車載自組織網(wǎng)絡(luò)（VANETS）關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作中繼算法研究

毛志遠(yuǎn) 羅洋

摘 要：在車載自組織網(wǎng)絡(luò)（VANETS）中，高效的數(shù)據(jù)分發(fā)一直是研究熱點(diǎn)之一。為通過關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)作中繼有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，將網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)通過對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼并即時(shí)解碼的方式應(yīng)用于車輛之間通信，以提高數(shù)據(jù)分發(fā)效率。該算法與傳統(tǒng)的直接傳輸與中繼傳輸方法相比，有效減少了數(shù)據(jù)分發(fā)延遲，提高了數(shù)據(jù)分發(fā)效率和無線傳輸中的信道利用率。

關(guān)鍵詞：車載自組網(wǎng)；數(shù)據(jù)分發(fā)；中繼選擇；網(wǎng)絡(luò)編碼；即時(shí)解碼

DOI：10.11907/rjdk.172816

中圖分類號(hào)：TP312

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）005-0056-03

Abstract：Efficient data distribution is one of the hot topics in VANETS. The paper focues on how to realise effective data forwarding through cooperative association network fulfill network encoding through the technology to accomplish real-time encoding for vehicle communication and improve the data distribution effciency encoding relay effective data forwarding is the study of this paper， the network encoding technology through the data network encoding and application method of realtime decoding to improve the efficiency of data communication between vehicles distribution. Compared with the traditional methods of transmission and relay transmission ，this algorithm effectively reduces the data distribution delay ， improves the efficiency of data distribution and channel utilization in wireless transmission.

Key Words：vehicular ad hoc networks； data distribution； relay selection； network coding； real time decoding

0 引言

隨著人們生活水平的提高，私家車數(shù)量越來越多。近年來，無線自組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速，當(dāng)前汽車生產(chǎn)商生產(chǎn)的汽車都裝載有車載單元（OBU）、傳感器（Sensors）以及全球定位系統(tǒng)（GPS）。VANETs[1-2]最重要的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橹悄芙煌ㄏ到y(tǒng)（Intelligent Transport System， ITS）。由于意識(shí)到VANETS信息交流的重要性，聯(lián)合通信委員會(huì)（FCC）將5.850～5.925HZ的頻率范圍作為V2V[3]和I2V[4]的專用通信頻段。在VANETs中，通過將當(dāng)前路況收集到的區(qū)域交通數(shù)據(jù)分發(fā)給車輛，可達(dá)到減少擁堵、提高行車效率的目的。此外，數(shù)據(jù)在VANETS中的實(shí)時(shí)傳輸也是研究熱點(diǎn)之一。車載自組織網(wǎng)絡(luò)（Vehicular Ad-hoc Networks， VANETs）是一種專門為車輛之間通信設(shè)計(jì)的自組織網(wǎng)絡(luò)，具有高動(dòng)態(tài)、高遷移率的特性[5]，其具有專用的通信信道。DSRC可支持高達(dá)27Mbps的數(shù)據(jù)率與最大1 000m的通信覆蓋范圍，并能很好地支持不同的車載VANETS應(yīng)用[6-7]。

由于VANETS網(wǎng)絡(luò)的這種特性，車輛與路邊單元（RSU）的直接交流會(huì)頻繁斷開。此外，RSU單元傳輸資源不夠，以及無線信道傳輸信息丟失等問題，導(dǎo)致VANETs數(shù)據(jù)傳輸面臨一系列嚴(yán)峻考驗(yàn)。如何更加高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)是VANETS當(dāng)前亟待解決的問題。由于RSU造價(jià)昂貴，因此提高每一個(gè)RSU的數(shù)據(jù)分發(fā)效率成為提高車載自組織網(wǎng)絡(luò)傳遞效率的另一個(gè)關(guān)鍵。車載自組織網(wǎng)絡(luò)除I2V（Infrastructure-to-Vehicle）外，車輛間也可以V2V（Vehicle-to-Vehicle）合作方式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。車輛進(jìn)入到路邊單元覆蓋范圍內(nèi)（Area of Interest，AoI）時(shí)，會(huì)從路邊單元接收數(shù)據(jù)；當(dāng)車輛在路邊單元覆蓋范圍外時(shí)，本文為了繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用了中繼重傳技術(shù)，同時(shí)引進(jìn)網(wǎng)絡(luò)編碼，從而有效降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，減少數(shù)據(jù)傳輸誤碼率，增加吞吐量，并提高無線信道利用率。

1 網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)

在傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)傳輸方式為儲(chǔ)存后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中，只有數(shù)據(jù)的傳輸點(diǎn)和接收點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸及接收，其它節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)路由，不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行任何處理，只起到轉(zhuǎn)發(fā)作用。網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)[8]可對(duì)中間路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，核心思想為在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)中處理信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給其它節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)可同時(shí)起到轉(zhuǎn)發(fā)和處理信息的作用，從而提高信息傳輸效率。網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用前后對(duì)比如圖1所示。

圖1（a）為未應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼的方式，信源S將信息a、b發(fā)送給圖中節(jié)點(diǎn)（u，v，w，z），這些節(jié)點(diǎn)只進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，x、y、z接收到的信息分別為a、a、ab，x、z并不能接收到信息b。

通過譯碼操作a+b+c即可得到信息b，使x可以得到a、b。從以上分析可以看出，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)可以提高數(shù)據(jù)分發(fā)效率。

2 場(chǎng)景系統(tǒng)模型

本文采用的車輛為智能車輛，已裝載有GPS設(shè)備、無線傳感器、無線收發(fā)機(jī)，可以獲得相鄰車輛的即時(shí)位置信息。車輛會(huì)定期接收到周邊其它車輛相關(guān)信息（車輛行駛速度、車輛位置、請(qǐng)求數(shù)據(jù)等），路邊設(shè)施會(huì)沿道路部署一些熱點(diǎn)（RSU、AP），但是路邊基礎(chǔ)傳輸設(shè)備成本較高，無法密集建造，通過I2V方式完成所有通信并不現(xiàn)實(shí)。因此，采用中繼方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸能夠更加有效地分發(fā)數(shù)據(jù)。

如圖2所示為本文系統(tǒng)模型，當(dāng)車輛位于AP1、AP2之間時(shí)，如果車輛在AP1或AP2覆蓋范圍內(nèi)，在此期間車輛可以與路邊通信設(shè)備進(jìn)行信息交流。若車輛行駛速度很快，將導(dǎo)致車輛在路邊單元覆蓋范圍內(nèi)的時(shí)間很短；當(dāng)車輛位于AP1和AP2覆蓋范圍外時(shí)，信道與車輛之間通信質(zhì)量變差而無法與路邊通信設(shè)備直接通信，此時(shí)則選用中繼車輛進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并通過網(wǎng)絡(luò)編碼[9-10]方式提高傳輸效率。

3 協(xié)作中繼與網(wǎng)絡(luò)編碼

3.1 協(xié)作中繼判定

車輛V在行駛過程中是否需要協(xié)作中繼[11-12]由車輛V和路邊單元AP之間的傳輸質(zhì)量確定。當(dāng)傳輸質(zhì)量高，車輛V可以與AP之間通信；當(dāng)傳輸質(zhì)量低，V則會(huì)選擇中繼車輛進(jìn)行協(xié)作傳輸。

車輛V在行駛過程中會(huì)向路邊基礎(chǔ)設(shè)施AP發(fā)送實(shí)時(shí)路況、車輛速度等一系列信息，同時(shí)從AP接收安全提醒、娛樂等信息。當(dāng)AP向車輛發(fā)送詢問信息時(shí)，如果車輛接收應(yīng)答，則會(huì)計(jì)算其與車輛之間的信道系數(shù)CV-AP，并將此數(shù)值與設(shè)定閾值C1進(jìn)行比較。當(dāng)CV-AP大于閾值時(shí)，說明通信質(zhì)量較好，不需要進(jìn)行中繼；如果小于閾值，傳輸信息則會(huì)在802.11MAC幀的保留字段中發(fā)出信息，判斷是否需要中繼。

3.2 中繼算法選擇

當(dāng)判斷車輛V需要采用中繼算法后，此時(shí)需要選出最佳中繼車輛，最佳中繼車輛是在路邊傳輸單元AP附近的一系列車輛中進(jìn)行選擇。因此，本文提出以下算法，此時(shí)將中繼車輛接收到的數(shù)據(jù)大小，以及信道增益、多普勒頻移都考慮在內(nèi)，計(jì)算公式如下：

4 試驗(yàn)仿真與結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

本文的實(shí)驗(yàn)仿真模型如第2部分所示，仿真工具為CSIM19。車輛運(yùn)行模型為Green-shield's模型，這是微觀車載仿真中經(jīng)常使用的模型。車輛會(huì)隨機(jī)分布在設(shè)定的道路上，同時(shí)為了消除邊界影響，以及保證車輛數(shù)目的穩(wěn)定，當(dāng)車輛到達(dá)地圖邊界時(shí)，會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生新的車輛。車輛在運(yùn)行過程中會(huì)生成請(qǐng)求，直到離開路邊單元的覆蓋范圍。每個(gè)車輛可以生成多個(gè)請(qǐng)求，車輛在RSU中生成的請(qǐng)求個(gè)數(shù)服從泊松分布，產(chǎn)生請(qǐng)求的數(shù)據(jù)大小服從ZIPF分布，ZIPF分布的參數(shù)值為0.75。仿真具體參數(shù)如下：車輛行駛速度設(shè)定范圍為[10，20]，車輛速度隨機(jī)產(chǎn)生；車輛加速度設(shè)定范圍為[0，1]，加速度隨機(jī)產(chǎn)生；路邊基礎(chǔ)設(shè)施AP的覆蓋范圍為400m；數(shù)據(jù)傳輸過程中，信道丟包率為0.2～0.3。

4.2 結(jié)果分析

由圖3可以得出，在70～77s時(shí)，由于路邊基礎(chǔ)設(shè)施與車輛通信信道的傳輸能力下降，直接通信誤碼率隨即大幅升高，而采用中繼方式進(jìn)行傳輸相比于直接傳輸，誤碼率明顯降低。當(dāng)采用網(wǎng)絡(luò)編碼的中繼傳輸方式Code-On-NC時(shí)，也大大降低了誤碼率。由于包級(jí)別誤碼率對(duì)于噪聲容忍程度較高，因此具有更好的誤碼率降低效果。

由圖4可見，根據(jù)直接傳輸、通過中繼傳輸，以及采用網(wǎng)絡(luò)編碼Code-On-NC方式傳輸?shù)耐掏铝侩S時(shí)間變化對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在70s以后隨著路邊傳輸設(shè)備與車輛之間的通信信道質(zhì)量下降，通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量隨之降低；采用協(xié)作中繼方式在一定程度上提高了信息傳輸質(zhì)量，但降低了吞吐量；而采用Code-On-NC包的網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制，能夠提高傳輸質(zhì)量，同時(shí)在吞吐量方面也有較大提高。

5 結(jié)語

在VANETS網(wǎng)絡(luò)中，提高數(shù)據(jù)分發(fā)效率、降低數(shù)據(jù)訪問延遲、減少數(shù)據(jù)傳輸丟包率及降低誤碼率是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文通過車載網(wǎng)協(xié)作中繼的機(jī)制，與傳統(tǒng)的直接信息傳輸以及未采用網(wǎng)絡(luò)編碼的中繼傳輸相比，在網(wǎng)絡(luò)吞吐量和降低傳輸延遲等方面有了很大改善，并且優(yōu)于直接的無線通信。然而，該方式仍有改進(jìn)空間，在今后工作中有待進(jìn)一步優(yōu)化。

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（責(zé)任編輯：黃 健）