车载自组织网络（VANETS）关联网络编码协作中继算法研究

毛志远 罗洋

摘 要：在车载自组织网络（VANETS）中，高效的数据分发一直是研究热点之一。为通过关联网络编码的协作中继有效地进行数据转发，将网络编码技术通过对传输数据进行网络编码并即时解码的方式应用于车辆之间通信，以提高数据分发效率。该算法与传统的直接传输与中继传输方法相比，有效减少了数据分发延迟，提高了数据分发效率和無线传输中的信道利用率。

关键词：车载自组网；数据分发；中继选择；网络编码；即时解码

DOI：10.11907/rjdk.172816

中图分类号：TP312

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）005-0056-03

Abstract：Efficient data distribution is one of the hot topics in VANETS. The paper focues on how to realise effective data forwarding through cooperative association network fulfill network encoding through the technology to accomplish real-time encoding for vehicle communication and improve the data distribution effciency encoding relay effective data forwarding is the study of this paper， the network encoding technology through the data network encoding and application method of realtime decoding to improve the efficiency of data communication between vehicles distribution. Compared with the traditional methods of transmission and relay transmission ，this algorithm effectively reduces the data distribution delay ， improves the efficiency of data distribution and channel utilization in wireless transmission.

Key Words：vehicular ad hoc networks； data distribution； relay selection； network coding； real time decoding

0 引言

随着人们生活水平的提高，私家车数量越来越多。近年来，无线自组网络技术发展迅速，当前汽车生产商生产的汽车都装载有车载单元（OBU）、传感器（Sensors）以及全球定位系统（GPS）。VANETs[1-2]最重要的应用领域为智能交通系统（Intelligent Transport System， ITS）。由于意识到VANETS信息交流的重要性，联合通信委员会（FCC）将5.850～5.925HZ的频率范围作为V2V[3]和I2V[4]的专用通信频段。在VANETs中，通过将当前路况收集到的区域交通数据分发给车辆，可达到减少拥堵、提高行车效率的目的。此外，数据在VANETS中的实时传输也是研究热点之一。车载自组织网络（Vehicular Ad-hoc Networks， VANETs）是一种专门为车辆之间通信设计的自组织网络，具有高动态、高迁移率的特性[5]，其具有专用的通信信道。DSRC可支持高达27Mbps的数据率与最大1 000m的通信覆盖范围，并能很好地支持不同的车载VANETS应用[6-7]。

由于VANETS网络的这种特性，车辆与路边单元（RSU）的直接交流会频繁断开。此外，RSU单元传输资源不够，以及无线信道传输信息丢失等问题，导致VANETs数据传输面临一系列严峻考验。如何更加高效地进行数据分发是VANETS当前亟待解决的问题。由于RSU造价昂贵，因此提高每一个RSU的数据分发效率成为提高车载自组织网络传递效率的另一个关键。车载自组织网络除I2V（Infrastructure-to-Vehicle）外，车辆间也可以V2V（Vehicle-to-Vehicle）合作方式进行数据转发。车辆进入到路边单元覆盖范围内（Area of Interest，AoI）时，会从路边单元接收数据；当车辆在路边单元覆盖范围外时，本文为了继续进行数据传输，采用了中继重传技术，同时引进网络编码，从而有效降低数据传输时间，减少数据传输误码率，增加吞吐量，并提高无线信道利用率。

1 网络编码技术

在传统通信网络中，数据传输方式为储存后进行转发。在整个数据传输网络中，只有数据的传输点和接收点进行数据的传输及接收，其它节点只负责路由，不对数据进行任何处理，只起到转发作用。网络编码技术[8]可对中间路由节点进行处理，核心思想为在网络的各个节点中处理信息，并转发给其它节点。这些节点可同时起到转发和处理信息的作用，从而提高信息传输效率。网络编码应用前后对比如图1所示。

图1（a）为未应用网络编码的方式，信源S将信息a、b发送给图中节点（u，v，w，z），这些节点只进行数据转发，x、y、z接收到的信息分别为a、a、ab，x、z并不能接收到信息b。

通过译码操作a+b+c即可得到信息b，使x可以得到a、b。从以上分析可以看出，网络编码技术可以提高数据分发效率。

2 场景系统模型

本文采用的车辆为智能车辆，已装载有GPS设备、无线传感器、无线收发机，可以获得相邻车辆的即时位置信息。车辆会定期接收到周边其它车辆相关信息（车辆行驶速度、车辆位置、请求数据等），路边设施会沿道路部署一些热点（RSU、AP），但是路边基础传输设备成本较高，无法密集建造，通过I2V方式完成所有通信并不現实。因此，采用中继方式进行数据传输能够更加有效地分发数据。

如图2所示为本文系统模型，当车辆位于AP1、AP2之间时，如果车辆在AP1或AP2覆盖范围内，在此期间车辆可以与路边通信设备进行信息交流。若车辆行驶速度很快，将导致车辆在路边单元覆盖范围内的时间很短；当车辆位于AP1和AP2覆盖范围外时，信道与车辆之间通信质量变差而无法与路边通信设备直接通信，此时则选用中继车辆进行转发，并通过网络编码[9-10]方式提高传输效率。

3 协作中继与网络编码

3.1 协作中继判定

车辆V在行驶过程中是否需要协作中继[11-12]由车辆V和路边单元AP之间的传输质量确定。当传输质量高，车辆V可以与AP之间通信；当传输质量低，V则会选择中继车辆进行协作传输。

车辆V在行驶过程中会向路边基础设施AP发送实时路况、车辆速度等一系列信息，同时从AP接收安全提醒、娱乐等信息。当AP向车辆发送询问信息时，如果车辆接收应答，则会计算其与车辆之间的信道系数CV-AP，并将此数值与设定阈值C1进行比较。当CV-AP大于阈值时，说明通信质量较好，不需要进行中继；如果小于阈值，传输信息则会在802.11MAC帧的保留字段中发出信息，判断是否需要中继。

3.2 中继算法选择

当判断车辆V需要采用中继算法后，此时需要选出最佳中继车辆，最佳中继车辆是在路边传输单元AP附近的一系列车辆中进行选择。因此，本文提出以下算法，此时将中继车辆接收到的数据大小，以及信道增益、多普勒频移都考虑在内，计算公式如下：

4 试验仿真与结果分析

4.1 实验参数设置

本文的实验仿真模型如第2部分所示，仿真工具为CSIM19。车辆运行模型为Green-shield's模型，这是微观车载仿真中经常使用的模型。车辆会随机分布在设定的道路上，同时为了消除边界影响，以及保证车辆数目的稳定，当车辆到达地图边界时，会随机产生新的车辆。车辆在运行过程中会生成请求，直到离开路边单元的覆盖范围。每个车辆可以生成多个请求，车辆在RSU中生成的请求个数服从泊松分布，产生请求的数据大小服从ZIPF分布，ZIPF分布的参数值为0.75。仿真具体参数如下：车辆行驶速度设定范围为[10，20]，车辆速度随机产生；车辆加速度设定范围为[0，1]，加速度随机产生；路边基础设施AP的覆盖范围为400m；数据传输过程中，信道丢包率为0.2～0.3。

4.2 结果分析

由图3可以得出，在70～77s时，由于路边基础设施与车辆通信信道的传输能力下降，直接通信误码率随即大幅升高，而采用中继方式进行传输相比于直接传输，误码率明显降低。当采用网络编码的中继传输方式Code-On-NC时，也大大降低了误码率。由于包级别误码率对于噪声容忍程度较高，因此具有更好的误码率降低效果。

由图4可见，根据直接传输、通过中继传输，以及采用网络编码Code-On-NC方式传输的吞吐量随时间变化对比发现，在70s以后随着路边传输设备与车辆之间的通信信道质量下降，通信网络的吞吐量随之降低；采用协作中继方式在一定程度上提高了信息传输质量，但降低了吞吐量；而采用Code-On-NC包的网络编码机制，能够提高传输质量，同时在吞吐量方面也有较大提高。

5 结语

在VANETS网络中，提高数据分发效率、降低数据访问延迟、减少数据传输丢包率及降低误码率是当前研究的热点。试验结果表明，本文通过车载网协作中继的机制，与传统的直接信息传输以及未采用网络编码的中继传输相比，在网络吞吐量和降低传输延迟等方面有了很大改善，并且优于直接的无线通信。然而，该方式仍有改进空间，在今后工作中有待进一步优化。

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（責任编辑：黄 健）