CN101668349B - 用于不连续的车辆AD HOC网络中的Geocast协议的可靠的包传送协议 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于不连续的车辆AD HOC网络中的geocast协议的可靠的包传送协议。提供一种用于在车辆间ad hoc网络中传送数据消息的方法。车辆间ad hoc网络使用多跳路由协议用于存储、转发以及传输数据消息给沿道路行进的各种车辆。所述方法包括确定第一群，所述第一群包含以第一方向经过道路的彼此接近的车辆组。基于所述第一群内的车辆位置确定所述第一群内的哪些车辆是用于再广播消息的跟随车辆。由所述第一群中的其中一个车辆检测所述第一群的行进车道中的事件。将所述事件报告给所述群中的其他车辆。检测到与所述第一群反向运动的第二群中的至少一个车辆。数据消息从确定出的跟随车辆广播给所述第二群。

Description

用于不连续的车辆AD HOC网络中的Geocast协议的可靠的包传送协议

技术领域

本发明总体涉及用于AD HOC车辆网络的可靠的数据信息传送。

背景技术

车辆到车辆的通信典型地用于通告其他车辆正在发生的可能直接或间接影响沿道路行进的车辆的事件。车辆将包含有信息的消息传播给一定广播范围内的其他车辆从而用于通告各种驾驶情形。在车辆安全应用的情况下，消息传播的目的是通过预警车辆驾驶员这些情形来减少事故。当车辆接收到通告消息时，接收的车辆试图将该消息再广播给其广播范围内的其他车辆用于警告其他车辆现有情形。

上述系统的缺点是网络内的消息泛滥(例如，广播风暴)。当广播范围内的大多数车辆都试图再广播消息时，无线信道变得过载，从而导致包碰撞。这种过载的结果是性能下降从而影响通信可靠性。而且，行进在广播信息的那些车辆后面的处于广播范围之外的车辆将不会获得这些警告。

发明内容

本发明实施例的优点是可靠并且稳健的数据消息包传送，这通过优化再广播消息的车辆的数量，使得选择数量的额外冗余包折衷地被发送以在同一方向上的车辆不直接联系的情况下改进消息传递的可靠性。信息被存储、转发以及不断传输给道路的来临的车辆，使得来临的消息传输在所关注的区域维持一段时间。

实施例构思一种用于在车辆间ad hoc网络中传送数据消息的方法。车辆间ad hoc网络使用多跳路由协议用于将数据消息传输给沿道路行进的各种车辆。所述方法包括确定第一群(cluster)，所述第一群包含以第一方向经过道路的彼此接近的一组车辆。基于所述第一群内的车辆位置确定所述第一群内的哪些车辆是用于再广播消息的跟随车辆。由所述第一群中的其中一个车辆检测所述第一群的行进车道中的事件。将所述事件报告给所述群中的其他车辆。检测到与所述第一群反向运动的第二群中的至少一个车辆。数据消息从确定出的跟随车辆广播给所述第二群。

实施例构思一种用于在车辆间ad hoc网络中提供冗余消息包传送的车辆多跳消息传播系统。第一车辆具有车载广播装置，所包括用于与车辆间ad hoc网络内的其他车辆通信的发送器和接收器。全球定位系统确定第一车辆的位置。车辆通信系统与其他相邻车辆交换车辆位置数据，从而用于确定所述车辆是否是第一群的一部分。全球定位系统还辨识第一车辆是否是第一群内的跟随车辆。缓冲器存储接收到的数据消息。相应数据消息传送给第一群中的跟随车辆。相应数据消息从第一群内的一组跟随车辆广播给以与第一群相反的方向经过道路的第二群中的至少一个领先车辆。

附图说明

图1是根据本发明实施例的车辆通信系统的框图。

图2是根据本发明实施例的车辆广播消息传播系统的框图。

图3是根据实施例的经过车辆道路的车辆群的图示。

图4是根据实施例的在经过车辆道路的车辆群内消息复制的图示。

图5是根据实施例的给来临的车辆群广播消息的图示。

图6是根据实施例的给来临的车辆群内的领先车辆消息复制的图示。

图7是根据实施例的给下一来临的车辆群组广播消息的图示。

图8是根据本发明实施例的给群内的领先车辆消息复制的图示。

图9是用于ad hoc车辆通信网络内的消息传播的方法的流程图。

具体实施方式

多跳geocast协议(multi-hop geocast protocol)是用于在无线ad hoc网络中将信息传送给一组目标的公知方法。消息包在车辆间ad hoc网络内的传播典型地是动态的和冗余的，因为每个节点都严格基于网络连通性转发消息。在此描述的多跳消息传送系统提供可靠且稳健的包传送，即使消息宿主车辆离开或其无线通信不可靠。此外，多跳消息传送系统优化再广播消息的车辆数目，使得仅小数量的额外冗余包(如可容许的)折衷地被发送以显著改进消息传递的可靠性。

图1示出用于接收广播消息包、处理消息包并用于再广播消息包的车辆通信系统的框图。车辆通信系统10具有例如车载装置(OBU)的通信设备，用于在车辆之间广播消息包。示出用于与远程车辆OBU14通信的宿主车辆OBU12。每个相应的OBU都包括用于无线传输消息的广播消息传播协议16。

在宿主车辆OBU12与远程车辆OBU14之间经它们各自的天线广播消息包。可在处于彼此的广播范围内的群内的车辆之间或两个相应群的车辆之间接收消息包。系统可使用专用短程通信协议(DSRC)、无线保真(WiFi)或类似系统作为通信协议。使用DRSC协议的优点是其设计或许可用于公共安全应用。典型的消息包可包含广播消息的车辆的精确位置，从而为广播消息的车辆提供了解其相对于广播的车辆的精确相对位置的手段。

图2中更详细地示出了广播消息传播系统17。到来的数据包经各自的天线接收，并且由无线电接收机的相应硬件和驱动器设备处理并且通信到在18处接收该到来的数据包的接收栈。

消息数据包提供到控制器22。控制器22确定车辆是否是用于根据广播传输协议再广播数据消息的候选车辆。

接收和发送缓冲器24被提供用于在再广播之前存储到来的消息。存储在缓冲器24中的消息包保持在缓冲器24中，直到相应的消息基于控制器22确定出车辆是否是候选车辆(即，群中的跟随车辆或领先车辆)而或者由发送器26再广播或者取消。

图3-8示出数据消息在各个车辆群之间的广播传输。在图3中，车辆群由以同向沿车道彼此紧密接近地行进的车辆组组成。群基于相对于彼此的车辆全球位置来确定。每个车辆的全球位置由全球定位系统来确定。每个车辆周期地发送包括其对于相邻车辆的全球位置的信标消息。基于包含在每个信标消息中的位置数据，每个车辆可确定其是哪个车辆群的成员以及其在车辆群中关于其相邻车辆的全球位置。

图3示出由沿道路经过的车辆形成的第一群30、第二群31和第三群32。各个群由一个或多个车辆形成，每个群与沿道路同向行进的另一群彼此间隔至少一个预定距离。

群30中至少一个车辆包含关于在群30前方某位置处发生的事件的数据消息。该数据消息可以是包括、但不限于交通拥堵、事故、前方车辆缓慢/停止、碰撞后通告警告、施工区警告和关于行人/骑车人的可见度增强数据的警告。

数据消息是由群30内的相应车辆中的其中一个感测到的事件或可以是由群30外部的实体接收到的消息。基于相应车辆感测到事件或接收到关于事件的数据消息，相应车辆将把数据消息复制给群30内的每个车辆，因为群30内的每个车辆都可能受到该事件的直接或间接影响。

群30内的每个车辆都实施广播传输协议，该广播传输协议协同全球定位系统确定相应车辆是否是群30内的其中一个跟随车辆。相应车辆群中的每个车辆都经信标消息周期地(例如，2秒)广播它们的全球位置。广播传输协议提供将被指定为跟随车辆的车辆的数量，该跟随车辆在群30内广播。这可通过满足下式来解决：P_s＝(1-(1-p)^M)²其中M是群中受到数据消息传染的、准备好再广播数据消息的跟随车辆的数目，p是以第一方向经过道路的群中的相应车辆可以可靠地将数据消息转播给来临的群中的相应车辆的概率，以及P_s是从M个车辆到来临的群的相应车辆成功发送广播的概率。为了获得至少预定的成功概率(例如，P_s＝0.95)，数量M选择成将实现预定的成功概率。应当明白，成功概率P_s＝0.95是示例性的并且可包括高于或低于P_s＝0.95的其他值。假定对于每个车辆来说广播传输协议运行相同，由每个车辆的车辆广播传输协议产生的结果将提供相同的结果(也就是，知道群中车辆的数量和群内将指定为跟随车辆的车辆的数量)。因此，在仅需车辆群中其他车辆的全球位置的情况下，广播传输协议可独立于其他车辆工作。响应于确定出多少车辆将被指定为车辆群30内的跟随车辆，每个车辆确定出其相对于其他车辆的位置。在群30后部的车辆的数量将被指定为跟随车辆，该数量由M_T表示。因此，每个车辆确定其是否为群30内最后M_T个车辆中的其中一个。跟随车辆成为宿主车辆并且保留数据消息用于将来的再广播。群30内的非跟随车辆可保留此信息并且从而利用该信息以基于事件对交通情况作出反应；然而，这些车辆并不被要求将数据消息再发送给其他各个群。

图4示出用于广播来自车辆群30的数据消息的所指定车辆。对于M_T＝3的情况，群30中最后三个车辆，具体地车辆33、34和35被指定为跟随车辆。这些相应车辆用作宿主车辆，用于在其各自缓冲器中保持数据消息直到遇到来临的群以及需要再广播数据消息。在群30以第一方向经过道路时，以与群30相对方向沿道路行进的群31被群30的车辆检测到，响应于检测到群31，跟随车辆33、34和35将数据消息广播给群31。

类似于所述用于群30的协议传输过程，群31中每一个车辆的广播传输协议确定出领先车辆的相应数量(M_L)，这些领先车辆将被要求再广播数据消息以获得数据消息广播成功的相应概率。响应于由车辆群31内的每一个车辆发送的信标消息，群31中的每个车辆确定其在群中各自的全球位置。由车辆群31内的每一个车辆执行的广播传输协议确定多少车辆将被指定为领先车辆M_L。领先车辆是位于群31的前部中的M_L个车辆。基于每个相应车辆的全球定位，如果相应车辆是群31的前部内的M_L个车辆中的其中一个的话，则该车辆将指定其自身为领先车辆。图5示出数据消息从群30的跟随车辆33、34和35到来临的群31的车辆的传递。在群30的跟随车辆的广播范围内的群31的每个车辆都将接收到数据消息。

图6示出通过群31的领先车辆，具体地37、38和39的数据消息的保持。群31的跟随车辆将不理会数据消息，因为这些车辆既未被指定为再广播数据消息，并且因为它们远离事件行进也不涉及事件的通告。

图7示出数据消息从群31的领先车辆到群32的车辆的广播。领先车辆37、38和39将数据消息广播给与车辆群31反向行进的车辆群32。在领先车辆37、38和39的广播范围内的群32的任何车辆都将接收到数据消息。在群32内的车辆(例如，车辆40、41)接收到数据消息之后，数据消息复制给群32内的所有车辆。数据消息与群32内的所有车辆相关，因为每个车辆都将处理包含在数据消息内的事件信息，因为由于事件发生在群32正行进的方向中的道路上，这些事件信息可能影响每个相应车辆。如早前所述，广播传输协议将由每个车辆执行用于确定群32内的跟随车辆(例如，41、42和43)，使得数据消息可转播给下一来临的群43，这将最终把消息传递给行进在群31后面并且与群31同向的下一个群(如图8中所示)。再广播消息的处理被连续地发送直到事件不再相关。

数据消息从领先车辆和跟随车辆的选择性广播提供了群之间冗余和可靠的发送，同时优化了广播数量，使得(一个或多个)广播信道不被数据消息的冗余发送而过度混乱。

图9示出用于给经过道路的各种车辆群传播有关事件的数据消息的方法的流程图。在步骤50，每个车辆在车辆间ad hoc网络中的全球定位确定其全球位置。在步骤51，每个车辆广播包含其对于其他相邻车辆的全球定位的信息的信标消息。

在步骤52中，车辆群基于相邻车辆的全球定位而形成。信标消息不断地被发送以告知其他相邻车辆其存在以及车辆是否因车速变化或离开车道而改变了其全球位置。

在步骤53，事件由检测事件或接收关于事件的数据消息的群中的其中一个车辆检测。

在步骤54，包含事件信息的数据消息复制到群内的所有车辆。事件关系到群中的每个车辆，因为每个车辆都可能遇到该事件或可能间接受到该事件的影响。

在步骤55中，做出关于哪个(些)车辆是跟随车辆的判断。相应跟随车辆是维持数据消息用于再广播给其他车辆群的宿主车辆。在步骤56中，数据消息从朝向事件行进的车辆群的每个跟随车辆广播给反向行进的来临的车辆群。

在群57中，数据消息由来临的群的车辆接收。在步骤58中，基于前述的成功概率公式做出关于来临的群的多少个领先车辆需要再广播该消息的判断。在步骤59中，每个车辆基于其在第二群内相对于其他相邻车辆的定位确定其是否是领先车辆。

在步骤60中，来临的群的领先车辆再广播消息给与第一车辆群同向行进的下一车辆群。返回到步骤54以复制数据消息给下一个群的所有车辆从而继续再广播传输程序。

虽然详细描述了本发明的某些实施例，但是本领域技术人员将认识到用于实施由所附权利要求所限定的本发明的各种替代设计和实施例。

Claims (24)

1.一种用于在车辆间ad hoc网络中传送数据消息的方法，所述车辆间ad hoc网络使用多跳路由协议用于将数据消息传输给沿道路行进的各种车辆，所述方法包括如下步骤：

确定第一群，所述第一群包括以第一方向经过道路的彼此接近的一组车辆；

基于所述第一群内的车辆位置确定所述第一群内的哪些车辆是用于再广播消息的跟随车辆；

由所述第一群中的其中一个车辆检测所述第一群的行进车道中的事件；

将所述事件报告给所述群中的其他车辆；

检测到与所述第一群反向运动的第二群中的至少一个车辆；以及

将包括所述事件的数据消息从至少一个确定出的跟随车辆广播到所述第二群。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：

在所述第二群中接收数据消息；

确定所述第二群中的哪些车辆是领先车辆；

将数据消息从所述第二群的确定出的领先车辆再广播到以所述第一群的方向行进的车辆的第三群。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述跟随车辆是用于将数据消息保留在缓冲器中而用于将来广播的宿主车辆。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，各个群内的每个相应车辆都将信标消息周期地发送给相邻车辆用于辨识其全球位置。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，车辆动态信息也在相应信标消息内广播。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一群中辨识为跟随车辆的车辆的数量是从分析建模得出的最优设定值。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，将数据消息成功地广播到所述第二群的概率由以下公式表达：

P_s＝(1-(1-p)^M)²

其中M是群中受到数据消息传染的、并且再广播数据消息的跟随车辆的数目，p是以所述第一方向经过道路的所述第一群中的相应车辆能可靠地将数据消息转播给所述第二群中的相应车辆的概率，以及P_s是从M个车辆到来临的群的相应车辆成功发送广播的概率。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，至少90％的概率被辨识为用于响应于选择用于广播数据消息的跟随车辆的数量广播数据消息的成功概率。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，至少95％的概率被辨识为用于响应于选择用于广播数据消息的跟随车辆的数量广播数据消息的成功概率。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据消息是前方车辆缓慢的警告消息。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据消息是碰撞后通告警告消息。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据消息是交通拥堵消息。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据消息是事故消息。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据消息是施工区警告消息。

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据消息是对于行人/骑车人的可见度增强的数据消息。

16.一种用于在车辆间ad hoc网络中提供冗余消息包传送的车辆中的车辆多跳消息传播系统，所述系统包括：

车载广播装置，所述车载广播装置包括用于与所述车辆间ad hoc网络内的其他车辆通信的发送器和接收器；

用于确定车辆位置的全球定位系统，所述车载广播装置适于与其他相邻车辆交换车辆位置数据，用以确定所述车辆是否是第一群的一部分；以及

用于存储接收到的数据消息的缓冲器；

其中，所述车载广播装置还包括控制器，所述控制器用于确定所述车辆是否有资格作为所述第一群内的跟随车辆，其中，当所述控制器确定所述车辆是跟随车辆时并且当接收到相应数据消息时，则相应数据消息由所述车载广播装置广播给以所述第一群的相反方向经过道路的第二群中的至少一个领先车辆。

17.如权利要求16所述的车辆多跳消息传播系统，其特征在于，所述车载广播装置还包括使用广播传输协议用于控制数据消息从跟随车辆的广播的控制器。

18.如权利要求17所述的车辆多跳消息传播系统，其特征在于，确定所述车辆是否有资格作为所述第一群内的跟随车辆是基于该车辆在所述第一群内的位置和由所述控制器确定出的指定为跟随车辆的车辆的相应数量。

19.如权利要求18所述的车辆多跳消息传播系统，其特征在于，用于成功地广播车辆消息的跟随车辆的最优数量基于满足预定概率阈值的下述公式表达：

$P_s={(1-{(1-p)}^{M_T})}^2$

其中M_T是群中受到数据消息传染的、并且再广播数据消息的跟随车辆的数目，p是以所述第一方向经过道路的所述第一群中的相应车辆能可靠地将数据消息转播给所述第二群中的相应车辆的概率，以及P_s是从M_T个车辆到来临的群的相应车辆成功发送广播的概率。

20.如权利要求19所述的车辆多跳消息传播系统，其特征在于，至少90％的概率被辨识为用于响应于选择用于广播数据消息的跟随车辆的数量广播数据消息的成功概率。

21.如权利要求20所述的车辆多跳消息传播系统，其特征在于，至少95％的概率被辨识为用于响应于选择用于广播数据消息的跟随车辆的数量广播数据消息的成功概率。

22.如权利要求16所述的车辆多跳消息传播系统，其特征在于，以相反方向经过道路的第二群中的所述至少一个领先车辆还包括：

车载广播装置，所述车载广播装置包括用于与所述车辆间ad hoc网络内的其他车辆通信的发送器和接收器；

用于确定车辆位置的全球定位系统，

其中，所述车载广播装置还包括控制器，所述控制器用于与所述第二群内的其他相邻车辆交换车辆位置数据，从而用于确定所述车辆是否是第二群的一部分，所述控制器还辨识所述车辆是否是用于将数据消息再广播给以与所述第一群相同的方向经过道路的第三群的所述第二群内的领先车辆。

23.如权利要求22所述的车辆多跳消息传播系统，其特征在于，用于成功地广播车辆消息的领先车辆的最优数量基于满足预定概率阈值的下述公式表达：

$P_s={(1-{(1-p)}^{M_L})}^2$

其中M_L是所述第二群中受到数据消息传染的、并且再广播数据消息的领先车辆的数目，p是以第二方向经过道路的所述第二群中的相应车辆能可靠地将数据消息转播给第三群中的相应车辆的概率，以及P_s是从M_L个车辆到来临的群的相应车辆成功发送广播的概率。

24.如权利要求23所述的车辆多跳消息传播系统，其特征在于，至少90％的概率被辨识为用于响应于选择用于广播数据消息的领先车辆的数量广播数据消息的成功概率。

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