0 引言

　　車載網(wǎng)VANETs(Vehicle Ad hoc Networks)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)智能交通最有前景的技術(shù)之一[1-3]。在VANETs中，道路上的車輛組成分布式網(wǎng)絡(luò)，車輛與車輛進(jìn)行通信，并交互信息，為此，VANETs在各類應(yīng)用中得到廣泛使用，包括輔助駕駛類、信息共享類以及商務(wù)娛樂(lè)類。然而，部署車聯(lián)網(wǎng)VANET的根本目的在于提高交通應(yīng)用，但隨著無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，VANET在輔助駕駛、信息共享和商務(wù)方面廣泛應(yīng)用，包括廣告、促銷等通知類消息以及天氣預(yù)報(bào)等[1]。

　　商業(yè)應(yīng)用與安全應(yīng)用的最主要區(qū)別在于它們對(duì)于消息響應(yīng)時(shí)間的要求。顯然，安全應(yīng)用有很苛刻的時(shí)間要求，而商業(yè)應(yīng)用對(duì)時(shí)間要求相對(duì)寬裕[2-3]。但是，商業(yè)應(yīng)用需要更寬的帶寬。

　　例如，酒店和加油站兩個(gè)商家都向道路行駛?cè)藛T傳輸各自商業(yè)信息。酒店分為促銷信息，而加油站宣稱營(yíng)業(yè)時(shí)間以及實(shí)時(shí)優(yōu)惠油價(jià)。這兩個(gè)商家服務(wù)的對(duì)象均是道路上的行駛者，即它們有共同的興趣區(qū)域。在這種情況下，提高帶寬利用率、減少網(wǎng)絡(luò)堵塞以及降低數(shù)據(jù)包被重播的次數(shù)成為需要解決的問(wèn)題。

　　網(wǎng)絡(luò)編碼是提高帶寬利用率的有效技術(shù)之一[4]。網(wǎng)絡(luò)編碼允許轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作，進(jìn)而降低重轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)包數(shù)。網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)受到廣泛關(guān)注。NGUYEN D等[5]分析了網(wǎng)絡(luò)編碼在單跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用特性。隨后，LI L等[6]提出基于網(wǎng)絡(luò)編碼的廣播協(xié)議。在多跳網(wǎng)絡(luò)中，利用鄰居節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作提高網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，但是文獻(xiàn)[5-6]并沒(méi)有考慮這點(diǎn)。此外，文獻(xiàn)[7]提出面向VANET的基于秩的網(wǎng)絡(luò)編碼算法。節(jié)點(diǎn)依據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)接收狀態(tài)，自適應(yīng)地向網(wǎng)絡(luò)輸入數(shù)據(jù)包。而文獻(xiàn)[8]也提出隨機(jī)編碼方案。然而，這些基于網(wǎng)絡(luò)編碼方案并不是針對(duì)多跳廣播應(yīng)用，它們均沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作性。

　　為了提高帶寬利用率，在消息轉(zhuǎn)發(fā)前對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼。然而，網(wǎng)絡(luò)編碼會(huì)額外增加消息傳輸時(shí)延。這就存在帶寬利用率和傳輸時(shí)延的權(quán)衡問(wèn)題。即當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)接收了一條消息后，它面臨一個(gè)主要問(wèn)題：是直接轉(zhuǎn)發(fā)消息，降低時(shí)延，還是等待接收到其他消息，然后進(jìn)行編碼，提高帶寬利用率。為此，本文以VANETs的商業(yè)消息傳輸為研究對(duì)象，考慮兩個(gè)商家具有多跳共同的興趣區(qū)域，它們均分道路車輛分發(fā)消息，為了提高帶寬利率和降低傳輸時(shí)延，提出面向帶寬和基于網(wǎng)絡(luò)編碼時(shí)延的消息傳輸協(xié)議(Bandwidth and Delay-Network Coding，BDNC)。

1 系統(tǒng)模型及問(wèn)題描述

　　以圖1為研究場(chǎng)景，兩個(gè)商家分別位于道路兩側(cè)，它們服務(wù)對(duì)象是由一跳或多跳長(zhǎng)的道路區(qū)域構(gòu)成，均在這兩個(gè)商家信號(hào)覆蓋區(qū)域內(nèi)[9]。

圖1  VANETs的商用場(chǎng)景模型

　　考慮兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)(RSU1、RSU2)代表兩個(gè)商家，并且假定RSU1的傳輸速率快于RSU2。每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)有緩存區(qū)域，能夠儲(chǔ)存消息。若來(lái)自兩個(gè)商家的消息包被同一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，那在轉(zhuǎn)發(fā)前，采用網(wǎng)絡(luò)編碼，提高帶寬利用率。然而，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)具有隨機(jī)性和交通流量的不對(duì)稱性。由于消息到達(dá)時(shí)間的隨機(jī)性，來(lái)自不同商家的消息不可能同時(shí)到達(dá)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。因此，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)接收了一個(gè)消息后有兩種處理方式：(1)若需要編碼，它需要等待一段時(shí)間，直到接收到另一條消息；(2)不進(jìn)行編碼，直接轉(zhuǎn)發(fā)消息，降低了時(shí)延。顯然，若采用第一種方式，等待時(shí)間增加了消息傳輸時(shí)延，多數(shù)應(yīng)用是難以接受的。

　　當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)從快的源節(jié)點(diǎn)(RSU1)接收了消息Mes，則查詢緩存區(qū)域。如果區(qū)域不是空的，那么將剛接收的消息Mes與緩存域單元內(nèi)的第一個(gè)消息Mes進(jìn)行編碼。反之，若緩存區(qū)域是空的，則立即轉(zhuǎn)發(fā)消息Mes。

　　然而，如果是從慢的源節(jié)點(diǎn)(RSU2)接收了消息Mes，那么轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)可等待機(jī)會(huì)進(jìn)行編碼或立即轉(zhuǎn)發(fā)消息Mes。

　　為此，提出BDNC協(xié)議，并考慮兩種策略降低因網(wǎng)絡(luò)編碼所增加的額外時(shí)延，即緩沖區(qū)域控制(Buffer Size Control，BSC)和時(shí)間控制(Time Control，TC)兩種策略。BSC策略是通過(guò)控制緩沖區(qū)域大小降低因編碼所帶來(lái)的額外時(shí)延，而TC策略是通過(guò)設(shè)定定時(shí)器來(lái)控制時(shí)延。

2 BDNC協(xié)議

　　2.1 編碼規(guī)則

　　采用簡(jiǎn)單的基于或操作網(wǎng)絡(luò)編碼規(guī)則，如圖2所示。節(jié)點(diǎn)X需要向節(jié)點(diǎn)Z轉(zhuǎn)發(fā)消息包P0，而節(jié)點(diǎn)Z正在向節(jié)點(diǎn)X轉(zhuǎn)發(fā)消息包P1。那么，節(jié)點(diǎn)Y需要向節(jié)點(diǎn)X和Z轉(zhuǎn)發(fā)消息。傳統(tǒng)路由中，節(jié)點(diǎn)Y分別向節(jié)點(diǎn)X、Z轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。若使用網(wǎng)絡(luò)編碼，節(jié)點(diǎn)Y將需要轉(zhuǎn)發(fā)的消息包P0、P1進(jìn)行或操作，然后向X、Z轉(zhuǎn)發(fā)。X、Z節(jié)點(diǎn)接收被編碼后的消息包后，進(jìn)行或操作，就能恢復(fù)原來(lái)的消息包。通過(guò)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)編碼，帶寬利用率提高了50%。

圖2  網(wǎng)絡(luò)編碼示例

　　2.2 BSC策略

　　BSC策略目的在于通過(guò)控制緩存區(qū)大小，降低時(shí)延。通常，隊(duì)列內(nèi)消息數(shù)越多，每條消息的時(shí)延就長(zhǎng)[10]。為此，在BSC策略中，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)依據(jù)隊(duì)列內(nèi)消息的條數(shù)決定是否儲(chǔ)存消息。換而言之，儲(chǔ)存的概率p與當(dāng)時(shí)隊(duì)列的大小成正比。

　　其中表示隊(duì)列的大小。

　　然而，這樣簡(jiǎn)單的操作會(huì)導(dǎo)致最新到達(dá)的消息被立即轉(zhuǎn)發(fā)，而之前的消息仍在隊(duì)列內(nèi)等待編碼機(jī)會(huì)。這就顛倒了消息次序，加大了隊(duì)列內(nèi)的消息時(shí)延。因此，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)以概率p對(duì)新接收的消息編入隊(duì)列，而以概率1－p釋放隊(duì)列內(nèi)的第一條消息。

　　2.3 TC策略

　　盡管商業(yè)應(yīng)用對(duì)消息的傳輸沒(méi)有嚴(yán)厲的時(shí)間要求，但長(zhǎng)的傳輸時(shí)延也是難以接受的[11]。因此，從時(shí)延角度選擇TC策略。轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)將來(lái)自慢速率源節(jié)點(diǎn)的消息緩存于隊(duì)列中，且保留于隊(duì)列中的時(shí)間不超過(guò)Tmax。當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)從源節(jié)點(diǎn)接收了一條消息，直接緩存于隊(duì)列，并設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)時(shí)長(zhǎng)為Tmax。在定時(shí)器計(jì)時(shí)完畢后，若該條消息仍在隊(duì)列中，則立即轉(zhuǎn)發(fā)消息，且不進(jìn)行編碼。

　　2.4 消息傳輸流程

　　提出的BDNC協(xié)議流程如圖3所示，當(dāng)一旦接收了新的消息，就判斷是否來(lái)自快節(jié)點(diǎn)，若是就進(jìn)一步判斷緩存區(qū)域是否為空，若是就直接轉(zhuǎn)發(fā)，否則就與區(qū)域內(nèi)第一條消息進(jìn)行或編碼，再轉(zhuǎn)發(fā)已編碼的消息。如果是來(lái)自慢節(jié)點(diǎn)，有兩種選擇，一種是采用BSC策略，另一種是TC策略。

圖3  BDNC協(xié)議消息傳輸流程圖

3 性能分析

　　3.1 仿真場(chǎng)景

　　考慮圖1所示的仿真場(chǎng)景，利用NS3進(jìn)行模擬仿真，仿真參數(shù)如表1所示。兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地產(chǎn)生消息，且產(chǎn)生消息的間隔服從泊松分布，即利用泊松分布計(jì)算兩條相鄰消息之間的間隔[12-13]。在仿真過(guò)程中，假定 而是變化的。而車輛的速度從36～54 km/h變化。在仿真初期，250輛車隨機(jī)分布于長(zhǎng)為4 km的雙向車道，20 s后，兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送消息包。

　　在仿真過(guò)程中，分析兩個(gè)不同策略的平均每跳時(shí)延、消息傳輸成功率以及未編碼消息數(shù)。其中，未編碼消息條數(shù)表示在所接收的已編碼消息中因各種原因，不能解碼的消息數(shù)。

　　兩個(gè)策略目的在于提高帶寬利用率，并控制因編碼所導(dǎo)致的時(shí)延。因此，選擇每跳時(shí)延、帶寬節(jié)省率、消息傳輸成功率和未解碼的消息條數(shù)作為評(píng)估協(xié)議的性能指標(biāo)。其中，每跳時(shí)延表示消息在傳輸過(guò)程中每跳的平均時(shí)延；消息傳輸成功率表示消息被成功傳輸?shù)膸茁剩瑪?shù)值等于節(jié)點(diǎn)所收到的消息條數(shù)與兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)所廣播的消息數(shù)之比；而未解碼的消息數(shù)表示節(jié)點(diǎn)收到已編碼消息后而不能解碼的消息條數(shù)。

　　為了更好地分析BSC、TC策略性能，選擇一個(gè)參照策略進(jìn)行對(duì)比分析，其中參照策略是指：轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)對(duì)所有消息均進(jìn)行編碼再轉(zhuǎn)發(fā)，不考慮兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)的傳輸速度率，也不控制編碼時(shí)延[10]。在仿真中，將參照方案記為純網(wǎng)絡(luò)編碼(Pure Network Code，PNC)。

　　此外，在仿真過(guò)程中，同時(shí)考慮兩種場(chǎng)景：靜態(tài)的源節(jié)點(diǎn)和動(dòng)態(tài)移動(dòng)的源節(jié)點(diǎn)，在下列仿真圖中標(biāo)記為Staionary和Mobile。將基于BSC策略、TC策略的BDNC協(xié)議分別記為BDNC-BSC、BDNC-TC。

　　3.2 Tmax參數(shù)

　　為了確認(rèn)TC策略的Tmax參數(shù)，評(píng)估了它對(duì)吞吐量的影響，如圖4所示。從圖可知，隨著Tmax的增加，帶寬節(jié)省率也隨之增加，這有利于更合適地設(shè)置Tmax。當(dāng)Tmax=0.3時(shí)，帶寬節(jié)省率增加緩慢，為此，在下面仿真中，設(shè)定Tmax=0.3。

圖4  BDNC-TC的帶寬節(jié)省率隨Tmax的變化曲線

　　3.3 數(shù)值分析

　　3.3.1 時(shí)延

　　圖5顯示了由源節(jié)點(diǎn)RSU2發(fā)送的消息每跳的平均傳輸時(shí)延，其中圖5(a)表示靜態(tài)的源節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景，而圖5(b)表示動(dòng)態(tài)的源節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景。從圖中可知，在=1 packet/s時(shí), PNC策略會(huì)導(dǎo)致大的時(shí)延，而B(niǎo)SC和TC策略有效地控制了時(shí)延。隨著的增加，BSC和PNC時(shí)延下降。當(dāng)=1.5時(shí)，BSC和PNC策略的時(shí)延分別為1 s、2 s。而當(dāng)=2.5時(shí)，這兩個(gè)策略的時(shí)延約為0.75 s。原因在于是反映隊(duì)列的釋放數(shù)據(jù)概率，隨著的增加，隊(duì)列的平均時(shí)延就下降。此外，TC策略的時(shí)延最低，若從時(shí)延角度，TC策略是不錯(cuò)的選擇，TC策略的時(shí)延維持在0.3 s，與Tmax持平。

　　當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)的特性影響了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。從圖5(b)可知，PNC方案的時(shí)延波嚴(yán)重，但是BSCS方案和TCS方案時(shí)延均低于PNC。這也進(jìn)一步說(shuō)明，BSCS和TCS方案能夠有效地控制因編碼所帶來(lái)的時(shí)延。

(a)靜態(tài)場(chǎng)景

(b)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景

圖5  基于3種不同策略的BDNC協(xié)議每跳傳輸時(shí)延

　　3.3.2 帶寬節(jié)省率

　　從圖6(a)可知，當(dāng)=1時(shí)，NC方案的帶寬節(jié)省率近50%，但是這是以高的時(shí)延為代價(jià)的（見(jiàn)圖5(a)）。而B(niǎo)SCS方案的帶寬節(jié)省率了近28%，遠(yuǎn)優(yōu)于TCS方案的13%。然而，隨著的增加，NC和BSCS方案的性能帶寬節(jié)省率性能相近，且緩慢下降。而TCS方案的帶寬節(jié)省率的改善幾乎不隨變化而波動(dòng)，趨于常數(shù)，原因在于TCS方案采用了固定的編碼概率。

(a)靜態(tài)場(chǎng)景

(b)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景

圖6  基于3種不同策略的BDNC協(xié)議帶寬節(jié)省率

　　3.3.3 消息傳輸成功率

　　圖7描述了平均消息傳輸成功率隨變化曲線。圖7比較了靜態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)兩種情況下的平均消息傳輸成功率，從圖中可知，靜態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)有利于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，平均數(shù)據(jù)包傳遞率明顯高于動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)環(huán)境。此外，在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)環(huán)境下，當(dāng)<1.5時(shí)，PNC的消息傳輸成功率最低，并且隨著?姿1的增加，消息傳輸成功率慢慢上升，且略優(yōu)于BSC策略。

圖7  基于3種不同策略的BDNC協(xié)議的消息傳輸成功率

　　3.3.4 未解碼的消息數(shù)

　　最后，分析了未解碼的消息條數(shù)。圖8描述了平均每個(gè)車輛不能解碼的消息條數(shù)。未解碼的數(shù)據(jù)包是指:車輛收到編碼的消息，但是由于沒(méi)有其他消息，無(wú)法解碼。這種情況多數(shù)由于車輛的移動(dòng)所引起的。從圖8可知，TCS方案的未編碼消息條數(shù)最少。隨著的增加，未編碼消息條數(shù)下降，這主要因?yàn)?img src="http://files.chinaaet.com/images/2016/12/05/6361655773094900002234090.jpg" title="QQ圖片20161205180137.jpg" alt="QQ圖片20161205180137.jpg"/>的增大，消息就不用在隊(duì)列中等待過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間，相應(yīng)地，就降低了已編碼消息不能被解碼的概率。

圖8  未編碼的消息數(shù)

4 總結(jié)

　　針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)應(yīng)用，其有兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)向同一個(gè)興趣區(qū)域傳輸數(shù)據(jù)。為了提高網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率，采用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)。為了降低因網(wǎng)絡(luò)編碼所增加的額外時(shí)延，提出BSC和TC策略。BSC策略從控制緩存區(qū)域大小角度控制時(shí)延，而TC策略采用定時(shí)器原則。仿真結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)可以有效地提高帶寬利用率，帶寬節(jié)省率高達(dá)38%；而TC策略更能有效地控制時(shí)延，在時(shí)延控制方面優(yōu)于BSC策略。

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