一種P2P加速傳輸補(bǔ)償?shù)能嚶?lián)網(wǎng)協(xié)助下載方法

張建軍, 向天天, 劉征宇

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.安全關(guān)鍵工業(yè)測(cè)控技術(shù)教育部工程研究中心,安徽 合肥 230009; 3.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

一種P2P加速傳輸補(bǔ)償?shù)能嚶?lián)網(wǎng)協(xié)助下載方法

張建軍1,2, 向天天1, 劉征宇2,3

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.安全關(guān)鍵工業(yè)測(cè)控技術(shù)教育部工程研究中心,安徽 合肥 230009; 3.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

針對(duì)公路上路側(cè)單元(road side unit,RSU)部署稀疏且通信范圍有限所導(dǎo)致的用戶在通信盲區(qū)內(nèi)無(wú)法訪問(wèn)Internet的問(wèn)題,對(duì)高速公路場(chǎng)景下的車輛在RSU覆蓋區(qū)下載數(shù)據(jù)進(jìn)行模型研究,文章提出了一種P2P加速傳輸補(bǔ)償?shù)膮f(xié)助下載方法。該方法充分利用了車輛間P2P共享傳輸和協(xié)助車輛攜帶剩余的傳輸數(shù)據(jù)來(lái)提高系統(tǒng)的吞吐量,并結(jié)合數(shù)據(jù)冗余分配算法協(xié)調(diào)車輛因車速的不穩(wěn)定性引起的丟包率過(guò)高的問(wèn)題。仿真結(jié)果表明,該方法提高了協(xié)助車輛的精確性、傳輸成功率和速率穩(wěn)定性,避免過(guò)多的選擇車輛導(dǎo)致的系統(tǒng)資源浪費(fèi);車輛攜帶冗余數(shù)據(jù)雖然占用了一些系統(tǒng)資源,但系統(tǒng)容錯(cuò)率相應(yīng)地得到了補(bǔ)償性的提高。

車載自組網(wǎng)(VANET);P2P共享傳輸;差量數(shù)據(jù);冗余分配;協(xié)助下載

隨著嵌入式技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展,車輛裝有不同的傳感器收集相關(guān)狀態(tài)信息,并通過(guò)車載通信模塊與其他車輛交換信息,從而形成移動(dòng)自組網(wǎng)(mobile ad hoc networks,MANET)的一種新應(yīng)用形態(tài)——車載自組網(wǎng)(vehicular ad hoc networks,VANET)。VANET可以實(shí)現(xiàn)車與車、車與環(huán)境、車與人之間的信息互換,能幫助實(shí)現(xiàn)車、環(huán)境、人之間的連通[1-2]。作為物聯(lián)網(wǎng)及移動(dòng)自組網(wǎng)的一個(gè)大分支,VANET成為了當(dāng)前交通領(lǐng)域及物聯(lián)網(wǎng)研究的一大熱點(diǎn),在行駛安全、交通優(yōu)化和車載娛樂(lè)等方面有著重要的作用,它是智能交通不可或缺的部分[3]。

在車聯(lián)網(wǎng)中,車輛作為一個(gè)通信節(jié)點(diǎn),可以通過(guò)電信運(yùn)營(yíng)商的3G或4G網(wǎng)絡(luò)很方便地接入互聯(lián)網(wǎng)獲取相應(yīng)的服務(wù),但是高昂的資費(fèi)和較差的服務(wù)質(zhì)量局限了這種接入方式的發(fā)展。近些年來(lái)隨著路側(cè)單元(road side unit,RSU)的大規(guī)模部署,更多的車聯(lián)網(wǎng)通信考慮的是如何利用IEEE 802.11p通信協(xié)議以及專用短程通信(dedicated short range communications,DSRC)技術(shù)將汽車通過(guò)RSU接入互聯(lián)網(wǎng),以實(shí)現(xiàn)與之進(jìn)行信息交互[4-5]。然而由于公路上車輛快速的大范圍移動(dòng)以及部署路側(cè)單元成本的制約,再加上有限的通信范圍,這種接入方式很容易存在通信盲區(qū)(blind area,BA),即車輛接收不到任何路側(cè)單元的信號(hào),從而導(dǎo)致了通信的間歇性連接[6]。當(dāng)車輛節(jié)點(diǎn)在一個(gè)RSU通信范圍內(nèi)不能完成下載請(qǐng)求時(shí),只能等待接入下一個(gè)RSU后再繼續(xù)完成下載任務(wù),這種較長(zhǎng)時(shí)間的延遲和通信的不連續(xù)帶來(lái)很差的用戶體驗(yàn),用戶很難享受實(shí)時(shí)信息交互的便捷性和娛樂(lè)性[7]。

為了解決這種較長(zhǎng)時(shí)間的延遲和通信的不連續(xù)性,國(guó)內(nèi)外研究者們提出了很多協(xié)助下載方法。文獻(xiàn)[8]中的方法主要解決協(xié)助下載中的安全問(wèn)題;文獻(xiàn)[9]只針對(duì)協(xié)助下載中車輛的自私行為提出了一種互助激勵(lì)機(jī)制;文獻(xiàn)[10]提出了一種結(jié)合位置感知的流言傳播機(jī)制的SPAWN協(xié)議,它局限于道路上的全部車輛都只能主動(dòng)請(qǐng)求下載同一網(wǎng)絡(luò)資源;文獻(xiàn)[11]提出了一種基于分簇的對(duì)向協(xié)助下載方法,利用分簇算法對(duì)公路上的車輛進(jìn)行分簇,利用分簇車輛組攜帶數(shù)據(jù),在對(duì)向行駛過(guò)程中為用戶車輛提供協(xié)助下載服務(wù),其中的簇變化快,維護(hù)簇的成本太高;文獻(xiàn)[12]提出的協(xié)助方法主要考慮了RSU部署策略,不同協(xié)助車輛選擇算法的評(píng)估以及數(shù)據(jù)分塊方案;文獻(xiàn)[13]將相鄰2個(gè)RSU之間的通信盲區(qū)分成大小不一的動(dòng)態(tài)時(shí)槽,再通過(guò)其提出的方法選出協(xié)助車輛組,在對(duì)向行駛過(guò)程中把攜帶的用戶所需數(shù)據(jù)在相遇時(shí)傳遞給目標(biāo)車輛,其中對(duì)向通信時(shí)間太短,吞吐量不夠理想。本文提出的協(xié)助下載方案主要是當(dāng)RSU內(nèi)的車輛發(fā)起資源請(qǐng)求時(shí),若所請(qǐng)求的資源已有周邊車輛下載過(guò),則依據(jù)車速、位置等信息從中選擇最佳車輛協(xié)助下載,以車輛間P2P資源共享方式實(shí)現(xiàn);若沒(méi)有,則通過(guò)RSU直接從Internet下載,如果預(yù)計(jì)在RSU內(nèi)無(wú)法完成下載任務(wù),那么同樣需要選擇協(xié)助車輛下載請(qǐng)求車輛剩余數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)助下載。本方法通過(guò)優(yōu)化RSU內(nèi)通信,削弱帶寬競(jìng)爭(zhēng),減輕系統(tǒng)負(fù)載,以此實(shí)現(xiàn)相同時(shí)間內(nèi)車輛的數(shù)據(jù)吞吐量達(dá)到最大。

1 協(xié)助下載方案

1.1 場(chǎng)景分析及建模

現(xiàn)假設(shè)每輛車均具備車-RSU和車-車無(wú)線通信能力,且每輛車的傳輸通信能力是相同的,車輛在每個(gè)時(shí)間片只能和一個(gè)協(xié)助車輛連接。公路交通狀況良好,車輛移動(dòng)時(shí)不發(fā)生交通事故或是影響車輛正常運(yùn)行的其他故障,信道條件是理想的。RSU可以根據(jù)車載用戶提出的下載請(qǐng)求在Internet上尋找相應(yīng)的數(shù)據(jù),且RSU尋找資源的能力足夠強(qiáng)[6]。

結(jié)合公路的數(shù)據(jù)通信特點(diǎn),本文將公路通信分為兩類:① RSU通信覆蓋區(qū)域。進(jìn)入到該區(qū)域的車輛節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)RSU接入 Internet,該區(qū)域覆蓋范圍為300～1 300 m;② 鏈接空洞區(qū)域。該區(qū)域中的車載節(jié)點(diǎn)與互聯(lián)網(wǎng)失去聯(lián)系,只能通過(guò) Ad hoc 鏈接與其通信半徑內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)通信。車道場(chǎng)景模型如圖1所示。

圖1 車道場(chǎng)景模型圖

每輛車進(jìn)入RSU通信范圍后都要發(fā)送交通信息注冊(cè)包進(jìn)行車輛交通信息注冊(cè),包含的關(guān)鍵字段如下:

車輛ID;車輛速度v;車輛注冊(cè)時(shí)間t;車輛位置信息p。

每輛汽車進(jìn)入RSU區(qū)域后都要注冊(cè)自己的ID、速度、方向、位置以及進(jìn)入RSU的時(shí)間。RSU中維護(hù)了一個(gè)其通信范圍內(nèi)所有汽車的交通信息注冊(cè)列表，具體如下：

TrafficList={(ID0,v0,t0,p0),…,(IDn,vn,tn,pn)}。

在注冊(cè)自己交通信息的同時(shí)車輛還需要注冊(cè)自己所攜帶的資源信息。RSU維護(hù)著一個(gè)記錄本通信范圍內(nèi)車輛所攜帶的資源信息列表DataList。DataList表中包含了文件的關(guān)鍵字和擁有相應(yīng)資源的車輛ID號(hào)。

車輛不斷更新速度信息、位置信息及資源信息,同時(shí)RSU也不斷更新自身所維護(hù)的列表中的記錄。當(dāng)RSU超過(guò)一段預(yù)定時(shí)間接收不到某車輛的更新消息時(shí)，則說(shuō)明該車輛已經(jīng)駛出該RSU區(qū)域。約定速度以RSU的順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?以區(qū)分車輛的相對(duì)方向。

協(xié)助下載過(guò)程為:

(1) 當(dāng)RSU內(nèi)某一車輛有下載信息的需求時(shí),發(fā)送請(qǐng)求信息。

(2) RSU收到后,查詢DataList,判斷該資源是否已有周邊車輛下載過(guò)。

(3) 如果存在,那么選擇一輛最佳車輛與之進(jìn)行P2P分享,并以此車輛作為協(xié)助下載車輛;反之,則通過(guò)RSU直接從Internet獲取資源。

(4) 當(dāng)直接從Internet獲取資源時(shí),如果根據(jù)計(jì)算得出指定時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成全部數(shù)據(jù)下載,那么立即搜尋目標(biāo)車輛的同方向的鄰居車輛,確定協(xié)助車輛。

(5) 開(kāi)始對(duì)目標(biāo)車輛和協(xié)助車輛傳輸同一個(gè)文件的不同塊的下載內(nèi)容。

(6) 當(dāng)目標(biāo)車輛駛出通信范圍后,就會(huì)向鄰居車輛發(fā)送數(shù)據(jù)包,與協(xié)助車輛建立連接。

(7) 通信建立好后,從協(xié)助車輛處下載文件,從而獲得文件的一個(gè)部分,而不是等待車輛進(jìn)入下一個(gè)RSU時(shí)恢復(fù)下載。

1.2 基于P2P傳輸?shù)能囕v間資源共享

在上述模型基礎(chǔ)上構(gòu)建一個(gè)覆蓋VANET應(yīng)用層的P2P網(wǎng)絡(luò),以實(shí)現(xiàn)車輛間文件的快速共享傳輸。若車輛在RSU內(nèi)發(fā)起的資源請(qǐng)求所下載的資源已有周邊車輛下載過(guò),則可以采用基于P2P傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行車輛間資源共享,削弱車輛間的帶寬競(jìng)爭(zhēng),加速下載過(guò)程,增大RSU的吞吐量。

由模型可知,RSU作為Tracker服務(wù)器,記錄網(wǎng)絡(luò)中車輛的詳細(xì)交通信息和所攜帶資源信息,需要維護(hù)的2個(gè)存儲(chǔ)列表為車輛節(jié)點(diǎn)交通信息索引列表TrafficList和資源信息列表DataList。TrafficList表中的車輛節(jié)點(diǎn)交通信息包括車輛的ID號(hào)、速度、運(yùn)動(dòng)方向和位置等信息。DataList表中包含了文件的關(guān)鍵字和擁有相應(yīng)資源的車輛ID號(hào)。

初始化時(shí),TrafficList表和DataList表中分別記錄有RSU覆蓋范圍內(nèi)所有車輛節(jié)點(diǎn)的交通信息及其攜帶的文件信息。當(dāng)有車輛的加入和離開(kāi)時(shí),RSU會(huì)及時(shí)更新TrafficList表和DataList表,添加或者刪除車輛和文件的信息。一旦車輛加入后,就立即執(zhí)行相應(yīng)的共享機(jī)制。

資源搜索流程如圖2所示,當(dāng)?shù)缆飞系能囕v有下載需求時(shí),發(fā)送請(qǐng)求消息給RSU,并同時(shí)設(shè)置查詢時(shí)間戳Timer。接收到請(qǐng)求消息的RSU會(huì)檢查本地列表是否含有相應(yīng)的資源信息。如果有,那么RSU發(fā)送攜帶有對(duì)應(yīng)資源的車輛的相關(guān)信息給請(qǐng)求車輛,建立連接,啟動(dòng)共享傳輸機(jī)制,與之進(jìn)行基于P2P傳輸?shù)能囕v間資源共享。如果沒(méi)有或者時(shí)間超出Timer,那么請(qǐng)求車輛將通過(guò)RSU直接從Internet下載。請(qǐng)求車輛完成下載任務(wù)后,RSU更新本地資源文件信息索引列表。

圖2 資源搜索流程

1.3 通過(guò)RSU直接訪問(wèn)Internet通信

當(dāng)車輛發(fā)起資源請(qǐng)求時(shí),若周邊車輛沒(méi)有攜帶被請(qǐng)求的資源,則通過(guò)RSU直接從Internet下載。當(dāng)用戶車輛發(fā)起下載請(qǐng)求時(shí),發(fā)送下載數(shù)據(jù)請(qǐng)求包,其包含字段如下:

車輛ID;數(shù)據(jù)類型;總長(zhǎng)度;協(xié)議類型;源地址;目的地址;負(fù)載;存活時(shí)間;校驗(yàn)。

設(shè)當(dāng)前的時(shí)間為Tc,RSU數(shù)據(jù)下載帶寬為Wrsu,通信半徑為R,用戶需要下載的數(shù)據(jù)總量為Dsum。則請(qǐng)求車輛d在某個(gè)RSU通信覆蓋范圍內(nèi)下載時(shí)間為:

(1)

可以直接從RSU獲得的數(shù)據(jù)量為:

Drsu=αWrsuTd-rsu=

(2)

其中,α為不穩(wěn)定帶寬影響系數(shù),同當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀況有關(guān)[2]。

當(dāng)接收到TrafficList列表中車輛的下載數(shù)據(jù)請(qǐng)求包時(shí),RSU會(huì)比較通信覆蓋區(qū)域內(nèi)直接從其獲取的數(shù)據(jù)量Drsu和請(qǐng)求數(shù)據(jù)總量Dsum的大小,估算下載的數(shù)據(jù)包在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率下所需時(shí)間,并判斷能否在車輛駛出通信覆蓋區(qū)域之前完成下載任務(wù),然后發(fā)送應(yīng)答包,主要包含的關(guān)鍵字段有車輛ID、開(kāi)始下載時(shí)間t0和預(yù)計(jì)下載結(jié)束時(shí)間te。

如果檢測(cè)到車輛在RSU通信范圍內(nèi)無(wú)法完成下載任務(wù),那么需要進(jìn)行輔助下載時(shí),車輛節(jié)點(diǎn)發(fā)送中斷請(qǐng)求包請(qǐng)求RSU啟動(dòng)差量數(shù)據(jù)協(xié)助下載功能,其數(shù)據(jù)包主要包含的關(guān)鍵字段有車輛ID、差量數(shù)據(jù)Dle和通信結(jié)束時(shí)間te。

1.4 差量數(shù)據(jù)攜帶節(jié)點(diǎn)分配算法

假定RSU判斷出目標(biāo)車輛在通信覆蓋區(qū)域內(nèi)不能完成下載任務(wù),估算出未完成下載的剩余下載數(shù)據(jù)量為Dle。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)某掷m(xù)性和完整性,在目標(biāo)車輛一開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)下載時(shí)RSU就啟動(dòng)協(xié)助下載機(jī)制,在所注冊(cè)的車輛集合TrafficList中選取最佳的差量數(shù)據(jù)攜帶車輛節(jié)點(diǎn)集,并對(duì)所選協(xié)助車輛集按冗余分配算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分配。其中Dle應(yīng)滿足:

Dsum-Drsu≤Dle≤

0≤k≤2ρR

(3)

其中,Ts為車輛集k中第s輛協(xié)助車輛啟動(dòng)協(xié)助下載功能的起始時(shí)間;λ為公路交通流;ρ為車輛密度峰值。

1.4.1 差量數(shù)據(jù)攜帶節(jié)點(diǎn)選擇

在RSU通信盲區(qū)內(nèi)通信策略的關(guān)鍵是要解決選擇協(xié)助車輛節(jié)點(diǎn)集以及選擇哪個(gè)指標(biāo)來(lái)優(yōu)化結(jié)果。本文以通信預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)和速度方差這2個(gè)新的指標(biāo)來(lái)優(yōu)化選取協(xié)助車輛節(jié)點(diǎn)集。道路上的車輛速度不盡相同,選取進(jìn)行協(xié)助的車輛在目標(biāo)車輛可通信范圍內(nèi)運(yùn)行的時(shí)間也各不相同,因此可以統(tǒng)計(jì)在目標(biāo)車輛通信范圍內(nèi)的所有備選車輛的通信預(yù)測(cè)時(shí)間,并研究分析所得到的備選車輛集合通信預(yù)測(cè)時(shí)間的分布。

如果備選車輛節(jié)點(diǎn)速度較快且處在目標(biāo)車輛正前方的可通信范圍的邊緣,那么該車輛在很短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)駛出目標(biāo)車輛的通信范圍,斷開(kāi)通信,無(wú)法將自己攜帶的用戶數(shù)據(jù)傳遞給目標(biāo)車輛;如果備選車輛在目標(biāo)車輛節(jié)點(diǎn)的可通信范圍內(nèi),并且與目標(biāo)車輛節(jié)點(diǎn)速度相近,那么備選車輛就可以在目標(biāo)車輛的通信范圍內(nèi)維持較長(zhǎng)時(shí)間,兩者間的通信時(shí)長(zhǎng)也相應(yīng)增大,備選車輛節(jié)點(diǎn)有更充足的時(shí)間把自己攜帶的用戶數(shù)據(jù)傳遞給目標(biāo)車輛。因此,為了盡可能提高協(xié)助下載的成功率和數(shù)據(jù)傳輸效率,應(yīng)按在RSU通信內(nèi)盲區(qū)與目標(biāo)車輛可通信且通信時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)這一準(zhǔn)則來(lái)選擇協(xié)助車輛攜帶差量數(shù)據(jù),優(yōu)先選擇速度方差較小的備選車輛節(jié)點(diǎn)為協(xié)助車輛是一個(gè)不錯(cuò)的方案。除此之外,還要同時(shí)兼顧車速的不穩(wěn)定性對(duì)通信時(shí)長(zhǎng)預(yù)判準(zhǔn)確性和可靠性的影響。

(1) RSU檢索自身維護(hù)的TrafficList表得到車輛速度信息,統(tǒng)計(jì)備選車輛的波動(dòng)率即方差,計(jì)算公式為:

(4)

(2) 引入備選車輛節(jié)點(diǎn)機(jī)會(huì)權(quán)限值P來(lái)評(píng)估車輛節(jié)點(diǎn)的選擇權(quán)限,定義如下:

(5)

其中,ti′為在盲區(qū)中通信時(shí)間;ti為在覆蓋區(qū)中的下載時(shí)間。

在協(xié)助下載車輛的選擇過(guò)程中,在RSU通信覆蓋區(qū)內(nèi)通信時(shí)長(zhǎng)較大且盲區(qū)內(nèi)時(shí)長(zhǎng)相近的車輛節(jié)點(diǎn)為第1選擇,考慮車輛節(jié)點(diǎn)的速度波動(dòng)對(duì)通信預(yù)測(cè)時(shí)間影響較大,可與權(quán)限構(gòu)成反比。

1.4.2 數(shù)據(jù)冗余分配算法

討論對(duì)算法選擇出的車輛節(jié)點(diǎn)集進(jìn)行數(shù)據(jù)分配問(wèn)題。因?yàn)椴煌能囕v節(jié)點(diǎn)之間同目標(biāo)車輛通信時(shí)長(zhǎng)是不盡相同的,所以不能將差量數(shù)據(jù)平均分配給車輛節(jié)點(diǎn)集中的所有車輛。設(shè)車輛間數(shù)據(jù)傳輸帶寬為Wv,車間通信范圍為l,則結(jié)合統(tǒng)計(jì)的預(yù)測(cè)下載時(shí)間和通信時(shí)間得出每個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的理論攜帶數(shù)據(jù)量Dpt應(yīng)滿足:

(6)

Dpt=Ds′=max{Ds0,Ds1,Ds2,…,Dsn}

(7)

考慮到車輛在行駛過(guò)程中速度的不確定性[14],為了確保數(shù)據(jù)的完整性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?本文提出冗余數(shù)據(jù)攜帶算法(redundant data carry algorithm,RDCA),對(duì)協(xié)助下載車輛節(jié)點(diǎn)集中的車輛所攜帶的數(shù)據(jù)量進(jìn)行時(shí)間性的邊際修正。在數(shù)據(jù)打包分配的過(guò)程中,在每個(gè)理論值數(shù)據(jù)包結(jié)尾處增加下一個(gè)數(shù)據(jù)包的前端數(shù)據(jù)量,在保證數(shù)據(jù)完整性的前提下盡可能多地下載數(shù)據(jù)量。冗余數(shù)據(jù)量Drd同下載時(shí)間t成反比,同通信時(shí)間t′成正比,協(xié)助下載車輛節(jié)點(diǎn)的速度波動(dòng)率對(duì)冗余數(shù)據(jù)量的影響非常大,因此每個(gè)協(xié)助下載車輛節(jié)點(diǎn)所攜帶的冗余數(shù)據(jù)量Drd為:

(8)

按此算法分配得到的數(shù)據(jù),根據(jù)協(xié)助車輛的規(guī)模及數(shù)據(jù)量大小選擇邊際附加數(shù)據(jù)包,以避免協(xié)助下載車輛節(jié)點(diǎn)過(guò)快與目標(biāo)車輛斷開(kāi)通信,從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不完整。數(shù)據(jù)分配結(jié)束后,當(dāng)目標(biāo)車輛駛出RSU通信覆蓋區(qū)域進(jìn)入通信盲區(qū),按本文提出的策略選擇出的協(xié)助下載車輛節(jié)點(diǎn)集中的車輛與目標(biāo)車輛建立通信連接,將自身所攜帶的用戶數(shù)據(jù)傳輸給目標(biāo)車輛。

2 系統(tǒng)仿真

本文通過(guò)VanetMobiSim和NS2仿真將本文提出的協(xié)助下載方法、SDCD協(xié)助下載方法[6]以及不使用協(xié)助下載方法進(jìn)行性能比較。利用VanetMobiSim實(shí)現(xiàn)公路場(chǎng)景下的道路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。VanetMobiSim模擬結(jié)束會(huì)生成相應(yīng)的trace文件,NS2使用該文件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景:根據(jù)文獻(xiàn)所得高速公路的RSU點(diǎn)通信范圍設(shè)為800 m,2個(gè)RSU之間的距離為8 km,符合高速公路上RSU點(diǎn)設(shè)置在服務(wù)區(qū)的實(shí)際情況。在公路上均勻分布400輛車,車輛的通信半徑為250 m,RSU區(qū)域車輛的下載速率設(shè)為150 kB/s,同向車輛協(xié)助下載速率設(shè)為200 kB/s,車速在90～150 km/h之間隨機(jī)產(chǎn)生,在車速變化上,假定車速變化的概率為p,變化的范圍為90～150 km/h,并且符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布,假定用戶車速[11]為90 km/h。

不采用P2P傳輸補(bǔ)償?shù)膮f(xié)助下載方法和采用P2P傳輸補(bǔ)償?shù)膮f(xié)助下載方法的吞吐量情況之間的對(duì)比如圖3所示。由圖3可知,在0～50 s內(nèi)車輛在RSU的通信范圍內(nèi),當(dāng)請(qǐng)求車輛所請(qǐng)求資源已有周邊車輛攜帶,則從中選擇一輛最佳車輛作為協(xié)助車輛,啟用車輛間P2P資源共享傳輸,而另外一種無(wú)P2P傳輸機(jī)制的則直接訪問(wèn)Internet,同時(shí)根據(jù)相應(yīng)策略選擇協(xié)助下載車輛。P2P傳輸補(bǔ)償機(jī)制有效削減了RSU車輛間帶寬競(jìng)爭(zhēng),增大了系統(tǒng)吞吐量,明顯高于無(wú)P2P傳輸補(bǔ)償機(jī)制;50 s以后車輛離開(kāi)RSU的通信范圍,采用P2P傳輸補(bǔ)償機(jī)制的車輛只需保持之前的通信連接即可,而無(wú)P2P傳輸?shù)能囕v則要與協(xié)助車輛建立新的連接,進(jìn)行協(xié)助下載。故P2P傳輸補(bǔ)償方法的吞吐量?jī)?yōu)于無(wú)P2P傳輸補(bǔ)償?shù)囊话銋f(xié)助下載方法,且速率較為穩(wěn)定,同時(shí)減少了延遲。

圖3 2種方法吞吐量比較

本文測(cè)試了在不同數(shù)據(jù)量的下載情況下數(shù)據(jù)攜帶節(jié)點(diǎn)的選擇算法的合理性，并對(duì)相同數(shù)據(jù)量的下載情況下,選用數(shù)據(jù)攜帶節(jié)點(diǎn)冗余算法的下載策略與無(wú)協(xié)助車輛的下載以及SDCD協(xié)助下載情況進(jìn)行了對(duì)比分析。

在不同的數(shù)據(jù)量下測(cè)試帶機(jī)會(huì)權(quán)限的選擇算法和隨機(jī)選擇車輛情況下對(duì)數(shù)據(jù)傳輸成功率的影響如圖4所示。

圖4 車載節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求文件大小對(duì)傳輸率的影響

顯然,帶機(jī)會(huì)權(quán)限的選擇算法選擇了更加優(yōu)化的數(shù)據(jù)攜帶節(jié)點(diǎn),提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?但隨著數(shù)據(jù)量的增加,車輛節(jié)點(diǎn)中速度波動(dòng)的不確定性、通信時(shí)間預(yù)測(cè)的不穩(wěn)定性及鏈路中斷丟包率增加導(dǎo)致的傳輸效率的降低是不可避免的。

不采用協(xié)助下載方法、SDCD協(xié)助下載方法和差量數(shù)據(jù)冗余協(xié)助下載方法的吞吐量情況之間的比較如圖5所示。

圖5 3種不同方法吞吐量的比較

由圖5可知,在起始的50 s內(nèi),用戶車輛處于RSU通信范圍內(nèi)并以150 kB/s的速率下載數(shù)據(jù);50 s以后用戶車輛駛出RSU的通信范圍,不采用協(xié)助下載方法的車輛在盲區(qū)與Internet服務(wù)斷開(kāi),需要等待300 s左右的時(shí)間進(jìn)入下一個(gè)RSU通信區(qū)才能繼續(xù)下載任務(wù)。與此對(duì)應(yīng)的采用SDCD協(xié)助下載方法的車輛可從協(xié)助車輛上獲取10 M的數(shù)據(jù),而采用差量數(shù)據(jù)冗余協(xié)助下載方法的車輛則可以下載到13 M的數(shù)據(jù),該方法的吞吐量高于SDCD協(xié)助下載方法。顯然,SDCD協(xié)助下載方法雖能夠有效地改善目標(biāo)車輛吞吐量,但是,由于協(xié)助下載車輛選擇方法的局限性,沒(méi)有考慮到因?yàn)檐囕v速度的變化,車輛之間的通信時(shí)長(zhǎng)可能會(huì)變長(zhǎng)而導(dǎo)致在能夠通信的范圍內(nèi)沒(méi)有充分利用車輛的下載功能，所以,本文提出了帶冗余數(shù)據(jù)量的協(xié)助下載方法,充分考慮了車輛行為的多變性,利用盡可能多傳輸數(shù)據(jù)協(xié)助下載車輛進(jìn)行文件的下載,獲得了較高的吞吐量。

為了比較P2P加速傳輸補(bǔ)償?shù)牟盍咳哂嘞螺d方法在下載實(shí)際文件時(shí)的延遲(delay,D)和平均帶寬(average bandwidth,AB),分別使用3種方法下載長(zhǎng)度為8.4、26.9、56.2 MB的文件,見(jiàn)表1所列。在不采用協(xié)助下載的情況下,隨著文件長(zhǎng)度的增加平均帶寬逐漸減少,并且平均帶寬水平非常低。而使用SDCD協(xié)助下載方法和P2P加速傳輸補(bǔ)償?shù)牟盍咳哂嘞螺d方法時(shí),隨著文件長(zhǎng)度的增加,平均帶寬逐漸增大。當(dāng)下載大于26.9 MB文件時(shí),采用P2P加速傳輸補(bǔ)償?shù)牟盍咳哂嘞螺d方法的平均帶寬在47.5 kB/s以上,明顯高于SDCD協(xié)助下載方法的39.4 kB/s和不采用協(xié)助下載方法的15.6 kB/s,這是由于采用P2P加速傳輸補(bǔ)償?shù)牟盍咳哂鄥f(xié)助下載方法比SDCD協(xié)助下載方法更充分利用了車輛間的P2P共享傳輸機(jī)制,同時(shí)優(yōu)化了協(xié)助車輛選取策略。因此,采用P2P加速傳輸補(bǔ)償?shù)牟盍咳哂鄥f(xié)助下載方法性能優(yōu)于SDCD協(xié)助下載方法。

表1 下載不同大小文件的延遲(D)和平均帶寬(AB)

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)高速公路場(chǎng)景下的車輛在RSU覆蓋區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)下載的模型進(jìn)行研究,提出了利用車輛間P2P共享傳輸和協(xié)助車輛攜帶剩余的傳輸數(shù)據(jù)來(lái)提高系統(tǒng)的吞吐量,并結(jié)合數(shù)據(jù)冗余分配算法協(xié)調(diào)由于車速的不穩(wěn)定性引起的丟包率過(guò)高的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,該方法提高了協(xié)助車輛的精確性及傳輸成功率,避免過(guò)多地選擇車輛導(dǎo)致的系統(tǒng)資源浪費(fèi);同時(shí)帶冗余數(shù)據(jù)的車輛雖然占用了不少系統(tǒng)資源,但也在一定程度上提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)率。在實(shí)際的道路交通狀況下,用戶車輛可能于盲區(qū)內(nèi)發(fā)起下載請(qǐng)求,下一步的研究工作將考慮利用無(wú)線自組網(wǎng)的傳輸模型研究符合高速公路特點(diǎn)的盲區(qū)請(qǐng)求高效輔助傳輸策略。

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AP2PaccelerationtransmissioncompensationcooperativedownloadingapproachinVANET

ZHANG Jianjun1,2, XIANG Tiantian1, LIU Zhengyu2,3

(1.School of Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Engineering Research Center of Safety Critical Industrial Measurement and Control Technology of Ministry of Education, Hefei 230009, China; 3.School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

To overcome the problem that users in communication blind area cannot get access to the Internet due to the sparse deployment of road side unit(RSU) on highway and the limited communication range, a P2P acceleration transmission compensation cooperative downloading method is proposed based on the model of data downloading within RSU network’s coverage areas in highway scenarios. The approach takes advantage of P2P share transmission between the vehicles and utilizes other vehicles to help carry the rest of the transmission data to improve the throughput of the system, and integrates data redundancy allocation algorithms to coordinate packet loss rate problem caused by the instability of vehicle speed. The simulation results show that the presented scheme can improve the accuracy and success rate of assisted transport vehicles, and avoid the waste of system resources resulting from the excessive choice of vehicles. Although vehicles with redundant data occupy some system resources, the error tolerant rate of the system is improved.

vehicular ad hoc networks(VANET); P2P share transmission; redundant data; redundancy allocation; cooperative downloading

2016-02-22；

2016-04-18

國(guó)家電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金資助項(xiàng)目(工信部財(cái)函[2011]506號(hào))

張建軍(1963-),男,浙江寧波人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.09.008

TP393.03

A

1003-5060(2017)09-1186-07

(責(zé)任編輯 閆杏麗)