0 引言

    車輛自組織網絡(Vehicle self-organizing network，VANETs)的發展對于提高交通運輸安全性和提升車輛網絡數據服務具有重要意義，它包含了車輛與車輛、車輛與路邊單元以及車輛與基站的互相通信^[1-2]。基于VANETs的功能可以使得車輛實時獲取其他車輛或道路的狀態信息，提供路況導航、路況視頻監控、車載信息娛樂服務等^[3-4]。然而車輛網絡通信也面臨著諸多挑戰，例如車輛的高移動性使得網絡拓撲結構不穩定，通信中斷概率大。而對于車輛與車輛間的通信，由于車輛的相對速度不同，通信持續時間具有嚴格的限制，往往實際的通信持續時間使得車輛間的數據傳輸任務無法完成。因此在車輛的廣播覆蓋范圍內，如何選擇合適的鄰居車輛并在其所具有的傳播時限內完成數據傳輸任務，是目前VANET的重要研究問題之一^[5-6]。如果在有限的通信持續時間內能夠有效地完成車輛與車輛間的通信任務（Vehicular to Vehicular，V2V），可以使車輛間及時共享速度、機動狀態、地理位置、車載監控數據等信息，對提高交通效率和運輸安全都具有重要意義^[7-8]。

    對于車輛自組織網絡數據傳輸問題的研究，朱金奇等^[9]提出一種車載自組織網絡中基于停車骨干網絡的數據傳輸算法，設計基于停車覆蓋網絡的全新數據傳輸算法來實現車輛間的有效數據傳輸，并將其應用于城市停車場資源的合理配置中。馮誠等^[10]提出一種無線移動感知網絡上的數據聚集傳輸規劃算法，文中分析并求解了移動感知網絡上的無沖突數據聚集傳輸規劃問題，處理一個接收數據節點的多個發送數據節點之間傳輸不沖突問題，有助于提升車輛間的通信效率。馮慧芳等^[11]提出一種基于移動模型的VANETs網絡動態拓撲特征研究，詳細分析了VANETs 網絡瞬時拓撲特征及平均度、聚類系數和調和平均最短路徑長度等復雜統計參數隨時間的變化特征，實現高優先級內容傳輸的特殊QoS保證。謝勇等^[12]提出基于網絡編碼的車聯網數據分發策略，讓每個編碼包攜帶下一跳車輛信息并通過車輛應答實現對下一跳轉發車輛的選擇，確保了由轉發開銷最低的下一跳車輛完成數據的轉發，在完成傳輸任務的同時減少不必要的傳輸行為。

    針對VANET領域V2V的數據傳輸問題的研究，為了在有限的廣播時隙內完成V2V的通信任務，本文對VANET展開雙向廣播模式分析，確保所選擇的轉發節點在發送者的傳播完成時隙內對廣播資源具有更高的成功接收概率，并且能夠提前解碼，保證了廣播資源能夠持續地傳播給不同的車輛節點。

1 車輛網絡系統模型

1.1 車輛廣播模型

    本文考慮在雙向道路上兩個車輛節點朝著相反方向移動，如圖1所示，采用一個同步移動模型并忽略中斷概率，每個方向可以建模為一個車輛間距d相等的一維格形網絡，并且速度恒定，分別為v₁和v₂。假設發送節點通過一個發送時隙tq傳送一個網絡編碼分組。本文假設在每個方向有且僅有一個數據傳播節點，如圖2所示，傳播節點朝著相對于車輛移動方向的單一方向廣播數據包，接收器能夠通過不同的信道從兩個傳播節點接收到數據包，以避免同個方向之間不同數據傳播進程的互相干擾。雙向傳播分為兩個模型，例如圖1和圖2所示的相遇廣播模型和相離廣播模型，相遇廣播階段使得兩輛車之間的廣播覆蓋區域部分重疊，而在相離廣播階段，兩輛車之間的廣播覆蓋區域不重疊。當其他車輛駛出廣播覆蓋區域，則無法接收信號發送車輛所廣播的報文，只有在廣播覆蓋區域才能接收報文。

    在本文中，接收節點與廣播節點的相距不同，會使其接收數據報文的成功概率不相同。令p_s、p_o分別表示接收節點從相同方向、相反方向成功一個數據報文的概率。考慮到報文傳輸過程中存在路徑損耗，因此接收報文的成功概率與傳遞距離相關：p_s，1>…p_s，i>…p_s，K，下標i∈[1，K]表示通信深度，也表示該廣播覆蓋區域共有K個節點，p_s，K表示在發送節點的廣播覆蓋區域內與發送節點相距最遠的接收節點的報文接收成功率。在處于廣播覆蓋區域的情況下，發送者會持續廣播直到接收節點成功恢復原始數據，除非出現切換條件：最接近的接收節點接管廣播資源并且成為新的發送者，或者該發送者不再廣播報文。

1.2 網絡編碼解碼模型

    本文假設Ω為有限域，ζ表示有限域的大小，網絡編碼允許中繼節點在有限域中融合傳入的數據包，并且融合后的每個廣播數據包為原始數據包的線性組合。令A_n={q₁，q₂，…，q_n}表示n個原始數據報文，這些報文的長度相等，并帶有有限域Ω的標識，編碼數據報文x_i表示所有個數據報文的線性組合，表達公式如下：

其中，Q_M×n由所有的嵌入式編碼向量所形成，如果矩陣Q的秩不小于n，則接收節點能夠恢復原始數據報文。

2 傳播模式分析

2.1 相遇廣播階段

    為了分析相遇階段的傳播過程，本文假設：在一個發送者的廣播區域里令節點u表示第u個接收器，令Tu表示當節點u變為發送者時的時刻。假設分別有一個節點u和節點v，當節點u相比v更接近發送者時，則節點u具有更高的成功接收概率，并且當節點u比節點v提前移動到廣播覆蓋區域時，則節點u相比v積累到更多的數據包，因此，節點u具有更高的概率去接收足夠數據包進行提前解碼。

    本文假設在發送者接管廣播資源之前，P_z個數據包通過發送者進行廣播，并且節點i已積累了一些先驗包P_R。P_z和P_R為滿足以下條件的兩個隨機變量：

    接著將γ_j的概率密度函數代入到p_c(f)中。

    考慮到在相遇階段之前發送者廣播了P_z個數據包，以及在相遇階段廣播了c個網絡編碼數據包，節點i從兩個發送者成功接收到的數據包數量D是一個隨機變量，等于η+f，D的條件概率密度函數如下：

    因此在相遇階段，處在廣播覆蓋區域內概率密度Pr(T_p=t_p，D，P_z)越大的節點接管廣播資源成為發送者的可能性越大，這也意味著該節點在發送者的傳播完成時隙內對廣播資源具有更高的成功接收概率^[15]，并且能夠提前解碼，保證了廣播資源能夠持續地傳播給不同的車輛節點。

2.2 相離廣播階段

    當處于分離階段時，兩個發送者的廣播覆蓋區域逐漸互相分離，并最終達到一個新的穩定狀態。當車輛節點遠離相同方向的發送者時，可能已經在相反方向的發送者處率先接收到了編碼數據包，這些數據包會在該節點中一直緩存直到節點從相同方向的發送者處補充剩余的編碼數據包，進而接管廣播資源成為發送者。對于車輛節點的緩存容量的計算，令BL表示緩存容量，即車輛節點從相反方向接收到數據包數量。

    考慮到實際情況，假設車輛高速移動，但速度低于最大值v_max，并且由于安全行駛距離的要求，在廣播區域內車輛節點與發送者的通信深度不低于K_o，則發送者具有的發射時隙的數學期望為：

3 實驗仿真及分析

    為了驗證本文所提出的基于雙向廣播模式切換的車輛自組織網絡數據傳輸算法的有效性，所采用的仿真工具為MATLAB7.0，仿真模擬的參數設置列于表1中。

    對于所建立的網絡模型，車輛軌跡的模擬本文采用的是車輛運動軌跡產生器VanetMobiSim，通過VanetMobiSim定義車輛軌跡來產生VANET仿真所需要的車輛軌跡trace文件。假設車輛的行駛方向只有正反兩個方向，在整個仿真過程中每個方向的行駛車輛有500輛，車輛的平均間距為100 m，道路總長用L表示。假設信道衰落模型為瑞利衰落信道，并且每輛車的發射功率P都相等，車輛的天線增益定義為：

其中，車輛角度θ的范圍為-90°≤θ≤90°，θ_3dB表示2 dB帶寬的天線角度，a_n表示最大衰減值。

    在實驗對比分析中，采用GONG H和ZHENG Q提出的算法作為對比算法^[16-17]。GONG H提出的是一種車輛信息共享網絡，根據車輛的空間分布，在V2V通信在有限的覆蓋率上通過應用復雜網絡理論來改善數據信息的共享效率，減少通信中斷并提高數據廣播速度；ZHENG Q提出的是一種基于中繼網絡的V2V鏈路分配算法，采用基于多選擇背包問題來對鏈路資源分配進行調度，降低通信中斷概率。這兩種算法在研究V2V通信持續時間內的數據傳輸問題上都取得了一定成果，因此與本文算法進行對比分析可以更好地驗證算法的性能。

    傳播完成時隙即發送節點與相鄰節點完成數據傳輸所需要的通信持續時間，根據實際應用情況，V2V通信的持續時間可能不相同，因此在本組實驗中采用不同傳播完成時隙來對算法的性能進行驗證。圖3顯示了對算法中斷性能的驗證，在本文中中斷概率定義為任意相鄰的車輛間在其傳播完成時隙內可能發生通信鏈路中斷的概率，中斷概率是驗證網絡通信性能的重要指標之一。從圖3中的結果可以看出，隨著傳播完成時隙的增加，各算法無法保障更多的通信進程能夠順利完成，通信中斷概率逐步提升。本文算法相比GONG H和ZHENG Q提出的算法，整個仿真過程的平均中斷性能分別提升了12.1%和6.8%。本文算法根據對成功接收數據包以及數據包傳播完成時隙的概率密度函數的計算，該算法保障了更多的車輛節點完成數據傳播進程并持續廣播資源給其他節點，而GONG H和ZHENG Q提出的算法沒有考慮到通信持續時間低于發送節點所需傳播完成時隙時所引發的中斷問題。

    每個時隙在道路上行駛的車輛數用N表示，假設V2V通信的傳播完成時隙為40 s，圖4顯示了能夠成功接收廣播資源的車輛數達到N/2時算法的累積傳播完成時隙。累積傳播完成時隙越短，說明該算法能夠更快地完成數據廣播任務，具有更高的廣播效率。根據實驗仿真結果顯示，隨著N的逐步增加，累積傳播完成時隙也逐漸提升。從圖中的數據結果可以看出，整個仿真過程本文算法的平均累積傳播完成時隙相比GONG H和ZHENG Q提出的算法分別減少了28.7%和36.5%。本文提出的雙向廣播模式能夠有效選擇接管廣播資源的轉發節點，提高廣播效率。而GONG H和ZHENG Q提出的算法沒有根據傳播完成時隙來選擇轉發節點，中斷概率較大，因此累積傳播完成時隙較多。

4 結論

    本文針對車輛自組織網絡有限通信持續時間下的數據廣播問題進行研究，提出一種雙向廣播模式切換的車輛自組織網絡數據傳輸算法。基于車輛間雙向通信模式的分析，提出相遇傳播和相離傳播模型。根據雙向廣播模式的數據包成功接收的概率密度函數以及期望的雙向廣播持續時間來選擇接管資源的轉發節點，將廣播資源持續傳輸給其他節點。實驗仿真結果表明，基于雙向廣播模式的數據傳輸方法在減少車輛網絡通信中斷概率、提高數據廣播效率上表現出了較好的效果。

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作者信息:

龔建鋒1，吳衛祖2，何俊林3

(1. 茂名職業技術學院 計算機工程系，廣東 茂名525000；

(2.廣東海洋大學 信息學院，廣東 湛江524088；3.成都師范學院 計算機科學學院，四川 成都611130）