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(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)用對時(shí)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(shí)間以及價(jià)格。這兩個(gè)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(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稱性。由于數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)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(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)傳輸問題為研究對象，假定的研究場景：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的額外時(shí)延，而TCS方案是通過設(shè)定定時(shí)器來控制額外時(shí)延。最后，通過仿真分析了兩個(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(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)會進(jìn)行編碼或立即轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包Packet。針對這兩個(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)編碼所帶來的額外時(shí)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(gè)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(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^[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)決定是否儲存數(shù)據(jù)包。換而言之，儲存一個(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(shí)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(gè)數(shù)據(jù)包。

1.2 時(shí)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(shí)間要求，但長的傳輸時(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(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)長為T_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(gè)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(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)考慮兩種場景：靜態(tài)的源節(jié)點(diǎn)和動態(tài)移動的源節(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(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(shí)，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(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(shí)，PNC方案會導(dǎo)致大的時(shí)延，而BSCS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)一步說明，BSCS和TCS方案能夠有效地控制因編碼所帶來的時(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(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(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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