CN104469964A - 用于在自组织网络中发送消息的方法 - Google Patents

Abstract

涉及用于在自组织网络中发送消息的方法。具体而言，在具有多个网络节点的异步自组织网络中消息的无线发送和接收的方法，至少一个第一网络节点以预先定义的周期长度周期性的发送消息，该方法包括在第二网络节点中执行的以下步骤：定义至少两个连续的时间间隔，每一个具有一个周期长度，第一时间间隔是在过去而第二时间间隔是在将来，并将时间间隔各自细分为至少两个时隙；基于在该时隙中接收到的一个或多个其他网络节点的消息的数量，为第一个时间间隔中的每个时隙计算占用率；识别具有最低占用率的时隙；并在第二时间间隔的时隙中传送至少一个消息，该第二时间间隔与所识别的时隙相对应。可以基于从同步TSF导出的时间戳来定义确切的发送点。

Description

用于在自组织网络中发送消息的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在具有多个网络节点的异步自组织(ad hoc)网络中的消息的无线发送和接收方法，在该异步自组织网络中，至少一个网络节点以预定的周期长度周期性地发送消息。本发明还涉及一种用于该方法的网络节点。

背景技术

这种自组织网络使用在例如车辆与车辆(V2V)或车辆到基础设施(V2I)通信中；这种网络具有高度的灵活性，并且，由于网络节点的互相啮合，这种网络能够实现故障保护。然而，由于每个网络节点基于其自身的内部定时来发起消息发送，因此，当两个或多个网络节点试图同时发送消息时将会发生冲突。出于这个原因，用于冲突检测(CD)和冲突避免(CA)的方法被标准化到具有载波侦听多路访问(CSMA)的这种网络中。然而，在大量的网络节点和/或消息的情况下，这些方法是不够的，尤其是：随着消息数量的增加，成功地发送消息的数量，并且因此，网络效率降低。

从文献中可以获知用于抵消上述缺陷的各种改进。在G.Bansal等所著的，“Cross-Validation of DSRC Radio Testbed and NS-2Simulation Platform forVehicular Safety Communications”(2011IEEE Vehicular TechnologyConference(VTC fall))中，建议减少网络节点的发送功率，或延长周期性发送消息的周期长度，从而减少冲突次数。作为其结果，自组织网络的直接互连的网络节点的数量减少了，但是，因此消息不再能够直接发送(“单跳”)，而是必须通过多个中间网络节点路由(“多跳”)，这进一步提高了发送消息的总数；它的另一个结果是，信息的传播速度降低，特别是重要消息的情况下，这是不希望的，所述重要消息例如是关于危险情况或事故的消息。

相反，在S.Sundar等所著的，“Congestion Control for Vehicular Safety：Synchronous and Asynchronous MAC Algorithms”(VANET’12会议，2012年6月25日，英国)中提议，对网络节点进行同步，这需要一个复杂的同步算法，该算法还必须处理在整个自组织网络中单个网络节点的添加或删除，并且在每一个网络节点中需要一个GPS接收器的精确的、共同时间基准。可以理解的是，这样的方法仅当自组织网络中的所有参与网络节点都无间隙的同步，也就是说，当自组织网络完全被这样的网络节点覆盖时才会起作用。

发明内容

本发明的目的是创建一种用于异步自组织网络中的消息的无线发送和接收的方法和网络节点，该方法和网络节点使得即使在有大量的网络节点或消息的情况下也可以进行有效的发送，而不需要要求同步的复杂性和完整实施。

根据本发明的第一方面，上述目标通过以下方法来实现，该方法用于在具有多个网络节点的异步自组织网络中的消息的无线发送和接收，在该异步自组织网络中，至少一个第一网络节点以预定的周期长度周期性地发送消息，所述方法被如下的步骤表征，这些步骤在第二网络节点中执行：

定义至少两个连续的时间间隔，其中这两个时间间隔中的每一个都具有一个周期长度，其中，第一时间间隔是在过去并且第二时间间隔是在未来，并且将时间间隔各自细分成至少两个时隙；

基于在第一个时间间隔的每个时隙中接收到的一个或多个其他网络节点的消息的数量，为该时隙计算占用率；

识别具有最低占用率的时隙；并且

在第二时间间隔的与所识别的时隙相对应的时隙中传送至少一个消息。

本发明是基于这样的发现，由于来自各个网络节点的消息一般而言以相同周期长度周期性地发送——例如，根据ITS-G5或WAVE标准的普通认识消息(CAM)或基本安全消息(BSM)通常每100毫秒到500毫秒被发送一次——二次冲突的高危险生由其消息已先前相冲突的两个网络节点在相同的周期长度到期后同时进行另一次尝试发送引起。

根据本发明所述的方法使用时隙进行消息发送，所述时隙基于对过去的观察，在未来极有可能是空闲的，从而防止与其他网络节点的消息相冲突。发射功率和周期长度保持不变，因此效率不会受到损害。由于网络节点保持相互独立，该方法能够同样有利地在自组织网络中使用，在该自组织网络中，所述方法由所有网络节点、一些网络节点或没有任伺其它的网络节点来使用。在这种情况下，每个网络节点执行其自己的伪同步，无需自组织网络的全部网络节点的复杂同步。

尤其优选的，对接收到的消息的接收信号强度进行测量，并且当计算占用率时，会对每个接收到的消息进行考虑，接收到的消息被用其接收信号强度进行加权。因此，更多的远程网络节点以不太大的程度被考虑到占用率的计算中，从而有可能基于占用率确定，特别是在非常高占用率的时隙的情况下，具有较低的冲突风险的时隙。在这种情况下，网络节点即使在接收到具有较低接收信号强度的消息时也可以发送其消息，并且所述发送的消息能够被相邻的网络节点在没有干扰的情况下接收。

在本发明的一个简单实施例中，为整个自组织网络定义周期长度。作为一个替代方案，可以基于从第一网络节点接收到的消息来进行周期长度测量。因此，所述第二网络节点使其自己适应所述第一网络节点的周期长度；因此，该方法对具有不同预定周期长度的网络节点更健壮。特别有利的是，被选择作为第一网络节点的网络节点是自组织网络的相对于所述第二网络节点具有最低的相对速度的网络节点。因此，第二网络节点使其自己适应如下网络节点，预计该网络节点的消息将在相当长的时间周期上通过一致的方式被接收。

由于给定100毫秒到500毫秒典型周期长度时所考虑的自组织网络中的周期性消息通常有大约0.5至1毫秒的持续时间，所以当时间间隔各自细分为10至500个，优选为20至100个时隙时，能够获得良好的解决方案。

特别有利的是，根据IEEE802.11标准或与之兼容的标准，为接收到的消息设置定时同步功能(TSF)的时间戳，并且消息的发送与该时间戳同步。因此，使用已经存在的计时器，所述计时器在默认情况下甚至实施与其它网络的定时同步函数的对准，并且可以在IEEE802.11标准中描述的OSI层模型的MAC子层直接为所接收到的消息盖上时间戳，并且因此实际上没有延迟。同时，该定时同步功能允许与接收相同步的消息的发送，从而避免单独的第二定时器用于发起发送，并防止网络节点的两个定时器之间发生偏差。

所发送的上述周期性消息是根据ITS-G5或WAVE标准或与之兼容的标准的普通认识消息(CAM)、基本安全消息(BSM)、旅客信息消息(TIM)和/或分散式环境通知消息(DENM)。因此，根据本发明的方法不需要任伺进一步的消息(这些进一步的消息在伪同步中增加了占用率)，并且因此也与传统的符合标准的网络节点完全兼容。

在第二方面，本发明创建了一种用于具有多个网络节点的异步自组织网络的网络节点，该异步自组织网络中的至少一个网络节点以预定的周期长度周期性地发送消息，包括：

收发机，用于消息的无线发送和接收；

处理器，连接到收发机，所述处理器被配置为：

——定义至少两个连续的时间间隔，两个时间间隔中的每一个具有一个周期长度，其中，第一时间间隔是在过去并且第二时间间隔是在未来，并且所述处理器还被配置成将时间间隔各自细分成至少两个时隙；

——基于在第一个时间间隔的每个时隙中接收到的一个或多个其他网络节点的消息的数量，为该时隙计算占用率；

——识别具有最低占用率的时隙；并且

——在第二时间间隔的与所识别的时隙相对应的时隙中传送至少一个消息。

关于根据本发明的网络节点的优点和进一步优选的实施方案，参考该方法的上述实施例。

附图说明

参照附图中所示的示例性实施例，接下来将更详细地对本发明进行解释说明。在附图中：

图1在示意性顶视图中示出了具有多个网络节点的异步自组织网络；

图2a和图2b以接收信号强度/时间图的形式示出了示例性的时间间隔和在其中接收到的消息，不具有(图2a)以及具有(图2b)根据本发明细分成的时隙；和

图3在具有信号流的示意框图示出了根据本发明的具有OSI层模型部分的网络节点。

具体实施方式

根据图1，多个网络节点N₁，N₂，...，一般而言N_i，在异步自组织网络1中经由短距离无线通信链路2彼此通信。一些网络节点N_i是移动的，例如在具有车道4的道路3上行驶的车辆，在车道4中，车辆或网络节点N₁至N₉各自在某方向上以一定的速度行驶，即，根据速度矢量5。其他网络节点N₁₀，N₁₁是静态的，例如，被安装在道路3的一侧或在所述道路3的上方。

根据自组织网络1的属性，短距离无线链路2在两个网络节点Ni分别进入或离开另一网络节点的无线电范围时动态建立或终止。

根据图2a，如图1中所示的网络节点N_i各自经由无线链路2向另一网络节点或者位于其无线电范围内的其它网络节点N_i发送消息M₁，M₂，...，一般而言M_i，或者从另一网络节点或者位于其无线电范围内的其它网络节点Ni接收消息M₁，M₂，...，一般而言M_i。消息M_i可以是周期性消息或一次性消息；如图1和图2a中所示的示例，例如，第一网络节点N₁以预定为100毫秒的周期长度P₁周期性地发送消息M₁，所述消息例如由网络节点N₂到N₆和N₁₀接收。一个网络节点N₃以预定的周期长度P₃周期性地发送消息M₃，其中，在该示例中，P₃对应于网络节点N₁的周期长度P₁，所述消息例如在网络节点N₁，N₂和N₆至N₈中接收。

网络节点N_i的周期性发送的消息M_i可以是例如根据ITS-G5或WAVE标准或与之兼容的标准的普通认识消息(CAM)、基本安全消息(BSM)、旅客信息消息(TIM)或分散式环境通知消息(DENM)；一次性消息M_i各自由网络节点N_i中探测到的特定事件(例如，交通事故)触发。

根据图3，一个或多个网络节点N_i在这种情况下命名为第二网络节点N₂，具有处理器6，连接到其上用于发送和接收消息M_i的收发器7，以及同时连接到处理器6和收发器7的测量设备8，用于测量从其他网络节点N₁，N₃，...，一般而言为N_K，接收的消息M₁，M₃，...，一般而言为M_k，的接收信号强度R₁，R₃，...，一般而言为R_K，在图2a和2b中，其被描绘为在时间t上的接收信号强度R。在这里所考虑的所述笫二网络节点N₂执行以下方法，以便最小化由所述第二网络节点发送的消息M₂与从其他网络节点N_k接收到的消息M_k的冲突的危险。

根据图2a中所示的示例，第二网络节点N₂中的处理器6定义了至少两个连续的时间间隔T_m，T_m+1，每一个时间间隔都具有一个周期长度P，其中，在确定或观察的时刻t_x，第一时间间隔T_m位于过去而第二时间间隔T_m+1位于未来。周期P的长度可以为整个自组织网络1定义，并且因此可以同样应用于每个网络节点N_i，其结果是，在相应的网络节点N_i中实施的各个周期长度P₁，P₂，...，一般而言为P_i，仅仅由于网络节点N_i中不同的本地定时与其他节点以及定义的周期长度P略有偏离；作为另一种选择，如图2a中所示的示例，第二网络节点N₂可以基于通过所述第二网络节点来测量的从其他网络节点N_k(“参考网络节点”)接收到的消息M_k的周期长度P_k来测量周期长度P，在这种情况下，其例如是第一网络节点N₁的周期长度P₁。被选择的参考网络节点N₁优选的是自组织网络1的网络节点N_k，其相对于第二网络节点N₂具有最低的相对速度，即其具有最类似于第二节点N₂的速度矢量的速度矢量5。

相对速度可以从关于位置和方向以及运动速率的相应的数据进行绘制，例如，其它网络节点N_K的CAM或BSM消息，或者可以基于从其他网络节点N_K接收到的消息M_k的接收信号强度R_K以及这些参数在至少两个离散(transpired)时间间隔...，T_m-2，T_m-1，T_m随着时间变化来确定。在图2a所示的示例中，从网络节点N₁，N₃接收到的消息M₁，M₃的接收信号强度R₁，R₃仅仅只在多个离散时间间隔...，T_m-2，T_m-1，T_m上变化，虽然在图2a中标记M_k的消息的接收信号强度R_K从时间间隔T_m-1到随后的时间间隔T_m明显增加，而在所述时间间隔之前的时间间隔T_m-2，网络节点N_k的消息M_k尚未被接收到。

根据图2b和图3，由网络节点N₂的处理器6所定义的时间间隔T_m各自细分成至少两个，通常细分为5至100个，优选为10至20个——根据图2b的示例为4——时隙S_m，1，S_m，2，...，一般而言为S_m，n。可以理解的是，时间间隔T_m中的时隙S_m，n还能够被选择为具有不同的尺寸。

接下来，基于在第一时间间隔T_m的每个时隙S_m，n中接收的其他网络节点N_k的消息M_k的数量，来为该时隙S_m，n计算占用率B_m，n，如下所述：

$B_{m,n}=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{M}_k\left(S_{m,n}\right)$

由网络节点N₂自身发送的消息M₂可以从该计算中省略。

任选地，当计算占用率以生成加权占用率wB_m，n时，处理器6可以利用接收信号强度R_k进行加权来考虑每一个接收到的消息M_k，其中，具有较低接收信号消息R_k的接收到的消息M_k以不太大的程度被考虑；

${\mathrm{wB}}_{m,n}=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{R}_k\·M_k\left(S_{m,n}\right)$

占用率B_m，n或者加权占用率wB_m，n还能够在两个或多个离散时间间隔...，T_m-2，T_m-1，T_m的各自第n个时隙...，S_m-2，m，S_m-i，m，S_m，n上平均。

对于时间间隔T_m，现在针对具有最低占用率B_m，n或者wB_m，n的时隙S_m，n进行搜索。在图2b所示的示例中，是时隙S_m，2。

接下来，在第二时间间隔T_m+1的时隙S_m+1，2中，第二网络节点发送至少一个消息M₂，该第二时间间隔T_m+1对应于因此所识别的离散(“第一”)时间间隔T_m的时隙S_m，2，或者在此或者这些时隙S_m+1，2中启动或者偏移消息M₂的周期性发送，在图2b中表征为箭头9。

这是基于这样的假设或预期的值——在自组织网络1中周期性地发送多个消息M_i——在时间间隔T_m中接收到的消息M_k，之后是后续时间间隔T_m+1中的对应消息M_k，并且，实际上，每一个在时间间隔T_m+1的对应于时间间隔T_m的时隙S_m，n的相同时隙S_m+1，n中，如图2b中虚线所示。作为替代，用于发送消息M₂的第二时间间隔T_m+1的时隙S_m+1，n还能够基于在进一步过去...，T_m-2，T_m-1中的间隔确定，例如，基于时间间隔T_m-1的查明的时隙S_m-1，2来确定。

如果需要的话，每个时间间隔T_m中的至少一个时隙S_m，n可以预留给其他服务或者具有特定优先级的消息M_i。

在一个实际的实施例中，如图3所示，一旦接收消息，处理器6根据IEEE802.11标准或与之兼容的标准(例如，用于智能交通系统的自组织网络1的IEEE802.11p标准)为每个接收到的消息M_k提供时序同步功能(TSF)10的当前时间戳，该功能被布置在OSI层模型的MAC子层11。因此，所接收到的消息M_k可以在任何时候被分配到此处形成的时隙S_m，n。作为替代方案，处理器6还可以基于其他定时器来向消息M_k提供时间戳。

具有时间戳的消息M_k通过路径13来转发用于处理，经由MAC子层11的分散拥塞控制(DCC)模块12，直到应用层(APP)14，其也在上述标准中进行了描述。

此外，根据图3，处理器6将至少一个消息M₂的发送与定时同步功能10的定时相同步，其中，应用层14等待(15)时隙S_m+1，2。通过传送消息M₂(例如CAM或BSM消息)至MAC子层11(参见路径16)，以及至位于其下的物理层(PHY)17，根据OSI层模型，处理器6启动发送，并且事实上，在将来(“第二”)时间间隔T_m+1的时隙S_m+1，2的时候，基于定时同步功能10来指示。根据标准，如果没有接收到进一步的消息M_i，则该两层即MAC11和PHY17尽快发送所传送的消息M₂，例如，经由网络节点N₂的收发器7。

如果与其他网络节点N_k的消息M_k的冲突仍然在发送过程中偶然发生，例如，因为在第一时间间隔T_m中，该网络节点N_k不在第二网络节点N₂的接收范围或者所述网络节点N_k发送附加消息M_k，已知的具有载波侦听多路接入(CSMA)的网络1的冲突检测(CD)或避免冲突(CA)的方案被实施。

本发明并不限定于所呈现的实施例，而是包括落入以下权利要求书的范围内的所有变型和修改。

Claims (15)

1.一种用于在具有多个网络节点(N_i)的异步自组织网络(1)中的消息(M_i)的无线发送和接收方法，在该异步自组织网络(1)中，至少一个第一网络节点(N₁)以预定的周期长度(P₁)周期性地发送消息(M₁)，所述方法的特征在于以下步骤，这些步骤在第二网络节点(N₂)中执行：

定义至少两个连续的时间间隔(T_m，T_m+1)，这两个时间间隔中的每一个具有一个周期长度(P)，其中，第一时间间隔(T_m)是在过去并且第二时间间隔(T_m+1)是在未来，并且将时间间隔(T_m，T_m+1)各自细分成至少两个时隙(S_{m， n}，S_m+1，n)；

基于在第一个时间间隔(T_m)的每个时隙(S_m，n)中接收到的一个或多个其他网络节点(N_k)的消息(M_k)的数量，为该时隙计算占用率(B_m，n，wB_m，n)；

识别具有最低占用率(B_m，2，wB_m，2)的时隙(S_m，2)；并且

在第二时间间隔(T_m+1)的与所识别的时隙(S_m，n)相对应的时隙(S_m+1，n)中传送至少一个消息(M₂)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量接收到的消息(M_k)的接收信号强度(R_k)，并且当计算占用率(B_m，n，wB_m，n)时，每一个接收到的消息(M_k)被考虑，接收到的消息(M_k)被用其接收信号强度(R_k)加权。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述周期长度(P)是为整个自组织网络(1)定义的。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，基于从第一网络节点(N₁)接收到的消息(M₁)来测量周期长度(P)。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，被选择作为第一网络节点(N₁)的网络节点是自组织网络(1)的相对于第二网络节点(N₂)具有最低相对速度的网络节点(N₁)。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述时间间隔(T_m，T_m+1)各自细分为10至500个，优选为20至100个时隙(S_m，n，S_m+1，n)。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据IEEE802.11标准或与之兼容的标准，为接收到的消息(M_k)设置定时同步功能(10)的时间戳，并且消息(M₂)的发送是与该时间戳同步的。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，上述周期性发送的消息是根据ITS-G5或WAVE标准或与之兼容的标准的普通认识消息(CAM)、基本安全消息(BSM)、旅客信息消息(TIM)和/或分散式环境通知消息(DENM)。

9.一种用于具有多个网络节点(N_i)的异步自组织网络的网络节点，该异步自组织网络中的至少一个网络节点(N₁)以预定的周期长度(P_i)周期性地发送消息(M₁)，包括：

收发机(7)，用于消息(M_k)的无线发送和接收；

处理器(6)，连接到收发机(7)，所述处理器被配置为：

——定义至少两个连续的时间间隔(T_m，T_m+1)，这两个时间间隔中的每一个具有一个周期长度(P)，其中，第一时间间隔(T_m)是在过去并且第二时间间隔(T_m+1)是在未来，并且将时间间隔(T_m，T_m+1)各自细分成至少两个时隙(S_m，n，S_m+1，n)；

——基于经由收发器(7)在第一个时间间隔(T_m)的每个时隙(S_m，n)中接收到的一个或多个其他网络节点(N_k)的消息(M_k)的数量，为该时隙计算占用率(B_m，n，wB_m，n)；

——识别具有最低占用率(B_m，2，wB_m，2)的时隙(S_m，2)；并且

——经由收发器(7)在第二时间间隔(T_m+1)的与所识别的时隙(S_m，2)相对应的时隙(S_m+1，2)中传送至少一个消息(M₂)。

10.根据权利要求9所述的网络节点，进一步包括测量设备(8)，该测量设备与处理器(6)连接，用于测量接收到的消息(M_k)的接收信号强度(R_k)，其中，当计算占用率(B_m，n，wB_m，n)时，处理器(6)被配置为考虑每一个接收到的消息(M_k)，接收到的消息(M_k)被用其接收信号强度(R_k)加权。

11.根据权利要求9或10所述的网络节点，其特征在于，所述周期长度(P)是为整个自组织网络(1)定义的。

12.根据权利要求9或10所述的网络节点，其特征在于，处理器(6)被配置为基于从另一网络节点(N_k)接收到的消息(M_k)来测量周期长度(P)。

13.根据权利要求12所述的网络节点，其特征在于，处理器(6)进一步被配置为选择自组织网络(1)的相对于第二网络节点(N₂)具有最低相对速度的网络节点(N₁)作为上述其他网络节点(N_k)。

14.根据权利要求9或10所述的网络节点，其特征在于，处理器(6)被配置为将每个时间间隔(T_m，T_m+1)细分为10至500个，优选为20至100个时隙(S_m，n，S_m+1，n)。

15.根据权利要求9或10所述的网络节点，其特征在于，处理器(6)进一步被配置为根据IEEE802.11标准或与之兼容的标准，向接收到的消息(M_k)提供定时同步功能(10)的时间戳，并且消息(M₂)的发送与该时间戳同步。