0 引言

    車聯網VANETs(Vehicle Ad hoc Networks)被認為是實現智能交通最有前景的技術之一^[1-3]。在VANETs中，道路上的車輛組成分布式網絡，車輛與車輛進行通信并交互信息，為此，VANETs在各類應用中得到廣泛使用。其中，安全應用與道路安全相關，目的在于保護道路上行駛人員的安全。這也是推行VANETs技術發展的最根本動力。然而，隨著信息技術的發展，相關的商業應用也相繼提出，如廣告、促銷等通知類消息以及天氣預報等^[1]。

    商業應用與安全應用最主要的區別在于它們對于消息響應時間要求。顯然，安全應用有很苛刻的時間要求，而商業應用對時間要求相對寬松^[2-3]。但是，商業應用需要更寬的帶寬。例如，兩類商家RSU1和RSU2，RSU1為旅館廣告，宣傳促銷信息；而RSU2為加油站，提供營業時間以及價格。這兩個應用的對象均是道路上的行駛者，即它們有共同的興趣區域。興趣區域由一跳或多跳長的道路區域構成，均在RSU1和RSU2的覆蓋區域內^[4]。在這種情況下，提高帶寬利用率、減少網絡堵塞以及降低數據包被重播次數成為需要解決的問題。

    網絡編碼是提高帶寬利用率的有效技術之一^[5]。網絡編碼允許轉發節點對數據進行簡單的操作，進而降低重轉的數據包數。典型的網絡編碼如圖1所示。假定節點X需要向節點Z轉發數據包P0，而節點Z正在向節點X轉發數據包P1，則節點Y需要向節點X和Z轉發數據。傳統路由中，節點Y分別向節點X、Z轉發數據包。若使用網絡編碼，節點Y將需要轉發的數據包P0、P1進行或操作，然后向X、Z轉發。X、Z節點接收被編碼后的數據包后進行或操作，就能恢復原來的數據包。通過簡單的網絡編碼，帶寬利用率提高了50%。

    針對商業場景，若來自兩個消息源的數據包被同一個轉發節點轉發，則在轉發前采用網絡編碼，提高帶寬利用率。然而，在網絡內使用網絡編碼技術具有隨機性和交通流量的不對稱性。由于數據包到達時間的隨機性，來自不同源節點的數據包不可能同時到達轉發節點。因此，轉發節點接收了一個數據包后有兩種處理方式。第一種，若需要編碼，它需要等待一段時間，直到接到另一個數據包；第二種，不進行編碼，直接轉發數據包，降低了時延。顯然，若采用第一種方式，等待時間增加了數據包傳輸時延，多數應用是難以接受的。

    在VANETs中，為了提高帶寬利用率，需要降低重傳的數據包數。因此，當轉發節點接收了一個數據包后，它面臨一個主要問題：是直接轉播數據，降低時延；還是等待接收到其他數據，然后進行編碼，提高帶寬利用率。

    本文以VANETs的多媒體安全數據傳輸問題為研究對象，假定的研究場景：同一個道路兩端有兩個源節點，兩個源節點之間具有N跳興趣區域。首先，為了獲取最優的吞吐量和降低網絡堵塞，從兩種不同的角度提出兩個不同的方案，分別為緩沖區域控制方案BSCS(Buffer Size Control Scheme)和時間控制方案TCS(Time Control Scheme)。BSCS方案是從緩沖區域大小控制因編碼所帶來的額外時延，而TCS方案是通過設定定時器來控制額外時延。最后，通過仿真分析了兩個方案的性能。

1 時延控制方案

    考慮兩個源節點(RSU1、RSU2)，并且假定RSU1的傳輸速率快于RSU2。每個轉發節點有緩存區域，能夠儲存數據包。當轉發節點從快的源節點（RSU1）接收了數據包Packet，就查詢緩存區域。如果區域不是空的，那么將剛接收的數據包與緩存域單元內的第一個數據包進行編碼。反之，若緩存區域是空的，則立即轉發數據包Packet。

    然而，如果是從慢的源節點（RSU2）接收了數據包Packet，那么轉發節點既可等待機會進行編碼或立即轉發數據包Packet。針對這兩個選擇，提出兩個不同的方案。這兩個方案是從不同的角度控制因網絡編碼所帶來的額外時延。換而言之，權衡轉發節點對數據包不編碼直接轉發與對數據包進行編碼兩個選擇的性能。

1.1 BSCS方案

    BSCS方案的目的在于通過控制緩存區大小，降低時延。通常，隊列內數據包數越多，每個數據包的時延就長^[6]。為此，在BSCS方案中，轉發節點依據隊列內數據包的個數決定是否儲存數據包。換而言之，儲存一個數據包的概率p與當時隊列的大小成正比。

    然而，若這樣簡單的操作，會導致最新到達的數據包被立即轉發，而之前的數據包仍在隊列內等待編碼機會。這就顛倒了數據包次序，加大了隊列內的數據包的時延。因此，轉發節點以概率p對新接收的數據包編入隊列，而以概率1－p釋放隊列內的第一個數據包。

1.2 時限方案TLS

    盡管商業應用對消息的傳輸沒有嚴格的時間要求，但長的傳輸時延也是難以接受的^[7]。因此，從時延角度設定TLS方案。轉發節點將自慢速率源節點數據包緩存于隊列中，且保留于隊列中的時間不超過T_max。因此，當轉發節點從源節點接收了一個數據包，直接緩存于隊列，并設置一個定時器，定時時長為T_max。在定時器計時完畢后，若該數據仍在隊列中，則立即轉發該數據，且不進行編碼。

2 性能分析

2.1 仿真場景

    利用NS3進行模擬仿真，仿真參數如表1所示。兩個源節點隨機地產生數據包，且產生數據包的間隔服從泊松分布，即利用泊松分布計算兩個相鄰數據包之間的間隔^[8-9]。在仿真過程中，假定λ₂=1 packet/s, 而λ₁是變化的。而車輛的速度從36～54 km/h變化。在仿真初期，250輛車隨機分布于長為4 000 m的雙向車道，20 s后，兩個源節點開始發送數據包。

    在仿真過程中，分析兩個方案的平均每跳時延、數據包傳輸率以及未編碼數據包數。其中，未編碼數據包數表示在所接收的編碼數據包中因各種原因而不能解碼的數據包。同時考慮兩種場景：靜態的源節點和動態移動的源節點。

    兩個方案的目的在于提高帶寬利用率，并控制因編碼所導致的時延。因此，選擇跳時延、帶寬節省率、數據包傳遞率和未解碼的數據包個數作為評估方案的性能指標。其中，跳時延為數據包在傳輸過程中每跳的平均時延；數據包傳遞率表示數據包被成功傳輸的幾率，數值等于節點所收到的數據包個數與兩個源節點所廣播的數據包數之比。而未解碼的數據包個數表示節點收到已編碼數據包后而不能解碼的數據包個數。

    為了更好地分析BSCS、TCS方案性能，選擇一個參照方案進行對比分析，其中參照方案是指：轉發節點對所有數據包均進行編碼再轉發，不考慮兩個源節點的傳輸速度率，也不控制編碼時延^[7]。在仿真中，將參照方案記為純網絡編碼，記為PNC(Pure Network Code)。

2.2 Tmax參數

    為了確認TCS方案的T_max參數，評估了它對吞吐量的影響，如圖2所示。從圖可知，隨著T_max的增加，帶寬節省率也隨之增加，這有利于針對不同應用要求調整T_max。當T_max=0.3時，帶寬節省率增加緩慢，為此，在下面仿真中，設定T_max=0.3。

2.3 數值分析

    (1)時延

    圖3顯示了由源節點2發送的數據包每跳的平均傳輸時延，其中圖3(a)表示靜態的源節點場景，圖3(b)表示動態的源節點場景。從圖中可知，在λ₁=1 packet/s時，PNC方案會導致大的時延，而BSCS和TCS方案有效地控制了時延。隨著λ₁的增加，BSCS和PNC時延下降。當=1.5時，BSCS和PNC方案的時延分別為1 s、2 s。而當=2.5時，這兩個方案的時延約為0.75 s。原因在于λ₁是反映隊列的釋放數據概率，隨著λ₁的增加，隊列的平均時延就下降。此外，TCS方案的時延最低，若從時延角度考慮，TCS方案是不錯的選擇，TCS方案的時延維持在0.3 s，與Tmax持平。

    當轉發節點移動時，轉發節點動態的特性影響了網絡的穩定性。從圖3(b)可知，PNC方案的時延波嚴重，但是BSCS方案和TCS方案時延均低于PNC。這也進一步說明，BSCS和TCS方案能夠有效地控制因編碼所帶來的時延。

    (2)帶寬節省率

    從圖4(a)可知，當=1時，NC方案的帶寬節省率約為50%，但是這是以高時延為代價的(見圖3(a))。而BSCS方案的帶寬節省率約為28%，遠優于TCS方案的13%。然而，隨著的增加，NC和BSCS方案的性能帶寬節省率性能相近，且緩慢下降。而TCS方案的帶寬節省率的改善幾乎不隨變化而波動，趨于常數，原因在于TCS方案采用了固定的編碼概率。

    (3)數據包傳遞率

    圖5描述了平均數據包傳遞率隨λ₁變化曲線。圖5比較了靜態轉發節點和動態轉發節點兩種情況下的平均數據包傳遞率，從圖中可知，靜態轉發節點有利于數據轉發，平均數據包傳遞率明顯高于動態轉發節點環境。此外，在動態轉發節點環境下，當λ₁小于1.5時，PNC的數據包傳遞率最低，并且隨著?姿1的增加，數據包傳遞率慢慢上升，且略優于BSCS方案。

3 總結

    車聯網的商業應用是由兩個源節點向同一個興趣區域傳輸數據。為了提高網絡帶寬利用率，采用網絡編碼技術。為了降低因網絡編碼所增加的額外時延，提出BSCS和TCS方案。BSCS方案從控制緩存區域大小角度控制時延，而TCS方案采用定時器原則。仿真結果表明，網絡編碼技術可以有效地提高帶寬利用率，帶寬節省率高達38%。而TCS方案更能有效地控制時延，在時延控制方面優于BSCS方案。

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