基于網(wǎng)絡(luò)編碼的車聯(lián)網(wǎng)商業(yè)應(yīng)用時延控制方案*

王英彥，曾　瑞

(義烏工商學(xué)院 機(jī)電信息分院，浙江 義烏 322000)

基于網(wǎng)絡(luò)編碼的車聯(lián)網(wǎng)商業(yè)應(yīng)用時延控制方案*

王英彥，曾瑞

(義烏工商學(xué)院 機(jī)電信息分院，浙江 義烏 322000)

網(wǎng)絡(luò)編碼被認(rèn)為是改善網(wǎng)絡(luò)性能的新興技術(shù)。在車聯(lián)網(wǎng)VANETs中，帶寬被認(rèn)為是最重要的網(wǎng)絡(luò)資源。為此，利用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)提高VANETs中非安全應(yīng)用的帶寬利用率。當(dāng)兩個源節(jié)點(diǎn)同時向同一區(qū)域廣播數(shù)據(jù)時，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)(Relay)就利用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)降低重播次數(shù)和帶寬消耗。當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)Relay接收到數(shù)據(jù)包時,它有兩個選擇：等待編碼機(jī)會，節(jié)省帶寬；或直接發(fā)送數(shù)據(jù)包，降低時延。針對這兩個選擇，提出了兩個不同的時延控制方案，分別命名為緩沖區(qū)域控制方案BSCS和時間控制方案TCS，用于降低數(shù)據(jù)包每一跳的時延和提高帶寬利用率。仿真結(jié)果表明，兩個方案能較好地控制時延，且?guī)捓寐侍岣吡?8%。

車聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)編碼；商業(yè)應(yīng)用；時延

0　引言

車聯(lián)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。其中，安全應(yīng)用與道路安全相關(guān)，目的在于保護(hù)道路上行駛?cè)藛T的安全。這也是推行VANETs技術(shù)發(fā)展的最根本動力。然而，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)的商業(yè)應(yīng)用也相繼提出，如廣告、促銷等通知類消息以及天氣預(yù)報等［1］。

商業(yè)應(yīng)用與安全應(yīng)用最主要的區(qū)別在于它們對于消息響應(yīng)時間要求。顯然，安全應(yīng)用有很苛刻的時間要求，而商業(yè)應(yīng)用對時間要求相對寬松［2-3］。但是，商業(yè)應(yīng)用需要更寬的帶寬。例如，兩類商家RSU1和 RSU2，RSU1為旅館廣告，宣傳促銷信息；而RSU2為加油站，提供營業(yè)時間以及價格。這兩個應(yīng)用的對象均是道路上的行駛者，即它們有共同的興趣區(qū)域。興趣區(qū)域由一跳或多跳長的道路區(qū)域構(gòu)成，均在RSU1和RSU2的覆蓋區(qū)域內(nèi)［4］。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)包被重播次數(shù)成為需要解決的問題。

網(wǎng)絡(luò)編碼是提高帶寬利用率的有效技術(shù)之一［5］。網(wǎng)絡(luò)編碼允許轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的操作，進(jìn)而降低重轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)包數(shù)。典型的網(wǎng)絡(luò)編碼如圖1所示。假定節(jié)點(diǎn)X需要向節(jié)點(diǎn)Z轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包P0，而節(jié)點(diǎn)Z正在向節(jié)點(diǎn)X轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包P1，則節(jié)點(diǎn)Y需要向節(jié)點(diǎn)X和Z轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。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)的數(shù)據(jù)包P0、P1進(jìn)行或操作，然后向 X、Z轉(zhuǎn)發(fā)。X、Z節(jié)點(diǎn)接收被編碼后的數(shù)據(jù)包后進(jìn)行或操作，就能恢復(fù)原來的數(shù)據(jù)包。通過簡單的網(wǎng)絡(luò)編碼，帶寬利用率提高了50%。

針對商業(yè)場景，若來自兩個消息源的數(shù)據(jù)包被同一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，則在轉(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稱性。由于數(shù)據(jù)包到達(dá)時間的隨機(jī)性，來自不同源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包不可能同時到達(dá)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。因此，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)接收了一個數(shù)據(jù)包后有兩種處理方式。第一種，若需要編碼，它需要等待一段時間，直到接到另一個數(shù)據(jù)包；第二種，不進(jìn)行編碼，直接轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，降低了時延。顯然，若采用第一種方式，等待時間增加了數(shù)據(jù)包傳輸時延，多數(shù)應(yīng)用是難以接受的。

在VANETs中，為了提高帶寬利用率，需要降低重傳的數(shù)據(jù)包數(shù)。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)接收了一個數(shù)據(jù)包后，它面臨一個主要問題：是直接轉(zhuǎn)播數(shù)據(jù)，降低時延；還是等待接收到其他數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行編碼，提高帶寬利用率。

本文以VANETs的多媒體安全數(shù)據(jù)傳輸問題為研究對象，假定的研究場景：同一個道路兩端有兩個源節(jié)點(diǎn)，兩個源節(jié)點(diǎn)之間具有N跳興趣區(qū)域。首先，為了獲取最優(yōu)的吞吐量和降低網(wǎng)絡(luò)堵塞，從兩種不同的角度提出兩個不同的方案，分別為緩沖區(qū)域控制方案BSCS(Buffer Size Control Scheme)和時間控制方案TCS(Time Control Scheme)。BSCS方案是從緩沖區(qū)域大小控制因編碼所帶來的額外時延，而TCS方案是通過設(shè)定定時器來控制額外時延。最后，通過仿真分析了兩個方案的性能。

圖1　網(wǎng)絡(luò)編碼示例

1　時延控制方案

考慮兩個源節(jié)點(diǎn)(RSU1、RSU2)，并且假定RSU1的傳輸速率快于RSU2。每個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)有緩存區(qū)域，能夠儲存數(shù)據(jù)包。當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)從快的源節(jié)點(diǎn)（RSU1）接收了數(shù)據(jù)包Packet，就查詢緩存區(qū)域。如果區(qū)域不是空的，那么將剛接收的數(shù)據(jù)包與緩存域單元內(nèi)的第一個數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼。反之，若緩存區(qū)域是空的，則立即轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包Packet。

然而，如果是從慢的源節(jié)點(diǎn)（RSU2）接收了數(shù)據(jù)包Packet，那么轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)既可等待機(jī)會進(jìn)行編碼或立即轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包 Packet。針對這兩個選擇，提出兩個不同的方案。這兩個方案是從不同的角度控制因網(wǎng)絡(luò)編碼所帶來的額外時延。換而言之，權(quán)衡轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)包不編碼直接轉(zhuǎn)發(fā)與對數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼兩個選擇的性能。

1.1BSCS方案

BSCS方案的目的在于通過控制緩存區(qū)大小，降低時延。通常，隊(duì)列內(nèi)數(shù)據(jù)包數(shù)越多，每個數(shù)據(jù)包的時延就長［6］。為此，在 BSCS方案中，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)依據(jù)隊(duì)列內(nèi)數(shù)據(jù)包的個數(shù)決定是否儲存數(shù)據(jù)包。換而言之，儲存一個數(shù)據(jù)包的概率p與當(dāng)時隊(duì)列的大小成正比。

其中ω表示隊(duì)列的大小。

然而，若這樣簡單的操作，會導(dǎo)致最新到達(dá)的數(shù)據(jù)包被立即轉(zhuǎn)發(fā)，而之前的數(shù)據(jù)包仍在隊(duì)列內(nèi)等待編碼機(jī)會。這就顛倒了數(shù)據(jù)包次序，加大了隊(duì)列內(nèi)的數(shù)據(jù)包的時延。因此，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)以概率p對新接收的數(shù)據(jù)包編入隊(duì)列，而以概率1－p釋放隊(duì)列內(nèi)的第一個數(shù)據(jù)包。

1.2時限方案TLS

盡管商業(yè)應(yīng)用對消息的傳輸沒有嚴(yán)格的時間要求，但長的傳輸時延也是難以接受的［7］。因此，從時延角度設(shè)定TLS方案。轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)將自慢速率源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包緩存于隊(duì)列中，且保留于隊(duì)列中的時間不超過 Tmax。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)從源節(jié)點(diǎn)接收了一個數(shù)據(jù)包，直接緩存于隊(duì)列，并設(shè)置一個定時器，定時時長為 Tmax。在定時器計(jì)時完畢后，若該數(shù)據(jù)仍在隊(duì)列中，則立即轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)，且不進(jìn)行編碼。

2　性能分析

2.1仿真場景

利用NS3進(jìn)行模擬仿真，仿真參數(shù)如表1所示。兩個源節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，且產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的間隔服從泊松分布，即利用泊松分布計(jì)算兩個相鄰數(shù)據(jù)包之間的間隔［8-9］。在仿真過程中，假定 λ2=1 packet/s,而 λ1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)分布于長為4 000 m的雙向車道，20 s后，兩個源節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)包。

表1　仿真參數(shù)

在仿真過程中，分析兩個方案的平均每跳時延、數(shù)據(jù)包傳輸率以及未編碼數(shù)據(jù)包數(shù)。其中，未編碼數(shù)據(jù)包數(shù)表示在所接收的編碼數(shù)據(jù)包中因各種原因而不能解碼的數(shù)據(jù)包。同時考慮兩種場景：靜態(tài)的源節(jié)點(diǎn)和動態(tài)移動的源節(jié)點(diǎn)。

兩個方案的目的在于提高帶寬利用率，并控制因編碼所導(dǎo)致的時延。因此，選擇跳時延、帶寬節(jié)省率、數(shù)據(jù)包傳遞率和未解碼的數(shù)據(jù)包個數(shù)作為評估方案的性能指標(biāo)。其中，跳時延為數(shù)據(jù)包在傳輸過程中每跳的平均時延；數(shù)據(jù)包傳遞率表示數(shù)據(jù)包被成功傳輸?shù)膸茁?，?shù)值等于節(jié)點(diǎn)所收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)與兩個源節(jié)點(diǎn)所廣播的數(shù)據(jù)包數(shù)之比。而未解碼的數(shù)據(jù)包個數(shù)表示節(jié)點(diǎn)收到已編碼數(shù)據(jù)包后而不能解碼的數(shù)據(jù)包個數(shù)。

為了更好地分析BSCS、TCS方案性能，選擇一個參照方案進(jìn)行對比分析，其中參照方案是指：轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)對所有數(shù)據(jù)包均進(jìn)行編碼再轉(zhuǎn)發(fā)，不考慮兩個源節(jié)點(diǎn)的傳輸速度率，也不控制編碼時延［7］。在仿真中，將參照方案記為純網(wǎng)絡(luò)編碼，記為PNC(Pure Network Code)。

2.2Tmax參數(shù)

為了確認(rèn)TCS方案的Tmax參數(shù)，評估了它對吞吐量的影響，如圖2所示。從圖可知，隨著 Tmax的增加，帶寬節(jié)省率也隨之增加，這有利于針對不同應(yīng)用要求調(diào)整 Tmax。當(dāng) Tmax=0.3時，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2　TCS方案隨Tmax的變化曲線

2.3數(shù)值分析

(1)時延

當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)移動時，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)動態(tài)的特性影響了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。從圖3(b)可知，PNC方案的時延波嚴(yán)重，但是BSCS方案和TCS方案時延均低于PNC。這也進(jìn)一步說明，BSCS和 TCS方案能夠有效地控制因編碼所帶來的時延。

圖3　每跳傳輸時延

(2)帶寬節(jié)省率

(3)數(shù)據(jù)包傳遞率

圖5描述了平均數(shù)據(jù)包傳遞率隨λ1變化曲線。圖5比較了靜態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和動態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)兩種情況下的平均數(shù)據(jù)包傳遞率，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態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)環(huán)境。此外，在動態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)環(huán)境下，當(dāng)λ1小于1.5時，PNC的數(shù)據(jù)包傳遞率最低，并且隨著λ1的增加，數(shù)據(jù)包傳遞率慢慢上升，且略優(yōu)于BSCS方案。

3　總結(jié)

車聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)應(yīng)用是由兩個源節(jié)點(diǎn)向同一個興趣區(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延，提出BSCS和TCS方案。BSCS方案從控制緩存區(qū)域大小角度控制時延，而TCS方案采用定時器原則。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TCS方案更能有效地控制時延，在時延控制方面優(yōu)于BSCS方案。

圖4　吞吐量的提高

圖5　數(shù)據(jù)包傳遞率

［1］HARRI J，F(xiàn)IORE M，F(xiàn)ILALI F，et al.Vehicular mobility simulation with VanetMobiSim［J］.Simulation，2011，87(4)：275-300.

［2］JARUPAN B，EKICI E.PROMPT：A cross-layer positionbased communication protocol for delay-aware vehicular access networks［J］.Ad Hoc Networks，2010，8(5)：489-505.

［3］LA R，SEO E.Expected routing overhead for location service in MANETs under flat geographic routing［J］.IEEE Trans.Mobile Comput.，2011，10(3)：434-448.

［4］CHEN J W.A vote-based position verification method in VANET［J］.Communications Technology，2012，11(54)：50-55.

［5］熊飚，張小橋.VANET網(wǎng)絡(luò)中小尺度衰落信道仿真［J］.通信技術(shù)，2010，43(12)：56-57.

［5］ZENG Y，XIANG K，LI D，et al.Directional routing and scheduling for green vehicular delay tolerant networks［J］.Wireless Networks，2013，19(2)：161-173.

［6］HAMATO S，ARIFFIN S，F(xiàn)ISAL N.Contention free time efficient broadcasting protocol for safety applications in VANETs［J］.International Review on Computers and Software，2014，9(11)：1923-1931.

［7］AHMED S A M，ARIFFIN S H S，F(xiàn)ISAL N.Survey on broadcasting in VANET［J］.Research Journal of Applied Sciences，Engineering and Technology，2014，7(18)：23-32.

［8］LI M，YANG Z，LOU W.Code on：cooperative popular content distribution for vehicular networks using symbol level network coding［J］.IEEE Journal.Sel.A.Commun.，2011，29 (1)：223-235.

［9］ZHOU L，CHAO H C，VASILAKOS A V，et al.Joint forensics-scheduling strategy for delay-sensitive multimedia applications over heterogeneous networks［J］.IEEE Journal.Selected Areas in Communications，2011，29(7)：1358-1367.

Controlling delay scheme for VANETs business application based on network coding

Wang Yingyan，Zeng Rui
(School of Electro-Mechanical and Information Technology，Yiwu Industrial&Commercial College，Yiwu 322000，China)

Network coding is an emerging technique known to improve the network performance in many aspects.In Vehicular Adhoc Networks(VANET),the bandwidth is considered to be one of the most important network resources.This paper proposes a network coding technique to improve the bandwidth utilization for non-safety applications in VANET.In a scenario where there are two sources broadcasting the data into the same area at the same time,the relay will use the network coding technique to decrease the number of rebroadcasting events and the consumption of the bandwidth.However,a fundamental problem for the relay when it receives a packet,is whether to wait for a coding opportunity and save the bandwidth or send the packet directly and reduce the delay.In order to address such tradeoff,we introduce two versions of our protocol,named buffer size control scheme(BSCS)and time control scheme(TCS).By both versions we aim to control the delay that is experienced by the packet at each hop,while achieving better bandwidth utilization.Up to 38%improvement in the bandwidth utilization has been recorded,and both schemes have shown a considerable amount of control on the imposed delay.

VANETs；network coding；business application；delay

TN926

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.025

浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目（2015C31171）；全國教育信息技術(shù)研究“十二五”規(guī)劃課題(136241559，146241806)

2015-11-07)

王英彥（1981－），女，碩士，講師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)算法、人工智能。

曾瑞（1981－)，通信作者，男，碩士，副教授，主要研究方向：深度學(xué)習(xí)、模式識別與控制，E-mail：wang_yanyan19@sohu.com。

中文引用格式：王英彥，曾瑞.基于網(wǎng)絡(luò)編碼的車聯(lián)網(wǎng)商業(yè)應(yīng)用時延控制方案［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(4)：88-91.

英文引用格式：Wang Yingyan，Zeng Rui.Controlling delay scheme for VANETs business application based on network coding［J］.Application of Electronic Technique，2016，42(4)：88-91.