位置感知及背景掃描下軟件定義車(chē)聯(lián)網(wǎng)無(wú)縫切換方案

Abstract：To addressthe signaling redundancy in centralized schemes and the IP reconfiguration bottleneck in distributed schemes within traditional architectures of the internet of vehicles，a seamless handover scheme for software-defined internet of vehicles is proposed，which integrates location awareness，multi-interface background scanning，and dynamic flow table redirection techniques.First，the shortcomings of traditional centralized architectures are analyzed，along with the factors contributing to excesive handover delay.Then，relying on the dynamic scheduling capability of the global network view of the software-defined network （SDN） controler，the target base station selection eficiency is optimized through predictive scanning.Finall，considering the characteristics of vehicle multi-network interfaces，data transmision and background scanning tasks are decoupled，and multi-link load balancing is utilized to achieve uninterrupted service migration. Experimental results demonstrate that the proposed scheme can effectively reduce the handover delay while ensuring the quality of service （QoS） requirements of vehicular applications.

Keywords： internet of vehicles； location awareness； seamless handover; software-defined network

隨著智能交通系統(tǒng)的不斷發(fā)展，實(shí)時(shí)交通監(jiān)控、道路安全預(yù)警、遠(yuǎn)程車(chē)輛診斷及車(chē)載多媒體服務(wù)等應(yīng)用已成為現(xiàn)代車(chē)聯(lián)網(wǎng)的核心功能模塊[1]。這些服務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接的實(shí)時(shí)性與可靠性提出了嚴(yán)苛的要求，尤其在車(chē)輛高速移動(dòng)場(chǎng)景下，如何保障服務(wù)質(zhì)量（QoS）成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。盡管5G 網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署顯著提升了通信帶寬，但車(chē)輛動(dòng)態(tài)拓?fù)渥兓l繁、覆蓋盲區(qū)切換頻繁等特性仍對(duì)傳統(tǒng)移動(dòng)性管理方案形成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

在大規(guī)模車(chē)聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下，代理移動(dòng)IPv6（PMIPv6）協(xié)議作為車(chē)聯(lián)網(wǎng)主流的網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性管理方案，通過(guò)本地移動(dòng)錨點(diǎn)（LMA）與移動(dòng)接人網(wǎng)關(guān)（MAG）協(xié)同實(shí)現(xiàn)車(chē)輛位置管理，但集中式架構(gòu)下錨點(diǎn)負(fù)載過(guò)重、信令交互冗余等問(wèn)題依然存在[2-3]。分布式移動(dòng)性管理（DMM）將錨點(diǎn)功能分布式部署于MAG節(jié)點(diǎn)，雖緩解了集中式瓶頸，卻因頻繁的IP重配置與隧道建立導(dǎo)致切換效率受限[4]。上述方案均難以解決大規(guī)模車(chē)聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下的低時(shí)延需求與信令開(kāi)銷(xiāo)之間的矛盾。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）通過(guò)解耦控制平面與數(shù)據(jù)平面，為車(chē)聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)性管理提供了新范式[5」，它將網(wǎng)絡(luò)控制和智能管理能力從傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備遷移到一個(gè)集中式的軟件實(shí)體網(wǎng)絡(luò)控制器。SDN控制器可基于全局網(wǎng)絡(luò)視圖動(dòng)態(tài)優(yōu)化路徑?jīng)Q策，規(guī)避傳統(tǒng)錨點(diǎn)架構(gòu)的性能瓶頸。然而，現(xiàn)有 SDN方案多聚焦于網(wǎng)絡(luò)層路由優(yōu)化[6]和資源預(yù)分配設(shè)計(jì)[7]，鮮有研究深度融合終端多接口特性與 SDN流表控制機(jī)制，導(dǎo)致切換過(guò)程中掃描延遲與業(yè)務(wù)中斷問(wèn)題未能得到根本解決。值得注意的是，現(xiàn)代智能車(chē)輛終端普遍配備多模通信接口（如 5G、V2X、Wi-Fi），其硬件性能的躍升為多鏈路協(xié)同傳輸提供了物理基礎(chǔ)。傳統(tǒng)單接口切換機(jī)制在MAG覆蓋邊緣需經(jīng)歷“斷連一掃描一重連\"過(guò)程，造成顯著業(yè)務(wù)中斷。若能在 SDN 全局管控下，利用背景掃描技術(shù)預(yù)判最優(yōu)接人點(diǎn)，并通過(guò)多接口分流實(shí)現(xiàn)無(wú)縫過(guò)渡，則可突破現(xiàn)有方案的局限?；诖?，本文融合位置感知、多接口背景掃描與流表動(dòng)態(tài)重定向技術(shù)，提出一種軟件定義車(chē)聯(lián)網(wǎng)無(wú)縫切換方案。

1" 網(wǎng)絡(luò)切換方案的對(duì)比分析

MAG 切換方案，如圖1所示。圖1中：RSS 為接收信號(hào)強(qiáng)度。在 5G技術(shù)下，車(chē)輛的網(wǎng)絡(luò)切換由信號(hào)測(cè)量、切換啟動(dòng)、切換執(zhí)行及切換完成4個(gè)階段組成[8，各階段都會(huì)產(chǎn)生切換時(shí)延。因此，關(guān)于車(chē)輛等移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（MNs）的無(wú)縫切換方案一直是研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)[9]。

早期研究多圍繞PMIPv6及其擴(kuò)展協(xié)議展開(kāi)。Kosmopoulos等[1o]結(jié)合媒體獨(dú)立切換（MIH）與快速PMIPv6（FPMIPv6），通過(guò)預(yù)判車(chē)輛速度優(yōu)化切換流程，但受限于集中式架構(gòu)，仍面臨信令開(kāi)銷(xiāo)大等問(wèn)題。類(lèi)似地，Hussain等11提出基于位置感知的PMIPv6擴(kuò)展方案，通過(guò)RSS動(dòng)態(tài)調(diào)整錨點(diǎn)選擇，雖降低了資源消耗，但未解決IP地址頻繁重配置的時(shí)延問(wèn)題。此類(lèi)方案的共性在于依賴(lài)傳統(tǒng)集中式移動(dòng)性管理（CMM）架構(gòu)，難以支撐車(chē)輛高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。

為了突破集中式架構(gòu)限制，近期研究將SDN引入車(chē)聯(lián)網(wǎng)。Amiri等[12]采用動(dòng)態(tài)錨點(diǎn)分配策略，降低傳輸成本，但部署復(fù)雜度較高。Tong 等[13]結(jié)合多路徑 TCP（MPTCP）與 SDN，通過(guò)子流?；顧C(jī)制減少垂直切換中斷，但需要額外協(xié)議棧支持?，F(xiàn)有SDN方案多聚焦網(wǎng)絡(luò)層優(yōu)化，缺乏終端多接口協(xié)同設(shè)計(jì)。針對(duì)接口冗余與鏈路穩(wěn)定性，Hapanchak 等[14]提出基于MPTCP 的路徑選擇系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)匹配最佳接人技術(shù)，但未改善切換過(guò)程中掃描與認(rèn)證時(shí)延。Al-Khalidi等[15」引人隨機(jī)線(xiàn)性編碼與移動(dòng)預(yù)測(cè)，通過(guò)多播補(bǔ)償切換丟包，但模型依賴(lài)高精度定位數(shù)據(jù)。此類(lèi)方法通過(guò)多路徑或預(yù)測(cè)機(jī)制提升魯棒性，但缺乏與網(wǎng)絡(luò)層控制的深度協(xié)同。

部分研究嘗試通過(guò)本地緩存或預(yù)掃描降低切換開(kāi)銷(xiāo)。Neetu等[16提出緩存增強(qiáng)的切換管理方案，減少重復(fù)認(rèn)證次數(shù)，但受限于緩存容量與更新策略。Fan等[17]結(jié)合 SDN 與移動(dòng)性預(yù)測(cè)，通過(guò)預(yù)加載目標(biāo)基站信息縮短掃描時(shí)延，然而預(yù)測(cè)誤差可能導(dǎo)致無(wú)效資源占用。Ko等[18]構(gòu)建了一個(gè)約束馬爾可夫決策過(guò)程，利用中央控制器收集每個(gè)設(shè)備的移動(dòng)信息，使從中央云到邊緣云切換相關(guān)信息的信令開(kāi)銷(xiāo)和遷移成本最小化。此類(lèi)方案雖簡(jiǎn)化了流程，但未充分利用 SDN對(duì)全局資源的動(dòng)態(tài)調(diào)配能力。

現(xiàn)有方案與文中方案的對(duì)比，如表1所示。

由表1可知：現(xiàn)有方案存在一些局限性，傳統(tǒng)CMM方案依賴(lài)單一錨點(diǎn)，SDN方案多聚焦路由優(yōu)化，均未實(shí)現(xiàn)終端-網(wǎng)絡(luò)協(xié)同控制;多路徑與預(yù)測(cè)機(jī)制復(fù)雜度高，背景掃描缺乏動(dòng)態(tài)調(diào)度，難以平衡時(shí)延與穩(wěn)定性；需要特定協(xié)議?；蛴布С?，限制實(shí)際部署范圍。

文中方案設(shè)計(jì)了基于軟件定義的車(chē)聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，通過(guò)SDN控制器對(duì)MAG及全局網(wǎng)絡(luò)視圖進(jìn)行管控，高效地指導(dǎo)車(chē)輛終端進(jìn)行切換。此外，對(duì)車(chē)輛進(jìn)人某個(gè)MAG 的覆蓋范圍開(kāi)始，到切換至另一個(gè)MAG 的整個(gè)過(guò)程中何時(shí)進(jìn)行信道掃描、觸發(fā)切換，以及如何有效地使用多網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行深入的研究，提供了更完善的優(yōu)化方案。

2基于軟件定義的車(chē)聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

SDN架構(gòu)，如圖2所示。圖2中：API為應(yīng)用程序編程接口。SDN架構(gòu)主要分為基礎(chǔ)設(shè)施層、控制層和應(yīng)用層。基礎(chǔ)設(shè)施層是由網(wǎng)絡(luò)的底層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備構(gòu)成，包含了特定的轉(zhuǎn)發(fā)面抽象（如OpenFlow交換機(jī)中流表的匹配字段設(shè)計(jì)）;控制層集中維護(hù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并通過(guò)南向接口（控制和數(shù)據(jù)平面接口）獲取底層基礎(chǔ)設(shè)施信息，同時(shí)為應(yīng)用層提供可擴(kuò)展的北向接口；應(yīng)用層根據(jù)網(wǎng)絡(luò)不同的應(yīng)用需求，調(diào)用控制層的北向接口，實(shí)現(xiàn)不同功能的應(yīng)用程序。通過(guò)這種軟件模式，網(wǎng)絡(luò)管理者能通過(guò)動(dòng)態(tài)的SDN應(yīng)用程序配置、管理和優(yōu)化底層的網(wǎng)絡(luò)資源，從而實(shí)現(xiàn)靈活、可控的網(wǎng)絡(luò)。

基于 SDN架構(gòu)，并結(jié)合研究目標(biāo)和方法，設(shè)計(jì)一種能夠適用于文中方案的基于軟件定義的車(chē)聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，如圖3所示。

基于軟件定義的車(chē)聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)描述如下。

1）基礎(chǔ)設(shè)施層。該層包括 MAG、交換機(jī)（SW）和中間路由器等物理設(shè)備。在車(chē)聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中，基站（BS）承擔(dān)MAG功能，負(fù)責(zé)車(chē)輛接入認(rèn)證、移動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。因此，將用BS代指MAG。所有設(shè)備均支持OpenFlow 協(xié)議，通過(guò)南向接口與控制器實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化通信。具體而言，BS負(fù)責(zé)監(jiān)控車(chē)輛的移動(dòng)情況和接人請(qǐng)求，向SDN控制器（SC）上報(bào)車(chē)輛及自身的有效信息（包括車(chē)輛設(shè)備信息和連接信息），并接收SC下發(fā)的流表指令，以執(zhí)行相應(yīng)操作。SW則作為不同BS間傳輸數(shù)據(jù)的通道，連接BS與SC，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和與SC的交互，SW、BS都受到SC的控制與管理。

2）控制層。該層以SC為核心，其通過(guò)南向接口（如OpenFlow）獲取基礎(chǔ)設(shè)施層的全局拓?fù)渑c鏈路狀態(tài)信息，并基于預(yù)定義策略動(dòng)態(tài)生成流表規(guī)則。SC通過(guò)實(shí)時(shí)分析車(chē)輛移動(dòng)軌跡與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載觸發(fā)流表更新，以?xún)?yōu)化切換路徑。

3）應(yīng)用層。通過(guò)北向接口調(diào)用控制層API，部署移動(dòng)性管理策略。無(wú)縫切換算法被封裝為獨(dú)立應(yīng)用程序，實(shí)時(shí)接收SC提供的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)數(shù)據(jù)（基站負(fù)載、車(chē)輛位置），并通過(guò)決策模型反饋切換參數(shù)。

4）車(chē)輛終端。車(chē)輛終端能夠同時(shí)或在不同時(shí)間通過(guò)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口與不同的通信網(wǎng)絡(luò)（蜂窩網(wǎng)絡(luò)、V2X、Wi-Fi及衛(wèi)星通信）進(jìn)行連接。車(chē)輛終端的多接口功能能夠確保數(shù)據(jù)的高效傳輸，優(yōu)化車(chē)輛的網(wǎng)絡(luò)接入體驗(yàn)。

因?yàn)檐?chē)輛終端以嵌入式智能設(shè)備為主，搭載了基于Linux內(nèi)核的操作系統(tǒng)（OS），而該OS的優(yōu)勢(shì)在于將各組件的驅(qū)動(dòng)程序抽象為模塊，并使網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序支持 softMAC方式，由此可以通過(guò)操作系統(tǒng)內(nèi)置的命令工具靈活便捷配置管理各網(wǎng)絡(luò)接口[19]，而架構(gòu)中的其他設(shè)備也大多基于該操作系統(tǒng)研發(fā)[3。因此，同內(nèi)核的情況可以順利地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。對(duì)于非Linux系統(tǒng)，可通過(guò)適配驅(qū)動(dòng)或虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)兼容，此部分可以作為未來(lái)的研究方向。

2.2 信息交互

由于OpenFlow協(xié)議在制訂標(biāo)準(zhǔn)時(shí)并未考慮無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的特性，這將導(dǎo)致控制器與BS在某些信息的交互上出現(xiàn)障礙（如OpenFlow 定義之外的封包），因而對(duì) BS的管理能力十分有限。因此，在不改變標(biāo)準(zhǔn)的OpenFlow 協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加一條新的 Socket 管理通道單獨(dú)連接 SC與 BS，實(shí)現(xiàn) SC 對(duì) BS的精準(zhǔn)管理。架構(gòu)整體的細(xì)節(jié)邏輯視圖，如圖4所示。車(chē)輛通過(guò)5G NRV2X系列協(xié)議與BS 進(jìn)行通信，而B(niǎo)S 既能被控制器直接管理，也能通過(guò) SW與控制器交互。BS與SW可以通過(guò)協(xié)議中定義的對(duì)稱(chēng)消息類(lèi)型與控制器保持聯(lián)系。這類(lèi)消息是控制器和交換機(jī)雙向?qū)ΨQ(chēng)的消息，其主要功能是建立連接、檢測(cè)對(duì)方是否在線(xiàn)等，包括以下3個(gè)方面：1）Hello消息，交換機(jī)和控制器建立連接時(shí)，互相發(fā)送該消息；2）Echo 消息，用于控制器與交換機(jī)計(jì)算時(shí)延，以及探測(cè)對(duì)方是否處于激活狀態(tài);3）Experimenter 消息，用于今后對(duì)協(xié)議擴(kuò)展時(shí)預(yù)留的消息類(lèi)型。

當(dāng)控制器需要下發(fā)流表到BS（即各自的流表管理模塊進(jìn)行交互）時(shí)，可以直接通過(guò)OpenFlow安全通道；當(dāng)需要交換鏈路及車(chē)輛的相關(guān)數(shù)據(jù)（即BS的信息收集模塊與SC的BS管理模塊進(jìn)行交互）時(shí)，則通過(guò)額外的Socket通道，該方法可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)編程實(shí)現(xiàn)?？刂破髦饕瓿蓛蓚€(gè)功能，一是向BS、SW下發(fā)更新流表，控制其數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，二是通過(guò) Socket 通道對(duì) BS 數(shù)據(jù)的監(jiān)控和管理，實(shí)現(xiàn) BS 和車(chē)輛數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)獲取。協(xié)議中同樣也有對(duì)應(yīng)的消息類(lèi)型供控制器使用。這類(lèi)消息由控制器發(fā)起，然后由Open-Flow 交換機(jī)接收并處理，其主要功能是對(duì)OpenFlow交換機(jī)進(jìn)行配置和狀態(tài)查詢(xún)，包括以下5個(gè)方面：1）Features 消息，用來(lái)獲取交換機(jī)的基本性能情況，交換機(jī)收到該消息后必須返回一個(gè)應(yīng)答消息進(jìn)行回復(fù)，該消息一般在控制器和交換機(jī)建立連接后使用;2）Config消息，控制器通過(guò)該消息在交換機(jī)上查詢(xún)和設(shè)置配置參數(shù)，交換機(jī)僅對(duì)查詢(xún)消息作反饋;3）Mod消息，用于在交換機(jī)添加、刪除和修改流表及配置交換機(jī)端口的屬性;4）Stats 消息，用于實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前交換機(jī)上的各種信息;5）Packet-out 消息，控制器指導(dǎo)交換機(jī)如何發(fā)送數(shù)據(jù)的消息。

基站工作模式被設(shè)定為監(jiān)聽(tīng)模式，由此可以實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)到所有的管理幀及數(shù)據(jù)幀，然后，可從每個(gè)幀的radiotap頭中獲取車(chē)輛發(fā)送的數(shù)據(jù)幀信息，如信號(hào)強(qiáng)度、傳輸速率、數(shù)據(jù)源的IP及MAC地址等。這些統(tǒng)計(jì)信息會(huì)傳送至控制器，上層應(yīng)用通過(guò)接口調(diào)用這些統(tǒng)計(jì)信息來(lái)實(shí)現(xiàn)切換管理方法，也可以實(shí)現(xiàn)其他網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。BS可以通過(guò)協(xié)議中定義的異步消息與控制器交互。這類(lèi)消息由交換機(jī)發(fā)送給控制器，其主要目的是通知控制器自身發(fā)生的某些異步事件，包括以下4個(gè)方面：1）Packet-in消息，當(dāng)數(shù)據(jù)包找不到匹配的流表?xiàng)l目時(shí)，交換機(jī)將向控制器發(fā)送該消息，如果交換機(jī)可以緩存該數(shù)據(jù)，則此消息只攜帶數(shù)據(jù)包的包頭部分及緩存ID，如果交換機(jī)不能緩存該數(shù)據(jù)，則將整個(gè)數(shù)據(jù)包內(nèi)嵌作為此消息的一部分，發(fā)往控制器，緩存的數(shù)據(jù)包一般由控制器的 Packet-out 消息進(jìn)行處理;2）Flow-removed 消息，流表中每個(gè)流的條目都有一個(gè)閑置超時(shí)值，用來(lái)指示該條目在非活躍狀態(tài)下多長(zhǎng)時(shí)間就要被移除，當(dāng)流條目超時(shí)時(shí)，就使用此消息移除該條目;3）Port-status 消息，當(dāng)交換機(jī)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，交換機(jī)向控制器發(fā)送該消息通報(bào)變化情況;4）Error消息，通知控制器出現(xiàn)了某種錯(cuò)誤。

3基于位置感知及背景掃描的軟件定義無(wú)縫切換

3.1 切換過(guò)程

傳統(tǒng)的BS間切換過(guò)程是車(chē)輛在斷開(kāi)與源BS的連接后重新接入新BS，期間會(huì)導(dǎo)致通信中斷，并且需要一定時(shí)間來(lái)完成重連。

對(duì)此過(guò)程進(jìn)行擴(kuò)展，以應(yīng)對(duì)高速移動(dòng)中的網(wǎng)絡(luò)切換需求，具體包括以下5個(gè)步驟：1）車(chē)輛進(jìn)人BS覆蓋范圍并接入網(wǎng)絡(luò);2）與BS建立穩(wěn)定連接，并開(kāi)始數(shù)據(jù)通信;3）當(dāng)連接質(zhì)量下降或車(chē)輛遠(yuǎn)離BS時(shí)，準(zhǔn)備進(jìn)行切換;4）車(chē)輛搜索并選擇新BS，嘗試建立連接;5）完成與新BS的切換并恢復(fù)通信。為了減少切換延遲，車(chē)輛可以通過(guò)預(yù)掃描技術(shù)提前探測(cè)周?chē)鶥S的信號(hào)強(qiáng)度和覆蓋范圍，為切換做好充分準(zhǔn)備。

假設(shè)每輛車(chē)配備兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口 （v2x0，v2x1） ，初始通過(guò) v2x0 與BS通信，在需要切換時(shí)啟用 v2x1 。擴(kuò)展后的車(chē)輛移動(dòng)切換流程圖，如圖5所示。圖5中：圓形區(qū)域表示不同BS（ BS₁ ！ BS₂ ）的覆蓋范圍；矩形區(qū)域表示車(chē)輛在移動(dòng)過(guò)程中信道質(zhì)量的變化； Ψ_t 為時(shí)刻； Q 為信道質(zhì)量； Q₁ 為 P₁ 時(shí)刻的信道質(zhì)量； 分別為 P₄ 時(shí)刻 v2x0…v2x1 的信道質(zhì)量。

經(jīng)擴(kuò)展后的車(chē)輛移動(dòng)切換流程有以下4個(gè)關(guān)鍵的步驟。

1）車(chē)輛初始接入與信息采集。車(chē)輛進(jìn)入BS覆蓋區(qū)域后，通過(guò) v2x0 接入網(wǎng)絡(luò)并啟動(dòng)背景掃描。根據(jù)接收的信標(biāo)幀與探測(cè)響應(yīng)幀，采集相鄰BS的物理層參數(shù)，服務(wù)集標(biāo)識(shí)（SSID）、IP 地址、MAC 地址、信噪比（signal to noise ratio，SNR）、接收信號(hào)強(qiáng)度指示（received signal strength indication，RSSI）和信道號(hào)（Ch）等信息可以通過(guò)基站發(fā)送的信標(biāo)幀或探測(cè)響應(yīng)幀獲得。構(gòu)建的BS列表（BL）為

式（1）中： R_SN 為信噪比， I_RSS 為接收信號(hào)強(qiáng)度指示，二者的計(jì)算公式分別為

I_RSS（t）=P（t）-10θlog₁₀d（t）+ξ（t），

式（2）、（3）中： P（t） 為 χ_t 時(shí)刻的發(fā)射功率； 為 χ_t 時(shí)刻接收方與發(fā)送方之間的距離； θ 為路徑損耗因子；

η 為噪聲水平； G（ι） 為 Ψ_t 時(shí)刻的信道平均增益； 為陰影衰落噪聲。

2）信道質(zhì)量評(píng)估與切換觸發(fā)。車(chē)輛持續(xù)監(jiān)測(cè)當(dāng)前BS的信道質(zhì)量 Q ，其定義為接收信號(hào)強(qiáng)度指示與信噪比的加權(quán)組合，即

Q=_α×I_RSs+β×R_SN.

式（4）中： α?β 反映信噪比對(duì)鏈路穩(wěn)定性的更高權(quán)重， α=0.4，β=0.6 。

當(dāng) Q 下降至閾值 Q₁ 時(shí)，觸發(fā)切換，即

Q_l=Q_stable×A

式（5）中： Q_stable 為穩(wěn)定連接期的信道質(zhì)量，反映了連接成功后至切換啟動(dòng)前這段時(shí)間內(nèi)的平均信道質(zhì)量； A 為動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)，用于適配不同場(chǎng)景需求， A∈[0，1] 。

3）目標(biāo)BS選擇與流表重定向。控制器根據(jù)車(chē)輛位置與BS覆蓋半徑 R ，計(jì)算距離閾值 D_TH ，即

D_TH=R×B

式（6）中： B 為權(quán)重系數(shù)， B∈[0，1] 0

當(dāng) d（t）gt;D_TH 時(shí)，SC從BL中選擇信道質(zhì)量最高的目標(biāo)BS，并下發(fā)流表更新指令，將數(shù)據(jù)流無(wú)縫切換至備用接口 v2x1 。切換完成后，原接口轉(zhuǎn)為背景掃描模式，持續(xù)更新BL信息。

4）接口任務(wù)切換與穩(wěn)定性驗(yàn)證。在切換過(guò)渡期 （P₃～P₄ ），系統(tǒng)驗(yàn)證新鏈路的穩(wěn)定性，即

式（7）中： C 為穩(wěn)定性驗(yàn)證系數(shù)。

當(dāng) Q_TH 滿(mǎn)足預(yù)設(shè)條件 C∈[0，0.5] 時(shí)，確認(rèn)切換成功并釋放原接口資源。

在車(chē)輛移動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算與當(dāng)前BS的距離來(lái)判斷其位置變化。通常，車(chē)輛距離BS 越遠(yuǎn)，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)逐漸衰減，當(dāng)超過(guò)閾值范圍時(shí)，信號(hào)質(zhì)量下降，導(dǎo)致通信質(zhì)量差。為了保證通信不中斷，車(chē)輛可以啟用備用網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行切換，確保穩(wěn)定連接。車(chē)輛首次掃描周?chē)鶥S 時(shí)，已獲取其他BS 的信號(hào)強(qiáng)度和覆蓋情況。在車(chē)輛遠(yuǎn)離當(dāng)前BS或信號(hào)質(zhì)量下降時(shí)，當(dāng)前BS可主動(dòng)與SC通信，獲取最新網(wǎng)絡(luò)信息，并根據(jù)車(chē)輛位置、移動(dòng)軌跡和需求選擇目標(biāo)BS 進(jìn)行切換。當(dāng)目標(biāo)BS確定后，SC會(huì)通知車(chē)輛啟用備用接口進(jìn)行連接請(qǐng)求。連接成功后，SC會(huì)更新流表項(xiàng)，將數(shù)據(jù)流重定向至新BS，確保數(shù)據(jù)通信無(wú)縫切換。隨后，SC會(huì)更新車(chē)輛連接表，刪除原BS的連接項(xiàng)，添加新BS的連接項(xiàng)，以確保BS與SC的連接信息一致。

3.2 切換準(zhǔn)則

在切換過(guò)程中， P₁，P₃ 和 P₄ 是3個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻，根據(jù)這些時(shí)機(jī)，提出以下7個(gè)切換準(zhǔn)則。

1）車(chē)輛通過(guò)主動(dòng)掃描判斷是否在某些BS的覆蓋范圍內(nèi)。車(chē)輛向周?chē)鶥S發(fā)送探測(cè)請(qǐng)求幀，并根據(jù)BS設(shè)定的 100ms 間隔接收信標(biāo)幀，進(jìn)而獲取BS 信息，如 SSID、IP地址、MAC地址、鏈路信息（信噪比、接收信號(hào)強(qiáng)度指示、信道號(hào)），并將這些信息存儲(chǔ)在BL中。

2）BS 監(jiān)測(cè)車(chē)輛并獲取其位置信息，與BS自身位置一同上報(bào)給控制器 SC，創(chuàng)建車(chē)輛和BS 的信息表。為了減少開(kāi)銷(xiāo)，信息表中僅記錄位置數(shù)據(jù)，方便后續(xù)計(jì)算車(chē)輛與BS之間的距離。由于BS位置固定，只需動(dòng)態(tài)更新車(chē)輛位置。

3）在初始階段，車(chē)輛根據(jù)已收集的有限信息，從BL中選擇信號(hào)強(qiáng)度和信噪比最大的 BS（如 BS₁ ），通過(guò) v2x0 發(fā)送連接請(qǐng)求，連接成功后開(kāi)始正常通信。如果車(chē)輛長(zhǎng)時(shí)間未移動(dòng)，啟用 v2x1 進(jìn)行背景掃描，發(fā)現(xiàn)新的BS 時(shí)將其添加到列表中?？紤]到掃描時(shí)間較長(zhǎng)且車(chē)輛靜止，預(yù)掃描只進(jìn)行一次。

4）當(dāng)信道質(zhì)量下降或車(chē)輛開(kāi)始移動(dòng)時(shí)， v2x1 將再次掃描BL中已有的BS，更新信道信息。隨著車(chē)輛逐漸遠(yuǎn)離 BS₁ ，在 P₁ 時(shí)刻，信道質(zhì)量下降至設(shè)定的閾值 Q_l ，然后切換過(guò)程啟動(dòng)，但是車(chē)輛仍然與 BS₁ 保持通信。

5）在移動(dòng)過(guò)程中，SC持續(xù)更新車(chē)輛位置信息。當(dāng)車(chē)輛與 BS₁ 的距離達(dá)到設(shè)定閾值 D_TH 時(shí)，SC會(huì)計(jì)算車(chē)輛與其他BS的距離，并根據(jù)距離排序選擇最短的BS（如 BS₂ ）。系統(tǒng)通知 BS₂ 與車(chē)輛建立連接，并通過(guò)更新流表項(xiàng)，將 BS₁ 的數(shù)據(jù)流重定向至 BS₂ 。

6）在 P₃ 時(shí)刻，車(chē)輛通過(guò) v2x1 與 BS₂ 建立穩(wěn)定連接，信道質(zhì)量逐漸改善。當(dāng)?shù)竭_(dá) P₄ 時(shí)刻， v2x1 與v2x0 的連接質(zhì)量差達(dá)到預(yù)定閾值 Q_TH ，意味著 v2x0 不再適合承擔(dān)數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)，因此，被轉(zhuǎn)為備用接口進(jìn)行背景掃描。

7）在 P₅ 時(shí)刻，車(chē)輛完全離開(kāi) BS₁ ， v2x0 與其斷開(kāi)連接，隨后開(kāi)始重復(fù)上述過(guò)程。在整個(gè)過(guò)程中，兩網(wǎng)絡(luò)接口分別執(zhí)行背景掃描和數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)，確保沒(méi)有丟包或通信中斷。

綜上所述， P_i，P₃ 和 P₄ 分別是BS切換啟動(dòng)、成功接人新BS和接口任務(wù)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵時(shí)刻，這些時(shí)刻對(duì)應(yīng)特定的閾值條件，確保切換過(guò)程順利進(jìn)行。

文中方案的提出旨在解決車(chē)輛與BS之間頻繁的信令交互問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)控制器對(duì)全局設(shè)備的監(jiān)控，簡(jiǎn)化整個(gè)切換流程。與復(fù)雜的算法不同，文中方案基于信道質(zhì)量與BS覆蓋距離的關(guān)系，在關(guān)鍵時(shí)刻通過(guò)感知車(chē)輛與BS的相對(duì)位置，快速選擇合適的基站，確保高效切換。車(chē)輛的多網(wǎng)絡(luò)接口優(yōu)勢(shì)使切換過(guò)程平滑，數(shù)據(jù)傳輸不中斷，從而顯著降低了切換時(shí)延，提升了服務(wù)質(zhì)量和用戶(hù)體驗(yàn)。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為驗(yàn)證文中方案的有效性，使用接收信號(hào)強(qiáng)度指示加載仿真平臺(tái)鏡像，Ubuntu22.04.3LTS操作系統(tǒng)，內(nèi)核為最新穩(wěn)定版。結(jié)合Mininet-WiFi2.3.O和Ryu控制器4.36的固件，內(nèi)置OpenvSwitch2.19.0，以支持創(chuàng)建虛擬OpenFlow交換機(jī)。最后，使用SUMO搭建完整的交通仿真場(chǎng)景。

網(wǎng)絡(luò)連通性測(cè)試基于網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議（ICMP），通過(guò)周期性發(fā)送 ping指令監(jiān)測(cè)端到端的通信狀態(tài)。數(shù)據(jù)包捕獲與分析通過(guò)Wireshark實(shí)現(xiàn)，基于混雜模式監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)卡流量，解析鏈路層至應(yīng)用層協(xié)議頭部信息。

4.1 系統(tǒng)測(cè)試

進(jìn)行車(chē)輛與遠(yuǎn)端服務(wù)器的互通性測(cè)試。實(shí)驗(yàn)需要?jiǎng)?chuàng)建1臺(tái)遠(yuǎn)端服務(wù)器（ ?S₁ ）、1輛車(chē) 個(gè)SW

（ SW₁ ）及3個(gè) BS（BS₁～BS₃ ）。車(chē)輛不斷向 S₁ 發(fā)送ping命令，驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的可用性。

測(cè)試拓?fù)鋱D，如圖6所示。圖6中： x 為水平位置； y 為垂直位置;圖形是Mininet-WiFi通過(guò)調(diào)用Python中的matplotlib庫(kù)繪制而成，遠(yuǎn)程控制器未標(biāo)明。

車(chē)輛與遠(yuǎn)端服務(wù)器的互通性測(cè)試時(shí)延，如表2所示。表2中： N₁ 為實(shí)驗(yàn)次數(shù)； N₂ 為封包次數(shù)；T_min 為最小時(shí)延； T_max 為最大時(shí)延； T_ave 為平均時(shí)延； σ 為方差。

由表2可知：車(chē)輛與遠(yuǎn)端服務(wù)器間的雙向通

信實(shí)現(xiàn)成功，由此驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪B通性與功能性；基于獨(dú)立測(cè)試的均值表明，初始階段由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境尚未穩(wěn)定 ），存在顯著的鏈路協(xié)商與路由收斂過(guò)程，導(dǎo)致平均時(shí)延達(dá) 4，482ms ；隨著測(cè)試輪次推進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)逐步進(jìn)入穩(wěn)態(tài) _{（σ=0.662）} ，各次測(cè)量值收斂至[3.702，6.540]ms，最終平均時(shí)延優(yōu)化至4.318ms ，符合車(chē)聯(lián)網(wǎng)低時(shí)延通信的QoS要求。

為了驗(yàn)證多網(wǎng)絡(luò)接口的協(xié)同傳輸性能，實(shí)驗(yàn)配置如下：車(chē)輛終端 v₁ 部署雙接口 （v₁-v2x0Ω，v₁-v2x1IP分別為10.0.0.100、10.0.1.100），遠(yuǎn)端服務(wù)器 S₁ 固定IP為10.0.0.2，基站與交換機(jī)間鏈路帶寬限定為 100Mbit^-1 。采用iperf3工具執(zhí)行端到端帶寬測(cè)試，并通過(guò)ifstat實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各接口吞吐量。

車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)接口的吞吐量測(cè)試，如圖7所示。由圖7可知：雙接口在相同操作模式下呈現(xiàn)均衡負(fù)載特性，平均聚合帶寬趨于穩(wěn)定，驗(yàn)證了多接口并行傳輸?shù)目尚行浴?/p>

該結(jié)果證實(shí)了硬件配置與協(xié)議棧的兼容性，為后續(xù)無(wú)縫切換實(shí)驗(yàn)提供了底層通信保障。

4.2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

對(duì)比實(shí)驗(yàn)以切換延遲為核心性能評(píng)估指標(biāo)，基于ICMP報(bào)文的端到端往返時(shí)延（RTT）實(shí)現(xiàn)量化測(cè)量。選擇ICMP協(xié)議的原因在于作為網(wǎng)絡(luò)層基礎(chǔ)協(xié)議，其實(shí)現(xiàn)具有跨平臺(tái)普適性，同時(shí)協(xié)議頭部開(kāi)銷(xiāo)低（僅8B），可以避免高層協(xié)議棧干擾對(duì)時(shí)延測(cè)量的影響。具體而言，車(chē)輛終端以 100ms 為周期持續(xù)發(fā)送 ICMPEcho Request報(bào)文至遠(yuǎn)端服務(wù)器，并通過(guò)Echo Reply報(bào)文的接收狀態(tài)判定鏈路連通性。當(dāng)車(chē)輛移動(dòng)至源基站覆蓋邊緣時(shí)，鏈路中斷觸發(fā)ICMP報(bào)文丟失;待切換至目標(biāo)基站后，通信會(huì)話(huà)恢復(fù)并繼續(xù) RTT監(jiān)測(cè)。切換時(shí)延 T_handover 定義為末次有效報(bào)文接收時(shí)刻 t₁ 與首條恢復(fù)報(bào)文到達(dá)時(shí)刻 t₂ 之間的時(shí)間差，即

T_handover=t₂-t₁+Δt_processo

式（8）中： Δt_process 為報(bào)文處理時(shí)延。

該模型不僅涵蓋無(wú)線(xiàn)鏈路中斷時(shí)段，還包含控制平面決策（SDN流表更新）與數(shù)據(jù)平面轉(zhuǎn)發(fā)（目標(biāo)BS 路由收斂）的全流程時(shí)耗。因此，該定義客觀反映了鏈路中斷至業(yè)務(wù)恢復(fù)的全過(guò)程時(shí)耗，與真實(shí)切換場(chǎng)景具有強(qiáng)一致性。

選擇以下4種方案進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

1）方案1，基于傳統(tǒng)的IEEE8O2.11p協(xié)議，該協(xié)議規(guī)定車(chē)輛以BS的信號(hào)強(qiáng)度為指標(biāo)進(jìn)行掃描接人和新 BS 的重連操作，車(chē)輛在與原BS 斷開(kāi)之后還需繼續(xù)掃描可用BS，再重復(fù)接入過(guò)程，因此，耗費(fèi)較長(zhǎng)的切換時(shí)間。

2）方案2，基于IEEE 802.11r協(xié)議，該協(xié)議著眼于減少漫游時(shí)認(rèn)證所需的時(shí)間，協(xié)議允許移動(dòng)端在實(shí)現(xiàn)切換之前，就建立起與新接入點(diǎn)之間安全且具備QoS的狀態(tài)，將連接損失和通信中斷減到最小。

3）方案3，在傳統(tǒng)IEEE802.11p協(xié)議基礎(chǔ)上使用背景掃描及雙網(wǎng)絡(luò)接口，使車(chē)輛連接多個(gè)不同的BS，還未切換之前掃描周?chē)线m的BS，并在與原BS斷連之前完成與新BS 的接入，實(shí)現(xiàn)通信持續(xù)暢通。

4）文中方案，基于位置感知及背景掃描的切換方案，借助控制器的全局管理能力及對(duì)底層設(shè)備的調(diào)控能力，通過(guò)下發(fā)修改流表項(xiàng)的方式（添加或刪除）更精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的不間斷傳輸，利用車(chē)輛多網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換。

采用圖6中的拓?fù)鋱?chǎng)景，但將方案1，2中的車(chē)輛設(shè)置為單網(wǎng)絡(luò)接口，而方案3，4中的車(chē)輛設(shè)置為雙網(wǎng)絡(luò)接口。為了達(dá)到傳統(tǒng)架構(gòu)的效果，在驗(yàn)證時(shí) SC充當(dāng)接入控制的角色，不使用流表控制的方式。

單網(wǎng)絡(luò)接口切換時(shí)延，如圖8所示。由圖8可知：傳統(tǒng)IEEE802.11p協(xié)議的硬切換機(jī)制存在顯著業(yè)務(wù)中斷現(xiàn)象，具體表現(xiàn)在封包序號(hào)為 3～8 及 10～14 的ICMP報(bào)文傳輸過(guò)程中，分別出現(xiàn)5個(gè)和4個(gè)連續(xù)報(bào)文丟失，表明車(chē)輛在源基站斷開(kāi)至目標(biāo)基站重連期間經(jīng)歷了兩輪完整鏈路中斷，符合傳統(tǒng)的硬切換模式，并且再次重連新的BS也需要花費(fèi)一段時(shí)間，切換時(shí)延約為 3～10ms ；采用IEEE802.11r協(xié)議運(yùn)行的切換時(shí)延比傳統(tǒng)方式更小，該協(xié)議通過(guò)緩存密鑰，減少了傳統(tǒng)重連過(guò)程中認(rèn)證時(shí)延，但在突發(fā)性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘓?chǎng)景下，仍觀測(cè)到3次時(shí)延峰值，主要源于無(wú)線(xiàn)信道快速衰減引發(fā)的重復(fù)掃描過(guò)程，但總體時(shí)延是偏小的，約為 1～9ms 。該結(jié)果驗(yàn)證了協(xié)議優(yōu)化對(duì)常規(guī)場(chǎng)景的改進(jìn)效果，同時(shí)揭示了極端動(dòng)態(tài)環(huán)境下移動(dòng)性管理的剩余挑戰(zhàn)。

雙網(wǎng)絡(luò)接口切換時(shí)延，如圖9所示。由圖9可知：雙網(wǎng)絡(luò)接口架構(gòu)可顯著改善切換時(shí)延的波動(dòng)性，時(shí)延明顯減少，驗(yàn)證了多接口冗余對(duì)切換平滑性的正向作用;方案3在切換過(guò)渡期仍存在階段性時(shí)延抬升現(xiàn)象，歸因于源基站信號(hào)強(qiáng)度衰減導(dǎo)致的鏈路質(zhì)量劣化，此時(shí)，盡管通過(guò)雙接口維持物理層連接，但重傳機(jī)制與路由震蕩仍造成額外時(shí)延開(kāi)銷(xiāo)，即使數(shù)據(jù)封包能夠被接收，也要耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間；文中方案通過(guò) SDN控制器的流表重定向機(jī)制，在鏈路質(zhì)量閾值觸發(fā)時(shí)，將數(shù)據(jù)流無(wú)縫遷移至目標(biāo)基站，避免了傳統(tǒng)切換中的路由收斂過(guò)程;實(shí)驗(yàn)測(cè)得整體時(shí)延維持在 1ms 以?xún)?nèi)，仿真環(huán)境下因排除物理層隨機(jī)干擾（如多徑衰落），時(shí)延絕對(duì)值雖低于實(shí)際場(chǎng)景，但橫向?qū)Ρ冉Y(jié)果仍具參考價(jià)值，證實(shí)了架構(gòu)優(yōu)化的有效性。

5 結(jié)論

針對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下的移動(dòng)性管理瓶頸，提出一種基于SDN的無(wú)縫切換優(yōu)化方案。通過(guò)引入位置感知與多接口背景掃描機(jī)制，結(jié)合控制器的全局資源調(diào)度能力，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛在基站間的平滑遷移。該方案通過(guò)流表動(dòng)態(tài)重定向與多鏈路協(xié)同傳輸，顯著降低了切換時(shí)延與業(yè)務(wù)中斷風(fēng)險(xiǎn)，且端到端通信穩(wěn)定性?xún)?yōu)于現(xiàn)有 SDN優(yōu)化方案。此外，結(jié)合基站位置固定這一實(shí)際特性，控制器能夠精確掌控車(chē)輛與基站的相對(duì)位置，從而為車(chē)輛快速選取合適的基站進(jìn)行切換，進(jìn)一步提高了切換效率。

研究結(jié)果表明，SDN架構(gòu)與終端多接口特性的深度融合能夠提升傳統(tǒng)移動(dòng)性管理框架的性能，相較于其他方案，文中方案在時(shí)延和切換效率上具有顯著優(yōu)勢(shì)。未來(lái)工作將重點(diǎn)探索異構(gòu)操作系統(tǒng)適配性?xún)?yōu)化，并進(jìn)一步引入學(xué)習(xí)算法以提升復(fù)雜交通場(chǎng)景下的決策魯棒性。

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（責(zé)任編輯：錢(qián)筠 英文審校：陳婧）