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)用對時(shí)間要求相對寬裕[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),。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)的競爭接收狀態(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多跳廣播應(yīng)用,，它們均沒有考慮節(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)前對其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼。然而,，網(wǎng)絡(luò)編碼會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)模型及問題描述

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

圖1  VANETs的商用場景模型

　　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,，能夠儲存消息,。若來自兩個(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稱性,。由于消息到達(dá)時(shí)間的隨機(jī)性，來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策略是通過控制緩沖區(qū)域大小降低因編碼所帶來的額外時(shí)延,，而TC策略是通過設(shè)定定時(shí)器來控制時(shí)延,。

2 BDNC協(xié)議

　　2.1 編碼規(guī)則

　　采用簡單的基于或操作網(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)原來的消息包,。通過簡單的網(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[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)決定是否儲存消息,。換而言之，儲存的概率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，這樣簡單的操作會導(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,。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)用對消息的傳輸沒有嚴(yán)厲的時(shí)間要求,，但長的傳輸時(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 仿真場景

　　考慮圖1所示的仿真場景，利用NS3進(jìn)行模擬仿真,，仿真參數(shù)如表1所示,。兩個(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)分布于長為4 km的雙向車道,，20 s后,，兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送消息包。

　　在仿真過程中,，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)行對比分析,，其中參照策略是指：轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)對所有消息均進(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,，在仿真過程中，同時(shí)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),，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)，評估了它對吞吐量的影響,，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)場景,，而圖5(b)表示動態(tài)的源節(jié)點(diǎn)場景,。從圖中可知，在=1 packet/s時(shí), PNC策略會導(dǎo)致大的時(shí)延,，而BSC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)移動時(shí),，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)一步說明，BSCS和TCS方案能夠有效地控制因編碼所帶來的時(shí)延,。

(a)靜態(tài)場景

(b)動態(tài)場景

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（見圖5(a)）,。而BSCS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，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)場景

(b)動態(tài)場景

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)<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,，但是由于沒有其他消息，無法解碼,。這種情況多數(shù)由于車輛的移動所引起的,。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)列中等待過長的時(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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