通信網絡中的信息散發方法

專利名稱：通信網絡中的信息散發方法
技術領域：
本發明涉及一種通信網絡中的信息散發方法，優選地用在車載自
組織網絡(VANET)中，其中，通信網絡包括多個通信節點，這些通 信節點知道它們的地理位置，并且，散發過程由節點之一一一發起方 節點通過以下方式發起向要將信息散發至的相關區域內的特定節點 一一第一轉發方節點發送包括要散發的信息在內的單播消息。
背景技術：
移動通信網絡中的信息散發是一項至關重要的任務，特別是在如 VANET (車載自組織網絡)之類的車載移動網絡中，需要可靠的策略 來將消息傳遞到位于特定地理區域內的全部車輛。首要地，這適用于 與危險事件(例如，交通事故或者雨凇形成)有關的安全消息的情況。
信息散發的最簡單策略是所謂的泛洪機制。泛洪是指要傳遞的信 息由節點來廣播，每個接收信息的節點再次對該信息進行廣播，以此 類推。然而，泛洪造成了大量的開銷以及大量的分組碰撞，這被稱作 "廣播風暴問題"。盡管有解決該問題的建議，但并沒有高度相關地處 理要散發的信息所經歷的延遲。然而，特別是在VANET中，由于與 安全有關的信息的可能非常關鍵的性質，因而需要較短的延遲。
應用于車載運動情景，特別是高速公路環境的另一種更完善的方 案是PBR (基于位置的路由)。PBR使用通信節點的地理位置來決定 應當沿著哪個方向轉發消息。為此，現有的PBR協議使用信標消息， 信標消息允許每個節點經由無線電廣播向其所有相鄰節點通告其地址 和地理位置。每當節點從相鄰節點接收到這樣的信標消息時，它就將 該節點的地址和位置存儲在其相鄰節點表格中。當節點必須轉發分組 時，該節點使用該表格來確定應當將分組轉發至的哪個相鄰節點，以 向最終目的地前進。通常，這個決定基于幾何啟發式方法，通過選擇使與目的地的剩余距離最小的相鄰節點來進行。該過程被稱作"貪婪 轉發"。盡管基于位置的路由由于其單播、點對點特性而成為相當快的 機制，但它在對分組丟失(例如，由于衰落效應或分組碰撞而引起) 的魯棒性方面存在缺點。對此，鑒于車載環境中挑戰性的傳播條件以 及潛在地高信道載荷，PBR僅在有限程度上適用。
此外，為了執行單播分組轉發，已提出了基于競爭的轉發(稱作
CBF)。與PBR相比，CBF不需要發送信標消息。取而代之地，節點 廣播數據分組，在其通信范圍內的所有節點接收到該數據分組。在接 收節點當中，通過分布式的、基于定時器的競爭過程來選擇實際轉發 方節點，該分布式的、基于定時器的競爭過程允許最合適的節點轉發 分組，而所有其他接收節點的潛在轉發受到抑制。己經表明，在具有 隨機的路點(way-point)移動性的一般二維情景中，CBF在性能上優 于PBR。在高度移動的情景中，CBF的性能優勢最為明顯。
然而，由于基于定時器的競爭機制引入到分發過程中的延遲，證 明了 CBF的缺點。特別是在高速公路情景中，其中通信節點高速移動 并且與生命有關的安全信息的分發非常重要，因此，CBF不構成適當 的解決方案。

發明內容
因此，本發明的目的是改進并進一步發展最初描述的一種通信網 絡中的信息散發方法，通過采用易于實現的機制來最小化傳播延遲并 顯著增強對不確定性的魯棒性。
根據本發明，上述目的是通過包括權利要求1的特征的方法來實 現的。根據該權利要求，該方法的特征在于，相關區域中接收由發起 方節點向第一轉發方節點發送的消息的其他節點分別挑選轉發方節 點，并根據基于定時器的競爭過程來將消息單播重傳至挑選出的轉發 方節點。
根據本發明，首先已認識到，信息散發的純PBR機制不能滿足特 殊情形下(例如，在與生命有關的安全應用的情況下)所需的要求。 此外，己經認識到，PBR的不足之處是由該過程的純單播性質引起的。單播是指利用消息首部中的特定目的地地址、經由廣播介質來發送消 息。根據情景和配置，這可能導致不可容許數量的分組碰撞。因此， 根據本發明，接收由發起方節點向第一轉發方節點發送的消息的節點 不丟棄消息。事實上，這些節點中的每一個分別挑選適當的轉發方節 點，并根據基于定時器的競爭過程將消息重傳至其挑選出的轉發方節 點。應當注意，這些轉發方節點可以與由發起方節點挑選出的第一轉 發方節點相同或不同。
單播的基于位置的路由與基于競爭的轉發相結合，確保了具有對 不確定性(如碰撞和傳播現象)的高魯棒性的信息散發。根據本發明 的方法以如下方式提供了冗余:未能從發起方節點正確發送至第一轉 發方節點的消息不會丟失，而是由合適的相鄰節點來重傳。
根據本發明的方法最適合具有挑戰性傳播條件和較高信道載荷的 高度移動的情景中的應用。然而，對于本領域技術人員來說顯而易見 地，本發明不限于這樣的應用。事實上，根據本發明的方法可以應用 于可靠且高效的信息散發至關重要的上述類型的任何通信網絡中。
有利地，必須將信息散發至的相關區域是由發起方節點根據要散 發的信息的類型來定義的。通常，希望傳遞消息的發起方節點知道相 關環境，因而該發起方節點負責定義相關區域，在該相關區域內，要 散發的信息可能是很重要的。例如，發起方節點可能已檢測到在兩個 行駛方向上都具有分離車道的高速公路上的交通事故。在這種情況下， 發起方節點可以將相關區域定義為從事故發生地點沿與運動方向相 反的方向延伸例如500米或1000米長度的區域。在具有不分離車道的 鄉間公路或鄉村公路的情況下，可以將相關區域定義為從事故發生 地點沿公路的兩個方向延伸的區域。
在一個有利方式下，相關區域被包括在由發起方節點發送的消息 中。因此，向散發過程中涉及的所有節點通知該相關區域，并且，所 有這些節點都可以考慮該信息。
在另一有利方式下，發起方節點基于相關區域來定義至少一個信 息傳播方向。在上述關于交通事故的示例中，信息散發方向最適合對 應于公路沿兩個行駛方向中任一方向或兩個方向的延伸。在十字路口的情況下，信息散發方向可以對應于分岔路線的延伸。在相關區域基 本呈圓形的情況下，發起方節點可以例如定義總共四個信息傳播方向， 例如，每個相隔卯。。
發起方節點可以基于信息傳播方向來挑選向傳播方向具有較大 (或優選地為最大)正前進距離的節點作為第一轉發方節點。對于該 挑選過程，發起方節點可以定義轉發區域，僅該轉發區域內的節點可 以進入轉發方節點挑選過程。轉發區域可以由對消息接收提供了特定 可配置可能性的范圍來限制。消息的相關性越高，可以使轉發區域的
大小越小。在任何情況下，都應當考慮到所涉及節點的具體SINR(信 號與干擾和噪聲之比)以及發送功率。
在優選實施例中，第一轉發方節點在接收到消息后，也定義轉發 區域并挑選轉發區域內向傳播方向具有最大或至少較大正前進距離的 節點作為第二轉發方節點。此后，第一轉發方節點向第二轉發方節點 發送消息，以此類推。可以重復該消息轉發過程，直到達到相關區域 的末端為止。應當注意，該轉發方式不包括任一跳中的任何附加延遲。 有利地，在將消息轉發至下一轉發方節點的每一轉發過程之后，根據 基于定時器的競爭過程來對消息執行重傳。換言之，每當在從一個轉 發方節點向下一轉發方節點進行的單播的、基于位置的轉發的環境下 轉發消息時，接收到消息的那些節點分別獨立地挑選適當的轉發方節 點，并根據基于定時器的競爭過程將消息重傳至相應的轉發方節點。
關于節點知道其地理位置，優選地，通信節點布S有用于確定其 當前位置的裝置。在VANET中，例如，能量消耗和小型化并不代表 關鍵特征，因此，節點可以配備有導航系統，例如GPS系統。
此外，可以向通信節點提供與相鄰節點的地理位置有關的更新的 信息。為此，可以使用在其他安全機制的環境下由通信節點周期性發 送的信標消息。從而避免了任何妨礙無線介質(無線電廣播)的附加 開銷。通過主動(proactive)發送狀態消息，每個節點經由無線電廣 播向其所有相鄰節點(即單跳發送范圍內的節點)通告其地址和地理 位置。每個節點可以例如包括更新該信息的相鄰節點表格。信標頻率 可以適于網絡內的移動性程度。狀態消息可以包括與相應節點的速度、運動方向和/或類似參數有關的附加信息。
有利地，以混雜模式操作所有通信節點。因此，在以廣播模式發 送所有消息時，所有消息一一甚至單播消息——都將由消息發送方的 通信范圍內的所有節點接收。因此，使最大數目的節點能夠參與競爭 過程。
在優選實施例中，競爭過程實現如下
接收由發起方節點或任何轉發方節點發送的消息的每個節點可以 啟動定時器。對于每個節點，將競爭周期設置為與節點相對于消息發 送方沿傳播方向前進的距離成反比。換言之，節點與相應轉發方節點 之間的距離越大，競爭周期就越短。只要一達到節點競爭周期的結尾， 節點立即可以以廣播模式將消息重傳至其挑選出的下一轉發方節點。 這樣，不僅實現了冗余，同時還確保了沿傳播方向具有最大前進距離 的節點將首先重傳消息。從而將競爭過程所引入的延遲保持盡可能低。
為了停止競爭過程，每個節點可以配置有最大重傳次數。在這種 環境下，每個節點可以運行每當節點接收到消息時增大的計數器。當 競爭過程所涉及的節點之一的計數器達到最大重傳次數時，可以中斷 競爭過程。最大重傳次數的值可以由發起方節點根據要散發的信息的 類型來定義。在(通常不關鍵的)交通應用的情況下，可以將最大值 設置為例如1，以使得除了相應轉發方節點外，僅有一個其他附加節 點重傳消息。應用越敏感，最大值就可以被選擇得越大。例如，在安 全應用的情況下，可以將最大值設置為3甚至更大的值。
作為附加的或備選的參數，可以考慮轉發區域的大小來定義最大 重傳次數。通常，轉發區域的大小越大，最大重傳次數的值就應當被 選擇得越大。這樣，由較大的轉發區域引起的較低的消息接收可能性 可以通過更加冗余的競爭過程得到補償。
在相關區域內部進行網絡劃分的情況下，可能會發生要散發的信 息不能完全覆蓋相關區域的情況。然而，這可以是一種設計選擇，艮P， 必須向相關區域內的節點通知短暫危險。在對網絡進行劃分并且信息 在更長時間內"有效"的情況下，未收聽到來自傳播方向的重傳的節 點應當存儲信息，并在檢測到新相鄰節點時轉發該信息。有多種方式來有利地設計并進一步發展本發明的教導。為此，需 要參考從屬于權利要求1的本專利的權利要求以及另一方面由附圖示 出的以下對本發明實施例優選示例的解釋。結合借助于附圖對本發明 實施例優選示例的解釋，將解釋本發明教導的一般優選實施例以及進 一步發展。


僅有的附圖是根據本發明的在通信網絡中的信息散發方法的應用 情景的實施例的示意圖。
具體實施例方式
更詳細地，該附圖示意性描述了通信網絡l的一部分。在所示的
具體實施例中，通信網絡l是車載自組織網絡(VANET)，包括用作通 信網絡1的通信節點N的多個車輛。對此，詞語"車輛"和"節點"在 該示例的環境下的作為同義詞使用。節點N配備有無線技術，使其可 以通過無線電廣播來互相交換信息。具體地，該附圖示出了具有通過 防撞護欄4而彼此分離為兩個行駛方向的行車道2和3的高速公路情景。
車輛O檢測到路上的危險，例如，車輛O經歷了事故或者檢測到 雨凇的形成。在檢測到危險事件后，車輛O立即發起信息散發過程， 以警告其他車輛N。為此，車輛O (以下稱作發起方節點O)定義相關 區域RA。相關區域是以卞地理區域其中，發起方節點O要散發的信 息可能與其他車輛N相關。在例如檢測到雨凇的情況下，在另一行駛 方向上的行車道上也很可能存在雨凇。因此，相關區域應當從發起方 節點O沿兩個交通方向延伸。在附圖所示的實施例中，發起方節點O 經歷了事故。由于該信息僅對隨后的車輛具有重要性(由于防撞護欄4 分離了交通方向)，因而相關區域從發起方節點O僅沿與運動方向相反 的方向延伸。可以根據通信節點N的平均速度來配置相關區域的長度。 在具有較高速度的高速公路情景中，該長度可以被設置在500米至2000 米之間的范圍內。
在以下描述中，假定所有節點N都通過發送包含位置、速度、方向等在內的周期性狀態消息(信標)來獲知其周圍節點N的位置。還 假定任何節點N的發送覆蓋了公路的完整寬度，并且所有節點N都被設 置為混雜模式。混雜模式是指每個節點N原則上接收其通信范圍內的 任何其他節點所發送的所有消息。
在己定義必須將信息散發至的相關區域后的下一步驟中，發起方
節點o產生包括要散發的信息在內的消息。通常，要散發的信息包括
檢測到的危險的類型、檢測到的危險的位置、以及時間戳。接下來，
發起方節點O定義轉發區域FA。轉發區域FA是某種魯棒性較高的范
圍，由于與其他節點的可能的干擾，并且考慮到成功地對發送進行解 碼所需的無線卡而指定的具體SINR (信號與干擾和噪聲之比)，該范 圍提供足夠高的消息接收可能性。因此，轉發區域小于確定/理想的通 信范圍CR。由此，可以增強散發過程的可靠性和充分性。實踐中，根
據交通密度和/或平均速度，和/或根據發起方節點o的發送功率，禾口/
或根據應用的靈敏度等等，可以確定轉發區域FA的大小。
信息的快速散發是通過單播的、基于位置的方案來執行的，該方 案選擇轉發區域FA內的已知節點，該已知節點提供相對于信息傳播方 向的最大(或至少較大)的正前進距離。發起方節點N將消息轉發至 所選節點，所選節點被稱作第一轉發方節點F1。只要有足夠的節點N 提供完全連接性就重復該機制，直到相關區域被完全覆蓋為止。換言 之，第一轉發方節點F1定義新的轉發區域，并將消息轉發至該區域內 提供相對于信息傳播方向的最大(或至少較大)芷前進距離的第二轉 發方節點F2。為了清楚起見，附圖中并未示出第二轉發方節點F2和任 何另外的轉發方節點Fn。與競爭方式相比，由于競爭方式可能在每一 跳中包括附加延遲，因而這種轉發是非常快速的。
由于車輛環境中存在的衰落現象以及潛在的碰撞，因此以廣播方 式來重傳消息，以提高散發方案的可靠性。重傳機制將利用競爭周期 來改進其可靠性。位于轉發區域FA內的、接收所散發的消息的所有節 點C1、 C2、 C3 (不僅是被指定為通過前述單播的、基于位置的轉發方 案對消息進行轉發的節點)將在接收到該消息后開始基于定時器的競 爭周期。為了改進節點間的協調，可以將競爭區域定義為節點周圍與轉發區域FA具有相同半徑的圓。節點的競爭周期可以被設置為與相對 于發送方沿傳播方向的前進距離成反比。換言之，節點與相應轉發方
節點F1、 F2、……、Fn距離越近，其競爭周期就越短。在附圖所示的 示例中，節點C1的競爭周期將短于節點C2的競爭周期，而節點C2的競 爭周期將短于節點C3的競爭周期。到達競爭周期結尾的節點使用由該 節點挑選的轉發方節點的地址作為目的地地址來重傳消息。在附圖所 示的示例中，節點C1可能挑選節點P作為轉發方節點，這是由于在節 點C1看來，節點P提供了向傳播方向的最大正前進距離。
為了控制發送至中間節點的重復或復制，從位于其魯棒性高的范 圍內的節點接收消息將取消其競爭過程(如果競爭過程正在運行)。為 了改進可靠性，每個節點可以配置有最大重傳次數。在后一種情況下， 在(正在散發的消息的)每次接收或發送事件后，將重新啟動競爭過 程，直到達到預定義的最大值為止。
作為總結，以下提出順序的示例性說明。
1. 車輛(發起方節點)檢測到安全威脅并選擇用于散發的相關區域。
2. 發起方節點從其相鄰節點表格中選擇"下一轉發方節點"，即 轉發區域內提供沿散發方向的最大地理前進距離的節點。
3. 發起方節點發送廣播消息，包括
-用于散發的相關區域； -發起方節點自身的位置； -"下一轉發方節點"的ID。
4. a."下一轉發方節點"立即轉發具有新的"下一轉發方"的消
息；
b.在"轉發區域"內，消息的所有其他接收方開始與前近距離 成反比的競爭周期。
5. a.當競爭周期結束時
-發送具有"下一轉發方節點"ID的消息； -重新開始競爭(直到特定的最大值)。 b.如果接收到消息的次數等于特定的最大值，貝U:-取消競爭。
受益于前述說明書和關聯附圖中提出的教導，本發明所屬領域技 術人員將會想到這里闡述的本發明的許多修改和其他實施例。因此， 應當理解，本發明不限于所公開的具體實施例，并且修改和其他實施 例應當包含于所附權利要求的范圍內。盡管這里采用了特定術語，但 這些術語僅用在一般性和描述性意義上，而并不用于限制目的。
權利要求
1.一種通信網絡中的信息散發方法，優選地用在車載自組織網絡VANET中，其中，通信網絡(1)包括多個通信節點(N)，所述多個通信節點(N)知道它們的地理位置，并且，散發過程由節點之一——發起方節點(O)通過以下方式發起向要將信息散發至的相關區域(RA)內的特定節點——第一轉發方節點(F1)發送包括要散發的信息在內的單播消息，所述方法的特征在于，所述相關區域(RA)內接收由發起方節點(O)向第一轉發方節點(F1)發送的消息的其他節點(C1、C2、C3)分別挑選轉發方節點，并根據基于定時器的競爭過程來將所述消息單播重傳至挑選出的轉發方節點。
2. 根據權利要求l所述的方法，其中，所述相關區域(RA)是由 發起方節點(0)根據要散發的信息的類型來定義的。
3. 根據權利要求1或2所述的方法，其中，所述相關區域(RA) 包括在由發起方節點(0)發送的消息中。
4. 根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其中，發起方節點 (0)基于所述相關區域(RA)來定義至少一個信息傳播方向。
5. 根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其中，發起方節點 (0)定義轉發區域(FA)，并且，發起方節點(0)將所述轉發區域 (FA)內向所述傳播方向具有最大或至少較大正前進距離的節點挑選為第一轉發方節點(Fl)。
6. 根據權利要求5所述的方法，其中，第一轉發方節點(Fl)在 接收到所述消息后定義轉發區域，并且，第一轉發方節點(Fl)將所 述轉發區域內向所述傳播方向具有最大或至少較大正前進距離的節點 挑選為第二轉發方節點。
7. 根據權利要求6所述的方法，其中，重復消息轉發過程，直到 達到所述相關區域(RA)的末端為止。
8. 根據權利要求7所述的方法，其中，在將所述消息轉發至下一 轉發方節點的每一轉發過程之后，根據基于定時器的競爭過程對消息執行重傳。
9. 根據權利要求1至8中任一項所述的方法，其中，通信節點(N) 布置有用于確定它們的地理位置的裝置。
10. 根據權利要求1至9中任一項所述的方法，其中，通信節點(N) 具有與相鄰節點的地理位置有關的更新的信息。
11. 根據權利要求1至10中任一項所述的方法，其中，通信節點 (N)發送周期性的狀態消息。
12. 根據權利要求ll所述的方法，其中，所述狀態消息包含與相 應通信節點(N)的位置、速度、運動方向和/或類似參數有關的信息。
13. 根據權利要求1至12中任一項所述的方法，其中，通信節點 (N)在混雜模式下操作。
14. 根據權利要求1至13中任一項所述的方法，其中，針對接收由 發起方節點(0)或任何轉發方節點(Fl)發送的消息的每個通信節 點(Cl、 C2、 C3)來設置競爭周期，所述競爭周期與所述節點(Cl、 C2、 C3)相對于所述消息的發送方(0、 Fl)沿傳播方向的前進距離 成反比。
15. 根據權利要求1至14中任一項所述的方法，其中，接收由發起 方節點(0)或任何轉發方節點(F1)發送的消息的每個通信節點(C1、 C2、 C3)在接收到所述消息后啟動定時器。
16. 根據權利要求14或15所述的方法，其中，每個通信節點(C1、 C2、 C3)在它的競爭周期的結尾處立即以廣播模式來重傳所述消息。
17. 根據權利要求1至16中任一項所述的方法，其中，每個通信節 點(N)運行計數器，每當節點(N)接收到所述消息，所述計數器增 大。
18. 根據權利要求17所述的方法，其中，當所述競爭過程涉及的 通信節點(Cl、 C2、 C3)之一的計數器達到可配置的最大值時，中斷 所述競爭過程。
19. 根據權利要求18所述的方法，其中，最大重傳次數的值由發 起方節點(0)根據要散發的信息的類型和/或根據所述轉發區域(FA) 的大小來定義。
20.根據權利要求18或19所述的方法，其中，最大重傳次數的值 在交通應用的情況下被設置為1 ，在安全應用的情況下被設置為3或被 分配以更大的值。
全文摘要
本發明提供了一種通信網絡中的信息散發方法，優選地，該方法用在車載自組織網絡VANET中，其中，通信網絡(1)包括多個通信節點(N)，多個通信節點(N)知道它們的地理位置，并且，散發過程由節點之一——發起方節點(O)通過以下方式發起向要將信息散發至的相關區域(RA)內的特定節點——第一轉發方節點(F1)發送包括要散發的信息在內的單播消息；所述方法的特征在于，相關區域(RA)內接收由發起方節點(O)向第一轉發方節點(F1)發送的消息的其他節點(C1、C2、C3)分別挑選轉發方節點，并根據基于定時器的競爭過程來將消息單播重傳至挑選出的轉發方節點。
文檔編號H04L12/56GK101652964SQ200780050847
公開日2010年2月17日 申請日期2007年2月1日 優先權日2007年2月1日
發明者安德烈亞斯·費斯塔格, 漢尼斯·哈騰斯坦, 馬克·托倫特·莫雷諾 申請人:Nec德國有限公司