SDN架构下异构车联网移动性管理机制研究

In vehicular networks, mobile nodes travel with a high velocity and change their moving directions frequently, which results in frequent network handovers and even connection interruptions finally. In addition, the handover scenarios of mobile nodes in vehicular networks are complex, the handover performance gets decreased, and the end-to-end data transmission efficiency is lowered after handovers, which significantly degrades the quality of service of multimedia services. In order to address the aforementioned issues, this project adopts the software defined network paradigm that splits the control plane and data plane, and separates the mobility management function from the data forwarding function. A mobile node utilizes the network resource utilization information from the controller to make the handover decision, and chooses the optimal destination network, which guarantees the quality of service of multimedia services and optimize the network resource utilization. Based on that, a universal IP mobility management proposal is designed to adapt to the complex handover scenario in vehicular networks, which lowers the handover delay, reduces signaling overhead and packet loss rate. With the maintained network topology information, the controller computes the optimal forwarding route after the handover of a mobile node, which avoids triangle route and reduces the end-to-end delay. By the aforementioned steps, we realize the intelligent, seamless, efficient mobility management in heterogeneous vehicular networks.

车联网中移动节点高速移动，运行方向变化频繁，从而造成频繁的网络切换甚至网络连接中断。此外，车联网中移动节点切换场景复杂，网络切换性能不高，切换后端到端数据传输效率低下，从而严重降低多媒体业务服务质量（Quality of Service, QoS）。针对上述问题，课题基于软件定义网络（Software Defined Network, SDN）架构下划分控制平面与数据平面的理念，将移动性管理功能与数据转发功能分离。移动节点利用控制器掌握的全局性网络资源信息进行切换决策，选择最优目的网络，在保障QoS同时优化网络资源利用；在此基础上，建立统一的IP移动性管理协议以适应复杂的车联网切换场景，降低切换延迟、减小信令开销和数据丢包率。此外，控制器端通过网络拓扑信息为移动节点切换后提供最优的数据转发路径，避免三角路由、减小传输延迟。最终实现全网内智能的、无缝的、高效的异构车联网移动性管理。

车载通信环境中移动节点高速移动，运行方向变化频繁，从而造成频繁的网络切换或者网络连接中断。此外，车联网中单一无线网络的频率资源无法满足日益增长的业务量需求，且一般无法实现大范围无缝覆盖。无缝切能够换保证网络连接的连续性，并且保障多媒体业务的服务质量（Quality of Service, QoS）。本项目考虑车载通信环境的特殊性、复杂性、网络服务QoS需求的多样性基础上，充分利用SDN控制平面和数据平面分离带来的优势，高效地解决了IP移动性管理协议设计、网络切换决策、路径优化等难点问题。. 首先，课题考虑车载通信环境的特殊性，充分利用SDN控制平面和数据平面分离带来的优势，针对MR-MR、MR-MAG、MAG-MR和MAG-MAG等不同的切换模式，设计了不同的信令操作流程，最终构建无缝的、透明的、高效的、统一的车联网移动性管理协议。. 其次，课题提出了基于马尔科夫决策过程的GM(1,1)-Markov垂直切换判决算法，并且利用OpenFlow控制器的北向接口为业务应用系统提供的API编程实现该垂直切换算法。该算法部署在OpenFlow控制器上，能够充分利用OpenFlow控制器的特性，通过高效而稳定的垂直切换判决方法，从而能够高效性和稳定性能有效降低切换时延，减少“乒乓效应”现象。. 最后，课题提出了一种基于SDN的路径优化策略，该策略考虑到切换侯经由之前接入点转发的非最优传输路径问题，通过预先评估移动节点在n-ES信号覆盖范围内停留时间、下行数据通信总量、迁移至最优路径后的通信链路性能提升、传输路径上交换机缓存流表的系统开销，以及迁移至最优路径过程中产生的信令开销等，权衡将流量迁移之后所带来的性能增益来决定，从而大幅度提高系统性能。