CN103227978B - 一种车载网络的广播方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车载网络的广播方法和系统，所述方法包括：S1，将待发送的n个数据包进行确定线性网络编码以得到一组线性网络编码包；S2，将所述一组线性网络编码包分成N组，分别转发到车载单元将要经过的N个路边单元；S3，所述N个路边单元在每单位时间内广播一个线性网络编码包；S4，判定所述车载单元是否正确接收到n个以上线性网络编码包，如果是则利用编码系数矩阵的逆重组原来的所述n个数据包，否则判断传输失败。实施本发明，通过对待发的固定信息量业务的数据包进行网络编码，广播给路过的车载单元，车载单元在接收到足够数量的编码包后就能够正确重组原来的数据包，因而可以高效实现高可靠性大数据量的车载网络广播。

Description

一种车载网络的广播方法和系统

技术领域

本发明涉及智能交通领域，更具体地说，涉及一种车载网络的广播方法和系统。

背景技术

近年来，智能交通系统(IntelligentTransportationSystems,ITS)作为解决城市交通问题的有效方案备受关注。车载自组织网络(VehicleAdHocNetwork,VANET)作为智能交通系统的重要组成部分，是一种特殊的移动自组织网络。通过车辆之间(Vehicle-to-Vehicle,V2V)以及车辆和路边的基础设施(Vehicle-to-Infrastructure,V2I)之间的相互通信构成无线通信网络，VANET在交通安全相关性业务如交通信息预警、车辆辅助驾驶、实时导航，以及非安全性业务如车载娱乐、因特网上网等方面具有良好的应用前景。2010年7月，IEEE正式颁布了用于车载电子无线通信的802.11p标准和车载环境下无线接入(WirelessAccessintheVehicularEnvironment,WAVE)协议栈。在车载网络中，路边单元(Road-SideUnit,RSU)与车载单元(On-BoardUnit,OBU)的通信可以采用单播、多播、广播的方式进行传输。其中，广告（包括图像和视频）、路况消息等短期不变的固定信息量业务有着广泛的应用前景。该类业务通常采用多播或者广播的方式进行传输。V2I通信的广播通常采用无ACK确认机制，即OBU不对收到的广播信息进行确认，从而避免ACK风暴。这种广播技术不能保证每个车载单元都能正确收到数据包，也难以支持车载单元进行小区切换，从而也难以支持大数据量的广播应用。已有研究分析了随机网络编码和随机网络编码的解码概率，并通过优化选择数据包规模，使网络编码的开销最小。由于随机网络编码系数矩阵的元素是在有限域中随机选取，系数矩阵可能是不可逆的，从而不能进行解码。特别地，在有限域阶数较小时，解码率会较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种高效实现高可靠性大数据量的车载网络的广播方法和系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种车载网络的广播方法，包括：

S1，将待发送的n个数据包{P₁、P₂、…、P_n}进行确定线性网络编码以得到一组线性网络编码包{P'₁、P'₂、…、P'_h}；

S2，将所述一组线性网络编码{P'₁、P'₂、…、P'_h}包分成N组，分别转发到车载单元将要经过的N个路边单元；

S3，所述N个路边单元在每单位时间内广播一个线性网络编码包；

S4，判定所述车载单元是否正确接收到n个以上的线性网络编码包，如果是则利用编码系数矩阵重组原来的所述n个数据包{P₁、P₂、…、P_n}，否则判断传输失败。

在本发明所述的车载网络的广播方法中，所述n个数据包的长度均为s比特。

在本发明所述的车载网络的广播方法中，

，其中G为范德蒙矩阵。

在本发明所述的车载网络的广播方法中，在所述步骤S4中，判定所述车载单元经过的N个路边单元传输失败的平均概率Der表示为：

$\mathrm{Der}\left(N\right)={\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{n-1}{C}_{\mathrm{NB}}^k{(1-p)}^k{p}^{\mathrm{NB}-k},B\left[\frac{L}{\mathrm{vT}}\right]$

其中，p为丢包率，B为所述车载单元经过的一个路边单元覆盖的区域接收到的数据包总数，L为每个路边单元覆盖的路径长度，T为所述路边单元广播一个线性网络编码包的时间间隔，v为所述车载单元的速率。

本发明解决其技术问题采用的另一技术方案是，构造一种车载网络的广播系统，包括控制中心，至少一个车载单元和N个路边单元，其中所述控制中心进一步包括：

确定编码模块，用于待发送的n个数据包{P₁、P₂、…、P_n}进行确定线性网络编码以得到一组线性网络编码包{P'₁、P'₂、…、P'_h}；

分组转发模块，用于将所述一组线性网络编码{P'₁、P'₂、…、P'_h}包分成N组，分别转发到所述车载单元将要经过的所述N个路边单元；

所述N个路边单元用于在每单位时间内广播一个线性网络编码包；

所述车载单元还包括判定模块，用于判定所述车载单元是否正确接收到n个以上的线性网络编码包，如果是则利用编码系数矩阵重组原来的所述n个数据包{P₁、P₂、…、P_n}，否则判断传输失败。

本发明解决其技术问题采用的又一技术方案是，构造一种车载网络的广播方法，包括：

S1，将待发送的n个数据包{P₁、P₂、…、P_n}分成B组，每组m个数据包{P₁₁、P₁₂、…、P_1m}、{P₂₁、P₂₂、…、P_2m}、…、{P_B1、P_B2、…、P_Bm)，且分别对每组数据包讲行确定线性网络编码以得到B组线性网络编码包{P'₁₁、P'₁₂、…、P'_1N}、{P'₂₁、P'₂₂、…、P'_2N}、…、{P'_Bl、P'_B2、…、P'_BN};

S2，将所述B组线性网络编码包{P'₁₁、P'₁₂、…、P'_1N}、{P'_2l、P'₂₂、…、P'_2N}、…、{P'_B1、P'_B2、…、P'_BN}中对应的线性网络编码包{P'₁₁、P'₂₁、…、P'_B1}、(P'₁₂、P'₂₂、…、P'_B2}、…、{P'_1N、P'_2N、…、P'_BN}分别转发到车载单元将要经过的N个路边单元；

S3，所述N个路边单元在每单位时间内广播一个线性网络编码包；

S4，对于B组线性网络编码包，所述车载单元是否均正确接收到m个以上的线性网络编码包，如果是则利用编码系数矩阵的逆分别重组每组原来所述的m个数据包，进而恢复出原始的n个数据包{P₁、P₂、…、P_n}，否则判断传输失败。

在本发明所述的车载网络的广播方法中，所述n个数据包的长度均为s比特。

在本发明所述的车载网络的广播方法中，

$\left[\begin{array}{cccc}{P}_{11}^{\′}& P_{21}^{\′}& ...& P_{B1}^{\′}\\ P_{12}^{\′}& P_{22}^{\′}& ...& P_{B2}^{\′}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ P_{1N}^{\′}& P_{2N}^{\′}& ...& P_{\mathrm{BN}}^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{a}_1^0& a_1^1& ...& a_1^m\\ a_2^0& a_2^1& ...& a_2^m\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ a_N^0& a_N^1& ...& a_N^m\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}{P}_{11}& P_{21}& ...& P_{B1}\\ P_{12}& P_{22}& ...& P_{B2}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ P_{1m}& P_{2m}& ...& P_{\mathrm{Bm}}\end{array}\right]$

，其中G为范德蒙矩阵。

在本发明所述的车载网络的广播方法中，在所述步骤S4中，判定对于每组线性网络编码包，所述车载单元经过的N个路边单元传输失败的每组平均传输失败率为D表示为：

$D\left(N\right)={\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{m-1}{C}_N^k{(1-p)}^k{p}^{N-k}.$

因而平均传输失败率Der可以表示为：

$\mathrm{Der}\left(N\right)=1-{(1-D\left(N\right))}^B,B=\left[\frac{L}{\mathrm{vT}}\right]$

其中，p为丢包率，B为所述车载单元经过的一个路边单元覆盖的区域接收到的数据包总数，L为每个路边单元覆盖的路径长度，T为所述路边单元广播一个线性网络编码包的时间间隔，v为所述车载单元的速率。

本发明解决其技术问题的采用的再一技术方案是，构造一种车载网络的广播系统，包括控制中心，至少一个车载单元和N个路边单元，其中所述控制中心进一步包括：

分组确定编码模块，用于将待发送的n个数据包{P₁、P₂、…、P_n}分成B组，每组m个数据包{P_1l、P₁₂、…、P_1m}、{P₂₁、P₂₂、…、P_2m}、…、{P_B1、P_B2、…、P_Bm}，且分别对每组数据包进行确定线性网络编码以得到B组线性网络编码包{P'₁₁、P'₁₂、…、P'_1N}、{P'₂₁、P'₂₂、…、P'_2N}、…、{P'_B1、P'_B2、…、P'_BN}，

分组转发模块，将所述B组线性网络编码包{P'₁₁、P'₁₂、…、P'_1N}、{P'₂₁、P'₂₂、…、P'_2N}、…、{P'_B1、P'_B2、…、P'_BN}中对应的线性网络编码包{P'₁₁、P'₂₁、…、P'_B1}、{P'₁₂、P'₂₂、…、P'_B2}、…、{P'_1N、P'_2N、…、P'_BN}分别转发到所述车载单元将要经过的所述N个路边单元；

所述N个路边单元用于在每单位时间内广播一个线性网络编码包；

所述车载单元还包括判定模块，用于判定对于B组线性网络编码包，所述车载单元是否均正确接收到m个以上的线性网络编码包，如果是则利用编码系数矩阵的逆分别重组每组原来所述的m个数据包，进而恢复出原始的n个数据包{P₁、P₂、…、P_n}，否则判断传输失败。

实施本发明的车载网络的广播方法和系统，具有以下有益效果：通过对待发的固定信息量业务的数据包进行网络编码，广播给路过的车载单元，车载单元在接收到足够数量的编码包后就能够正确重组原来的数据包，因而可以高效实现高可靠性大数据量的车载网络广播。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是根据本发明的第一实施例的车载网络的广播方法的流程图；

图2是采用本发明的第一实施例的车载网络的广播方法的车载网络系统的示意图；

图3是根据本发明的第二实施例的车载网络的广播方法的流程图；

图4是根据本发明的第二实施例的车载网络的广播方法的车载网络系统的示意图；

图5是根据本发明的第一和第二实施例的车载网络的广播方法的路边单元数量和平均传输失败概率的第一关系示意图；

图6是根据本发明的第一和第二实施例的车载网络的广播方法的路边单元数量和平均传输失败概率的第二关系示意图。

具体实施方式

图1是根据本发明的第一实施例的车载网络的广播方法的流程图。图2是采用本发明的第一实施例的车载网络的广播方法的车载网络系统的示意图如图1和2所示，本发明提供了一种基于确定线性网络编码的车载网络的广播方法，通过对待发的固定信息量业务的数据包进行确定线性网络编码，广播给路过的车载单元OBU，车载单元OBU在接收到足够数量的编码包后就能够正确重组原来的数据包。

如图1和2所示，在步骤S1中，控制中心100中的确定编码模块(未示出)将待发送的n个数据包{P₁、P₂、…、P_n}进行确定线性网络编码以得到一组线性网络编码包{P'₁、P'₂、…、P'_h}。其中所述n个数据包的长度均为s比特。若所述n个数据包中任意一个和／或多个数据包不足s比特时，末尾用0填充。在步骤S1中，

$\left[\begin{array}{c}{P}_1^{\′}\\ P_2^{\′}\\ .\\ .\\ .\\ P_h^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{a}_1^0& a_1^1& ...& a_1^n\\ a_2^0& a_2^1& ...& a_2^n\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ a_h^0& a_h^1& ...& a_h^n\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{P}_1\\ P_2\\ .\\ .\\ .\\ P_n\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中G是范德蒙矩阵，为目的节点用来进行解码的编码系数矩阵；GF表示有限域，也叫做伽罗瓦域(GaloisField，GF)，其中2^M表示该有限域中有2^M个元素。

在步骤S2中，控制中心100的分组转发模块(未示出)将所述一组线性网络编码{P'₁、P'₂、…、P'_h}包分成N组，分别转发到车载单元OBU将要经过的N个路边单元RSU_l、RSU₂···RSU_N。

在步骤S3中，所述N个路边单元RSU₁、RSU₂···RSU_N在每单位时间内广播一个线性网络编码包。

在步骤S4中，车载单元的判定模块判定所述车载单元OBU是否正确接收到n个以上的线性网络编码包，如果是则执行步骤S5，否则执行步骤S6。

在步骤S5中，车载单元OBU正确接收到任意k≥n个编码包如{P'₁、P'₂、…、P'_n}，利用编码系数矩阵重组原来的所述n个数据包{P₁、P₂、…、P_n}，解码复杂度为O(n²)，其中：

$\left[\begin{array}{c}{P}_1\\ P_2\\ .\\ .\\ .\\ P_n\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cccc}{a}_1^0& a_1^1& ...& a_1^n\\ a_2^0& a_2^1& ...& a_2^n\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ a_n^0& a_n^1& ...& a_n^n\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{P}_1^{\′}\\ P_2^{\′}\\ .\\ .\\ .\\ P_n^{\′}\end{array}\right]---\left(3\right)$

在步骤S6中，车载单元OBU通过所有的路边单元RSU小区收到的数据包数k<n，则不能恢复出原来的数据信息，即传输失败。

本领域技术人员知悉，在此全部的字母，如n，s，M，h，N，k，B等，除特殊定义外，均为正整数，本领域技术人员可以根据实际情况进行取值。

下面，对本发明的车载网络的广播方法以及系统讨论如下。

为了简化模型，假设广播数据包的路边单元沿路部署，数量为N。每个路边单元RSU覆盖的路径长度为L，路边单元RSU广播的速率一定，即在每单位时间T内路边单元RSU广播一个数据包，其中假定L，v和p恒定，本领域技术人员可以根据需要对其进行取值。车载单元OBU的速率为v，无线信道的丢包率为P，待传输的固定信息量业务的数据包数为n，则车载单元OBU通过一个路边单元RSU小区接收到的数据包总数为B：

$B=\left[\frac{L}{\mathrm{vT}}\right]---\left(4\right)$

车载单元OBU通过N个路边单元RSU小区，成功收到的数据包数k<n的概率，即平均传输失败的概率Der可以表示为：

$\mathrm{Der}\left(N\right)={\mathrm{\&Sigma;}}_{k=0}^{n-1}{C}_{\mathrm{NB}}^k{(1-p)}^k{p}^{\mathrm{NB}-k}---\left(5\right)$

若要保证大部分的车载单元OBU在收到编码包后能正确重组原来的数据包，应当取N足够大，使得

NB(1-p)≥n(6)

这里N的最小值表示为Nm

由式(4)和(5)可得：

$\mathrm{Der}(N+1)={\mathrm{\&Sigma;}}_{k=0}^{n-1}{C}_{(N+1)B}^k{(1-p)}^k{p}^{(N+1)B-k}$

$={\mathrm{\&Sigma;}}_{k=0}^{n-1}\frac{(\mathrm{NB}+B)(\mathrm{NB}+B-1)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;(\mathrm{NB}+1)}{(\mathrm{NB}+B-k)(\mathrm{NB}+B-1-k)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;(\mathrm{NB}+1-k)}\&CenterDot;p^B\&CenterDot;\frac{\left(\mathrm{NB}\right)!}{k!\&CenterDot;(\mathrm{NB}-k)!}{(1-p)}^k{p}^{\mathrm{NB}-k}$

$\&le;\frac{(\mathrm{NB}+B)(\mathrm{NB}+B-1)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;(\mathrm{NB}+1)}{(\mathrm{NB}+B-n+1)(\mathrm{NB}+B-n)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;(\mathrm{NB}-n+2)}{p}^B\mathrm{Der}\left(N\right)$

$=\frac{1}{(1-\frac{n-1}{\mathrm{NB}+B})(1-\frac{n-1}{\mathrm{NB}+B-1})\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;(1-\frac{n-1}{\mathrm{NB}+1})}{p}^B\mathrm{Der}\left(N\right)$

$\&le;{\left(\frac{p}{1-\frac{n-1}{\mathrm{NB}+1}}\right)}^B\mathrm{Der}\left(N\right)<{\left(\frac{p}{1-\frac{n}{\mathrm{NB}}}\right)}^B\mathrm{Der}\left(N\right)\&le;\mathrm{Der}\left(N\right)---\left(8\right)$

所以，对于任何满足(5)式的N₁和N₂，且N₁<N₂，都有Der(N₁)>Der(N₂)，。即随着路边单元RSU数量的增加，车载单元OBU能成功重组原始数据的概率增大，传输的可靠性增强。通过部署足够多的路边单元RSU，就能确保车载单元OBU成功接收到所有数据包。若要保证车载单元OBU能成功收到数据包的概率P_sucess≥P₀，由公式(7)可以获得：

Der(N_E)≤1-P₀<Der(N_E-1)(9)

因此，我们总可以找到满足系统要求最小的N，因此，N_E为满足系统要求所需布置的最小路边单元RSU数。

图3是根据本发明的第二实施例的车载网络的广播方法的流程图。图4是根据本发明的第二实施例的车载网络的广播方法的车载网络系统的示意图。由于图1所示的车载网络的广播方法的确定线性网络编码的解码复杂度为O(n²)。而车载单元OBU上的硬件资源有限，对数据量大的应用，不易实现。因此，本发明提出了根据本发明的第二实施例的、分组确定线性网络编码的车载网络的广播方法。如图3和4所示，通过根据车辆的速率对待发的固定信息量业务的数据包进行分组，对不同分组中的数据包分别进行确定线性网络编码后，广播给路过的车载单元OBU，车载单元OBU在接收到足够数量的相同层的编码包后就能够正确重组原来对应层的数据包，从而重组原始数据。

如图3和4所示，在步骤S1中，控制中心100的分组确定编码模块(未示出)将待发送的n个数据包{P₁、P₂、…、P_n}分成B组，每组m个数据包{P₁₁、P₁₂、…、P_1m}、{P₂₁，P₂₂、…、P_2m}、…、{P_B1、P_B2、…、P_Bm)，且分别对每组数据包进行确定线性网络编码以得到B组线性网络编码包{P'₁₁、P'₁₂、…、P'_1N}、{P'₂₁、P'₂₂、…、P'_2N}、…、{P'_B1、P'_B2、…、P'_BN)。其中所述n个数据包的长度均为s比特。若所述n个数据包中任意一个和／或多个数据包不足s比特时，末尾用0填充。在步骤S1中，

$\left[\begin{array}{cccc}{P}_{11}^{\&prime;}& P_{21}^{\&prime;}& ...& P_{B1}^{\&prime;}\\ P_{12}^{\&prime;}& P_{22}^{\&prime;}& ...& P_{B2}^{\&prime;}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ P_{1N}^{\&prime;}& P_{2N}^{\&prime;}& ...& P_{\mathrm{BN}}^{\&prime;}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{a}_1^0& a_1^1& ...& a_1^m\\ a_2^0& a_2^1& ...& a_2^m\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ a_N^0& a_N^1& ...& a_N^m\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}{P}_{11}& P_{21}& ...& P_{B1}\\ P_{12}& P_{22}& ...& P_{B2}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ P_{1m}& P_{2m}& ...& P_{\mathrm{Bm}}\end{array}\right]$

其中G是范德蒙矩阵，为目的节点用来进行解码的编码系数矩阵；GF表示有限域，也叫做伽罗瓦域(GaloisField，GF)，其中2^M表示该有限域中有2^M个元素。

在步骤S2中，控制中心100的分组转发模块将所述B组线性网络编码包{P'₁₁、P'₁₂、…、P'_1N}、{P'₂₁、P'₂₂、…、P'_2N}、…、{P'_B1、P'_B2、…、P'_BN}中对应的线性网络编码包{P'₁₁、P'₂₁、…、P'_B1}、{P'₁₂、P'₂₂、…、P'_B2}、…、{P'_1N、P'_2N、…、P'_BN}分别转发到车载单元OBU将要经过的N个路边单元RSU₁、RSU₂···RSU_N。

在步骤S3中，所述N个路边单元RSU₁、RSU₂···RSU_N在每单位时间内广播一个线性网络编码包。

在步骤S4中，车载单元OBU的判定模块(未示出)判定对于每组线性网络编码包，所述车载单元OBU是否均正确接收到m个以上的线性网络编码包，如果是则执行步骤S5，否则执行步骤S6。

在步骤S5中，对于B组线性网络编码包，车载单元OBU均正确接收到任意k≥m个编码包，利用编码系数矩阵，根据式(3)，便可重组原来各组数据包。

在步骤S6中，车载单元OBU通过所有的路边单元RSU小区收到的某一组编码包k<m，则不能恢复出该组的数据信息，则传输失败。

下面，对本发明的车载网络的广播方法以及系统讨论如下。

为了简化模型，假设广播数据包的路边单元沿路部署，数量为N。每个路边单元RSU覆盖的路径长度为L，路边单元RSU广播的速率一定，即在每单位时间T内路边单元RSU广播一个数据包。车载单元OBU的速率为v，无线信道的丢包率为p，待传输的固定信息量业务的数据包数为n，则车载单元OBU通过一个路边单元RSU小区接收到的数据包总数为B。

所述车载单元经过的N个路边单元传输失败的每组平均传输失败率为D表示为：

$D\left(N\right)={\mathrm{\&Sigma;}}_{k=0}^{m-1}{C}_N^k{(1-p)}^k{p}^{N-k}---\left(11\right)$

因而平均传输失败率Der可以表示为：

Der(N)=1-(1-D(N))^B(12)

对于某一组编码包，若要保证大部分的车辆在收到编码包后能正确重组原来的数据包，应当取N足够大，使得

N(1-p)≥m(13)

这里N的最小值表示为N_m，在此

由上述公式(8)、(12)和(13)可得：

Der(N+1)<Der(N)(15)

所以，对于任何满足(5)式的N₁和N₂，且N₁<N₂，都有Der(N₁)>Der(N₂)，则P(N₁)>P(N₂)，即随着路边单元RSU数量的增加，车载单元OBU能成功重组原始数据的概率增大。通过部署足够多的路边单元RSU，就能确保车载单元OBU成功接收到所有数据包。若要保证车载单元OBU能成功收到数据包的概率P_sucess≥P₀，由式(14)可得：

Der(N_E)≤1-P₀<Der(N_E-1)(16)

因此，我们总可以找到满足系统要求最小的N，因此，N_E为满足系统要求所需布置的最小路边单元RSU数。

下面，对图1和2示出的确定线性网络编码方法和系统(以下简称确定线性网络编码)，以及图3-4示出的分组确定线性网络编码方法和系统(以下简称分组确定线性网络编码)的复杂度进行比较如下。

对于确定线性网络编码，求解范德蒙方程组的时间复杂度为O(n²)。设确定线性网络编码的解码时间为T：

T=k*n²+o(n²)(17)

同样的，对于分组确定线性网络编码的每一组编码包组的解码时间T_i：

$T_i=k*{\left(\frac{n}{B}\right)}^2+o\left({\left(\frac{n}{B}\right)}^2\right)---\left(18\right)$

则分组确定线性网络编码的解码时间T：

$T=B*T_i=k*\frac{n^2}{B^2}+o\left(n^2\right)---\left(19\right)$

因此，分组确定线性网络编码的解码时间是确定线性网络编码的解码时间白勺

下面分别对对图1和2示出的确定线性网络编码方法和系统(以下简称确定线性网络编码)，以及图3-4示出的分组确定线性网络编码方法和系统(以下简称分组确定线性网络编码)进行仿真，并获得如图5和6所示结果。

假设现有两种固定信息量业务，表示为业务1和业务2。它们所需要传输的数据包总数n分别为200和400，两种业务都要求正确接收全部的数据包。我们针对两种车辆速率和丢包率进行仿真。车辆速率为60km／h时丢包率p为0.03；车辆速率为100km／h时丢包率p为0.12。假设每个路边单元RSU的覆盖距离为500m。为了降低此类广播对其他业务的影响，减少占用信道的时间，假设路边单元RSU每秒广播一个编码包。在仿真中，我们用平均传输失败率来评价使用确定线性网络编码和分组确定线性网络编码下系统的性能。在每次仿真中我们统计10⁷辆车通过的结果，这里平均传输失败率就是未能恢复所有数据包的汽车数量与所通过汽车总数之比。

图5显示在确定网络编码和分组网络编码下，当车速为60km／h、丢包率为0.03时，通过车载路边单元RSU的数量与平均传输失败概率的关系。在确定网络编码下，对于业务1，由式(7)可得，N_m=7,当车辆经过7个路边单元RSU，平均传输失败率为0.05382；当车辆经过8个路边单元RSU，平均传输失败率为0，路边单元RSU数目继续增加，平均传输失败概率不变；当车辆经过6个路边单元RSU，由(7)式和丢包率p可得，车载单元OBU平均正确收到的数据包数为174.6(小于n=200)，则大部分车辆都无法恢复出全部的原始数据，所以平均传输失败率接近1。对于业务2，N_m=14当车辆经过14个路边单元RSU，平均传输失败率降低到0.01691；当车辆经过15个路边单元RSU，平均传输失败率为0，路边单元RSU数目继续增加，平均传输失败概率不变；当车辆经过13个路边单元RSU，由(7)式和丢包率p可得，车载单元OBU平均正确收到的个数据包为378.3(小于n=400)，则大部分车辆都无法恢复出全部的原始数据，平均传输失败率接近1。

在分组确定网络编码下，对于业务1，由式(14)可得，N_m=7，当车辆经过7个路边单元RSU，由(14)式和丢包率p可得，对于每个编码组，车载单元OBU平均正确收到的数据包数为6.79(小于m=7)，平均传输失败率为1；当车辆经过8个路边单元RSU，对于每个编码组，车载单元OBU平均正确收到的数据包数为7.76(大于m=7)，平均传输失败率为0.492；当车辆经过10个路边单元RSU，对于每个编码组，车载单元OBU平均正确收到的数据包数为9.7(大于m=7)，平均传输失败率为0.00426，路边单元RSU数目继续增加，平均传输失败概率变化不大。对于业务2，N_m=14，当车辆经过14个路边单元RSU，由(14)式和丢包率p可得，对于每个编码组，车载单元OBU平均正确收到的数据包数为13.58(小于m=14)，平均传输失败率为1；当车辆经过15个路边单元RSU，对于每个编码组，车载单元OBU平均正确收到的数据包数为14.55(大于m=14)，平均传输失败率为0.492；当车辆经过18个路边单元RSU，对于每个编码组，车载单元OBU平均正确收到的数据包数为17.46(大于m=14)，平均传输失败率为0，路边单元RSU数目继续增加，平均传输失败概率不变。

图6显示在确定网络编码和分组网络编码下，当车速为100km/h、丢包率为0.12时，通过车载路边单元RSU的数量与平均传输失败概率的关系。在确定网络编码下，对于业务1，由式(7)可得，N_m=13，当车辆经过13个路边单元RSU，平均传输失败率为0.1015；当车辆经过14个路边单元RSU，平均传输失败率为0.00005，路边单元RSU数目继续增加，平均传输失败概率变化不大；当车辆经过12个路边单元RSU，由(3)式和丢包率p可得，车载单元OBU平均正确收到的数据包数为190.08(小于n=200)，则大部分车辆都无法恢复出全部的原始数据，所以平均传输失败率为0.9815。对于业务2，N_m=26，当车辆经过26个路边单元RSU，平均传输失败率降低到0.04276；当车辆经过27个路边单元RSU，平均传输失败率为0.00008，路边单元RSU数目继续增加，平均传输失败概率变化不大；当车辆经过24个路边单元RSU，由(7)式和丢包率p可得，车载单元OBU平均正确收到的个数据包为380.16(小于n=400)，则大部分车辆都无法恢复出全部的原始数据，平均传输失败率为0.9988。

在分组确定网络编码下，对于业务1，由式(14)可得，N_m=13，当车辆经过13个路边单元RSU，由(14)式和丢包率p可得，对于每个编码组，车载单元OBU平均正确收到的数据包数为11.44(小于m=12)，平均传输失败率为1；当车辆经过14个路边单元RSU，对于每个编码组，车载单元OBU平均正确收到的数据包数为12.32(大于m=12)，平均传输失败率为0.9915；当车辆经过20个路边单元RSU，对于每个编码组，车载单元OBU平均正确收到的数据包数为17.6(大于m=12)，平均传输失败率为0.00458，路边单元RSU数目继续增加，平均传输失败概率变化不大。对于业务2，N_m=26，当车辆经过26个路边单元RSU，由(14)式和丢包率p可得，对于每个编码组，车载单元OBU平均正确收到的数据包数为22.88(小于m=23)，平均传输失败率为0.9999；当车辆经过27个路边单元RSU，对于每个编码组，车载单元OBU平均正确收到的数据包数为23.76(大于m=23)，平均传输失败率为0.9879；当车辆经过34个路边单元RSU，对于每个编码组，车载单元OBU平均正确收到的数据包数为29.92(大于m=23)，平均传输失败率为0.0072，路边单元RSU数目继续增加，平均传输失败概率变化不大。

若要保证99%的车辆能接收到所有的数据包，即P₀为0.99，在确定线性网络编码下，根据式（7），对于业务1，当车辆的速率为60km/h(或100km/h)时，至少要在公路上布置8(或14)个路边单元RSU才能满足要求，即N_P为8(或14)；对于业务2，当车辆的速率为60km/h(或100km/h)，则至少要在公路上布置15(或27)个路边单元RSU才能满足要求N_P为15(或27)。在分组确定线性网络编码下，根据式（14），对于业务1，当车辆的速率为60km/h(或100km/h)时，至少要在公路上布置10(或20)个路边单元RSU才能满足要求，即N_P为10(或20)；对于业务2，当车辆的速率为60km/h(或100km/h)，则至少要在公路上布置18(或34)个路边单元RSU才能满足要求即N_P为18(或34)。

由上述仿真结果可以得出：确定线性网络编码下的系统平均失败率低于分组确定线性网络编码。因为在分组确定线性网络编码中，各组编码包不存在联系，任一组编码包传输失败，都会导致整个数据的不完整，即系统传输失败。但分组确定线性网络编码具有更低的解码复杂度，对于数据包较多的固定信息量业务，采用分组确定线性网络编码更符合实际。

在两种编码方式下，随着车辆速率的增加，若要保证平均传输失败率低于定值，系统要求的最少路边单元RSU数目增大。这是因为速率越快，车辆在每个路边单元RSU小区所经历的时间越短，接收的数据包越少，同时文献[4]指出高行驶速率导致更高的丢包率，所以车辆需要经过更多的路边单元RSU覆盖区域才能解码出编码包。

在两种编码方式下，若要保证平均传输失败率低于定值，固定信息量业务的数据包数越大，系统要求的最少路边单元RSU数目也越大。这是因为在速率一定的情况下，车辆需要经过更多的路边单元RSU才能够接收到足够的数据包。

在两种编码方式下，路边单元RSU数目越大，接收的成功率也越高，但超过一定数值后，平均传输失败率为0。这是因为经过的路边单元RSU数目的越大，车辆从路边单元RSU获得的数据包总数越大，解码的成功率也就越高，当路边单元RSU数目达到一定数目后，基本上可以保证所有的车辆都能成功接收数据包，从而保证了传输的可靠性。特别地，对于满足(5)式的最小路边单元RSU数目，大部分车辆都能成功解码出原来的信息。在实际应用中，我们可以采用最小的路边单元RSU数目，对于少量不能成功解码的车载单元OBU，将通信方式转换为单播形式，以保证每个车载单元OBU都能成功收到信息。

Claims (10)

1.一种车载网络的广播方法，其特征在于，包括：

S1，将待发送的n个数据包{P₁、P₂、…、P_n}进行确定线性网络编码以得到一组线性网络编码包{P′₁、P′₂、…、P′_h}；

S2，将所述一组线性网络编码包{P′₁、P′₂、…、P′_h}分成N组，分别转发到车载单元将要经过的N个路边单元；

S3，所述N个路边单元在每单位时间内广播一个线性网络编码包；

S4，判定所述车载单元是否正确接收到n个以上的线性网络编码包，如果是则利用编码系数矩阵的逆重组原来的所述n个数据包{P₁、P₂、…、P_n}，否则判断传输失败。

2.根据权利要求1所述的车载网络的广播方法，其特征在于，所述n个数据包的长度均为s比特。

3.根据权利要求2所述的车载网络的广播方法，其特征在于，

$\left[\begin{array}{c}{P}_1^{\&prime;}\\ P_2^{\&prime;}\\ .\\ .\\ .\\ P_h^{\&prime;}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{a}_1^0& a_1^1& \mathrm{...}& a_1^n\\ a_2^0& a_2^1& \mathrm{...}& a_2^n\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ a_h^0& a_h^1& \mathrm{...}& a_h^n\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{P}_1\\ P_2\\ .\\ .\\ .\\ P_n\end{array}\right]$ $G\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}\left[\begin{array}{cccc}{a}_1^0& a_1^1& \mathrm{...}& a_1^m\\ a_2^0& a_2^1& \mathrm{...}& a_2^m\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ a_N^0& a_N^1& \mathrm{...}& a_N^m\end{array}\right],$ 且 $a_i^j\&Element;GF\left(2^M\right)$

其中编码系数矩阵G为范德蒙矩阵，M为正整数。

4.根据权利要求3所述的车载网络的广播方法，其特征在于，在所述步骤S4中，判定所述车载单元经过的N个路边单元传输失败的平均概率Der表示为：

$Der\left(N\right)={\mathrm{\&Sigma;}}_{k=0}^{n-1}{C}_{NB}^k{(1-p)}^k{p}^{NB-k},$ $B=\&lsqb;\frac{L}{vT}\&rsqb;$

其中，p为丢包率，B为所述车载单元经过的一个路边单元覆盖的区域接收到的数据包总数，L为每个路边单元覆盖的路径长度，T为所述路边单元广播一个线性网络编码包的时间间隔，v为所述车载单元的速率，k为所述车载单元经过的N个路边单元覆盖的区域成功接收到的数据包数。

5.一种车载网络的广播系统，其特征在于，包括控制中心，至少一个车载单元和N个路边单元，其中所述控制中心进一步包括：

确定编码模块，用于待发送的n个数据包{P₁、P₂、…、P_n}进行确定线性网络编码以得到一组线性网络编码包{P′₁、P′₂、…、P′_h}；

分组转发模块，用于将所述一组线性网络编码包{P′₁、P′₂、…、P′_h}分成N组，分别转发到所述车载单元将要经过的所述N个路边单元；

所述N个路边单元用于在每单位时间内广播一个线性网络编码包；

所述车载单元进一步包括判定模块，所述判定模块用于判定所述车载单元是否正确接收到n个以上的线性网络编码包，如果是，则利用编码系数矩阵的逆重组原来所述的n个数据包{P₁、P₂、…、P_n}，否则判断传输失败。

6.一种车载网络的广播方法，其特征在于，包括：

S1，将待发送的n个数据包{P₁、P₂、…、P_n}分成B组，每组m个数据包{P₁₁、P₁₂、…、P_1m}、{P₂₁、P₂₂、…、P_2m}、…、{P_B1、P_B2、…、P_Bm}，且分别对每组数据包进行确定线性网络编码以得到B组线性网络编码包{P′₁₁、P′₁₂、…、P′_1N}、{P′₂₁、P′₂₂、…、P′_2N}、…、{P′_B1、P′_B2、…、P′_BN}；

S2，将所述B组线性网络编码包{P′₁₁、P′₁₂、…、P′_1N}、{P′₂₁、P′₂₂、…、P′_2N}、…、{P′_B1、P′_B2、…、P′_BN}中对应的线性网络编码包{P′₁₁、P′₂₁、…、P′_B1}、{P′₁₂、P′₂₁、…、P′_B2}、…、{P′_1N、P′_2N、…、P′_BN}分别转发到车载单元将要经过的N个路边单元；

S3，所述N个路边单元在每单位时间内广播一个线性网络编码包；

S4，判定对于B组线性网络编码包，所述车载单元是否均正确接收到m个以上的线性网络编码包，如果是则利用编码系数矩阵的逆分别重组每组原来所述的m个数据包，进而恢复出原始的n个数据包{P₁、P₂、…、P_n}，否则判断传输失败；其中B为大于1的正整数。

7.根据权利要求6所述的车载网络的广播方法，其特征在于，所述n个数据包的长度均为s比特。

8.根据权利要求7所述的车载网络的广播方法，其特征在于，

$\left[\begin{array}{cccc}{P}_{11}^{\&prime;}& P_{21}^{\&prime;}& \mathrm{...}& P_{B1}^{\&prime;}\\ P_{12}^{\&prime;}& P_{22}^{\&prime;}& \mathrm{...}& P_{B2}^{\&prime;}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ P_{1N}^{\&prime;}& P_{2N}^{\&prime;}& \mathrm{...}& P_{BN}^{\&prime;}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{a}_1^0& a_1^1& \mathrm{...}& a_1^m\\ a_2^0& a_2^1& \mathrm{...}& a_2^m\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ a_N^0& a_N^1& \mathrm{...}& a_N^m\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}{P}_{11}& P_{21}& \mathrm{...}& P_{B1}\\ P_{12}& P_{22}& \mathrm{...}& P_{B2}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ P_{1m}& P_{2m}& \mathrm{...}& P_{Bm}\end{array}\right]$

$G\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}\left[\begin{array}{cccc}{a}_1^0& a_1^1& \mathrm{...}& a_1^m\\ a_2^0& a_2^1& \mathrm{...}& a_2^m\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ a_N^0& a_N^1& \mathrm{...}& a_N^m\end{array}\right],$ 且 $a_i^j\&Element;GF\left(2^M\right)$ ，

其中编码系数矩阵G为范德蒙矩阵，M为正整数。

9.根据权利要求8所述的车载网络的广播方法，其特征在于，在所述步骤S4中，判定对于每组线性网络编码包，所述车载单元经过的N个路边单元传输失败的每组平均传输失败率为D表示为：

$D\left(N\right)={\&Sigma;}_{k=0}^{m-1}{C}_N^k{(1-p)}^k{p}^{N-k};$

因而平均传输失败率Der可以表示为：

Der(N)＝1-(1-D(N))^B， $B=\&lsqb;\frac{L}{vT}\&rsqb;$

其中，p为丢包率，B为所述车载单元经过的一个路边单元覆盖的区域接收到的数据包总数，L为每个路边单元覆盖的路径长度，T为所述路边单元广播一个线性网络编码包的时间间隔，v为所述车载单元的速率，k为所述车载单元经过的N个路边单元覆盖的区域成功接收到的数据包数。

10.一种车载网络的广播系统，其特征在于，包括控制中心，至少一个车载单元和N个路边单元，其中所述控制中心进一步包括：

分组确定编码模块，用于将待发送的n个数据包{P₁、P₂、…、P_n}分成B组，每组m个数据包{P₁₁、P₁₂、…、P_1m}、{P₂₁、P₂₂、…、P_2m}、…、{P_B1、P_B2、…、P_Bm}，且分别对每组数据包进行确定线性网络编码以得到B组线性网络编码包{P′₁₁、P′₁₂、…、P′_1N}、{P′₂₁、P′₂₂、…、P′_2N}、…、{P′_B1、P′_B2、…、P′_BN}，

分组转发模块，将所述B组线性网络编码包{P′₁₁，P′₁₂、…、P′_1N}、{P′₁₁、P′₂₂、…、P′_2N}、…、{P′_B1、P′_B2、…、P′_BN}中对应的线性网络编码包{P′₁₁、P′₂₁、…、P′_B1}、{P′₁₂、P′₂₂、…、P′_B2}、…、{P′_1N、P′_2N、…、P′_BN}分别转发到所述车载单元将要经过的所述N个路边单元；

所述N个路边单元用于在每单位时间内广播一个线性网络编码包；

所述车载单元还包括判定模块，所述判定模块用于判定对于B组线性网络编码包，所述车载单元是否均正确接收到m个以上的线性网络编码包，如果是则利用编码系数矩阵的逆分别重组每组原来所述的m个数据包，进而恢复出原始的n个数据包{P₁、P₂、…、P_n}，否则判断传输失败；

其中B为大于1的正整数。