CN101785328B - 降低信标冲突概率 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于减小支持控制信道的通信网络中的信标冲突概率的方法，其中该控制信道包含了分成信标时隙的信标周期，每一个信标周期之后都跟随了一个争用周期。在该方法中，在通信网络中工作的通信设备(101)首先选择(503)一个可用信标时隙来传输第一类型的信标，以便与在通信网络中工作的其他通信设备交换网络拓扑结构信息。然后，该通信设备传送(515)一个第二类型的信标，该信标包含了通信设备的标识符，以及用于传送第一类型的信标的选定信标时隙，所述第二类型的信标是在争用周期中传送的。

Description

降低信标冲突概率

技术领域

本发明涉及一种减少通信系统中的信标冲突概率的方法。本发明还涉及一种相应的计算机程序产品和通信设备。 

发明背景 

为车载自组织网络(VANET)这类具有高移动性的站台设计的自组织无线通信网络要求每一个站台都具有可靠且最新的邻居拓扑结构信息。举例来说，在VANET中，邻居信息不但有利于协作式的驱动和危险警告应用，而且还有利于分组路由和信道访问协调。为了得到邻居拓扑结构信息，处于通信范围中的站台彼此必须周期性地交换信息。一种交换信息的方式是使用信标消息，该消息会将发送方的信息广播给其相邻站台。通过接收来自邻居的信标，站台可以推导出附近的当前网络拓扑结构。一种有效的信标交换方法是使用特别规定的同步信标周期。 

如果在通信范围以内有至少两个站台选择了同一信标时隙来传输信标信号，那么将会发生信标冲突。信标冲突的概率取决于通信范围中的站台的数量以及可用信标时隙的总数。但是，如果同一通信范围中的站台数量很大，并且可用信标时隙数量有限，那么信标冲突概率将会相对较高。此外，解决信标冲突所需要的时间有可能较长。 

在站台移动性很高的无线通信网络中，具有长信标冲突解决时间的问题更为重要。这一点归咎于引入了更频繁的拓扑结构变化和信标冲突的高移动性。为了具有相对稳定的网络结构，有必要快速解决信标冲突。 

分布式无线网络可以在没有中心协调者的情况下被组织。在类似于WiMedia/多波段OFDMA联盟(MBOA)系统的此类网络中，站台通过传送其信标来协调信道访问和获取邻居信息。信标是在同步的间隔中周期性传送的，并且在每一个间隔中都会将一个专门规定并由多个信标时隙组成的信标周期用于信标传输。 

美国专利申请公开2005/0226203公开了一种方法，其中通过传送主信标而规定了其他节点传送辅助信标所遵照的顺序。然后，这些辅助信标会在主信标规定的时间传送。优选地，辅助信标包含了与主信标相同或者至少基本相同的无线接入信息。 

国际专利申请公开2005/076533公开了一种方法，其中编组成信标时隙的信标周期可以根据所占用的信标时隙数量来扩展或收缩。动态的信标周期不但与加入或离开网络的设备相适配，还与介质上的信标帧的冲突相适配。 

由此需要一种改进方法来减小通信系统中的信标冲突概率。 

发明内容

根据本发明的第一个方面，在这里提供了一种如权利要求1所述的用于减小通信系统中的信标冲突概率的方法。 

由此，本发明提供了一种有效方法来减小信标冲突，并且增强分布式信标方案的可靠性。此外，本发明还能在解决信标冲突的时候节约时间。在邻居拓扑结构不断变化的高移动性环境中，本发明的教导是特别有益的。 

根据本发明的第二个方面，在这里提供了一种包含了指令的计算机程序产品，当在设备的计算机装置上加载和运行时，所述指令将会实施根据本发明的第一个方面的方法。 

根据本发明的第三个方面，在这里提供了一种如权利要求10所述的通信设备，该设备被安排用于实施根据本发明的第一个方面的方法。 

在随附的从属权利要求中阐述了本发明的其他方面。 

附图说明

从后续参考附图的非限制性例示实施例的描述中可以清楚了解本发明的其他特征和优点，其中： 

图1显示的是可以应用本发明的教导的高移动性无线通信网络的简化示例； 

图2显示的是沿着时间线的VANET的无线电信道结构； 

图3显示的是信标冲突状况的示例以及已经解决了该问题的解决方案； 

图4显示的是信标冲突状况的示例以及在尝试解决问题之后问题如何保持不变； 

图5是描述了根据本发明的方法实施例的流程图；以及 

图6显示的是信标冲突状况的示例以及如何利用冲突警告信标来解决该问题。 

具体实施方式

在后续描述中会在VANET的上下文中描述本发明的一些非限制性例示实施例。但是应该理解，本发明并不局限于该环境，本发明的教导在利用了信标信号的其他通信系统中同样是适用的。 

图1显示了一个自组织无线通信网络的结构示例，在该示例中，该网 络是依照IEEE 1609标准工作的。在该图中显示了14个通信设备或站台：第一设备101、第二设备102、第三设备103、......本示例中的这些设备是被安排用于经由无线电接口相互通信的车载单元(OBU)。 

为了与所有相邻设备保持联系以及更新信息，每一个设备都应该在其通信范围中周期性广播一个正常信标。一个正常信标帧通常会传送多种信息，例如网络拓扑结构信息，移动性状态信息，如车辆速度、加速度/减速度和方向，设备服务简档信息，设备能力信息等等。 

在同步系统中，所有站台全都采用了全局同步的系统结构，如图2所示，该结构包含了一个由多个信标时隙构成的信标周期。图2所示的信道结构是在依照IEEE 1609标准工作的VANET中使用的结构。在图2中显示了两个信道间隔，即控制信道(CCH)间隔和服务信道(SCH)间隔。这些间隔是全局同步的。在CCH间隔中，每一个站台都必须停留在控制信道上，以便传送信标信号，例如交换严重危险警告消息，而在SCH间隔中，站台可以可选地切换到其他服务信道，以便执行不安全的应用，但在下一个CCH间隔的开始时间之前，每一个站台必须再次切回到控制信道。如图2所示，在信标周期与SCH间隔之间有一个争用周期，稍后将会说明该周期在本发明中的用途。 

此外，每一个站台必须依照预留ALOHA(R-ALOHA)规则来发现唯一的信标时隙，这意味着每一个站台都会随机选择一个信标时隙，并且将这个时隙保持至其在通信范围以内检测到该时隙上的冲突，也就是处于其或是其邻居范围中的某个站台选择了相同的信标时隙。一旦检测到冲突，那么卷入该冲突的站台必须再次随机选择可用信标时隙，以便解决冲突。如图3所示，在第n个信标周期中，第一站台101和第五站台105偶然地同时选择了时隙4来执行其信标传输，然后，第三站台103报告了这个冲突。第一站台101和第五站台105必须再次随机选择新的时隙，以便解决下一个信标周期中的冲突。 

如图4所示，来自第一站台101和第五站台105的信标在第n个信标周期中的时隙4上发生冲突。为了解决这个冲突，第一站台101和第五站台105必须再次为下一个信标周期随机选取一个可用时隙。但是，由于可用时隙数量有限，因此，第一站台101和第五站台105有可能再次选择相同的信标时隙，并且必须再次解决新的信标冲突。 

现在将参考图5和图6的流程图来详细描述本发明的实施例。图5 流程图中描述的方法可以在图1所示的所有无线设备中应用，但在本示例中只对第一通信设备101的操作进行了更详细的说明。 

在步骤501，第一设备101通过扫描信标周期来发现用于传送正常信标的可用信标时隙。如图6所示，由于第一和第五设备都在时隙4中传送，因此，在信标周期n中出现了一个冲突。现在，非常有利的是对整个信标周期进行扫描，以便发现可用信标时隙。在第一设备101初次启动或是卷入信标冲突的时候尤为如此。一旦执行了扫描，则第一设备101会在步骤503中选择其中一个可用信标时隙。在本示例中，所选择的是第一可用信标周期。 

接下来，在步骤505，第一设备101侦听网络中的其他设备传送的第二类型的信标信号。这些第二类型的信标信号可被称为预报信标信号。在争用周期中将会传送这些预报信标信号，以便把在某个信标时隙中传送正常信标信号的意图告知给本发明的网络中的其他设备。如果没有接收到这类预报信标信号，那么在步骤507中，第一设备101会在下一个信标周期n+1中在所选定的信标时隙传送信标信号。 

但是，如果在步骤505中检测出接收到预报信标信号，那么在步骤509中将会确定预报信标是否指示的是一个可能的冲突。在本示例中，如图6所示，预报信标是从第五设备105接收的，它表明第五设备105想要将时隙4用于正常信标信号传输。并且，第一设备101选择了相同的时隙，由此在步骤509中会检测到可能的信标冲突。另一方面，如果没有检测到信标冲突概率，那么该过程会在步骤507继续。 

现在，在步骤509中检测了一个可能的信标冲突，接下来，第一设备101为信标信号传输选择另一个信标时隙。在本示例中，所选择的是时隙3。然后，在步骤513，第一设备101确定是否接收到了任何其他预报信标。如果接收到新的预报信标，则该过程会在步骤509继续，但是另一方面，如果没有检测到其他预报信标，则第一设备101会在争用周期传送一个预报信标，以便告知其他设备它打算将时隙3用于下一个争用周期的信标信号传输。预报信标携带有将要在下一个信标周期发送的正常信标的预定信标时隙标识符(例如时隙编号)。预报信标并不是在信标周期中发送的，而是在争用访问周期中发送的。因此，根据本实施例，在每次传送第一正常信标之前，或者在改变用于正常信标的信标时隙之前，每一个设备都必须在争用周期中传送一个预报信标。在从争用周期起始点时起的随机 延迟时间之后，该预报信标是用具有冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA/CA)方案传送的。 

一旦第一设备101传送了预报信标，则该过程通过在下一个信标周期中在选定信标时隙中传送来继续步骤507。从图6中可以看出，由于第一设备101使用了信标时隙3，而第五设备105使用的是信标时隙4，因此，不存在信标冲突。 

在上述示例中，第一设备101和第五设备105有可能无法听到彼此，也就是说，它们不在一个通信范围以内。但是，在这种情况下可能存在别的设备，例如接收来自第一和第五设备的预报信标的第三设备103。在上述示例中，第三设备103将会认识到这两个设备都打算在时隙4中传送。此外，第三设备103可以检测到这个预定时隙(在这种情况下为时隙4)有可能被其范围内的其他通信设备所占用。 

现在，第三设备103尝试在检测到可能的信标冲突之后立即传送一个第三类型的信标信号，即所谓的冲突警告信标。冲突警告信标传输也应当遵循CSMA/CA方案。冲突警告信标包含了将会发生潜在冲突的时隙编号的信息，在本示例中则是时隙4，此外它还包含可能冲突所牵涉的设备标识符(在本范例中是第一和第三设备)。在冲突警告信标携带的设备标识符列表中，设备105应该优于第一设备101，这是因为来自设备105的预报信标是在来自第一设备101的预报信标之后接收的。由此，新类型的信标、也就是冲突警告信标将被用于警告相邻设备检测到了可能的冲突，其中该冲突要么是通过接收两个意图使用下一个信标周期中的相同信标时隙的预报信号检测的，要么是通过注意到那些意图使用已被别的邻居占用的信标时隙的预报信标检测的。冲突警告信标携带有被预见到会发生冲突的信标时隙的信息以及潜在冲突中所牵涉的设备标识符的序列。设备标识符的序列顺序可以被安排成暗示设备可以使用信标时隙的优先级。 

在接收到冲突警告信标时，第一设备101将会尝试使用新选取的信标时隙、也就是本示例中的时隙3作为其希望的信标时隙来传送其预报信标。由此，潜在冲突会在下一个信标周期之前得到解决，但是在这里存在一个隐藏站台问题。在图6中示出了这种状况。因此，依照这个警告信标的特征，图5的流程图可被修改，以使第一设备在步骤515之后侦听警告信标，如果警告信标显示了可能的冲突，并且如果当前设备传送的预报信标具有较低优先级，则选择别的信标时隙。此外，在步骤509和513中， 除了侦听预报信标之外，当前设备还可以侦听警告信标。 

本发明的教导可以应用于所有无线自组织网络和无线网状网，在此类网络中，站台在邻居中使用了分布式信标方案来交换信息。在被应用于具有基于分布式信标方案的系统结构的车载通信系统时，本发明尤为有利。 

本发明还涉及一种计算机程序产品，当在通信设备的计算机装置上加载和运行该产品时，它能够实施本发明实施例的任一方法步骤。 

本发明还涉及一种集成电路，它被安排用于执行根据本发明实施例的任何方法步骤。 

虽然在附图和先前描述中详细例证和叙述了本发明，但是这些例证和描述将被视为是例证或例示性的，而非限制性的；本发明并不局限于所公开的实施例。 

在实现要求保护的发明的过程中，通过研究附图、公开以及附加权利要求，本领域技术人员可以理解和实现针对已公开实施例的其他变化。在权利要求中，单词“包含”并不排除其他部件或步骤，并且不定冠词“a”或“an”并未排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求所述的若干条目的功能。不同特征是在互不相同的从属权利要求中阐述的这个事实并不表明不能有利地使用这些特征的组合。 

计算机程序可以保存/分发在连同其他硬件一起或是作为其他硬件的一部分供应的适当的介质上，而且它还可以采用其他形式来分发，例如经由因特网或是其他有线或无线电信系统。权利要求中的任何参考符号都不应该被解释成是限制本发明的范围。 

Claims (14)

1.一种减小在支持控制信道的通信网络中的信标冲突概率的方法，该控制信道包含分成信标时隙的信标周期，每一个信标周期之后都跟随了一个争用周期，该方法包括由在该通信网络中工作的通信设备(101)执行的下列步骤：

选择(503)一个可用信标时隙来传送第一类型的信标，以便与工作在该通信网络中的其他通信设备(101)交换信息；以及

传送(515)第二类型的信标，其中该第二类型的信标包含了通信设备标识符以及用于传送第一类型的信标的选定信标时隙，所述第二类型的信标是在争用周期中传送的。

2.根据权利要求1的方法，还包括：一旦在争用周期中从别的通信设备接收到(505)第二类型的信标，表明(509)其他通信设备意图使用相同信标时隙来传送第一类型的信标，则将所述选定信标时隙变更为(511)别的可用信标时隙。

3.根据权利要求1或2的方法，还包括：在下一个信标周期的信标时隙中传送(507)第一类型的信标。

4.根据权利要求1的方法，其中第二类型的信标是根据具有冲突避免的载波侦听多路访问方案传送的。

5.根据权利要求1的方法，其中第二类型的信标是在预定延迟周期之后传送的。

6.根据权利要求1的方法，还包括：接收第三类型的信标，其中该信标包括意图使用同一信标时隙来传送第一类型的信标的通信设备的标识符。

7.根据权利要求6的方法，其中第三类型的信标还包括一个指示，该指示表明其他通信设备首先从哪一个通信设备接收第二类型的信标，并且通信设备(101)使用该信息来决定是否需要选择新的信标时隙来传输第一类型的信标。

8.根据权利要求1的方法，还包括：在检测到第一类型的信标的可能冲突时，通信设备传送第三类型的信标，所述第三类型的信标包括意图使用同一信标时隙来传输第一类型的信标的通信设备的标识符。

9.一种支持控制信道的通信网络中的通信设备(101)，该控制信道包含了分成信标时隙的信标周期，每一个信标周期之后都跟随了一个争用周期，该通信设备(101)包括：

选择单元，它被适配成选择一个可用信标时隙来传送第一类型的信标，以便与工作在通信网络中的其他通信设备交换信息；以及

传输单元，它被适配成传送第二类型的信标，其中该第二类型的信标包含了通信设备标识符以及用于传送第一类型的信标的选定信标时隙，所述第二类型的信标是在争用周期中传送的。

10.根据权利要求9的通信设备(101)，还包括：接收单元，它被适配成在争用周期中从别的通信设备接收表明其他通信设备意图使用相同信标时隙来传送第一类型的信标的第二类型的信标，以及该选择单元还被适配成在接收到第二类型的信标时将所述选定信标时隙变更(511)为别的可用信标时隙。

11.根据权利要求10的通信设备(101)，其中接收单元还被适配成接收第三类型的信标，其中该信标包括意图使用同一信标时隙来传送第一类型的信标的通信设备的标识符。

12.根据权利要求11的通信设备(101)，其中第三类型的信标还包括一个指示，该指示表明其他通信设备首先从哪一个通信设备接收第二类型的信标，并且通信设备(101)的选择单元被适配成使用该信息来决定是否需要选择新的信标时隙来传输第一类型的信标。

13.根据权利要求9-12中任一权利要求的通信设备(101)，其中通信设备(101)的传输单元还被适配成在检测到第一类型的信标的可能冲突时，传送第三类型的信标，所述第三类型的信标包括意图使用同一信标时隙来传输第一类型的信标的通信设备的标识符。

14.根据权利要求9-12中任一权利要求的通信设备(101)，还包括发射机，它被适配成在下一个信标周期的信标时隙中传送第一类型的信标。