CN103078934B - 一种基于协同优化符号位编码的车载网数据分发方法 - Google Patents

Abstract

一种基于协同优化符号位编码的车载网数据分发方法，数据分发中心通过设置的基站将数据以广播的方式对选定区域内的车辆节点进行数据分发，每个车辆节点都装备单射频无线接收器，每一个基站都有从数据分发中心获得的相同的源文件F；应用符号位编码对分发数据进行编码，当车辆节点处于基站的广播范围内时，基站以循环的方式将数据广播到车辆节点；当车辆节点处于基站的广播范围外时，车辆节点相互之间自组织形成一个移动网络，在车辆节点间选定一组中继节点，协同在车辆节点间分发数据，实现基于编码的数据协同广播分发。本发明方法能够更灵活地适用车载网动态的环境，相比传统的网络编码方式，编码速率高，网络吞吐量大，分发时延短。

Description

一种基于协同优化符号位编码的车载网数据分发方法

技术领域

本发明申请涉及车载自组织网络（Vehicular Ad-hoc Networks,VANETs,简称车载网）中数据分发的方法，尤其涉及一种基于协同优化符号位编码的车载网数据分发方法。本发明有助于提高车载网中数据的分发速率。本发明通过对分发数据进行符号位编码，结合优化行程长度编码，动态规划，模糊平均秩等技术，使用基于编码、数据有效性的协同数据广播分发机制，来完成车载网中数据的分发，满足了在车载网中高效的数据分发需求，从而为交通安全和车辆间的娱乐等应用提供分发支持，属于网络通信技术领域。

背景技术

车载网已经成为一种非常具有应用前景的新型无线数据分发网络，如果能够在车载网中快速、高效地将数据广播给车辆，那么将有效地提高网络吞吐量、降低时延，从而可以快速发送关于交通状况的信息，或者音频、视频等，对提高交通安全和车辆间的娱乐等都具有决定性的作用。由此可见车载自组织网络中基于符号位编码的数据分发方法可以帮助改善道路驾驶情况和提高驾车过程中的娱乐体验。

网络编码是一种对数据包进行编码后再分发的方法，目前在车载网中已有一些应用，但是不同的编码技术用在车载网数据分发中的效果是不同的。目前存在的车载网中的数据分发技术可以分为两大类：1）传统的数据分发机制，主要采用泛洪广播、区域广播、超集广播和自裁减广播等；2）基于网络编码的数据分发机制，具有代表性的有基于车辆发送请求的协同分发机制SPAWN、基于半请求的车辆协同分发机制AdTorrent、基于车辆发送请求的紧急视频分发流、基于退避时延的启发式中继选择VC-MAC机制、通过调整控制信道和服务信道的时间比来提高数据分发的性能的信道划分机制、无线Mesh网络中一种基于网络编码的可靠广播机制等。现有的基于网络编码的车载网数据分发技术，例如，Code torrent，通常将较大的数据文件分为多个数据块，对数据块中同一位置的数据包进行编码。在被编码后的数据编码片的分发中，任何位的传输错误都会导致数据片失效，因而大大降低了编码分发的性能。

各种基于网络编码的数据分发机制基本原理相似，可以参见如图1所示的示例。该图以车载网中车辆与基站交互路况信息为例，其中S表示交通信息资源发布点，负责监控路口1，路口2的交通状况信息，信息文件用集合{A,B}表示，AP₁，AP₂，AP₃通过有线宽带与S连接，负责信息广播。v₁，v₂为主干道上相向行驶的两车，当两车到达AP₂的广播范围时，若AP2对文件A，B进行XOR异或编码，在理想情况下，仅一次分发就可分别告知两车其前方路口路况信息。

网络编码应用在车载网中，不仅可以提高网络多播的分发容量，达到网络多播理论的分发上限，还有提高网络吞吐量，平衡网络链路的负载，减小数据分发的路径时延等优势，并且，随着车载网应用的增多，网络编码在该领域的应用已得到了日益广泛的关注。但是，用于车载网的网络编码，只有在收到正确的数据包时才存储编码转发该数据包，这样数据分发的效率将会很低，特别是发送大数据文件时，缺点将尤为突出。

发明人在研究过程中发现以上方案均存在着以下不足：一方面，目前应用在车载网中的网络编码技术，在一定程度上影响编码效率和编码速度；另一方面，目前用于车载网的中继选择策略基于信道质量，而没有考虑到车辆拥有的数据的有效性，导致节点每次广播数据可能会分发大量的冗余数据；再者，目前车载网的数据分发机制有较大的局限性，只能用来分发较小的文件。

发明内容

本发明要解决的问题是：网络编码有益于车载网数据分发，但目前应用于车载网的网络编码方法编码效率和编码速度不理想，可能会产生大量的冗余数据，并且智能用来分发较小的文件。

本发明的技术方案为：一种基于协同优化符号位编码的车载网数据分发方法，数据分发中心通过设置的基站将数据以广播的方式对选定区域内的车辆节点进行数据分发，每个车辆节点都装备单射频无线接收器，即支持802.11p协议的无线网络接口设备，用于数据发送和接收，每一个基站都有从数据分发中心获得的相同的源文件F，其大小为|F|，划分成M个大小相等的数据块D₁,D₂,…,D_M；每一个数据块包含N个大小相等的数据片Pe₁,Pe₂,…,Pe_N，其大小为J；每一个数据片中又包含个数据包Pa₁,Pa₂,…,Pa其中K为数据包的大小，即|F|=M*N*J；每一个数据块都应用符号位编码，当车辆节点处于基站的广播范围内时，基站以循环的方式将数据广播到车辆节点；当车辆节点处于基站的广播范围外时，车辆节点相互之间自组织形成一个移动网络，通过在车辆节点间选定一组中继节点，协同在车辆节点间分发数据，实现基于编码的数据协同广播分发，其中对车载网信道设置时间片周期用于所有车辆和基站的数据同步，在一个时间片周期内车载网信道分别作为控制信道或服务信道，控制信道时分发车辆安全信息，服务信道时分发基站要发送的源文件，所述基于编码的数据协同广播分发包括以下步骤：

1）邻居车辆间信息的交互，处于控制信道时，车辆节点广播附带HELLO报文的安全消息，邻居车辆节点收到该HELLO报文后，只对收到的HELLO报文进行分析，不再对其进行转发；每个时间片周期，车辆节点都广播附带HELLO报文的安全信息，保持每个车辆节点邻居信息表的更新；

2）计算车辆节点的有效性，切换为服务信道时，每个车辆节点根据邻居车辆节点数据下载状况，计算自己拥有数据对邻居车辆节点的有效性，有效性是指该车辆节点广播数据能为其所有邻居车辆节点提供有效数据的数量总和，表示该车辆节点在选择中继时的优先级；

定义U(D_i,u)为车辆节点u中数据块D_i的有效性，如式（3）所示：

其中，表示车辆节点u中数据块D_i中符号位i对应的解码矩阵的秩，Ne(u)表示车辆节点u的所有邻居车辆节点，表示车辆节点v中数据块D_i中符号位i对应的解码矩阵的秩，当x>0，Diff(x)=x；否则，Diff(x)=0；

计算出车辆节点u中各个数据块D_i的有效性，i∈[1,M]，选取有效性最大数据块作为车辆节点该时间片服务信道发送的数据，定义U(u)为车辆节点u的数据有效性，如式（4）所示：

U(u)=max{U(D₁,u),U(D₂,u),…,U(D_M,u)}   （4）

U(u)反应车辆节点u能为其邻居车辆提供的数据信息，同时也表示车辆节点u在访问服务信道时的优先级，有效性越大，相对应地优先级也越高；

3）中继节点间的协同分发，每个车辆节点设定一个退避时延，退避时延与车辆节点的优先级成反比例关系，当车辆节点的退避时延计时器到时时，该车辆节点对信道进行侦听，侦听到信道空闲时，该车辆节点访问信道且广播其有效性最大的数据块，所述数据块经过符号位编码；否则，在该时间片内不会再访问信道；

其中退避时延的设置具体为：定义Δt(u)为车辆节点u的退避时延，车辆节点u的退避时延Δt(u)定义如式（6）所示：

$\mathrm{\Δt}\left(u\right)=(1-\frac{U\left(u\right)}{N\·{\left|\mathrm{Ne}\right|}_{\max }}){\mathrm{\Δt}}_{\max }+\mathrm{Rand}(0,T_J)---\left(6\right)$

其中N为数据片的个数，Δt_max表示允许最大的退避时延，|Ne|_max表示可能的最大邻居数量，T_j表示对车辆的退避时延上加上的最大的抖动，Rand(0,T_j)是一个生成0到T_j之间随机数的随机函数；

通过所述基于编码的数据协同广播分发，数据中心完成对选定区域内的车辆节点的数据分发。

对车辆节点的HELLO报文进行扩展，在HELLO报文中，Type字段表示该数据为HELLO报文；Length表示该HELLO报文长度；Check Sum字段表示数据包的校验和；Neigh_Num字段表示该节点邻居节点的数量；Esti_Max_Neigh_Num字段表示该节点估计的其可能的最大邻居数；Data Rec_Sta字段表示该车辆节点的数据接收状态，采用一种模糊平均秩的方法；Reserved表示HELLO报文头部的预留字段；Vehicle Address字段表示发出该HELLO报文的车辆节点地址；

采用模糊平均秩的方法来表述车辆节点数据的接收状态，设车辆节点为u，数据块为D_i，每个数据块D_i接收状况用该数据块中各符号位对应解码矩阵秩的平均值来表示，需要log₂ ^N位：各符号位对应解码矩阵秩的平均值四舍五入为整数，表示节点收到各数据块中数据片数，所述平均值的范围是[1,K]；当表示收到数据片D_i中部分数据片；当表示收到数据块D_i中所有的数据片，总共需要M*log₂ ^N位来表示整个文件的数据接收状况；

车辆节点邻居信息表为，设VehicleAddress表示车辆的IP地址，Data Rec_Sta表示车辆节点数据接收状态；Neigh_Num表示车辆的邻居数，Esti_max_Neigh_Num表示其估计的最大邻居数，邻居信息表NDT记录邻居车辆节点广播的数据报文，当车辆节点收到邻居的HELLO报文后，根据报文中的信息，获得邻居车辆节点的IP地址，同时直接从HELLO报文中获得该邻居车辆节点广播的数据，当计算车辆节点的优先级时，通过对邻居信息表进行分析，计算车辆节点拥有的数据的有效性。

源文件F划分时，对同一数据块中N个不同的数据片同一位置符号位进行编码，则数据分发的消耗为比特，其中q表示一个字节中的比特数，据此使用片决定，根据文件的大小|F|线性地缩小数据片的长度，调整N值以减小数据分发的消耗。

车载网信道在一个时间片周期内，按照1：1的比例来分配作为控制信道和服务信道的数据分发时间。

对符号位编码进行优化行程长度编码：当传送一个编码的数据片时，数据片以数据包的形式传送；仅数据片的第一个数据包的头部附带编码系数向量，而该数据片中其余的数据包仅包含正常的数据包头部。

车辆节点通过载波检测来判断当前车载网信道的状态是空闲或繁忙，检测到信道空闲时，车辆节点访问信道广播其广播的数据；检测到信道繁忙时，车辆节点退出该时间片周期内的信道的竞争。

有益效果：

1)本发明采用网络编码方法，即符号位编码，并创造性地拓展此方法，应用于车载网数据文件分发中，选择了合理的编码单元，并且设计一种优化行程算法，以减少编码系数向量，进而优化机制的性能；

2)本发明提出一种基于车辆数据有效性的中继转发节点选择策略，该策略能最大化车辆节点每次广播数据的有效性，在一定程度上降低了车辆接受数据的时延；

3)本发明设计了模糊平均秩的方法来表示节点数据接收状态，减少HELLO报文的大小，降低了机制的开销；

4)本发明针对车载网中网路链接的不可靠性，提出一种基于编码、数据有效性的协同广播分发机制。在该机制中，采用符号位编码——扩展HELLO报文——基于车辆数据有效性的中继转发节点选择策略，有效的改善背景技术中提到的编码效率和编码速度不理想的问题，并且冗余数据较小，能够实现智能的分发较大的文件；本发明数据分发速率高，与PCDU机制以及CodeTorrent机制的仿真实验结果相比，本发明可以通过较高的编码效率来提高车载网中大数据的分发效率；

5)本发明便于用户使用。用户使用本发明，只要车辆具有单频道的接收器即可，能够得到高效的网络分发速率，从而提高得到交通信息、娱乐信息等的效率。

附图说明

图1是网络编码在车载网中的应用示意图。

图2是WAVE协议架构示意图。

图3是本发明的数据广播分发的场景示意图。

图4是本发明的基于编码的数据协同分发机制实现流程图。

图5是HELLO报文格式示意图。

图6是节点u接收数据的状况示意图。

图7是邻居信息表示意图。

图8是本发明的车辆节点协同分发示意图。

图9是车载网中基于符号位编码的原理图。

图10是本发明的优化行程编码长度原理图。

图11是车载网中各节点数据接收状况以及有效性示意图。

具体实施方式

车载自组织网络，简称车载网，不仅能够通过传播交通安全信息来提高车辆行驶安全性，还能为视频、音频、数据文件等娱乐信息的分发提供良好的支撑，已经成为新型无线数据分发网络的研究热点。然而由于车载网中节点的快速移动、节点间连接的频繁间断等特性，迫切需要高效的数据分发机制来支持这些车载网应用的开展，研究表明，现有的数据分发技术很难获得很好的性能，在车载网的通信技术中，无线广播信道的本质为网络编码的实施提供了良好的传播手段，因此网络编码技术自然被引入，来改善和提高数据分发的性能。另一方面，目前用于车载网的网络编码，只有在收到正确的数据包时才存储编码转发该数据包，这样数据分发的效率将会很低，特别是发送大数据文件时，缺点将尤为突出，而基于符号位级的网络编码如果应用在车载网数据分发中，性能将明显好于目前的网络编码，能减少分发次数、提高系统的吞吐量以及降低数据分发的时延。

针对车载网中数据广播分发的问题和难点，本发明中提出一种基于协同优化符号位编码的车载网数据分发方法，从而提高车载网中数据分发速率，有如下的特点：

1)应用环境简单：在现有的车载网部署中，只要车辆节点具有编码与解码功能即可，而目前的车载网中车辆普遍能够满足该要求。

2)数据分发速率高：与PCDU机制以及CodeTorrent机制的仿真实验结果相比，本发明可以通过较高的编码效率来提高车载网中大数据的分发效率。

3)使用简单：本发明针对车载网中的数据分发特点，采取相关改进技术，操作者只需按本发明进行部署，即可获得本发明期望的结果。

本发明基于网络编码能有效地提高网络吞吐量、降低时延的特点，率先采用一种适用于车载网的符号位编码，在此基础上设计一种优化行程长度编码的算法，该算法采用动态规划的思想，能有效地减少行程的数量，因此，也减少了编码系数向量。

另一方面，仅仅通过优化行程长度－符号位编码，难以大幅度提高性能。因此，本发明针对上述问题，提出一种基于符号位编码的数据协同广播分发机制。

本发明采取的技术方案是：一种基于协同优化符号位编码的车载网数据分发方法。在数据分发方面，本发明使用广播方式进行传播，但是在广播时对数据包进行单位更小的符号位编码。而且在具体分发时，采用基于符号位编码、优化行程长度编码方法、数据有效性的协同广播分发机制，该机制特别适用于发送较大文件时的车载网中。本发明将需要每个车辆都装备无线接收器（单射频），即一个支持802.11p协议的无线网络接口设备，用于数据发送和接收，无具体型号要求。

本发明的基于编码行程长度优化策略的协同编码技术在车载网数据分发技术主要包括：适用于车载网环境的符号位编码技术，数据协同广播分发机制，优化行程长度编码等几个关键技术。

下面具体介绍每种技术：

适用于车载网环境的符号位编码技术：

符号位编码最初是用来提高无线Mesh网络中单播传输的吞吐量。由于车载网中车辆节点的快速移动、无线信道的不稳定性，符号位编码非常适合应用在车载网数据分发技术中。符号位编码的节点采用一种分层的架构，IEEE将这种架构称为WAVE，如图2所示。在具体应用的车载网中，物理层将收到的数据包交付给数据链路层，该数据包不一定是正确的，但是数据包的头部必须是正确的，因为头部包含目的地址以及其他的一些重要信息，数据包的头部采用前向纠错编码来保证头部的可靠性。下面通过描述源节点、转发节点、目的节点的编码数据包形成过程，来说明节点中各层的功能。

1)源节点：物理层将数据交付给数据链路层，数据链路层将数据划分成m个数据块，包含m个数据包，然后按顺序传送到目的节点。数据包中一组连续的位为符号位。数据包P_i表示成一个向量(s_i1,s_i2,…,s_ij,…)，其中s_ij表示第i个数据包中第j个符号位，对m个数据包中第j个符号位s_ij编码后，形成第一层编码数据包P_t′的第j个符号位，表示成式（1）：

$s_{\mathrm{tj}}^{\′}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ti}}{s}_{\mathrm{ij}}---\left(1\right)$

其中，t表示源节点对符号位的第t次编码，x_ti是随机系数X_t=(x_t1,x_t2,…,x_tm)是第t次编码符号位的编码系数向量，也是第t次编码数据包的编码系数向量。中间节点或目的节点接收到编码数据包P_t′，首先判断该次的编码系数向量X_t是否与(X₁,X₂,…,X_t-1)线性相关。如相关，则认为该编码数据包是无效的，丢弃该数据包；如不相关，保存该数据包P_t′，并且保存相应的编码系数向量X_t。源节点给形成的编码数据包P_t′加上一个头部，然后再广播该数据包。数据包头部包含了编码系数向量。

2)中间节点：每个中间节点不断地侦听信道，接收并存储有效的数据包，并尽可能地解码出原始符号位。数据链路层标记错误的符号位为“脏位”，正确的符号位为“净位”。中间节点对其已保存的净位进行再编码形成第二层编码数据包，然后继续广播。

中间节点形成的第二层编码数据包P_r″的第j个符号位s_rj″表示成式（2）：

$s_{\mathrm{rj}}^{\′\′}=\underset{i=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ri}}^{\′}{s}_{\mathrm{ij}}^{\′}=\underset{i=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\left(x_{\mathrm{ri}}^{\′}\underset{l=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{li}}{s}_{\mathrm{lj}}\right)=\underset{l=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left(\underset{i=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ri}}^{\′}{x}_{\mathrm{li}}\right)s_{\mathrm{li}}---\left(2\right)$

其中r表示中间节点对净位第r次编码，s_ij′表示缓存区中存储的第i个数据包中第j个符号位，s_lj表示第l个原始数据包中的第j个符号位。

3)目的节点：目的节点不断地侦听信道，接收并存储有效的数据包，直到能解码出原始数据。源节点一个数据块中总共包含了m个数据包，则目的节点至少需要收到m个有效的编码数据包，其编码系数向量线性无关，才能解码出原始数据。

基于编码的数据协同广播分发机制：

符号位编码目前在车载网中没有得到应用，主要原因在于没有一个很好的数据分发机制保证其性能的良好发挥。鉴于此，本发明提出一种基于编码的数据协同广播分发机制，以提高符号位编码在车载网中的数据分发性能。

本发明讨论的是数据广播分发给选定的一定地域范围（有效区域）内的车辆。数据包括：交通局提供的关于某一路段的交通状况或者事故信息，某广告公司定期播放地多媒体广告和GPS地图更新文件等。在该地域范围内，沿着道路等间隔的安置一定数量的基站，基站通过有线网络互相连接至数据分发中心，广播相同的数据分发给该地域范围内的车辆。由于布置基站的成本较高，基站不可能覆盖整个网络。所以，整个数据广播分发模型由基站范围内的通信和基站范围外的通信组成，如图3所示。

为了建立可以满足协同分发安全信息和通信应用信息的需求，我们考虑两个具有代表性的信道：一个是控制信道，它来分发安全信息，可能包括车辆的位置和速度等信息；另一个是服务信道，专门用来分发基站要发送的娱乐等信息。本发明中，实际的车载网信道就一个，这里为了更清楚的说明本发明的实施，从分发数据的不同进行区分说明，将信道定义为控制信号和服务信道，即分发安全信息时，车载网信道作为控制信道，分发基站数据时，作为服务信道。为了保障安全信息的服务质量，使用固定大小的时间片周期，比如100ms的时间间隙作为一个时间片周期，并使得所有车辆和基站的时间片周期保持同步。为了方便起见，我们使得信道在一个时间片周期内，按照1：1的比例来分配控制信道和服务信道的分发时间。

车载网中基于路边基站的结构下，当车辆处于基站的广播范围内时，基站以一种循环的方式将数据广播到车辆；当车辆处于基站的广播范围外时，车辆相互之间自组织形成一个移动网络，通过在车辆间选定一组中继节点，协同在车辆间分发数据。

基于编码的数据协同广播分发机制是一种基于符号位编码的协同数据分发机制。基站通过一组动态选定的中继节点分发一个相对较大的文件F到一定范围内（有效区域）的车辆。每一个基站都有相同的源文件F，F被划分成同等大小的数据块，每一个数据块都应用符号位编码。基于编码、数据有效性的协同分发机制的工作过程如图4所示。

车辆处于基站的广播范围内时，基站基于车辆的数据下载状态，有选择的将数据广播分发到车辆中；车辆处于基站的广播范围外时，车辆相互之间自组织形成一个移动网络，通过选定一组中继节点，协同在车辆间分发数据。该机制的核心是符号位编码和选定中继节点，主要分为以下3步。

1)邻居车辆间信息的交互。为了提高数据分发的效率，处于控制信道时，每个车辆会广播一个安全信息，该信息里附带了包含车辆数据下载状况信息的HELLO报文。

本发明根据车载网中邻居信息交互的特殊性，对HELLO报文进行了扩展，如图5所示。在HELLO报文中，Type字段表示该数据为HELLO报文；Length表示该HELLO报文长度；Check Sum字段表示数据包的校验和；Neigh_Num字段表示该节点邻居节点的数量；Esti_Max_Neigh_Num字段表示该节点估计的其可能的最大邻居数；DataRec Sta字段表示该车辆节点的数据接收状态，采用一种模糊平均秩的方法；Reserved表示HELLO报文头部的预留字段；VehicleAddress字段表示发出该HELLO报文的车辆节点地址。

本发明采用一种模糊平均秩的方法来表述车辆节点数据的接收状态。假设节点为u，数据块为Di，由于数据块Di中各符号位有不同的解码矩阵的秩，需要较多的位数来表示。每个数据块Di接收状况可以用该数据块中各符号位对应解码矩阵秩的平均值来表示，需要log₂ ^N位如图6所示。各符号位对应解码矩阵秩的平均值四舍五入为整数，更能表示节点收到各数据块中数据片数。该平均值的范围是[1,K]；当表示收到数据片D_i中部分数据片；当表示收到数据块D_i中所有的数据片。因此，总共需要M*log₂ ^N位来表示整个文件的数据接收状况，这样，用来表示节点数据接收状况的HELLO报文，总共占安全信息比率相对较小，而不会影响安全信息的QoS性能。

邻居信息表的格式如图7所示。Vehicle Address表示车辆的IP地址，Data Rec_Sta表示车辆节点数据接收状态；Neigh_Num表示车辆的邻居数，Esti_max_Neigh-Num表示其估计的最大邻居数。邻居信息表（NDT，Neighbor Data Table）记录邻居车辆节点广播的数据报文。当车辆节点收到邻居的HELLO报文后，根据报文中的信息，获得邻居车辆节点的IP地址，同时，也可以直接从HELLO报文中获得该邻居车辆节点广播的数据。当计算车辆节点的优先级时，通过对邻居信息表进行分析，计算车辆拥有的数据的有效性。

2)计算车辆节点的有效性。切换到服务信道时，刚开始每个车辆都会根据邻居车辆数据下载状况，计算自己拥有数据对邻居节点的有效性。有效性是指该车辆广播数据能为其所有邻居提供有效数据的数量总和，表示该车辆在选择中继时的优先级。

定义U(D_i,u)为节点u中数据块D_i的有效性，如式（3）所示：

其中，表示车辆节点u中数据块D_i中符号位i对应的解码矩阵的秩，Ne(u)表示车辆节点u的所有邻居车辆节点，表示车辆节点v中数据块D_i中符号位i对应的解码矩阵的秩，当x>0，Diff(x)=x；否则，Diff(x)=0。

计算出车辆节点u中各个数据块D_i的有效性（i∈[1,M]），选取有效性最大数据块作为节点该时间片服务信道发送的数据。定义U(u)为车辆节点u的数据有效性，如式（4）所示：

U(u)=max{U(D₁,u),U(D₂,u)，…,U(D_M,u)}   （4）

U(u)反应车辆节点u能为其邻居车辆提供的数据信息，同时也表示该节点在访问服务信道时的优先级，有效性越大，相对应地优先级也越高。

3)中继节点间的协同分发。每个车辆节点设定一个退避时延，退避时延与车辆节点的优先级成反比例关系。当车辆节点的退避时延计时器到时时，该车辆节点将会侦听信道。假如侦听到信道空闲时，该车辆节点将会访问信道且广播其有效性最大的数据块（编码）；否则，在该时间片内不会再访问信道。

定义Δt(u)为车辆节点u的退避时延，如式（5）所示:

$\mathrm{\Δt}\left(u\right)=(1-\frac{U\left(u\right)}{N\·\left|\mathrm{Ne}\left(u\right)\right|}){\mathrm{\Δt}}_{\max }---\left(5\right)$

其中N是数据片的个数，Δt_max表示允许最大的退避时延，|Ne（u)|表示车辆节点u邻居节点的数量，每个车辆节点邻居车辆节点集合Ne(u)是不同的。在理想情况下，|Ne(u)|应设置为可能的最大邻居数量|Ne|max，对局部范围内所有的节点都是相同的，使局部范围内所有的节点退避时延的设定都是基于相同的邻居数量。但是，车载网拓扑结构的快速变化，设定|Ne|max为一个固定值是难以实现的。因此，可以估计节点局部范围内最大的邻居数。

为了防止广播等同优先级的节点设定相同的退避时延，需要在车辆的退避时延上加上随机抖动，因此，车辆节点u的退避时延Δt(u)定义如式（6）所示：

其中Tj表示最大的抖动，Δtmax由实际分发需要设定，Rand(0,Tj)是一个生成0到Tj之间随机数的随机函数，所述随机函数为现有技术。

车辆节点的协同分发以及退避时延如图8所示，A、B、D选为中继节点，协同分发时具有较低的退避时延。在该示意图中，基站作为数据分发的源节点，而A、B、D传输范围内的其他车辆分别为其目的节点。

Δtmax必须是足够大，以致于能区分广播相近有效性的车辆节点。

Tj必须足够大以致于能区分相同有效性的车辆节点v1和v2；也必须足够小防止不同有效性的车辆节点有相同的退避时延。

基于编码的数据协同分发机制中编码的方法

假定车辆将发送的源文件为F，其大小为|F|，划分成M个大小相等的数据块D1,D2,…,DM；每一个数据块又包含N个大小相等的数据片Pe1,Pe2,…,PeN，其大小为J；每一个数据片中又包含个数据包Pa₁,Pa₂,…,其中K为数据包的大小，因此，|F|=M*N*J。

符号位的选定原则：

块决定：将文件划分为数据块、选定基础的编码单元为数据块，由于数据块中包含有较多的符号位，需要大量的编码系数，提高了解码的复杂性以及编码所带来的开销。

包决定：将文件划分为数据块、数据块划分为数据片、数据片划分为数据包、选定基础的编码单元是数据包，则解码所需要的时间为O(N³)。因此，为了降低解码的时间，应该选取较小的N值。根据等式|F|=M·N·J可知，选取较小的N值，M值会随之变大。

当车辆发送的文件总共分为M个数据块时，每个数据块被收集到的可能性相同，一个车辆想要收集整个文件F，M越大，收集文件的各个数据块需要收集次数就越多。

为了平衡车载网中基于符号位的网络编码带来性能的提高和解码需要的时间，应选取片决定，即对同一数据块中N个不同的数据片同一位置符号位进行编码。使用该方法至少消耗比特，其中q表示一个字节中的比特数。如果J=20KB，N=1KB，K=32，M=32，q=8，此时的消耗过大，因此使用片决定，根据文件的大小|F|线性地缩小数据片的长度，使N值维持在一个比较合理的范围，从而减小数据分发的消耗即可。

优化行程长度编码：

数据片中符号位的数量J·I/K会随着数据片的增大而增大，I表示数据包中含有的符号位数。在某些极端的情况下，如果每个符号位均有不同的编码系数向量，则需要非常多的编码系数，会导致广播数据包的头部较大。因此本发明采用一种优化行程长度编码的方法，来减少编码系数向量。

图9显示车载网中符号位编码的原理。源节点发送两个数据包P_a和P_b到目的节点D，中间节点为R₁，R₂。假设中间节点R₁正确接收到符号位a₂,a₃…,a_n和b₁,b₂,…,b_n-1，没有接收到符号位a₁和b_n，正确收到的符号位称为净位，如图中用白色区域所示，未接收到或收到错误的符号位称为脏位，如图中用黑色区域所示。中间节点R₂正确接收到符号位a₁,a₂…,a_n-1和b₁,b₃,b₄,…,b_n，没有接收到符号位a_n和b₂。中间节点R₁根据式（7）（编码系数为α和β），分别对已经收到的净位进行网络编码，行成数据包P_c，然后在分发给目的节点D。同理，R₂通过编码系数μ和δ，对已经收到的净位进行网络编码后，行成数据包P_d，分发给目的节点D。

如果a_i和b_i都未被节点正确收到，即都是脏位，则该符号位不会被该节点发送。中间节点R₁和R₂分别广播编码数据包P_c，数据包头部包含编码系数α和β，以及编码数据包P_d，数据包头部包含编码系数μ和δ。目的节点D只正确收到编码数据包中的一些符号位，但是目的节点收到4个编码数据包P_a、P_b、P_c和P_d。对于每一个符号位i，只要有任何两个编码数据包中的第i个符号位被收到，目的节点D均能解码出原始符号位i。比如对于符号位i＝2，由于正确收到编码符号位c₂和d₂，目的节点通过解式（8）能解码出源节点发送的原始数据a₂和b₂。

$\left\{\begin{array}{c}{c}_2={\mathrm{\αa}}_2+{\mathrm{\βb}}_2\\ d_2={\mathrm{\μa}}_2\end{array}\right.---\left(8\right)$

分发数据包时，包头部需要包含每个符号位对应的编码系数向量。假如数据包中所有的符号位都有相同的编码系数向量，相当于头部包含数据包编码的编码系数向量，由于编码系数向量相对较小，能有效地在数据包头部表示。假设同一批次源节点有两个数据包P_a和P_b要传送给目的节点，中间节点收到了编码数据包P_c=αP_a+βP_b和P_d=μP_a+δP_b。中间节点对收到的数据包P_c和P_d进行编码（编码系数x₁和x₂），形成数据包如式（9）所示：

P=x₁P_c+x₂P_d=(x₁α+x₂μ)P_a+(x₁β+x₂δ)P_b   （9）

显然，该编码包有编码系数向量则目的节点收到的数据包P中第j个符号位s_j如式（10）所示:

s_j=x₁c_j+x₂d_j（假设c_j和d_j都是净位）

=(x₁α+x₂μ)a_j+(x₁β+v₂δ)b_j   （10）

但由于目的节点收到的数据包P中肯定有脏位，则目的节点收到的数据包中第j个符号位s_j如式（11）所示：

每个不同值的符号位都对应不同的编码系数向量，这样会导致数据包的头部需要很长的部分用来表示编码系数向量，降低了机制的性能。本发明采取一种行程长度编码的方法，通过忽略一些净位使数据包中较多的符号位具有相同的编码系数向量，能提高机制的效率。

图10阐释优化行程编码长度的基本原理。假设转发者已经收到3个数据包，每个数据包中都有脏位，如图中黑色区域所示，根据式（11）形成7个不同编码系数向量的行程R₁,R₂，…,R₇，行程在此表示一些符号位经过编码所行成的数据。但是，通过忽略某些净位，能减少行程的数量且扩大行程的长度。通过忽略第一个数据包和第二个数据包中收到的某些净位，行程R₁,R₂，…,R₅组合成更长的行程，编码系数为γv₃。同理，通过忽略第三个数据包中收到的某些净位，后两个行程R₆和R₇组合成更长的行程，编码系数为αv₁+βv₂。这样就形成第一个编码数据包。通过忽略不同数据包中的不同净位，将第一个较长的行程分为两个相对较短的行程。因此，第二个编码数据包包含3个行程，编码系数分别为δv₂+ωv₃，μv₁+ωv₃，μv₁+δv₂，显然第二个数据包的编码系数与第一个编码数据包的系数线性无关。为了组合行程形成大量的线性无关的编码数据包，本发明采用动态规划的算法来解决该问题。

假设节点总共收到n个数据片，每个数据片都包含净位和脏位，根据式（11）形成行程R₁,R₂，…,R_L，L为2ⁿ-1，而优化的行程长度编码方法会根据各个数据包中的净位和脏位将R₁,R₂,…,R_L中的几个连续的行程组合成长度更长的行程。C_mn表示行程R_m…R_n组合后行程，C_mm表示行程R_m。组合行程C_mn的开销如式（12）所示：

$\mathrm{Cost}\left(C_{\mathrm{mn}}\right)=\min \{f\left(C_{\mathrm{mn}}\right),\underset{m<k<n}{\min }\{\mathrm{Cost}\left(C_{\mathrm{mk}}\right)+\mathrm{Cost}\left(C_{\mathrm{kn}}\right)\left\}\right\}---\left(12\right)$

其中，

当组合行程相对于上次分发的编码数据包是无效的，函数f(C_ij)表示组合行程符号位的数量；当组合行程相对于上次分发的编码数据包是有效的，函数f(C_ij)表示描述组合行程的位数量，组合行程的开始位和末尾位，需要(2logS)/8位，其中K是数据包的大小；而描述组合行程编码向量需要N位，N表示数据块划分的数据片数量。式(12)中比较组合行程和划分成两个行程各需要的开销，如果划分后的开销更小，，则将行程C_mn划分成行程C_mk和C_kn。

简言之，基于编码的数据协同分发机制采用片决定-优化行程长度-符号位编码，是一种用于车载网中，实现数据分发的高效方法。当传送一个编码的数据片时，数据片以数据包的形式传送；仅数据片的第一个数据包的头部附带编码系数向量，而该数据片中其余的数据包仅包含正常的数据包头部。

下面说明本发明的实施过程：

1)邻居车辆的发现与交互

处于控制信道时，车辆节点广播附带HELLO报文的安全消息。邻居车辆节点收到该HELLO报文后，只对收到的HELLO报文进行分析，不再对其进行转发。每个时间片周期，车辆节点都会广播附带HELLO报文的安全信息，保持每个车辆节点邻居信息表的更新。

2)中继车辆的选择

车辆驶出基站范围内形成自组织网络,然后通过该网络协同分发数据。由于车载网的移动特性，中继车辆节点的选择是基于局部信息的。为了使选定的中继能为其邻居车辆节点尽可能多的提供数据，每个车辆节点需要根据邻居信息表计算自己的有效性，选取车辆节点含有数据块有效性的最大值表示车辆节点的有效性。

图11描述车载网中各节点的数据接收状况以及有效性。假设数据块总共分为3个数据片，数据片中黑色区域表示该部分数据未收到，白色区域表示该部分已收到，虚线圆表示邻居车辆信息交互的范围。利用式（6）能计算出该车载网中各车辆节点的有效性，从图中可以看出车辆节点A、B、C、D、E、F具有较高的优先级，中继转发节点应是这部分节点的一个子集。车辆节点A和B有效性最高，都为6，优先选定A和B为中继转发节点，在A和B的广播范围外，节点D的优先级最高，所以选定节点D也为中继转发节点。显然，A、B、D的广播范围已能覆盖整个车载网，所以选定中继转发节点集为{A、B、D}。

3)协同分发

每个时间片里处于服务信道时，每个车辆节点u设置一个退避时延Δt，Δt与节点的优先级成反比例。当计时器到期时，节点u侦听信道。信道空闲时，节点u会访问信道广播其有效性最高的数据块；有其他节点访问信道时，节点u在该时间片里不再侦听信道，也不会访问信道广播数据。

4)信道检测机制

车辆节点通过载波检测来判断信道的状态：空闲/繁忙。检测到信道空闲时，车辆节点会访问信道广播其广播的数据；检测到信道繁忙时，车辆节点会退出该时间片内的信道的竞争。

5)广播内容的选择机制

处于基站范围内的数据分发，基站以一种循环的方式广播数据块D₁,D₂,…,D_M，保证在不同时段驶出基站范围的车辆之间广播不同的数据块，以提高数据分发的效率。同时，为了更有效地使用车载网的带宽，每个时段基站选择分发的数据块是基于当前处于基站范围内车辆广播的数据。处于基站范围外的数据分发，车辆节点被确定为中继节点，将会广播广播的有效性最高的数据块。

为了避免车辆之间发送重复的信息，车辆需要确定什么时候应该停止广播。为此，需要估计在同一批次中每个中继节点发送的数据片数量。车辆节点u往车辆节点v发送有效的数据片数量为：因此，车辆节点u往所有邻居节点发送有效的数据片数量为：当车辆节点u和其邻居车辆节点数据接收状态均为N时，即解码矩阵满秩，设置Z_u(D_i)=0。

为了解决现有技术存在的问题，本发明创造性地将已有的符号位编码技术率先应用在车载网中，并采用基于符号位编码、数据有效性的协同广播分发机制，该机制采用优化行程长度编码方法，在中继选择过程中考虑车辆广播数据有效性，确定车辆节点访问信道的优先级，从而优化中继选择的效果，提高机制的性能。本发明一方面采用符号位编码从更小的单位对数据文件进行编码，降低数据包的错误率，从而降低终端节点接收到完整数据包的延时；另一方面，有别于现有的一些分发机制，本发明结合数据的有效性，提出一种新的分发机制，具有较好的数据分发性能。

本发明方法的精髓在于采用符号位编码技术，相比不采用网络编码的方式，能够更灵活地适用车载网动态的环境，而相比传统的网络编码方式，编码速率高，网络吞吐量大，分发时延短。该方法对待分发数据进行符号位编码，结合优化行程长度编码，动态规划，模糊平均秩等技术，使用基于编码、数据有效性的协同广播分发机制，来实现车载网中广播数据的高效分发。本发明可以有多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于协同优化符号位编码的车载网数据分发方法，其特征是数据分发中心通过设置的基站将数据以广播的方式对选定区域内的车辆节点进行数据分发，每个车辆节点都装备单射频无线接收器，即支持802.11p协议的无线网络接口设备，用于数据发送和接收，每一个基站都有从数据分发中心获得的相同的源文件F，其大小为|F|，划分成M个大小相等的数据块D₁,D₂,…,D_M；每一个数据块包含N个大小相等的数据片Pe₁,Pe₂,…,Pe_N，其大小为J；每一个数据片中又包含个数据包其中K为数据包的大小，即|F|＝M*N*J；每一个数据块都应用符号位编码，当车辆节点处于基站的广播范围内时，基站以循环的方式将数据广播到车辆节点；当车辆节点处于基站的广播范围外时，车辆节点相互之间自组织形成一个移动网络，通过在车辆节点间选定一组中继节点，协同在车辆节点间分发数据，实现基于编码的数据协同广播分发，其中对车载网信道设置时间片周期用于所有车辆和基站的数据同步，在一个时间片周期内车载网信道分别作为控制信道或服务信道，控制信道时分发车辆安全信息，服务信道时分发基站要发送的源文件，所述基于编码的数据协同广播分发包括以下步骤：

1)邻居车辆间信息的交互，处于控制信道时，车辆节点广播附带HELLO报文的安全消息，邻居车辆节点收到该HELLO报文后，只对收到的HELLO报文进行分析，不再对其进行转发；每个时间片周期，车辆节点都广播附带HELLO报文的安全信息，保持每个车辆节点邻居信息表的更新；

2)计算车辆节点的有效性，切换为服务信道时，每个车辆节点根据邻居车辆节点数据下载状况，计算自己拥有数据对邻居车辆节点的有效性，有效性是指该车辆节点广播数据能为其所有邻居车辆节点提供有效数据的数量总和，表示该车辆节点在选择中继时的优先级；

定义U(D_i,u)为车辆节点u中数据块D_i的有效性，如式(3)所示：

其中，表示车辆节点u中数据块D_i中符号位i对应的解码矩阵的秩，Ne(u)表示车辆节点u的所有邻居车辆节点，表示车辆节点v中数据块D_i中符号位i对应的解码矩阵的秩，当x＞0，Diff(x)＝x；否则，Diff(x)＝0；

计算出车辆节点u中各个数据块D_i的有效性，i∈[1,M]，选取有效性最大数据块作为车辆节点该时间片服务信道发送的数据，定义U(u)为车辆节点u的数据有效性，如式(4)所示：

U(u)＝max{U(D₁,u),U(D₂,u),…,U(D_M,u)}    (4)

U(u)反应车辆节点u能为其邻居车辆提供的数据信息，同时也表示车辆节点u在访问服务信道时的优先级，有效性越大，相对应地优先级也越高；

3)中继节点间的协同分发，每个车辆节点设定一个退避时延，退避时延与车辆节点的优先级成反比例关系，当车辆节点的退避时延计时器到时时，该车辆节点对信道进行侦听，侦听到信道空闲时，该车辆节点访问信道且广播其有效性最大的数据块，所述数据块经过符号位编码；否则，在该时间片内不会再访问信道；

其中退避时延的设置具体为：定义Δt(u)为车辆节点u的退避时延，车辆节点u的退避时延Δt(u)定义如式(6)所示：

$\mathrm{\&Delta;t}\left(u\right)=(1-\frac{U\left(u\right)}{N\&CenterDot;{\left|\mathrm{Ne}\right|}_{\max }}){\mathrm{\&Delta;t}}_{\max }+\mathrm{Rand}(0,T_J)---\left(6\right)$

其中N为数据片的个数，Δt_max表示允许最大的退避时延，|Ne|_max表示可能的最大邻居数量，T_j表示对车辆的退避时延上加上的最大的抖动，Rand(0,T_j)是一个生成0到T_j之间随机数的随机函数；

通过所述基于编码的数据协同广播分发，数据中心完成对选定区域内的车辆节点的数据分发。

2.根据权利要求1所述的一种基于协同优化符号位编码的车载网数据分发方法，其特征是对车辆节点的HELLO报文进行扩展，在HELLO报文中，Type字段表示该数据为HELLO报文；Length表示该HELLO报文长度；Check Sum字段表示数据包的校验和；Neigh_Num字段表示该节点邻居节点的数量；Esti_Max_Neigh_Num字段表示该节点估计的其可能的最大邻居数；Data Rec_Sta字段表示该车辆节点的数据接收状态，采用一种模糊平均秩的方法；Reserved表示HELLO报文头部的预留字段；VehicleAddress字段表示发出该HELLO报文的车辆节点地址；

采用模糊平均秩的方法来表述车辆节点数据的接收状态，设车辆节点为u，数据块为D_i，每个数据块D_i接收状况用该数据块中各符号位对应解码矩阵秩的平均值来表示，需要log₂ ^N位：q表示一个字节中的比特数，各符号位对应解码矩阵秩的平均值四舍五入为整数，表示节点收到各数据块中数据片数，所述平均值的范围是[1,K]；当表示收到数据片D_i中部分数据片；当表示收到数据块D_i中所有的数据片，总共需要M*log₂ ^N位来表示整个文件的数据接收状况；

车辆节点邻居信息表为，设Vehicle Address表示车辆的IP地址，Data Rec_Sta表示车辆节点数据接收状态；Neigh_Num表示车辆的邻居数，Esti_max_Neigh_Num表示其估计的最大邻居数，邻居信息表NDT记录邻居车辆节点广播的数据报文，当车辆节点收到邻居的HELLO报文后，根据报文中的信息，获得邻居车辆节点的IP地址，同时直接从HELLO报文中获得该邻居车辆节点广播的数据，当计算车辆节点的优先级时，通过对邻居信息表进行分析，计算车辆节点拥有的数据的有效性。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于协同优化符号位编码的车载网数据分发方法，其特征是源文件F划分时，对同一数据块中N个不同的数据片同一位置符号位进行编码，则数据分发的消耗为比特，其中q表示一个字节中的比特数，据此使用片决定，根据文件的大小|F|线性地缩小数据片的长度，调整N值以减小数据分发的消耗。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于协同优化符号位编码的车载网数据分发方法，其特征是车载网信道在一个时间片周期内，按照1：1的比例来分配作为控制信道和服务信道的数据分发时间。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于协同优化符号位编码的车载网数据分发方法，其特征是对符号位编码进行优化行程长度编码：当传送一个编码的数据片时，数据片以数据包的形式传送；仅数据片的第一个数据包的头部附带编码系数向量，而该数据片中其余的数据包仅包含正常的数据包头部。

6.根据权利要求1或2所述的一种基于协同优化符号位编码的车载网数据分发方法，其特征是车辆节点通过载波检测来判断当前车载网信道的状态是空闲或繁忙，检测到信道空闲时，车辆节点访问信道广播其广播的数据；检测到信道繁忙时，车辆节点退出该时间片周期内的信道的竞争。