文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.025
中文引用格式: 王英彥,曾瑞. 基于網(wǎng)絡(luò)編碼的車(chē)聯(lián)網(wǎng)商業(yè)應(yīng)用時(shí)延控制方案[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(4):88-91.
英文引用格式: Wang Yingyan,Zeng Rui. Controlling delay scheme for VANETs business application based on network coding[J].Application of Electronic Technique,2016,42(4):88-91.
0 引言
車(chē)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(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(lèi)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(dòng)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(xiāo)等通知類(lèi)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(duì)于消息響應(yīng)時(shí)間要求。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)寬松[2-3]。但是,商業(yè)應(yīng)用需要更寬的帶寬。例如,兩類(lèi)商家RSU1和RSU2,RSU1為旅館廣告,宣傳促銷(xiāo)信息;而RSU2為加油站,提供營(yíng)業(yè)時(shí)間以及價(jià)格。這兩個(gè)應(yīng)用的對(duì)象均是道路上的行駛者,即它們有共同的興趣區(qū)域。興趣區(qū)域由一跳或多跳長(zhǎng)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(wèn)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(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)。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(lái)的數(shù)據(jù)包。通過(guò)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)編碼,帶寬利用率提高了50%。
針對(duì)商業(yè)場(chǎng)景,若來(lái)自?xún)蓚€(gè)消息源的數(shù)據(jù)包被同一個(gè)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(duì)稱(chēng)性。由于數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)間的隨機(jī)性,來(lái)自不同源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包不可能同時(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)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(shí)間,直到接到另一個(gè)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(shí)延。顯然,若采用第一種方式,等待時(shí)間增加了數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)包后,它面臨一個(gè)主要問(wèn)題:是直接轉(zhuǎn)播數(shù)據(jù),降低時(shí)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(wèn)題為研究對(duì)象,假定的研究場(chǎng)景:同一個(gè)道路兩端有兩個(gè)源節(jié)點(diǎn),兩個(gè)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(gè)不同的方案,分別為緩沖區(qū)域控制方案BSCS(Buffer Size Control Scheme)和時(shí)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(lái)的額外時(shí)延,而TCS方案是通過(guò)設(shè)定定時(shí)器來(lái)控制額外時(shí)延。最后,通過(guò)仿真分析了兩個(gè)方案的性能。
1 時(shí)延控制方案
考慮兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)(RSU1、RSU2),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(xún)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(gè)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(huì)進(jìn)行編碼或立即轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包Packet。針對(duì)這兩個(gè)選擇,提出兩個(gè)不同的方案。這兩個(gè)方案是從不同的角度控制因網(wǎng)絡(luò)編碼所帶來(lái)的額外時(shí)延。換而言之,權(quán)衡轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)包不編碼直接轉(zhuǎn)發(fā)與對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼兩個(gè)選擇的性能。
1.1 BSCS方案
BSCS方案的目的在于通過(guò)控制緩存區(qū)大小,降低時(shí)延。通常,隊(duì)列內(nèi)數(shù)據(jù)包數(shù)越多,每個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)延就長(zhǎng)[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(gè)數(shù)決定是否儲(chǔ)存數(shù)據(jù)包。換而言之,儲(chǔ)存一個(gè)數(shù)據(jù)包的概率p與當(dāng)時(shí)隊(duì)列的大小成正比。
然而,若這樣簡(jiǎn)單的操作,會(huì)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(huì)。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(shí)延。因此,轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)以概率p對(duì)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(gè)數(shù)據(jù)包。
1.2 時(shí)限方案TLS
盡管商業(yè)應(yīng)用對(duì)消息的傳輸沒(méi)有嚴(yán)格的時(shí)間要求,但長(zhǎng)的傳輸時(shí)延也是難以接受的[7]。因此,從時(shí)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(shí)間不超過(guò)Tmax。因此,當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)從源節(jié)點(diǎn)接收了一個(gè)數(shù)據(jù)包,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(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(gè)相鄰數(shù)據(jù)包之間的間隔[8-9]。在仿真過(guò)程中,假定λ2=1 packet/s, 而λ1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4 000 m的雙向車(chē)道,20 s后,兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)包。
在仿真過(guò)程中,分析兩個(gè)方案的平均每跳時(shí)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(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)。
兩個(gè)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(shí)延。因此,選擇跳時(shí)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(gè)數(shù)作為評(píng)估方案的性能指標(biāo)。其中,跳時(shí)延為數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中每跳的平均時(shí)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(gè)數(shù)與兩個(gè)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(gè)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(gè)數(shù)。
為了更好地分析BSCS、TCS方案性能,選擇一個(gè)參照方案進(jìn)行對(duì)比分析,其中參照方案是指:轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)對(duì)所有數(shù)據(jù)包均進(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[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Tmax參數(shù),評(píng)估了它對(duì)吞吐量的影響,如圖2所示。從圖可知,隨著Tmax的增加,帶寬節(jié)省率也隨之增加,這有利于針對(duì)不同應(yīng)用要求調(diào)整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。
2.3 數(shù)值分析
(1)時(shí)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(shí)延,其中圖3(a)表示靜態(tài)的源節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景,圖3(b)表示動(dòng)態(tài)的源節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景。從圖中可知,在λ1=1 packet/s時(shí),PNC方案會(huì)導(dǎo)致大的時(shí)延,而B(niǎo)SCS和TCS方案有效地控制了時(shí)延。隨著λ1的增加,BSCS和PNC時(shí)延下降。當(dāng)=1.5時(shí),BSCS和PNC方案的時(shí)延分別為1 s、2 s。而當(dāng)=2.5時(shí),這兩個(gè)方案的時(shí)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(shí)延就下降。此外,TCS方案的時(shí)延最低,若從時(shí)延角度考慮,TCS方案是不錯(cuò)的選擇,TCS方案的時(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3(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。
(2)帶寬節(jié)省率
從圖4(a)可知,當(dāng)=1時(shí),NC方案的帶寬節(jié)省率約為50%,但是這是以高時(shí)延為代價(jià)的(見(jiàn)圖3(a))。而B(niǎo)SCS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(dòng),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(xiàn)。圖5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(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)λ1小于1.5時(shí),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?xún)?yōu)于BSCS方案。
3 總結(jié)
車(chē)聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)應(yīng)用是由兩個(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BSCS和TCS方案。BSCS方案從控制緩存區(qū)域大小角度控制時(shí)延,而TCS方案采用定時(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TCS方案更能有效地控制時(shí)延,在時(shí)延控制方面優(yōu)于BSCS方案。
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