《電子技術(shù)應(yīng)用》
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雙向廣播模式的車輛自組織網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸算法
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
龔建鋒1,吳衛(wèi)祖2,何俊林3
1. 茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程系,廣東 茂名525000; 2.廣東海洋大學(xué) 信息學(xué)院,廣東 湛江524088;3.成都師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,四川 成都611130
摘要: 針對車輛自組織網(wǎng)絡(luò)雙向廣播的通信中斷概率大及數(shù)據(jù)傳輸效率低的問題,提出一種雙向廣播模式切換的車輛自組織網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸算法。該算法根據(jù)車輛雙向廣播特點(diǎn)建立了相遇廣播模型和相離廣播模型,首先對相遇廣播階段進(jìn)行分析,得到傳播完成時(shí)隙以及成功接收數(shù)據(jù)包的概率密度函數(shù)。接著,根據(jù)數(shù)據(jù)緩存容量計(jì)算相離廣播階段的所需廣播時(shí)隙數(shù),并根據(jù)通信深度選擇下一個(gè)廣播發(fā)送節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明,相比基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的車輛信息共享算法以及基于中繼網(wǎng)絡(luò)的V2V鏈路分配算法,該算法平均中斷性能分別提升了12.1%和6.8%,平均累積傳播完成時(shí)隙分別減少了28.7%和36.5%。
中圖分類號: TN915
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.174511
中文引用格式: 龔建鋒,吳衛(wèi)祖,何俊林. 雙向廣播模式的車輛自組織網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸算法[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,44(7):107-111.
英文引用格式: Gong Jianfeng,Wu Weizu,He Junlin. Vehicle self-organizing network data transmission algorithm based on two-way broadcast mode[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(7):107-111.
Vehicle self-organizing network data transmission algorithm based on two-way broadcast mode
Gong Jianfeng1,Wu Weizu2,He Junlin3
1.Department of Computer Engineering,Maoming Vocational Technical College,Maoming 525000,China; 2.School of Information,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524088,China; 3.School of Computer Sciences,Chengdu Normal University,Chengdu 611130,China
Abstract: Due to the bi-directional broadcast of vehicle self-organizing network had great communication outage probability and low data transmission efficiency, a vehicle self-organizing network data transmission algorithm based on two-way broadcast mode was proposed. The algorithm built the encounter broadcast model and separated broadcast model based on bi-directional broadcast vehicle characteristics. Firstly, it got the completed slot and successfully received data packet probability density function by analyzing encounter broadcast stage. Next, the algorithm calculated the required number of broadcast slots in separated broadcast phase based on the data buffer capacity, and according to communication depth selected the next broadcast node. Simulation results show that, compared with the vehicle information sharing algorithm based on complex network theory and V2V link allocation algorithm based relay network, the average interruption performance was improved by 12.1% and 6.8%, and the average cumulative propagate slots were reduced by 28.7% and 36.5%.
Key words : vehicle self-organizing network;data transmission;two-way broadcast mode;dissemination of complete slots

0 引言

    車輛自組織網(wǎng)絡(luò)(Vehicle self-organizing network,VANETs)的發(fā)展對于提高交通運(yùn)輸安全性和提升車輛網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)具有重要意義,它包含了車輛與車輛、車輛與路邊單元以及車輛與基站的互相通信[1-2]?;赩ANETs的功能可以使得車輛實(shí)時(shí)獲取其他車輛或道路的狀態(tài)信息,提供路況導(dǎo)航、路況視頻監(jiān)控、車載信息娛樂服務(wù)等[3-4]。然而車輛網(wǎng)絡(luò)通信也面臨著諸多挑戰(zhàn),例如車輛的高移動(dòng)性使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,通信中斷概率大。而對于車輛與車輛間的通信,由于車輛的相對速度不同,通信持續(xù)時(shí)間具有嚴(yán)格的限制,往往實(shí)際的通信持續(xù)時(shí)間使得車輛間的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)無法完成。因此在車輛的廣播覆蓋范圍內(nèi),如何選擇合適的鄰居車輛并在其所具有的傳播時(shí)限內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù),是目前VANET的重要研究問題之一[5-6]。如果在有限的通信持續(xù)時(shí)間內(nèi)能夠有效地完成車輛與車輛間的通信任務(wù)(Vehicular to Vehicular,V2V),可以使車輛間及時(shí)共享速度、機(jī)動(dòng)狀態(tài)、地理位置、車載監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等信息,對提高交通效率和運(yùn)輸安全都具有重要意義[7-8]。

    對于車輛自組織網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸問題的研究,朱金奇等[9]提出一種車載自組織網(wǎng)絡(luò)中基于停車骨干網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸算法,設(shè)計(jì)基于停車覆蓋網(wǎng)絡(luò)的全新數(shù)據(jù)傳輸算法來實(shí)現(xiàn)車輛間的有效數(shù)據(jù)傳輸,并將其應(yīng)用于城市停車場資源的合理配置中。馮誠等[10]提出一種無線移動(dòng)感知網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)聚集傳輸規(guī)劃算法,文中分析并求解了移動(dòng)感知網(wǎng)絡(luò)上的無沖突數(shù)據(jù)聚集傳輸規(guī)劃問題,處理一個(gè)接收數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的多個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)之間傳輸不沖突問題,有助于提升車輛間的通信效率。馮慧芳等[11]提出一種基于移動(dòng)模型的VANETs網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)涮卣餮芯?,詳?xì)分析了VANETs 網(wǎng)絡(luò)瞬時(shí)拓?fù)涮卣骷捌骄取⒕垲愊禂?shù)和調(diào)和平均最短路徑長度等復(fù)雜統(tǒng)計(jì)參數(shù)隨時(shí)間的變化特征,實(shí)現(xiàn)高優(yōu)先級內(nèi)容傳輸?shù)奶厥釷oS保證。謝勇等[12]提出基于網(wǎng)絡(luò)編碼的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)策略,讓每個(gè)編碼包攜帶下一跳車輛信息并通過車輛應(yīng)答實(shí)現(xiàn)對下一跳轉(zhuǎn)發(fā)車輛的選擇,確保了由轉(zhuǎn)發(fā)開銷最低的下一跳車輛完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā),在完成傳輸任務(wù)的同時(shí)減少不必要的傳輸行為。

    針對VANET領(lǐng)域V2V的數(shù)據(jù)傳輸問題的研究,為了在有限的廣播時(shí)隙內(nèi)完成V2V的通信任務(wù),本文對VANET展開雙向廣播模式分析,確保所選擇的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送者的傳播完成時(shí)隙內(nèi)對廣播資源具有更高的成功接收概率,并且能夠提前解碼,保證了廣播資源能夠持續(xù)地傳播給不同的車輛節(jié)點(diǎn)。

1 車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

1.1 車輛廣播模型

    本文考慮在雙向道路上兩個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)朝著相反方向移動(dòng),如圖1所示,采用一個(gè)同步移動(dòng)模型并忽略中斷概率,每個(gè)方向可以建模為一個(gè)車輛間距d相等的一維格形網(wǎng)絡(luò),并且速度恒定,分別為v1和v2。假設(shè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)發(fā)送時(shí)隙tq傳送一個(gè)網(wǎng)絡(luò)編碼分組。本文假設(shè)在每個(gè)方向有且僅有一個(gè)數(shù)據(jù)傳播節(jié)點(diǎn),如圖2所示,傳播節(jié)點(diǎn)朝著相對于車輛移動(dòng)方向的單一方向廣播數(shù)據(jù)包,接收器能夠通過不同的信道從兩個(gè)傳播節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包,以避免同個(gè)方向之間不同數(shù)據(jù)傳播進(jìn)程的互相干擾。雙向傳播分為兩個(gè)模型,例如圖1和圖2所示的相遇廣播模型和相離廣播模型,相遇廣播階段使得兩輛車之間的廣播覆蓋區(qū)域部分重疊,而在相離廣播階段,兩輛車之間的廣播覆蓋區(qū)域不重疊。當(dāng)其他車輛駛出廣播覆蓋區(qū)域,則無法接收信號發(fā)送車輛所廣播的報(bào)文,只有在廣播覆蓋區(qū)域才能接收報(bào)文。

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    在本文中,接收節(jié)點(diǎn)與廣播節(jié)點(diǎn)的相距不同,會使其接收數(shù)據(jù)報(bào)文的成功概率不相同。令ps、po分別表示接收節(jié)點(diǎn)從相同方向、相反方向成功一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文的概率。考慮到報(bào)文傳輸過程中存在路徑損耗,因此接收報(bào)文的成功概率與傳遞距離相關(guān):ps,1>…ps,i>…ps,K,下標(biāo)i∈[1,K]表示通信深度,也表示該廣播覆蓋區(qū)域共有K個(gè)節(jié)點(diǎn),ps,K表示在發(fā)送節(jié)點(diǎn)的廣播覆蓋區(qū)域內(nèi)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)相距最遠(yuǎn)的接收節(jié)點(diǎn)的報(bào)文接收成功率。在處于廣播覆蓋區(qū)域的情況下,發(fā)送者會持續(xù)廣播直到接收節(jié)點(diǎn)成功恢復(fù)原始數(shù)據(jù),除非出現(xiàn)切換條件:最接近的接收節(jié)點(diǎn)接管廣播資源并且成為新的發(fā)送者,或者該發(fā)送者不再廣播報(bào)文。

1.2 網(wǎng)絡(luò)編碼解碼模型

    本文假設(shè)Ω為有限域,ζ表示有限域的大小,網(wǎng)絡(luò)編碼允許中繼節(jié)點(diǎn)在有限域中融合傳入的數(shù)據(jù)包,并且融合后的每個(gè)廣播數(shù)據(jù)包為原始數(shù)據(jù)包的線性組合。令A(yù)n={q1,q2,…,qn}表示n個(gè)原始數(shù)據(jù)報(bào)文,這些報(bào)文的長度相等,并帶有有限域Ω的標(biāo)識,編碼數(shù)據(jù)報(bào)文xi表示所有個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文的線性組合,表達(dá)公式如下:

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其中,QM×n由所有的嵌入式編碼向量所形成,如果矩陣Q的秩不小于n,則接收節(jié)點(diǎn)能夠恢復(fù)原始數(shù)據(jù)報(bào)文。

2 傳播模式分析

2.1 相遇廣播階段

    為了分析相遇階段的傳播過程,本文假設(shè):在一個(gè)發(fā)送者的廣播區(qū)域里令節(jié)點(diǎn)u表示第u個(gè)接收器,令Tu表示當(dāng)節(jié)點(diǎn)u變?yōu)榘l(fā)送者時(shí)的時(shí)刻。假設(shè)分別有一個(gè)節(jié)點(diǎn)u和節(jié)點(diǎn)v,當(dāng)節(jié)點(diǎn)u相比v更接近發(fā)送者時(shí),則節(jié)點(diǎn)u具有更高的成功接收概率,并且當(dāng)節(jié)點(diǎn)u比節(jié)點(diǎn)v提前移動(dòng)到廣播覆蓋區(qū)域時(shí),則節(jié)點(diǎn)u相比v積累到更多的數(shù)據(jù)包,因此,節(jié)點(diǎn)u具有更高的概率去接收足夠數(shù)據(jù)包進(jìn)行提前解碼。

    本文假設(shè)在發(fā)送者接管廣播資源之前,Pz個(gè)數(shù)據(jù)包通過發(fā)送者進(jìn)行廣播,并且節(jié)點(diǎn)i已積累了一些先驗(yàn)包PR。Pz和PR為滿足以下條件的兩個(gè)隨機(jī)變量:

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    接著將γj的概率密度函數(shù)代入到pc(f)中。

    考慮到在相遇階段之前發(fā)送者廣播了Pz個(gè)數(shù)據(jù)包,以及在相遇階段廣播了c個(gè)網(wǎng)絡(luò)編碼數(shù)據(jù)包,節(jié)點(diǎn)i從兩個(gè)發(fā)送者成功接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量D是一個(gè)隨機(jī)變量,等于η+f,D的條件概率密度函數(shù)如下:

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    因此在相遇階段,處在廣播覆蓋區(qū)域內(nèi)概率密度Pr(Tp=tp,D,Pz)越大的節(jié)點(diǎn)接管廣播資源成為發(fā)送者的可能性越大,這也意味著該節(jié)點(diǎn)在發(fā)送者的傳播完成時(shí)隙內(nèi)對廣播資源具有更高的成功接收概率[15],并且能夠提前解碼,保證了廣播資源能夠持續(xù)地傳播給不同的車輛節(jié)點(diǎn)。

2.2 相離廣播階段

    當(dāng)處于分離階段時(shí),兩個(gè)發(fā)送者的廣播覆蓋區(qū)域逐漸互相分離,并最終達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)車輛節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離相同方向的發(fā)送者時(shí),可能已經(jīng)在相反方向的發(fā)送者處率先接收到了編碼數(shù)據(jù)包,這些數(shù)據(jù)包會在該節(jié)點(diǎn)中一直緩存直到節(jié)點(diǎn)從相同方向的發(fā)送者處補(bǔ)充剩余的編碼數(shù)據(jù)包,進(jìn)而接管廣播資源成為發(fā)送者。對于車輛節(jié)點(diǎn)的緩存容量的計(jì)算,令BL表示緩存容量,即車輛節(jié)點(diǎn)從相反方向接收到數(shù)據(jù)包數(shù)量。

    考慮到實(shí)際情況,假設(shè)車輛高速移動(dòng),但速度低于最大值vmax,并且由于安全行駛距離的要求,在廣播區(qū)域內(nèi)車輛節(jié)點(diǎn)與發(fā)送者的通信深度不低于Ko,則發(fā)送者具有的發(fā)射時(shí)隙的數(shù)學(xué)期望為:

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3 實(shí)驗(yàn)仿真及分析

    為了驗(yàn)證本文所提出的基于雙向廣播模式切換的車輛自組織網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸算法的有效性,所采用的仿真工具為MATLAB7.0,仿真模擬的參數(shù)設(shè)置列于表1中。

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    對于所建立的網(wǎng)絡(luò)模型,車輛軌跡的模擬本文采用的是車輛運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生器VanetMobiSim,通過VanetMobiSim定義車輛軌跡來產(chǎn)生VANET仿真所需要的車輛軌跡trace文件。假設(shè)車輛的行駛方向只有正反兩個(gè)方向,在整個(gè)仿真過程中每個(gè)方向的行駛車輛有500輛,車輛的平均間距tx2-b1-x1.gif為100 m,道路總長用L表示。假設(shè)信道衰落模型為瑞利衰落信道,并且每輛車的發(fā)射功率P都相等,車輛的天線增益定義為:

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其中,車輛角度θ的范圍為-90°≤θ≤90°,θ3dB表示2 dB帶寬的天線角度,an表示最大衰減值。

    在實(shí)驗(yàn)對比分析中,采用GONG H和ZHENG Q提出的算法作為對比算法[16-17]。GONG H提出的是一種車輛信息共享網(wǎng)絡(luò),根據(jù)車輛的空間分布,在V2V通信在有限的覆蓋率上通過應(yīng)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論來改善數(shù)據(jù)信息的共享效率,減少通信中斷并提高數(shù)據(jù)廣播速度;ZHENG Q提出的是一種基于中繼網(wǎng)絡(luò)的V2V鏈路分配算法,采用基于多選擇背包問題來對鏈路資源分配進(jìn)行調(diào)度,降低通信中斷概率。這兩種算法在研究V2V通信持續(xù)時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸問題上都取得了一定成果,因此與本文算法進(jìn)行對比分析可以更好地驗(yàn)證算法的性能。

    傳播完成時(shí)隙即發(fā)送節(jié)點(diǎn)與相鄰節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)傳輸所需要的通信持續(xù)時(shí)間,根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況,V2V通信的持續(xù)時(shí)間可能不相同,因此在本組實(shí)驗(yàn)中采用不同傳播完成時(shí)隙來對算法的性能進(jìn)行驗(yàn)證。圖3顯示了對算法中斷性能的驗(yàn)證,在本文中中斷概率定義為任意相鄰的車輛間在其傳播完成時(shí)隙內(nèi)可能發(fā)生通信鏈路中斷的概率,中斷概率是驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)通信性能的重要指標(biāo)之一。從圖3中的結(jié)果可以看出,隨著傳播完成時(shí)隙的增加,各算法無法保障更多的通信進(jìn)程能夠順利完成,通信中斷概率逐步提升。本文算法相比GONG H和ZHENG Q提出的算法,整個(gè)仿真過程的平均中斷性能分別提升了12.1%和6.8%。本文算法根據(jù)對成功接收數(shù)據(jù)包以及數(shù)據(jù)包傳播完成時(shí)隙的概率密度函數(shù)的計(jì)算,該算法保障了更多的車輛節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)傳播進(jìn)程并持續(xù)廣播資源給其他節(jié)點(diǎn),而GONG H和ZHENG Q提出的算法沒有考慮到通信持續(xù)時(shí)間低于發(fā)送節(jié)點(diǎn)所需傳播完成時(shí)隙時(shí)所引發(fā)的中斷問題。

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    每個(gè)時(shí)隙在道路上行駛的車輛數(shù)用N表示,假設(shè)V2V通信的傳播完成時(shí)隙為40 s,圖4顯示了能夠成功接收廣播資源的車輛數(shù)達(dá)到N/2時(shí)算法的累積傳播完成時(shí)隙。累積傳播完成時(shí)隙越短,說明該算法能夠更快地完成數(shù)據(jù)廣播任務(wù),具有更高的廣播效率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果顯示,隨著N的逐步增加,累積傳播完成時(shí)隙也逐漸提升。從圖中的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出,整個(gè)仿真過程本文算法的平均累積傳播完成時(shí)隙相比GONG H和ZHENG Q提出的算法分別減少了28.7%和36.5%。本文提出的雙向廣播模式能夠有效選擇接管廣播資源的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),提高廣播效率。而GONG H和ZHENG Q提出的算法沒有根據(jù)傳播完成時(shí)隙來選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),中斷概率較大,因此累積傳播完成時(shí)隙較多。

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4 結(jié)論

    本文針對車輛自組織網(wǎng)絡(luò)有限通信持續(xù)時(shí)間下的數(shù)據(jù)廣播問題進(jìn)行研究,提出一種雙向廣播模式切換的車輛自組織網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸算法?;谲囕v間雙向通信模式的分析,提出相遇傳播和相離傳播模型。根據(jù)雙向廣播模式的數(shù)據(jù)包成功接收的概率密度函數(shù)以及期望的雙向廣播持續(xù)時(shí)間來選擇接管資源的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),將廣播資源持續(xù)傳輸給其他節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明,基于雙向廣播模式的數(shù)據(jù)傳輸方法在減少車輛網(wǎng)絡(luò)通信中斷概率、提高數(shù)據(jù)廣播效率上表現(xiàn)出了較好的效果。

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作者信息:

龔建鋒1,吳衛(wèi)祖2,何俊林3

(1. 茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程系,廣東 茂名525000;

(2.廣東海洋大學(xué) 信息學(xué)院,廣東 湛江524088;3.成都師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,四川 成都611130)

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