文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.08.031
中文引用格式: 黃欣,趙志剛,,萬(wàn)榮澤. BDNC:基于網(wǎng)絡(luò)編碼的車(chē)載網(wǎng)商業(yè)消息傳輸協(xié)議[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2016,42(8):125-129.
英文引用格式: Huang Xin,,Zhao Zhigang,Wan Rongze. BDNC: Network coding-based message transmission protocol in VANETs business application[J].Application of Electronic Technique,,2016,42(8):125-129.
0 引言
車(chē)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(chē)輛組成分布式網(wǎng)絡(luò),,車(chē)輛與車(chē)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(chē)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(xiāo)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(xiāo)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(chē)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T(mén)max,。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(chē)輛的速度從36~54 km/h變化,。在仿真初期,,250輛車(chē)隨機(jī)分布于長(zhǎng)為4 km的雙向車(chē)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?,?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(chē)輛不能解碼的消息條數(shù)。未解碼的數(shù)據(jù)包是指:車(chē)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(chē)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(chē)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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