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(bào)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,。

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。

1.1 BSCS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,。

    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T_max,。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T_max。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,。

    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),。

2.2 Tmax參數(shù)

    為了確認(rèn)TCS方案的T_max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T_max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T_max。當(dāng)T_max=0.3時,，帶寬節(jié)省率增加緩慢,，為此，在下面仿真中,，設(shè)定T_max=0.3,。

2.3 數(shù)值分析

    (1)時延

    圖3顯示了由源節(jié)點(diǎn)2發(fā)送的數(shù)據(jù)包每跳的平均傳輸時延，其中圖3(a)表示靜態(tài)的源節(jié)點(diǎn)場景,，圖3(b)表示動態(tài)的源節(jié)點(diǎn)場景,。從圖中可知，在λ₁=1 packet/s時,，PNC方案會導(dǎo)致大的時延,，而BSCS和TCS方案有效地控制了時延。隨著λ₁的增加,，BSCS和PNC時延下降,。當(dāng)=1.5時，BSCS和PNC方案的時延分別為1 s,、2 s,。而當(dāng)=2.5時，這兩個方案的時延約為0.75 s,。原因在于λ₁是反映隊(duì)列的釋放數(shù)據(jù)概率,，隨著λ₁的增加，隊(duì)列的平均時延就下降,。此外,，TCS方案的時延最低，若從時延角度考慮,，TCS方案是不錯的選擇,，TCS方案的時延維持在0.3 s，與Tmax持平,。

    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,。

    (2)帶寬節(jié)省率

    從圖4(a)可知，當(dāng)=1時,，NC方案的帶寬節(jié)省率約為50%,，但是這是以高時延為代價的(見圖3(a))。而BSCS方案的帶寬節(jié)省率約為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。

    (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?姿1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,。

參考文獻(xiàn)

[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 position-based 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.