协作中继和网络编码在车载网络中的应用

刘姿杉，郭晋杰，张 琳

(北京邮电大学泛网无线通信教育部重点实验室，北京 100876)

0 引言

车载自组网(vehicle ad hoc networks，VANET)，作为一种专门为车辆间通信而设计的自组织网络，它不仅可以为交通运输系统提供安全和效率有关的应用，而且可以通过一系列的网络和娱乐服务以增强旅行者的舒适性［1］。车载网络已经吸引了研究领域和商业领域相当多的重视。虽然业界已经提出很多协议标准以及相关的网络机制以支持V2V(vehicle to vehicle)通信和V2I(vehicle to infrastructure)通信，例如专用短程通信(dedicated short range communication)IEEE802.11p 标准［2］，但是由于车辆节点的快速移动，网络拓扑的动态变化以及“隐藏终端”等问题的存在，使得在车载网络中实现高速率信息传递、无缝连接等仍然面临很多的挑战。

为了提高车载网络的信息交换能力，本文提出协作中继和无线网络编码相结合的机制来提高网络的性能及车与路边基础设施的连接性。在协作中继中，中继节点会根据实际的场景采用不同的中继策略来协助源节点到目的节点的信息传输，例如，信号放大再转发或是译码再转发等［3］。协作中继可以通过自适应或者固定的方式来实现。由于车载网的网络环境变化较快，固定的方式容易导致带宽利用率下降和适应性较低，自适应的策略会更适应于车载网的网络环境。在自适应的策略中，中继节点通常会根据源节点与中继节点及目的节点之间的信道质量、或者目的节点的反馈信息来选择合适的中继策略。当采用协作中继时，网络的连接性和通信质量得到了提高。但是协作中继的通信方式往往会降低网络的吞吐量，因为中继的引入会导致更多的延迟。

近几年，网络编码技术在无线网络中的应用受到了越来越多的关注。其利用无线网络的广播特性，基于存储-编码-转发的准则在中继节点处进行信息处理以提高信息传输的效率［4］。网络编码可以应用在OSI(open system interconnet)协议栈不同的层中。例如，在网络层，分组级网络编码将多个数据包组合成一个包然后进行转发，不同的接收机可以利用自身已经获取的数据包从编码后的数据包中提取自己需要的数据包。在物理层中，模拟网络编码通过结合不同的信号来提高带宽的利用率。大量的研究范例证明，网络编码不仅可以节省信息传输的次数，而且可以提高信息传输的鲁棒性和适应性。本文采用的符号级网络编码(symbol level network loding)［5］对位元错误的容忍度比随机网络编码更高，因此，允许更多的同时传输，从而，可以获得更大的吞吐量。

在现有的研究中，已经有一些文献提出在车载网络中结合协作通信和网络编码来提高网络性能。在文献［3］中，Ahlem等提出了当车辆节点与路边热点之间的信道质量变差时利用协作中继的方式来增强网络的连通性，如果车辆节点与热点之间是双向通信，则进一步在中继节点处采用模拟网络编码技术来提高通信效率。但本文提出的模拟网络编码是在物理层实现的，而由于车联网物理层条件的限制，使得物理层网络编码的实现非常复杂。在文献［6］中，Da等提出通过预测车辆的运动轨迹来选择一些热点，预先从中心节点接收有用的信息来分发给将要行驶到这些热点范围的车辆，并且采用网络编码的方式来分发信息。然而，现阶段，车载网的发展还不成熟，路边基本设施的布置还十分稀少，因此文献［6］中所提出的机制在现阶段并不实用。在文献［7］中，Nandan等提出了一种新的内容分发机制来提高车辆自组织网络的吞吐量。在文献［8］中，Li等结合符号级网络编码提出了一种优化的内容分发机制。然而，文献［6-8］的研究主要侧重于车辆之间的内容分发，较少涉及车辆节点与路边设施之间的文件分享和信息交换。本文中，我们结合实际发展状况，把侧重点放在路边热点(access point，AP)上，提出了一种协作通信和网络编码相结合的机制来提高路边热点与车辆节点的连接性，在路边热点还不能完全覆盖的情况下，提高路边热点的利用效率，从而降低信息传输的误码率，提高车载网络的吞吐量。

1 网络模型和问题陈述

假设路边设施会沿路段部署一些热点，并为车辆提供一定的覆盖范围，一般为500 m左右。这些热点之间可以相互通信，并且利用因特网接收有用的信息来分发给覆盖范围内的车辆。

图1是本文网络模型的范例，并将在下文来进一步阐述。假设汽车V行驶途中会先后驶入AP1和AP2的覆盖范围内。在此期间，V可以与热点通信来获得自身需要的安全类和服务类信息，并可以将自己的状态信息等发送给热点。但由于汽车的行驶速度较快，从而导致V在热点覆盖范围内的时间不超过1 min。当V驶出AP1的覆盖、将要驶入AP2的覆盖时，信道质量太差而无法与热点直接通信。针对此问题，我们提出了利用中继来协助热点实现对车辆进一步的内容分发。这个机制的实现需要解决以下三大问题。

1)什么时候需要协作中继?

是否需要采用协作中继是根据请求汽车V与路边热点AP之间的信道质量决定的。

当信道质量良好时，V会直接与AP进行通信。当信道质量低于门限值时，就会利用周围其他的车辆来进行信息转发。

2)怎样选择最佳车辆中继?

最佳车辆中继是根据我们提出的规则从请求车辆V和热点AP周边的一系列候选车辆中继中选择出来的。同时，我们提出了使用一个时间分布函数［1］来代表每辆候选车辆被选为中继的优先级。

3)怎样减少中继引入的延迟?

当需要进行协作中继时，车辆中继会把接收到的上行数据包(V发送到AP)或下行数据包(AP到V)进行符号级网络编码之后再转发给V。

图1 网络模型范例Fig.1 Network Model

2 车载网中的协作中继与网络编码

由上一节中所提到的三大问题的解决方案构成的机制，实现需要进行3个阶段。这里我们将详细叙述。

阶段1:协作中继的机会判定。

这个阶段是由AP/V接收到V/AP所发送的RFC(request for content)的信息所触发的。V可以向AP请求路况信息等安全消息以及娱乐新闻等服务消息，AP可以向V请求当前的行驶状态信息等安全消息的发送。如果V/AP接受应答，发送方同时会评估车辆与热点之间的信道系数HV－AP，并将其与门限值Htarget作比较。Htarget是当路边热点向汽车提供直接信息传输时，信道质量变得不可接受时的门限值。

当HV－AP＜Htarget时，汽车与路边热点的通信就需要协作中继。这时V/AP就会在CTS(clear to send)信息中的802.11 MAC帧的一些保留字段中发送响应信息，告知附近的所有车辆是否需要进行协作中继。

阶段2:分布式中继节点选择算法。

候选车辆中继(potential vehicular relay PVR)，汽车以及路边热点AP之间相互的信道增益和多普勒频移标记为{|HV－PVRi|2，dsV－PVRi}，{|HV－AP|2，dsV－AP}，{|HAP－PVRi|2，dsAP－PVRi}

当候选车辆中继的信道空闲时，便会接收路边热点传送给请求车辆V的信息。候选车辆中继正确接收到有关于请求车辆V的信息量记为N。

为了从候选车辆中继中选出最佳车辆中继，我们提出了基于一个时间函数的算法。它将信道增益、多普勒频移以及每辆候选中继所接收到的信息量作为输入，为每个候选车辆中继输出一个后退时间值。

当候选车辆PVRi接收到路边热点发送的CTS信息后，会根据自己与热点和请求车辆之间的信道增益和多普勒频移做出运算:Hi=min{|HV－PVRi|2，|HPVRi－AP|2}，Si=max{dsV－PVRi，dsPVRi－AP}以及信息量N的值。

最佳车辆中继就是将信道增益、多普勒频移以及信息量同时考虑在内，具有最佳表现的车辆。它往往离路边热点较近，并且与请求车辆V具有相同的运动方向和几乎相同的行驶速度。

(1)式描述了一个用来表示候选车辆中继优先级的时间函数。每辆车根据时间函数来计算回退时间从而选出最佳中继。

(1)式中:δ，δ'分别代表信道质量和信息量在选择中继的决定中所占的权重，并用来将等式转变为以时间为单位的量。

每辆候选车辆都会在接入信道之前回退时间Xi，当时间到期时，候选车辆就会尝试接入信道，如果此时信道处于空闲状态，候选车辆中继就会直接发送一个响应信息AFR(acknowledgement for relay)来表示自己已经被成功选为最佳中继，这时其他候选车辆中继接收到之后就会进行回退而不再接入信道。

当最佳中继被选出之后，就会将V/AP要发送的数据包进行符号级网络编码之后再转发给AP/V。

阶段3:符号级网络编码。

符号级网络编码是Katti在文献［5］中提出，是一种能提高无线网格网络吞吐量的新的网络编码方式。符号级网络编码的产生是由于无线网络中接收到的数据包可能不正确，但该包中的一些符号可能是正确的。符号级网络编码就是对这些正确接收到的数据包内的符号颗粒来进行编码，从而使得它不仅可以获得符号级别的分集性能，而且可以获得网络编码所带来的其他优点。与此同时，因为符号级别网络编码对位元错误的容忍度比随机网络编码更高，因此符号级别网络编码可以允许更多的同时传输，从而获得更大的吞吐量。

通常来说，符号级网络编码的工作原理如下。一个符号被定义为一个数据包中连续的一组位元，它们可能会被映射为物理层一种调制机制所对应的多个符号。假设信息源有个数据包需要发送，每个数据包的元素都可以用伽罗华域F2q中的向量来表示。在源节点的一个编码后的数据包中的第j个符号可以表示为所有K个源数据包的第j个符号的随机线性组合

(2)式中:sji是第i个数据包中j位置上的符号;vi是从伽罗华域 F2q中随机选取的系数，v=(v1，v2，…，vk)是用于编码数据包的编码矢量。每一个接收节点都会为每个位置的符号保留一个解码矩阵。如果新收到的j位置处的符号能够增加其解码矩阵的秩，那么这个接收到的编码后的符号才会被缓存。

在中继节点每个编码的数据包都是被正确接收并进行缓存的符号的随机线性组合。对于源节点来说，数据包中的每个符号都共享同一个编码矢量。然而在中继节点，不同位置的符号的编码矢量可能是不同的。对于一个中继节点u，它所发送的位置为j的编码符号可以被表示为

(3)式中:R是中继节点所缓存的位于j位置的符号的个数;s'ji是缓存的第i行j列的符号;vi={vli，…，vki}是此符号的编码矢量;sjl是第l个源数据包中位置j处的符号。因此，中继节点再次编码后的符号s″j仍然是源符号的随机线性组合，它的新的编码矢量为

3 性能分析和仿真结果

3.1 仿真设置

在这部分，我们将通过大量的Matlab仿真来模拟车联网网络环境的消息发送，并对比直接通信、采用协作中继通信以及我们所提出的采用协作中继和网络编码相结合的机制之间的网络性能。

我们假定有20辆车行驶在一维的2 000 m的道路上，2个热点坐标分别为(1 000，500)和(1 000，1 500)。2个热点的覆盖半径都为250 m，因此在车辆行驶出热点覆盖后，利用协作中继来扩大信息交换的范围是必要的。表1是仿真中的其他部分参数设置。

表1 参数设置Tab.1 Simulation parameters

仿真的进行与我们提出机制的3个步骤相关，通过模拟车载网络环境，计算直接传输，利用中继传输以及结合中继和网络编码进行传输三者的误码率和吞吐量来证明我们提出的机制具有更好的性能。

3.2 仿真结果和分析

3.2.1 阶段1 仿真

仿真中，我们规定了一辆参考车辆，图2显示了从它驶入道路之后的100 s内信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)的变化趋势。假设在整个仿真过程中，参考车辆遭受的噪声值固定不变，SNR的门限值设为10 dB。从图2可以看出，在0～30 s，80～100 s时间段，参考车辆与RSU(road side unit)之间的信噪比低于门限值，从而正常通信是不被接受的，这个时候采用协作中继的传输方式是必要的。

图2 参考车辆随时间变化的SNR值Fig.2 SNR values over time

3.2.2 阶段2，3 仿真

基于在第1阶段对于车载网络环境的仿真环境下，当参考车辆与热点之间的接收信号SNR值低于门限值时，所有的候选中继会根据自身与参考车辆以及热点之间的信道参数以及多普勒频偏值，并根据(1)式来选择最佳中继。仿真中，规定c=1，δ=0.5，δ'=0.5。我们假设传输机制为非编码的OFDM，调制机制为16QAM，通过仿真绘图得到不采用中继传输、只采用中继传输数据以及利用所提出的中继与符号级网络编码相结合的传输机制之间的误码率随时间变化的对比情况，如图3所示。可以看出，在80～90 s，参考车辆的SNR值迅速下降，信道质量变差，直接通信的误码率因此迅速提高，而采用中继传输可以明显提高信息传输的质量。而协作中继进一步结合了符号级网络编码之后，由于符号级网络编码对噪声和符号错误有着更高的容忍度，所以在我们提出的机制中误码率有了进一步的降低。

图3 误码率随时间变化对比图Fig.3 Bit error rate vs.time

图4给出了3种机制的吞吐量随时间变化的对比情况。在80 s以后，由于热点与参考车辆之间的信道质量变差，网络的吞吐量也随之下降。虽然协作中继的引入可以提高信息传输的质量，但同时是以延迟的增加和吞吐量的降低为代价的，所以只采用协作中继的信息传输方式的吞吐量有时比直接通信时的吞吐量还低，而采用符号级网络编码可以提高信息的传输效率，因此我们提出的机制可以获得比直接通信和只采用协作中继更高的吞吐量。

图4 吞吐量随时间变化对比图Fig.4 Throughput vs.time

因此从仿真结果可以得出当AP与车辆之间的信道质量变差时，采用协作中继与网络编码相结合的机制可以提高通信质量及传输效率。

4 结束语

本文提出了一种在车载网络环境下的自适应协作中继的机制来提高路边设施与车辆之间的通信质量，并利用符号级网络编码来提高信息传输的效率和误码率。通过大量的仿真我们得出，在利用协作中继的时候，信息传输的误码率降低，然而协作中继的引入也带来了更多的延迟而降低了网络的吞吐量。通过进一步结合网络编码技术，信息传输效率有了很大的提高，网络性能远远优于直接通信。协作中继机制及效率更高的网络编码方式仍需要进一步的深入研究。

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