和配置的频繁变化、动态路由算法需要较多的开销等问题。SDN能够解决上述问题，适应网络的动态变化，网络的功能虚拟化技术（NFV）使卫星通信更加灵活，增强了通信业务的发展和应用范围。
本文介绍了一种智能城市SDN网络部署框架，该框架主要由地面站（SDN控制器）、卫星节点和用户节点等部分组成。卫星捕获城市交通状况和天气图像，并将这些图像转发给地面站。每个地面站由两个SDN（主用、备用）控制器组成。SDN控制器对卫星转发的数据进行处理，将需要的信息及时发送给用户。
1. SDN部署框架
SDN部署的设计框架主要由三类实体组成，即用户节点、卫星节点和地面站如图1所示。在信号识别阶段，卫星捕获用户节点的连续图像信息。每个地面站配备负责覆盖200m范围内用户数据流信息的SDN控制器。数据流是为特定用户（通过唯一ID标识）计算的，但适用于其所有邻居节点。地面站的作用是计算和预测其区域内不同活跃用户的交通和天气信息，以及验证从卫星传送来的信号正确性。地面站通过四个功能模块从卫星图像中获取数据，计算并验证信息，然后将这些信息发送到用户节点。
1.1 数据检索
卫星收集的交通和天气相关数据以图像形式发送到地面站。交通相关数据由用户节点的位置（X，Y），通过使用卷积神经网络算法可从天气图像中获取天气数据。
卫星周期性发送数据帧到地面站，地面站根据数据帧对交通和天气数据进行动态计算和预测。检索模块使用不同的矩阵表示用户节点的位置、邻居节点的位置和道路位置。
用户节点位置：数据检索模块处理卫星发来的m帧图像数据，从这些图像中找到用户节点的位置，将这些点存储在一个1×m矩阵中，公式表示：
Up=[（X0，Y0）（X1，Y1）（X2，Y2）...（Xm-1，Ym-1）]1×m。
邻居节点位置：地面站接收l×m矩阵中所有的邻居节点位置，其中l为从m帧数据中获取到的邻居数量。公式表示为：
道路位置检测：道路位置随着用户节点的移动而变化。k为道路数量，m为数据帧数。r为一个5维数组，代表温度、气压、风速、云图、时间信息。
1.2 计算
计算模块根据用户的移动来确定用户的方向。然后它计算路径内的邻居节点数量并预测距离用户节点200m范围内的交通状况。类似地，它还能计算天气状况。交通及天气情况计算如下：
用户方向检测：当用户节点移动时，计算其移动方向。通过矩阵来检测用户节点方向。如，表示用户向东移动。否则向西的运动，如果，表示用户向北的运动，否则向南运动。
节点状况预测：为进行交通状况的准确预测，地面站根据用户节点移动方向的前面节点，排除后面节点的影响。根据和NNl×m矩阵，如果用户是朝东方向发展，仅参考满足条件的节点。如果用户朝其他方向运动，按相同的方法，将用户节点后面的节点从中排除，仅将用户节点之前且在特定距离内节点做考虑进行计算。
节点计数和比较：为每个用户节点可能存在的路径创建节点缓冲区，计算矩阵中存在的节点总数。然后，比较节点数量与道路的容纳能力。道路宽度表示沿着道路的单向宽度。在道路位置检测阶段得到道路宽度和用户节点的容纳。
信息以消息形式转发到验证模块，以评估信息的准确性。在天气相关的计算中，地面站根据用户节点的移动，从检索模块（温度、压力、风速等）中提取天气相关的数据。随后，这些信息消息被发送到验证模块。
1.3 确认
此模块验证信息的准确性后，反馈给用户节点。在验证信息的准确性时，主要参考以下三个参数：每个用户i缓冲数据bfi、向用户发送消息的时间和邻居节点的位置。
对于任一个特定路径k，在两个连续时间实例t和t"中，用户节点i缓冲区bfi的和应该是相等的。我们用数学表示;
其中l为用户节点数。因此，对于连续的帧，所有用户节点的缓冲数据的总和应该是相等的。令mt为消息生成时间，ct为计算时间。
其中，m为帧数，每帧处理时延为x秒。消息生成时间是动态的，位于第一帧和下一帧连续计算时间之间。利用矩阵Up和缓冲区bf对相邻节点的定位精度进行了验证。缓冲区bf中的节点也可以在矩阵Up中进行检索。如果两个矩阵中用户节点的坐标匹配，那么预测是准确的。
在ct计算期间，不同帧的温度、压力和风速值应该基本相同。如果值之间有很大的差距，那么得出的值就不准确。用数学公式WRi-WRi≤V表示，其中V为单个mt在两帧之间的温度、压力、风速的最大允许差异。
1.4 信息传输
该模块将验证过的流量和天气相关信息转发给半径200米内所有使用用户节点。这个过程提高了地面站的响应能力，有效地管理了网络的性能。
2. 结束语
本文简单介绍了一种智慧城市的网络部署框架，该框架主要针对智慧城市建设的一种建议，适用于我司IT创新部门开拓政企业务。另外，用户节点与地面站进行信息交互时，除通过无线信号直接通信外，也可通过我司的5G基站连接，这样可减少地面站数量，降低项目整体成本。
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作者簡介：韩小月，河南新乡人，研究生，研究方向：新兴ICT业务。
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