邵雯娟，沈慶國

（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)移動通信國家重點實驗室，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）和車輛到萬物（V2X,vehicle-to-everything）通信具有提高系統(tǒng)性能、提升用戶體驗、擴展蜂窩通信應(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)實現(xiàn)和其他任意網(wǎng)絡(luò)、任意個體間的通信，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)用場景提供支持，如車輛自動駕駛、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)推動也正式開始啟動，全球多家通信公司發(fā)布了支持V2X的芯片或模組，國內(nèi)也開展了V2X的測試床試驗。V2X可以基于D2D通信技術(shù)實現(xiàn)，但在可靠性和時延特性的要求上更加嚴(yán)格，而D2D無線資源的分配是影響可靠性和時延的關(guān)鍵因素。因此，大多數(shù) D2D通信的原理及應(yīng)用場景能轉(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（比如車輛移動會造成瞬時的信道狀態(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)約傳輸輪詢信號的能量，通信連續(xù)性更好，而IEEE 802.11p對同步要求低，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，它們將長期共存，且軟件定義的統(tǒng)一控制將使它們各自的優(yōu)點得到充分發(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，其在降低通信時延、擴大基站覆蓋范圍的同時，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、移動管理和路由管理等問題。

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，并為解決上述問題提供了有力的支撐。為此，近年來，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個概念，并進(jìn)行了廣泛的研究，取得了一些成果，有力推動了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SD-D2D和SD-V2X的技術(shù)特點進(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 D2D節(jié)點位置和發(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，同時對未來發(fā)展趨勢進(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、移動管理、路由管理、模式切換等問題。

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5G網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)D2D技術(shù)必須要解決的重要問題，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]。基于以上原因，運營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)體驗質(zhì)量（QoE, quality of experience）；另一方面能夠通過虛擬化等方法，增強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)計理念使網(wǎng)絡(luò)獲得很高的靈活性，可以對網(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)界對于SDN在無線通信的研究和應(yīng)用主要集中在核心網(wǎng)、基站（eNode B）和接入網(wǎng)層面。針對不同的應(yīng)用場景和實際需求，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)點間協(xié)助，提供移動小片云、邊緣計算等，在接入網(wǎng)引入SDN也逐漸成為學(xué)術(shù)界的研究重點。

基于 SDN的設(shè)計理念，產(chǎn)業(yè)界把它運用到移動通信的D2D通信架構(gòu)中，提出了SD-D2D架構(gòu)，來提高異構(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)端和移動終端中共同集成了5個組件：D2D服務(wù)器、SDN全局控制器、SDN本地控制器、Open vSwitch和無線資源映射器，這種架構(gòu)的優(yōu)點是解決了傳統(tǒng)技術(shù)的缺點，允許2個移動設(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)點能量耗竭、單點故障等惡劣情況。此外，分層控制系統(tǒng)不需要移動設(shè)備的 LTE接口保持活動狀態(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，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，機會式地重路由到附近的設(shè)備上，實現(xiàn)在接入云框架中處理流量的轉(zhuǎn)移，從而減少對物理實體的潛在影響。該方法將物理網(wǎng)絡(luò)中所有的移動性管理和計算移動到云中，雖然增加了云端計算的功率，但物理網(wǎng)絡(luò)可以減少控制信令的傳輸。

Abolhasan等[11]將移動自組網(wǎng)絡(luò)、無線傳感網(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，即控制器集中地進(jìn)行預(yù)處理，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點分布式地決策路由，提高了無線網(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)點和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過 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)備群分割成若干個移動云，每個移動云由一個簇頭（CH, cluster header）進(jìn)行管理，CH通過D2D通信與所轄終端進(jìn)行控制管理，SDN控制器通過LTE鏈路與CH聯(lián)系。該框架減少了原來終端的 LTE無線鏈路和網(wǎng)絡(luò)的能量損耗，同時移動云的管理方式也增強了無線網(wǎng)絡(luò)的擴展性。

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云、小片云的可擴展性和伸縮性，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，在移動網(wǎng)絡(luò)的邊緣部分，提出了一個以知識為中心的、D2D通信輔助的蜂窩網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。首先，設(shè)計了一個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、知識層和虛擬管理層組成，該體系結(jié)構(gòu)通過充分利用移動用戶之間D2D通信中獲得的知識信息，動態(tài)檢測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并管理通信資源；然后描述了系統(tǒng)中存在的問題和潛在的解決方案，包括知識提取、社會感知、激勵方案、信任管理機制和優(yōu)化資源分配。

總體而言，目前，針對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、有潛力的場景，如演唱會多播、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小型普通文件的本地卸載，缺少對高帶寬需求的多媒體卸載的研究工作；從D2D部署和應(yīng)用來看，現(xiàn)有的研究已經(jīng)將 D2D通信與社會網(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。

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

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、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，車輛可以迅速檢測出潛在的危險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，以進(jìn)一步傳播信息，主要目的是改善道路安全。此外，通過 V2X通信對突發(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的時間，帶來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對公路運輸系統(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，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)國家已分配專用無線電頻譜來支持 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（5GAA, 5G automotive association），基于LTE的增強及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立出來，使網(wǎng)絡(luò)管理更為有效，這將成為網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的一個重要方法。除了給有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)帶來的優(yōu)勢外，SDN還具有特別適用于車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的獨特優(yōu)勢?；?SDN的邏輯集中控制功能，提供了對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞娜终J(rèn)識，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?。一方面，通過針對每個特定的路況，SDN控制器優(yōu)選最合適的解決方案，并根據(jù)實際情況調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，可以增強現(xiàn)有車輛體系結(jié)構(gòu)的性能；另一方面，隨著SDN帶來的虛擬化和抽象化，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，對車輛的相似訪問行為（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 SDN控制器對簇頭進(jìn)行管理，實現(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)境下的資源分配機制，該機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，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)知無線電接入網(wǎng)的資源管理問題，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)建全局動態(tài)信息庫，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)建局部動態(tài)信息庫。該局部動態(tài)信息庫包含道路標(biāo)志等靜態(tài)信息，以及交通、天氣條件等動態(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)全局動態(tài)信息。通過收集和過濾車輛提供的局部動態(tài)信息，控制器獲得并構(gòu)建整個（或部分）網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的全局動態(tài)視圖，該視圖可對車輛的路由請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的設(shè)計架構(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)實時狀態(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，可以動態(tài)地根據(jù)實時網(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V2V車輛通信來卸載蜂窩通信流量的方案，該方案通過測算在VANET中存在的V2V路徑，來有效卸載蜂窩網(wǎng)絡(luò)流量。同時，該方案還設(shè)計了一種基于 SDN 的移動邊緣計算服務(wù)器——SDNi-MEC，解決了VANET中V2V流量卸載的復(fù)雜問題。每個車輛向SDNi-MEC服務(wù)器的狀態(tài)數(shù)據(jù)庫報告它的狀態(tài)信息，服務(wù)器上的SDN控制器根據(jù)狀態(tài)信息，測量兩輛車之間是否存在V2V路徑，以此卸載兩者間現(xiàn)有的蜂窩流量。通過該方案的性能分析表明，當(dāng)車輛密度達(dá)到中等時，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，通過車聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)中心源端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流機會式地傳輸?shù)侥康亩?。其中，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，同時在道路中設(shè)定若干個卸載熱點，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)平面實行數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)。

將 SDN方法集成到浮動內(nèi)容（FC, floating content）的分發(fā)中，實現(xiàn)在一個給定的地理區(qū)域——錨區(qū)（AZ, anchor zone）分布式地、機會式地實現(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)機制，根據(jù)節(jié)點移動性，SDN控制器選擇較佳的緩存效用節(jié)點、決策分發(fā)路徑、轉(zhuǎn)發(fā)激活內(nèi)容所經(jīng)過的AZ等。仿真結(jié)果表明，該機制能適應(yīng)高動態(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、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，通過在其覆蓋范圍內(nèi)收集車輛的速度和位置等移動信息，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間來實現(xiàn)低時延和高可靠的響應(yīng)，因此學(xué)者們提出了基于SDN的車輛云服務(wù)器來解決上述實時要求問題。除網(wǎng)絡(luò)管理外，SDN控制器還提供對車輛云資源（如計算資源、存儲資源）的管理，并對每個終端的 OBU進(jìn)行管理。Azizian等[29]提出了一個基于SDN和云計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，形成一個移動車輛云。因此，控制平面的決策不是由一個集中的元素決定的，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，通過減少所使用的蜂窩帶寬和相應(yīng)的使用費用（如專用短距離通信帶寬）以及軟件更新傳遞時延來提高網(wǎng)絡(luò)性能。Hussein等[30]通過在架構(gòu)中集成5G的霧計算技術(shù)來更快地處理、高效地切換和跟蹤管理，可以執(zhí)行不同級別的實時用戶定義的安全性，同時保持系統(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 SDN的使用也提出了更高的要求，SDN對車輛應(yīng)用的安全和隱私問題也是至關(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，因此它可以通過對數(shù)據(jù)平面的流量分析來識別潛在的攻擊，從而執(zhí)行異常檢測，并相應(yīng)地隔離惡意或受感染的節(jié)點。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)聲譽選擇中間節(jié)點以充當(dāng)中繼。Daniel等[17]也采用了類似的信任機制，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，實現(xiàn)了針對不同類型攻擊（如針對控制器或車輛），開展分布式拒絕服務(wù)（DDoS, distributed denial of service）攻擊等的預(yù)測、溯源跟蹤等安全技術(shù)，并減輕它們帶來的影響。

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題。但是，車輛不同于其他移動設(shè)備，它只能在已有的公路上行駛，其運動狀態(tài)具有一定的限制性，而已有的研究對車輛運行限制性考慮尚不多。針對車輛移動的快速性和限制性，結(jié)合地圖覆蓋層，控制器需要增強對單個車輛軌跡的預(yù)測和感知能力，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，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，解決跨運營商和汽車廠商等各方協(xié)調(diào)問題。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)問題，針對可行商業(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。

4 移動網(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控制器從多個源端收集的信息，來動態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)決策，數(shù)據(jù)平面由多個基站構(gòu)成，控制平面負(fù)責(zé)對網(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)通過采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)助系統(tǒng)（NAS, network assisted system），基站可以同時管理移動節(jié)點的蜂窩連接和D2D連接[33]，同時通過在基站加載SDN控制器的應(yīng)用模塊，基站可以獲得節(jié)點移動信息、資源信息等全局信息[34-35]?；緄可直接獲得其覆蓋范圍內(nèi)終端節(jié)點的移動信息和資源信息，并提供給SDN控制器；鄰居基站j再通過SDN控制器獲取基站覆蓋終端節(jié)點的這些信息。

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，控制平面的性能對整個網(wǎng)絡(luò)有著很大的影響。目前，關(guān)于SDN控制器在5G移動通信網(wǎng)絡(luò)中的放置位置，學(xué)術(shù)界分為3種觀點：集中式、分布式和層次型。

由于單一的控制器無法適應(yīng)巨大網(wǎng)絡(luò)壓力的挑戰(zhàn)，因此可以考慮對控制器進(jìn)行分層級的部署，以減少 D2D通信管理產(chǎn)生的大量信令交互，滿足應(yīng)用低時延的需求，同時面向移動小片云、霧計算的擴展需求，提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)的可擴展性和伸縮性。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自治域的控制平面；在每個基站側(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，實現(xiàn)設(shè)備的虛擬化，推動網(wǎng)絡(luò)能力開放，提高移動通信的網(wǎng)絡(luò)靈活性與高效性；同時，又考慮了節(jié)點的移動性，減少核心網(wǎng)內(nèi)D2D通信管理的信令交互。移動通信的數(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)信息庫來管理整個網(wǎng)絡(luò)，狀態(tài)信息庫可處理的信息包括 D2D設(shè)備標(biāo)識、D2D服務(wù)標(biāo)識、IP地址分配信息、用戶識別號、用戶安全信息、用戶定位信息等。同時，全局控制器還負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)移動性管理實體（MME,mobility management entity）對每個D2D對進(jìn)行無線資源管理、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，對上層控制平面而言，主要功能是接收控制指令和匯報本地網(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；對下層數(shù)據(jù)平面而言，主要功能是協(xié)助基站對本地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)點間距離、流表管理等[36]。

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

4.2 采用SDN/D2D技術(shù)的機會網(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線機會網(wǎng)絡(luò)和無線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)成為可能，無線通信的應(yīng)用場景得到進(jìn)一步的擴展，例如，蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以通過D2D技術(shù)組建自組網(wǎng)絡(luò)（Ad-Hoc network），如移動自組網(wǎng)絡(luò)（MANET, mobile Ad-Hoc network）或VANET，來卸載本地流量、擴展通信區(qū)域、構(gòu)建應(yīng)急容災(zāi)通信網(wǎng)絡(luò)等。同時，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)無線通信網(wǎng)絡(luò)對通信基礎(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)無線通信基礎(chǔ)設(shè)施損壞，或者在無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)，終端可借助 D2D實現(xiàn)端到端通信甚至接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)。因此，Kitada等[37]使用真實的終端設(shè)備，設(shè)計并實現(xiàn)了一個由 DTN和移動自組網(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，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SDN交換機負(fù)責(zé)監(jiān)測網(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)。通過實驗數(shù)據(jù)表明，該網(wǎng)絡(luò)獨立于基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)，能滿足災(zāi)難發(fā)生時備份網(wǎng)絡(luò)的通信需求。同時，通過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SDN提供系統(tǒng)的全局視圖控制器，動態(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被多個移動虛擬網(wǎng)絡(luò)運營商（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個虛擬網(wǎng)絡(luò)，分別進(jìn)行常規(guī)無線通信傳輸、以信息為中心的無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個虛擬SDN控制器，負(fù)責(zé)管理對應(yīng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)。同時，通過在以信息為中心的無線網(wǎng)絡(luò)中集成 D2D通信，內(nèi)容緩存功能不僅在無線運維設(shè)備中啟用，而且移動設(shè)備也具備內(nèi)容緩存能力。該虛擬資源分配問題可作為一個大規(guī)模組合優(yōu)化問題，通過離散的隨機逼近方法進(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)的機會網(wǎng)絡(luò)

Yu等[39]提出并在實際設(shè)備中實現(xiàn)了一個具有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交換機采用Open vSwitch協(xié)議。MANET具有 D2D數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點和集中網(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)未來部署的可行性。除此以外，文中還提供了一個包含所有開發(fā)組件的存儲庫，使用該存儲庫可以設(shè)計開發(fā)出具有SDN能力的測試平臺。

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、基于機會網(wǎng)絡(luò)的移動協(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控制器的動態(tài)調(diào)度下，實現(xiàn)多終端的帶寬聚合，從而有效地提升了原來處于低帶寬環(huán)境下用戶上傳文件的速度。

Labraoui等[41]提出了一種基于 SDN控制的機會式網(wǎng)絡(luò)流量卸載機制，該機制通過在所有終端上運行一種基于 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、終端和無線接入點（AP, access point）間通過Wi-Fi接口，自主構(gòu)建機會式的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，在移動接入網(wǎng)層面，實現(xiàn)將移動網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)的流量有效卸載到無線局域網(wǎng)中，利用額外的無線局域網(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)實際情況和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的快速變化來選擇合適的技術(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的蜂窩和機會/自組網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，共同點是都與5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)和SDN技術(shù)集成，通過近距離通信技術(shù)增加網(wǎng)絡(luò)容量；不同之處在于，由于車載通信具有機動環(huán)境下的移動性，實時性要求更高，因此對車載通信系統(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、低時延通信。因此，首先，鑒于車輛的高速移動性，每個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都裝載了無線OpenFlow協(xié)議，同其他OpenFlow交換機一樣，具備SDN功能，可被編程控制。各種異構(gòu)接入技術(shù)使車輛可以通過多種方式接入基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中，如通過基站、路側(cè)單元、無線局域網(wǎng)等V2I方式接入，也可以通過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)?；㈧`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，實現(xiàn)本地化控制，分層功能更清晰，管理時延更少。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，無法滿足未來車輛應(yīng)用的低時延要求；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)用提供低時延的保證?；旌鲜郊軜?gòu)平衡了網(wǎng)絡(luò)管理時延和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的成本，鼓勵車輛通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)發(fā)送SDN控制請求，采用V2V網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?；赟D-V2X技術(shù)的混合式架構(gòu)如圖4所示，車輛通過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，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)動作，如采用車輛間 V2V技術(shù)在多個車輛間通過多跳分發(fā)實時交通信息，提供及時的路況預(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性管理等問題，提高無線網(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問題的同時，也引入了新的缺點，例如，控制信道上的無線信令開銷會增大；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥儎訒r，會引起域間和域內(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)點處理開銷和通信時延也會進(jìn)一步加大，這在車輛高速運動時對 V2X的性能影響更大；另外，集中控制也對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，只對SD-V2X的特色之處加以說明。

對D2D與SDN融合的相關(guān)探討中，包含以下4個關(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。因為關(guān)鍵技術(shù)1)已在第4.1節(jié)詳細(xì)介紹，所以此處重點介紹后3個關(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)點間地理上的鄰近性，但是節(jié)點間的距離長短決定了發(fā)送功率的大小，同時無線信號存在的路徑損耗使節(jié)點間的距離影響接收信號的強弱，因此節(jié)點間的距離是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)點位置全局管理變得可行：D2D控制器通過專用的信令通道，可以獲得節(jié)點位置信息、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。

在每個控制周期，首先通過信令通道節(jié)點和基站進(jìn)行交互，匯報當(dāng)前節(jié)點位置信息等狀態(tài)信息，由此 D2D本地控制器獲得每個節(jié)點的實時信息，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)點的狀態(tài)信息，如節(jié)點i的位置可表示為節(jié)點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)點的全局位置信息可表示為

根據(jù)節(jié)點位置信息，使用歐幾里德（Euclid）距離Dij來測量節(jié)點i和節(jié)點j間的直接距離，即

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

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

根據(jù)節(jié)點的位置信息，控制器可以進(jìn)行節(jié)點間的位置測量、優(yōu)化傳輸路徑。依據(jù)傳輸經(jīng)過的中間節(jié)點的數(shù)量，可以分為 2種距離測量方式：單跳D2D通信的節(jié)點間位置測量和多跳D2D通信的節(jié)點間位置測量。

1) 單跳D2D通信的節(jié)點間位置測量

單跳D2D通信的節(jié)點間位置測量如圖5所示。假設(shè)在此場景中，節(jié)點i和節(jié)點j屬于同一個eNode B，本地控制器接收到節(jié)點i和節(jié)點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)點間位置測量

2) 多跳D2D通信的節(jié)點間位置測量

多跳D2D通信的節(jié)點間位置測量如圖6所示。假設(shè)在此場景中，節(jié)點i和節(jié)點j屬于不同eNode B，如果Dij值超過了D2D通信的距離范圍，雖然無法建立直接的 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)點間位置測量

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基站下的 D2D發(fā)現(xiàn)機制[48-50]，當(dāng)2個通信節(jié)點處在同一個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)送宣告請求，包含節(jié)點標(biāo)識、節(jié)點狀態(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)點列表，只有當(dāng)UE1在UE2的目標(biāo)列表中，UE2才響應(yīng)宣告請求，UE1收到確認(rèn)后向D2D局部控制器申請無線資源，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)點標(biāo)識、節(jié)點狀態(tài)、目標(biāo)節(jié)點列表等信息，只有符合目標(biāo)節(jié)點列表中的節(jié)點（“被發(fā)現(xiàn)者UE”，如UE4）才會對該發(fā)現(xiàn)請求進(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)計不同，但能夠有效、及時地發(fā)現(xiàn) D2D設(shè)備。然而，這2種機制對于節(jié)點而言，周期性地發(fā)出輪詢信號，節(jié)點能量損耗較大，將會縮短節(jié)點待機時間，同時，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 D2D發(fā)現(xiàn)的能量損耗，可以由網(wǎng)絡(luò)層面集中控制，實現(xiàn)和優(yōu)化鄰居發(fā)現(xiàn)，不僅能節(jié)約節(jié)點能耗，還能擴大發(fā)現(xiàn)范圍，發(fā)現(xiàn)更多的鄰近節(jié)點。

當(dāng)2個通信節(jié)點歸屬不同的基站，并由不同的局部控制器管理時，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，通過信令通道，通知雙方進(jìn)行D2D鄰近節(jié)點發(fā)現(xiàn)，同時借助節(jié)點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，向全局控制器注冊各自的節(jié)點信息，包括用戶標(biāo)識、節(jié)點狀態(tài)等信息。

2) UE1向局部控制器1發(fā)出UE2的鄰近請求，即：當(dāng)UE2在鄰近范圍內(nèi)時，局部控制器1會向本節(jié)點發(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的鄰近請求；全局控制器接收到請求后，向UE2的歸屬控制器發(fā)出鄰近請求準(zhǔn)備。

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

4) 全局控制器根據(jù)UE1和UE2的位置信息，計算UE1和UE2的相對距離，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，向全局控制器申請無線資源，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

SD-D2D繼承了SDN的控制與底層傳輸網(wǎng)絡(luò)相分離的理念，通過流表實現(xiàn)了D2D網(wǎng)絡(luò)的虛擬化，提供了一種獨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、終端資源等實現(xiàn)靈活的控制和監(jiān)測，通過控制器制定相應(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)點屏蔽了路由決策的細(xì)節(jié)，從而對全網(wǎng)視圖、虛擬化、動態(tài)路由等功能提供了支持。同時，控制器根據(jù)實時的全局網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息庫，對D2D通信路徑的規(guī)劃進(jìn)行動態(tài)的、連續(xù)的優(yōu)化，通過更新或刪除流表項，對轉(zhuǎn)發(fā)路徑進(jìn)行修改或刪除，從而實現(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，控制流在傳輸過程中，在UE1和本地控制器之間，控制流上始終維持著一條無線網(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，用來進(jìn)行無線資源分配、鏈路狀態(tài)匯報、功率控制、連接管理、路由管理。當(dāng)鏈路信號與干擾加噪聲比（SINR, signal to interference plus noise ratio）不滿足要求時，就會重新計算轉(zhuǎn)發(fā)路徑，更新流表條目；當(dāng)通信結(jié)束時，負(fù)責(zé)釋放連接，回收無線資源塊。數(shù)據(jù)流代表節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?，通過控制流獲得轉(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個節(jié)點屬于同一個基站時，不論節(jié)點間通過單跳或多跳通信，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個節(jié)點屬于不同基站時，節(jié)點間的通信，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

在每個本地控制器上部署相應(yīng)的流表，當(dāng)有新流量到達(dá)時，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。控制器根據(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D2D連接傳遞數(shù)據(jù)，字段值為“B2D”表示從信源與信宿通過蜂窩網(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)點間的連接請求，控制器會逐步建立并不斷完善流表中的條目。

對于一個新到達(dá)的連接請求（如UE1到UE2），首先，UE1所屬的本地控制器1向狀態(tài)信息庫請求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屬于同一個基站時，直接由本地控制器進(jìn)行通信模式選擇和路徑規(guī)劃，即通過計算節(jié)點間的最短距離，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)則寫入流表條目中；當(dāng)UE1和UE2屬于不同基站時，由本地控制器1和本地控制器2進(jìn)行協(xié)商，計算節(jié)點間的最短距離，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)則寫入流表條目中。最后，本地控制器發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則給請求節(jié)點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)點位置發(fā)生改變時，會觸發(fā)流表更新操作，由全局控制器獲取節(jié)點最新的位置，重新計算節(jié)點間的最短距離，負(fù)責(zé)通知本地控制器更新相應(yīng)的流表條目，同時將該條目的定時器重新置零。

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

3) 流表的使用

當(dāng)UE1對UE2的連接請求發(fā)送給D2D本地控制器時，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的流表條目，如果不能查找到條目，則執(zhí)行流表建立的過程；如果匹配成功，則根據(jù)流表條目中的通信模式，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。同時通知UE2，為即將到來的D2D連接做好準(zhǔn)備。

UE1根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，發(fā)出對下一跳節(jié)點UE2的輪詢信號，UE2接收到輪詢信號后，測量與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，能夠在高速移動環(huán)境中提供低時延、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說明，包括 V2V連接建立、路徑規(guī)劃和路徑恢復(fù)，其中，V2V連接建立過程包含在路徑規(guī)劃和路徑恢復(fù)中，因此不再單獨敘述。

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，控制器保持對車輛狀態(tài)的跟蹤和計算，如果車輛之間存在 V2V路徑，將通知雙方車輛，減少車輛 OBU的計算開銷，車輛在保持蜂窩連接的同時，實現(xiàn)快速切換到 V2V路徑，實現(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)中的所有車輛通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)，將車輛實時的環(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時刻，V1向基站發(fā)出向Vn的連接請求。

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性，可采用車輛間的連接時長作為V2V路徑穩(wěn)定性的度量值[24]，根據(jù)OBU的通信覆蓋范圍，通過計算車輛行駛方向、車輛間的相對位置和相對速度，預(yù)測鄰近車輛間的連接時長，將連接時長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，將轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則插入所有節(jié)點的流表中。

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)

在車輛高速移動環(huán)境下，由于車輛行駛的不確定性，常常會打破其原有的路線規(guī)劃，從而對整個V2V多跳路徑產(chǎn)生影響，為了防止單點路徑失效，需要 SDN控制器提供一種動態(tài)的快速路徑修復(fù)機制應(yīng)對突發(fā)路徑變更，及時做出路徑重新規(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，車輛會突然改變方向，或者車輛突然改變其速度，都會打破原有的 V2V路徑，控制器啟動 V2V路徑修復(fù)機制，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Vk偏離原行駛方向時，將向控制器觸發(fā)“行駛方向變更”通知?？刂破魇盏阶兏ㄖ?，立即計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，車輛Vk+1是原路徑P中的下一跳節(jié)點，則控制器嘗試在兩者之間，找到備份節(jié)點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)點執(zhí)行相應(yīng)的流表操作：在Vk-1中將V1到Vn的流表條目中的下一跳節(jié)點更新為Vk＇；在Vk＇中增加一條V1到Vn的流表條目，Vk+1為下一跳節(jié)點；在Vk中刪除已有的V1到Vn的流表條目，最后發(fā)送“路徑更新宣告”給所有相關(guān)節(jié)點。假設(shè)未找到該備份路徑，則刪除路徑集中相關(guān)的流表條目，發(fā)送“路徑更新宣告”給所有相關(guān)節(jié)點，相關(guān)節(jié)點通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)發(fā)送剩余的V1到Vn數(shù)據(jù)。值得說明的是，替代節(jié)點Vk＇可能是單個節(jié)點或多個節(jié)點形成的多跳V2V路徑，因此修復(fù)后的路徑時延可能變長，但從單點修復(fù)的功能來看，它對于原有路徑的影響是最小的。

6 結(jié)束語

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）擴展到無線動態(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，本文對基于SDN的D2D和V2X通信進(jìn)行了研究和綜述，并對關(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，通過發(fā)揮 SDN技術(shù)集中決策的優(yōu)勢，確實能夠有效改善D2D/V2X通信中存在的用戶間和蜂窩用戶間的干擾管理、移動管理和路由管理等問題，基于SD-D2D和SD-V2X架構(gòu)還會有更多的模型和概念涌現(xiàn)出來。

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)勢如何突破這一瓶頸，尚未見到相關(guān)研究。因此，未來需要在實際蜂窩網(wǎng)絡(luò)中對SD-D2D/V2X架構(gòu)進(jìn)行部署和應(yīng)用的研究，增強軟件定義架構(gòu)的可擴展性，對SDN控制器、CDN服務(wù)器、多播服務(wù)器、云計算服務(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)同問題，需要進(jìn)一步的實用化研究。此外，還需要考慮如何在控制器中加載社會網(wǎng)絡(luò)功能和應(yīng)用終端的社會屬性，以及如何在控制器中維護(hù)社會網(wǎng)絡(luò)信息等問題。

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的到來和其含有的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。尤其是隨著各界對基于5G的V2X的車輛安全/自動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。