CN103118335A

CN103118335A - 站点及其方法

Info

Publication number: CN103118335A
Application number: CN2012103799036A
Authority: CN
Inventors: T·巴苏里; 约翰·卢克因; 瑞恩德尔·J·布里尔
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2011-10-12
Filing date: 2012-10-09
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2032-10-09
Also published as: US9210722B2; EP2582196A1; US20130094493A1; EP2582196B1; CN103118335B

Abstract

一种站点和用于站点的方法，所述站点在无线信道上周期性地广播消息以与在相同信道上进行发送的多个其它站点进行通信，所述站点在连续消息激活时刻准备广播，在消息激活时刻执行多路访问机制(930)来解决信道访问竞争并随后开始消息的发送，其中，至少两个连续消息激活时刻之差为随机时间间隔。

Description

站点及其方法

技术领域

本发明涉及一种用于站点的方法，所述站点在无线信道上周期性地广播消息以与在相同信道上发送的多个其它站点进行通信，所述站点在连续的消息激活时刻准备广播，其中，在消息激活时刻所述站点执行多路访问机制(multiple access mechanism)来解决信道访问竞争并且随后开始消息的发送。

本发明还涉及一种站点。

背景技术

许多未来车辆安全应用将依赖于一跳周期性广播通信(one-hopPeriodic Broadcast Communication：oPBC)。支持这种通信系统的关键技术是新标准IEEE 802.11p，其采用载波监听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)机制来解决信道访问竞争。

上十年，移动和无线技术的快速发展在以车辆安全、运输效率和驾驶员舒适度为目标的智能运输系统(ITS)领域中广泛应用。近年来，世界上形成了许多行业/政府联盟来实施一些项目以便研究这些应用：美国的车辆安全通信联盟、欧洲的车至车通信联盟以及日本的互联网ITS联盟。因为这些努力，确定了许多引人关注的车辆安全应用场景，并且对这些应用场景的通信需求进行了仔细检查。现在，变得清晰的是，这些应用中的大部分都将依赖于出自事件驱动和时间驱动这两方面的广播通信。在事件驱动(或紧急情况)的情况下，当检测到危险情况时，车辆开始在特定持续时间内周期性地广播安全消息，因此，在正常情况下不发送这些消息。在时间驱动的情况下，每辆车持续执行一跳周期性广播通信(oPBC)，以主动向相邻车辆传送带有其状态信息(例如，位置、速度)的信标信息。这种oPBC的关键思想是使每辆车知道其邻近区域，使得在车辆上运行的未来车辆安全应用将利用这个信息来及时检测任何危险情况。行车道改变顾问和行进碰撞警告应用是依赖于这种oPBC的两个典型示例。这些应用要求每秒10个消息的频率，并且要求最大无消息间隔(或容限时间窗)在[0.3秒，1.0秒]之间。此外，这些应用对oPBC提出了严格的公平性要求，其中，每辆车在使用共享信道上应该具有均等的机会。在这种系统中，消息丢失不可避免(在下文中说明原因)；然而，一定不是一辆车或一些车承担所有丢失，原因在于这将导致这些车辆变得危及周围车辆。

本文从车辆安全应用的角度来关注这种oPBC。具体地，本文对IEEE 802.11p中给予关注的oPBC感兴趣。802.11p标准专门设计用于车辆间通信。除了对诸如IP等较高层协议的正常支持之外，802.11p媒体访问控制(MAC)支持称作WSMP(WAVE短消息协议，IEEE 1609，其中，WAVE表示车辆环境中的无线访问)的短消息协议。在其它用途中，这个WSMP协议和SAE J2735一起解决了基本安全消息(BSM)的传输，其中，BSM也称作信标消息，被车辆用于向其它车辆通知其状态和状况。在广播模式下，以10Hz的典型频率周期性地发送BSM(“消息”的示例)。

一般而言，无线标准的802.11家族的成员(802.11p是最新成员之一)支持两种通信模式：称作点协作功能(PCF)的管理模式和称作分布式协作功能(DCF)的ad-hoc模式，在管理模式中，基站管理对信道的访问，在ad-hoc模式中，站点协作管理信道访问。在DCF中，站点采用载波监听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)机制来解决信道访问竞争。对于点对点通信，站点重复执行信道监听，在信道监听之后紧跟着从渐增的争用窗口(CW)中选择的随机退避(Bf)时间段。Bf用于降低在处于彼此的通信范围(CR)内的两个或更多个站点碰巧同时开始发送时发生的、导致冲突的争用问题的概率。此外，请求发送(Request To Send：RTS)/清除发送(Clear To Send：CTS)信令用于解决隐藏终端或隐藏节点(Hidden Node：HN)问题，该问题是在处于彼此的CR之外的两个站点具有时间上重叠的传输而导致干扰了它们的CR的交叉点中的共同邻居时发生的。除此之外，MAC层的肯定应答可以用于解决剩余消息丢失。初始信道访问延迟，即仲裁帧间间隔(Arbitration Inter Frame Space：AIFS)，允许区分若干优先级。当站点广播消息而非点对点地发送消息时，DCF下的情况极其不同。首先，从中提取Bf时间段的CW是固定的，并且Bf至多执行一次。其次，因为不存在消息的特定目的地，所以RTS/CTS信令和MAC层的肯定应答不工作。因此，当所有站点使用基于广播的通信时，冲突问题，即争用问题和HN问题，增加了。图1a给出了在广播模式下802.11p通信行为的概述并且示出了冲突问题。

作为本申请的优先权文本提交的Tseesuren Bstsuuri、Reinder J.Bril和Johan Lukkien的文章“Model，analysis，and improvements forinter-vehicle communication using one-hop periodic broadcasting basedon 802.11p protocol”以及相同作者的文章“Model，analysis，andimprovements for vehicle-to-vehicle communication using one-hopperiodic broadcasting based on 802.11p protocol”被一起并入以供参考。

发明内容

有利地，提出一种用于站点的方法，所述站点在无线信道上周期性地广播消息以与在相同信道上发送的多个其它站点进行通信。提供了一种方法，其中，所述站点在连续的消息激活时刻准备广播，在消息激活时刻，所述站点执行多路访问机制来解决信道访问竞争并且随后开始消息的发送，其中，至少两个连续的消息激活时刻之差为随机时间间隔。

使用多路访问信道的多个单独站所进行的周期性广播将遭遇三个密切相关的问题：a)由于非有意同步的广播站而导致的消息丢失；b)这些丢失在站点之间的不公平分布；以及c)长中断时间段(longblack-out periods)。当扩展到较大系统大小时，或者更精确地，当在增大站点数目时发生的信道利用率增大时，这些问题变得显著。提供了一种方法，通过使用应用层的随机化来解决或减轻b)和c)，而无需站点间的任何其它同步。

在周期性广播中，可能出现两个站点非有意同步广播的情况。如果这两个站点处于彼此的广播范围内，则多路访问机制可能能够部分地解决信道访问竞争(例如，使用冲突避免)。然而，如果这两个同步站点处于彼此的范围之外，但是却处于第三站点的范围内，则它们将导致隐藏节点问题，如果进行广播，则使用诸如RTS/CTS等方法将不能够减轻隐藏节点问题。通过使两个连续的消息激活时刻之差为随机时间间隔(即，随机时间量)来减轻这个问题。优选地，每次在可能根据随机时间间隔选择方案来插入随机时间间隔时，随机地选择随机时间间隔。因为在随机时间间隔之前发生的同步被扰乱了，所以也降低了站点长时间不知道另一站点的概率。这改善了公平性：不再存在“不幸站点”，其由于不幸同步而导致要经历多于平均数的冲突，而其它站点则没有问题。这还改善了消息延迟。

有利地，这种改善只需要应用层的调整。不需要改变所使用的多路访问机制。只改变多路访问机制启动的时刻。

在优选实施例中，在车辆中包括站点，具体地，在机动车中，比如轿车、卡车或摩托车等。因此，所述方法改进了使用一跳周期性广播的车辆间(车辆至车辆)通信，具体地，基于IEEE 802.11p协议的通信。此外，多个其它站点可以分别包括在例如轿车等相应不同车辆中。

例如，所有站点共享单条射频通信信道。这条信道上的发送被范围内的所有站点接收。载波频率用于以分组来发送数据，例如“以太网帧”。每个站点持续地调谐到射频通信信道上，以获得可用发送。

无线广播可以使用专门设计用于车辆间通信的802.11p标准。除了对诸如IP等高层协议的正常支持之外，802.11p媒体访问控制(MAC)还支持称作WSMP(WAVE短消息协议，IEEE 1609，其中，WAVE表示车辆环境中的无线访问)的短消息协议。在其它用途中，这个WSMP协议和SAE J2735一起解决了也称作信标消息的基本安全消息(BSM)的传输。根据本发明的系统的实施例使用WAVE。

向多个其它站点周期性地广播的消息可以是一跳周期性广播通信(oPBC)，用于主动传送带有站点的车辆状态信息(例如，位置、速度)的信标消息。消息还可以向相邻车辆传送车辆的路线变化，比如转弯或改变行车道，使得每个车辆知道其周围车辆的状态。

在实施例中，站点与多个其它站点协作，以通过在消息激活时刻采用载波监听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)机制来管理信道访问。在 “IEEE Draft Standard for Information Technology-Telecommunications and information exchange between systems--Localand metropolitan area networks-Specific requirements-Part 11：Wireless LAN medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)specifications Amendment：Wireless Access in Vehicular Environments”，IEEE Unapproved Draft Std P802.11p/D11.0，2010年3月中描述了包括载波监听多路访问/冲突避免CSMA/CA的IEEE 802.11p。

应注意，典型地，站点在消息激活时刻不立即开始发送。典型地，改为启动避免信道冲突的协议。

用于解决信道访问竞争的多路访问机制可以包括：检查信道在仲裁帧间间隙(AIFS)期间是否正忙或变得忙碌，以及如果信道正忙或变得忙碌，则站点等待信道变为空闲。如果信道正忙或变得正忙，则在仲裁帧间间隙之后，等待从渐增争用窗口(CW)中选出的随机退避(Bf)时间段。然而，这种机制至多分离了与按照这种方式构造的时隙一样多的站点，但是之后就失效了。此外，这种机制没有解决隐藏终端问题。

在至少两个连续的消息激活时刻之间具有一随机时间间隔是有利的。在多个连续的消息激活时刻之间周期性地具有随机时间间隔更有利。然而，优选地，两个连续的消息激活时刻之差平均起来为广播时间段。这将保持广播频率约等于标准实现，在标准实现中，所有消息激活时刻严格之差都为广播时间段。

一种避免保持非有意同步的方式是，周期性地改变周期性广播消息的相(phase)。相定义为时间段中发生激活的地方，并且可以相对于系统的虚构起始点来定义相；可以相对于严格周期性(即，严格周期性消息中的每两个连续消息之差都正好为广播时间段)的消息激活时刻来计算相。在实施例中，两个连续的消息激活时刻之差为广播时间段或者随机时间间隔，优选的是在两倍时间段的间隔中选择的时间间隔。可以随机地或周期性地插入这个随机变化。变化的速率称作弹性速率(elastic rate)。例如，可以利用弹性速率配置站点。优选地，弹性速率表示为比如数2或6。周期性地，在超过了弹性速率数目的消息激活时刻之后，如上所述，两个连续的消息激活时刻之差为随机时间间隔。按照这种方式，改变了消息激活时刻的相。随机时间间隔是具有随机持续时间的间隔。弹性速率用于周期性地改变周期性广播的相的方法称作“弹性方案”。

已经发现，时间点改变越频繁，弹性方案就越能更好地改善公平性和延迟特性。在弹性方案中，出现这种结果的原因在于弹性方案中相的频繁改变影响了车辆的信道条件。在信道条件频繁改变的情况下，车辆的同步时间段的生存期(以及车辆的有利信道条件的时间段)变得较短，即非常有可能是至多弹性速率时间段。因此，从长期来看，每辆车将或多或少地经历相同的波动信道条件。

可以规律地改变广播的相。弹性速率定义了多久改变一次相。可以在给定间隔内，随机地确定相应该改变多少。为了保持所产生消息的期望数目与严格周期性方案相同，广播时间段的2倍可以选作给定间隔。

特别地，在弹性速率为2时，已发现良好结果。在这种情况下，站点可以使用交替地之差为广播时间段和随机时间间隔的消息激活时刻；该随机时间间隔是随机选择的，例如从0至2倍广播时间段的区间中均匀地、随机地选择的。然而，在较高弹性速率值时，即弹性速率为6或更大时，就已经显著改善公平性。优选更大的值，原因在于其使得系统更可预测。

另一种避免保持非有意同步的方式是，在消息激活时刻上引入抖动。例如，可以利用激活抖动配置站点。连续消息激活时刻之差为广播时间段加上随机值。随机值是激活抖动减去0与2倍激活抖动之间的随机值。因此，随机值处于区间[-激活抖动，+激活抖动]中。

只使用激活抖动不会破坏同步，原因在于其没有改变相。消息在时间上有时被提前，有时被延后。因此，避免了同一车辆总是赢得多路访问机制，因而破坏了车辆之间的长中断时间段。

已发现，抖动在消息传输时间(即，传输一个消息的时间)较大时，抖动性能最佳。例如，激活抖动可以大于或等于消息传输时间的2倍。更具体地，激活抖动大于或等于消息传输时间的20倍。激活抖动小于广播时间段；更优选地，激活抖动应该小于广播时间段的10％。

可以同时使用激活抖动和弹性速率(相改变)。这种解决方案优于只具有弹性速率或只具有激活抖动。其改善了公平性(即，车辆之间的成功消息接收率分布)并且减少了消息延迟。

应注意，连续的消息激活时刻应该是渐增的。如果由于大的负抖动，可能地将其与小随机时间间隔相结合，则下一消息激活时刻将“较早”或过于接近在先消息，简单说来，在消息激活之间使用了极短间隔。

例如，可以利用弹性速率和激活抖动来配置站点。因而，连续的消息激活时刻之差为广播时间段加上随机值或随机时间间隔。可以如上一样选择随机值和随机时间间隔。在实施例中，在超过了弹性速率个消息激活时刻之后，可以引入随机时间间隔。可以始终使用抖动，或者只在不使用弹性方案时才使用抖动。

本发明在基于广播的车辆至车辆通信中使用应用层时间点调整来建立公平性和减少中断时间段。

本发明还涉及一种站点，在共享信道上周期地广播消息来与在相同信道上进行发送的多个其他站点进行通信，所述站点被配置为在连续消息激活时刻准备广播，所述站点被配置为在消息激活时刻执行多路访问机制来解决信道访问竞争并且随后启动消息的发送，其中至少两个连续消息激活时刻之差为随机时间间隔。

本发明还涉及一种系统，包括上述站点和多个其他站点。

本发明还涉及一种包括计算机程序代码装置的计算机程序，所述计算机程序代码装置适于执行用于在无线信道上周期地广播消息的站点的方法的所有步骤。本发明还涉及一种计算机可读介质，包括这种计算机程序。

站点是一种电子设备，并且可以包括在例如移动电子设备、移动电话、计算机、路由器等等。

可以在计算机、专用硬件或二者的组合上将根据本发明的方法实现为计算机实现的方法。可以在计算机程序产品上存储根据本发明的方法的可执行代码。计算机程序产品的示例包括存储设备、光存储设备、集成电路、服务器、在线软件等等。优选地，计算机程序产品包括计算机可读介质上存储的非暂时性程序代码装置，用于在计算机上执行所述程序产品时执行根据本发明的方法。

在优选实施例中，计算机程序包括计算机程序代码装置，适于在计算机程序在计算机上运行时执行根据本发明的方法的所有步骤。优选地，在计算机可读介质上实现计算机程序。

附图说明

通过参考下文描述的实施例，本发明的这些方面和其它方面将显而易见，并且将参考下文描述的实施例阐明本发明的这些方面和其它方面。在附图中，

图1a给出了广播模式下802.11p通信行为的概述，

图1b示出了示意信道争用和消息冲突，

图2示出了CSMA/CA在周期性广播模式下如何工作的流程图，以及

图3给出了相应状态机图，

图4示出了弹性方案的结果，

图5示出了抖动方案的结果，

图6示出了弹性+抖动方案的结果，

图7示出了由同步HN造成的危险情况的两个示例，

图8a、8b、8c、8d示出了消息激活时刻，

图9a和9b示出了根据本发明的方法的实施例，

图10示出了站点1000。

应该注意，不同附图中具有相同参考数字的部件具有相同结构特征和相同功能，或者是相同信号。其中已经阐述了这种部件的功能和/或结构，没有必要在详细描述中对其进行重复阐述。

具体实施方式

尽管本发明可以允许多种不同形式的实施例，但是在附图中示出了一个或多个特定实施例并且本文对其进行了详细描述，应该理解，本公开应被认为是本发明原理的示例而并非旨在将本发明限于所示和所描述的特定实施例。

首先，通过考虑车辆安全应用的可靠性、公平性和延迟这三个重要质量方面来理解这种oPBC在变化负载的情况下的行为。其次，研究这些质量方面的可能改进处。以给出了构建精确仿真模型的基础和用于定义新适当度量来判断上述质量方面的清楚数学模型作为开始。利用严格周期性的广播方案(即，每个车辆以严格周期性的方式来广播信息)来评估oPBC。评估揭示了隐藏终端或隐藏节点(HN)问题是多种质量劣化的主要原因，尤其是在网络未饱和时。更具体地，HN问题降低了消息接收率(即，可靠性劣化)并且造成不公平的车辆的消息接收率(即，公平性劣化)。此外，在车辆彼此相遇时，即进入其通信范围(CRs)时，HN问题导致车辆之间长时间的连续的消息丢失。在一些严重的情况下，在这两个车辆的整个相遇间隔期间，某一车辆不能向特定目的地车辆成功地传送任何消息。本文提出了三种简单而有效的广播方案，用于减轻HN问题的影响。尽管这些解决方案没有影响整个网络的消息接收率(即，可靠性)，但是其确实改善了公平性和延迟方面。这些解决方案与IEEE 802.11p标准完全兼容，即，这些解决方案是应用层解决方案，因而可以容易地在实践中引入。

图1 a：广播模式下的802.11p MAC CSMA/CA。(a)示出了顺序化三个站点的争用协议。想要发送的站点首先必须检查信道在仲裁帧间间隙期间是否空闲。如果发现信道在此期间是活动的，则延迟所期望的发送并且执行Bf。(b)示出了由于两个站点碰巧同时开始发送所产生的争用问题(主要是因为两个站点的Bf时间段同时到期)而导致的消息冲突，即相邻节点(NN)冲突。(c)示出了由于隐藏节点(HN)问题而导致的消息冲突，即HN冲突：在两个站点的通信范围(CRs)交叉的情况下，不能监听彼此的发送的两个站点可以导致消息冲突。

本文的研究目的在于基于802.11p DCF来理解这种oPBC的行为。本文想要理解在变化负载的条件下由于争用和HN问题而导致的消息丢失。具体地，本文想要通过考虑车辆安全应用的可靠性(即成功消息接收率)、公平性(即，车辆上的成功消息接收率的分布)和延迟(即没有最长间隔的消息间隔，其中，在这样的间隔中，处于另一车辆的CR中的车辆不从所述另一车辆接收消息)这三个重要质量方面来理解oPBC。此外，本文想要研究可能改进处。

第一步是研发oPBC下的802.11p行为的数学模型。这个数学模型用于三个目的。首先，其使得讨论清晰。其次，其给出了仿真模型的基础，再次，其允许研发新相关度量(标准)以基于上述方面来判断通信质量。在这种环境下，诸如整个网络的成功消息接收率或者平均端到端延迟等标准性能度量是不充分的。第二步是根据这个模型进行仿真并且确定给定度量的值。这使得认识到这种oPBC的缺点并且给出了改进的方向。

在示出了问题和缺点的若干不同环境下对oPBC进行仿真。即，仿真揭示了在网络未饱和时，HN问题是多种质量劣化的主要原因。HN问题降低了整个网络的消息接收率(即，可靠性劣化)并且造成了不公平的车辆的消息接收率(即，公平性劣化)。此外，在车辆彼此相遇时，即进入其CR时，HN问题导致车辆之间长时间的连续的消息丢失(即，延迟劣化)。在一些严重的情况下，在这两个车辆的整个相遇间隔期间，某一车辆不能向特定目的地车辆成功地传送其任何消息。本文确定了对应用层进行改进。其提出了三种简单而有效的广播方案，用于减轻HN问题的影响。这些解决方案与IEEE 802.11p标准完全兼容，即，这些解决方案是应用层解决方案，因而可以容易地在实践中引入。

考虑了oPBC的三个质量方面，即可靠性、公平性和延迟。

两个模型：在通信车辆的分析中，面对两个方面：车辆的移动的仿真和无线通信随车辆的位置而变的行为的仿真。因此，本文具有交通模型和通信模型，其中，交通模型产生随时间而变的车辆位置，通信模型描述车辆之间随时间和车辆位置而变的通信事件。因此，通信模型依赖于交通模型(但并不是相反的)。

由车辆位置形成两个模型之间的接口。这与无线信道模型一同生成邻域结构，即一组车辆，其中每个车辆可以在任何时间点进行发送或接收。交通模型可以非常高级，甚至在一定程度上对存在轨迹进行了仿真。然而，本文不关心交通模型。对于仿真，本文坚持这样的一种简单高速公路模型：其被表示为若干千米的一段路程，其中，每个方向具有三条行车道，并且这段路程具有周期性边界条件(这使得这段路程实际上是环)。假设每个行车道的速度是固定的。在仿真中，交通模型的主要关注点是利用足够小的时间步长进行仿真，以获得现实而足够精确的通信模型描述。这种限制的动机在于本文想要只研究在变化负载条件下的通信模型。

通信模型：通信模型包括两个部分：首先，本文描述了802.11p标准的通信和产生事件的无线信道模型。其次，本文对包括通信车辆的系统中的定时或事件进行了建模，以定义感兴趣的概念。

802.11p通信和无线信道模型：本文限于描述802.11p MAC的广播模式。图2中，给出了从中获得的广播过程的扩展性流程图，以及图3描述了相应状态机图。在本文的仿真模型中，根据这个状态机实现每辆车。此外，本文采用802.11p的更新NS-2实现的基于信号与干扰加噪声比(SINR)的信号接收模型。此外，为了只研究消息冲突的效应，本文选择二径地面(TRG)信号传播模型。如表1一样选择802.11p和TRG模型的主要配置参数。

表1：802.11p参数设置

图1b示出了示意信道争用和消息冲突。车辆vj在e(z)ji处进入车辆vi的通信范围(CR)并且在l(z)ji处离开。在这个相遇间隔期间，vj从vi接收一系列消息。车辆vi在a(k)i处(即，消息激活时刻)准备广播第k个消息i，但是其实际上在s(k)i处开始发送并且在f(k)i处结束。a(k)i与s(k)i之间的距离取决于信道条件。在最佳情况下，这个距离可以只是AIFS。在最糟情况下，这个距离可以是多个AIFS+多个AD(访问延迟)+Bf。

消息丢失：最重要的是能够接收消息的车辆是否实际上接收了消息。在考虑消息m(k)i的情况下，对于另一车辆vj为什么可能没有接收消息m(k)i，有三个原因。

(OOR)范围之外。为了使车辆vj接收m(k)i，在传输的持续时间期间，vj必须处于vi的邻域内。

(MD)消息丢弃。如上所述，如果退避间隔变得足够长而使得消息传递时间不适配该周期的剩余时间，则发生消息丢弃。没有车辆会接收到消息m(k)i。

(MC)消息冲突。消息被发送但并未被vj接收，原因在于其它车辆可能同时向vj发送，它们的干扰强得足以破坏接收的vi的消息。

本文根据模型实现了针对oPBC的仿真器，并且比照802.11p的更新NS-2实现验证了其正确性。以下分部描述了仿真设置。

仿真设置：基于评估的目的，对两种不同场景进行了仿真。在第一场景(单域(SD))中，在单个CR内的固定位置处布置车辆，即所有车辆可以接收彼此的消息。这个场景允许研究仅由争用问题导致的冲突，即NN冲突，原因在于不存在HN。在第二场景(多域(MD))中，在每个方向具有三条行车道的3km长的高速公路上布置车辆。这种场景允许研究HN和NN这两种冲突。通过这两种场景，本文可以比较这两种类型的冲突的影响。车辆在三条车道上相应地具有20m/s、30m/s和40m/s的固定速度。在这两个场景中，使用不同车辆间间距来创建不同的车辆密度(VD)。假定是单条信道、固定广播时间段以及初始地，该时间段内的随机相调整(random phasing)。两个消息激活时刻整之差为广播时间段。

因此，每辆车vi具有广播时间段Ti(正实数)和从间隔[0，Ti)均匀地选出的初始广播相(正实数，由字母phi指示)。此外，假设对于所有车辆，随时间变化固定的是相同信号长度、相同广播时间段、相同消息大小。表2示出了仿真参数的值。

表2：仿真设置

本文感兴趣的是在交通密度中等或稀疏(即网络未饱和)时oPBC中的冲突问题，尤其是HN问题。从车辆安全的角度，预期的是消息丢失在这种情况下甚至会更严重，原因在于车辆可以具有相对高的速度。因此，这种交通条件应该在通信上具有严格得多的需求。在以下部分中，本文研究能够减轻冲突问题影响的三种广播方案。这些方案的核心思想是尽可能破坏车辆之间的同步，以阻止系统消息丢失。图7示出了由同步HN导致的严重情况的两个示例。车辆“a”和“b”是同步HN。图中，车辆“d”正改变行车道，假设其这样做是安全的。因为“b”与“a”同步，所以“d”的驾驶员不知道“b”。另一种情况是行进碰撞情况，其中车辆“a”正减速，但是“e”和“f”却不知道。

为了比较，图8a示出了消息激活时刻，其是严格周期性的。车辆i(vi)具有初始相phi_i。每个新消息激活时刻a(k)i比前一消息激活时刻多一个广播时间段。

第一种方法，本文称之为弹性方案，其中，规则地改变初始广播相。在这种方案中，如图8b一样定义消息激活时刻。eri是弹性速率，其定义了对于车辆i，应该以什么频度来改变相，r()是一种函数，其返回在给定间隔内的随机值。这个值定义了应该将相改变多少。为了保持所产生消息的预期数目与严格周期性方案相同，2Ti选作间隔。两个消息之间的最糟情况下的延迟是2Ti。

图4示出了这种方案的结果，其中对于所有车辆，使用了相同的er(弹性速率)。相改变越频繁，弹性方案就能越好地改善公平和延迟特性。具体地，即使在er具有较高值的情况下，也显著改善了公平性。在弹性方案中，这种结果的原因在于时间点的频繁改变，其影响了车辆的信道条件。在信道条件频繁改变的情况下，车辆的同步时间段的生存期(以及车辆的有利信道条件的时间段)变得较短，即非常有可能是至多er时间段。从长期来看，每辆车将或多或少地经历相同波动信道条件。当VD近似50时，弹性方案显著改善公平性。

从公平的角度来看，个体车辆的行为比所有车辆的平均行为更重要。这就是为什么本文还分析SMRi(成功消息接收)的原因，是为了查看丢失是否均匀地(或公平地)分布在车辆之间。累积分布函数(cdfSMR)对此进行了展示；公平分布在短区间内给出了从0至1的转变。

第二种方法，本文称之为抖动方案，其中，如图8c一样定义激活时刻。这里，AJi是激活抖动，其粒度是一个消息传输时间(即，AJ＝N暗示实际抖动是AJ＝NTd，消息传输时间的N倍)。因此，在这种方案中，消息之间的最糟情况下的延迟等于Ti+2AJi。

此外，本文可以进行许多观察。首先，与弹性方案类似，抖动方案改善了公平和延迟特性，如图5所示。对于所有车辆，本文选择相同AJ。选择的AJ越大，抖动方案就越能更好地工作。应注意，小抖动大小并没有表现出很大的改善。与弹性方案相比，抖动方案需要较大的抖动大小来改善公平性，尽管较小抖动大小已经大大地影响了延迟特性。这确实有意义，原因在于，与弹性方案相比，在抖动方案中，车辆的信道条件不会彻底改变。比如，存在彼此同步的两辆车，造成了它们的接收机上的消息冲突。对于弹性方案，本文已示出这种同步的生存期变得相对短。但是，在抖动方案中，两辆车在它们的整个相遇间隔期间都保持同步。有时，抖动只有助于阻止消息冲突发生。此外，可以说，在延迟特性方面，抖动方案比弹性方案好。具体地，本文了解到，0.2-1s间隔内的链路数目比弹性方案的结果小得多。

当VD近似50时，抖动方案改善了公平。然而这表明，小抖动对于改善公平性没有太大帮助。

除了之前的两个方案之外，本文还研究了第三种方法，即弹性方案和抖动方案的组合。本文称之为弹性+抖动(EJ)方案，其定义如图8d。

如所希望的一样，这种解决方案优于之前的两个方案，如图6所示。第三种解决方案具有两个方案的优势。与弹性方案类似，其确实显著改善了公平性。与抖动方案类似，其确实在很大程度上改善了延迟特性。

当VD近似50时，抖动方案显著改善了FD(第一延迟)。如果AJ＝2，即二倍于传输时间，则对于“5＜”和“从未”的情况，数目分别是31±6和29±9。如果AJ＝20，则对于“5＜”和“从未”的情况，数目都是0。附图表明抖动方案优于弹性方案。如果AJ＝20，则区间(0.2:1]中的链路数少得多。所示结果是平均经常仿真，其中置信区间是99％。“第一延迟”是最长初始子区间的长度，以及如果本文将“第一延迟”应用于相遇间隔，则“第一延迟”代表了发现时的延迟。

应该注意，图8b和8d的最后一行应该读为“(k+phi_e)mod er_i”，而不是“k mod er_i”。

图10示出了站点1000。图9a和9b示出了用于实现根据本发明的方法的可能方式，可能地，使用站点1000来实现。

图9a示出了站点1000的主环。在920中，选择消息激活时刻。在910中，等待单元等待，直到选定的消息激活时刻到来为止。然后，在930中，多路访问机制开始工作，以及在920中，选择新消息激活时刻。

站点1000包括消息激活时刻选择器1010。消息激活时刻选择器1010确定何时发送周期性广播的下一消息。基于此，消息激活时刻选择器1010可以使用图9b的方法。例如，首先，在940中，选择器1010确定是否已经超过了弹性速率消息，即之前是否已经超过了消息激活时刻的数目。这可以通过保持计数器来实现，其中每次消息激活时刻到来时，都递增所述计数器。即使在消息激活时刻到来却没有发送消息的情况下，也可以递增所述计数器，原因在于多路访问机制不会发现信道中的空闲时隙。优选的是递增计数器，而不管是否实际发送了消息。不发送消息可能是非有意同步的结果。一旦计数器等于弹性速率，则计数器重置为0。如果已经超过了弹性速率个消息，则在970中，选择随机时间间隔。随机时间间隔可以是0与广播时间段的2倍之间的均匀随机值。广播时间段可以是可配置的，也可以是固定的。例如，可以选择0.1秒的广播时间段。可以将随机时间间隔加到在先消息激活时刻上。在970中加上了随机时间间隔之后，在960中，站点1000可以继续加上激活抖动。

如果还未超过弹性速率个消息，则加上广播时间段50。在950中加上广播时间段之后，在960中加上激活抖动。可以将广播时间段加到具有或不具有在先激活抖动的在先消息激活时刻。在第一种情况下，可能产生漂移(drift)，在第二种情况下，消息保持以特定可预期消息激活时刻为中心。

在一个实施例中，站点通过将时间间隔加到在先消息激活时刻上来选择下一消息激活时刻。备选地，站点可以确定“等待时间”，即在准备广播之前要等待的间隔。例如，在步骤920中，作为开始，可以将初始等待时间设置为0。在步骤950、970和960中，可以加到等待时间上，而不是加到在先消息激活时刻上。此外，当使用等待时间时，能够校正在先消息激活时刻中的抖动；例如，根据当前等待时间来推断加到在先消息激活时刻或在先等待时间中的抖动。在图8a-8d中未描述的图9b的变型中，如果在970中加上了随机时间间隔，则不加激活抖动；在这种情况下，步骤970结束步骤920。

一旦选择器1010设置了下一消息激活时刻，则等待单元1020等待设定的等待时间，或者在下一消息激活时刻之前一直等待。一旦进行等待，则等待单元1020激活多路访问机制930，即站点进入准备广播模式。应强调的是，一旦消息激活时刻到来，并不立即发送消息。替换地，信道仲裁方法用于避免局部冲突。例如，可以使用图2和3的方法。在该实施例中，机制1030还选择消息，例如车辆碰撞避免系统的状态信息等等。一旦机制1030确定可以发送消息，则消息被传输至收发机1040，以在信道上进行发送。收发机1040还可以用于接收信息和监听信道来确定信道是否空闲。在910中等待之后，在920中选择新消息激活时刻。这可以使用图9b的方法920。

如果没有使用弹性速率，则可以省略940和970。如果没有使用抖动，则可以省略960。可以加到具有或不具有在先抖动的在先消息激活时刻上。在实施例中，多路访问机制930在发送消息之前在特定时间段内等待信道空闲。在更完善的多路访问机制930的实施例中，可以引入退避时间段等，包括例如全CSMA/CA。

典型地，站点1000包括微处理器(未示出)，其执行例如设备1000中存储的适当软件，可以下载所述软件并将其存储在例如RAM等相应存储器(未示出)中。

图2在流程图中示出了CSMA/CA在周期性广播模式下如何工作，以及图3给出了相应状态机图。该部分说明了CSMA/CA在周期性广播模式下如何工作。根据CSMA/CA，当站点准备广播(准备发送(RTT))时，站点必须首先检查AIFS持续时间内的信道。如果在比AIFS长的时间内，信道空闲，则站点立即开始发送。如果在AIFS期间信道正忙或将变得忙碌，则站点必须等待信道变得空闲。802.11将这种等待称作访问延迟。如果访问被延迟，则站点首先等待信道再次在AIFS期间变得空闲。如果信道空闲，则站点必须通过启动Bf时器来执行Bf程，其中BF定时器被设置为从间隔{0，1，…CW}中提取的随机数。定时器的粒度是时间间隙，并且每次在监听到信道在时间间隙内空闲时，都递减定时器。如果信道变忙，则停止定时器，当信道再次变得空闲(即，在AIFS的持续时间内是空闲的)时，再继续递减处理。允许站点在BF定时器达到零时发送消息。根据信道条件，站点可能经历多个AIFS加上访问延迟。应注意，至多进行一次Bf数。如果新消息从上层到达，则必须丢弃当前消息并且开始新消息发送。

如图3中的状态机图表所示，每个站点处于IDLE、WAITAIFS、DEFERRING、Bf COUNTING和XMIT这五种状态中的一种。当站点没有发送或者没有RTT时，处于IDLE状态。在该图表中，使用了若干变量和常数来表示状态转换条件和定时变化。

“n”表示当前时间。

“a”表示AIFS计数的当前值。

“c”表示Bf计数的当前值。

“do_c”是二进制变量，用于指示站点是否应该执行Bf数。

“busyTime”是信道忙的持续时间。

“msgDelay”是一个消息传输的持续时间。

“下一消息时刻(NMT)”是信道准备发送下一消息的时刻。

“busy”指示忙信道。

“AIFS”是用于AIFS等待的时隙数目，其由标准给出。

“CW”是Bf的时隙数目，其由标准给出。

“时间间隙(ST)”是一个时间间隙的持续时间，其由标准给出。

可以使用图3的状态机来实现图2所述的方法；其可以用作多路访问机制来解决信道访问竞争。在消息激活时刻，站点变为“准备发送”，并且在右上角处开始图2的流程。

本领域技术人员显而易见的是，能够以许多不同方式执行方法。例如，可以改变步骤的顺序，或者可以并行地执行一些步骤。此外，可以在步骤之间插入其它方法步骤。插入的步骤可以代表比如本文所述的方法的改进，或者可以与所述方法无关。例如，可以至少部分地并行执行步骤930和920。此外，在开始下一步骤之前，给定步骤可以还未完全结束。

可以使用软件执行根据本发明的方法，所述软件包括使处理器系统执行例如方法900和/或920的指令。软件可以只包括系统的特定子实体采取的那些步骤。软件可以被存储在适当存储介质中，比如硬盘、软盘、存储器等。可以将软件作为有线信号或无线信号进行发送，或者可以使用例如互联网等数据网络来发送软件。软件可以用于下载和/或在服务器上进行远程使用。

应意识到，本发明还涉及计算机程序，尤其是适于实践本发明的载体上或中的计算机程序。程序可以是源代码形式、目标代码形式、诸如已部分编译形式的代码中间源目标代码形式、或者适于在实现根据本发明的方法中使用的任何其它形式。关于计算机程序产品的实施例包括与至少一个所述方法的每个处理步骤相对应的计算机可执行指令。这些指令可以被再分为子例程和/或被存储在能够静态或动态链接的一个或多个文件中。关于计算机程序产品的另一实施例包括与至少一个所述系统和/或产品的每个装置相对应的计算机可执行指令。

应该注意，上述实施例说明本发明而非限制本发明，本领域技术人员将能够设计许多备选实施例。

在权利要求中，圆括号之间放置的任何参考标记不应该解释为限制权利要求。动词“包括”及其变形的使用不排除与权利要求中所述的元件或步骤不同的元件或步骤的存在。元件之前的冠词“一”或“一个”不排除多个这种元件的存在。可以通过包括若干不同元件的硬件或者适当编程的计算机来实现本发明。在枚举了若干装置的设备权利要求中，这些装置中的若干个可以由一个装置或其硬件实现。在互不相同的从属权利要求中引用特定特征的唯一事实并非指示不能够有利地使用这些特征的组合。

Claims

1.一种用于站点(1000)的方法(900，920)，所述站点在无线信道上周期性地广播消息以与在相同信道上发送的多个其它站点进行通信，所述站点在连续的消息激活时刻准备广播，在消息激活时刻执行多路访问机制(930)来解决信道访问竞争并随后开始消息的发送，其中，至少两个连续的消息激活时刻之差为随机时间间隔。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述站点与所述多个其它站点协作，以通过在消息激活时刻采用载波监听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)机制来管理信道访问。

3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述站点在消息激活时刻首先检查信道在仲裁帧问间隙(AIFS)期间是否正忙或者变得忙碌，如果信道正忙或变得忙碌，则所述站点等待信道变为空闲。

4.如权利要求3所述的方法，其中，在等待信道变得空闲之后，在从渐增争用窗口(CW)中选出的随机退避(Bf)时间段内等待。

5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，两个连续消息激活时刻之差平均起来为广播时间段。

6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，相对于周期性广播时间段来改变周期性广播消息的相。

7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，两个连续消息激活时刻之差为广播时间段或随机时间间隔。

8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，利用弹性速率配置所述站点，以及其中，周期性地，在超过弹性速率个消息激活时刻之后(840)，两个连续消息激活时刻之差为随机时间间隔。

9.如权利要求6或7所述的方法，其中，所述随机时间间隔是零与所述广播时间段的2倍之间的随机数。

10.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，利用激活抖动配置所述站点，以及其中连续消息激活时刻之差为所述广播时间段加上随机值，所述随机值是所述激活抖动减去在0与所述激活抖动的2倍之间的随机值。

11.如权利要求1 0所述的方法，其中，消息具有消息传输时间，以及其中，所述激活抖动大于或等于消息的传输时间的2倍，更具体地，大于或等于消息传输时间的20倍。

12.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，利用弹性速率和激活抖动来配置所述站点，以及其中，连续消息激活时刻之差为所述广播时间段加上随机值，但是周期性地，在超过了随机速率个消息激活时刻之后，两个连续消息激活时刻之差为随机时间间隔。

13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述站点和所述多个其它站点各自被包括在不同车辆中。

14.一种站点，在无线信道上周期地广播消息来与在相同信道上发送的多个其他站点进行通信，所述站点被配置为在连续消息激活时刻准备广播，在消息激活时刻执行多路访问机制来解决信道访问竞争并且随后启动消息的发送，其中至少两个连续消息激活时刻之差为随机时间间隔。

15.一种包括计算机程序代码装置的计算机程序，所述计算机程序代码装置适于在计算机程序在计算机上运行时执行权利要求1至13中任一项的所有步骤。