邵雯娟，沈慶國(guó)

（1. 解放軍陸軍工程大學(xué)通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；2. 南京理工大學(xué)紫金學(xué)院，江蘇 南京 210023；3. 東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211189）

1 引言

作為4G和5G通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)備到設(shè)備（D2D, device-to-device）和車輛到萬(wàn)物（V2X,vehicle-to-everything）通信具有提高系統(tǒng)性能、提升用戶體驗(yàn)、擴(kuò)展蜂窩通信應(yīng)用等前景，受到人們的廣泛關(guān)注。D2D通信是指用戶數(shù)據(jù)可不經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)而直接在終端之間傳輸；V2X泛指車輛使用鄰近服務(wù)實(shí)現(xiàn)和其他任意網(wǎng)絡(luò)、任意個(gè)體間的通信，包含車輛到車輛（V2V, vehicle-to-vehicle）、車輛到行人（V2P, vehicle-to-pedestrian）、車輛到路邊基礎(chǔ)設(shè)施（V2I, vehicle-to-infrastructure）等多種通信形式[1]，可為許多新的應(yīng)用場(chǎng)景提供支持，如車輛自動(dòng)駕駛、公路安全系統(tǒng)、交通信息管理等。

D2D和 V2X技術(shù)有很大的相關(guān)性。自 3GPP在LTE Rel.12和Rel.13中提出了基于D2D的V2V概念后，V2X技術(shù)發(fā)展迅速，日益受到產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。伴隨著3GPP LTE-V2X Rel.14版本的完成，V2X產(chǎn)業(yè)推動(dòng)也正式開始啟動(dòng)，全球多家通信公司發(fā)布了支持V2X的芯片或模組，國(guó)內(nèi)也開展了V2X的測(cè)試床試驗(yàn)。V2X可以基于D2D通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)，但在可靠性和時(shí)延特性的要求上更加嚴(yán)格，而D2D無(wú)線資源的分配是影響可靠性和時(shí)延的關(guān)鍵因素。因此，大多數(shù) D2D通信的原理及應(yīng)用場(chǎng)景能轉(zhuǎn)化成適用于V2X通信，只有極少與V2V特性相關(guān)的技術(shù)需要重新規(guī)劃考慮（比如車輛移動(dòng)會(huì)造成瞬時(shí)的信道狀態(tài)改變，導(dǎo)致 D2D通信中的資源管理技術(shù)不適用于V2V）[2]。V2V和V2P既可采用基于IEEE 802.11p的專用短程通信技術(shù)，也可采用蜂窩網(wǎng)授權(quán)通信頻段的D2D技術(shù)；同樣，V2I既可采用IEEE 802.11p技術(shù)，也可采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。相比較而言，采用基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)/D2D技術(shù)進(jìn)行V2X更能節(jié)約傳輸輪詢信號(hào)的能量，通信連續(xù)性更好，而IEEE 802.11p對(duì)同步要求低，標(biāo)準(zhǔn)更為穩(wěn)定[3]，因此人們認(rèn)為IEEE 802.11p是一種非蜂窩網(wǎng)授權(quán)頻段的D2D，它們將長(zhǎng)期共存，且軟件定義的統(tǒng)一控制將使它們各自的優(yōu)點(diǎn)得到充分發(fā)揮。

D2D和V2X都被視為5G通信的重要組成部分，可為蜂窩移動(dòng)通信提供備用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和多種應(yīng)用服務(wù)。由于D2D和V2X通信的建立可以不依賴基站控制進(jìn)行，其在降低通信時(shí)延、擴(kuò)大基站覆蓋范圍的同時(shí)，也因缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào)而存在帶內(nèi)（in-band）頻譜管理及D2D或V2X用戶間和蜂窩用戶間的干擾管理、移動(dòng)管理和路由管理等問(wèn)題。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN, software defined networking）數(shù)據(jù)/控制分離的設(shè)計(jì)理念在網(wǎng)絡(luò)靈活性和集中控制能力之間取得了較好平衡。把 SDN理念和技術(shù)應(yīng)用到D2D/V2X網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，可以提升D2D/V2X網(wǎng)絡(luò)智能和整體控制能力，并為解決上述問(wèn)題提供了有力的支撐。為此，近年來(lái)，學(xué)術(shù)界提出了軟件定義的D2D通信（SD-D2D, software defined D2D communication）和軟件定義的V2X通信（SD-V2X, software defined V2X communication）這2個(gè)概念，并進(jìn)行了廣泛的研究，取得了一些成果，有力推動(dòng)了D2D和V2X技術(shù)的發(fā)展。

基于SD-D2D和SD-V2X的共性和特色，本文對(duì)SD-D2D和SD-V2X的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了梳理，分別剖析了它們的發(fā)展現(xiàn)狀和通信架構(gòu)，并對(duì) D2D節(jié)點(diǎn)位置和發(fā)現(xiàn)管理、D2D路由控制、D2D流表管理、V2V路徑規(guī)劃、V2V路徑恢復(fù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了細(xì)致分析，同時(shí)對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

2 軟件定義的D2D通信研究現(xiàn)狀

目前，學(xué)術(shù)界對(duì)軟件定義的 D2D系統(tǒng)開展了細(xì)致的研究，以期解決 in-band頻譜管理和蜂窩用戶間的干擾管理、移動(dòng)管理、路由管理、模式切換等問(wèn)題。

如何在頻譜資源有限、超密集異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信是未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)D2D技術(shù)必須要解決的重要問(wèn)題，而高效的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有助于 D2D技術(shù)在 5G通信系統(tǒng)中更好地融合[4]?；谝陨显?，運(yùn)營(yíng)商迫切需要一種新的技術(shù)，一方面能夠利用D2D通信構(gòu)建的傳輸資源降低蜂窩網(wǎng)絡(luò)的流量擁塞，提高用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)質(zhì)量（QoE, quality of experience）；另一方面能夠通過(guò)虛擬化等方法，增強(qiáng)D2D通信的靈活性、可管理性和便捷性。

最初 SDN是為有線通信而設(shè)計(jì)的，但是OpenFlow協(xié)議的靈活性提供了網(wǎng)絡(luò)重新配置的能力，為SDN在無(wú)線通信的應(yīng)用前景鋪平了道路。SDN數(shù)據(jù)/控制分離的設(shè)計(jì)理念使網(wǎng)絡(luò)獲得很高的靈活性，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行集中控制。當(dāng)前，學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界對(duì)于SDN在無(wú)線通信的研究和應(yīng)用主要集中在核心網(wǎng)、基站（eNode B）和接入網(wǎng)層面。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和實(shí)際需求，研究者們已經(jīng)提出多種成熟有效的典型應(yīng)用場(chǎng)景和成熟用例[4-7]。近幾年，SDN技術(shù)已經(jīng)整合到D2D通信架構(gòu)中，基于節(jié)點(diǎn)間協(xié)助，提供移動(dòng)小片云、邊緣計(jì)算等，在接入網(wǎng)引入SDN也逐漸成為學(xué)術(shù)界的研究重點(diǎn)。

基于 SDN的設(shè)計(jì)理念，產(chǎn)業(yè)界把它運(yùn)用到移動(dòng)通信的D2D通信架構(gòu)中，提出了SD-D2D架構(gòu)，來(lái)提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下 D2D組網(wǎng)的靈活性與高效性，其基本架構(gòu)如圖1所示，其中，eNode B和手機(jī)終端構(gòu)成數(shù)據(jù)平面，SDN控制器和頂端的資源分配、路由管理等功能模塊構(gòu)成控制平面。

Ngo等[8]提出了一種在網(wǎng)絡(luò)全控制的情況下使用SDN的D2D通信架構(gòu)，分別在網(wǎng)絡(luò)端和移動(dòng)終端中共同集成了5個(gè)組件：D2D服務(wù)器、SDN全局控制器、SDN本地控制器、Open vSwitch和無(wú)線資源映射器，這種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是解決了傳統(tǒng)技術(shù)的缺點(diǎn)，允許2個(gè)移動(dòng)設(shè)備在沒有管理者的情況下相互通信，使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有可伸縮性，避免出現(xiàn)管理節(jié)點(diǎn)能量耗竭、單點(diǎn)故障等惡劣情況。此外，分層控制系統(tǒng)不需要移動(dòng)設(shè)備的 LTE接口保持活動(dòng)狀態(tài)，節(jié)約了終端的傳輸能耗，提高了資源利用的有效性。

不同于上述SDN方案，基于SDN和NFV的概念，Orsino等[9]提出了一種新型的，基于集中化無(wú)線接入網(wǎng)（C-RAN, centralized RAN）、層次化D2D和分布式 SDN控制器相結(jié)合的架構(gòu)，通過(guò)微蜂窩基站和 D2D的相互配合，在有效分流主基站流量的同時(shí)，減少了網(wǎng)絡(luò)信令開銷和能耗。

Meneses等[10]在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，提出了一種基于 SDN的可攜帶通信方法，將移動(dòng)中的終端設(shè)備虛擬化成云環(huán)境下的虛擬設(shè)備，使用SDN和NFV技術(shù)，將設(shè)備上的數(shù)據(jù)流和多媒體流，機(jī)會(huì)式地重路由到附近的設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)在接入云框架中處理流量的轉(zhuǎn)移，從而減少對(duì)物理實(shí)體的潛在影響。該方法將物理網(wǎng)絡(luò)中所有的移動(dòng)性管理和計(jì)算移動(dòng)到云中，雖然增加了云端計(jì)算的功率，但物理網(wǎng)絡(luò)可以減少控制信令的傳輸。

Abolhasan等[11]將移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、D2D網(wǎng)絡(luò)、車聯(lián)網(wǎng)等統(tǒng)一歸納為無(wú)線分布式網(wǎng)絡(luò)（WDN, wireless distributed network），進(jìn)而提出了一種基于WDN的混合SDN框架。該框架使用2個(gè)不同的頻帶分別進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)控制，并采用混合控制的思路，集合了集中處理和分布式處理的優(yōu)勢(shì)，即控制器集中地進(jìn)行預(yù)處理，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)分布式地決策路由，提高了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?；涂煽啃浴?/p>

Oztoprak等[12]將D2D技術(shù)和SDN技術(shù)相結(jié)合，提出了一種文件分發(fā)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過(guò) D2D通信，具有面向鄰近設(shè)備的緩存和轉(zhuǎn)發(fā)能力，以提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和減少能量損耗。根據(jù)緩存內(nèi)容放置的不同，文中將該系統(tǒng)細(xì)分為2種模型：模型A中CDN服務(wù)器和SDN控制器部署在數(shù)據(jù)中心；模型B中CDN服務(wù)器部署在數(shù)據(jù)中心，但基站具備SDN的控制功能和緩存功能，該模型將控制和緩存功能下移至接入網(wǎng)中，極大地提高了內(nèi)容分發(fā)的響應(yīng)速度。

Usman等[13]在移動(dòng)云環(huán)境下，提出了一種新型軟件定義的混合式D2D框架，集中式部署SDN控制器，將終端設(shè)備群分割成若干個(gè)移動(dòng)云，每個(gè)移動(dòng)云由一個(gè)簇頭（CH, cluster header）進(jìn)行管理，CH通過(guò)D2D通信與所轄終端進(jìn)行控制管理，SDN控制器通過(guò)LTE鏈路與CH聯(lián)系。該框架減少了原來(lái)終端的 LTE無(wú)線鏈路和網(wǎng)絡(luò)的能量損耗，同時(shí)移動(dòng)云的管理方式也增強(qiáng)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性。

圖1 SD-D2D基本架構(gòu)

在文獻(xiàn)[13]的基礎(chǔ)上，Usman等[14]進(jìn)一步針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)中的公眾安全應(yīng)用，提出了一種軟件定義的移動(dòng)云 D2D通信框架，采用分層的體系架構(gòu)進(jìn)行 SDN控制器的放置，即面向核心網(wǎng)采用全局控制，面向移動(dòng)云、小片云采用局部控制，這種分層架構(gòu)的好處是提供了移動(dòng)云、小片云的可擴(kuò)展性和伸縮性，節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)的能量，保證了基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的頑健性。

Wang等[15]將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化和 SDN、自主學(xué)習(xí)的 D2D通信相結(jié)合，在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的邊緣部分，提出了一個(gè)以知識(shí)為中心的、D2D通信輔助的蜂窩網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。首先，設(shè)計(jì)了一個(gè)D2D輔助的虛擬化邊緣蜂窩網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，由物理層、知識(shí)層和虛擬管理層組成，該體系結(jié)構(gòu)通過(guò)充分利用移動(dòng)用戶之間D2D通信中獲得的知識(shí)信息，動(dòng)態(tài)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并管理通信資源；然后描述了系統(tǒng)中存在的問(wèn)題和潛在的解決方案，包括知識(shí)提取、社會(huì)感知、激勵(lì)方案、信任管理機(jī)制和優(yōu)化資源分配。

總體而言，目前，針對(duì)SD-D2D的研究比較廣泛，但也存在不足。從研究的領(lǐng)域看，SD-D2D研究主要偏重于網(wǎng)絡(luò)通信性能（如帶寬、時(shí)延、吞吐量）提升，相關(guān)研究仍不夠深入和細(xì)致，一些具體的、有潛力的場(chǎng)景，如演唱會(huì)多播、物聯(lián)網(wǎng) D2D等，卻很少有人研究；從研究的內(nèi)容看，需要針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的核心應(yīng)用進(jìn)行拓展，例如，關(guān)于流量卸載的研究目前主要針對(duì)小型普通文件的本地卸載，缺少對(duì)高帶寬需求的多媒體卸載的研究工作；從D2D部署和應(yīng)用來(lái)看，現(xiàn)有的研究已經(jīng)將 D2D通信與社會(huì)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，進(jìn)行資源分配、干擾控制、路由轉(zhuǎn)達(dá)、數(shù)據(jù)分發(fā)，有效地提升網(wǎng)絡(luò)性能，但缺少在實(shí)際蜂窩網(wǎng)絡(luò)SD-D2D架構(gòu)中進(jìn)行部署和應(yīng)用研究。

同時(shí)還應(yīng)看到，盡管 D2D技術(shù)早已成為通信熱點(diǎn)技術(shù)，但規(guī)?；瘧?yīng)用偏少，這是其發(fā)展中的瓶頸問(wèn)題，需要有良好的商業(yè)應(yīng)用模式解決信任問(wèn)題、好友匹配、激勵(lì)/收費(fèi)中的惡意欺詐等問(wèn)題。在未來(lái)的研究中，需要考慮如何在控制器中加載社會(huì)網(wǎng)絡(luò)功能和應(yīng)用終端的社會(huì)屬性以及如何在控制器中維護(hù)社會(huì)網(wǎng)絡(luò)信息等問(wèn)題。依托 SDN構(gòu)建良好的生態(tài)鏈，這些問(wèn)題有望得到合理解決，相關(guān)領(lǐng)域可能是未來(lái)的研究熱點(diǎn)。

3 軟件定義的V2X通信研究現(xiàn)狀

V2X通信技術(shù)是智能交通和智能汽車的支撐技術(shù)之一，它使配備多聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)和傳感技術(shù)（例如照相機(jī)、傳感器、雷達(dá)、定位設(shè)備）的新一代車輛間及其與周圍環(huán)境間具有增強(qiáng)的相互作用[16-17]。V2X通信被廣泛認(rèn)為是提高道路安全和交通效率的關(guān)鍵技術(shù)，可以極大地促進(jìn)智能交通系統(tǒng)（ITS,intelligent traffic system）的發(fā)展?；赩2X通信，車輛可以迅速檢測(cè)出潛在的危險(xiǎn)和不舒適的道路狀況，并將其傳達(dá)給其他車輛、附近行人以及路邊節(jié)點(diǎn)，以進(jìn)一步傳播信息，主要目的是改善道路安全。此外，通過(guò) V2X通信對(duì)突發(fā)交通狀況產(chǎn)生快速反應(yīng)，可減少在擁擠的交通中所花費(fèi)的時(shí)間，帶來(lái)減少能量消耗和車輛排放等額外好處。

目前，在全球范圍內(nèi)，V2X對(duì)公路運(yùn)輸系統(tǒng)的明顯影響已經(jīng)得到了不同汽車制造商和電信公司等參與者的認(rèn)可。同時(shí)，在產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)給出了一系列較成熟的研究方案和提議。迄今為止，大多數(shù)國(guó)家已分配專用無(wú)線電頻譜來(lái)支持 V2X通信，并促進(jìn)相應(yīng)的V2X安全技術(shù)和ITS應(yīng)用的發(fā)展。主要的汽車制造商和電信公司參與者加入了第五代汽車協(xié)會(huì)（5GAA, 5G automotive association），基于LTE的增強(qiáng)及5G系統(tǒng)，提供與蜂窩V2X（C-V2X,cellular V2X）技術(shù)互操作的解決方案[18]。

在5G車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展中，SDN技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)管理功能從網(wǎng)絡(luò)傳輸功能中解耦和獨(dú)立出來(lái)，使網(wǎng)絡(luò)管理更為有效，這將成為網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的一個(gè)重要方法。除了給有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)外，SDN還具有特別適用于車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。基于 SDN的邏輯集中控制功能，提供了對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞娜终J(rèn)識(shí)，能夠高效地分配所有類型的網(wǎng)絡(luò)資源（例如帶寬、頻譜、功率傳輸?shù)龋Ｒ环矫?，通過(guò)針對(duì)每個(gè)特定的路況，SDN控制器優(yōu)選最合適的解決方案，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，可以增強(qiáng)現(xiàn)有車輛體系結(jié)構(gòu)的性能；另一方面，隨著SDN帶來(lái)的虛擬化和抽象化，使異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在車載網(wǎng)絡(luò)中的集成變得簡(jiǎn)單和透明。因此，產(chǎn)業(yè)界提出了SD-V2X網(wǎng)絡(luò)，其基本架構(gòu)如圖2所示，它與第2節(jié)介紹的SD-D2D結(jié)構(gòu)有很大的相似性。圖2中，eNode B、RSU和車載終端構(gòu)成數(shù)據(jù)平面，SDN控制器和頂端的資源分配、路徑管理等功能模塊構(gòu)成控制平面。

圖2 SD-V2X基本架構(gòu)

1) SDN控制下的資源分配和優(yōu)化

V2X網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展了SDN的轉(zhuǎn)發(fā)功能，為防止網(wǎng)絡(luò)擁塞、減少分組丟失、節(jié)省頻譜資源，學(xué)者們研究了基于 SDN的異構(gòu)接入環(huán)境下的無(wú)線資源管理技術(shù)[19-23]，例如，在文獻(xiàn)[19-21]中，學(xué)者們將基于簇的車輛自組網(wǎng)絡(luò)（VANET, vehicular Ad-Hoc network）與5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，使用SDN控制器，對(duì)車輛的相似訪問(wèn)行為（如車輛行駛路線、車輛速率、與 RSU的距離等）進(jìn)行聚類，挖掘共通性，從而形成車輛簇群，通過(guò) SDN控制器對(duì)簇頭進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)分層的體系架構(gòu)，提高車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)性能的穩(wěn)定性。Huang等[22]提出了一種在軟件定義的車聯(lián)網(wǎng)中多種異構(gòu)接入環(huán)境下的資源分配機(jī)制，該機(jī)制以最大限度提高系統(tǒng)的QoE為目標(biāo)，利用車輛狀態(tài)信息獲取車輛與不同接入技術(shù)間的關(guān)聯(lián)度，聯(lián)合地確定資源分配策略：當(dāng)V2I通信不能滿足用戶的QoE要求時(shí)，為進(jìn)一步提高性能，調(diào)配到V2V通信。仿真結(jié)果表明，該方案能有效利用 LTE和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬，從而更好地滿足用戶QoE的需要。Cordeschi等[23]解決了 V2I中認(rèn)知無(wú)線電接入網(wǎng)的資源管理問(wèn)題，利用自適應(yīng)控制器，優(yōu)化能量管理，處理由可靠性引起的突發(fā)性網(wǎng)絡(luò)變化。

2) 基于SDN的路由和轉(zhuǎn)發(fā)功能

基于 SDN構(gòu)建全局動(dòng)態(tài)信息庫(kù)，做出全局的路由決策。在傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，車輛間相互協(xié)作并交換各自傳感器收集到的不同信息，從而構(gòu)建局部動(dòng)態(tài)信息庫(kù)。該局部動(dòng)態(tài)信息庫(kù)包含道路標(biāo)志等靜態(tài)信息，以及交通、天氣條件等動(dòng)態(tài)信息。將SDN集成到車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，允許控制器集中管理和維護(hù)全局動(dòng)態(tài)信息。通過(guò)收集和過(guò)濾車輛提供的局部動(dòng)態(tài)信息，控制器獲得并構(gòu)建整個(gè)（或部分）網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的全局動(dòng)態(tài)視圖，該視圖可對(duì)車輛的路由請(qǐng)求做出更明智和更精細(xì)的決策。例如，Dong等[24]提出了一種基于 SDN的車輛自組網(wǎng)按需路由協(xié)議，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層和網(wǎng)絡(luò)控制層相分離，提高數(shù)據(jù)傳輸效率；RSU起到局部控制器的作用，負(fù)責(zé)在路段所轄區(qū)域范圍選擇適合的車輛轉(zhuǎn)發(fā)分組。該方案采用全局層和局部層兩級(jí)的設(shè)計(jì)架構(gòu)，全局層采用“排名查詢方案”采集車輛信息，確定路段沿線的范圍；局部層負(fù)責(zé)在全局層確定的范圍中選擇適合的車輛轉(zhuǎn)發(fā)分組。

3) 基于SDN的車聯(lián)網(wǎng)流量卸載

在傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，只能局部地基于網(wǎng)絡(luò)的有限信息進(jìn)行卸載決策，如基于歷史網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，它不能反映當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)狀態(tài)，甚至?xí)?dǎo)致非有益的決策。此外，在基于SDN的車載網(wǎng)絡(luò)中，采用SDN控制器集中式全局視圖，可以動(dòng)態(tài)地根據(jù)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)做出更有益的卸載決策，更適合用戶的需求，適應(yīng)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)條件[19,25-26]。

Huang等[22]提出了一種在 VANET中，通過(guò)V2V車輛通信來(lái)卸載蜂窩通信流量的方案，該方案通過(guò)測(cè)算在VANET中存在的V2V路徑，來(lái)有效卸載蜂窩網(wǎng)絡(luò)流量。同時(shí)，該方案還設(shè)計(jì)了一種基于 SDN 的移動(dòng)邊緣計(jì)算服務(wù)器——SDNi-MEC，解決了VANET中V2V流量卸載的復(fù)雜問(wèn)題。每個(gè)車輛向SDNi-MEC服務(wù)器的狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)報(bào)告它的狀態(tài)信息，服務(wù)器上的SDN控制器根據(jù)狀態(tài)信息，測(cè)量?jī)奢v車之間是否存在V2V路徑，以此卸載兩者間現(xiàn)有的蜂窩流量。通過(guò)該方案的性能分析表明，當(dāng)車輛密度達(dá)到中等時(shí)，這種流量卸載方案在蜂窩網(wǎng)絡(luò)鏈路和V2V路徑上都具有較好的吞吐量。

Baron等[27]提出了一種類似SDN的集中式車聯(lián)網(wǎng)流量卸載框架，通過(guò)車聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)中心源端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流機(jī)會(huì)式地傳輸?shù)侥康亩恕Ｆ渲?，SDN控制器充當(dāng)中心服務(wù)代理（SB, service broker），在控制平面中配置車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，同時(shí)在道路中設(shè)定若干個(gè)卸載熱點(diǎn)，充當(dāng)本地服務(wù)代理（SA,service agent），根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑在數(shù)據(jù)平面實(shí)行數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)。

將 SDN方法集成到浮動(dòng)內(nèi)容（FC, floating content）的分發(fā)中，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)給定的地理區(qū)域——錨區(qū)（AZ, anchor zone）分布式地、機(jī)會(huì)式地實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的共享，能有效提高FC的分發(fā)性能[24,28]。Soua等[24]提出了一種以SDN為內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)和FC提供支持下的VANET內(nèi)容分發(fā)機(jī)制，根據(jù)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性，SDN控制器選擇較佳的緩存效用節(jié)點(diǎn)、決策分發(fā)路徑、轉(zhuǎn)發(fā)激活內(nèi)容所經(jīng)過(guò)的AZ等。仿真結(jié)果表明，該機(jī)制能適應(yīng)高動(dòng)態(tài)和易失性的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并有效改善 VANET中內(nèi)容存儲(chǔ)、傳播和轉(zhuǎn)發(fā)性能。Maio等[28]提出了一種基于SDN的車輛自組網(wǎng)FC分發(fā)體系架構(gòu)，將RSU作為SDN控制器，通過(guò)在其覆蓋范圍內(nèi)收集車輛的速度和位置等移動(dòng)信息，優(yōu)化AZ大小，可以極大地改善FC性能。

4) 基于SDN的車輛云資源管理

車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需要更短的等待時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)低時(shí)延和高可靠的響應(yīng)，因此學(xué)者們提出了基于SDN的車輛云服務(wù)器來(lái)解決上述實(shí)時(shí)要求問(wèn)題。除網(wǎng)絡(luò)管理外，SDN控制器還提供對(duì)車輛云資源（如計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源）的管理，并對(duì)每個(gè)終端的 OBU進(jìn)行管理。Azizian等[29]提出了一個(gè)基于SDN和云計(jì)算的車輛嵌入式軟件更新的架構(gòu)。SDN控制器位于數(shù)據(jù)中心或邊緣設(shè)備中，并與RSU、基站子系統(tǒng)和其他數(shù)據(jù)中心，形成一個(gè)移動(dòng)車輛云。因此，控制平面的決策不是由一個(gè)集中的元素決定的，而是由云中的元素合作做出決定的。在上述情況下，車輛可以基于 SDN控制器的指令彼此協(xié)作，以獲得完整的更新內(nèi)容。這種基于 SDN的軟件更新分發(fā)方式，通過(guò)減少所使用的蜂窩帶寬和相應(yīng)的使用費(fèi)用（如專用短距離通信帶寬）以及軟件更新傳遞時(shí)延來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)性能。Hussein等[30]通過(guò)在架構(gòu)中集成5G的霧計(jì)算技術(shù)來(lái)更快地處理、高效地切換和跟蹤管理，可以執(zhí)行不同級(jí)別的實(shí)時(shí)用戶定義的安全性，同時(shí)保持系統(tǒng)的低開銷和最小配置。

5) 基于SDN的車聯(lián)網(wǎng)安全

車載通信的安全性對(duì) SDN的使用也提出了更高的要求，SDN對(duì)車輛應(yīng)用的安全和隱私問(wèn)題也是至關(guān)重要的[30-32]。由于 SDN控制器具有智能的、集中式的網(wǎng)絡(luò)視圖，因此它可以通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)平面的流量分析來(lái)識(shí)別潛在的攻擊，從而執(zhí)行異常檢測(cè)，并相應(yīng)地隔離惡意或受感染的節(jié)點(diǎn)。Meneses等[10]建議 SDN控制器可以協(xié)調(diào)基于信任的授權(quán)方案，并且根據(jù)聲譽(yù)選擇中間節(jié)點(diǎn)以充當(dāng)中繼。Daniel等[17]也采用了類似的信任機(jī)制，用于傳播安全緊急數(shù)據(jù)。Hussein等[30]提出了一種支持SDN的VANET/5G安全體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)基于 SDN控制器，具備全局視圖和管理能力，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)不同類型攻擊（如針對(duì)控制器或車輛），開展分布式拒絕服務(wù)（DDoS, distributed denial of service）攻擊等的預(yù)測(cè)、溯源跟蹤等安全技術(shù)，并減輕它們帶來(lái)的影響。

綜上所述，現(xiàn)有的SD-V2X研究覆蓋了干擾管理、路由管理、資源分配和安全等問(wèn)題。但是，車輛不同于其他移動(dòng)設(shè)備，它只能在已有的公路上行駛，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有一定的限制性，而已有的研究對(duì)車輛運(yùn)行限制性考慮尚不多。針對(duì)車輛移動(dòng)的快速性和限制性，結(jié)合地圖覆蓋層，控制器需要增強(qiáng)對(duì)單個(gè)車輛軌跡的預(yù)測(cè)和感知能力，提前規(guī)劃V2V路徑，使用車輛簇進(jìn)行協(xié)同 V2X通信，提高通信的可靠性和吞吐量。

未來(lái)，V2X要獲得廣泛應(yīng)用，需要構(gòu)建良好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境，解決跨運(yùn)營(yíng)商和汽車廠商等各方協(xié)調(diào)問(wèn)題。隨著5G網(wǎng)絡(luò)中SDN和V2X相關(guān)技術(shù)逐步深化和成熟，如何基于SD-V2X所具有的開放架構(gòu)解決跨產(chǎn)業(yè)、跨廠商的協(xié)調(diào)問(wèn)題，針對(duì)可行商業(yè)模式進(jìn)行更深入的應(yīng)用性研究，將成為本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

4 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中與 SD-D2D/V2X相關(guān)的一些通信架構(gòu)

4.1 蜂窩網(wǎng)絡(luò)中SD-D2D架構(gòu)

在蜂窩網(wǎng)絡(luò)D2D通信中引入軟件定義的概念，利用 SDN控制器從多個(gè)源端收集的信息，來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)決策，數(shù)據(jù)平面由多個(gè)基站構(gòu)成，控制平面負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行集中控制和網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)配，查詢基站的資源使用、負(fù)載等網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息。

5G技術(shù)通過(guò)采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)助系統(tǒng)（NAS, network assisted system），基站可以同時(shí)管理移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的蜂窩連接和D2D連接[33]，同時(shí)通過(guò)在基站加載SDN控制器的應(yīng)用模塊，基站可以獲得節(jié)點(diǎn)移動(dòng)信息、資源信息等全局信息[34-35]。基站i可直接獲得其覆蓋范圍內(nèi)終端節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)信息和資源信息，并提供給SDN控制器；鄰居基站j再通過(guò)SDN控制器獲取基站覆蓋終端節(jié)點(diǎn)的這些信息。

面向 SD-D2D通信的分層體系架構(gòu)如圖 3所示。在SD-D2D架構(gòu)中，控制平面的性能對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)有著很大的影響。目前，關(guān)于SDN控制器在5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的放置位置，學(xué)術(shù)界分為3種觀點(diǎn)：集中式、分布式和層次型。

由于單一的控制器無(wú)法適應(yīng)巨大網(wǎng)絡(luò)壓力的挑戰(zhàn)，因此可以考慮對(duì)控制器進(jìn)行分層級(jí)的部署，以減少 D2D通信管理產(chǎn)生的大量信令交互，滿足應(yīng)用低時(shí)延的需求，同時(shí)面向移動(dòng)小片云、霧計(jì)算的擴(kuò)展需求，提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和伸縮性。在文獻(xiàn)[9,13-14]提出的混合D2D通信框架基礎(chǔ)上，本文采用一種分層的控制方式，即面向核心網(wǎng)的全局控制、面向接入網(wǎng)的局部控制，在一個(gè)自治域內(nèi)，所有基站集中控制于全局 D2D控制器，全局控制器維持著整個(gè)自治域的控制平面；在每個(gè)基站側(cè)加載D2D本地控制器模塊，由本地D2D控制器負(fù)責(zé)本區(qū)域內(nèi)部節(jié)點(diǎn)間D2D的路由轉(zhuǎn)發(fā)。

這種分層架構(gòu)的好處是：能充分發(fā)揮集中控制的可擴(kuò)展性和伸縮性，使底層的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備可以被統(tǒng)一控制和管理，從而使其透明化，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的虛擬化，推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)能力開放，提高移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)靈活性與高效性；同時(shí)，又考慮了節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，減少核心網(wǎng)內(nèi)D2D通信管理的信令交互。移動(dòng)通信的數(shù)據(jù)分組首先接入距離用戶最近的基站，隨后由 D2D本地控制器決策是否是本基站內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)通信或能夠構(gòu)建本地D2D通信，如果是，則構(gòu)建本地D2D通信；如果不是，則向D2D全局控制器決定數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，優(yōu)化路徑進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，最終到達(dá)目的基站，發(fā)送給目標(biāo)用戶。

全局控制器掌握了其自治域內(nèi)所有基站提供的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜拓?fù)載情況，形成網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息庫(kù)來(lái)管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，狀態(tài)信息庫(kù)可處理的信息包括 D2D設(shè)備標(biāo)識(shí)、D2D服務(wù)標(biāo)識(shí)、IP地址分配信息、用戶識(shí)別號(hào)、用戶安全信息、用戶定位信息等。同時(shí)，全局控制器還負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)移動(dòng)性管理實(shí)體（MME,mobility management entity）對(duì)每個(gè)D2D對(duì)進(jìn)行無(wú)線資源管理、位置管理、連接管理、路由管理等。

本地控制器處于中間執(zhí)行層，對(duì)上層控制平面而言，主要功能是接收控制指令和匯報(bào)本地網(wǎng)絡(luò)信息，具體功能為向全局控制器發(fā)送基站中收集到的狀態(tài)信息，接收全局控制器的控制指令，通過(guò)OpenFlow協(xié)議將指令下發(fā)至底層的數(shù)據(jù)平面去執(zhí)行；對(duì)下層數(shù)據(jù)平面而言，主要功能是協(xié)助基站對(duì)本地D2D通信終端進(jìn)行本地D2D通信管理，如本地位置信息管理、確定本地節(jié)點(diǎn)間距離、流表管理等[36]。

終端控制器在移動(dòng)終端側(cè)作為一個(gè)后臺(tái)服務(wù)，負(fù)責(zé)為每個(gè)應(yīng)用程序選擇一個(gè)合適的接口，并且負(fù)責(zé)監(jiān)視狀態(tài)并控制Open vSwitch和無(wú)線資源映射器。

4.2 采用SDN/D2D技術(shù)的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)和自組網(wǎng)

圖3 面向SD-D2D通信的分層體系架構(gòu)

在5G通信中，D2D技術(shù)的引入，使蜂窩通信終端建立無(wú)線機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)成為可能，無(wú)線通信的應(yīng)用場(chǎng)景得到進(jìn)一步的擴(kuò)展，例如，蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)D2D技術(shù)組建自組網(wǎng)絡(luò)（Ad-Hoc network），如移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)（MANET, mobile Ad-Hoc network）或VANET，來(lái)卸載本地流量、擴(kuò)展通信區(qū)域、構(gòu)建應(yīng)急容災(zāi)通信網(wǎng)絡(luò)等。同時(shí)，借助 SDN技術(shù)也可使蜂窩網(wǎng)絡(luò)的資源利用率更高、性能更穩(wěn)定。

1) 采用SDN/D2D技術(shù)的自組網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)通信基礎(chǔ)設(shè)施的要求較高，核心網(wǎng)設(shè)施或接入網(wǎng)設(shè)備的損壞都可能導(dǎo)致通信系統(tǒng)的癱瘓。當(dāng)無(wú)線通信基礎(chǔ)設(shè)施損壞，或者在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)，終端可借助 D2D實(shí)現(xiàn)端到端通信甚至接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)。因此，Kitada等[37]使用真實(shí)的終端設(shè)備，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)由 DTN和移動(dòng)自組網(wǎng)相結(jié)合的、基于 SDN的容災(zāi)網(wǎng)絡(luò)——永存網(wǎng)絡(luò)（NDN, never die network）。當(dāng)發(fā)生地震等自然災(zāi)害時(shí)，在災(zāi)害地區(qū)，NDN作為基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的一部分，承擔(dān)通信作用。在NDN中，每一個(gè)SDN交換機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)性能，一旦網(wǎng)絡(luò)性能下降，NDN控制器將切換到其他網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)多跳的終端設(shè)備作為中繼，數(shù)據(jù)從源端傳輸?shù)侥康亩?，或接?Internet的網(wǎng)關(guān)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立于基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)，能滿足災(zāi)難發(fā)生時(shí)備份網(wǎng)絡(luò)的通信需求。同時(shí)，通過(guò)減少不必要的通信連接，能夠大量節(jié)約終端電池的能量。

Wang等[38]提出了一個(gè)特定網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用下的SDN/D2D自組網(wǎng)絡(luò)形式——以信息為中心的基于D2D通信的網(wǎng)絡(luò)虛擬化方案。該方案通過(guò)SDN提供系統(tǒng)的全局視圖控制器，動(dòng)態(tài)虛擬資源分配和內(nèi)容緩存。在所提出的架構(gòu)中，物理資源可以被抽象化并同時(shí)被多個(gè)移動(dòng)虛擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商（MVNOS,mobile virtual network operator）所共享。例如，根據(jù)以信息為中心的網(wǎng)絡(luò)虛擬化要求，可以在數(shù)據(jù)平面形成3個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，分別進(jìn)行常規(guī)無(wú)線通信傳輸、以信息為中心的無(wú)線通信傳輸和以信息為中心的D2D通信傳輸，相應(yīng)地，在控制平面構(gòu)建3個(gè)虛擬SDN控制器，負(fù)責(zé)管理對(duì)應(yīng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，通過(guò)在以信息為中心的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中集成 D2D通信，內(nèi)容緩存功能不僅在無(wú)線運(yùn)維設(shè)備中啟用，而且移動(dòng)設(shè)備也具備內(nèi)容緩存能力。該虛擬資源分配問(wèn)題可作為一個(gè)大規(guī)模組合優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)離散的隨機(jī)逼近方法進(jìn)行求解，仿真結(jié)果表明，MVNOS不僅能從物理基礎(chǔ)設(shè)施共享中受益，也可從不同網(wǎng)絡(luò)元素的緩存功能中獲得收益。

2) 采用SDN/D2D技術(shù)的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)

Yu等[39]提出并在實(shí)際設(shè)備中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有SDN能力的多跳MANET，SDN控制器采用開放網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（ONOS, open network operating system），SDN交換機(jī)采用Open vSwitch協(xié)議。MANET具有 D2D數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)和集中網(wǎng)絡(luò)管理的靈活性，仿真結(jié)果顯示，與分布式自組網(wǎng)絡(luò)相比，該方案提出的自組網(wǎng)絡(luò)性能更優(yōu)，這證明了該種網(wǎng)絡(luò)未來(lái)部署的可行性。除此以外，文中還提供了一個(gè)包含所有開發(fā)組件的存儲(chǔ)庫(kù)，使用該存儲(chǔ)庫(kù)可以設(shè)計(jì)開發(fā)出具有SDN能力的測(cè)試平臺(tái)。

Casoni等[40]使用SDN和信息物理系統(tǒng)（CPS,cyber-physical system），提出并仿真構(gòu)建了一種靈活的、可配置的、基于機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)協(xié)作型社區(qū)。其思路是使用本地高帶寬的通信連接，如 IEEE 802.11（Wi-Fi）等技術(shù)，在 SDN控制器的動(dòng)態(tài)調(diào)度下，實(shí)現(xiàn)多終端的帶寬聚合，從而有效地提升了原來(lái)處于低帶寬環(huán)境下用戶上傳文件的速度。

Labraoui等[41]提出了一種基于 SDN控制的機(jī)會(huì)式網(wǎng)絡(luò)流量卸載機(jī)制，該機(jī)制通過(guò)在所有終端上運(yùn)行一種基于 SDN的應(yīng)用程序編程接口（API,application programming interface），使在SDN控制器的部署下，終端間、終端和無(wú)線接入點(diǎn)（AP, access point）間通過(guò)Wi-Fi接口，自主構(gòu)建機(jī)會(huì)式的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，在移動(dòng)接入網(wǎng)層面，實(shí)現(xiàn)將移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)的流量有效卸載到無(wú)線局域網(wǎng)中，利用額外的無(wú)線局域網(wǎng)帶寬，從而提高蜂窩小區(qū)的帶寬。

4.3 基于SD-V2X技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

現(xiàn)有的車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)管理和集成上存在一些功能上的缺陷，例如，在大規(guī)模、高度密集和動(dòng)態(tài)變化的車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖喜渴鸱?wù)非常困難，缺乏可伸縮性；車輛設(shè)備的異構(gòu)性及不可編程性、對(duì)供應(yīng)商的依賴性使車聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)僵硬且難以管理，缺乏智能性；由于部署環(huán)境的多樣性以及通信技術(shù)的異構(gòu)性，很難根據(jù)實(shí)際情況和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的快速變化來(lái)選擇合適的技術(shù)，缺乏靈活性和自適應(yīng)性。這些缺陷限制了系統(tǒng)的功能，常常導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源的利用不足。

因此，采用基于SD-V2X技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，能夠提高當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的靈活性、可編程性和可伸縮性。SD-V2X與第4.2節(jié)和第4.3節(jié)介紹的基于SD-D2D的蜂窩和機(jī)會(huì)/自組網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，共同點(diǎn)是都與5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)和SDN技術(shù)集成，通過(guò)近距離通信技術(shù)增加網(wǎng)絡(luò)容量；不同之處在于，由于車載通信具有機(jī)動(dòng)環(huán)境下的移動(dòng)性，實(shí)時(shí)性要求更高，因此對(duì)車載通信系統(tǒng)提出了更高的要求，要求蜂窩網(wǎng)絡(luò)為車輛提供高容量、低時(shí)延通信。因此，首先，鑒于車輛的高速移動(dòng)性，每個(gè)車輛都配備有蜂窩網(wǎng)絡(luò)接口和IEEE 802.11p網(wǎng)絡(luò)接口以增加通信可靠性，根據(jù)控制器的調(diào)度，優(yōu)化選擇相應(yīng)的接口和通信模式。其次，在車聯(lián)網(wǎng)中，RSU和OBU都裝載了無(wú)線OpenFlow協(xié)議，同其他OpenFlow交換機(jī)一樣，具備SDN功能，可被編程控制。各種異構(gòu)接入技術(shù)使車輛可以通過(guò)多種方式接入基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中，如通過(guò)基站、路側(cè)單元、無(wú)線局域網(wǎng)等V2I方式接入，也可以通過(guò)V2V多跳方式接入。

原有的車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，SDN控制器一般位于數(shù)據(jù)中心和基站側(cè)，為了提高車聯(lián)網(wǎng)規(guī)模化、靈活性和可靠性，原有的控制器需要重新部署，控制功能下移到路側(cè)端，實(shí)現(xiàn)本地化控制，分層功能更清晰，管理時(shí)延更少。從控制器的部署位置和層面看，現(xiàn)有SD-V2X技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)主要分為集中式[22,38,42-44]和混合式[19-21,45-47]。

集中式架構(gòu)只使用一個(gè)全局控制器，由于在網(wǎng)絡(luò)中控制器需要和網(wǎng)絡(luò)元素間交換大量的狀態(tài)信息，無(wú)法滿足未來(lái)車輛應(yīng)用的低時(shí)延要求；而混合式架構(gòu)采用層次型管理架構(gòu)，分層交換控制信息，為車輛應(yīng)用提供低時(shí)延的保證。混合式架構(gòu)平衡了網(wǎng)絡(luò)管理時(shí)延和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的成本，鼓勵(lì)車輛通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)發(fā)送SDN控制請(qǐng)求，采用V2V網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。基于SD-V2X技術(shù)的混合式架構(gòu)如圖4所示，車輛通過(guò)eNode B或RSU，向中心控制器發(fā)送它們的上下文信息，包括使用 GPS獲取的地理位置、車輛速度、方向和被感知的相鄰車輛ID，全局SDN控制器根據(jù)中心控制器構(gòu)建全局狀態(tài)信息。控制平面將控制器放置于基站和路側(cè)單元間，控制平面由全局SDN控制器、基站和RSU組成，全局SDN控制器配合基站和 RSU共同完成控制任務(wù)，全局SDN控制器根據(jù)全局狀態(tài)信息，確定一些通用的抽象策略規(guī)則，基站和 RSU依據(jù)本地狀態(tài)信息，執(zhí)行這些規(guī)則。同時(shí)，SDN控制器的控制范圍延伸到OBU，OBU被控制器觸發(fā)，在數(shù)據(jù)層面上產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)作，如采用車輛間 V2V技術(shù)在多個(gè)車輛間通過(guò)多跳分發(fā)實(shí)時(shí)交通信息，提供及時(shí)的路況預(yù)警信息共享功能。

圖4 基于SD-V2X技術(shù)的混合式架構(gòu)

通過(guò)上述各種 SD-D2D/V2X通信架構(gòu)的介紹和分析可知，在 D2D和 V2X中引入集中控制的SDN控制器，基于全局信息進(jìn)行主導(dǎo)決策或協(xié)助決策，可以靈活地解決 D2D用戶之間以及蜂窩用戶與 D2D用戶之間的多層干擾、資源分配沖突、路由決策局限性和終端移動(dòng)性管理等問(wèn)題，提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源的利用率和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞撵`活性，減少終端能耗的開銷。但在解決D2D/V2X問(wèn)題的同時(shí)，也引入了新的缺點(diǎn)，例如，控制信道上的無(wú)線信令開銷會(huì)增大；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥儎?dòng)時(shí)，會(huì)引起域間和域內(nèi)的路由切換，導(dǎo)致流表更新頻繁，相應(yīng)的信令開銷、節(jié)點(diǎn)處理開銷和通信時(shí)延也會(huì)進(jìn)一步加大，這在車輛高速運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì) V2X的性能影響更大；另外，集中控制也對(duì)終端提出了新的要求，要求終端芯片集成 Open vSwitch流表處理能力和無(wú)線資源映射管理器等，也相應(yīng)地提高了芯片研發(fā)和制作成本。

5 關(guān)鍵技術(shù)分析

本節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)分析中，主要以SD-D2D為例進(jìn)行說(shuō)明。SD-V2X的關(guān)鍵技術(shù)與SD-D2D有很多相似之處，不作為重點(diǎn)，只對(duì)SD-V2X的特色之處加以說(shuō)明。

對(duì)D2D與SDN融合的相關(guān)探討中，包含以下4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：1) 基于SDN分層控制的D2D體系架構(gòu)；2) SD-D2D位置管理；3) SD-D2D發(fā)現(xiàn)管理；4) SD-D2D路由管理。因?yàn)殛P(guān)鍵技術(shù)1)已在第4.1節(jié)詳細(xì)介紹，所以此處重點(diǎn)介紹后3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

5.1 SD-D2D位置管理

D2D通信的重要特性是利用節(jié)點(diǎn)間地理上的鄰近性，但是節(jié)點(diǎn)間的距離長(zhǎng)短決定了發(fā)送功率的大小，同時(shí)無(wú)線信號(hào)存在的路徑損耗使節(jié)點(diǎn)間的距離影響接收信號(hào)的強(qiáng)弱，因此節(jié)點(diǎn)間的距離是D2D通信能否構(gòu)建的關(guān)鍵。

引入軟件定義的 D2D通信使節(jié)點(diǎn)位置全局管理變得可行：D2D控制器通過(guò)專用的信令通道，可以獲得節(jié)點(diǎn)位置信息、鏈路信息等全局狀態(tài)信息，這些信息也為 D2D通信的發(fā)現(xiàn)、建立和路由等一系列技術(shù)提供了決策依據(jù)，控制器基于全局狀態(tài)信息進(jìn)行路由、流量卸載、通信模式選擇和切換等全局調(diào)度。參考文獻(xiàn)[34-36]，本文提出了一種 D2D通信的位置管理方案，具體介紹如下。

在每個(gè)控制周期，首先通過(guò)信令通道節(jié)點(diǎn)和基站進(jìn)行交互，匯報(bào)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)位置信息等狀態(tài)信息，由此 D2D本地控制器獲得每個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息，接著由本地控制器向全局控制器匯總所控制的基站內(nèi)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，如節(jié)點(diǎn)i的位置可表示為節(jié)點(diǎn)j的位置可表示為 (x2,y2)，在控制器形成網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)的全局位置信息可表示為

根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置信息，使用歐幾里德（Euclid）距離Dij來(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j間的直接距離，即

因此，在全局控制器中，使用一個(gè)鄰接矩陣M來(lái)記錄和管理所有節(jié)點(diǎn)間的距離信息，形成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的全局位置信息，即

在鄰接矩陣M上運(yùn)行Dijkstra最短距離算法，可以計(jì)算出任意兩點(diǎn)間 D2D通信的最短距離D′ij=Dijkstra(M,i,j)，接著通過(guò)控制信道進(jìn)行路徑選擇和通信資源分配的全局調(diào)度。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置信息，控制器可以進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的位置測(cè)量、優(yōu)化傳輸路徑。依據(jù)傳輸經(jīng)過(guò)的中間節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，可以分為 2種距離測(cè)量方式：?jiǎn)翁鳧2D通信的節(jié)點(diǎn)間位置測(cè)量和多跳D2D通信的節(jié)點(diǎn)間位置測(cè)量。

1) 單跳D2D通信的節(jié)點(diǎn)間位置測(cè)量

單跳D2D通信的節(jié)點(diǎn)間位置測(cè)量如圖5所示。假設(shè)在此場(chǎng)景中，節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j屬于同一個(gè)eNode B，本地控制器接收到節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的位置信息后，根據(jù)式(1)獲得兩者距離Dij，判斷該距離能否滿足構(gòu)建D2D通信的需要，如能滿足，則發(fā)送D2D發(fā)現(xiàn)通知信息給雙方。

圖5 單跳D2D通信的節(jié)點(diǎn)間位置測(cè)量

2) 多跳D2D通信的節(jié)點(diǎn)間位置測(cè)量

多跳D2D通信的節(jié)點(diǎn)間位置測(cè)量如圖6所示。假設(shè)在此場(chǎng)景中，節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j屬于不同eNode B，如果Dij值超過(guò)了D2D通信的距離范圍，雖然無(wú)法建立直接的 D2D連接，但是全局控制器判定能夠構(gòu)建多跳的 D2D通信。因此，基于最短路徑的傳輸路徑規(guī)劃，全局控制器進(jìn)行規(guī)劃多跳的 D2D通信連接。

圖6 多跳D2D通信的節(jié)點(diǎn)間位置測(cè)量

5.2 SD-D2D發(fā)現(xiàn)管理

網(wǎng)絡(luò)授權(quán)（NA, network authorized）的D2D通信需要蜂窩網(wǎng)絡(luò)的協(xié)助控制來(lái)授權(quán)連接。由于基站中并沒有包含 D2D通信功能，因此需要建立一種D2D鄰居發(fā)現(xiàn)的機(jī)制。根據(jù)D2D發(fā)現(xiàn)的層面，可以將D2D鄰居發(fā)現(xiàn)模式分為2種：直接鄰居發(fā)現(xiàn)和全局鄰居發(fā)現(xiàn)。

5.2.1 直接鄰居發(fā)現(xiàn)

不少研究者提出了基于同一個(gè)基站下的 D2D發(fā)現(xiàn)機(jī)制[48-50]，當(dāng)2個(gè)通信節(jié)點(diǎn)處在同一個(gè)局部控制器管理的情況下，可以使用演進(jìn)的UMTS陸地?zé)o線接入網(wǎng)（E-UTRAN, evolved UMTS terrestrial radio access network）中的用戶終端-用戶終端（UE-UE）的專用信令，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的直接鄰居發(fā)現(xiàn)，參照3GPP定義的D2D直接鄰居發(fā)現(xiàn)，提出以下2種直接D2D鄰居發(fā)現(xiàn)模型。

模型 1 “宣告性 UE”（如 UE1）向鄰近 UE周期性地以廣播的方式發(fā)送宣告請(qǐng)求，包含節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)等信息，允許自身被鄰居UE所發(fā)現(xiàn)；“監(jiān)視性 UE”（如 UE2）收到廣播后，匹配自己的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)列表，只有當(dāng)UE1在UE2的目標(biāo)列表中，UE2才響應(yīng)宣告請(qǐng)求，UE1收到確認(rèn)后向D2D局部控制器申請(qǐng)無(wú)線資源，建立D2D通信。

模型2 “發(fā)現(xiàn)者UE”（如UE3）向鄰近UE周期性地以廣播的方式發(fā)送宣告，包含節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)列表等信息，只有符合目標(biāo)節(jié)點(diǎn)列表中的節(jié)點(diǎn)（“被發(fā)現(xiàn)者UE”，如UE4）才會(huì)對(duì)該發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)，UE3收到確認(rèn)后，后續(xù)流程同模型1。

雖然這2種直接鄰居發(fā)現(xiàn)模型UE間信令的設(shè)計(jì)不同，但能夠有效、及時(shí)地發(fā)現(xiàn) D2D設(shè)備。然而，這2種機(jī)制對(duì)于節(jié)點(diǎn)而言，周期性地發(fā)出輪詢信號(hào)，節(jié)點(diǎn)能量損耗較大，將會(huì)縮短節(jié)點(diǎn)待機(jī)時(shí)間，同時(shí)，受到傳輸功率的限制，UE層面的直接鄰居發(fā)現(xiàn)范圍較小。

5.2.2 全局鄰居發(fā)現(xiàn)

為節(jié)約節(jié)點(diǎn) D2D發(fā)現(xiàn)的能量損耗，可以由網(wǎng)絡(luò)層面集中控制，實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化鄰居發(fā)現(xiàn)，不僅能節(jié)約節(jié)點(diǎn)能耗，還能擴(kuò)大發(fā)現(xiàn)范圍，發(fā)現(xiàn)更多的鄰近節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)2個(gè)通信節(jié)點(diǎn)歸屬不同的基站，并由不同的局部控制器管理時(shí)，由上層的全局控制器統(tǒng)一管理全局鄰居發(fā)現(xiàn)，由控制器對(duì)D2D通信鏈路質(zhì)量（如信噪比、傳輸距離）進(jìn)行判斷，當(dāng)滿足通信條件后，通過(guò)信令通道，通知雙方進(jìn)行D2D鄰近節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，同時(shí)借助節(jié)點(diǎn)位置信息和直連技術(shù)（如 WLAN Direct或LTE Direct技術(shù)），構(gòu)建D2D通信，建立直接連接。

參考文獻(xiàn)[48-50]可得到 D2D全局鄰居發(fā)現(xiàn)信令流程，如圖7所示，具體介紹如下。

1) UE1和UE2分別通過(guò)所歸屬的局部控制器1和局部控制器 2，向全局控制器注冊(cè)各自的節(jié)點(diǎn)信息，包括用戶標(biāo)識(shí)、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)等信息。

2) UE1向局部控制器1發(fā)出UE2的鄰近請(qǐng)求，即：當(dāng)UE2在鄰近范圍內(nèi)時(shí)，局部控制器1會(huì)向本節(jié)點(diǎn)發(fā)送關(guān)于UE2的近鄰提醒；由于UE2非當(dāng)前控制器管理，因此局部控制器1無(wú)法進(jìn)行直接鄰居發(fā)現(xiàn)，由其向全局控制器發(fā)出UE2的鄰近請(qǐng)求；全局控制器接收到請(qǐng)求后，向UE2的歸屬控制器發(fā)出鄰近請(qǐng)求準(zhǔn)備。

3) UE1和UE2周期性地通過(guò)局部控制器，將當(dāng)前位置更新信息匯報(bào)給全局控制器。

4) 全局控制器根據(jù)UE1和UE2的位置信息，計(jì)算UE1和UE2的相對(duì)距離，若該距離滿足D2D通信允許的門限值，則全局控制器發(fā)送鄰近通知給雙方。

5) 全局控制器向D2D局部控制器1發(fā)出UE2的鄰近通知響應(yīng)，并向D2D局部控制器2發(fā)出UE1的鄰近通知。

圖7 D2D全局鄰居發(fā)現(xiàn)的信令流程

6) UE1發(fā)現(xiàn)UE2，向全局控制器申請(qǐng)無(wú)線資源，使用WLAN direct或LTE Direct技術(shù)，建立D2D連接。

5.3 SD-D2D路由管理

5.3.1 路由管理設(shè)計(jì)

SD-D2D繼承了SDN的控制與底層傳輸網(wǎng)絡(luò)相分離的理念，通過(guò)流表實(shí)現(xiàn)了D2D網(wǎng)絡(luò)的虛擬化，提供了一種獨(dú)立于傳輸鏈路的覆蓋網(wǎng)絡(luò)。利用SD-D2D基于流表匹配的流量轉(zhuǎn)發(fā)與控制模式，將網(wǎng)絡(luò)的控制功能集中于控制器，中心控制器能夠?qū)β酚?、流量、網(wǎng)絡(luò)行為、終端資源等實(shí)現(xiàn)靈活的控制和監(jiān)測(cè)，通過(guò)控制器制定相應(yīng)的執(zhí)行策略和轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，進(jìn)行快速的部署和分發(fā)，向終端節(jié)點(diǎn)屏蔽了路由決策的細(xì)節(jié)，從而對(duì)全網(wǎng)視圖、虛擬化、動(dòng)態(tài)路由等功能提供了支持。同時(shí)，控制器根據(jù)實(shí)時(shí)的全局網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息庫(kù)，對(duì)D2D通信路徑的規(guī)劃進(jìn)行動(dòng)態(tài)的、連續(xù)的優(yōu)化，通過(guò)更新或刪除流表項(xiàng)，對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)路徑進(jìn)行修改或刪除，從而實(shí)現(xiàn)全局路徑優(yōu)化。

根據(jù)通信雙方歸屬的基站劃分，SD-D2D路由管理可以分為2類場(chǎng)景：同一基站內(nèi)部的路由管理和不同基站之間的路由管理，如圖8所示。以同一基站下單跳D2D通信為例，控制流在傳輸過(guò)程中，在UE1和本地控制器之間，控制流上始終維持著一條無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信令，在呼叫建立之初建立，在通話結(jié)束后釋放，并在期間一直維持，用來(lái)進(jìn)行無(wú)線資源分配、鏈路狀態(tài)匯報(bào)、功率控制、連接管理、路由管理。當(dāng)鏈路信號(hào)與干擾加噪聲比（SINR, signal to interference plus noise ratio）不滿足要求時(shí)，就會(huì)重新計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)路徑，更新流表?xiàng)l目；當(dāng)通信結(jié)束時(shí)，負(fù)責(zé)釋放連接，回收無(wú)線資源塊。數(shù)據(jù)流代表節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?，通過(guò)控制流獲得轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，在已規(guī)劃的路徑上，使用D2D通信發(fā)送數(shù)據(jù)。

1) 同一基站內(nèi)部的路由管理

當(dāng)2個(gè)節(jié)點(diǎn)屬于同一個(gè)基站時(shí)，不論節(jié)點(diǎn)間通過(guò)單跳或多跳通信，都由局部控制器用本地流表進(jìn)行路由管理。

2) 不同基站之間的路由管理

當(dāng)2個(gè)節(jié)點(diǎn)屬于不同基站時(shí)，節(jié)點(diǎn)間的通信，需要先由各自局部控制器進(jìn)行協(xié)商后，再使用各自的本地流表進(jìn)行路由管理。

5.3.2 流表的管理

1) 流表的建立

在每個(gè)本地控制器上部署相應(yīng)的流表，當(dāng)有新流量到達(dá)時(shí)，為流量建立端到端路由，并根據(jù)流表，在數(shù)據(jù)層面上控制數(shù)據(jù)流的傳輸。數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)的流表結(jié)構(gòu)如圖9所示。流表字段包含以下字段：信源IP地址、信宿IP地址、通信模式、轉(zhuǎn)發(fā)路徑?？刂破鞲鶕?jù)路由決策，選擇相應(yīng)的通信模式，如字段值為“D2D”表示從信源與信宿通過(guò)D2D連接傳遞數(shù)據(jù)，字段值為“B2D”表示從信源與信宿通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接傳遞數(shù)據(jù)。

初始狀態(tài)下，本地流表中的轉(zhuǎn)發(fā)條目為空，隨著節(jié)點(diǎn)間的連接請(qǐng)求，控制器會(huì)逐步建立并不斷完善流表中的條目。

對(duì)于一個(gè)新到達(dá)的連接請(qǐng)求（如UE1到UE2），首先，UE1所屬的本地控制器1向狀態(tài)信息庫(kù)請(qǐng)求UE1和UE2各自的位置及歸屬基站ID。然后，根據(jù)UE2歸屬的基站ID進(jìn)行判斷：當(dāng)UE1和UE2屬于同一個(gè)基站時(shí)，直接由本地控制器進(jìn)行通信模式選擇和路徑規(guī)劃，即通過(guò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的最短距離，判斷能否構(gòu)建 D2D通信，進(jìn)行通信模式?jīng)Q策，規(guī)劃單跳/多跳D2D通信路徑，將轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則寫入流表?xiàng)l目中；當(dāng)UE1和UE2屬于不同基站時(shí)，由本地控制器1和本地控制器2進(jìn)行協(xié)商，計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的最短距離，進(jìn)行通信模式?jīng)Q策，規(guī)劃基站間的單跳/多跳 D2D通信路徑，并將轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則寫入流表?xiàng)l目中。最后，本地控制器發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則給請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)UE1。

圖8 基站內(nèi)部/基站之間的路由管理

圖9 流表的管理

2) 流表的更新

當(dāng)節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生改變時(shí)，會(huì)觸發(fā)流表更新操作，由全局控制器獲取節(jié)點(diǎn)最新的位置，重新計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的最短距離，負(fù)責(zé)通知本地控制器更新相應(yīng)的流表?xiàng)l目，同時(shí)將該條目的定時(shí)器重新置零。

為了解決失效流表問(wèn)題，本地控制器為每條流表設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，如果本地控制器發(fā)現(xiàn)一條流表在T個(gè)時(shí)隙內(nèi)都沒有收到與它相關(guān)的更新信息，就將該條目設(shè)置為無(wú)效，等待一段時(shí)間后將該條目刪除。

3) 流表的使用

當(dāng)UE1對(duì)UE2的連接請(qǐng)求發(fā)送給D2D本地控制器時(shí)，D2D本地控制器首先在本地流表中查找源IP是UE1和目的IP是UE2的流表?xiàng)l目，如果不能查找到條目，則執(zhí)行流表建立的過(guò)程；如果匹配成功，則根據(jù)流表?xiàng)l目中的通信模式，選擇相應(yīng)的通信模式（D2D模式和蜂窩模式），本地控制器分別為UE1和UE2分配D2D無(wú)線資源塊，并且將流表中的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則發(fā)送給UE1。同時(shí)通知UE2，為即將到來(lái)的D2D連接做好準(zhǔn)備。

UE1根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，發(fā)出對(duì)下一跳節(jié)點(diǎn)UE2的輪詢信號(hào)，UE2接收到輪詢信號(hào)后，測(cè)量與UE1間的通信鏈路狀態(tài)，發(fā)送信道狀態(tài)信息給 D2D本地控制器，本地控制器進(jìn)行鏈路SINR測(cè)量，當(dāng)SINR滿足一定的門限值后，通知雙方建立 D2D連接，數(shù)據(jù)分組從這條D2D鏈路上進(jìn)行傳輸。

5.4 SD-V2X關(guān)鍵技術(shù)

SD-D2D的通信設(shè)備通常為靜止設(shè)備或低速移動(dòng)設(shè)備，而SD-V2X作為面向車、路、網(wǎng)協(xié)同的通信綜合解決方案，能夠在高速移動(dòng)環(huán)境中提供低時(shí)延、高可靠、高速率、安全的通信能力，滿足車聯(lián)網(wǎng)多種應(yīng)用的需求，并且基于TD-LTE通信技術(shù)，能夠最大限度地利用TD-LTE已部署網(wǎng)絡(luò)及終端芯片平臺(tái)等資源，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)投資，降低芯片成本。

在軟件定義下的 V2X關(guān)鍵技術(shù)中，主要從路徑管理方面來(lái)說(shuō)明，包括 V2V連接建立、路徑規(guī)劃和路徑恢復(fù)，其中，V2V連接建立過(guò)程包含在路徑規(guī)劃和路徑恢復(fù)中，因此不再單獨(dú)敘述。

5.4.1 V2V路徑規(guī)劃

使用軟件定義的 V2V技術(shù)，可以將基于蜂窩的車輛通信卸載到基于 IEEE 802.11p或 D2D的V2V通信中?；赩2V VANET的路徑發(fā)現(xiàn)可由第三方控制器進(jìn)行，控制器保持對(duì)車輛狀態(tài)的跟蹤和計(jì)算，如果車輛之間存在 V2V路徑，將通知雙方車輛，減少車輛 OBU的計(jì)算開銷，車輛在保持蜂窩連接的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)快速切換到 V2V路徑，實(shí)現(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的流量卸載。

V2V路徑規(guī)劃如圖10所示，具體步驟如下。

1) 初始化狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò)中的所有車輛通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，將車輛實(shí)時(shí)的環(huán)境信息，如地理位置、車輛速度、方向和相鄰車輛ID，通過(guò)各自的中心控制器，發(fā)送給全局控制器。

2) 控制器收到車輛信息，保存到全局狀態(tài)信息庫(kù)中，持續(xù)檢查車輛情況，為可能存在的 V2V連接提供決策依據(jù)。

3) 在t0時(shí)刻，V1向基站發(fā)出向Vn的連接請(qǐng)求。

4) 全局控制器根據(jù)車輛的行車軌跡，在V1和Vn間探尋可行的多跳V2V路徑。以V1和V2間的路徑為例，考慮到車輛的高速移動(dòng)性，可采用車輛間的連接時(shí)長(zhǎng)作為V2V路徑穩(wěn)定性的度量值[24]，根據(jù)OBU的通信覆蓋范圍，通過(guò)計(jì)算車輛行駛方向、車輛間的相對(duì)位置和相對(duì)速度，預(yù)測(cè)鄰近車輛間的連接時(shí)長(zhǎng)，將連接時(shí)長(zhǎng)最大的路徑作為最佳的多跳V2V路徑。

5) 如果存在可行路徑P={V1,V2,…,Vn}，則SDN控制器通知路徑P上所有的中繼節(jié)點(diǎn)，將轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則插入所有節(jié)點(diǎn)的流表中。

圖10 V2V路徑規(guī)劃

6) 如果不存在V2V路徑，則安排V1通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)向Vn建立連接。

5.4.2 V2V路徑恢復(fù)

在車輛高速移動(dòng)環(huán)境下，由于車輛行駛的不確定性，常常會(huì)打破其原有的路線規(guī)劃，從而對(duì)整個(gè)V2V多跳路徑產(chǎn)生影響，為了防止單點(diǎn)路徑失效，需要 SDN控制器提供一種動(dòng)態(tài)的快速路徑修復(fù)機(jī)制應(yīng)對(duì)突發(fā)路徑變更，及時(shí)做出路徑重新規(guī)劃和路徑恢復(fù)。V2V路徑恢復(fù)示例如圖11所示。在道路中，當(dāng)出現(xiàn)一條分叉路，車輛會(huì)突然改變方向，或者車輛突然改變其速度，都會(huì)打破原有的 V2V路徑，控制器啟動(dòng) V2V路徑修復(fù)機(jī)制，指導(dǎo)車輛的OBU進(jìn)行異常處理，開展路徑恢復(fù)操作。

圖11 V2V路徑恢復(fù)示例

假 設(shè) 原 V2V 路 徑 為P={V1,…,Vk-1,Vk,Vk+1, …,Vn}，當(dāng)路徑集中一節(jié)點(diǎn)Vk偏離原行駛方向時(shí)，將向控制器觸發(fā)“行駛方向變更”通知?？刂破魇盏阶兏ㄖ螅⒓从?jì)算和尋找一條備份路徑P＇，在Vk-1和Vk+1間進(jìn)行路徑修復(fù)。假設(shè)車輛Vk-1是原路徑P中Vk的上一跳節(jié)點(diǎn)，車輛Vk+1是原路徑P中的下一跳節(jié)點(diǎn)，則控制器嘗試在兩者之間，找到備份節(jié)點(diǎn)Vk＇，使其與兩者相鄰并且都可以通信。

假設(shè)控制器能找到該備份路徑，則使用新的備份路徑P＇={V1,…,Vk-1,Vk＇,Vk+1,…,Vn}代替原路徑P={V1,…,Vk-1,Vk,Vk+1,…,Vn}，并在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行相應(yīng)的流表操作：在Vk-1中將V1到Vn的流表?xiàng)l目中的下一跳節(jié)點(diǎn)更新為Vk＇；在Vk＇中增加一條V1到Vn的流表?xiàng)l目，Vk+1為下一跳節(jié)點(diǎn)；在Vk中刪除已有的V1到Vn的流表?xiàng)l目，最后發(fā)送“路徑更新宣告”給所有相關(guān)節(jié)點(diǎn)。假設(shè)未找到該備份路徑，則刪除路徑集中相關(guān)的流表?xiàng)l目，發(fā)送“路徑更新宣告”給所有相關(guān)節(jié)點(diǎn)，相關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)發(fā)送剩余的V1到Vn數(shù)據(jù)。值得說(shuō)明的是，替代節(jié)點(diǎn)Vk＇可能是單個(gè)節(jié)點(diǎn)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)形成的多跳V2V路徑，因此修復(fù)后的路徑時(shí)延可能變長(zhǎng)，但從單點(diǎn)修復(fù)的功能來(lái)看，它對(duì)于原有路徑的影響是最小的。

6 結(jié)束語(yǔ)

SDN已經(jīng)逐漸將其覆蓋范圍從單域、有線管理網(wǎng)絡(luò)（例如內(nèi)部網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心）擴(kuò)展到無(wú)線動(dòng)態(tài)環(huán)境（如蜂窩網(wǎng)絡(luò)、VANET）。D2D和V2X在技術(shù)上有很大的相關(guān)性，在未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中它們將在SDN的支持下協(xié)同發(fā)展，因此，本文對(duì)基于SDN的D2D和V2X通信進(jìn)行了研究和綜述，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。

綜合現(xiàn)有的研究工作可見，蜂窩網(wǎng)絡(luò)SD-D2D架構(gòu)已經(jīng)接近成熟，車聯(lián)網(wǎng)SD-V2X框架也已初步確定，通過(guò)發(fā)揮 SDN技術(shù)集中決策的優(yōu)勢(shì)，確實(shí)能夠有效改善D2D/V2X通信中存在的用戶間和蜂窩用戶間的干擾管理、移動(dòng)管理和路由管理等問(wèn)題，基于SD-D2D和SD-V2X架構(gòu)還會(huì)有更多的模型和概念涌現(xiàn)出來(lái)。

目前，在D2D和V2X發(fā)展中，都存在多方利益不易協(xié)調(diào)的困難，使它們規(guī)模應(yīng)用偏少。這也導(dǎo)致現(xiàn)有 SD-D2D/V2X研究存在與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)的現(xiàn)象，成為它們進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，而基于 SDN的架構(gòu)優(yōu)勢(shì)如何突破這一瓶頸，尚未見到相關(guān)研究。因此，未來(lái)需要在實(shí)際蜂窩網(wǎng)絡(luò)中對(duì)SD-D2D/V2X架構(gòu)進(jìn)行部署和應(yīng)用的研究，增強(qiáng)軟件定義架構(gòu)的可擴(kuò)展性，對(duì)SDN控制器、CDN服務(wù)器、多播服務(wù)器、云計(jì)算服務(wù)器、安全認(rèn)證服務(wù)器、信任服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器聯(lián)合部署和工作的協(xié)同問(wèn)題，需要進(jìn)一步的實(shí)用化研究。此外，還需要考慮如何在控制器中加載社會(huì)網(wǎng)絡(luò)功能和應(yīng)用終端的社會(huì)屬性，以及如何在控制器中維護(hù)社會(huì)網(wǎng)絡(luò)信息等問(wèn)題。

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的到來(lái)和其含有的SDN技術(shù)的不斷深化，基于SDN的D2D和V2X通信將逐步得到應(yīng)用。尤其是隨著各界對(duì)基于5G的V2X的車輛安全/自動(dòng)駕駛和智能交通系統(tǒng)的開發(fā)，基于SDN的V2X的應(yīng)用性研究將得到迅速加強(qiáng)。