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在车联网中,由于车辆节点间无线链路的频繁中断易导致数据重传,使整个车辆组网性能急剧下降。为此,面向车联网提出了一种增强吞吐量的多径路由算法,其核心是使车辆节点分簇算法支持网络编码,从而达到对乱序和丢失报文恢复的目的。该算法首先采用协同编码通信模型来实现分簇后同簇车辆节点互相协同的多路径传输,然后采用网络编码对源端车辆和中间车辆节点发送的数据进行线性编码操作,最后在目的端节点予以解码。在基于QualNet仿真平台上的实验结果表明,该算法能够有效地提升车联网中多径路由的吞吐量。
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2013 年 8 月 Journal on Communications August 2013
第 34 卷第 Z1 期
通 信 学 报
Vol.34
No. Z1
车联网下基于网络编码的高吞吐量多径路由算法
范存群,王尚广,谷文哲,孙其博,扬放春
(北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室,北京 100876)
摘 要:在车联网中,由于车辆节点间无线链路的频繁中断易导致数据重传,使整个车辆组网性能急剧下降。
为此,面向车联网提出了一种增强吞吐量的多径路由算法,其核心是使车辆节点分簇算法支持网络编码,从
而达到对乱序和丢失报文恢复的目的。该算法首先采用协同编码通信模型来实现分簇后同簇车辆节点互相协
同的多路径传输,然后采用网络编码对源端车辆和中间车辆节点发送的数据进行线性编码操作,最后在目的
端节点予以解码。在基于 QualNet 仿真平台上的实验结果表明,该算法能够有效地提升车联网中多径路由的
吞吐量。
关键词:车联网;网络编码;簇;多径路由
中图分类号:TN929 文献标识码:A 文章编号:1000-436X(2013)Z1-0133-09
Enhanced-throughput multipath routing algorithm
based on network coding in IoVs
FAN Cun-qun, WANG Shang-guang, GU Wen-zhe, SUN Qi-bo, YANG Fang-chun
(State Key Laboratory of Networking and Switching Technology, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)
Abstract: In Internet of Vehicles (IoVs), the frequent interruptions of wireless links between the vehicles cause data retrans-
mission, which makes the whole vehicle network performance fall sharply. Hence, a multipath routing algorithm was pro-
posed for enhancing throughput. The core of the algorithm is to make the vehicle clustering algorithm support network cod-
ing, which can achieve the purpose of recovery of disorder and lost packets. Firstly, a collaborative coding communication
model was established to achieve mutual cooperative multi-path transmission between vehicle nodes in the same cluster.
Secondly, network linear coding was adopted to encode the transmitted data of source vehicle nodes and intermediate vehicle
nodes. Finally, destination nodes decode the received data. The performances of the scheme were evaluated by QualNet
software. Simulation results show that the algorithm could effectively improve the throughput of multi-path routing in IoVs.
Key words: IoVs; network coding; cluster; multi-path routing
1 引言
众所周知,车联网即是车辆物联网,是物联网
在城市泛在网络中的典型应用。如图 1 所示,车联
网是通过车辆与车辆、车辆与道路、车辆与人、车
辆与传感设备以及车辆与其他基础设施之间的信
息交互(人、车辆、道路和环境信息),实现车辆
与泛在通信网络的互联互通和信息共享,并在信息
网络平台上对采集的大数据信息进行处理、计算、
共享和发布,从而通过其提供的车联网服务实现未
来城市交通的智能化。
为了实现车联网中车辆与车辆间的信息交互,
从源端车辆到目的端车辆的数据传输需要中间节
点进行中继。传统上,路由协议会在源端和目的端
收稿日期:2013-07-18
基金项目:国家自然科学基金资助项目(61272521, 61202435);国家高技术研究发展计划(“863”计划)
基金资助项目
(2011AA01A102) ; 教 育 部 新 世 纪 优 秀 人 才 支 持 计 划 基 金 资 助 项 目 (NCET100263) ; 教 育 部 博 士 点 基 金
资 助 项 目
(20110005130001)
Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (61272521, 61202435); The National High Technology R
e-
seauh and Derelopment Program of China (863Program) (2011AA01A102); New Century Talent Supporting Project of Educa
tion
Ministry (NCET100263); Ph. D Programs Foundation of Ministry of Education (20110005130001)
doi:10.3969/j.issn.1000-436x.2013.z1.017
·134· 通 信 学 报 第 34 卷
节点之间选择一条路径,然后沿着此条路径转发数
据分组。然而在遍布高楼大厦的城市车联网环境
中,作为网络节点的车辆通常运行在一个高误码
率、高衰落和干扰严重的无线网络环境中
[1]
,由于
车辆间无线链路的不稳定性(高大建筑物可能会
阻挡无线电波的传播
[2,3]
),使车辆节点间距太大
时,容易发生通信链路中断。因此,为了克服传
统平面路由结构中的单径路由技术,车联网普遍
采用层次化路由结构中的多径路由技术来实现数
据的可靠通信(大量车辆节点的存在使源端车辆节
点与目的端车辆节点之间通常遍布多条路径),这
使多径路由算法或协议成为当前车联网中一个研
究热点
[4,5]
。
图 1 车联网应用场景
目前,针对车联网中的多径路由协议研究,文
献[6]提出了一种用于车辆网络的多跳路由协议
(GVGrid)。GVGrid 的本质是一种按需请求的路由
协议,即在目标区域中通过一个资源点(路边基站
或者固定节点)与车辆之间按需建立连接路径(包
括对断裂路由的修复)。
GVGrid 的具体实现方式包
括路由发现和路由维护 2 个阶段。在路由发现阶段
中,GVGrid 根据所划分的网格(把地理区域统一
划分为大小相同的方块,称之为网格(grid))中涵
盖的车辆位置信息和地图信息构建一个网络路径,
用来引导该网格中的车辆遵循该路径。例如,当出
现一些交通信号时(如红灯),该网格中的大多数
车辆都可能保持类似的速度状态,车辆之间能够保
持较稳定的距离(构建网络路径),此时后续进入
的车辆将按照该网络路径运行。在路由维护阶段,
主要通过缓存路径信息来寻找地图上新的连接路
径,其目的是为了提高路径的稳定性从而减少搜索
新路径带来的开销。文献[7]提出了一种用于车辆网
络中延迟容忍的路由方案,其核心是通过综合车辆
周围的局部交通信息和整个城市范围内的交通信
息来设计路由方案。其中 D-Greedy(delay-bounded
greedy forwarding)算法用于监测及采集车辆周围的
局部交通信息,并选择合适的路边单元,将该信息
传送到城市交通控制中心,该算法在考虑数据分
组的优先级和消息延迟程度的同时,通过将接收
到的来自城市交通控制中心的全局信息与局部信
息相结合,制定高效的路由方案,从而减小通信开
销,优化带宽利用率。D-MinCost (delay-bounded
minimum cost forwarding)
算法则通过对交忖到路边
单元的消息设定一定的延迟阈值来设计消息的优
先级(例如,一个严重事故的消息比一个道路路线
错误的消息具有更高的优先级)。
当车辆保持在一个群组内(group)时,车辆之
间可以进行稳定的通信。然而,当其中某一个节点
改变方向或者变更到另一个群组内时,则可能出现
通信链路断裂。对于重新建立的链接,如果链路质
量不稳定则会导致吞吐量急剧下降。因此,为了提
高车辆网络中的路径持续时间、网络吞吐量以及减
小控制开销,文献[8]提出了一种高稳定性的路由方
案。为了建立可靠的通信路径,避免链路中断,该
方案首先对群组内每条链路持续时间(LET, link
expiration time)进行计算,然后根据 LET 搜索同一
个组内最稳定的车辆间通信链路,最后,将该链路
选择为通信路径,从而避免洪泛消息影响整个通信
网络。文献[9]提出了一种用于分级路由的多普勒感
知成簇算法,该算法主要通过初始簇内节点间相互
速度引
起的多普勒频移来控制包间的交换从而对
簇进行度量。此外还提出了基于连接时间估测的动
态时间聚类算法,链接时间则是根据初始簇中节点
位置和速度参数进行估测的。
文献[10]着重研究了路由协议中数据交忖的有
效性(当车辆查询接入点信息存在一定的延迟时,
保证在合理的延迟下车辆能够有效地发送请求和
接受应答)。基于数据存储和转发理念,通过对延
迟最低、信道质量最佳的信道对数据分组进行转
发,提出了一种车辆辅助数据交忖协议(VADD,
vehicle-assisted data delivery),其核心思想是当车辆
节点携带的数据分组无法找到目的地的转发路径
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