CN105847349A

CN105847349A - 一种基于分布式喷泉码的车联网协助下载方法

Info

Publication number: CN105847349A
Application number: CN201610165124.4A
Authority: CN
Inventors: 刘建航; 张文斌; 李世宝; 路锦博; 陈海华; 黄庭培; 章扬
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2016-03-22
Filing date: 2016-03-22
Publication date: 2016-08-10

Abstract

本发明属于车联网通信技术领域，涉及一种基于分布式喷泉码的车联网协助下载方法。本发明过程中，协助车把将要被下载的数据进行编码，当目标车辆处于协助车的通信范围内时，由协助车将数据分组进行广播发送，此时目标车辆和处于协助车通信范围内的其他车辆都进行数据分组的接收。当协助车驶离目标车的通信范围时，如果目标车未能收到足够多的数据编码分组用以还原原始数据，则目标车通信范围内其他携带分组信息的协助车继续为其转发数据分组，直到目标车收到足够多的数据用以还原原始数据，一次协助下载过程结束。本发明首次将分布式喷泉码技术与车联网环境相结合，具有信道利用率高，丢包率低的优点。

Description

一种基于分布式喷泉码的车联网协助下载方法

技术领域

本发明公开了一种基于分布式喷泉码的车联网协助下载方法，涉及车联网通信技术领域。

背景技术

在车联网领域，很重要的一个研究方向就是数据包的高速、稳定传输问题。由于在车联网环境中，车辆相遇时间短，运行速度快，车速变化频繁，信道质量差等原因，导致传统的协助下载具有较高的丢包率，协助车携带的数据不能完全保证全部传送给目标车辆，这并不能保证系统QoS要求较高的应用。

传统的协助下载方法比如Mob Torrent提出的利用WIFI和WWAN相互补充利用同向以及对向车辆协助下载的方案忽略了丢包率，当出现丢包的情况，用户必须进入下一个热点获取丢失的数据包。DongYao jia等提出车联网重传策略用以减少丢包率，该方法以重传时间为代价，降低了系统吞吐量。Yuchen Wu等提出基于轨迹预测的车联网协助下载方法提高数据转发率。尽管预测的车辆行驶轨迹有助于数据转发策略，但是仍然无法从根本上解决丢包带来的影响。

数字喷泉码是一种大规模数据分发和传输的解决方案。在这种编码方式中，系统发送端可以由k个原始分组生成任意数量的编码分组，接收端只要接收到k(1+ε)个编码分组的任意子集，即可通过译码以高概率成功恢复全部原始分组(和ε有关)。数字喷泉码不仅拥有很小的译码开销ε，而且具有简单的编译方法和很小的译码复杂度。该编码过程可以产生源源不断的编码分组，而客户端只要接收到足够数量的数据分组，即可以还原数据，而不必关心接收到的是哪些编码分组。

一些研究者如X Liu，Lei Weijia等，采用独立数字喷泉码保证每跳中的可靠传输。然而每个中继节点都要对收到的数据进行编解码，增加了各节点的转发成本，并且频繁的信息反馈也会增加数据的接收延迟。为了解决该问题，A Tarable等针对喷泉码提出级联编码方式，中继节点不需要知道源节点编码细节，收到数据编码的数据包后不需要对其进行解码，而是进行二次编码，目的节点对收到的数据包进行多级解码获取原始数据。这种方式减少了中间节点的计算复杂性，但对于目的节点来说译码比较复杂。Rui Cao提出了DLT码，使用两层随机编码方式对数据进行编解码，但是没有考虑数据信道的直接链路和间接链路的丢包率，各层的分布式函数增加了解码难度。

近年来，分布式数字喷泉码技术发展迅速，它可以适应信道变化，有效利用信道容量，可以满足车联网环境中汽车传输信息的要求。迄今为止，尚未见到将该技术应用于车联网领域的报道。

发明内容

本发明是为了解决车联网环境下数据的协助下载具有较高丢包率的问题，因此提出了一种基于分布式喷泉码的车联网协助下载方法。

本发明提出的基于分布式喷泉码的车联网协助下载方法，是根据车联网环境中车辆相遇时间短，运行速度快，车速变化频繁，信道质量差，导致协助下载具有较高的丢包率，协助车携带的数据不能保证全部传递给目标车辆的问题。提出借助具有连接互联网能力的AP下载数据，并将数据按照一定的策略分发给不同的协助车，协助车使用喷泉码对原始数据进行编码，直接或通过其他协助车间接发送给目标车，这样即使有数据丢失，目标车只要收集到足够多的数据分组就可以将原始数据还原，减少丢包率，提高用户数据下载数据量。

本发明的目的是借助以下技术方案实现的：

1.首先，将提出下载请求的车辆标定为目标车辆，其他可能经过目标车辆通信范围的车辆为协助车辆。所有经过AP通信范围的车辆都要自行上传其行车信息至AP，AP会根据这些信息生成一个行车信息列表；

当目标车辆提出下载资源的请求后，AP连接互联网下载指定资源至本地，同时根据目标车辆在AP通信范围内的预测滞留时间传输相应数量的数据给目标车辆，把未传输完成的数据的信息告知该目标车可能经过的下一个AP，请求协助下载；

当相邻AP收到协助下载请求时，按照其行车信息列表中车辆的信息选取一批协助车，并将剩余数据传输到协助车上；

当目标车辆处于协助车的通信范围内时，两者协商通信确定要转发的数据，协助车对数据进行编码，并进行广播发送，直到数据包发送发完毕；

2.所述行车信息包括车辆的ID识别码，平均速度v_n以及该车辆进入该AP点的时刻t_n；

所述行车信息列表中的信息随着车辆的进入和离开不断更新，AP之间每隔一段时间相互交换其信息列表数据。当一辆车的ID先后出现在两个AP的行车列表中时，则删除前一个AP行车列表中对应的行车信息；

3.预测滞留时间是根据该AP的通信半径和平均速度v_n确定的。AP根据自身的通信半径rx和平均车速，计算出目标车辆在该通信半径中的预测滞留时间tx，公式如下：

t_x＝2*r_x/v_n；

所述AP根据车辆的运行方向，预测用户将要经过的下一个AP点，并将尚未下载完成的内容通知给下一个AP点，由下一个AP点选择合适的协助车辆；

4.所述选取协助车的准则为：根据AP信息列表中每辆车的注册时间和平均速度信息，计算它们与目标车的相遇时间，并按照该时间顺序从列表中选取一组车辆作为协助车，选取的协助车数量随着该时段AP覆盖范围内的车辆数量以及目标车辆请求的数据量大小浮动，AP将目标车辆还未接收的数据传送给这些协助车，直至完成发送任务；

5.协助车如果没有收到目标车完成数据采集的反馈信息，在其离开目标车的通信区域以后仍然要继续发送信息，直到数据包发送完成，以便其他协助车能够继续转发，而目标车只有采集到足够多的数据才将反馈发送给最后一个协助车；

6.所述协助车(A协助车)向目标车传输数据过程中，其他处于该协助车通信范围内的协助车(B、C协助车)也接收数据，当A在没有传输完成的情况下离开目标车的通信范围，目标车会将缺失的部分进行广播，则协助车B、C就会根据广播信息对来自A的编码包进行二次编码，并继续广播发送，该过程不断持续直到目标车收到足够的编码分组用于还原原始数据。

有益效果

本发明对比已有技术具有以下创新点：

本发明提出的分布式喷泉码编码算法通过协助传输以及级联编码的方式，使得目标车在收到足够的数据包还原原始数据后将反馈信息发送给最后一辆协助车，从而完成协助下载任务。

本发明对比已有技术具有以下创新点：

本发明提出的方法不是利用协助车转发数据分组，而是转发数据源的编码分组，这样只要目标车接收到足够的分组就能还原出原始数据，而不必关心接收到的是哪些编码分组。

附图说明

图1是协助下载策略过程示意图；

图2是为表述分布式喷泉码方法建立的三点通信模型；

图3是协助车将编码后的数据分组进行广播发送的示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步地详细描述。

本发明的基本思想是车联网环境下利用分布式喷泉码实现协助下载，减少丢包率，增加用户数据下载量。

如图1展示了使用该方法协助下载的一个实例，图中灰色区域表示AP通信区，两个AP通信区之间的白色区域为盲区(Dark Area)。黑色车辆表示需要下载数据的目标车，灰色车辆表示其他车辆，其中c_`1～c_n表示与目标车对向行驶的车辆，盲区中的灰色区域为协助下载发生的区域，AP之间通过网络互联。从上到下五幅图按照时间顺序描述了使用该方法进行下载的五个阶段。在阶段A，目标车辆提出下载请求，AP1下载部分数据到目标车辆，并通知AP2准备下载；在阶段B，AP2选择协助车，并把数据发送给协助车辆；在阶段C、D、E，目标车通过协助车的通信范围时，协助车分别将相应的数据发送给目标车辆，直到目标车接收到的数据足以还原原始数据。

为了使调度者能够在选择协助车辆之前掌握车辆的运行信息，协助车进入AP通信区后需要注册其ID，平均速度v_n以及进入该AP点的时间t_n。每个接入点维护一个所在通信范围内所有车辆的速度以及注册时间信息列表List＝{(id₀,v₀,t₀)...(id_n,v_n,t_n)}。该列表中的数据随着车辆的进入和离开不断更新，AP之间每隔一段时间相互交换其信息列表，如果一个AP发现其注册列表中的车辆出现在相邻的AP的列表中，并且注册时间要晚于自己的列表中的注册时间，说明该车辆已经进入另一个AP的通信范围内，随即删除当前记录。当AP通信范围内有车辆提出下载请求，AP需要接入Internet，找到指定资源，并根据该车辆的车速以及当前时间，计算用户在其通信范围内的剩余时间，下载相应的数据给该用户。同时根据用户行驶的方向预测用户将要经过的下一个AP点，将尚未下载完成的内容通知给它，由下一个AP点指定协助下载方案。

当相邻AP收到协助下载请求时，计算其List列表中每一辆车与目标车的相遇时间，按与目标车相遇的时间顺序从中选取一组车辆作为协助车辆放入集合M＝{(id₀,v₀,t₀,B₀,E₀,T₀),...(id_n,v_n,t_n,B_n,E_n,T_n)}，AP点将剩余的数据按协助车与目标车的相遇时所能传输的数据量下载到协助车上，直至完成下载任务。M(id_n,v_n,t_n,B_n,E_n,T_n)分别代表车辆ID，平均速度，注册时间，与目标车通信开始时间和完成通信的时间以及选车时间，B_n可以通过公式

B_{n} = T_{n} + \frac{D + 2 L - (T_{n} - t_{s}) \times v_{s} - (T_{n} - t_{n}) \times v_{n} - d}{V_{s} + V_{n}} = \frac{D + 2 L - d + v_{s} t_{s} + v_{n} t_{n}}{V_{s} + V_{n}}

求得。E_n可以通过公式

E_{n} = B_{n} + \frac{2 d}{v_{s} + v_{n}} = \frac{D + 2 L + d + v_{s} t_{s} + v_{n} t_{n}}{v_{s} + v_{n}}

求得。从结果可以看出选车时间T_n和B_n与E_n无关。

如图2展示了采用分布式喷泉码进行数据传输时的通信模型。当源节点S进入目标车D的通信区，协商通信后，确定要转发的数据。假定协助车C在S-D通信时也在其通信区，节点间的信道为删除信道。删除概率分别为P_SC,P_SC,P_CD。源节点S在发送数据前使用分布函数f_s(x)对数据进行LT编码，并进行广播，其通信区内的目标车D和协助车C都能够接收到S的数据。S离开D的通信区后，如果D没有收到足够的数据包还原原始数据，将缺失的部分进行广播，C根据缺失广播信息对收到的来自S的编码包使用分布式函数f_c(x)对其进行二次编码，并继续广播。该过程不断循环，直到D收到足够能还原原始数据的数据包。

与传统的喷泉码不用，D有可能无法发送反馈给源节点，这是由于车联网环境中车辆通信范围有限，目标车可能没有收集到足够的数据，源节点就离开其通信区。因此，在本发明提出的方法中，协助车(包括源节点和协助节点)如果没有收到目标车完成数据采集的反馈，在其离开目标车的通信区后仍然要继续发送信息，直到数据包发送完成，以便其他协助车能够继续转发，而目标车只有采集到足够多的数据才将反馈发送给最后一个协助车，从而完成通信。

如图3所示，当协助车S与目标车D相遇(即目标车处于协助车的通信范围内)的时候，协助车S对数据分组进行广播发送，在目标车辆D接收的同时，同处于协助车通信范围内的其他车辆C和C’也会接收数据分组。当S离开与D通信区间时，若D未能收到足够多的编码分组用以还原原始数据，则其通信范围内的C或者C’可以继续转发数据，直到D收到足够还原原始数据的编码包。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于分布式喷泉码的车联网协助下载方法，其特征在于，所述方法包括：

首先，将提出下载请求的车辆标定为目标车辆，其他可能经过目标车辆通信范围的车辆为协助车辆。所有经过AP通信范围的车辆都要自行上传其行车信息至AP，AP会根据这些信息生成一个行车信息列表；

当目标车辆处于协助车的通信范围内时，两者协商通信确定要转发的数据，协助车对数据进行编码，并进行广播发送，直到数据包发送发完毕。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式喷泉码的车联网协助下载方法，其特征在于，所述行车信息包括车辆的ID识别码，平均速度v_n以及该车辆进入该AP点的时刻t_n；

所述行车信息列表中的信息随着车辆的进入和离开不断更新，AP之间每隔一段时间相互交换其信息列表数据。当一辆车的ID先后出现在两个AP的行车列表中时，则删除前一个AP行车列表中对应的行车信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于分布式喷泉码的车联网协助下载方法，其特征在于，预测滞留时间是根据该AP的通信半径和平均速度v_n确定的。AP根据自身的通信半径r_x和平均车速，计算出目标车辆在该通信半径中的预测滞留时间t_x，公式如下：

t_x＝2*r_x/v_n；

所述AP根据车辆的运行方向，预测用户将要经过的下一个AP点，并将尚未下载完成的内容通知给下一个AP点，由下一个AP点选择合适的协助车辆。

4.根据权利要求1和权利要求3所述的一种基于分布式喷泉码的车联网协助下载方法，其特征在于，所述选取协助车的准则为：根据AP信息列表中每辆车的注册时间和平均速度信息，计算它们与目标车的相遇时间，并按照该时间顺序从列表中选取一组车辆作为协助车，选取的协助车数量随着该时段AP覆盖范围内的车辆数量以及目标车辆请求的数据量大小浮动，AP将目标车辆还未接收的数据传送给这些协助车，直至完成发送任务。

5.根据权利要求1所述的一种基于分布式喷泉码的车联网协助下载方法，其特征在于，协助车如果没有收到目标车完成数据采集的反馈信息，在其离开目标车的通信区域以后仍然要继续发送信息，直到数据包发送完成，以便其他协助车能够继续转发，而目标车只有采集到足够多的数据才将反馈发送给最后一个协助车。

6.根据权利要求1所述的一种基于分布式喷泉码的车联网协助下载方法，其特征在于，所述协助车(A协助车)向目标车传输数据过程中，其他处于该协助车通信范围内的协助车(B、C协助车)也接收数据，当A在没有传输完成的情况下离开目标车的通信范围，目标车会将缺失的部分进行广播，则协助车B、C就会根据广播信息对来自A的编码包进行二次编码，并继续广播发送，该过程不断持续直到目标车收到足够的编码分组用于还原原始数据。