一种P2P加速传输补偿的车联网协助下载方法

张建军, 向天天, 刘征宇

(1.合肥工业大学 计算机与信息学院,安徽 合肥 230009; 2.安全关键工业测控技术教育部工程研究中心,安徽 合肥 230009; 3.合肥工业大学 机械工程学院,安徽 合肥 230009)

一种P2P加速传输补偿的车联网协助下载方法

张建军1,2, 向天天1, 刘征宇2,3

(1.合肥工业大学 计算机与信息学院,安徽 合肥 230009; 2.安全关键工业测控技术教育部工程研究中心,安徽 合肥 230009; 3.合肥工业大学 机械工程学院,安徽 合肥 230009)

针对公路上路侧单元(road side unit,RSU)部署稀疏且通信范围有限所导致的用户在通信盲区内无法访问Internet的问题,对高速公路场景下的车辆在RSU覆盖区下载数据进行模型研究,文章提出了一种P2P加速传输补偿的协助下载方法。该方法充分利用了车辆间P2P共享传输和协助车辆携带剩余的传输数据来提高系统的吞吐量,并结合数据冗余分配算法协调车辆因车速的不稳定性引起的丢包率过高的问题。仿真结果表明,该方法提高了协助车辆的精确性、传输成功率和速率稳定性,避免过多的选择车辆导致的系统资源浪费;车辆携带冗余数据虽然占用了一些系统资源,但系统容错率相应地得到了补偿性的提高。

车载自组网(VANET);P2P共享传输;差量数据;冗余分配;协助下载

随着嵌入式技术和无线通信技术的发展,车辆装有不同的传感器收集相关状态信息,并通过车载通信模块与其他车辆交换信息,从而形成移动自组网(mobile ad hoc networks,MANET)的一种新应用形态——车载自组网(vehicular ad hoc networks,VANET)。VANET可以实现车与车、车与环境、车与人之间的信息互换,能帮助实现车、环境、人之间的连通[1-2]。作为物联网及移动自组网的一个大分支,VANET成为了当前交通领域及物联网研究的一大热点,在行驶安全、交通优化和车载娱乐等方面有着重要的作用,它是智能交通不可或缺的部分[3]。

在车联网中,车辆作为一个通信节点,可以通过电信运营商的3G或4G网络很方便地接入互联网获取相应的服务,但是高昂的资费和较差的服务质量局限了这种接入方式的发展。近些年来随着路侧单元(road side unit,RSU)的大规模部署,更多的车联网通信考虑的是如何利用IEEE 802.11p通信协议以及专用短程通信(dedicated short range communications,DSRC)技术将汽车通过RSU接入互联网,以实现与之进行信息交互[4-5]。然而由于公路上车辆快速的大范围移动以及部署路侧单元成本的制约,再加上有限的通信范围,这种接入方式很容易存在通信盲区(blind area,BA),即车辆接收不到任何路侧单元的信号,从而导致了通信的间歇性连接[6]。当车辆节点在一个RSU通信范围内不能完成下载请求时,只能等待接入下一个RSU后再继续完成下载任务,这种较长时间的延迟和通信的不连续带来很差的用户体验,用户很难享受实时信息交互的便捷性和娱乐性[7]。

为了解决这种较长时间的延迟和通信的不连续性,国内外研究者们提出了很多协助下载方法。文献[8]中的方法主要解决协助下载中的安全问题;文献[9]只针对协助下载中车辆的自私行为提出了一种互助激励机制;文献[10]提出了一种结合位置感知的流言传播机制的SPAWN协议,它局限于道路上的全部车辆都只能主动请求下载同一网络资源;文献[11]提出了一种基于分簇的对向协助下载方法,利用分簇算法对公路上的车辆进行分簇,利用分簇车辆组携带数据,在对向行驶过程中为用户车辆提供协助下载服务,其中的簇变化快,维护簇的成本太高;文献[12]提出的协助方法主要考虑了RSU部署策略,不同协助车辆选择算法的评估以及数据分块方案;文献[13]将相邻2个RSU之间的通信盲区分成大小不一的动态时槽,再通过其提出的方法选出协助车辆组,在对向行驶过程中把携带的用户所需数据在相遇时传递给目标车辆,其中对向通信时间太短,吞吐量不够理想。本文提出的协助下载方案主要是当RSU内的车辆发起资源请求时,若所请求的资源已有周边车辆下载过,则依据车速、位置等信息从中选择最佳车辆协助下载,以车辆间P2P资源共享方式实现;若没有,则通过RSU直接从Internet下载,如果预计在RSU内无法完成下载任务,那么同样需要选择协助车辆下载请求车辆剩余数据进行协助下载。本方法通过优化RSU内通信,削弱带宽竞争,减轻系统负载,以此实现相同时间内车辆的数据吞吐量达到最大。

1 协助下载方案

1.1 场景分析及建模

现假设每辆车均具备车-RSU和车-车无线通信能力,且每辆车的传输通信能力是相同的,车辆在每个时间片只能和一个协助车辆连接。公路交通状况良好,车辆移动时不发生交通事故或是影响车辆正常运行的其他故障,信道条件是理想的。RSU可以根据车载用户提出的下载请求在Internet上寻找相应的数据,且RSU寻找资源的能力足够强[6]。

结合公路的数据通信特点,本文将公路通信分为两类:① RSU通信覆盖区域。进入到该区域的车辆节点可以通过RSU接入 Internet,该区域覆盖范围为300～1 300 m;② 链接空洞区域。该区域中的车载节点与互联网失去联系,只能通过 Ad hoc 链接与其通信半径内的其他节点通信。车道场景模型如图1所示。

图1 车道场景模型图

每辆车进入RSU通信范围后都要发送交通信息注册包进行车辆交通信息注册,包含的关键字段如下:

车辆ID;车辆速度v;车辆注册时间t;车辆位置信息p。

每辆汽车进入RSU区域后都要注册自己的ID、速度、方向、位置以及进入RSU的时间。RSU中维护了一个其通信范围内所有汽车的交通信息注册列表，具体如下：

TrafficList={(ID0,v0,t0,p0),…,(IDn,vn,tn,pn)}。

在注册自己交通信息的同时车辆还需要注册自己所携带的资源信息。RSU维护着一个记录本通信范围内车辆所携带的资源信息列表DataList。DataList表中包含了文件的关键字和拥有相应资源的车辆ID号。

车辆不断更新速度信息、位置信息及资源信息,同时RSU也不断更新自身所维护的列表中的记录。当RSU超过一段预定时间接收不到某车辆的更新消息时，则说明该车辆已经驶出该RSU区域。约定速度以RSU的顺时针方向为正,以区分车辆的相对方向。

协助下载过程为:

(1) 当RSU内某一车辆有下载信息的需求时,发送请求信息。

(2) RSU收到后,查询DataList,判断该资源是否已有周边车辆下载过。

(3) 如果存在,那么选择一辆最佳车辆与之进行P2P分享,并以此车辆作为协助下载车辆;反之,则通过RSU直接从Internet获取资源。

(4) 当直接从Internet获取资源时,如果根据计算得出指定时间内无法完成全部数据下载,那么立即搜寻目标车辆的同方向的邻居车辆,确定协助车辆。

(5) 开始对目标车辆和协助车辆传输同一个文件的不同块的下载内容。

(6) 当目标车辆驶出通信范围后,就会向邻居车辆发送数据包,与协助车辆建立连接。

(7) 通信建立好后,从协助车辆处下载文件,从而获得文件的一个部分,而不是等待车辆进入下一个RSU时恢复下载。

1.2 基于P2P传输的车辆间资源共享

在上述模型基础上构建一个覆盖VANET应用层的P2P网络,以实现车辆间文件的快速共享传输。若车辆在RSU内发起的资源请求所下载的资源已有周边车辆下载过,则可以采用基于P2P传输的方式进行车辆间资源共享,削弱车辆间的带宽竞争,加速下载过程,增大RSU的吞吐量。

由模型可知,RSU作为Tracker服务器,记录网络中车辆的详细交通信息和所携带资源信息,需要维护的2个存储列表为车辆节点交通信息索引列表TrafficList和资源信息列表DataList。TrafficList表中的车辆节点交通信息包括车辆的ID号、速度、运动方向和位置等信息。DataList表中包含了文件的关键字和拥有相应资源的车辆ID号。

初始化时,TrafficList表和DataList表中分别记录有RSU覆盖范围内所有车辆节点的交通信息及其携带的文件信息。当有车辆的加入和离开时,RSU会及时更新TrafficList表和DataList表,添加或者删除车辆和文件的信息。一旦车辆加入后,就立即执行相应的共享机制。

资源搜索流程如图2所示,当道路上的车辆有下载需求时,发送请求消息给RSU,并同时设置查询时间戳Timer。接收到请求消息的RSU会检查本地列表是否含有相应的资源信息。如果有,那么RSU发送携带有对应资源的车辆的相关信息给请求车辆,建立连接,启动共享传输机制,与之进行基于P2P传输的车辆间资源共享。如果没有或者时间超出Timer,那么请求车辆将通过RSU直接从Internet下载。请求车辆完成下载任务后,RSU更新本地资源文件信息索引列表。

图2 资源搜索流程

1.3 通过RSU直接访问Internet通信

当车辆发起资源请求时,若周边车辆没有携带被请求的资源,则通过RSU直接从Internet下载。当用户车辆发起下载请求时,发送下载数据请求包,其包含字段如下:

车辆ID;数据类型;总长度;协议类型;源地址;目的地址;负载;存活时间;校验。

设当前的时间为Tc,RSU数据下载带宽为Wrsu,通信半径为R,用户需要下载的数据总量为Dsum。则请求车辆d在某个RSU通信覆盖范围内下载时间为:

(1)

可以直接从RSU获得的数据量为:

Drsu=αWrsuTd-rsu=

(2)

其中,α为不稳定带宽影响系数,同当前的网络状况有关[2]。

当接收到TrafficList列表中车辆的下载数据请求包时,RSU会比较通信覆盖区域内直接从其获取的数据量Drsu和请求数据总量Dsum的大小,估算下载的数据包在当前的网络传输速率下所需时间,并判断能否在车辆驶出通信覆盖区域之前完成下载任务,然后发送应答包,主要包含的关键字段有车辆ID、开始下载时间t0和预计下载结束时间te。

如果检测到车辆在RSU通信范围内无法完成下载任务,那么需要进行辅助下载时,车辆节点发送中断请求包请求RSU启动差量数据协助下载功能,其数据包主要包含的关键字段有车辆ID、差量数据Dle和通信结束时间te。

1.4 差量数据携带节点分配算法

假定RSU判断出目标车辆在通信覆盖区域内不能完成下载任务,估算出未完成下载的剩余下载数据量为Dle。为保证数据传输的持续性和完整性,在目标车辆一开始进行数据下载时RSU就启动协助下载机制,在所注册的车辆集合TrafficList中选取最佳的差量数据携带车辆节点集,并对所选协助车辆集按冗余分配算法进行数据分配。其中Dle应满足:

Dsum-Drsu≤Dle≤

0≤k≤2ρR

(3)

其中,Ts为车辆集k中第s辆协助车辆启动协助下载功能的起始时间;λ为公路交通流;ρ为车辆密度峰值。

1.4.1 差量数据携带节点选择

在RSU通信盲区内通信策略的关键是要解决选择协助车辆节点集以及选择哪个指标来优化结果。本文以通信预测时长和速度方差这2个新的指标来优化选取协助车辆节点集。道路上的车辆速度不尽相同,选取进行协助的车辆在目标车辆可通信范围内运行的时间也各不相同,因此可以统计在目标车辆通信范围内的所有备选车辆的通信预测时间,并研究分析所得到的备选车辆集合通信预测时间的分布。

如果备选车辆节点速度较快且处在目标车辆正前方的可通信范围的边缘,那么该车辆在很短的时间内就会驶出目标车辆的通信范围,断开通信,无法将自己携带的用户数据传递给目标车辆;如果备选车辆在目标车辆节点的可通信范围内,并且与目标车辆节点速度相近,那么备选车辆就可以在目标车辆的通信范围内维持较长时间,两者间的通信时长也相应增大,备选车辆节点有更充足的时间把自己携带的用户数据传递给目标车辆。因此,为了尽可能提高协助下载的成功率和数据传输效率,应按在RSU通信内盲区与目标车辆可通信且通信时间持续较长这一准则来选择协助车辆携带差量数据,优先选择速度方差较小的备选车辆节点为协助车辆是一个不错的方案。除此之外,还要同时兼顾车速的不稳定性对通信时长预判准确性和可靠性的影响。

(1) RSU检索自身维护的TrafficList表得到车辆速度信息,统计备选车辆的波动率即方差,计算公式为:

(4)

(2) 引入备选车辆节点机会权限值P来评估车辆节点的选择权限,定义如下:

(5)

其中,ti′为在盲区中通信时间;ti为在覆盖区中的下载时间。

在协助下载车辆的选择过程中,在RSU通信覆盖区内通信时长较大且盲区内时长相近的车辆节点为第1选择,考虑车辆节点的速度波动对通信预测时间影响较大,可与权限构成反比。

1.4.2 数据冗余分配算法

讨论对算法选择出的车辆节点集进行数据分配问题。因为不同的车辆节点之间同目标车辆通信时长是不尽相同的,所以不能将差量数据平均分配给车辆节点集中的所有车辆。设车辆间数据传输带宽为Wv,车间通信范围为l,则结合统计的预测下载时间和通信时间得出每个数据节点的理论携带数据量Dpt应满足:

(6)

Dpt=Ds′=max{Ds0,Ds1,Ds2,…,Dsn}

(7)

考虑到车辆在行驶过程中速度的不确定性[14],为了确保数据的完整性和数据传输的高效性,本文提出冗余数据携带算法(redundant data carry algorithm,RDCA),对协助下载车辆节点集中的车辆所携带的数据量进行时间性的边际修正。在数据打包分配的过程中,在每个理论值数据包结尾处增加下一个数据包的前端数据量,在保证数据完整性的前提下尽可能多地下载数据量。冗余数据量Drd同下载时间t成反比,同通信时间t′成正比,协助下载车辆节点的速度波动率对冗余数据量的影响非常大,因此每个协助下载车辆节点所携带的冗余数据量Drd为:

(8)

按此算法分配得到的数据,根据协助车辆的规模及数据量大小选择边际附加数据包,以避免协助下载车辆节点过快与目标车辆断开通信,从而导致数据传输不完整。数据分配结束后,当目标车辆驶出RSU通信覆盖区域进入通信盲区,按本文提出的策略选择出的协助下载车辆节点集中的车辆与目标车辆建立通信连接,将自身所携带的用户数据传输给目标车辆。

2 系统仿真

本文通过VanetMobiSim和NS2仿真将本文提出的协助下载方法、SDCD协助下载方法[6]以及不使用协助下载方法进行性能比较。利用VanetMobiSim实现公路场景下的道路网络拓扑结构设计。VanetMobiSim模拟结束会生成相应的trace文件,NS2使用该文件进行网络仿真。实验场景:根据文献所得高速公路的RSU点通信范围设为800 m,2个RSU之间的距离为8 km,符合高速公路上RSU点设置在服务区的实际情况。在公路上均匀分布400辆车,车辆的通信半径为250 m,RSU区域车辆的下载速率设为150 kB/s,同向车辆协助下载速率设为200 kB/s,车速在90～150 km/h之间随机产生,在车速变化上,假定车速变化的概率为p,变化的范围为90～150 km/h,并且符合对数正态分布,假定用户车速[11]为90 km/h。

不采用P2P传输补偿的协助下载方法和采用P2P传输补偿的协助下载方法的吞吐量情况之间的对比如图3所示。由图3可知,在0～50 s内车辆在RSU的通信范围内,当请求车辆所请求资源已有周边车辆携带,则从中选择一辆最佳车辆作为协助车辆,启用车辆间P2P资源共享传输,而另外一种无P2P传输机制的则直接访问Internet,同时根据相应策略选择协助下载车辆。P2P传输补偿机制有效削减了RSU车辆间带宽竞争,增大了系统吞吐量,明显高于无P2P传输补偿机制;50 s以后车辆离开RSU的通信范围,采用P2P传输补偿机制的车辆只需保持之前的通信连接即可,而无P2P传输的车辆则要与协助车辆建立新的连接,进行协助下载。故P2P传输补偿方法的吞吐量优于无P2P传输补偿的一般协助下载方法,且速率较为稳定,同时减少了延迟。

图3 2种方法吞吐量比较

本文测试了在不同数据量的下载情况下数据携带节点的选择算法的合理性，并对相同数据量的下载情况下,选用数据携带节点冗余算法的下载策略与无协助车辆的下载以及SDCD协助下载情况进行了对比分析。

在不同的数据量下测试带机会权限的选择算法和随机选择车辆情况下对数据传输成功率的影响如图4所示。

图4 车载节点请求文件大小对传输率的影响

显然,带机会权限的选择算法选择了更加优化的数据携带节点,提高了数据传输的效率,但随着数据量的增加,车辆节点中速度波动的不确定性、通信时间预测的不稳定性及链路中断丢包率增加导致的传输效率的降低是不可避免的。

不采用协助下载方法、SDCD协助下载方法和差量数据冗余协助下载方法的吞吐量情况之间的比较如图5所示。

图5 3种不同方法吞吐量的比较

由图5可知,在起始的50 s内,用户车辆处于RSU通信范围内并以150 kB/s的速率下载数据;50 s以后用户车辆驶出RSU的通信范围,不采用协助下载方法的车辆在盲区与Internet服务断开,需要等待300 s左右的时间进入下一个RSU通信区才能继续下载任务。与此对应的采用SDCD协助下载方法的车辆可从协助车辆上获取10 M的数据,而采用差量数据冗余协助下载方法的车辆则可以下载到13 M的数据,该方法的吞吐量高于SDCD协助下载方法。显然,SDCD协助下载方法虽能够有效地改善目标车辆吞吐量,但是,由于协助下载车辆选择方法的局限性,没有考虑到因为车辆速度的变化,车辆之间的通信时长可能会变长而导致在能够通信的范围内没有充分利用车辆的下载功能，所以,本文提出了带冗余数据量的协助下载方法,充分考虑了车辆行为的多变性,利用尽可能多传输数据协助下载车辆进行文件的下载,获得了较高的吞吐量。

为了比较P2P加速传输补偿的差量冗余下载方法在下载实际文件时的延迟(delay,D)和平均带宽(average bandwidth,AB),分别使用3种方法下载长度为8.4、26.9、56.2 MB的文件,见表1所列。在不采用协助下载的情况下,随着文件长度的增加平均带宽逐渐减少,并且平均带宽水平非常低。而使用SDCD协助下载方法和P2P加速传输补偿的差量冗余下载方法时,随着文件长度的增加,平均带宽逐渐增大。当下载大于26.9 MB文件时,采用P2P加速传输补偿的差量冗余下载方法的平均带宽在47.5 kB/s以上,明显高于SDCD协助下载方法的39.4 kB/s和不采用协助下载方法的15.6 kB/s,这是由于采用P2P加速传输补偿的差量冗余协助下载方法比SDCD协助下载方法更充分利用了车辆间的P2P共享传输机制,同时优化了协助车辆选取策略。因此,采用P2P加速传输补偿的差量冗余协助下载方法性能优于SDCD协助下载方法。

表1 下载不同大小文件的延迟(D)和平均带宽(AB)

3 结 论

本文通过对高速公路场景下的车辆在RSU覆盖区进行数据下载的模型进行研究,提出了利用车辆间P2P共享传输和协助车辆携带剩余的传输数据来提高系统的吞吐量,并结合数据冗余分配算法协调由于车速的不稳定性引起的丢包率过高的问题。实验结果证明,该方法提高了协助车辆的精确性及传输成功率,避免过多地选择车辆导致的系统资源浪费;同时带冗余数据的车辆虽然占用了不少系统资源,但也在一定程度上提高了系统的容错率。在实际的道路交通状况下,用户车辆可能于盲区内发起下载请求,下一步的研究工作将考虑利用无线自组网的传输模型研究符合高速公路特点的盲区请求高效辅助传输策略。

[1] 陈振,韩江洪,杨勇,等.VANET中利用空闲TDMA时隙协助发送数据的方法[J].通信学报,2015,36(7):92-101.

[2] 李超,韩江洪,魏振春,等.VANET场景下的GPSR-R路由算法[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2015,38(2):181-185.

[3] HANNES H,KENNETH P.A tutorial survey on vehicular ad hoc networks[J].IEEE Communications Magazine,2008,46(6):164-171.

[4] OTA K,DONG Mianxiong,CHANG Shan,et al.MMCD:cooperative downloading for highway VANETs[J].IEEE Transactions on Emerging Topics in Computing,2015,3(1):34-43.

[5] HASSANABADI B,VALAEE S.Reliable periodic safety message broadcasting in VANETs using network coding[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2014,13(3):1284-1297.

[6] 刘建航,毕经平,徐鹏.高速公路环境下车联网同向协助下载方法研究[J].科学技术与工程,2012,12(26):1671-1815.

[7] YANG S B,YEO C K,LEE B S.MaxCD:Efficient multi-flow scheduling and cooperative downloading for improved highway drive-thru internet systems[J].Computer Networks,2013,57(8):1805-1820.

[8] HAO Yong,TANG Jin,CHENG Yu.Secure cooperative data downloading in vehicular ad hoc networks[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2013,31(9):523-537.

[9] WANG Junjun,WANG Shuqi,SUN Yongjun,et al.An incentive mechanism for cooperative downloading method in VANET[C]//Conference on Vehicular Electronics and Safety(ICVES).[S.l.]:IEEE,2013:125-130.

[10] OTT J,KUTSCHER D.A disconnection-tolerant transport for drive-thru internet environments[C]//Proceedings of IEEE INFOCOM,Miamin,USA.[S.l.]:IEEE,2005:1849-1862.

[11] 赵征宇,张建军,刘征宇.一种基于分簇的车联网对向协助下载方法[J].传感器与微系统,2015,34(11):45-48.

[12] FIORE M,BARCELO-ORDINAS J M.Cooperative download in urban vehicular networks[C]//6th International Conference on Mobile Adhoc and Sensor System,MASS’09.[S.l.]:IEEE,2009:20-29.

[13] 刘建航,孙江明,毕经平,等.基于动态时槽的车联网协助下载方法研究[J].计算机学报,2011,34(8):1378-1386.

[14] 郭凤香,熊坚,秦雅琴,等.基于驾驶模拟实验的85%位车速预测模型[J].交通科技与经济,2010,12(3):104-107.

AP2PaccelerationtransmissioncompensationcooperativedownloadingapproachinVANET

ZHANG Jianjun1,2, XIANG Tiantian1, LIU Zhengyu2,3

(1.School of Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Engineering Research Center of Safety Critical Industrial Measurement and Control Technology of Ministry of Education, Hefei 230009, China; 3.School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

To overcome the problem that users in communication blind area cannot get access to the Internet due to the sparse deployment of road side unit(RSU) on highway and the limited communication range, a P2P acceleration transmission compensation cooperative downloading method is proposed based on the model of data downloading within RSU network’s coverage areas in highway scenarios. The approach takes advantage of P2P share transmission between the vehicles and utilizes other vehicles to help carry the rest of the transmission data to improve the throughput of the system, and integrates data redundancy allocation algorithms to coordinate packet loss rate problem caused by the instability of vehicle speed. The simulation results show that the presented scheme can improve the accuracy and success rate of assisted transport vehicles, and avoid the waste of system resources resulting from the excessive choice of vehicles. Although vehicles with redundant data occupy some system resources, the error tolerant rate of the system is improved.

vehicular ad hoc networks(VANET); P2P share transmission; redundant data; redundancy allocation; cooperative downloading

2016-02-22；

2016-04-18

国家电子信息产业发展基金资助项目(工信部财函[2011]506号)

张建军(1963-),男,浙江宁波人,博士,合肥工业大学教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.09.008

TP393.03

A

1003-5060(2017)09-1186-07

(责任编辑 闫杏丽)