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。

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。

1.1 BSCS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。

    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T_max。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T_max。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。

    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)。

2.2 Tmax参数

    为了确认TCS方案的T_max参数，评估了它对吞吐量的影响，如图2所示。从图可知，随着T_max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T_max。当T_max=0.3时，带宽节省率增加缓慢，为此，在下面仿真中，设定T_max=0.3。

2.3 数值分析

    (1)时延

    图3显示了由源节点2发送的数据包每跳的平均传输时延，其中图3(a)表示静态的源节点场景，图3(b)表示动态的源节点场景。从图中可知，在λ₁=1 packet/s时，PNC方案会导致大的时延，而BSCS和TCS方案有效地控制了时延。随着λ₁的增加，BSCS和PNC时延下降。当=1.5时，BSCS和PNC方案的时延分别为1 s、2 s。而当=2.5时，这两个方案的时延约为0.75 s。原因在于λ₁是反映队列的释放数据概率，随着λ₁的增加，队列的平均时延就下降。此外，TCS方案的时延最低，若从时延角度考虑，TCS方案是不错的选择，TCS方案的时延维持在0.3 s，与Tmax持平。

    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。

    (2)带宽节省率

    从图4(a)可知，当=1时，NC方案的带宽节省率约为50%，但是这是以高时延为代价的(见图3(a))。而BSCS方案的带宽节省率约为28%，远优于TCS方案的13%。然而，随着的增加，NC和BSCS方案的性能带宽节省率性能相近，且缓慢下降。而TCS方案的带宽节省率的改善几乎不随变化而波动，趋于常数，原因在于TCS方案采用了固定的编码概率。

    (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?姿1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。

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