CN101932059B

CN101932059B - V2i通信中基于网络的导航辅助快速三层切换方法

Info

Publication number: CN101932059B
Application number: CN2010102536782A
Authority: CN
Inventors: 卢恒惠; 陈霁; 张盛; 秦博; 林孝康
Original assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Priority date: 2010-08-02
Filing date: 2010-08-02
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2030-08-02
Also published as: CN101932059A

Abstract

一种基于网络的导航辅助快速三层切换方法，用于车辆与路边基础设施的通信，包括以下步骤：导航系统规划行车路线，确定沿途需要历经的路边单元；利用导航系统周期性获取车辆与当前路边单元之间的距离；当该距离达到预切换触发距离时，根据所述行车路线确定下一跳路边单元，提前进行三层切换的相关操作、建立备份路由；在二层切换完成后，立即启动备份路由。该方法便于系统实现，进一步加快了切换速度，减少了预切换的出错概率，降低了切换延迟和丢包率，并能同时支持小区连续和小区非连续的情况。

Description

V2I通信中基于网络的导航辅助快速三层切换方法

技术领域

本发明扩展了车辆导航系统的功能，提出了一种基于网络侧的快速三层切换方法，属于移动通信领域，特别是车辆与路边基础设施(V2I)无线通信系统中的网络层切换问题。

背景技术

经过近20年的发展，车载自组织网(VANET)受到了全世界的广泛关注，其应用也日益得到普及。作为其重要组成部分的车辆与路边基础设施(V2I)通信，通过车辆与路边设施间的信息交互，可以为公众提供实时交通信息、Internet接入、天气预报等服务，在提高交通效率、行车舒适度等方面发挥着重要作用。这些应用通常是时延敏感的，为保证其可靠性，快速的Internet接入必须得到保证。作为VANET的无线通信标准，车载环境的无线接入(WAVE)采用IEEE 802.11p作为其物理层和MAC层的标准，其通信范围只有300-1000m。车辆的高速移动性与路边基础设施通信覆盖范围的有限性，必然导致频繁的越区行为。寻找一种快速的三层(即网络层)切换方式，减少切换延迟，保证Internet的快速接入势在必行。

无线局域网(WLAN)通常是基于IP的网络，因此对其切换的管理一般由移动IP完成。目前，有关网络层的切换，互联网工程任务组(IETF)已经制定了MIPv4(Mobile IPv4)、MIPv6(Mobile IPv6)、PMIPv6(Proxy Mobile IPv6)等。针对快速切换问题，主流及新兴的标准有FMIPv6(Fast Mobile IPv6)、HMIPv6(Hierarchical Mobile IPv6)、FHMIPv6(FastHierarchical Mobile IPv6)、Proxy-based FMIPv6等。以下先对上述协议的基——MIPv6进行介绍，再对各种快速切换协议进行说明。

1、MIPv6

MIPv6用于管理IPv6网络中移动节点(MN)的运动，网络结构如图1所示。它支持MN在不同的网络间移动，并透明地保持当前的所有连接及Internet的可达性。在MIPv6中，MN有两个地址：一个保持不变的家乡地址(HoA)，用于标识MN；一个随接入网络变化的转交地址(CoA)，用于定位MN。上述二者之间的关联称之为绑定。MIPv6的切换过程如下：

a)运动检测：MN通过分析接入路由器(AR)周期性发送的路由广播(RA)检测自己运动到新的子网。

b)重复地址检测(DAD)：MN首先通过执行DAD验证其链路局域地址在新链路上的的唯一性。随后，采用无状态地址自动配置或有状态地址自动配置机制生成新的转交地址(NCoA)。获得NCoA后，MN再次执行DAD验证NCoA在新子网的唯一性。

c)一旦确定了NCoA，MN就向家乡代理(HA)和对端通信节点(CN)发送绑定更新，告知其新的位置。

MIPv6的切换要求MN向HA和CN发送绑定更新报告，当MN和HA、CN的物理距离相隔很远时，这将增加与外部网络的信令交互，导致较大的延迟和干扰；若MN在网络的切换很频繁，则其向HA和CN发送绑定更新的数目将急剧增加，占用大量带宽，浪费网络资源。此外，只有在小区交叠覆盖的情况下才可能实现无缝连接。

2、HMIPv6

为解决MIPv6中MN向HA和CN更新绑定所引发的问题，HMIPv6利用分层思想，将全局网络分成若干个管理域，每个域通过移动锚点(MAP)接入Internet。MN在一个管理域内同时拥有两个地址：区域转交地址(RCoA)和链路转交地址(LCoA)。RCoA用于向HA、MA告知自身的位置，在同一个域内保持不变；而LCoA随着MN在域内不同AR间的切换而改变，用以标识MN在域内的具体位置。当MN在同一个MAP管理域内移动并接入不同AR改变了LCoA时，它只需要向MAP注册新的地址，而无需向HA与CN更新地址。当MN在MAP管理域间移动时，其移动性由MIPv6管理。由于大多数的移动都发生在某一区域内，因此采用HMIPv6可以减少MN向HA、CN发送的绑定更新报文，在局部减少了信令负载、降低了切换延迟。然而HMIPv6的地址配置方法仍然沿用了MIPv6并需要对地址进行DAD，其延迟并不能得到较大改善。

3、FMIPv6

FMIPv6是MIPv6的扩展，它利用二层触发来加速三层切换过程。其关键思想是：在MN仍与当前接入路由器(PAR)保持连接时，检测下一跳接入路由器(NAR)并配置NCoA，使得MN在二层(即数据链路层)切换完成之后就可以直接建立起IP连接，降低了整个切换的延迟。FMIPv6有两种操作方式：预测式切换及反应式切换。

FMIPv6预测式切换的信号流程如图2所示。步骤如下：

(a)当MN检测到二层触发，则向PAR发送路由请求代理消息(RtSolPr)。

(b)PAR向MN返回代理路由广播消息(PrRtAdv)。FMIPv6假定在完成(a)(b)的信交互后，NAR即可确定。

(c)MN处理PrRtAdv消息，配置NCoA，并向PAR发送快速绑定更新(F-BU)消息。

(d)PAR接收到F-BU后，立即向NAR发送切换发起(HI)消息。

(e)NAR通过DAD确认MN NCoA的有效性和唯一性，并向PAR返回切换确认(HAck)消息，告知其NCoA的有效与否。

(f)为了向MN通知三层切换已经完成，通过新旧链路向MN发送快速绑定确认消息(F-Back)

(g)MN执行二层切换。此时，发往MN的数据包经由PAR转发至NAR。

(h)MN完成二层切换后，向NAR发送快速邻居广播(FNA)，启动可能缓存在NAR中的需要发往MN的数据流。

当MN无法使用预测切换时，则触发反应式切换。在反应式触发中，当MN移动至NAR时，MN推迟NCoA的确立，只执行二层切换并在新子网中沿用旧的CoA进行通信。在二层切换的触发下，PAR和NAR之间建立起双向隧道，发往MN的数据包经PAR转发至NAR再送达MN ；发自MN的数据包则经NAR发往PAR再发至CN。随后，MN再生成、注册NCoA。

虽然通过上述两种操作方式，FMIPv6可以减少切换后与转交地址配置相关的延迟，但也为此引入了更大的信令开销。同时，FMIPv6并没有规定如何发现NAR，如果对NAR的判断发生错误，则将造成切换出错以致通信中断。另外，NCoA的DAD消耗了大量的时间，有时甚至超过1s。

4、FHMIPv6

FHMIPv6是FMIPv6和HMIPv6的组合，在FMIPv6中引入MAP机制。当MN在域内移动时，执行HMIPv6的局部绑定更新操作；当MN在域间移动时，则遵循FMIPv6的切换方式。FHMIPv6综合了FMIPv6和HMIPv6二者的优点，降低了切换延迟，提高了切换性能，然而也不可避免的综合了二者的缺点。

5、基于代理的FMIPv6

基于代理的FMIPv6为基于网络的局域移动性管理协议——代理移动IPv6(PMIPv6)定义了快速切换协议。PMIPv6的核心功能实体是局域移动管理锚点(LMA)和移动接入网关(MAG)。LMA管理每个PMIPv6域、处理MN的路由信息；MAG的功能与AR相似，向MN提供网络接入服务并代表MN执行移动管理过程。基于代理的FMIPv6有两种操作模式：预测式及反应式。预测式切换的信号流程如图3所示，步骤如下：

(a)MN检测到切换即将来临时，报告自己的标识符及最可能移动到的新AP的标识符。在某些情况下，先前接入网络(P-AN)可以为MN决定新的AP ID。这个阶段由接入技术定义。

(b)P-AN向先前移动接入网关(PMAG)预示MN的切换并告知MN与AP的ID。

(c)PMAG从新AP ID中推得新移动接入网关(NMAG)，然后向其发送HI消息。HI消息中包含MN ID、网络前缀、为MN提供服务的当前LMA地址，并设置P标志。如果MN链路层标识符已知，则也必须包括。

(d)NMAG向PMAG返回切换确认(HAck)消息，并设置P标志。

(e)如果缓存或者前向转发的定时恰好在步骤c之后，则NMAG可以选择通过设置HI信息中的U标志或F标志来请PMAG在晚些合适的时间缓存转发数据包。

(f)如果在(e)中设置了F标志，则在PMAG和NMAG之间会建立起双向隧道，发往MN的数据包将从PMAG通过此隧道发往NMAG。在解封装后，这些数据包可能被缓存在NMAG中。如果新接入网络(N-AN)与NMAG的连接已经建立起来了，则这些数据包可能发往N AN。

(g)网络侧的切换已经准备就绪时，MN被触发执行切换至N-AN。这个步骤是由具体的接入技术决定的。

(h)MN和N-AN建立物理链路连接，如果N-AN和NMAG之间还没有建立链路层连接，则这一行为将触发此连接的建立。IP层连接的建立也可能在此时完成。

(i)NMAG开始通过N-AN向MN转发数据包。

(j)来自MN的上行数据包通过N-AN发往NMAG，NMAG再将其发给PMAG，PMAG再将数据包发给目前提供服务的LMA。

(k)NMAG向LMA发送代理绑定更新(PBU)(地址由第c步提供)。

(l)LMA向NMAG返回代理绑定确认。此后，发自或发往MN的数据包都经由NMAG而非PMAG。

在反应式模式中，PMAG和NMAG之间的双向隧道在MN连接到NMAG后才建立。与MIPv6、HMIPv6、FMIPv6、FHMIPv6不同，基于代理的FMIPv6继承了PMIPv6的优点，是基于网络的移动性管理协议，由网络侧的MAG代表MN进行切换的相关信令交互，可以在不改变现有MN软件的情况下实现LMA域内的移动性管理，并减少了MN进行切换相关信令操作所需要的时间。此外，在该方案中，MN的地址是唯一的，不需要进行DAD，进一步减少了切换延迟。然而，它仍存在着一些问题。首先，它并未定义如何检测切换的到来也没有定义如何获知新的AP ID；其次，它规定了切换检测由接入技术决定，使得在无法获得接入信号时不可用，只支持连续小区覆盖情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提高V2I通信中三层切换的可靠性，减少切换延迟，降低丢包率，并且使三层切换能够同时支持小区连续和小区非连续的情况。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于网络的导航辅助快速三层切换方法，用于车辆与路边基础设施的无线通信，该切换方法包括以下步骤：

1)导航系统规划行车路线，结合导航地图上路边单元(RSU)的位置信息确定沿途需要历经的路边单元；

2)利用导航系统周期性获取车辆与当前路边单元(PRSU)之间的距离；

3)当步骤2)获取的距离达到预切换触发距离时，根据所述行车路线确定下一跳路边单元(NRSU)，建立从车载单元(OBU)经由所述下一跳路边单元到达Internet的备份路由，并建立当前路边单元和下一跳路边单元之间的双向隧道；

4)二层切换；

5)二层切换完成后，应用单元(AU)向所述下一跳路边单元发送备份启动消息，所述下一跳路边单元立即启动所述备份路由，从而完成三层切换。

其中，在二层切换期间，发往应用单元的数据包，经所述当前路边单元通过所述双向隧道缓存至所述下一跳路边单元。

所述预切换触发距离可以根据车载单元和路边单元所采用的无线通信协议的通信范围确定。

所述应用单元为车辆内的通信终端设备，车载单元为车辆上安装的无线接入点，应用单元通过车载单元与路边单元进行信息交互。

所述导航地图除了具备一般导航地图的功能外，还必需包括各个路边单元的位置信息和网络地址信息。可以通过在现有一般导航地图的基础上增加各个路边单元的位置信息和网络地址信息来实现。

在步骤3)中，通过以下步骤建立备份路由：

3.1)车载单元向当前路边单元发送包括应用单元信息、车载单元信息和下一跳路边单元信息在内的预切换指示消息；

3.2)当前路边单元从预切换指示消息中解析出下一跳路边单元的信息，并向该下一跳路边单元发送HI消息，HI消息包括应用单元的ID和网络前缀、以及为应用单元提供服务的当前局域移动管理锚点的地址；

3.3)下一跳路边单元响应后，建立起所述双向隧道，并向当前局域移动管理锚点发送备份代理绑定更新请求；

3.4)当前局域移动管理锚点执行备份代理绑定更新，建立所述备份路由。

进一步还可以包括，在执行备份代理绑定更新前，向政策数据库核对所述下一跳路边单元是否有权限发起建立备份路由的请求。其中，所述政策数据库可以是认证、授权、计费服务器(即通常所说的3A服务器)。

相邻路边单元的覆盖范围可以交叠，也可以不交叠。

本发明还提供了一种V2I通信中触发网络层预切换的实现方法，该方法由导航系统辅助实现，具体包括以下步骤：

1)导航系统规划行车路线，结合导航地图上路边单元的位置信息确定沿途需要历经的路边单元；

2)根据车载单元和路边单元所采用的无线通信协议的通信范围确定预切换触发距离；

3)利用导航系统周期性获取车辆与当前路边单元之间的距离，当该距离达到所述预切换触发距离时，触发网络层预切换。

本发明还提供了一种V2I通信中网络层预切换确定下一跳路边单元的方法，该方法由导航系统辅助实现，具体包括以下步骤：

1)给导航系统配置增加了所有路边单元位置和网络地址的扩展导航地图；

2)导航系统规划行车路线，确定沿途需要历经的路边单元；

3)根据所述行车路线自动确定下一跳路边单元。

本发明在综合现有技术方案优势的基础上，利用导航辅助下一跳接入点(即下一跳路边单元)的预测并通过建立备份路由，进一步加快切换速度、减少预切换的出错概率、降低切换延迟和丢包率，而且本发明的方案不需要对移动台的协议进行修改，便于系统实现。相较于现有的三层切换方法，本发明和它们的区别及由此引入的相应优势主要体现在以下几个方面：

1、应用层与网络层的跨层配合。本发明利用应用层导航系统提供的车辆与RSU位置信息，计算二者之间的距离，以此作为判决预切换触发的依据。传统方案通常根据接入信息做运动检测，当无线信号由于环境干扰等原因丢失时，此类方法失效。此外，在预测式切换中，通常要求MN在当前小区内能收到下一小区的信号，因此小区间必须交叠。采用本发明的方法利用位置、距离进行预切换触发则不受此限制，在提高可靠性的同时可以支持小区连续和小区非连续的情况。

2、明确定义了下一跳接入点的确定方法，而现有的协议都未对此做出明确解释。借助于功能扩展后的导航系统，车辆可以预先确定行车路径及路线上的RSU分布。根据该导航路径与当前位置，车辆能够智能的选择NRSU，为三层切换的预处理提供信息。借助现有的高精度导航系统，这种方法可以保证下一跳RSU预测的正确率，从而确保预切换的成功率。

3、建立备份路由。与现有预测式快速切换方法相比，本发明通过引入备份路由进一步降低切换延迟和丢包率，在二层切换之前沿用旧的网络路由，即AU-OBU-PRSU-LMA-Internet-CN；在二层切换完成后立即启动新的网络路由，即AU-OBU-NRSU-LMA-Internet-CN。而在基于代理的FMIPv6中，在二层切换完成之后，NRSU还必须与LMA进行绑定更新操作才能启动新的网络路由。FMIPv6的三层切换在二层切换之前完成，即在二层切换之前旧的网络路由就失效了，而此时OBU与NRSU的物理连接尚未建立，因此上行数据只能经PRSU通过隧道转发给NRSU再发送给CN；下行数据则只能通过PRSU经隧道送往NRSU中缓存起来。当预切换触发时刻到实际二层切换开始的时间间隔较大时，这种方法的弊端尤为突出。

附图说明

图1为MIPv6网络结构图；

图2为FMIPv6预测式切换信号流程图；

图3为基于代理的FMIPv6预测式切换信号流程图；

图4为本发明所涉及的V2I网络结构图；

图5为本发明三层切换方法的信号流程图。

具体实施方式

本发明提供的三层切换方案不需要对现有移动终端的IP协议进行修改，直接利用应用层提供的信息在二层切换之前预先执行三层切换的相关操作，建立移动终端经由NRSU到达Internet的备份路由及PRSU与NRSU间的双向隧道，当二层切换完成后立即启动备份路由，从而达到快速完成三层切换的目的。下面结合附图做进一步说明：

参照图4，本发明所涉V2I网络主要包括如下关键元素：

1、AU：车辆内的各种通信终端设备，如乘客的手提电脑、PDA、手机等。这些AU通过OBU进行信息交互。

2、OBU：车辆上安装的无线接入点(AP)，支持IEEE 802.11p协议，提供车辆与RSU的连接。

3、RSU：RSU是支持IEEE 802.11p协议的移动路由器，在本发明所属网络内，其功能相当于MAG。在车载网络中，车辆通过路边安装的RSU接入Internet或与其它车辆进行信息交互。

4、LMA：LMA提供到Internet的连接，一端连接MAG，另一端连接Internet，主要功能与PMIPv6中定义的一样。

本发明三层快速切换的具体实施主要包括两个阶段：离线阶段和在线阶段。下面结合图5所示信号流程图，进一步说明其具体实施方式：

1、离线阶段

离线阶段的主要任务是在现有导航地图的基础上增加每一个RSU的位置、网络地址信息，并根据IEEE 802.11p的通信范围(300-1000m)确定预切换触发距离。

2、在线阶段

离线阶段完成之后，即可以实施在线阶段。在线阶段又可细分为准备阶段及快速切换阶段。其具体的实施过程如下：

1)准备阶段

(a)车辆启动，导航系统规划起点到终点的行车路线，同时确定沿途的RSU分布。

(b)车辆导航系统周期性的计算车辆到PRSU的距离。

2)快速切换阶段

(a)当车辆与PRSU的距离由近及远到达设定的预切换触发距离时，触发预切换操作，导航系统根据预定路线确定NRSU，AU向OBU发送报告，告知此NRSU及自己的ID。

(b)OBU接收到AU的报告后，向PRSU发送切换指示(handover indication)消息，向其预示预切换的开始，并告知AU、OBU、NRSU的信息。

(c)PRSU从切换指示消息中获知NRSU，然后向其发送HI消息。HI消息包括AUID、AU的网络前缀、为AU提供服务的当前LMA地址。

(d)NRSU向PRSU返回HAck消息，同时建立起二者之间的双向隧道。

(e)NRSU向AU的当前服务LMA发送备份代理绑定更新(BPBU)请求，消息中包括AU ID。

(f)LMA接收到此BPBU后，向政策数据库(如认证、授权、计费服务器)核对，确认NRSU是被授权发送BPBU消息的。如果可信任则接受此BPBU消息，向其返回备份代理绑定更新确认(BPBA)消息，消息中包括AU的网络前缀。同时建立备份路由，使得在需要的时候，AU可以通过备份路由经由NRSU到达LMA。

(g)当车辆驶离PRSU的覆盖范围并进入NRSU的覆盖范围，AU执行二层切换。在此过程中，发往AU的数据包，经PRSU通过隧道缓存至NRSU。

(h)二层切换完成后，AU建立起到NRSU的物理连接，并向其发送备份启动(BI)消息。

(i)NRSU接收到BI消息后立即启动备份路由。至此切换完成，发往/发自AU的数据包经由NRSU直接传输。

Claims

1.一种基于网络的导航辅助快速三层切换方法，用于车辆与路边基础设施的无线通信，其特征在于，包括以下步骤：

2)利用导航系统周期性获取车辆与当前路边单元之间的距离；

3)当步骤2)获取的距离达到预切换触发距离时，根据所述行车路线确定下一跳路边单元，建立从车载单元经由所述下一跳路边单元到达Internet的备份路由，并建立当前路边单元和下一跳路边单元之间的双向隧道；

4)二层切换；

5)二层切换完成后，应用单元向所述下一跳路边单元发送备份启动消息，所述下一跳路边单元立即启动所述备份路由，从而完成三层切换。

2.根据权利要求1所述的三层切换方法，其特征在于：二层切换期间，发往应用单元的数据包，经所述当前路边单元通过所述双向隧道缓存至所述下一跳路边单元。

3.根据权利要求1所述的三层切换方法，其特征在于：所述预切换触发距离根据车载单元和路边单元所采用的无线通信协议的通信范围确定。

4.根据权利要求1所述的三层切换方法，其特征在于：所述应用单元为车辆内的通信终端设备，车载单元为车辆上安装的无线接入点，应用单元通过车载单元与路边单元进行信息交互。

5.根据权利要求1所述的三层切换方法，其特征在于：所述导航地图是在现有导航地图的基础上增加了各个路边单元的位置信息和网络地址信息。

6.根据权利要求1所述的三层切换方法，其特征在于：相邻路边单元的覆盖范围交叠或不交叠。

7.根据权利要求1所述的三层切换方法，其特征在于，在步骤3)中，通过以下步骤建立备份路由：

8.根据权利要求7所述的三层切换方法，其特征在于：在执行备份代理绑定更新前，向政策数据库核对所述下一跳路边单元是否有权限发起所述备份代理绑定更新请求。