CN1901489A - 移动自组织网络中的接收功率优先级扩散 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于在自组织无线网络中散布消息的一种改进方法。在该方法中，在网络的一个接收节点接收一条输入消息。对该消息的重新传输进行调度，从而使重新传输的调度时间与该接收节点接收该消息的信号强度成比例。在重新传输的调度时间之前，当从网络中一个不同节点接收到相同消息时，取消该消息的重新传输。效果是减小延时并降低网络中的网络业务流量。

Description

移动自组织网络中的接收功率优先级扩散

发明领域

本发明涉及移动自组织(ad hoc)网络，更具体地说，涉及一种路由方法，其在增加传递可靠性和信道容量的同时，还降低高密度扩散(flooding)情况下固有的延时和竞争。

技术背景

车辆之间的无线通信是在汽车制造商中兴趣不断增长的一个概念。可能的应用超过了广泛宣传的明显娱乐和互联网连接使用；它们潜在地能够以接近商用电子设备的可靠性和复杂性的方式来提高车辆的安全性。

交通安全组织，例如车辆安全通信协会(VSCC)、联邦高速公路管理局(US DOT FHWA)和ISO已经确定了高优先级应用，例如，交通信号违规警告、左转弯辅助设备、合作前向碰撞警告和紧急电子刹车灯信号传送。然而，为了让这些应用正确地工作，必要的车辆必须以可靠和及时的方式接收特定的必要数据；这些是蜂窝类型和其他基于基础设施类型的通信方法所不能保证的。自组织网络能够提供使这些应用可实现所需的可靠、低延时和高容量的通信路径。

然而，自组织网络也不是没有它的难题。路由协议的选择(定向的还是广播的)、竞争的缓和、同步和延时的降低都在设计要考虑的范围内。对于上述几种应用，考虑到信息的特性及其应用，将扩散法用作路由协议是扩展广播范围的最好选择。但是，其由于自身缺点而被在很大程度上被忽视了。

扩散法在涉及车辆的移动自组织网络中有两个主要挑战：(i)由于业务流量小或者装配车辆的可用性低，导致网络稀疏，从而造成无线电范围不足，和(ii)由于车辆的高密度所造成的无线介质竞争。虽然车辆数量少是很普通的情况，但是，很多与安全相关的情况(例如碰撞)发生在高车辆密度情况下，例如高峰时刻的交通、繁忙的十字路口或者拥挤的停车场。如果在这样的高车辆密度情况下使用扩散法，那么，在高速公路上传播的碰撞或者紧急刹车消息将会导致太高的延时，以至于该消息中的信息不再有用。

图1示出了根据车辆安全类型的紧急刹车消息而可能产生的拓扑结构和网络业务流量。在简单的扩散法中，所有的车辆对每条消息都重复一次。尽管这种方案具有良好的鲁棒性，但是，却在网络中产生了很多的冗余业务流量。由于来自领头车辆消息的每次重复和来自范围内相邻车辆的每次重复，使得信道很快充满，并且产生了竞争。这种情况由于干扰而缩短了有效范围，并且由于所需跳数增加而增加了延时。特别是在较低数据率的情况下，由于竞争和增加退避时间(back off)而造成的延时可能变得很大。延时可能会增加到不再能够立即中继信息的点上。

需要对连续信息进行广播的车辆安全应用潜在地能够产生随时间而不断增加竞争的情形，特别是在高车辆交通密度的情形下。这种应用可以包括电子道路标记、十字路口辅助设备和接近紧急车辆警告。如果采用扩散法，来自这些应用的数据可能会使网络饱和，从而导致长时间持续的延时。由于数据包不断地被发送到网络中，因此它们都必须为得到介质而进行竞争。一些数据包由于碰撞而丢失，而另外的数据包则等待它们的发送时机。这种积聚会达到一个稳态饱和点，但是直到延时远比所期望的延时长时才能达到该点。

在这种情况下，延时不是所见到的唯一的不理想影响。由于竞争而导致的数据包丢失也可能是非常明显的，特别是在数据包尺寸较大的情况下。在车辆安全应用中，大量的数据包丢失的一个后果是必须不止一次地重发信息，以保证传递。对信息进行重发导致进一步的流量负载。

对于车辆安全应用，高效和有效的扩散法对于定位需求和竞争，以及对于众多不同车辆拓扑结构所导致的众多无线电传播情况，应该有鲁棒性。在一个方向上最佳的转发者对于在另外一个方向上的数据包传送来说，可能不是最佳的，甚至是不能令人满意的。所关注的这些问题是具有优先级别和无竞争的车辆安全信息散布(dissemination)方法的研究动力。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于在自组织无线网络中散布信息的方法。该方法包括：在所述网络的一个接收方节点接收一条输入消息；对所述消息的重新传输进行调度，其中，所述重新传输的调度时间与由所述接收方节点接收所述消息的信号强度成比例；如果在所述重新传输的调度时间之前从所述网络中的不同节点接收到相同消息，则取消对所述消息的重新传输。其效果是，降低延时的情况下，还减少网络上的网络业务流量。

参考以下的详细描述，根据本发明的方法的其他实用领域会变得显而易见。应该理解的是，虽然给出了优选实施例，但详细的描述和特定的例子仅仅是便于说明。

附图简述

图1是采用传统扩散方法的示例性移动自组织网络中的网络业务流量的示意图；

图2是根据本发明原理的示例性移动自组织网络中的网络业务流量的示意图；

图3是根据本发明的路由协议的示例性软件实现的流程图；

图4和图5是对简单扩散算法和本发明的散布方法之间的延时进行对比的示意图；

图6和7是对简单扩散算法和本发明的散布方法之间的数据包丢失进行对比的示意图；以及

图8和9是对简单扩散算法和本发明的散布方法之间的信道负载进行对比的示意图。

具体实施方式

本文提出了一种经过改进的方法，用于在车辆间通信网络中散布信息。在该示例性应用中，车辆能够在它们之间发送和接收无线RF传输，这是本领域内的现有技术。以下的描述针对车辆间通信网络，但容易理解的是，本发明的更宽泛方面也适用于其他类型的移动自组织网络。例如，在军用领域中可以发现合适的环境。

在简单的扩散算法中，如上所述，每个车辆对每条消息至少重复一次。为了减少网络业务流量，仅处于给定消息的传输范围边界上的车辆需要在网络中重新传输消息。换句话说，对处于传输范围边界上的车辆，给予首先发送的优先级；而处于边界内的车辆将消息的重新传输推迟更长一段时间。一旦边界内车辆从另外一个车辆接收到相同的消息，则其取消该消息的任何已调度重新传输。由于减少了传输的重叠度，所以，信道上的业务量减少了，同时，它所产生的竞争和过多延时也降低了。

图2示出了本发明的路由协议对一个示例性车辆间通信网络中的网络业务流量的影响。相比传统的扩散方法，相同的区域覆盖了大约三分之一数量的传输车辆。仅仅有阴影线的车辆需要重新传输数据包，以使数据包在道路上传播。随着车辆密度的增加，无阴影线的车辆与有阴影线的车辆之比也增加。给定一个固定功率，不管车辆密度如何，在任何给定道路段上发送的车辆的数量理想地保持恒定。为了降低跳数，可以使用最大传输功率，而不会有负面影响，因为传输量较少的事实限制了干扰。

参考图3，进一步描述本发明路由协议的示例性软件实现。应该理解的是，以下仅仅描述了协议的相关步骤，但是还需要其他软件实现的指令来控制和管理系统的总体操作。在一个实施例中，路由协议可以实现为位于无线网络框架的802.11 MAC层之上的代理。

在接收到数据包(即消息)后，在步骤31中评估该车辆在过去是否已经接收到相同的消息。对于新的数据包，从该数据包中提取识别信息，并将其存储在日志中，如步骤32所示。容易理解的是，该识别信息将用于随后对到达数据包进行的评估。

在步骤33中，确定重新发送该数据包的调度时间。例如，可以将优先级给予那些接收到具有在某最小阈值之上的最低信号强度的数据包的车辆。因此，每个车辆将数据包的重新传输安排在与由接收方车辆接收数据包的信号强度成比例的时间。然后，在步骤34中对数据包进行调度，以便于随后在网络中重新发送。

在一个示例性实施例中，调度时间是根据接收数据包的信号强度而导出的。为了便于说明，可以如下获得调度时间：

i＝(10xlog(p_rx)-10xlog(p_min))xt_s

其中，i为在所调度的重新传输之前的延迟时间，p_rx是接收数据包的功率电平，p_min是数据包能够可靠地被接收的最小功率电平，t_s是用于发送数据包的间隔时间。t_s的值决定了相邻接收功率电平的数据包之间的延迟间隔，并且能够针对特定的数据包大小而进行调整，以提供最佳延时。还可以设置t_s的值，以满足其他系统性能标准。

在另一实施例中，调度时间可以从下面给出的通过经验得到的表中读出。

功率电平	延迟时间(ms)
		prx＞＝p2	5
p2＞prx＞＝p1	3
		p1＞prx＞＝pmin	1

在该表中，每行对应于接收数据包的一个信号强度范围，并且将每个信号强度范围与一个唯一的调度时间相关联。如上所述，在信号强度范围增加时，调度时间也增加。调度时间优选地根据所期望的最大跳时间进行选择。类似地，调度时间之间的间隔可以基于延时需求和其他系统性能标准来进行选择。

为了减少消息冗余，路由协议继续监视输入的数据包。如果在其已调度的重新传输之前再次接收到相同的数据包，则如步骤36所示，取消所调度的重新传输。由于调度时间与接收数据包的信号强度成比例，因此，所接收到的可复制数据包可能已经被与原始发送车辆之间的距离比接收方车辆与原始发送车辆之间的距离更远的车辆重新传输，因此接收方车辆不需要在网络中重新传输数据包。如果在数据包已经重新传输后接收到相同的数据包，则可以忽略该数据包，如图所示。对日志中数据包的参考优选持续一段时间。其原因是，例如，如果相同的数据包被没有接收到导致取消的数据包的车辆重新传输，则避免重新传输相同的数据包。

应该选择适合本应用的延时需求和介质访问环境的参数。由于转发机制是基于时间延迟的，故任何介质延时都可能会影响本发明的工作。因此，当所有车辆以非常高的功率接收到消息时发生的最大延时，应该比本应用的每跳(范围)的延时或者每米(范围)的延时小。

此外，如果仅仅能够在有限时间段内对信道进行访问，则应该对转发算法进行配置，以保证在有限的信道访问窗内很好地进行转发。例如，考虑一种情况，在该情况中，用于转发消息的信道被分割为持续时间为100ms的时隙。再假设仅仅每第二时隙可用于转发这种安全消息。应该对算法进行配置，从而使最大延时应该明显小于该时隙持续时间。反之，如果在时隙结束之前没有接收到消息，那么，可能的情况是，所有车辆的计时器在下一可用时隙开始前都会届满。其结果是，所有这些车辆都试图在相同时间(下一可用时隙的开始)转发数据包。

然而，应当注意的是，如果与本算法所使用的延时(例如，t_s)相比，该时隙持续时间相对小，则不会出现上述问题。这是由于相对于时间选择来说这些时隙的持续时间是可以忽略的。总之，延时值应该或者远小于信道访问窗，或者远大于信道访问窗。

网络仿真用于分析该算法和协议的性能。仿真是使用网络仿真器(ns2)来进行的。在802.11 MAC和PHY之上的新路由代理的框架中实现该算法和协议。使用双线衰落(two-ray fading)模型，其统一增益全向天线的固定发射功率为125mW。

为该研究而选择的拓扑结构是四车道的一公里路段的仿真，车辆沿着该一公里分布。车辆的密度是从加利福尼亚交通部提供的数据中选择的；每个仿真都具有唯一的平均密度，范围从50个车辆每秒(vpm)到200个车辆每秒，速度是100公里每小时。整个模拟过程中，车辆间的间隔根据泊松分布持续变化，最小距离为车辆长度的一半(2米)，最大距离是该特定车辆密度的均值的10倍。

将这些仿真中所使用的扩散业务流量的数据包大小和重复率选择成与未来应用所想象到的大小和速率相一致。具体而言，1000、500、250和125字节的数据包大小，按照50和100毫秒的间隔进行发送。27Mbps和1Mbps的数据传输率用于进行比较。200和2000个数据包的突发用于对暂态和稳态事件进行仿真。

为仿真所选择的情况是紧急车辆刹车事件的实现。道路头部的障碍物迫使领头车辆快速地刹车，从而在它后面的道路上发送广播紧急刹车消息。

以下的数据比较了简单扩散法的性能和本发明的散布方法的性能。比较标准是延时、可靠性和信道负载。延时和可靠性示意图给出了数据包延时和数据包丢失，它们是从数据包信源开始沿着道路的距离的函数。仿真分别是：在1Mbps情况下进行的，以便与相似研究进行直接比较；在27Mbps情况下进行的，以观察在DSRC所建议的一个较高数据率下实现的优点。

在图4中用虚线表示的简单扩散27Mbps的数据包延迟看上去可能不会都那么长，即使是在1km(～660ms)时。但是要记住的是，这些曲线仅仅是显示在单一应用中对单一事件的响应。要注意的是，简单扩散延时曲线是非线性的，这表示由于竞争而增加了退避时间。使用本发明的路由技术(接收功率优先级扩散法：在图4中用实线示出的RPPF)的相同情况示出了数据包在小于一半时间内到达1km点。

图5中明确地示出了在1Mbps时本发明的算法提供的竞争降低。1km的延迟时间从接近8.5秒降低到小于450毫秒。这种延时降低能够使1Mbps数据速率变得可行。

图6中示出的简单扩散27Mbps数据包在1km处的丢失数据大约为8％。这些图线示出了在单一应用中单一事件的影响。使用本发明的扩散方法的改善是显著的，1km的数据包丢失从8％下降到1.6％。

在1Mbps时，进行了相同的仿真，以表示在高竞争中扩散方法的性能；在图7中示出了结果。在1km点处的数据包丢失，在简单扩散情况下非常高(超过50％)；而使用本发明，数据包丢失下降到4％。

从仿真中收集了在27Mbps时的信道负载特性，仿真在20秒中每100ms发送1k字节的数据包。源车辆位于125个车辆的队列的头部。车辆队列的平均长度为1km，间距任意变化(如之前所述)。在所有车辆完成传输后仿真结束。仿真之间的执行时间由于在每一跳上经历的不同退避时间而改变。

在简单扩散情况中，每车平均传输间隔为100ms，在网络中任意位置所发送的数据包之间的平均时间为0.8ms。使用本发明，每车平均传输间隔为1530ms，在网络中任意位置所发送的数据包之间的平均时间为6.51ms。这表示网络上业务流量有10∶1的降低。

图8示出了每车所发出的数据包数量随着数据包源附近的无线电范围而近似地循环，但是进一步沿着道路，传输负载变得平缓，因此均分了传输信息的开支。开始时的峰值还可能导致使用纯粹的基于距离的延时。

在1Mbps时进行了相同的仿真。在简单扩散情况中，每车平均传输间隔为209ms，在网络中任何地方所发出的数据包之间的平均时间为1.6毫秒。这是图7中所示的54％数据包损失的原因。

使用本发明的散布方法，每车平均传输间隔为1942ms，在网络中任何地方所发出的数据包之间的平均时间为6.5毫秒。这表示网络业务流量有大约4∶1的降低，即使是在54％的数据包丢失之后。

图9示出了在简单扩散法和本发明之间每车必须传输的数据包的数量的不同。在简单扩散曲线中所见到的传输负载急速下降是在网络接近饱和时数据包丢失增加的结果。这种级别的竞争不在27Mbps时存在，在图8中这是很明显的。本发明在1Mbps时实现了网络负载的明显降低。注意图8和图9中负载在数据包源附近的循环波动特性，和来自802.11 DIFS的随机性如何扩散到距离数据包源更远的负载。这些负载峰值，在跳数为例如小于五时，可以被一些在FDI中的额外随机性所缓解。

i＝(10×log(p_rx)-10×log(p_min))xt_s+r

                                      其中：

i＝扩散延迟间隔，

p_rx＝接收功率；

p_min＝最小接收功率

t_s＝间隔时间

r＝随机延迟偏移量

随机延时偏移量仅仅需要用于第一次重新传输，因为随后的转发者会根据接收强度或者距离的新分布而进行分布。除了降低在单个车辆上的负担之外，进一步的随机性减轻了网络对于小数量的通信元件和其相邻元件的依赖。

对于不同的数据包大小、重复率和车辆密集度(包括稀疏的车辆密集度)的性能结果都显示，所提出的路由协议改善了延时时间并降低了数据包丢失；尽管在稀疏车辆密度和负载不大的网络中的改善程度与密集的或者负载严重的网络相比不太明显。使用道路拓扑，所预期的网络负载降低由所示出的数据给予肯定。车辆安全应用，诸如电子道路信号或者紧急消息传送，可能传输信息的众多或者甚至连续副本。这种冗余会减少由非理想拓扑中的协议性能所导致的任何损失。网络负载的降低所假设的延时和可靠性改善也是证据。因此，对于车辆安全通信应用而言，使用所提出的路由协议是一种更加可行路由选择。

本发明的描述在本质上仅仅是说明性的，因此，不偏离本发明思想的各种改变也落入本发明的保护范围内。这种改变不会被看作是偏离本发明的精神和保护范围。

Claims (10)

1、一种用于在具有若干节点的自组织无线网络中散布消息的方法，该方法包括：

在所述网络的接收方节点接收输入消息；

对所述消息的重新传输进行调度，其中，所述重新传输的调度时间与所述接收方节点接收所述消息的信号强度成比例；以及

如果在所述重新传输的所述调度时间之前从所述网络中的不同节点接收到相同消息，则取消所述消息的所述重新传输。

2、如权利要求1所述的方法，其中所述调度包括：

确定所述接收方车辆接收所述输入消息的功率电平；以及

部分地基于所述功率电平，确定所述调度时间。

3、如权利要求2所述的方法，其中所述调度时间如下计算：

i＝(10xlog(p_rx)-10xlog(p_min))xt_s

其中，i为在已调度的重新传输之前的延迟时间，p_rx是接收所述消息的所述功率电平，p_min是所述消息能够可靠地被接收的最小功率电平，以及，t_s是用于发送消息的间隔时间。

4、如权利要求2所述的方法，其中，所述调度时间是从一张表中导出的，该表分别定义了接收消息的信号强度范围和唯一调度时间之间的关系。

5、如权利要求1到4中任意一项所述的方法，进一步包括：

如果在所述调度时间之前无法从所述网络中的不同节点接收相同消息，则在所述调度时间重新传输所述消息。

6、如权利要求1到4中任意一项所述的方法，其中所述自组织无线网络包括车辆间通信网络。

7、如权利要求1到4中任意一项所述的方法，其中所述自组织无线网络适合于军事应用。

8、一种用于在车辆间通信网络中的若干车辆之间传输数据包的方法，包括：

在所述网络中的接收方车辆接收数据包；

对所述数据包的重新传输进行调度，其中，给予所述数据包的调度优先级与所述数据包所关联的接收功率电平成反向相关；以及

如果在所述数据包的已调度重新传输之前从所述网络中的不同车辆接收到相同的数据包，则取消所述数据包的所述重新传输。

9、如权利要求8所述的方法，其中所述调度包括：确定从所述接收方车辆重新传输所述消息的延迟时间。

10、如权利要求9所述的方法，其中所述延迟时间如下计算：

         i＝(10xlog(p_rx)-10xlog(p_min))xt_s

其中，i为在已调度的重新传输之前的所述延迟时间，p_rx是接收所述数据包的所述功率电平，p_min是所述数据包能够可靠地被接收的最小功率电平，以及，t_s是用于发送数据包的间隔时间。

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