CN107079504B - 用于车辆通信的方法、系统和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明总体上涉及车辆通信领域。具体地，本发明涉及用于建立和维持车辆通信、例如车辆自组织网络(VANET)中的无线车辆通信的方法、系统和装置。

Description

用于车辆通信的方法、系统和装置
技术领域
本发明总体上涉及车辆通信领域。具体地，本发明涉及用于建立和维持车辆通信(例如车辆自组织网络(VANET)中的无线车辆通信)的方法、系统和装置。
背景技术
目前，道路交通事故已成为严重的公共问题，也是许多国家导致人类伤亡的主要原因之一。例如，2010年加拿大由于交通意外造成的死亡人数超过2200人，受伤的人数约为17.05万人。交通事故对社会的严重影响除了体现在由于交通堵塞造成的经济损失外，还体现在车辆的损害和财产的损失上，因此，迫切需要一种有效的方案来解决交通事故带来的社会经济问题。
为减少道路上车辆发生事故的风险和严重程度，可以在附近移动的车辆之间使用无线通信(车辆对车辆，即V2V)或在车辆和专门部署的路旁设备(RSU)之间使用无线通信(车辆对RSU，即V2R)。以分布式(也就是不需要任何中央控制器)建立的通信即为通常所知的车辆自组织网络(VANET)。根据车辆对车辆以及车辆对RSU的通信，可以实现各种基于VANET的高级安全应用，包括变道预警、高速并道辅助、车内标识和协作式前方碰撞避让。通过部署这种基于VANET的安全应用，由美国交通部(USDOT)的国家公路交通安全管理局(NHTSA)进行的研究表明，几乎80％的事故场景都是可以避免的，从而表明VANET在提高道路安全的巨大潜力。
大多数(如果不是全部的话)VANET安全应用要求每个节点(即车辆或RSU)周期性地以及在发生意外安全事件时向周围所有的节点广播安全消息。一些意外安全事件包括急刹车、接近紧急车辆、或检测到道路危险状况。安全消息传送的失败或延迟会缩短提供给驾驶员的反应时间，从而导致不良后果。因此，需要每个节点成功并及时地向周围所有的节点传送其安全消息。用于VANET的媒体访问控制(MAC)协议(例如需要下文进一步说明的VeMAC协议)应当支持可靠的广播服务，从而使得安全消息能够被及时传送。
一种IEEE 802.11P标准的解决方案被推荐用于VANET中的MAC。该方案基于传统的主要用于单播通信的IEEE 802.11标准(WiFi)。当该IEEE 802.11P标准被用来在VANET中支持基于广播的安全应用时，会具有相当大的限制。举例来说，对于单播通信，通常使用请求发送/允许发送(RTS/CTS)的握手机制来减少隐藏终端问题。然而，对于基于IEEE 802.11p标准的广播数据包(packet)(术语“数据包”指MAC层协议数据单元)，不应使用RTS/CTS交换，且任何广播数据包(该数据包类型用来携带安全消息)的接收者不应发送确认(ACK)。不使用RTS/CTS交换会导致隐藏终端的问题，这会降低IEEE 802.11p广播服务的数据包传送的成功率，尤其是在没有ACK数据包的情况下。IEEE 802.11p标准的另一限制是它采用了增强型分布式信道访问(EDCA)机制来支持安全应用。根据该机制的受事件驱动的和周期性的安全消息可能会被分配到最高的接入类别(AC)。因此，如IEEE 802.11p标准中所规定的，这些安全消息将通过使用小竞争窗口(CW)来竞争信道。尽管该小竞争窗口的大小允许低延迟地传输安全消息，但是当同一通信范围内的多个节点同时广播它们的安全消息时，增加了传输冲突的可能性。此外，不同于单播的情况，当广播的安全消息之间发生传输冲突中时，CW大小不会加倍，这是因为由于缺少CTS和ACK机制，没有用于广播服务的冲突检测。
上述方案对建立和维持车辆通信形成了挑战和限制。本发明的目的在于减少或消除上述缺点中的至少一个。
发明内容
本发明涉及用于建立和维持车辆通信(例如在车辆自组织网络中的无线车辆通信)的方法、系统及装置。
本发明一方面提供了一种在车辆自组织网络(VANET)中的节点之间建立和维持车辆通信的方法，所述车辆自组织网络根据媒体访问控制(“MAC”)协议建立。所述MAC协议具有将周期性时长划分为多个索引时隙的时分方案。该方法针对VANET的两跳邻域中的多个节点中的每个节点，包括以下步骤：在本地节点处接收来自外部时间参考信号源的无线的时间参考信号，所述时间参考信号提供有按照参考时长分隔的连串的定时标记；使用包含在所述外部时间参考信号中的所述连串的定时标记测量本地节点的机载时钟计数器与外部参考时钟之间的时钟偏差；在接收到定时标记时，a)通过将所述时分方案的预先选择的时隙同步至所接收的定时标记以及补偿所述时钟偏差，来在本地节点处将所述时分方案同步至所接收的定时标记，其中通过将在所述参考时长中累积的时钟偏差的总量均匀分配在所述参考时长中的所有的索引时隙内来补偿所述时钟偏差；以及b)在本地节点处选择所述时分方案的至少一个索引时隙用于进行消息广播；在所述周期性时长期间以及直到在本地节点处接收到后续的定时标记时，i)确定至少一个被选择的时隙未被本地节点的邻域中的任何其他节点选中，如果至少一个被选择的时隙中存在任意一个时隙被任一其他节点占用，则取消对被占用的时隙的选择，并选择不同的时隙来分配至本地节点；ii)在至少一个被选择的时隙中发送本地节点的一个或多个消息，所述一个或多个消息包括本地节点的一跳邻域的时隙选择信息和节点标识；以及iii)在未分配至本地节点的索引时隙中接收来自所述邻域中所有其他节点的消息。
根据本发明该方面的特征，所述方法还包括以下步骤：检测本地节点的死锁状况，且在检测到死锁状况时，对分配至本地节点的所有至少一个被选择的时隙的取消选择选择未被任何其他节点和本地节点选择的与每个被取消选择的时隙不同的时隙。
根据另一特征，所述时分方案将所述周期性时长分成第一整数个时间帧，并将每个时间帧划分为第二整数个时隙，其中第一时间帧的第一时隙被同步至所接收的定时标记。作为更进一步的特征，所述方法包括以下步骤：至少在一个时间帧中，从接收自所有其他节点的消息中识别一组未被占用的时隙，所述未被占用的时隙由未被任何节点选中的时隙组成。从所述一组未被占用的时隙中选择至少一个被选择的索引时隙用于消息广播。
根据本发明的又一方面，所述外部时间参考信号是由GPS(全球定位系统)卫星在其GPS信号中提供的时间信号，所述连串的定时标记是GPS时间信号的1PPS(每秒一脉冲)脉冲边沿。作为一特征，可以从包括在待广播的所述一个或多个消息中的所述GPS信号中提取位置信息和速度信息，所述方法还包括在至少一个被选择的时隙中广播所述位置信息和所述速度信息。作为另一特征，所述方法包括以下步骤：将所述位置信息和所述速度信息以及加速度信息加入本地节点的状态信息中；计算本地节点移动的预测轨迹；并根据所有节点的位置和速度信息、加速度信息和预测轨迹生成内部安全消息。如果所述内部安全消息预测到即将发生的险情，则向本地节点的操作人员传达预警消息。
本发明另一方面提供了一种车辆，所述车辆配置为在车辆自组织网络(VANET)中的节点之间建立和维持车辆通信，所述车辆自组织网络根据媒体访问控制(“MAC”)协议建立。所述MAC协议具有将周期性时长划分为多个索引时隙的时分方案。所述车辆包括：用于从外部时间参考信号源接收无线的时间参考信号的无线信号接收器，所述时间参考信号提供有按照参考时长分隔的连串的定时标记；耦接至所述无线信号接收器的微控制器，所述微控制器具有时钟定时器，所述无线信号接收器耦接至所述微控制器并向所述微控制器提供所述定时标记，所述微控制器配置为使用由所述无线信号接收器接收的所述连串的定时标记来校准所述时钟定时器，并选择所述时分方案的至少一个索引时隙以在通信设备上进行消息广播；无线消息收发器，所述无线消息收发器由所述微控制器控制以接收和发送消息；以及耦接至所述微控制器的应用消息处理器，所述应用消息处理器处理所述车辆的状态信息并将所述状态信息打包到节点消息供所述微控制器传送至所述无线消息收发器以在被分配给所述车辆的至少一个被选择的时隙中的每一个时隙期间内进行广播，并在未被分配至本地节点的索引时隙中处理由所述无线消息收发器从所有其他节点接收的消息。
本发明又一方面提供了一种通信设备，所述通信设备用于安装在车辆内以在车辆自组织网络(VANET)中的两跳邻域内的节点之间建立和维持车辆通信，所述车辆自组织网络根据媒体访问控制(“MAC”)协议建立。所述MAC协议具有将周期性时长划分为多个索引时隙的时分方案，所述多个索引时隙具有预先选择的时间长度。所述通信设备包括：用于在所述车辆处从外部时间参考信号源接收无线的时间参考信号的无线信号接收器，所述时间参考信号提供有按照参考时长分隔的连串的定时标记；耦接至所述无线信号接收器的微控制器，所述微控制器具有定时器，所述无线信号接收器耦接至所述微控制器并向所述微控制器提供所述定时标记，所述微控制器配置为：利用从所述无线信号接收器接收的所述时间参考信号中的所述连串的定时标记来校准所述定时器，并将至少一个索引时隙分配至所述通信设备以进行消息广播；无线消息收发器，所述无线消息收发器由所述微控制器进行控制以在被分配的至少一个被选择的时隙中广播消息并在其他时隙中接收消息；耦接至安装在车辆上的一个或多个传感器的数据通信接口，所述一个或多个传感器采集车辆的状态信息；以及耦接至所述数据通信接口和所述微控制器的应用消息处理器，所述应用消息处理器处理由所述一个或多个传感器采集的状态信息并将所述状态信息打包至节点消息供所述微控制器传送到所述无线消息收发器以在分配给所述车辆的至少一个被选择的时隙期间内进行广播，并在未分配给所述车辆的时隙中处理由所述无线消息收发器从所述邻域中所有其他节点接收的无线消息。
根据本发明该方面的一个特征，所述设备还包括GPS(全球定位系统)模块，所述GPS模块包括所述无线信号接收器，其中所述外部时间参考信号是由GPS卫星提供的时间信号，所述连串的定时标记是GPS时间信号的1PPS(每秒一脉冲)的脉冲边沿，所述GPS模块耦接至所述微控制器和所述应用消息处理器以向所述应用消息处理器提供所述车辆的位置和速度信息以使其包含在所述车辆的状态信息中。由所述无线收发器广播的消息包括由所述GPS模块提供的所述车辆的位置和速度信息。作为另一特征，所述设备还包括加速计，所述加速计配置为测量所述车辆的加速度并向所述应用消息处理器提供所述加速度的数据，以使所述加速度的数据包含在状态信息中。由所述无线收发器广播的消息包括所述加速度的数据。此外，所述设备可以包括数据存储装置，所述数据存储装置上存储有GPS地图数据。所述应用消息处理器还配置为计算所述车辆移动的预测轨迹，并根据所述车辆和其他节点的位置和速度信息、加速度的数据以及所述预测轨迹生成内部安全消息。如果由所述应用消息处理器生成的所述安全消息预示即将发生的险情，则所述通信设备生成预警消息。
在其他方面中，本发明提供了上述各方面的各种组合和子集。
附图说明
为了说明而非限制的目的，参照附图更详细地解释了本发明前述和其他方面，在附图中：
图1是示出了用于建立和维持车辆通信的通信设备的基本配置的框图；
图2A示出了广播数据包的数据格式；
图2B示出了因节点移动产生的节点邻域和传输冲突；
图2C示出了对应于本文描述的MAC协议的时间划分和同步方案；
图3示出了一种用于时间同步和建立并维持车辆通信的方法的步骤；
图3A是示出了图3中的多个步骤的一些实施细节的流程图；
图3B是示出了避免传输冲突执行的多个步骤的流程图；
图3C是示出了用于同步时隙的多个步骤的一些实施细节的流程图；
图4示出了由图1所示通信设备在时隙结束时执行的多个步骤；
图5A是示出了在每个时隙结束时用于同步时隙和维持节点通信执行的多个步骤的实施细节的流程图；
图5B、5C、5D、5E和5F是示出了图5A中一些步骤的进一步实施细节的流程图；
图6A和图6B以流程图示出了由图1所示的通信设备在到达时隙末端时执行的多个功能步骤的示例；以及
图7是示出了通信和安全消息设备的概览框图。
具体实施方式
以下的说明和其中描述的实施例是以说明本发明的原理的具体实施例的一个或多个示例来提供的。这些示例旨对这些原理和本发明的解释而非限制。在下述说明中，相似的部件在整个说明书和附图中标有相同的附图标记。
本发明涉及一种与车辆通信相关的系统、方法和装置。在本说明书中，“车辆”应指代移动物体(不论是自推进式的或是被另一自推进式移动物体驱动的)，并可以包括公路用车(例如汽车、公交车、运输卡车、拖车或其他重型车辆)、铁路用车(例如火车或单独的火车车厢)、飞行器(例如客机、直升机、无人机)或船、艇、水下运载工具(例如潜水艇)以及其他等。术语“车辆通信”包括车对车通信(“V2V通信”)和车辆与路旁设备(“RSU”)之间的通信(“V2R通信”)。车辆通信是无线通信，可以通过无线电信号、红外信号、微波信号、光信号或紫外线信号、声音信号等形式实现。在一个实施例中，采用的是分配给专用短程通信(“DSRC”)的5.9GHz频带中的射频波段。
图1是以框图示出了实现本文所述方法的用于建立并维持车辆通信的通信设备100的基本配置的示意图。设备100包括微控制器110、定时信号接收器112和无线信号收发器114。定时信号接收器112与微控制器110进行接口连接，并向微控制器110提供外部时间同步信号。根据微控制器110的指示，无线信号收发器在车辆通信网络内接收并发射无线通信信号以与周围的节点(车辆和RSU)进行通信。
微控制器110可以是任何可配置的、即可编程的微控制器。微控制器110可以配置有指令，即一系列程序步骤或功能。指令可以存储在微控制器110的存储器装置116上。当微控制器执行指令时，将导致可编程功能被执行。例如，微控制器110可以执行实现VeMAC协议的指令。
微控制器110具有定时器中断和外部中断能力，即既可定时器中断，也可外部中断。它可以在外部时钟或定时器118的时钟计数达到阈值时中断，也可以通过，例如从定时信号接收器112接收的定时信号的上升沿来中断。当中断发生时，微控制器110执行连接到相应中断的中断服务例程(“ISR”)。
微控制器110包括外部时钟或定时器118。基于微控制器的时钟频率，内部时钟或定时器118利用时钟计数器一直累计时钟计数，以测量从时钟计数器开始所经过的时间。如将理解的是，由于与每个微控制器相关的制造上的不一致或者由于操作环境中的变化带来的不精确性，以这种方式确定的经过时间将具有不精确性。然而，对于每个单个的微控制器(或其定时器)，这样的不精确性是趋于一致的。例如具体地，如果微控制器(或定时器)的时钟快(即不精确)0.001％，则在相同条件下其趋于总是快0.001％。应当理解的是，尽管时钟或定时器位于内部、即内置在微控制器110中很方便，但是当需要或期望时，定时器118也可以在微控制器110的外部。
定时信号接收器112可以是无线电波信号接收器、声波信号接收器、微波信号接收器或适于接收用于提供外部定时参考的无线信号的任何无线信号接收器。定时信号接收器112接收外部时间参考信号并向微控制器110提供包含在外部时间参考信号中的连串的定时标记以进行时间同步，这里是车辆通信中的节点之间的时间同步，将会在下文得到进一步详述。下文同样将详细描述，也可以通过微控制器利用外部时间参考信号来校正由于内部时钟或定时器118的不精确性带来的时间误差。
为了同步车辆网络中的节点，首先提供或选择所有这些节点通用的外部时间参考信号源。外部时间参考信号不时地，例如以一秒间隔或一些其他规律(或不规律)的时间间隔，提供通用时间基准。时间基准可以通过时间参考信号中的定时标记来提供，或者可以通过向接收时间参考信号的所有节点提供当前时间的一些其他方式来提供。可以从单个源(例如单个卫星)或同步的多个源的网络(例如发射塔阵列或卫星阵列)来提供时间参考信号。合宜地，全球定位系统(GPS)信号以其每秒一脉冲(“1PPS”)信号作为所需的定时标记提供这样的外部时间参考信号。定时信号接收器112因此可以是接收GPS信号作为外部时间参考信号的GPS接收器(如图1所示)。在下文中，将以GPS信号的1PPS标记为例来说明外部时间参考信号，但是应当理解的是，车辆通信中所有节点可接收的任何外部无线信号都可以用作外部时间参考信号。
基于外部定时基准的同步操作将仅在节点接收到定时标记或其他定时信号时提供同步处理。在其他时间，每个节点将需要提供其自身的定时信号。方便起见，每个节点可以配备有其内部时钟可用于此目的的微控制器。然而，应当理解的是，内部时钟可能具有定时误差。例如，微控制器会具有制造上的不一致性，从而导致定时误差。其次，微控制器本身可能会随时间而老化，这可能会导致其时钟操作的不精确性。第三，微控制器的工作环境条件(如电池电压、周围温度等)的变化，也可能导致时钟频率漂移。因此，补偿内部时钟的这些不精确性是有必要的。为了补偿，首先需要通过比较每个微控制器内部时钟与时间参考信号来校准单个微控制器。例如，可以测量两个(或几个)定时标记之间(例如GPS信号的两个连续的1PPS标记之间)的时钟计数的数量来校准内部时钟。
除了设备100的微控制器110、定时信号接收器112和无线信号收发器114之外，设备100还可以包括物理层(PHY)处理器120(或物理层消息模块)。物理层处理器120与无线信号收发器114和微控制器110接口连接，用于处理诸如状态消息或安全消息此类的消息。状态消息(或状态信息消息)和安全消息(既可以是周期性广播的安全消息，也可以是事件驱动型的安全消息)可以是其他节点的状态消息和安全消息，其可以从其他节点的无线信号收发器114接收。状态消息和安全消息也可以由节点的一个或多个机载单元生成，随后由物理层处理器120处理，并打包成合适的格式以用于无线信号收发器114传输。
物理层处理器120主要负责处理物理层任务，例如信道编码、载波调制、脉冲整形、功率放大、信号滤波和多输入多输出(MIMO)功能。例如，物理层处理器120可以根据收发器114采用的通信协议将(从微控制器110接收的)安全消息打包成合适的格式，并将打包后的安全消息转发到收发器114进行广播。
图2A示出了这样的通信消息、即广播数据包的格式。每个通信消息被划分为用于存储控制信息的头部分(例如用于VeMAC协议的碰撞检测和时隙获取所需的信息)，以及用于在通信节点之间传输数据交换的主体或负载数据部分(例如周期性的或事件驱动的安全消息)。数据包头部字段中的控制信息通常包含标准字段(即，以大多数MAC协议的打包格式存在的字段)，例如发送节点的MAC地址和目标接收节点的MAC地址(或广播地址)，以及其他具体信息字段(取决于所使用的MAC协议类型)。对于VeMAC数据包，除了数据包头部中的标准字段之外，理想的是还包括时隙分配信息，例如由发送节点构建的向量N(在节点的一跳邻域中指明时隙分配)，下文将进一步详细描述。方便起见，可以将包括这种时隙分配信息(例如向量N)的VeMAC数据包称为类型1(TYPE1)数据包，将不包括这种信息的VeMAC数据包称为类型2(TYPE2)数据包。
设备100还可以包括应用消息处理器122。应用消息处理器122可以具有其自己的微处理器和存储装置。因此，在执行存储在其存储装置上的指令时，应用消息处理器的微处理器将执行本文所述的应用消息处理器122的功能。例如，应用消息处理器122可以使其微处理器执行指令以显示预警消息。预警消息可以基于由无线信号收发器114接收的安全消息。与应用消息处理器122相关联的指令也可以存储在存储装置116上。当然，应当理解的是，应用消息处理器还可以与物理层处理器共享同一个微控制器110。当具有其自己的微处理器时，应用消息处理器122直接地或通过其他处理器与微控制器110进行接口连接，并且可以用于例如，执行信息安全、网络层操作或传输层功能。
因为主要负责处理较高级别的任务，应用消息处理器122(可选地具有其自己的微控制器)通常被称为上层处理器。应用消息处理器122可以将从各种机载传感器(诸如加速计、温度计和GPS模块)接收的车辆的状态信息打包成安全消息供微控制器110广播，所述微控制器110通过将消息传递到物理层(或下层)处理器来广播车辆状态信息(例如加速度、温度、位置、尺寸和速度)。当GPS信号用于提供定时基准时，可以从GPS信号中提取诸如位置和速度信息等其他信息。可以根据任何已知的方法从这些信息和GPS地图数据中计算出车辆移动的预测轨迹。该预测轨迹信息可以与车辆和周围车辆的位置和速度信息一起使用，以预测即将发生的险情，例如潜在的碰撞。可以生成内部安全消息以对车辆的操作人员发出该危险的警示。例如，在接收到某一安全消息时，无论是这种内部安全消息还是来自附近车辆的类似的安全消息，应用消息处理器122可以执行功能步骤以向车辆的操作人员显示或生成预警声音警报，从而向操作人员示警车辆前方的弯道路段中存在停滞车辆的危险，并且可以生成或显示例如与停滞车辆之间的距离以及接近速度的信息消息。
为了能够建立和维持V2V或V2R车辆通信，重要的是两个节点在彼此通信范围内不能处于同时发送的状态，或者当两个节点均处于至少另一个公共节点的通信范围内时不能处于同时发送的状态。因此，有必要定义一个邻域，在该邻域内，所有的节点都在直接的通信范围内，或者所有的节点都在与至少一个公共节点直接通信的范围内(也是位于该邻域内的)。可以参考“两跳组”(或简称为THS)定义该邻域。THS是一组节点，其中每个节点都能够以最多两跳到达任何其他的节点，其中如果两个节点在彼此的直接通信范围内，即可以直接通信，则节点被称为以一“跳”到达另一个节点。该THS合宜地提供了当前节点的两跳邻域。
因此，为了能够建立和维持V2V或V2R车辆通信，通信范围内的所有节点都需要同步时间，这样能够使得节点就时分方案(即将时间划分为多个索引时隙并为不同的索引时隙分配不同的节点以传输消息)达成一致。时间同步使节点能够在其各自分配的时隙中发送和接收消息。
图2B(a)示出了当且仅当组中的任何两个节点都在彼此的通信范围内时，一组节点被椭圆包围的典型节点配置。节点x、y和w被分配了不同的时隙，因为它们都是同一个第一THS邻域THS1的成员。另一方面，允许车辆x和z接入一帧中的同一个时隙，因为它们不在彼此的通信范围内，因此它们不属于相同的THS。然而，如图2B(b)所示，当车辆x向第二THS邻域THS2移动时，第一帧中的来自车辆x和z的安全消息将在车辆y处发生传输冲突。此时，车辆x和z都检测到传输冲突，并在第二帧中获取另一可用时隙。车辆x和z的传输冲突检测通过车辆y在第二帧获取的时隙内广播的控制信息来实现。
方便起见，可以通过在THS邻域中的所有节点之中的每一帧的第一时隙的同步来实现节点之间的同步。此外，经过几帧之后，仅在第一帧的第一时隙处，可以利用外部定时信号(例如GPS信号)来重新同步节点。特别地，每一GPS秒的开始或上升沿可以作为合适的信号。合宜地，大多数GPS接收器提供有这种可用作时间参考信号的定时标记的1PPS(每秒一脉冲)信号。
下文中，VeMAC将作为用于在通信范围内的多个节点之间建立和维持车辆通信的MAC协议的示例使用，但是应当理解的是，也可以采用其他MAC协议。基于VeMAC，每个节点向节点通信范围内的所有其他节点发送信号，但是只能且始终在其分配有的时隙中发送信号。根据具体的时分方案，将时隙分组为帧。每个节点必须分配有一帧中的至少一个时隙。因此，可以在每一帧期间的所分配的时隙中发送来自节点的信号。或者，如果以另一种方式来看，时间分割或划分方案将一个周期的时长划分成多个帧，每一帧进一步被划分成多个索引时隙。在下文中，假设在每秒(或者由GPS信号中的连续1PPS信号确定的每一GPS秒)中帧的数量为整数，并且每一帧具有的时隙数量总是相同的整数，所有时隙具有相同的固定时长。图2C示出了适用于VeMAC的这种时间划分和同步方案。
但是应当理解的是，只要每个节点能够就每个索引时隙的开始和结束及帧达成一致，则该特定时分方案是不必要的。此外，通信协议还可以是基于将时间段划分成多个时隙的任何其他协议，其中所述多个时隙可以具有或可以不具有固定的时长。然而，为了便于说明，下文中的描述假定采用的是上述特定时分方案。
参考图3，其示出了用于时间同步以及用于在VANET中建立和维持通信的通信方法。该方法使用具有内部时钟或定时器118的微控制器110以及用于同步的诸如GPS接收器的参考定时信号接收器112。同步方法校准并补偿某个节点使用的微控制器(MCU)或定时器在时钟频率的标称值上的(例如由于制造上的误差或不一致导致的)不精确性。
该方法包括三个主要过程：初始化、时隙同步设置和MAC协议运算(这里指VeMAC运算)。配置微控制器(即将微控制器编程)以实施该方法(即按顺序执行这三个过程)。在初始化过程中，声明并初始化所有的全局变量和常量，并定义其他两个过程所需的所有函数和中断服务例程(ISR)。在时隙同步设置过程中，连接ISR到微控制器，并初始化其所需的变量。在MAC协议运算过程中，执行时隙同步和时隙分配，校正同步误差，检测传输冲突，并发送、接收和处理消息。
现在参考图3，第一步是校准定时器118(步骤310)。校准是为了校正定时器118与外部定时信号(这里是GPS信号)相比固有的所有时间上的不精确性。如将理解的，这里假设GPS信号(或任何外部时间参考信号)提供精确的定时信息，并且由GPS信号提供的定时信息与由定时器118提供的定时信息之间的任何偏差都是由定时器118的不精确性引起的。不一定非要如此。当与第三个标准定时信号相比时，定时器118实际上可能会比GPS信号更精确。然而，定时器的定时信号和GPS信号的定时信号之间的任何偏差将被视为由于定时器方面的不精确引起的，而与GPS信号无关。因此，补偿还可以被更精确地描述为通过外部时间参考信号来校正定时器(或微控制器)的定时信号和由定时标记提供的定时信号之间的偏差，而非补偿上述不精确性或校正定时器(或微控制器)的误差。然而，为了便于描述，该补偿将被视为补偿不精确性或校正定时器(或微控制器)的误差。
为了校准，第一步是计算由MCU定时器引入的平均同步误差。这里，同步误差是指由MCU计算的时长，例如，外部时间参考信号的两个接连的定时标记的抵达时间(例如，GPS的1PPS信号的两个连续上升沿的抵达时间之间)之间的时长以及基于外部定时参考标准(例如，GPS时间标准或时钟)在同样的两个接连的定时标记的抵达时间之间的实际时长之间的绝对差值。将GPS的1PPS信号作为定时标记，可以通过在若干MCU秒(或SYNC_SEC秒)的持续时间内求和同步误差，然后将求得的和除以SYNC_SEC来确定(每GPS秒的)平均同步误差。因此，通过将每秒的这个平均同步误差除以每秒的时隙总数NUM_SLOT_SEC，可以获得由MCU根据其内部时钟计算的时隙时长(与基于外部时钟的实际时隙时长相比较)的平均误差。然后，使用该时隙时长的这个平均误差来调整为MCU定义的时隙SLOT_DUR所需的实际时长。
图3A示出了根据具体详细实施例的步骤310-330的一些实施细节。首先计算若干秒(或SYNC_SEC秒)的持续时间内每秒的平均同步误差，并存储在被称作avg_extra_time_sec的变量中。当MCU定时器计数比1PPS信号完全同步所需的速度更快(慢)时，avg_extra_time_sec的值为正(负)；且avg_extra_time_sec的绝对值主要取决于MCU时钟频率的标称值的制造误差。给定avg_extra_time_sec的值，调整SLOT_DUR值以补偿平均同步误差，即，
Figure BDA0001270165950000131
通过这种方式，如果MCU定时器比所需要的快(慢)，则为MCU定义的“SLOT_DUR”增加(减少)的数值为
Figure BDA0001270165950000132
该值补偿MCU定时器每秒计算的由于MCU时钟频率的制造误差导致的额外(更少的)平均时间。
在时隙同步设置过程期间，首先连接定时器ISR(slot_timer())(步骤320)，然后连接外部定时信号ISR(pps_sync())(步骤330)，以在VeMAC运算期间执行时隙同步。slot_timer()ISR连接到MCU定时器以周期性地指示时隙的结束，周期等于adj_slot_dur值。由于在(1)中计算了adj_slot_dur值以补偿每秒平均同步误差，所以可能存在由MCU在1PPS信号的每个上升沿到达时计算出的剩余同步误差。如果剩余同步误差远小于adj_slot_dur值，并且假设每一GPS秒包含整数(固定的)个帧，那么1PPS信号的每个上升沿将稍早于一秒的最后一帧中的最后一个时隙结束时到达，或稍晚于一秒的第一帧的第一时隙开始时到达。在这两种情况下，通过重启MCU定时器和(仅针对前一种情况)指示当前时隙的结束，可以在pps_sync()ISR中消除所有的剩余同步误差。图3A中更详细地示出了在时间帧中连接这两个ISR和同步时隙的步骤。
图3B以流程图形式示出了由pps_sync()ISR在VeMAC运算过程期间执行时隙同步的多个步骤的进一步细节。在图3B中，slot_sec是由pps_sync()ISR使用的定时器计数器，用于从最新的定时标记到达起记录由MCU累计的时隙总数。当GPS信号用作外部时间基准时，这是最新的1PPS信号，即GPS秒的开始。变量end_of_slot是由pps_sync()ISR用来表示当前时隙结束的布尔变量，start_vemac是由pps_sync()ISR用来表示VeMAC运算过程开始的布尔变量。接下来将进一步详细描述图3A和图3B所示的步骤。
参考图3和图3A，在连接两个ISR之后，VeMAC运算过程在1PPS信号的第一个上升沿到达时，即接收到下一定时标记时开始(步骤340)。在此步骤中，定时器和定时器计数器复位，下一计时器(或时间周期)重启。
可以通过时钟计数器的值来识别每个时隙的结束。当时钟计数器的值达到时隙时长调整值的对应值(adj_slot_dur)时，每个时隙将结束，即微控制器将中断并执行与时隙结束相关联的某些任务(步骤350)。因此，与当前时隙的结束同时的下一时隙的开始由达到对应于adj_slot_dur的值的时钟计数器标记。合宜地或替代地，还可以设置计数上限为该值的一半，下限为零的计数器以确定时隙的结束。
如上所述，微控制器将等待时隙结束(步骤350)，并且当时隙结束到达时，微控制器110将执行由连接的ISR编程的某些任务。首先，微控制器110配置为步骤360中处理与当前时隙相关的任何任务或消息(当从当前时隙结束之后的时间考虑时，也被称为prev_slot)。接下来，微控制器110配置为扫描与当前时隙(也被指定为prev_slot)相关的发送和接收记录以检测传输冲突情况，即，确定在节点已接入的任何先前时隙中是否发生过任何传输冲突，或在节点计划接入的未来时隙中是否将发生传输冲突。在检测到这样的冲突情况时，重新分配时隙，即取消选择该时隙并重新选择不同的时隙以避免传输冲突(步骤370)。当然，重新选择的时隙应该是没有被其他节点选中的时隙，即未占用的时隙。
参考图3B，这是通过首先定义节点的邻域，即主节点能够以指定的跳数到达的一组节点来完成的。一个这样的邻域可以是THS邻域。可以从每个节点在广播数据包中包含的控制信息中获得该邻域内节点的发送信息，如图2A所示。
为了支持VeMAC协议，每个节点在广播数据包的控制信息部分中发送或广播该时隙分配信息。该时隙分配信息可以存储在向量N中，该向量N的元素包括一跳邻居的VeMACID，在前FRAME_LEN个时隙中从该一跳邻居接收数据包(其中FRAME_LEN是基于VeMAC协议的每帧时隙数)。更具体地，可以将该向量N的元素i设置为x，其中x是接入时隙i的一跳邻居的VeMAC ID，或者将其元素i设置为0，以表示节点在时隙i内未接收数据包。因此，通过使用从一跳邻域中的所有其他节点接收的控制信息，每个节点可以构建一跳邻域内所有其他节点使用的时隙信息。由此，还可以构造参数来保存关于两跳邻域内所有节点使用的时隙的信息。为此，可以方便地构造矩阵U，一个维数为FRAME_LEN×FRAME_LEN的二维数组，该数组包含由节点在上FRAME_LEN个时隙中从其一跳邻域接收的一跳邻域信息。因此，U的第k列表示节点在时隙k上从一跳邻域接收的向量N。如果在某一时隙节点没有收到任何数据包，相应的列将全部置为零。每个节点在每个时隙结束时更新向量N和矩阵U。
图3B示出了检测和避免传输冲突的方法，该方法可以在步骤370执行。扫描邻域中所有节点的传输信息(步骤1310)，以确定是否有任何其他节点试图接入分配给当前节点的相同时隙。如果该情况发生，则产生传输冲突(步骤1320)。并扫描关于其他节点的传输信息，以确定当前节点将要发送的下一时隙内是否存在任何其他节点将要接入分配给当前节点的相同时隙。若是，则同样产生传输冲突(步骤1330)。当检测到过去发生的或将要发生的传输冲突时，即如果当前节点使用过或将要使用其他节点使用过的一个或多个时隙，用于其中产生过或将要产生传输冲突的当前节点的一个或多个时隙则将重新分配(步骤1340)，以消除任何传输冲突。该时隙可以被重新分配给另一个可用的时隙，例如下一个可用的时隙。如果时隙没有被分配给邻域(例如THS邻域)中的任何节点，则该时隙是可用的。可以为节点分配随机选择的可用时隙。除了随机选择可用的时隙之外，还可以使用其它任何满足需要的选择机制。在当前节点下次广播TYPE 1数据包时，则该时隙的选择将被包含在控制信息中(作为在当前节点的向量N中的数据项)，使得邻域中所有其他节点将具有当前节点的时隙分配信息。
再次参考图3，在避免了所有(检测到过去的和预测到将来的)传输冲突之后，如果下一时隙包括在分配给节点的时隙之中，则微控制器将使无线信号收发器114在下一个时隙中发送任意消息，如果有的话为正等待被发送的消息(步骤380)。在执行完这些任务之后，微控制器将在下一定时标记到达之前(例如，在当前的GPS秒结束之前)返回(步骤392)到步骤350等待下一个时隙的结束。在例如由下一个1PPS信号的到达表示当前的GPS秒结束时，微控制器110将返回到该循环的开始(步骤394)，并重置定时器和定时器计数器(步骤340)以开始新的时间周期(或GPS秒)。图3C中进一步示出了在定时标记到来时执行的多个步骤的细节。
参考图3C，在定时标记到达时，微控制器重启新的时间周期。微控制器首先重启其定时器或MCU定时器118(步骤2310)。其次，丢弃来自MCU定时器118的任何未决中断请求(步骤2320)，换言之，与外部中断请求同时到达的或在执行pps_sync()ISR期间的任何MCU定时器中断请求。再次，微控制器检查定时标记是否在一秒内的最后一帧的最后一个时隙内(即当slot_sec＝NUM_SLOT_SEC-1时)如基于微控制器定时器确定的已经到达。在这种情况下，微控制器通过设置end_of_slot＝True来表示当前时隙的过早结束，这相当于在微控制器执行pps_sync()ISR之后有意地结束步骤350，以便执行与当前时隙结束相关联的任务(即步骤360-380)并在与定时标记对准的一秒内开始第一帧的第一时隙(即下一个时隙)。另一方面，如果slot_sec≠NUM_SLOT_SEC-1，则如基于微控制器定时器确定的，定时标记被认为是在一秒内第一帧的第一个时隙中到达。在这种情况下，MCU定时器的重启(步骤2310)足以用定时标记对准一秒内第一帧的第一个时隙(即当前时隙)，且微控制器无需更改变量end_of_slot(即无需有意地结束当前时隙)。一旦达到结束(步骤2330)，表示VeMAC过程开始的变量start_vemac被设置为真(true)(步骤2340)。将变量start_vemac设置为true是为了通知VeMAC过程的原始起点的其他函数，并用定时标记的到达(即用一秒内第一帧的第一个时隙的开始)对准VeMAC过程的原始起点(步骤2350和2340)。
参考图4、图5A-5F、图6A和图6B，其进一步解释了与详细实施例相关的进一步细节。时隙结束时(步骤410)，微控制器配置为处理与当前时隙(也称为prev_slot)相关的任何任务或消息。参考图4，这些任务包括：
步骤420：从PHY层读取在该时隙中接收到的任何安全消息，并将其存储在存储器设备中，随后将接收到的安全消息传送到应用消息处理器122；根据接收到的安全消息，应用消息处理器122将执行一系列步骤，例如显示预警消息以生成告警，或以执行车辆的控制策略操作。
步骤430：检测死锁状况并为节点重新分配时隙供未来使用。“死锁问题”是用来表示不满足要求的时隙分配的术语，其中同一通信范围内的多个节点接入使用过的时隙的每一个，导致所有被广播的安全消息产生连续的传输冲突。例如，所有的节点可以选择同一个时隙或同一组时隙以进行广播。因此，所有节点都在占用时隙期间进行传输，使得没有一个节点或部分节点在一帧期间接收任何消息。检测这种情况的一种技术是检测节点未能成功接收来自任何邻居节点的数据包的持续时间是否超过指定阈值。当检测到这样的死锁状况时，释放分配给节点的所有时隙，并将其他时隙分配给该节点，使得当其他节点正在广播时该节点将在部分被释放的时隙期间监听即接收消息。
步骤440：如果使用时隙来接收数据包，则检测传输冲突状况，并在节点已经接入过的时隙上发生传输冲突时或者在节点计划在将来接入(但尚未接入)的时隙上预测到发生传输冲突时重新分配时隙。如果一个或多个其他节点使用同一个时隙进行传输，则发生传输冲突状况。分配给一跳邻域中所有节点——即主节点在前FRAME_LEN个时隙(其中FRAME_LEN表示每帧的时隙数量)中已经接收来自这些节点的数据包——的时隙信息，每一帧内在消息的控制消息部分中传输至少一次(参见图3)。该信息可以存储在向量N和矩阵U中，如结合图2A所示的数据格式所描述的。如果分配给其他一个或多个节点的任何时隙与节点在前FRAME_LEN个时隙中接入过的或者将来计划接入的时隙中的一个相同，使用该信息为该节点分配不同的时隙用于将要产生的通信，即用于下一个和后续的时间帧。在为节点分配不同的时隙以在将来使用时，需要注意的是，根据该节点接收的时隙分配信息(例如在向量N和矩阵U中存储的时隙分配信息)，所分配的时隙总是从该节点可用的时隙中，即该节点邻域(例如两跳邻域)中的任何其他节点未使用(即分配给邻居节点)的时隙中选择。可以参考图5A-5F、图6A和图6B得到进一步的解释。但首先，将要理解的是，尽管图4以顺序的方式示出了步骤420、430和440，但这些步骤不需要以任何特定的顺序执行。此外，根据检测到的时隙传输状况，一些时隙重新分配的步骤(以例如避免冲突或死锁)可以不执行。例如，有可能时隙是空闲的，因此不需要用于避免传输冲突的行为。
图5A-5F、图6A和图6B以流程图示出了一个具体实施示例。根据该具体实施例，在每个时隙结束时，MCU 110按照以下顺序执行两个主要的VeMAC函数：prev_slot_handler()和next_slot_handler()。图5A-5F中分别进一步示出了prev_slot_handler()函数的运算以及该函数及其调用的其他函数(即VeMAC_recv()，avoid_fut_collision()，avoid_deadlock()，detect_collision()和update_fut_slot())的更多细节。在图6A和6B中分别示出了函数next_slot_handler()和其调用的函数VeMAC_send()的细节。
下文提供了名为表1的表格，以进一步解释这些图(即图5A-5F、图6A和图6B)中使用的常量、变量和ISR。表1中，圆括号之间低于某个变量的值表示该变量的初始值。大括号之间的初始值表示向量或数组的所有元素的初始值。
Figure BDA0001270165950000191
Figure BDA0001270165950000201
Figure BDA0001270165950000211
Figure BDA0001270165950000221
Figure BDA0001270165950000231
表1：常量、变量和ISR列表及其简要说明
参考图3A，变量end_of_slot在每个时隙结束时由slot_timer()ISR设置为true，以向其他函数表示已到达时隙的终点。函数prev_slot_handler()根据前一个时隙中MAC层的状态(可以是空闲、发送或接收中的一种)来更新VeMAC变量。函数prev_slot_handler()使微控制器执行以下操作：
a)从物理(PHY)层接收VeMAC数据包，并将接收到的安全消息传送至应用层，
b)检测节点在前FRAME_LEN个时隙中已经接入的时隙上的所有传输冲突，
c)(如果所接收的数据包表示其中一个时隙变为不可用)确定节点计划接入的时隙上所有可能的将要发生的冲突，
d)如必要(例如在传输冲突检测之后或者为避免将要发生的冲突)，更新节点正在接入的时隙组，以及
e)处理所有潜在的“死锁问题”。
“死锁问题”是用于表示不满足要求的时隙分配的术语，其中在同一通信范围内的多个节点接入使用过的时隙的每一个，导致所有广播的安全消息产生连续的传输冲突，阻止了每个节点通过采用VeMAC冲突检测技术来检测所有的传输冲突。为了解决该问题，微处理器110确定节点未能成功接收来自任何邻居节点的任何数据包的持续时间是否超过指定阈值，该条件被称为“死锁条件”。如果达到或超过指定阈值(即满足死锁条件)，则微控制器为节点分配一个或多个不同的时隙以避免死锁。检测潜在死锁问题的一种途径是在执行函数prev_slot_handler()期间检查死锁状况。如图5A所示，可以例如通过在函数prev_slot_handler()中确定的每个空闲时隙之后调用函数avoid_deadlock()来实现该检测过程。如果满足死锁条件，则函数avoid_deadlock()将向量coll的所有数据项设置为true，即有意地表示为节点已经在其所有时隙上检测到传输冲突，如图5D所示。通过在所有节点的时隙上引入该冲突检测，在执行函数prev_slot_handler()期间，可以向节点重新分配新的时隙。如图5A所示，如果向量coll的所有数据项均设置为true，则调用函数update_fut_slot()来尝试向节点分配可用时隙之中(即两跳邻域中的任何其他节点未使用过的时隙之中)的新时隙。函数update_fut_slot()的更多细节如图5F所示，并在下文中得到进一步描述。
现在参考图5F。根据函数update_fut_slot()的这种实现，如果节点尝试获取时隙，节点将调度以“等概率地”接入可用时隙的其中一个。在没有可用时隙的情况下，则节点记录为“等待可用”来获取(一个或多个)时隙。实现时隙接入调度的一种方式是通过更新向量的数据项，该向量，即图5F中的向量fut_slot_num包括节点计划在将来接入但尚未接入的时隙的索引。如果节点等待获取可用的时隙，则可以将向量fut_slot_num中的相应数据项设置为超出帧内时隙索引的范围的特定数字。
另一方面，参考图6A和图6B，函数next_slot_handler()确定下一个时隙是否属于节点当前正在接入的时隙组，以及应用层是否具有就绪以便传输的安全消息。因此，如果该函数确定应该在下一个时隙中传输VeMAC数据包，则构建数据包并将其传送至PHY层进行传输。定义两种类型的VeMAC数据包：TYPE1和TYPE2数据包。每种类型都遵循图2A中的数据包格式，但是两种类型之间的唯一区别在于数据包头部中包含的控制信息。TYPE1数据包头部包括附加控制信息(与TYPE2头部相比)，其表示由传输节点的一跳邻域占用的时隙。每个节点必须每K帧发送一个TYPE1数据包一次，其中K是大于或等于1的适当选择的整数。较大的K值会降低VeMAC协议的开销(即被广播的控制信息的数量)，然而代价是增加了节点检测发生在节点其中一个时隙上的传输冲突所需的时间。特别地，图6B中函数VeMAC_send()在K＝1时实现。接收到的TYPE1数据包头部中的控制信息提供了接收节点，该接收节点具有两跳邻域中被占用的所有时隙的信息。
图7提供了通信和安全消息设备700的概览框图，设备700由通信模块710和应用模块720组成。通信模块710包括基于ATmega2560芯片的MAC微控制器712。如上述参考图2A-图6B的详细说明，MAC微控制器712实现VeMAC协议，与应用模块720交互，与无线收发器714(Nordic nRF24L01+芯片)进行通信，并基于由GPS模块716(EB-365GPS引擎板)提供的1PPS信号和由微控制器的内部定时器718提供的补偿定时信号执行时隙同步，也如上述详细说明的。另一方面，应用模块720主要由另一微控制器组成，该微控制器将被称作应用MCU722。应用MCU 722实现道路安全应用，例如碰撞避让和紧急制动告警。其通过使用通信模块710以周期性地(每100ms一次)广播包括关于车辆当前状态的信息的安全消息。包括在被广播的安全消息中的状态信息主要包括从GPS模块716获得的车辆位置及由加速计724(ADXL345)确定的当前加速度/减速度，以便检测施加到车辆的任何硬制动。该设备可以包括数据通信接口，其可以包括与GPS模块716耦接的用于转发位置信息的硬件串行端口726，以及用于连接通信模块710中的MCU 712、MCU 722和应用模块720、无线收发器714以及加速计724的串行外设接口(SPI)总线728。无疑，也可以实现直接连接，诸如GPS模块和MCU之间的直接连接。GPS模块还可以包括用于存储GPS地图数据的数据存储装置。因此，应用模块可以使用位置、速度、加速度信息和GPS地图数据来计算车辆移动的预测轨迹。当通信模块710接收到安全消息时，基于所实现的安全应用，应用模块720确定是否需要安全警告。如果发起安全警告，例如车辆即将与停滞车辆碰撞，则在液晶显示器730(LCD)上向驾驶员显示警告，并通过使用数字蜂鸣器生成报警声音。射频前端连接到5dBi偶极天线，GPS模块716连接到便于室内实验的长电缆GPS天线。MCU 712和722均具有用于在其上存储指令的记忆存储装置750，该装置执行时将执行上述一系列步骤。
除了上述详细描述的实施例和示例之外，根据另一示例，示出了使得能够实施方法的设备和系统，所述方法用于在根据媒体访问控制(“MAC”)协议建立的车辆自组织网络(VANET)中的节点之间建立和维护车辆通信。MAC协议将每个周期性时长划分成多个索引时隙，每个索引时隙都具有预先选择的时间长度，VANET中的每个节点被分配有所述多个索引时隙中的至少一个索引时隙。该方法包括以下步骤：在VANET中的多个节点中的每个节点处，接收来自外部时间参考信号源的用于预先选择的持续时间的无线时间参考信号，该时间参考信号提供有按照已知时长分隔的连串的定时标记；使用在预先选择的持续时间内接收的包含在时间参考信号中的连串的定时标记来校准与每个节点相关联的微控制器的定时器；使用其中一个所述连串的定时标记来接收所述无线时间参考信号并发起时间周期，在所述时间周期期间以及直到接收到后续的定时标记为止：基于微控制器校准的定时器的时钟计数向每个节点提供用于每个索引时隙的索引时隙触发结束，为每个节点分配至少一个索引时隙；在所分配的至少一个索引时隙中传输每个节点的一个或多个消息；以及在分配给除每个节点以外的节点的索引时隙中，接收来自除每个节点以外的节点的消息。
可选地，所述方法还包括以下步骤：检测传输冲突，该传输冲突中多个节点在同一个索引时隙中发送消息；以及在检测到传输冲突时，为多个冲突节点中的每个节点重新分配不同的索引时隙。
作为另一特征，该方法还包括以下步骤：在每个节点处，在所分配的索引时隙期间检测每个节点的死锁状况，并在检测到每个节点的死锁状况时为每个节点分配不同的索引时隙。
作为另一示例，可以构造一种通信设备，用于在根据媒体访问控制(“MAC”)协议建立的车载自组织网络(VANET)中的节点之间建立和维持车辆通信。MAC协议将每个周期性时长划分成多个索引时隙，所述多个索引时隙中的每一个都具有预先选择的时间长度，所述VANET中的节点的每个节点分配有所述多个索引时隙的索引时隙。所述通信设备包括：无线信号接收器，用于从外部时间参考信号源接收无线的时间参考信号；耦接至所述无线信号接收器的微控制器，所述微控制器具有定时器，所述无线信号接收器耦接至所述微控制器并向所述微控制器提供所述定时标记，所述微控制器配置为：利用从所述无线信号接收器接收的所述时间参考信号中的所述连串的定时标记来校准所述定时器并向所述每个节点分配索引时隙；无线消息收发器，所述无线消息收发器由所述微控制器控制以接收和发送消息；以及耦接至所述微控制器的应用消息处理器，所述应用消息处理器处理每个节点的状态信息并将所述状态信息打包到节点消息供所述微控制器传送至所述无线消息收发器以在分配给所述每个节点的索引时隙期间进行广播并在除被分配的时隙以外的索引时隙中处理由所述无线消息收发器从除每个节点以外的节点接收的消息。
现在已经详细描述了本发明的各种实施例。本领域技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下，可以对实施例进行各种修改、调整和变化。权利要求书的范围应由与全部描述一致的最广泛的解释确定，而不限制于在示例或详细说明中提到的实施例。

Claims (21)

1.一种在车辆自组织网络(VANET)中的节点之间建立和维持车辆通信的方法，所述车辆自组织网络根据媒体访问控制(“MAC”)协议建立，所述MAC协议具有将周期性时长划分为多个索引时隙的时分方案，所述方法针对VANET的两跳邻域中的多个节点中的每个节点，包括：
在本地节点处接收来自外部时间参考信号源的无线的时间参考信号，所述时间参考信号提供有按照参考时长分隔的连串的定时标记；
使用包含在所述外部时间参考信号中的所述连串的定时标记测量本地节点的机载时钟计数器与外部参考时钟之间的时钟偏差；
在接收到定时标记时，
将所述时分方案的预先选择的时隙同步至所接收的定时标记，通过将参考时长中累积的时钟偏差除以参考时长中索引时隙的数量来计算每个时隙的时钟偏差，并通过计算出的每个时隙的时钟偏差来调整参考时长中每个索引时隙的时间长度以补偿时钟偏差；以及
在本地节点处选择所述时分方案的至少一个索引时隙用于消息广播；在所述周期性时长期间以及直到在本地节点处接收到后续的定时标记时，验证至少一个被选择的时隙未被本地节点的邻域中的任何其他节点选中，如果至少一个被选择的时隙中存在任意一个时隙被任何其他节点占用，则对被占用的时隙取消选择，并选择不同的时隙以分配至本地节点；
在至少一个被选择的时隙中发送本地节点的一个或多个消息，所述一个或多个消息包括本地节点的一跳邻域的时隙选择信息和节点标识；以及
在未分配至本地节点的索引时隙中接收来自所述邻域中所有其他节点的消息。
2.根据权利要求1所述的方法，在每个节点处，还包括：
检测本地节点的死锁状况，
在检测到所述死锁状况时，对分配至本地节点的所有的被选择的时隙取消选择，选择未被本地节点和任何其他节点选择的与每个被取消选择的时隙不同的时隙。
3.根据权利要求1所述的方法，在每个节点处，还包括：
利用所述机载时钟计数器测量预先选择的时长的已经过时间；
利用所述定时标记测量多个参考时长的已经过参考时间，所述已经过参考时间标称地等于所述预先选择的时长；以及
根据所述已经过时间与所述已经过参考时间之间的差值计算时间偏差。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述时分方案将所述周期性时长划分为第一整数个时间帧，并将每个时间帧划分为第二整数个时隙，其中第一时间帧的第一时隙被同步至所接收的定时标记。
5.根据权利要求4所述的方法，在每个节点处，还包括：
至少在一个时间帧中，从接收自所有其他节点的消息中识别一组未被占用的时隙，所述未被占用的时隙由未被任何节点选中的时隙组成，
其中，从所述一组未被占用的时隙中选择至少一个时隙用于消息广播。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述外部时间参考信号是由GPS(全球定位系统)卫星在其GPS信号中提供的时间信号，所述连串的定时标记是所述GPS的时间信号的1PPS(每秒一脉冲)脉冲边沿。
7.根据权利要求6所述的方法，在每个节点处，还包括：
从所述GPS信号中提取位置信息和速度信息；
将本地节点的所述位置信息和所述速度信息加入至本地节点的所述一个或多个消息中用于广播；以及
在至少一个被选择的时隙中广播所述位置信息和所述速度信息。
8.根据权利要求7所述的方法，在每个节点处，还包括：
通过将所述位置信息和所述速度信息以及加速度信息加入本地节点的状态信息中来生成所述节点的状态信息；
计算本地节点移动的预测轨迹；以及
根据所有节点的位置信息、速度信息、加速度信息和预测轨迹生成内部安全消息。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
在所述内部安全消息预示即将发生险情时生成预警消息；
向本地节点的操作人员传送所述预警消息。
10.根据权利要求1所述的方法，在每个节点处，还包括：
利用机载加速计测量本地节点的加速度；
将所述加速度数据加入本地节点的所述一个或多个消息中用于广播；
在至少一个被选择的时隙中广播所述加速度数据。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述时隙具有预先选择的时间长度。
12.一种车辆，所述车辆配置为在车辆自组织网络(VANET)中的节点之间建立和维持车辆通信，所述车辆自组织网络根据媒体访问控制(“MAC”)协议建立，所述MAC协议具有将周期性时长划分为多个索引时隙的时分方案，所述车辆包括：
用于从外部时间参考信号源接收无线的时间参考信号的无线信号接收器，所述时间参考信号提供有按照参考时长分隔的连串的定时标记；
耦接至所述无线信号接收器的微控制器，所述微控制器具有时钟定时器，所述无线信号接收器耦接至所述微控制器并向所述微控制器提供所述定时标记，所述微控制器配置为使用由所述无线信号接收器接收的连串的定时标记来校准所述时钟定时器，并选择所述时分方案的至少一个索引时隙以在通信设备上进行消息广播；
无线消息收发器，所述无线消息收发器由所述微控制器控制以接收和发送消息；以及
耦接至所述微控制器的应用消息处理器，所述应用消息处理器处理所述车辆的状态信息并将所述状态信息打包至节点消息供所述微控制器传送到所述无线消息收发器，以在被分配至所述车辆的至少一个被选择的时隙中的每一个时隙期间广播，并在未被分配至本地节点的索引时隙中处理由所述无线消息收发器从所有其他的节点接收的消息，
其中，所述微控制器配置为通过：计算所述时钟定时器提供的时间与参考时长内累积的所述连串的定时标记提供的时间之间的时钟偏差、将参考时长中累积的时钟偏差除以参考时长中索引时隙的数量、并通过计算出的每个时隙的时钟偏差来调整参考时长内每个索引时隙的时间长度以补偿时钟偏差，来校准所述时钟定时器。
13.根据权利要求12所述的车辆，其中，所述微控制器还配置为：
在本地节点处检测传输冲突状况；
在所述至少一个被选择的时隙中的其中一个时隙内检测到所述传输冲突状况时，对所述其中一个时隙取消选择，并选择未被其他节点选中的不同的时隙。
14.根据权利要求12所述的车辆，其中，所述微控制器还配置为：
检测本地节点的死锁状况，
在检测到所述死锁状况时，对分配至所述车辆的所有的被选择的时隙取消选择，选择未被任何其他节点和所述车辆选择的与每个被取消选择的时隙不同的时隙。
15.一种通信设备，用于安装在车辆内以在车辆自组织网络(VANET)中的两跳邻域内的节点之间建立和维持车辆通信，所述车辆自组织网络根据媒体访问控制(“MAC”)协议建立，所述MAC协议具有将周期性时长划分为多个索引时隙的时分方案，所述多个索引时隙具有预先选择的时间长度，所述通信设备包括：
用于在所述车辆处从外部时间参考信号源接收无线的时间参考信号的无线信号接收器，所述时间参考信号提供有按照参考时长分隔的连串的定时标记；
耦接至所述无线信号接收器的微控制器，所述微控制器具有定时器，所述无线信号接收器耦接至所述微控制器并向所述微控制器提供所述定时标记，所述微控制器配置为：利用从所述无线信号接收器接收的所述时间参考信号中的所述连串的定时标记来校准所述定时器，并将至少一个索引时隙分配至所述通信设备以进行消息广播；
无线消息收发器，所述无线消息收发器由所述微控制器进行控制以在被分配的至少一个被选择的时隙中广播消息并在其他时隙中接收消息；
耦接至安装在所述车辆上的一个或多个传感器的数据通信接口，所述一个或多个传感器采集所述车辆的状态信息；以及
耦接至所述数据通信接口和所述微控制器的应用消息处理器，所述应用消息处理器处理由所述一个或多个传感器采集的状态信息并将所述状态信息打包至节点消息供所述微控制器传送到所述无线消息收发器以在分配给所述车辆的至少一个被选择的时隙期间内进行广播，并在未分配给车辆的时隙中处理由所述无线消息收发器从邻域中所有其他节点接收的无线消息，
其中，所述微控制器配置为通过：计算所述定时器提供的时间与参考时长内累积的所述连串的定时标记提供的时间之间的时钟偏差、将参考时长中累积的时钟偏差除以参考时长中索引时隙的数量、并通过计算出的每个时隙的时钟偏差来调整参考时长内每个索引时隙的时间长度以补偿时钟偏差，来校准所述定时器。
16.根据权利要求15所述的通信设备，还包括：
GPS(全球定位系统)模块，所述GPS模块包括所述无线信号接收器，其中所述外部时间参考信号是由GPS卫星提供的时间信号，所述连串的定时标记是所述GPS时间信号的1PPS(每秒一脉冲)的脉冲边沿，
所述GPS模块耦接至所述微控制器和所述应用消息处理器以向所述应用消息处理器提供所述车辆的位置和速度信息以使其包含在所述车辆的状态信息中，
其中，由所述无线消息收发器广播的所述消息包括由所述GPS模块提供的所述车辆的位置和速度信息。
17.根据权利要求16所述的通信设备，还包括：
加速计，所述加速计配置为测量所述车辆的加速度并向所述应用消息处理器提供所述加速度的数据，以使所述加速度的数据包含在所述状态信息中，
其中，由所述无线消息收发器广播的所述消息包括所述加速度的数据。
18.根据权利要求17所述的通信设备，还包括：
预警消息生成器，所述预警消息生成器从所述应用消息处理器接收或直接从所述一个或多个传感器接收所述车辆的状态信息，从所述应用消息处理器接收包含在由所述无线消息收发器接收的消息中的其他节点的状态信息，并处理所述车辆的状态信息和所述其他节点的状态信息以生成预警消息。
19.根据权利要求18所述的通信设备，其中，所述预警消息生成器将所述预警消息分类为不同的类别并为属于预先选择的类别的预警消息生成用户告警消息。
20.根据权利要求18所述的通信设备，还包括：
数据存储装置，所述数据存储装置上存储有GPS地图数据，
其中，所述应用消息处理器还配置为计算所述车辆移动的预测轨迹，并根据所述车辆和其他节点的位置信息、速度信息、加速度数据以及所述预测轨迹生成内部安全消息。
21.根据权利要求20所述的通信设备，其中，当由所述应用消息处理器生成的所述内部安全消息预示即将发生险情时，则所述预警消息生成器生成预警消息。
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