CN101378343B - 一种实现高速公路车辆宽带通信的方法 - Google Patents

Abstract

本发明实现无线网络高速切换和移动环境下高带宽通信领域，所需解决的技术问题是一种实现高速公路车辆宽带通信的系统及方法，该系统包括沿高速公路路边分布安装的基站和车载无线通信终端，基站与车载无线通信终端均符合WLAN无线接入的802.11a/b/g/p标准，基站之间用光纤连接成局域网，车载无线通信终端还具备GPS全球定位系统功能。车载无线通信设备可同时与多个路边基站设备建立无线链路，实现以往传输速率数倍的高带宽通信。车辆高速移动穿过不同基站覆盖区域时，采用自适应速率选择和自适应流量方法，逐步断开无线信号趋弱的链路，依次或跨越式建立信号渐强的新链路，实现网络平稳、极软切换，保持通信的连续性。该方法支持车辆的高速移动性、移动设备的多媒体宽带业务、大范围的网络覆盖，实现高速公路车辆宽带通信。

Description

一种实现高速公路车辆宽带通信的方法 

技术领域

本发明涉及无线局域网络通信领域和交通信息管理领域，特别涉及实现无线网络高速切换和移动环境下高带宽通信的系统及方法。 

背景技术

随着在公路交通系统的高度发达，车辆通信和高速环境下的宽带通信已经成为国内外研究的重要问题，以车辆作为移动终端辅以路边基站设施能有效的解决高速公路环境宽带通信问题。其中，核心问题是路边基站设备的快速切换和大数据量的多媒体业务的实现。目前在高速移动性的快速切换方面，存在严重的切换滞后和乒乓效应，造成切换的不完全，尤其在宽带通信时，切换的时机直接影响通信的质量，过早或太晚的切换都会造成通信带宽的下降，对于实时流媒体业务，是无法忍受的；短距离高速无线通信多采用传统的802.11a/b协议的无线局域网，其54Mbits/s的带宽可以满足宽带通信，但任何版本的WLAN标准IEEE 802.11/16均不是移动通信的标准，而是静态无线介入的一些实用做法形成的工作组合，如果终端移动性较强，媒体数据流性能可能会显著降低。其次，性能的降低会影响WLAN中的所有客户端，不仅仅是正在移动的客户端。为此，本发明以快速切换保证终端移动性不对通信产生严重影响，在高速公公路边布置大量基站设备，通过车辆终端和路边基站设备的单跳通信，路边基站的快速有向切换，实现高速率下的宽带通信，满足大业务量多媒体通信的QoS。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种实现高速公路车辆宽带通信的系统及方法，用来实现高速公路环境下运动车辆的宽带无线通信和网络的快速平稳切换。 

为解决上述技术问题，本发明提出了一种实现高速公路车辆宽带通信 的方法，沿高速公路的路边分布安装N个基站，所述N为大于2的整数常量；所述基站为符合802.11a/b/g/p标准的WLAN的无线接入设备，基站之间用光纤连接成局域网；相互邻近的所述基站的无线信号覆盖区域存在交叉；高速公路行驶的车辆安装车载无线通信终端，该车载无线通信终端为符合802.11a/b/g/p标准的WLAN多端口设备，并且具备GPS全球定位系统功能；所述车载无线通信终端建有路由表，所述路由表用于选择通信链路；所述车载无线通信终端包括专用短程通信DSRC设备，可进行车辆之间的单跳、多跳短程高速通信； 

其技术方案为：包括如下步骤： 

当车辆刚进入所述基站的信号覆盖区域，车载无线通信终端监听到该基站信号时，若，该基站信号强度大于信号连接阈值，所述信号连接阈值为常量参数，且所述路由表没有该基站的记录，则，车载无线通信终端将基站ID、基站信号强度以及当前时刻作为一条记录写入所述路由表，所述记录按信号强度由高到低排序； 

在车辆行进中，车载无线通信终端实时监听所述基站信号，并更新所述路由表中记载的该基站的信号强度，并根据所述信号强度对该基站记录排序；车载无线通信终端逐步接近该基站，则信号强度增强，所述路由表中该基站记录排序上升；车辆离该基站最近的时候，信号强度最强，该基站记录位于所述路由表的顶部； 

所述车载无线通信终端读取所述路由表，选择路由表中基站ID作为建立通信连接的路由，建立并保持与该基站的通信连接； 

车辆离开该基站，则监听到的该基站信号强度变弱，当基站信号强度低于第一断开阈值时，所述车载无线通信终端断开与该基站的物理连接，并且在该基站的加入时间小于当前车辆的车载无线通信终端路由表顶部记录记载时间的条件下，所述路由表中删除该基站记录；所述第一断开阈值为常量参数。 

作为进一步改进方案，所述车载无线通信终端断开与所述基站的物理连接，并且在路由表中删除该基站记录时，还必须满足该基站记录的时间小于当前路由表顶部记录的时间。 

优化地，车辆离开该基站，则监听到的该基站信号强度变弱，当基站信号强度高于第一断开阈值时，若该基站信号强度低于第二断开阈值，并且在该基站的加入时间小于当前车辆的车载无线通信终端路由表顶部记录记载时间的条件下，则所述车载无线通信终端中断与基站的业务连接；所述第二断开阈值为常量参数。 

进一步地，所述车载无线通信终端中断与所述基站的业务连接时，还必须满足该基站记录的时间小于当前路由表顶部记录的时间。 

作为进一步改进，所述车载无线通信终端读取所述路由表，选择路由表中基站ID作为建立通信连接的路由，建立并保持与该基站的通信连接，包括： 

当车辆移动速率低于第一速率并且业务对通信带宽要求第一带宽阈值时，所述车载无线通信终端读取所述路由表头部的若干记录，获取信号强度值均大于第二信号强度域值的基站ID作为路由，建立并保持与该若干基站的通信连接，同时将与所述路由表顶部记录的基站ID作为主路由；所述第二信号强度域值为常量参数； 

当车辆移动速率低于第一速率并且业务对通信带宽要求高于第一带宽阈值时，所述车载无线通信终端读取所述路由表的所有记录，获取信号强度值均大于第三信号强度域值的基站ID，建立并保持与该若干基站的通信连接，同时将与所述路由表顶部记录的基站ID作为主路由；所述第三信号强度域值为常量参数； 

当车辆移动速率高于第一速率并且业务对通信带宽要求低于第一带宽阈值时，所述车载无线通信终端选择所述路由表的基站记录中时间最大的那个基站ID作为路由，与之建立连接，直到，该基站信号强度接近于所述基站的最大信号强度，然后重复上述过程；所述最大信号强度为常量参数； 

当车辆移动速率高于第一速率并且业务对通信带宽要求高于第一带宽阈值时，选择所述路由表的基站记录中时间最大的那个基站ID作为主路由，与之建立连接，直到，该基站信号强度接近于所述基站的最大信号强度，然后重复上述过程；同时，所述车载无线通信终端读取所述路由表的所有记录，获取信号强度值均大于第四信号强度域值的基站ID作为路由，与该 基站建立通信连接；所述第四信号强度域值、最大信号强度域值为常量参数。 

这样的方案可以保证在满足业务通信的较短时间内连通基站覆盖的范围最大化，实现车辆高速状况下的高速率通信，另外，通过主路由的确定方法，避免了车辆高速运动带来的网络频繁切换以及终端高速移动性带来的网络覆盖盲点和切换滞后等缺点。 

附图说明

图1是本发明的高速公路车辆宽带通信的系统及方法的示意图。 

图2是本发明的多个基站信号强度与时间关系的原理图。 

具体实施方式

以下参照附图对本发明的高速公路车辆宽带通信方法进行详细说明。 

图1是本发明的高速公路车辆宽带通信的系统及方法的示意图，所示本发明的高速公路车辆宽带通信的系统，车辆1、2、3上的车载无线通信终端分别设置了DSRC、多端口WLAN无线通信设备，DSRC可实现移动的车辆1、2、3之间自组织通信单跳和多跳通信，多端口WLAN无线通信设备同时与多个路边基站建立无线链路，增加传输带宽，利于实时多媒体业务的实现；车载无线通信终端1、2、3还分别设置了GPS定位系统、嵌入式处理系统、人机交互系统。GPS定位系统可实时获得移动车辆的地理位置；嵌入式处理系统可高速计算车辆运动状况及通信数据的处理；友好的人机交互系统可方便、快捷的将计算分析信息图形化和影音化的传达给车内用户。 

图1中所示的对象5、6、7、8、9、10为6个具有WLAN设备的基站，沿高速公路布置，具有较大范围的信号重叠覆盖区域，基站设备的结构相同，并且等距离布置，车载无线通信终端离基站越近信号越强，基站信号强度的变化曲线为正弦曲线。基站5-10之间用光纤11连接有线局域网，可实现基站之间高速转接传递通信；图1中所示区域12、13、14、15、16、17分别表示基站5、6、7、8、9、10的信号覆盖区域，18为车辆运行方向。其中5个邻近的基站信号覆盖区域存在交叉部分，即进入高速公路车辆宽带系统的车辆终端最多可同时与5个路边基站建立连接。 

车辆1刚进入基站5的信号覆盖范围12，车辆1的车载无线通信终端检测到基站5的信号，则在车辆1的车载无线通信终端的路由表中添加一条包括基站5的ID、当前的时间、信号强度值的记录，由于此时基站5的信号强度相对较弱，达不到业务要求的信号强度，所以，车辆1的车载无线通信终端没有与基站5建立通信连接。随着记录中的信号强度值随车辆1逐渐接近基站5，该记录也在路由表中的序位逐渐上升。当基站5的信号强度大于连接阈值P_c时，P_c为常量参数，车辆1的车载无线通信终端与基站5建立通信连接。车辆1继续行进，当车辆1进入基站6的信号覆盖区域，车载无线通信终端检测到基站6的信号，则在车辆1的车载无线通信终端的路由表中添加一条包括基站6的ID、当前的时间、信号强度值的记录。记载基站6的记录同样根据其相对车载无线通信终端的信号强度在路由表中排序。当车辆1行进到车辆2的位置时，车辆2的车载无线通信终端位于基站5、6、7的对应的12、13、14信号覆盖区域内。车辆2的车载无线通信终端的路由表中记载了包括基站5、6、7信息的三条记录。但是此时，车辆2距离基站5最近，基站5的信号强度最强，该记录会排在路由表的顶部，此时，基站5的ID作为主路由，在通信链路中的优先级最高。 

当车辆1移动至车辆3的位置时，从图1看出，车辆3的车载无线通信终端位于路边基站5、6、7、8、9所对应的12、13、14、15、16信号覆盖的交叉区域内，通过车载多端口WLAN设备，车辆3的车载无线通信终端可以同时和基站5、6、7、8、9建立连接，带宽大大增加，而且基站均为WLAN设备，因此车载终端设备可采用单模设备，避免了由于网络异构带来的多模需求。在车辆3向3’运行过程中，基站5的信号强度逐渐减弱，结合图2所示，当信号强度值低于第二断开阈值P_d2并且高于第一断开阈值P_d1的时候，并且在基站5的加入时间小于当前车辆3的车载无线通信终端路由表顶部记录记载时间的条件下，车辆3的车载无线通信终端中断与基站5的业务连接。 

当车辆运动到3’时，基站5的信号强度值低于第一断开阈值P_d1，车载无线通信终端中断与基站5的物理连接，并且在基站5的加入时间小于当前车辆3的车载无线通信终端路由表顶部记录记载时间的条件下，在车辆3 的车载无线通信终端的路由表中删除基站5的记录。在此期间一直保持车辆终端3与基站6、7、8、9的连接，则通信会一直保持连续性，不会因为切换导致链路的断开。然后，车辆3离开基站5的覆盖区域，进入到基站10的信号覆盖区域，然后依上述方法继续。 

图2所示为发明的多个基站信号强度与时间关系的原理图。其中，p轴表示基站设备信号强度，t轴表示时间，P5、P6、P7、P8、P9、P10为基站5、6、7、8、9、10的信号强度随时间变化的曲线。在立项情况下，车辆以匀速行驶，则车辆运行时间和距路边基站的距离成线性关系，认为信号传播模型为自由空间模型，接收信号的强度与距离的平方成反比，则信号强度曲线近似正弦，如P5、P6、P7、P8、P9、P10所示。在T1时作P轴的平行线，该平行线与信号强度曲线P5、P6、P7、P8、P9相交，产生5个交点，其中与信号强度曲线P7的交点的P值最大。这说明车载无线通信终端处于基站5、6、7、8、9的信号覆盖交叉区域内，且基站7具有最大的信号强度，车载无线通信终端可以同时与基站5、6、7、8、9建立了5个连接。但是如果，基站5的信号强度低于第一断开阈值P_d1，并且基站5记录的时间小于当前路由表顶部记录--基站7的时间，则车载无线通信终端仅仅断开与基站5的业务连接，为断开与基站5的物理链路连接做准备，但仍然保持与基站5的物理链路连接。当车辆行驶至T2时刻时，基站5的信号已经衰减为0，低于第二断开阈值P_d2，则终端断开与基站5的物理链路连接，继续维持与基站6-9的连接。同时，车辆检测到基站10的信号，且基站10的信号强度大于连接阈值P_c，则在路由表中加入新基站10的记录。 

从图1、图2可以看出，进入高速公路车辆宽带通信系统的车辆往往处于多个基站的信号覆盖区域内，在车辆行进过程中，随着车辆接近或者离开某基站，通信链路在通过不断的连接或断开而切换，而通信链路的切换会影响通信质量和消耗系统资源。因此，通信链路应在满足带宽的基础上，尽可能减少链路尤其是主链路的切换频次。影响链路切换的因素主要包括两个因素，一是车辆的速率大小，二是车载无线通信终端所发生的通信业务对链路带宽的大小需要。 

在本发明中，通信链路及其主链路是通过选择车载无线通信终端路由表的路由及其主路由而指示建立的。下面仍然以图1中所示车辆3为例，说明通信链路的切换策略。 

车辆3位于路边基站5-9所对应的12、13、14、15、16信号覆盖区域内，与基站5、6、7、8、9建立连接，车载无线通信终端路由表中包括基站5、6、7、8、9的记录。其中，车辆距基站7最近，以下依次为基站8、6、9、5，这也是基站的信号强度值的次序，则在车载无线通信终端路由表中基站的排序为基站7、8、6、9、5。 

情形一，如果车辆3的移动速率低于第一速率域值并且业务对通信带宽要求低于第一带宽阈值，则车载无线通信终端读取路由表头部的记录包括基站7、8、6，其中基站7、8的信号强度值均大于第二信号强度域值，车载无线通信终端就与基站7、8建立并保持通信连接；并且基站7的信号强度最大，基站7记录位于路由表顶部，那么，选择基站7作为主路由建立主连接。当路由表的再次更新后，重复上述过程。这样，在满足通信业务要求的前提下，避免主路由的频繁切换，同时节约信道资源。 

情形二，如果车辆3的移动速率低于第一速率域值并且业务对通信带宽要求高于第一带宽阈值，则车载无线通信终端读取路由表的所有记录包括基站7、8、6、9、5的记录，其中基站7、8、6的信号强度值均大于第三信号强度值，车载无线通信终端就与基站7、8、6建立并保持通信连接，另外，将位于路由表顶部记录的基站7作为主路由建立主连接。当路由表的再次更新后，重复上述过程。这样能最大化利用所有能连接的基站接入点，提高通信带宽。 

情形三、如果车辆移动速率高于第一速率域值并且业务对通信带宽要求低于第一带宽阈值，车载无线通信终端读取所述路由表的所有记录包括基站7、8、6、9、5，其中，基站9为最新加入路由表的基站，则选择基站9作为主路由建立通信连接，直到信号强度接近于基站的最大信号强度域值，然后重复上述过程。这样可以保证在较长时间内维持连接，避免了车辆高速运动带来的主路由的频繁切换，节约信道资源。 

情形四、如果车辆移动速率高于第一速率域值并且业务对通信带宽要 求高于第一带宽阈值，车载无线通信终端读取所述路由表的所有记录包括基站7、8、6、9、5，基站7、8、6的信号强度均大于第四信号强度域值，则车载无线通信终端与基站7、8、6均建立通信连接，直到路由表的再次更新。另外，选择最新加入路由表的基站9作为主路由建立通信连接，直到信号强度接近于基站的最大信号强度域值，然后重复对主路由的选择过程。这样可以保证在较短时间内通信带宽的最大化，实现车辆高速状况下的高速率通信，避免终端高速移动性带来的网络覆盖盲点和切换滞后等缺点。 

上述情形一、情形二、情形三、情形四中，所述的第一速率域值、第一带宽阈值、第二信号强度域值、第三信号强度域值，第四信号强度域值、最大信号强度域值均为常量参数。 

Claims (5)

1.一种实现高速公路车辆宽带通信的方法，沿高速公路的路边分布安装N个基站，所述N为大于2的整数常量；所述基站为符合802.11a/b/g/p标准的WLAN的无线接入设备，基站之间用光纤连接成局域网；相互邻近的所述基站的无线信号覆盖区域存在交叉；高速公路行驶的车辆安装车载无线通信终端，该车载无线通信终端为符合802.11a/b/g/p标准的WLAN多端口设备，并且具备GPS全球定位系统功能；所述车载无线通信终端建有路由表，所述路由表用于选择通信链路；其特征在于包括以下步骤：

当车辆刚进入所述基站的信号覆盖区域，车载无线通信终端监听到该基站信号时，若，该基站信号强度大于信号连接阈值，所述信号连接阈值为常量参数，且所述路由表没有该基站的记录，则，车载无线通信终端将基站ID、基站信号强度以及当前时刻作为一条记录写入所述路由表，所述路由表记录根据各条记录的信号强度从高到低排序；

在车辆行进中，车载无线通信终端实时监听所述基站信号，并定时更新所述路由表中记载的该基站的信号强度，并根据所述信号强度对所述路由表中基站记录排序；车载无线通信终端逐步接近该基站，则信号强度增强，所述路由表中该基站记录排序上升；车辆离该基站最近的时候，信号强度最强，该基站记录位于所述路由表的顶部；

所述车载无线通信终端读取所述路由表，选择路由表中基站ID作为建立通信连接的路由，建立并保持与该基站的通信连接；

车辆离开该基站，则监听到的该基站信号强度变弱，当基站信号强度低于第一断开阈值时，所述车载无线通信终端断开与该基站的物理连接，并且在该基站的加入时间小于当前车辆的车载无线通信终端路由表顶部记录记载时间的条件下，在所述路由表中删除该基站记录；所述第一断开阈值为常量参数。

2.如权利要求1所述的一种实现高速公路车辆宽带通信方法，其特征还在于，所述车载无线通信终端断开与所述基站的物理连接，并且在路由表中删除该基站记录时，还必须满足该基站记录的时间小于当前路由表顶部记录的时间。

3.如权利要求1或2所述的一种实现高速公路车辆宽带通信方法，其特征还在于，车辆离开该基站，则监听到的该基站信号强度变弱，当基站信号强度高于第一断开阈值时，若该基站信号强度低于第二断开阈值，并且在该基站的加入时间小于当前车辆的车载无线通信终端路由表顶部记录记载时间的条件下，则所述车载无线通信终端中断与基站的业务连接；所述第二断开阈值为常量参数。

4.如权利要求3所述的一种实现高速公路车辆宽带通信方法，其特征还在于，所述车载无线通信终端中断与所述基站的业务连接时，还必须满足该基站记录的时间小于当前路由表顶部记录的时间。

5.如权利要求4所述的一种实现高速公路车辆宽带通信方法，其特征还在于，所述车载无线通信终端读取所述路由表，选择路由表中基站ID作为建立通信连接的路由，建立并保持与该基站的通信连接，包括：

当车辆移动速率低于第一速率域值并且业务对通信带宽要求低于第一带宽阈值时，所述车载无线通信终端读取所述路由表头部的记录，获取信号强度值均大于第二信号强度域值的基站ID作为路由，建立并保持与该若干基站的通信连接，同时将与所述路由表顶部记录的基站ID作为主路由建立连接；当路由表再次更新后，重复上述过程；

当车辆移动速率低于第一速率域值并且业务对通信带宽要求高于第一带宽阈值时，所述车载无线通信终端读取所述路由表的所有记录，获取信号强度值均大于第三信号强度域值的基站ID，建立并保持与该若干基站的通信连接，同时将与所述路由表顶部记录的基站ID作为主路由建立连接；当路由表再次更新后，重复上述过程；

当车辆移动速率高于第一速率域值并且业务对通信带宽要求低于第一带宽阈值时，所述车载无线通信终端选择所述路由表的基站记录中时间最大的那个基站ID作为主路由建立连接，直到该基站信号强度接近于所述基站的最大信号强度阈值，然后重复上述过程；

当车辆移动速率高于第一速率阈值并且业务对通信带宽要求高于第一带宽阈值时，所述车载无线通信终端读取所述路由表的所有记录，获取信号强度值均大于第四信号强度域值的基站ID作为路由，与该基站建立通信连接，直到路由表的再次更新；另外，选择所述路由表的基站记录中时间最大的那个基站ID作为主路由，与之建立连接，直到该基站信号强度接近于所述基站的最大信号强度域值，然后重复主路由选择过程；

所述的第一速率域值、第一带宽阈值、第二信号强度域值、第三信号强度域值，第四信号强度域值、最大信号强度域值均为常量参数。

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