基于网络编码的车联网商业应用时延控制方案*

王英彦，曾　瑞

(义乌工商学院 机电信息分院，浙江 义乌 322000)

基于网络编码的车联网商业应用时延控制方案*

王英彦，曾瑞

(义乌工商学院 机电信息分院，浙江 义乌 322000)

网络编码被认为是改善网络性能的新兴技术。在车联网VANETs中，带宽被认为是最重要的网络资源。为此，利用网络编码技术提高VANETs中非安全应用的带宽利用率。当两个源节点同时向同一区域广播数据时，转发节点(Relay)就利用网络编码技术降低重播次数和带宽消耗。当转发节点Relay接收到数据包时,它有两个选择：等待编码机会，节省带宽；或直接发送数据包，降低时延。针对这两个选择，提出了两个不同的时延控制方案，分别命名为缓冲区域控制方案BSCS和时间控制方案TCS，用于降低数据包每一跳的时延和提高带宽利用率。仿真结果表明，两个方案能较好地控制时延，且带宽利用率提高了38%。

车联网；网络编码；商业应用；时延

0　引言

车联网 VANETs(Vehicle Ad hoc Networks)被认为是实现智能交通最有前景的技术之一［1-3］。在VANETs中，道路上的车辆组成分布式网络，车辆与车辆进行通信并交互信息，为此，VANETs在各类应用中得到广泛使用。其中，安全应用与道路安全相关，目的在于保护道路上行驶人员的安全。这也是推行VANETs技术发展的最根本动力。然而，随着信息技术的发展，相关的商业应用也相继提出，如广告、促销等通知类消息以及天气预报等［1］。

商业应用与安全应用最主要的区别在于它们对于消息响应时间要求。显然，安全应用有很苛刻的时间要求，而商业应用对时间要求相对宽松［2-3］。但是，商业应用需要更宽的带宽。例如，两类商家RSU1和 RSU2，RSU1为旅馆广告，宣传促销信息；而RSU2为加油站，提供营业时间以及价格。这两个应用的对象均是道路上的行驶者，即它们有共同的兴趣区域。兴趣区域由一跳或多跳长的道路区域构成，均在RSU1和RSU2的覆盖区域内［4］。在这种情况下，提高带宽利用率、减少网络堵塞以及降低数据包被重播次数成为需要解决的问题。

网络编码是提高带宽利用率的有效技术之一［5］。网络编码允许转发节点对数据进行简单的操作，进而降低重转的数据包数。典型的网络编码如图1所示。假定节点X需要向节点Z转发数据包P0，而节点Z正在向节点X转发数据包P1，则节点Y需要向节点X和Z转发数据。传统路由中，节点Y分别向节点X、Z转发数据包。若使用网络编码，节点Y将需要转发的数据包P0、P1进行或操作，然后向 X、Z转发。X、Z节点接收被编码后的数据包后进行或操作，就能恢复原来的数据包。通过简单的网络编码，带宽利用率提高了50%。

针对商业场景，若来自两个消息源的数据包被同一个转发节点转发，则在转发前采用网络编码，提高带宽利用率。然而，在网络内使用网络编码技术具有随机性和交通流量的不对称性。由于数据包到达时间的随机性，来自不同源节点的数据包不可能同时到达转发节点。因此，转发节点接收了一个数据包后有两种处理方式。第一种，若需要编码，它需要等待一段时间，直到接到另一个数据包；第二种，不进行编码，直接转发数据包，降低了时延。显然，若采用第一种方式，等待时间增加了数据包传输时延，多数应用是难以接受的。

在VANETs中，为了提高带宽利用率，需要降低重传的数据包数。因此，当转发节点接收了一个数据包后，它面临一个主要问题：是直接转播数据，降低时延；还是等待接收到其他数据，然后进行编码，提高带宽利用率。

本文以VANETs的多媒体安全数据传输问题为研究对象，假定的研究场景：同一个道路两端有两个源节点，两个源节点之间具有N跳兴趣区域。首先，为了获取最优的吞吐量和降低网络堵塞，从两种不同的角度提出两个不同的方案，分别为缓冲区域控制方案BSCS(Buffer Size Control Scheme)和时间控制方案TCS(Time Control Scheme)。BSCS方案是从缓冲区域大小控制因编码所带来的额外时延，而TCS方案是通过设定定时器来控制额外时延。最后，通过仿真分析了两个方案的性能。

图1　网络编码示例

1　时延控制方案

考虑两个源节点(RSU1、RSU2)，并且假定RSU1的传输速率快于RSU2。每个转发节点有缓存区域，能够储存数据包。当转发节点从快的源节点（RSU1）接收了数据包Packet，就查询缓存区域。如果区域不是空的，那么将刚接收的数据包与缓存域单元内的第一个数据包进行编码。反之，若缓存区域是空的，则立即转发数据包Packet。

然而，如果是从慢的源节点（RSU2）接收了数据包Packet，那么转发节点既可等待机会进行编码或立即转发数据包 Packet。针对这两个选择，提出两个不同的方案。这两个方案是从不同的角度控制因网络编码所带来的额外时延。换而言之，权衡转发节点对数据包不编码直接转发与对数据包进行编码两个选择的性能。

1.1BSCS方案

BSCS方案的目的在于通过控制缓存区大小，降低时延。通常，队列内数据包数越多，每个数据包的时延就长［6］。为此，在 BSCS方案中，转发节点依据队列内数据包的个数决定是否储存数据包。换而言之，储存一个数据包的概率p与当时队列的大小成正比。

其中ω表示队列的大小。

然而，若这样简单的操作，会导致最新到达的数据包被立即转发，而之前的数据包仍在队列内等待编码机会。这就颠倒了数据包次序，加大了队列内的数据包的时延。因此，转发节点以概率p对新接收的数据包编入队列，而以概率1－p释放队列内的第一个数据包。

1.2时限方案TLS

尽管商业应用对消息的传输没有严格的时间要求，但长的传输时延也是难以接受的［7］。因此，从时延角度设定TLS方案。转发节点将自慢速率源节点数据包缓存于队列中，且保留于队列中的时间不超过 Tmax。因此，当转发节点从源节点接收了一个数据包，直接缓存于队列，并设置一个定时器，定时时长为 Tmax。在定时器计时完毕后，若该数据仍在队列中，则立即转发该数据，且不进行编码。

2　性能分析

2.1仿真场景

利用NS3进行模拟仿真，仿真参数如表1所示。两个源节点随机地产生数据包，且产生数据包的间隔服从泊松分布，即利用泊松分布计算两个相邻数据包之间的间隔［8-9］。在仿真过程中，假定 λ2=1 packet/s,而 λ1是变化的。而车辆的速度从36～54 km/h变化。在仿真初期，250辆车随机分布于长为4 000 m的双向车道，20 s后，两个源节点开始发送数据包。

表1　仿真参数

在仿真过程中，分析两个方案的平均每跳时延、数据包传输率以及未编码数据包数。其中，未编码数据包数表示在所接收的编码数据包中因各种原因而不能解码的数据包。同时考虑两种场景：静态的源节点和动态移动的源节点。

两个方案的目的在于提高带宽利用率，并控制因编码所导致的时延。因此，选择跳时延、带宽节省率、数据包传递率和未解码的数据包个数作为评估方案的性能指标。其中，跳时延为数据包在传输过程中每跳的平均时延；数据包传递率表示数据包被成功传输的几率，数值等于节点所收到的数据包个数与两个源节点所广播的数据包数之比。而未解码的数据包个数表示节点收到已编码数据包后而不能解码的数据包个数。

为了更好地分析BSCS、TCS方案性能，选择一个参照方案进行对比分析，其中参照方案是指：转发节点对所有数据包均进行编码再转发，不考虑两个源节点的传输速度率，也不控制编码时延［7］。在仿真中，将参照方案记为纯网络编码，记为PNC(Pure Network Code)。

2.2Tmax参数

为了确认TCS方案的Tmax参数，评估了它对吞吐量的影响，如图2所示。从图可知，随着 Tmax的增加，带宽节省率也随之增加，这有利于针对不同应用要求调整 Tmax。当 Tmax=0.3时，带宽节省率增加缓慢，为此，在下面仿真中，设定 Tmax=0.3。

图2　TCS方案随Tmax的变化曲线

2.3数值分析

(1)时延

当转发节点移动时，转发节点动态的特性影响了网络的稳定性。从图3(b)可知，PNC方案的时延波严重，但是BSCS方案和TCS方案时延均低于PNC。这也进一步说明，BSCS和 TCS方案能够有效地控制因编码所带来的时延。

图3　每跳传输时延

(2)带宽节省率

(3)数据包传递率

图5描述了平均数据包传递率随λ1变化曲线。图5比较了静态转发节点和动态转发节点两种情况下的平均数据包传递率，从图中可知，静态转发节点有利于数据转发，平均数据包传递率明显高于动态转发节点环境。此外，在动态转发节点环境下，当λ1小于1.5时，PNC的数据包传递率最低，并且随着λ1的增加，数据包传递率慢慢上升，且略优于BSCS方案。

3　总结

车联网的商业应用是由两个源节点向同一个兴趣区域传输数据。为了提高网络带宽利用率，采用网络编码技术。为了降低因网络编码所增加的额外时延，提出BSCS和TCS方案。BSCS方案从控制缓存区域大小角度控制时延，而TCS方案采用定时器原则。仿真结果表明，网络编码技术可以有效地提高带宽利用率，带宽节省率高达38%。而TCS方案更能有效地控制时延，在时延控制方面优于BSCS方案。

图4　吞吐量的提高

图5　数据包传递率

［1］HARRI J，FIORE M，FILALI F，et al.Vehicular mobility simulation with VanetMobiSim［J］.Simulation，2011，87(4)：275-300.

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［5］熊飚，张小桥.VANET网络中小尺度衰落信道仿真［J］.通信技术，2010，43(12)：56-57.

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Controlling delay scheme for VANETs business application based on network coding

Wang Yingyan，Zeng Rui
(School of Electro-Mechanical and Information Technology，Yiwu Industrial&Commercial College，Yiwu 322000，China)

Network coding is an emerging technique known to improve the network performance in many aspects.In Vehicular Adhoc Networks(VANET),the bandwidth is considered to be one of the most important network resources.This paper proposes a network coding technique to improve the bandwidth utilization for non-safety applications in VANET.In a scenario where there are two sources broadcasting the data into the same area at the same time,the relay will use the network coding technique to decrease the number of rebroadcasting events and the consumption of the bandwidth.However,a fundamental problem for the relay when it receives a packet,is whether to wait for a coding opportunity and save the bandwidth or send the packet directly and reduce the delay.In order to address such tradeoff,we introduce two versions of our protocol,named buffer size control scheme(BSCS)and time control scheme(TCS).By both versions we aim to control the delay that is experienced by the packet at each hop,while achieving better bandwidth utilization.Up to 38%improvement in the bandwidth utilization has been recorded,and both schemes have shown a considerable amount of control on the imposed delay.

VANETs；network coding；business application；delay

TN926

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.025

浙江省公益性技术应用研究计划项目（2015C31171）；全国教育信息技术研究“十二五”规划课题(136241559，146241806)

2015-11-07)

王英彦（1981－），女，硕士，讲师，主要研究方向：计算机算法、人工智能。

曾瑞（1981－)，通信作者，男，硕士，副教授，主要研究方向：深度学习、模式识别与控制，E-mail：wang_yanyan19@sohu.com。

中文引用格式：王英彦，曾瑞.基于网络编码的车联网商业应用时延控制方案［J］.电子技术应用，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.