英语原文共 18 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
《具有增强通信、计算和缓存功能的SDN/NFV授权的未来车联网》
BY WEIHUA ZHUANG , Fellow IEEE, QIANG YE , Member IEEE, FENG LYU, Member IEEE,
NAN CHENG, Member IEEE, AND JU REN , Member IEEE
摘要丨车联网（IoV）通过先进的通信和网络技术将车辆、传感器，行人，移动设备和互联网连接，可以增加道路安全，提高道路交通管理，并支持沉浸式用户体验。然而，随着车辆和其他车联网设备数量的不断增加、更高的车辆移动性以及服务需求的多样化，使车联网的操作和管理变得棘手。软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)技术提供了潜在的解决方案，以实现灵活和自动化的网络管理、全球网络优化和高效的网络资源协调，并具有成本效益，被视为未来车联网的关键促成因素。在这篇文章中，我们提供了SDN/NFV支持的车联网的概述，其中利用SDN/NFV技术来提高车联网的性能，并支持不同的车联网场景和应用。特别地，首先介绍IoV和SDN/NFV技术。然后，对目前的研究工作进行了全面的综述，并根据SDN/NFV技术在IoV中的作用将其分为提高数据通信性能、提高计算性能和提高缓存性能三个方面。为未来的研究方向讨论了一些有待进一步研究的问题。
关键字丨边缘缓存;第五代(5G);车联网;移动边缘计算(MEC);服务质量;资源切片;软件定义网络(SDN)/网络功能虚拟化(NFV);车辆移动。
I.介绍
通信网络作为信息传播和互联网接入的基础技术，经历了从第一代(1G)系统到第五代(5G)系统的长期演进，以适应日益增长和多样化的数据通信需求。从移动数据流量前所未有的增长速度和从提高服务数据率到多维服务质量提升的需求转变来看，移动数据流量的发展趋势正变得越来越快、越来越广(如带宽、连通性、延迟和能源效率)。根据IMT-2020规范[1]，预计5G将支持三个广泛服务类别的多样化用例，即增强移动宽带(eMBB)、超可靠和低延迟通信(URLLCs)和大规模机械化通信(mMTCs)[2]。eMBB的目标是为高移动用户，如虚拟现实(VR)和增强现实(AR) 通过提供更高和更稳定的数据率实现沉浸式体验。URLLC将支持关键任务应用，如电子医疗保健和工业自动化，而mMTC提供大量物联网(IoT)设备的无缝互联。这三个5G应用类别捕获了5G甚至超过5G (B5G)网络的关键性能指标(KPIs)。
车联网(IoV)是典型的5G网络场景之一，支持不同的车辆相关应用(如安全和信息娱乐、车载传感和处理服务)，这些应用可能需要超高可靠性和低延迟数据传输、高吞吐量或大容量连接[3]。车联网需要一个先进的移动通信系统能够及时的信息共享和计算车辆和车辆和其他“东西”使用车辆-一切(V2X)通信,包括车辆-车辆(V2V)，车辆-基础设施(V2I)，车辆-行人 (V2P)和车辆-传感器(V2S)通信。在过去的十年中，许多与车辆通信相关的研究和行业标准化活动极大地推动了车联网的发展，促进了新型车辆和交通服务和应用，如实时交通感知导航、碰撞预警和信息娱乐等。更重要的是，车联网的快速发展也将自动驾驶技术带入了现实[3]。然而，车联网应用的多样化服务需求不仅要求先进的车载通信技术，而且对通信、计算和缓存资源的管理提出了重大挑战。
为了满足不同服务的不同计算需求，将计算任务卸载到云上已经成为车联网系统[4]的主导趋势。然而，由于核心网络中不断增加的数据流量负载，车辆环境中较长的计算响应延迟和不稳定的连接，使得云计算不适合支持延迟敏感和上下文敏感的计算任务。这导致了边缘计算/缓存的出现，它可以利用“接近边缘”的基础设施和设备的计算和缓存能力。例如，路边的边缘服务器、基站(BSs)和接入点(APs)。然而，边缘计算需要增加资本和运营支出(CapEx和OpEx)，以便在复杂和高度动态的车辆环境[5]中有效地管理不同类型的系统资源，并灵活地提供不同的服务。为了管理车辆对边缘服务器的访问，不断增加的车辆数量和分布式边缘服务器对通信和计算资源的分配提出了挑战，以满足各种任务需求和平衡计算资源分配。同时，由于车辆的高速移动导致网络拓扑高度动态，任务卸载需要应对不同边缘服务器之间的任务迁移，调整缓存策略以提高移动车辆[6]的预取精度。
软件定义网络(SDN)是一种新兴的、有前景的解决方案，通过解除控制平面和数据平面来简化网络层数据流量转发和优化网络层资源调度，与移动边缘计算(MEC)一起被用于构建高级车联网系统[7]。它通过一个集中控制模块(称为SDN控制器)来收集网络信息，如车辆密度、车辆位置和移动情况、支持的业务类型和流量负载、本地资源分配策略等。收集网络信息,SDN控制器可以使网络级无线电资源分配决策,访问控制策略对最终车辆和交通网络之间路由路径的配置元素,包括BSs / APs,边缘服务器,和网络交换机访问和核心网络,来提高服务质量,提高整体资源利用率。另一方面,网络功能虚拟化(NFV)提供了一个潜在的解决方案使用灵活的编程服务功能的虚拟化技术,如防火墙、域名系统(DNS),网络地址转换(NAT),和视频转码软件实例称为虚拟网络功能(VNFs)[8]边缘服务器在不增加巨大的成本。NFV可以与MEC结合，在网络边缘实现面向计算的业务发放。通过使用NFV，对计算密集型功能有不同需求的应用程序可以以低成本的方式灵活支持。SDN与NFV的集成可以实现网络级的资源分配和灵活的业务发放，从而在端到端的服务质量(QoS)保证和服务定制方面提高车联网系统的性能。
在利用这些潜在优势方面，SDN/NFV使车联网面临着技术挑战，要求从通信、计算和缓存的角度进一步研究性能增强技术。首先，由于SDN控制器需要同时拥有局部和全局的控制视图，一个挑战在于在高网络动态性的情况下，如何在没有显著信令开销的情况下将SDN应用于车联网。其次，在基于SDN/NFV的MEC中，一组VNFs需要灵活地运行在BSs附近不同位置的边缘服务器上，以平衡计算负担，提高计算效率。它带来了具有挑战性的技术问题，如如何确定边缘服务器和云服务器之间最优的卸载计算任务量，以及如何在考虑车辆移动性的情况下优化不同边缘服务器之间的任务迁移。第三，SDN/NFV的存在可以方便在网络边缘进行内容缓存，减少业务延迟，缓解回程链路堵塞。然而，要进一步研究缓存策略，来优化缓存部署，提高缓存命中率，并最小化缓存更新成本。
本文全面介绍了支持SDN/NFV的车联网的各种技术。本文的其余部分将概述车联网以及用于提高车联网服务性能的最新SDN/NFV支持技术，从可靠的实时服务和数据密集型服务到面向计算和缓存的应用程序。最后，我们还讨论了一些有待进一步研究的问题，并得出结论。
II.车联网：概述
作为5G和物联网时代汽车自组网的演变，车联网集成了新兴技术，如云/边缘计算、SDN、人工智能与传统车融合，进一步提升道路安全、效率和舒适性。在车联网中，车辆就像多传感器智能对象一样，具备通信和计算能力。车联网应该能够感知和处理车内和周围的信息，并与附近的车辆和其他物联网设备进行通信，并具有与云服务器和互联网的IP连接。车联网先进的通信和网络技术为新型车辆和运输服务和应用提供了便利。
A．架构和通信范例
车联网依靠高效、快速、可靠和低成本的通信系统来保证无所不在的网络连接。V2X通信是车联网的基本功能，可以与其他车辆、人、道路传感器、交通基础设施、物联网设备、接入网络和互联网[9]进行通信。V2X通信包括V2V、V2I、V2P和V2S等不同类型的车辆通信，通过多种无线和网络技术实现车辆与其他网络部件之间的数据传输。
专用短程通信(DSRC)和IEEE车载环境无线接入(WAVE)协议栈是V2V和V2I通信的关键使能器。IEEE 802.11p发布于2010年[10]，它指定了媒体访问控制(MAC)和波的物理层的技术细节。在DSRC中，一个显著的特点是分布式和不协调的信道访问，这是由于802.11p载波传感多址访问与冲突避免(CSMA/CA)。它避免了访问控制和资源分配的集中网络协调器的需要，因此降低了成本，提高了网络的可扩展性。然而，由于频繁的信道访问传输冲突，特别是在车辆密度高的情况下无线电资源利用率低。因此，DSRC技术适合于安全应用和轻量级的近似服务，如广告广播，而不是数据需求的应用。
蜂窝式V2X (C-V2X)是一种为车联网提供覆盖、QoS保障、降低基础设施部署成本、增强网络安全性的先进技术。最近的LTE和5G新无线(NR)蜂窝网络采用先进的无线传输技术，以提高网络容量，从而为车联网应用提供高数据速率。此外，通过集中的资源分配，如正交频分多址接入 (OFDMA)，可以保证每个车联网节点在数据速率、时延和可靠性方面的QoS，这在许多车联网服务中至关重要。国际标准组织第三代合作伙伴项目(3GPP)一直致力于C-V2X的标准化工作，并定义了其体系结构、基本功能和用例[11]。阐述了C-V2X的体系结构，讨论了两种基本的工作模式，即通过Uu接口进行传统的上行/下行通信和通过PC5接口[12]进行V2X直连通信。关于C-V2X的理论和实际性能的研究工作很多。DSRC的可靠性在较短的距离下表现较好，而LTE-V2V在较长的距离[13]下表现较好。通过在安娜堡和圣地亚哥的现场测试，对DSRC和C-V2X的传输性能指标进行了表征和比较。结果表明，C-V2X在覆盖、可靠性和干扰[14]方面优于DSRC。
虽然C-V2X通信有很高的性能，但它通常是一个昂贵的方法来支持指数增长的车联网数据流量。此外，蜂窝系统中有限的无线电资源使其容易受到网络拥塞的影响。为了降低数据服务成本，减轻蜂窝车联网数据流量的负担，提出了车载车联网的替代通信频段和通信模式，包括认知无线电(CR)、路边无线局域网(WLANs)和车载设备到设备(D2D)通信。这些车载数据卸载模式可以使用更丰富的频谱资源来提供具有成本效益的数据管道。由于主要使用无线电频谱波段、有限覆盖和车辆机动性，这些通信模式通常在时间和空间上可用，因此，被称为机会通信方法。例如，电视空白(TVWSs)被认为是一个潜在的解决方案，以适应重型车数据流量采用CR技术。在路边无线局域网中，只有当车联网终端在网络覆盖范围内时才进行通信，这取决于车速和路边无线局域网的部署情况。因此，如何有效地获取可用的频谱和通信机会，以提高车联网的网络性能是一个重要的研究课题，本文研究了CR-IoV[15]、路边WLAN流量卸载[16]和车载D2D通信[17]。
空间-空气-地面综合网络(SAGIN)是另一种有前景的解决方案，可为车联网提供无所不在的网络覆盖、普适通信和计算、可扩展的网络部署以及灵活的网络服务和管理[18]。卫星通信网可向车联网用户提供电信服务，特别是在公路或没有地面网络的农村地区。随着高通量卫星(HTSs)和低地球轨道(LEO)星座技术的进步，卫星网络可以减轻陆地蜂窝网络的沉重数据流量负担。另一类重要部件，如通信气球和无人机(UAVs)，形成了可按需部署的机载网络，为车联网提供灵活的服务。与部署超密集地面蜂窝网络[19]的解决方案相比，无人机可以根据服务需求随时间和空间的变化进行部署，作为不同业务的飞行中继、BSs或缓存单元，更加灵活和经济[20]。
随着智能交通系统(ITSs)、智慧城市、自动驾驶汽车的发展，VR/AR、自动驾驶、众包等一系列计算密集型车联网服务应运而生。为了支持这些服务，需要一个全面的云/边缘计算系统。云计算技术已经成熟，许多商业云计算服务已经可用，包括亚马逊网络服务(AWS)、阿里云(AliCloud)和微软Arezu。车联网用户可以通过多种V2I通信技术将计算密集型任务转移到云计算平台上，以降低延迟和能耗[21]。然而，云计算的延迟对于一些需要延迟的应用程序来说是不可接受的，比如自动驾驶。在这种情况下，应该使用边缘计算，计算资源部署在网络边缘，比云计算更接近IoV用户。最近，另一种新型车联网计算范式——车辆云(VC)引起了人们的广泛关注。由于联网车辆的车载计算能力日益强大，它们可以通过可靠的V2V通信形成本地云，协同执行[22]计算任务。为了减少内容检索的延迟，可以通过在边缘服务器上缓存流行内容来应用边缘缓存，从而在交付数据密集型服务时提高网络性能。图1展示了车联网系统的全面组网架构，由空间、空中和地面通信网络提供V2X通信，协同为车联网用户提供无缝、高效、安全的无线连接。采用具有边缘缓存的三层(车边云)计算系统，实现灵活、低成本的车联网服务发放。
B．车联网应用和服务
车联网的核心是广泛的应用和服务，车联网的传感技术、通信技术、网络技术和计算技术需要充分满足这些需求。下面介绍几种典型的车联网应用，表1列出并比较了它们的需求。
1) V车辆碰撞警示:碰撞警示是一项重要的道路安全应用，旨在降低车辆、道路构筑物、行人之间发生碰撞事故的风险。碰撞警告包括许多不同的用例，如前向碰撞警告、紧急车辆警告、信号违章警告和碰撞前感知预警[23]。通常采用定时和事件驱动广播的方式对附近车辆进行车辆运动状态、交通状况和潜在危险的预警。该应用对消息传递时延和可靠性要求很高，时延在50 ~ 100ms之间，最大消息传递失败率在10minus;5lt;
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[262666]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
