CN109417771B - 转播信息以用于可靠的车辆通信的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

在车辆自组织网络(VANET)中，车辆经由车辆对车辆(V2V)通信或经由车辆对基础设施(V2I)通信与固定的路侧基础设施或路侧单元(RSU)相互通信，以交换移动应用生成的信息。车载网络需要可靠和有效的单跳广播服务。描述了用于车辆网络的构成策略，称为协作中继广播(CRB)。相邻节点从源节点转播数据包以增加广播服务的可靠性。执行CRB的决定是主动采取的，并且基于中继节点和目标一跳邻居之间的信道条件。

Description

转播信息以用于可靠的车辆通信的系统和方法
技术领域
本发明一般涉及车辆通信领域。特别地，本发明涉及用于可靠的车辆通信的转播消息的系统和方法。
背景技术
车载自组织网络(VANET)是一种有前途的组件，其能够实现各种移动分布式应用，以便提高车辆运输的安全性和效率。在VANET中，车辆通过车辆对车辆(V2V)通信或通过车辆对基础设施(V2I)通信与固定的路侧基础设施或路侧单元(RSU)相互通信，以交换由移动应用生成的信息。因此，车辆通过无线电信道进行通信以主要交换消息从而支持改善道路安全的应用，也分别称为安全消息和应用。
大多数安全应用需要在对应节点的一跳传输距离内向所有节点(车辆和RSU)传播消息。因此，广播安全消息，使得消息例如在源节点的一跳传输距离内被传播到感兴趣区域内的每个节点。在感兴趣的区域内，安全消息的寿命通常小于100ms。另外，感兴趣区域中的基本上所有节点(例如，至少99％的节点)必须接收安全消息。车载网络需要来自其媒体访问控制(MAC)层协议的可靠且有效的单跳广播服务，以成功部署具有严格的服务质量(QoS)要求的安全应用。因此，安全应用通常具有严格的QoS要求，即高通信可靠性和严格的延迟约束。例如，为了满足严格的QoS要求，消息必须在100ms内到达至少99％的目标目的节点。由于车载网络中的动态联网条件，该标准可能难以满足。
前述内容为在VANET中的节点之间建立和维持可靠的车辆通信创造了挑战和约束。因此，需要一种为可靠的车辆通信转播消息方法和系统以满足严格的QoS要求。本发明的一个目的是减轻或消除上述缺点中的至少一个。
发明内容
本发明涉及用于实现用于车辆通信系统的基于节点协作的转播技术(称为协作中继广播(CRB))的系统和方法。成功从源节点接收到数据包的节点(即，车辆或RSU)转播该数据包，使其可用于未能接收该数据包的节点，以提高安全应用的消息广播的可靠性。由于动态性质，消息通常在超过特定时间限制(例如，100ms)之后不相关并且被认为是过期的。因此，进行转播以确保在消息到期之前最大数量的节点接收到数据包。
为了增强车辆通信系统的可靠性并支持具有严格服务要求的安全应用，CRB由专门选择的节点执行。这些节点被称为最佳帮助节点，通常需要位于源节点的通信范围内，并且很有可能将数据包传递给无法从源节点接收到数据包的节点(即最佳帮助节点和从最佳帮助节点接收到数据包的节点处于良好的信道条件下)。这种CRB框架的主要目标是在数据包到期之前最大化从源节点成功接收数据包的节点数量。这里，通信范围是指两个节点可以直接通信的距离(例如，以米为单位测量)。由于诸如传输节点的传输功率、接收节点的灵敏度、无线介质的通信质量等因素或其组合，存在这样的通信范围。
在本发明的第一方面，提供了一种转播消息以改善车载自组织网络中的多个节点之间的车辆通信的方法。该多个节点遵循时分多址(TDMA)协议彼此通信，其中时间被划分为时间帧，每个时间帧被划分为时隙，并且每个节点将被分配一个时隙用于传输。该方法包括以下步骤：在该多个节点的节点处并且由该节点，a)在时间帧中为其分配的时隙中广播并在时间帧中的所有其他时隙中监听其他节点，b)如果在监听期间在时隙中从传输节点接收到数据，该传输节点是该节点和另一节点的一跳邻居(OHN)，该另一节点是先前在时间帧中传输标记数据包的源节点，1)通过利用从传输节点和其他OHN节点接收的帧信息，将源节点的所有OHN节点划分成相对于源节点的成功节点集和故障节点集，2)在标记数据包到期之前并且如果该故障节点集具有至少一个成员，则i)确定该节点是否是转播标记数据包的潜在最佳帮助节点，ii)在该时隙之后的未预留时隙中，如果确定该节点为最佳帮助节点，则转播数据包，以及iii)在转播之后更新故障节点集和成功节点集。
作为本发明该方面的特征，划分步骤b)的子步骤1)还包括以下步骤：首先，识别OHN节点中的已报告成功接收到标记数据包的成功节点以及OHN节点中已报告未接收到标记数据包的故障节点，接下来，对于OHN节点的其余节点中的每个节点，不包括成功节点，评估OHN节点的其余节点中的接收节点能够从源节点接收到标记数据包的可能性，并且如果可能性不高于选择的阈值，则将接收节点分类为故障节点，如果可能性高于所述选择的阈值，则将节点分类为成功节点，以及最后将已报告故障的故障节点与具有不高于所述选择的阈值的可能性的故障节点合并，以形成故障节点集。
作为本发明该方面的另一个特征，该成功节点集是通过将已报告成功的成功节点与具有高于所述选择的阈值的可能性的成功节点合并或通过从OHN节点排除该故障节点集而形成的。
作为本发明该方面的又一个特征，能够接收到标记数据的可能性的评估包括评估接收节点是否能够在当前时隙或在时间帧中的未来时隙中接收到标记数据包。
作为另一个特征，能够接收到标记数据的可能性的评估包括评估接收节点通过协作中继广播(CRB)间接地接收到标记数据包的可能性。划分步骤还包括：如果接收节点通过CRB接收到标记数据包的可能性超过所述选择的阈值，则从该故障节点集中移除接收节点。
作为其他特征之一，在步骤b.2)中，确定节点是否是潜在的最佳帮助节点的步骤还包括：首先，评估节点被预测能够在单次CRB传输中到达的故障节点的数量，接下来，评估每个其他成功节点预测能够在单次CRB传输中到达的故障节点的数量，接下来，如果没有其他成功节点被评估为能够比该节点到达更多故障节点，则将该节点指定为潜在的最佳帮助节点，并且如果至少另一个成功节点被评估为能够达到与该节点相同数量的故障节点，则通过仲裁器在该节点和该至少另一个成功节点中选择潜在的最佳帮助节点。
在另一个特征中，转播的步骤包括在每个潜在的最佳帮助节点处并且由每个潜在的最佳帮助节点执行的另外的子步骤：选择比该时隙短的随机短脉冲串周期，在短脉冲周期期间传输信道干扰信号，在黑脉冲传输完成后，在时隙中监听其他信道干扰信号，并且如果检测到任何其他信道干扰信号，则不执行转播，或者如果没有检测到信道干扰信号，在时隙的剩余部分中广播标记数据包。
作为本发明该方面的特征，步骤b)还包括以下子步骤：从接收到的帧信息确定节点的任何OHN节点是否未能从节点接收到数据包，如果至少有一个OHN节点故障，则从时间帧中可用的未预留时隙中选择另一个时隙，并使之前预留的时隙可用作未预留的时隙。作为附加特征，通过包括将节点与帧信息中的时隙相关联的信息来预留时隙，并且通过使节点与时隙解除关联而使其可用作未预留的。
在本发明的另一个方面，提供了一种在车载自组织网络中彼此通信的多个节点的系统，所述多个节点遵循时分多址(TDMA)协议彼此通信，其中，时间被划分为时间帧，每个时间帧被划分为时隙，并且每个节点将被分配一个时隙用于传输。该多个节点中的每个节点a)在时间帧中为其分配的时隙中广播，并且在时间帧中的所有其他时隙中监听其他节点，以及b)如果在监听期间在时隙中从传输节点接收到数据，传输节点是监听节点和另一个节点的一跳邻居(OHN)，该另一个节点是先前在时间帧中传输标记数据包的源节点，监听节点1)通过利用从传输节点和其他OHN节点接收的帧信息将源节点的所有OHN节点划分为相对于源节点的成功节点集和故障节点集，以及2)在标记数据包到期之前并且如果该集合故障节点具有至少一个成员，i)确定监听节点是否是转播标记数据包的潜在最佳帮助节点，ii)在时隙之后的未预留时隙中，如果监听节点被确定为最佳帮助节点，则转播数据包，iii)在转播后更新故障节点集和成功节点集。
在其他方面，本发明提供了上述方面的各种组合和子集。
附图说明
为了描述的目的，但不是限制性的，参考附图更详细地解释本发明的上述内容和其他方面，其中：
图1是示出根据本发明的实施例的多个节点彼此通信的系统的示意图；
图2提供了说明性示例，示出了节点可以采用的时分方案；
图3示出了向图1的系统中的节点分配时隙的示例；
图4示出了由图1的系统中的节点传输的数据包的示例；
图5是示出将时隙分类为预留或未预留的一个示例的流程图；
图6是示出确定当前时隙的所有者的一个示例的流程图；
图7是示出实现协作中继广播方法的过程的流程图；
图8示出了选择最佳帮助节点的示例；
图9是示出将一跳邻域中的节点分类为故障节点和成功节点的方法的流程图；
图10是详细地示出将一跳邻域中的节点分类为故障节点和成功节点的方法的流程图；
图11是示出识别单跳邻域中的潜在最佳帮助节点的方法的流程图；以及
图12示出了当几个潜在的最佳帮助节点尝试在相同时隙中进行仲裁。
具体实施方式
通过举例说明本发明原理的特定实施例的一个或多个示例，提供了以下描述和其中描述的实施例。提供这些实施例是为了解释而非限制这些原理和本发明。在下面的描述中，在整个说明书和附图中，相同的部件用相同的附图标记来表示。
在车辆自组织网络中，车辆通过车辆对车辆通信彼此通信或者通过车辆对基础设施通信与固定的路侧基础设施或路侧单元通信，以交换由车载移动应用生成的信息。车载网络需要可靠和有效的广播服务，以成功部署具有严格服务质量要求的安全应用。
根据用于车辆网络的构成策略(称为协作中继广播)，相邻节点从源节点转播数据包，增加了广播服务的可靠性。这里，“节点”包括车辆和RSU。执行CRB的决定是主动采取的，并且基于中继节点和目标一跳邻居之间的信道条件。在此详细公开的是i)转播针对安全消息的源节点的一跳相邻节点的安全消息的系统；ii)选择节点以执行CRB以转播消息而不在转播消息时在相邻节点之间产生任何冲突的过程；iii)基于该方法实施CRB及其功能的程序。
参照图1，示出了系统100，其中包括车辆和RSU的多个节点102在通信网络中彼此通信。这种通信可以是车载自组织网络中的无线车辆通信。这里，“车辆”是指用于承载负载的可移动物体，无论是自行推进还是由另一个自推进移动物体驱动，并且可以包括：道路车辆，例如汽车、公共汽车、运输卡车、拖车或其他重型车辆；铁路车辆，诸如火车或个人汽车；飞行器，诸如客机、直升机、无人驾驶飞行器(UAV)；或船舶、船；潜水艇等水下交通工具等车辆。术语“车辆通信”包括车辆到车辆通信，即车辆之间的通信，以及车辆到基础设施通信，即车辆与固定路侧基础设施或路侧单元之间的通信。车辆通信是无线的，其可以是无线电信号、红外信号、微波信号、光学或紫外信号、声音信号等。
根据媒体访问控制协议建立VANET中的车辆通信。MAC协议通常采用时分多址(TDMA)技术。在时分信道接入技术中，信道时间被划分为时间帧202，并且每个时间帧202被进一步划分为多个时隙204，时隙可以被索引，例如1、2、3、...、F-1、F，如图2所示。每个时隙可以是恒定的时间间隔，但这仅是为了方便而不是必需的。按照惯例，每个帧可以由固定数量的时隙组成，用F表示，如图2所示。可以参考外部定时信号(例如GPS信号)来定义时间帧的开始。
每个节点102基于在相邻节点之间交换的信息维护处于其一跳和两跳传输距离中的相邻节点的集合，分别称为一跳集(OHS)和两跳集(THS)。对于任何给定时隙204，仅允许THS中的一个节点102在该时隙中传输。因此，THS的形成阻碍了在相同干扰范围内多于一个节点同时使用时隙，从而最小化隐藏和/或暴露的节点问题。属于相同THS的节点彼此竞争以预留时隙并最终在THS中预留唯一的时隙。这在图3中示出，节点x和节点z共享相同的时隙7，因为它们不属于相同的THS。另一方面，节点w和节点x被分配不同的时隙，即时隙0和7，因为它们在相同的OHS中。类似地，节点w和节点y被分配不同的时隙，因为它们在相同的OHS中。节点x和节点y也被分配不同的时隙，因为它们属于相同的THS，即THS1。
当时隙与节点的索引或ID相关联或配对时，称时隙204被预留用于节点102或由节点102拥有。参照图4，数据包可以被划分为三个分量，即控制信息402，例如帧信息(FI)、数据包头404(PH)和安全消息406。来自节点的FI包括节点的ID与其对应时隙的配对信息以及传输节点的所有一跳相邻节点的ID与它们各自对应时隙的配对。节点的ID与其对应时隙的配对预留时隙，即时隙由节点拥有。
以下描述了节点使用帧信息识别时间帧中的预留和未预留时隙的过程。如图5所示，当其拥有的时隙204开始时，节点102在每个时间帧202中开始传输(步骤510)其数据包，并在时隙结束之前结束其传输。当然，如果节点没有预留时隙，例如，因为它已在先前时间帧中释放它，则节点将跳过该传输步骤。除了在节点拥有的时隙期间的该传输步骤之外，节点必须在时间帧的周期内(即，整个F个连续时隙)(如果它不拥有任何时隙)或者除了它自己以外的整个F个连续时隙(如果它拥有至少一个时隙)监听信道(步骤520)。在完成监听时间帧中的时隙之后，每个节点将时隙分类为预留的或未预留的(步骤530)。
图6更详细地示出了将时隙分类为预留或未预留的一种方法的步骤。在从传输节点的时隙期间成功接收到数据包之后，其相邻节点在下一个时隙开始之前执行以下四个步骤(步骤610到640)。
首先，每个相邻节点检索嵌入在数据包中的消息，并从接收的数据包中提取FI(步骤610)。FI的成功接收(或其中嵌入了传输节点的FI的数据包的成功接收)帮助节点提取其邻域信息，例如一跳邻居节点的ID和传输节点的时隙所有权信息。
第二，基于从传输节点接收的FI，每个节点确定在它们自己的时隙期间与传输节点的传输是否成功(步骤620)。FI可用于检测时隙期间的传输故障。考虑两个节点，节点A和节点B，并且让节点B成为传输节点，并且节点A是检查从节点B接收的FI的节点。如果它在相应的时隙期间未能接收到数据包，节点将不在其FI中包括其相邻节点的ID。从接收到的FI，或者更具体地，从节点ID及其对应的时隙分配的配对信息，诸如节点A可以确定传输节点(在这种情况下节点B)是否成功接收到其自己的传输。即，如果节点B在其FI中不包括节点A的ID信息，则节点A可以推断它自己到节点B的传输不成功，反之亦然。
第三，节点释放其时隙(步骤630)，因此，如果在其自己的时隙期间传输的数据包未被其至少一个OHS邻居接收到，则使得时隙可用于其他节点以进行预留，或者成为未预留时隙。因此，如果节点(例如节点A)未能在传输节点的FI(例如节点B)中检测到其ID，则意味着至少传输节点没有接收到该数据包(例如，由于传输或接收故障)。然后，它将从节点A释放其自己的预留时隙(不是当前时隙)，即，将其ID与时隙解除关联，并使该时隙可用作其他节点作为未预留时隙。
第四，基于从传输节点接收的FI，每个节点还确定传输节点的ID，并将传输节点标记为当前时隙的所有者(步骤640)。
返回参考图5，在完成监听时间帧中的所有时隙之后，所有节点标记剩余的未预留时隙(步骤540)。任何没有收到数据包的时隙都标记为未预留。这可以做到，因为在这个时隙中没有节点正在传输，即没有节点拥有或预留了这个时隙，或者没有成功接收到拥有时隙的节点的数据包，在这种情况下，故障的节点会已经释放了这个时隙，使其未预留。
在步骤540将所有时隙分类为预留或未预留之后，如果节点仍然不拥有时隙，即，如果节点需要预留时隙，则节点将从未预留时隙池选择一个时隙并预留它(步骤550)。这可以通过在未预留的时隙中随机选择一个时隙并尝试预留它来完成。在每个节点预留其时隙之后，或者继续拥有其预留的时隙之后，时间帧中的所有时隙被分类为预留或未预留。
当然，结合图5和6描述的内容仅仅是识别时间帧中的预留和未预留时隙的一种方式。可以使用识别这些时隙的任何其他合适的方法。
图7是说明实现CRB的一种方法的步骤的流程图。在传输节点或源节点S向其一跳相邻(OHN)节点广播被称为标记数据包的数据包之后，其一些OHN节点可能无法接收标记数据包。CRB用于通过从成功从源节点S接收到标记数据包的节点转播标记数据包来纠正这些故障。该转播节点或中继节点被称为帮助节点并且是源节点S的OHN节点之一。
如图7所示，如果每个节点(例如节点r)预留了时隙，则该节点首先在节点r未预留的所有时隙中监听其他节点，或者广播其自己的数据包(步骤710)。接下来，基于到目前为止接收到的信息，通过监听其他节点(即，接收由其他节点传输的数据包)，节点r识别源节点S的OHN中没有也不会成功从源节点S接收到标记数据包其他节点(即没有直接从源节点接收到标记数据包，也没有也不会通过CRB接收到标记数据包)的那些故障节点(步骤720)。源节点S的OHN中的剩余节点将被识别为成功节点，即节点直接从源节点S接收到标记数据包，或者接收或将通过CRB间接接收它。这将在下面进一步解释。
考虑处于源节点的一跳传输距离的节点。表示为S的源节点将标记数据包广播到其一跳相邻节点。由于信道错误，某些节点无法接收此标记数据包。将具有和不具有标记数据包的节点集分别表示为H和D。集合H和D中的节点分别被称为潜在帮助节点(PHN)和潜在目的节点(PDN)。但是，对于OHN节点中的给定节点，它将只知道节点在接收到该节点的FI之后是属于H还是属于D。换句话说，节点的邻居将需要等待直到节点转向广播，即节点拥有的时隙，以知道节点是否已经接收到标记数据包。为了解决这个困难，H中的每个节点组合了已确认成功或确认故障的知识，即已经在它们自己的时隙中广播的节点报告的信息，以及对仍然等待轮到广播的这些节点的预测。将参照图8和图9描述进行估计和预测的细节。
一旦源节点已完成传输数据包，集合H中的PHN等待未预留的时隙，其可以是下一个立即未预留的时隙，以执行数据包的CRB从而服务其相应OHS中的PDN。在等待未预留的时隙时，每个PHN，即H中的每个节点评估H中的所有节点，包括其自身，其可能是其所有OHS邻居中的潜在最佳帮助节点(步骤730)。最佳帮助节点是在H中的所有节点中最适合用于将标记数据包转播到大多数PDN的节点。换句话说，可以选择最佳帮助节点作为对最大数量的PDN具有良好信道条件的帮助节点。
可以预测在时隙的整个持续时间期间节点用于传输数据包的无线信道的质量。可以使用任何合适的方法来预测信道质量。例如，可以使用诸如网络中的节点的速度和位置之类的信息从协议栈的较低级别(物理层)获得成功传输和接收的质量或概率。这里，主要进行预测以确定所传输的数据包是否能够成功地从一个节点传送到另一个节点。因此，可以预测在每个时隙的整个持续时间期间的信道质量处于好的或坏的状态。当节点知道其一跳相邻节点的位置和速度时，它们可以确定数据包成功传输到相应的相邻节点的概率集。然后将这样的集合中的概率值与指定的阈值进行比较，以预测具有相应的一跳邻居的无线信道的状态。如果信道质量使得来自源节点的传输数据包以大于指定阈值的概率成功传递到目的节点，则预测在一对源节点和目的节点之间的信道处于良好状态；否则，信道被认为处于不良状态。预测方法可以用于预测潜在帮助节点和潜在目的节点之间的无线信道的质量。当预测所有潜在帮助节点的质量时，具有最佳预测质量的潜在帮助节点将被确定为最佳帮助节点。
接下来，在未预留的时隙中，例如下一个未预留的时隙或空闲时隙，如此确定的最佳帮助节点执行CRB，即转播标记数据包(步骤740)。应当理解，每个标记数据包具有到期时间，之后标记数据包中的信息不再有效。为了清楚地表示，考虑数据包在从源节点的时隙开始的一个时间帧的持续时间之后到期。标记数据包的转播不应在其到期时间之后完成。因此，转播标记数据包的空闲时隙必须是从当前时间帧中选择的一个。无论如何，空闲时隙必须是标记数据包尚未到期的空闲时隙。在从最佳帮助节点成功接收到数据包时，PDN可以变为PHN。相应地更新集合H和D(步骤750)。刚刚执行CRB的最佳帮助节点可以在估计D中可以到达的节点时基于其预测更新其感知的H和D。OHN中的其他节点可以基于实际接收的FI来更新它们各自的H和D。
重复确定潜在目的节点集合、识别最佳帮助节点以及最佳帮助节点在未预留时隙中转播的这些步骤，直到没有故障节点或标记数据包到期为止。这将在下面进一步解释。
应选择最佳帮助节点，以提高传输可靠性。目标是(a)最大化在其到期之前成功接收到数据包的节点的数量，以及(b)最小化传输延迟，使得广播数据包可以在源节点的一跳邻居之间更快地扩散。图8中提供了用于说明该选择过程的简单示例。如图8(a)所示，在由源节点S广播之后，节点A、B、C未能从源节点S接收到所传输的数据包，但节点H1和H2接收到。根据由节点H1和H2执行的评估，其细节将在下面描述，节点B在单个CRB传输期间将不能由节点H1到达，但是可由节点H2到达。节点H1和H2都可以到达节点A和C。因此，节点H2被选择作为节点H1上的最佳帮助节点，因为节点H2在单个CRB传输期间可以到达比H1更多的故障节点或目的节点。此外，一旦选择了最佳帮助者，就可以在所有可用的未预留时隙期间执行协作中继广播，使得广播数据包可以在源节点S的一跳邻居之间更快地扩展。
为了最小化不必要的评估，将OHS中的节点分类为成功节点和故障节点可以考虑已报告的成功和已经执行的CRB的知识。图9示出了在每个CRB传输之后将节点分类为集合H和集合D时考虑这些因素的过程。
首先，识别所有宣布的成功和故障(步骤910)。CRB在未预留的时隙期间执行。因此，PHN在它打算用于CRB的未预留时隙之前评估自己。这将与监听信道(接收到数据包)并行完成。如果它能够成功地将数据包传递到集合D中的最大数量的节点，PHN(比如集合H中的z)则认为自己是转播标记数据包的最佳帮助节点。同时评估集合D中的相邻节点的数量，节点z计算其在时隙期间已经宣布传输接收故障的Oz中的一跳邻居，称为报告的故障节点Rzf(其时隙早于当前帧中的所选未预留时隙)。节点z还标识已宣布成功接收传输的所有节点。
对于下面的讨论，Rzf和Pzf分别从节点z的角度表示报告和预测的故障节点的集合，并且Rzs和Pzs分别表示报告和预测的成功节点的集合，即，已经宣布和尚未宣布成功接收到标记数据包的节点集合。Ozf表示从节点z的角度未能接收到标记数据包的一跳相邻节点的集合。这里，Ozf不一定包括集合D中实际上未能从源节点S接收到数据包的所有节点。从PHNz的角度来看，它只是故障节点集合。集合Ozr＝Rzs∪Rzf(集合Ozp＝Oz-Ozr)表示已经(尚未)从源节点宣布其传输状态的z的一跳相邻节点的集合。
接下来，节点z预测尚未宣布其成功的那些节点中的哪些将是成功节点(即，属于H)以及它们中的哪些将是故障节点(步骤920)。为此，节点z首先确定报告和预测的成功节点的集合，分别表示为Rzs和Pzs。该过程预测尚未访问信道的剩余一跳节点的传输状态以传输它们的数据包并确定预测的故障和成功节点集合(将在后面讨论)。预测能够成功接收来自源节点S的传输的节点(即集合Pzs)从最初确定的故障节点集中移除，或者不添加到Ozf，以便将它们排除在进一步评估之外，如流程图所示(参见图10中的步骤1010)。Ozp中预测不能成功接收来自源节点S的标记数据包的任何节点(即Pzf中的节点)将留下，即不从最初确定的故障节点集中移除。这些剩余节点(即集合Pzf)是通过遵循图10中的步骤1010中的过程确定的，这将在下面进一步描述。被剩下的节点是预测的故障节点Pzf。
因此，Ozs＝Rzs∪Pzs表示成功接收或可能将接收标记数据包的一跳相邻节点的集合。
接下来，通过将所预测的故障集合与所宣布的故障集合合并Ozf＝Rzf∪Pzf(步骤930)来确定未能接收或可能未能接收到标记数据包的一跳相邻节点的集合。注意，集合Rzs和Rzf由节点z基于它在源节点的时隙之后接收的FI确定。另一方面，节点z估计集合Pzs和Pzf。
为了进一步避免冗余传输，节点z考虑已经在其一跳邻域中执行的CRB，同时估计预测的集合。从集合D中移除任何CRB接收者，即在先前CRB期间服务的目的节点。换句话说，它根据评估的概率或可能性排除可能已经在先前的CRB期间(步骤940)成功地接收到标记数据包的集合Ozf(＝Rzf∪Pzf)中的节点(参见图10中的步骤1020)。
从PHNz的角度确定这种预测集合(即Pzf和Pzs)的过程在流程图中进一步详细说明，即图10。在第一循环中(步骤1010)，评估集合Ozp＝Oz-Ozr中的节点以将它们分类，即将它们分成预测的故障节点Pzf和预测的成功节点Pzs，而不考虑CRB。在下一循环(步骤1020)中，检查初始Pzf集合中的节点以确定该初始集合中的任何节点是否已经从集合Oz，crb中的任何节点接收到转播，其中Oz，crb表示在节点z的一跳传输距离内并且在所选的未预留时隙之前已经执行了CRB的PHN集合。从初始的Pzf集合中排除将接收到CRB的任何这样的节点(步骤1020A)以产生Pzf的最终集合，Pzf是已宣布未能接收或预计未能接收来自源节点S的数据包并且将不会从帮助节点接收到CRB的节点集合。
这给出了集合Ozf、Pzs和Pzf(步骤1030)。通过添加回报告和预测的成功，可以确定所有成功节点Ozs的集合：
Ozs＝Rzs∪Pzs
当然，所有成功节点Ozs的集合也可以通过从节点S的OHN中排除所有故障节点即Ozf集合来获得。
一旦确定了集合Ozs和Ozf，节点z就集合Oz中的其他节点评估自身，以确定Oz中的哪个节点能够到达集合Ozf中的更多节点。确定潜在的最佳帮助节点的过程的示例在图11中示出。
首先，它确定候选故障节点集合Azz(步骤1110)，它可以成功地向该集合中继标记数据包。为此，可以简单地评估节点z与Ozf中的每个故障节点之间的信道质量，并逐个识别Azz的成员。该信道评估可以使用与评估源节点和其目的节点之间的信道质量状态相同的方法，如前面结合图7中的步骤730描述的。如果信道质量良好，则将该故障节点添加到Azz。(步骤1110A)。如果信道质量不好，则在下一循环中(步骤1120)，PHNz评估集合Ozs中的每个成功节点y(步骤1120A)，并将具有良好信道质量的那些节点添加到Azy(步骤1120B)。因此，PHNz还确定集合Oz中的所有成功节点y的集合Azy(步骤1120)。注意，集合Axy包括报告的和预测的故障节点，它们从节点x的角度来看具有节点y的良好信道条件。Azz和Azy中可以达到Ozs中最大数量的故障节点的节点是最佳潜在帮助节点。对于正在执行评估的每个PHNz，如果OHN中存在可以达到更多故障节点的另一个节点，则PHNz可以确定其自身将不是最佳帮助节点并且可能停止评估其他节点。如果没有其他节点可能达到比其自身更多的故障节点，则PHN z将继续评估其他节点。如果有平局，可以使用任何合适的仲裁器。一个简单的仲裁器是比较平局的最佳潜在帮助节点的ID，并选择具有最大ID的节点作为潜在的最佳帮助者。当然，可以采用任何其他合适的仲裁器。例如，这种仲裁器可以基于最小ID、时隙的最低索引、或帮助节点拥有的时隙的最高索引等。
因此，如果满足以下所有条件，则基于Azz和Azy，节点z在所选择的未预留时隙中执行CRB：
1.至少有一个故障的节点，无论是预测的还是报告的，都可以成功地从z接收到标记数据包，即|Azz|>0；
2.节点z可以将数据包中继到Ozs中所有节点中的最大数量的故障节点(预测和报告的组合)，即|Azz|>|AZY|对于集合Oz中的任何节点y；
3.如果对于集合Ozs中的任何节点y而言|Azy|＝|Azy|，即，如果存在平局，则节点z仅在节点z是仲裁器赢家的情况下中继该数据包，例如，如果节点z的ID小于节点y的ID。
注意，PHN从其自身的角度评估(其本身及其成功的PHS邻居)并且不与其他PHN节点交互。因此，当彼此的一跳距离中的两个或更多个PHN可能发现自己作为中继标记数据包的最佳潜在帮助节点时，可能发生错误。在这种情况下，同时CRB导致传输冲突和浪费协作机会。
为了避免这种不期望的事件，每个最佳潜在帮助节点使用能量突发或信道干扰信号(也称为黑脉冲black-burst)来防止冲突，以决定将哪一个选择为最佳帮助节点。在这样做之后，在发现自己是最佳潜在帮助节点之后，节点z在随机时间间隔内传输黑脉冲，比如从时隙开始的
Figure BDA0001918909660000121
时间单位，其中
Figure BDA0001918909660000122
是从集合
Figure BDA0001918909660000123
随机抽取的并且Δ是固定且小的持续时间。一旦节点z完成传输黑脉冲，它就会监听该信道并在信道空闲时中继标记数据包。换句话说，在自感知最佳潜在帮助节点组中，只有其中一个将中继标记数据包，即已选择最长黑色脉冲周期的数据包。该节点被选为最佳潜在帮助节点组中的最佳帮助节点，并且在空闲时隙中执行CRB。这在图12中示出，其中黑脉冲传输间隔小于节点z的传输间隔,节点y在检测到由于来自节点z的黑脉冲传输而导致信道繁忙后暂停其中继传输，即，如果它能够在完成自己传输后检测到另一个黑脉冲信号。当具有较小黑脉冲周期的节点y检测到来自节点z的黑脉冲时，它暂停其潜在的CRB。对于大的
Figure BDA0001918909660000124
值，两个或更多个PHN选择相同的黑脉冲周期的概率很小。因此，在从时隙开始的随机时间间隔之后执行CRB减少了来自CRB中的两个或更多个潜在帮助节点的传输冲突。
应当理解，
Figure BDA0001918909660000125
秒数与CRB数据包的传输时间的总和不应该大于时隙的持续时间。由于每个节点拥有传输完整数据包的时隙，因此在CRB期间不需要重复传输FI。因此，来自最佳帮助节点的数据包包括PH、有效载荷数据和循环冗余校验(CRC)。FI的缺失补偿了黑脉冲周期，不应影响基本MAC协议的正常操作。此外，如果为其选择用于CRB的未预留时隙由至少一个处于其一跳距离的节点预留，则PHN发现信道忙。在这种情况下，它会在发现信道繁忙时暂停其CRB。
现在已经详细描述了本发明的各种实施例。本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对实施例进行多种修改、适应和变化。权利要求的范围应当被给予与整个描述一致的最宽泛的解释，而不应限于在其示例或其详细描述中阐述的这些实施例。

Claims (18)

1.一种转播消息以改善车载自组织网络中的多个节点之间的车辆通信的方法，所述多个节点遵循时分多址（TDMA）协议彼此通信，其中时间被划分为时间帧，每个时间帧被划分为时隙，并且每个节点将被分配用于传输的时隙之一，所述方法包括以下步骤，在所述多个节点中的任一节点处并且由所述多个节点中的任一所述节点，
a）在时间帧内为其分配的时隙中广播并在所述时间帧内的所有其他时隙中监听其他节点，
b）如果在监听期间在时隙中从传输节点接收到数据，所述传输节点是所述节点和另一节点的一跳邻居节点，所述另一节点是先前在所述时间帧中传输标记数据包的源节点，进行以下步骤：
1）通过利用从所述传输节点和其他一跳邻居节点接收的帧信息，将所述源节点的所有一跳邻居节点划分成关于所述源节点的成功节点集和故障节点集，
2）在所述标记数据包到期之前并且如果所述故障节点集至少有一个成员，进行以下步骤：
i.确定所述节点是否是转播所述标记数据包的潜在最佳帮助节点，
ii.在所述时隙之后的未预留时隙中，如果确定所述节点是最佳帮助节点，则转播所述数据包，以及
iii.在转播后更新所述故障节点集和所述成功节点集。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤b）中，所述划分子步骤1）还包括：
识别所述一跳邻居节点中已报告成功接收到所述标记数据包的成功节点以及所述一跳邻居节点中已报告未收到所述标记数据包的故障节点，
对于所述一跳邻居节点的其余节点中的每个节点，不包括所述成功节点，评估所一跳邻居节点的其余节点中的接收节点能够从所述源节点接收所述标记数据包的可能性，如果所述可能性不高于选择的阈值，则将所述接收节点分类为故障节点，如果所述可能性高于所述选择的阈值，则将所述接收节点分类为成功节点，并且
将已报告故障的故障节点与可能性不高于所述选择的阈值的故障节点合并以形成所述故障节点集。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述成功节点集是通过将已报告成功的成功节点与可能性高于所述选择的阈值的成功节点合并，或者通过从所述一跳邻居节点中排除所述故障节点集而形成的。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，评估能够接收所述标记数据的可能性包括评估所述接收节点是否能够在当前时隙中或在所述时间帧中的未来时隙中接收所述标记数据包。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，评估能够接收所述标记数据的可能性包括评估所述接收节点通过协作中继广播间接地接收所述标记数据包的可能性，在步骤b）中，所述划分子步骤1）还包括：
如果所述接收节点通过协作中继广播接收所述标记数据包的可能性超过所述选择的阈值，则从所述故障节点集中移除所述接收节点。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤b.2）中，确定所述节点是否是潜在的最佳帮助节点的步骤还包括：
评估所述节点被预测能够在单个协作中继广播传输中达到的故障节点的数量，
评估每个其他成功节点被预测能够在单个协作中继广播传输中达到的故障节点的数量，
如果没有评估到其他成功节点能够达到比所述节点更多的故障节点，则将所述节点指定为所述潜在的最佳帮助节点，并且
如果至少另一个成功节点被评估为能够达到与所述节点相同数量的故障节点，则通过仲裁器在所述节点和所述至少另一个成功节点中选择所述潜在的最佳帮助节点。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，如果所述故障节点通过协作中继广播间接地从所述节点接收所述标记数据包的可能性高于所述选择的阈值，则预测所述节点能够达到故障节点。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述仲裁器基于时隙的标识号和索引之一的值。
9.根据权利要求1或2所述的方法，所述转播的步骤包括在每个潜在的最佳帮助节点处以及由每个潜在的最佳帮助节点执行：
选择比所述时隙短的随机短脉冲周期，
在所述短脉冲周期期间传输信道干扰信号，
在完成所述信道干扰信号的传输时，在所述时隙中监听其他信道干扰信号，
如果检测到任何其他信道干扰信号，则不执行转播，以及
如果没有检测到信道干扰信号，则在所述时隙的剩余部分中广播所述标记数据包。
10.根据权利要求1或2所述的方法，还包括，
如果在时隙中没有收到数据，则将所述时隙标记为未预留。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，步骤b）还包括：
根据接收到的帧信息，确定所述节点的任何一跳邻居节点是否未能从所述节点接收到数据包，以及
如果至少有一个一跳邻居节点出现故障，则从所述时间帧中可用的未预留时隙中选择另一个时隙，并使先前预留的时隙可用作为未预留时隙。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，通过包括将节点与所述帧信息中的时隙相关联的信息来预留时隙，并且通过使所述节点与所述时隙解除关联而使其可用作为未预留的。
13.一种在车载自组织网络中彼此通信的多个节点的系统，所述多个节点遵循时分多址（TDMA）协议彼此通信，其中时间被划分为时间帧，每个时间帧被划分为时隙，并且每个节点被分配用于传输的时隙之一，其中，所述多个节点中的每个节点
a）在时间帧内为其分配的时隙中广播，并在所述时间帧中的所有其他时隙中监听其他节点，以及
b）如果在监听期间在时隙中从传输节点接收到数据，所述传输节点是监听节点和另一节点的一跳邻居节点，所述另一节点是先前在所述时间帧中传输标记数据包的源节点，所述监听节点， 进行以下步骤：
1）通过利用从所述传输节点和其他一跳邻居节点接收的帧信息，将所述源节点的所有一跳邻居节点划分成关于所述源节点的成功节点集和故障节点集，
2）在所述标记数据包到期之前并且如果所述故障节点集至少有一个成员，进行以下步骤：
i.确定所述监听节点是否是转播所述标记数据包的潜在最佳帮助节点，
ii.在所述时隙之后的未预留时隙中，如果确定所述监听节点是最佳帮助节点，则转播所述数据包，以及
iii.在转播后更新所述故障节点集和所述成功节点集。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，在步骤b）中，所述划分子步骤1）还包括：
识别所述一跳邻居节点中已报告成功接收到所述标记数据包的成功节点以及所述一跳邻居节点中已报告未收到所述标记数据包的故障节点，
对于所述一跳邻居节点的其余节点中的每个节点，不包括所述成功节点，评估所一跳邻居节点的其余节点中的接收节点能够从所述源节点接收所述标记数据包的可能性，如果所述可能性不高于选择的阈值，则将所述接收节点分类为故障节点，如果所述可能性高于所述选择的阈值，则将所述接收节点分类为成功节点，以及
将已报告故障的故障节点与可能性不高于所述选择的阈值的故障节点合并以形成所述故障节点集。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述成功节点集是通过将已报告成功的成功节点与可能性高于所述选择的阈值的成功节点合并或者通过从所述一跳邻居节点中排除所述故障节点集而形成的。
16.根据权利要求14所述的系统，其中，评估能够接收所述标记数据的可能性包括评估所述接收节点是否能够在当前时隙中或在所述时间帧中的未来时隙中接收所述标记数据包。
17.根据权利要求13所述的系统，其中，在步骤b.2）中确定所述节点是否是潜在的最佳帮助节点的步骤还包括：
评估所述节点被预测能够在单个协作中继广播传输中达到的故障节点的数量，
评估每个其他成功节点被预测能够在单个协作中继广播传输中达到的故障节点的数量，
如果没有评估到其他成功节点能够达到比所述节点更多的故障节点，则将所述节点指定为所述潜在的最佳帮助节点，并且
如果至少另一个成功节点被评估为能够达到与所述节点相同数量的故障节点，则通过仲裁器在所述节点和所述至少另一个成功节点中选择所述潜在的最佳帮助节点。
18.根据权利要求13或14所述的系统，转播的步骤包括在每个潜在的最佳帮助节点处以及由每个潜在的最佳帮助节点执行：
选择比所述时隙短的随机短脉冲周期，
在所述短脉冲周期期间传输信道干扰信号，
在完成所述信道干扰信号的传输时，在所述时隙中监听其他信道干扰信号，
如果检测到任何其他信道干扰信号，则不执行转播，以及
如果没有检测到信道干扰信号，则在所述时隙的剩余部分内广播所述标记数据包。
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