CN1914864A - 同步消息传输的方法 - Google Patents

Abstract

为了提供一个用媒体访问协议来同步自组织网络的移动节点之间的消息传输的方法，其中该方法允许自己组织而不需要中央同步时钟，建议相互比较消息的长度和传输率，只有一个节点查明任何其它节点都不在发送消息的时候它才发送一则消息，并且一个接收两个冲突消息的节点将这个情况报告给那些发送节点。

Description

同步消息传输的方法

本发明涉及一个用媒体访问协议来同步自组织网络(ad-hocnetwork)中移动节点之间的消息传输的方法。

在移动节点的一个自组织网络中，这个自组织网络自己组织以便在节点之间来交换信息而不使用固定控制装置，消息经由无线电链路以无线方式在个体节点之间交换。特别地，这类自组织网络由道路交通中配备了适当的发射机/接收机的机动车辆和为本领域的技术人员所知的用于评估并创建所期望消息的其它装置形成。在这种情况下，每个机动车辆都可以被认为是自组织网络的一个移动节点。通过使用这样的网络，救护车有可能在趋近十字路口的时候通过交换对应信息让其它机动车辆觉察到它的存在，并且有可能让该十字路口保持空闲以便救护车迅速通过。而且，机动车辆可以交换它们各自速度的相关信息，以免在换道或并道的时候发生碰撞。

为此，诸如IEE 802.11协议之类的媒体访问协议被特别地使用，其无须使用中央控制装置就可以控制对普通通信媒体的访问。MAC协议的RTS和CTS部分对于克服“隐藏节点问题”和避免消息传输中的重叠是非常有用的。隐藏节点问题在两个节点从不同的方向趋近一个中间第三节点的时候出现，其中，两个趋近节点的发射/接收范围还没有重叠，因此这两个节点彼此无法察觉。该协议的RTS和CTS部分适用于点到点通信而不适用于点到多点通信。点到点通信又被称为“单播”操作，而点到多点通信又被称为“广播/多播”操作。一个类似的问题有关于确认消息的正确接收而出现。对等连接将被理解为意指一个发射机和一个接收机之间的通信。发射机首先发射一个RTS(请求发送)信号，其包括发射机和接收机这两者的地址。然后，接收机发射一个包括发射机地址的CTS(清除发送：Clear To Send)信号。结果，每种情况下的发射机和接收机都准备着在它们之间进行后续数据传输。网络的其它节点无意中听到RTS和CTS信号，并且因此它们自己在这期间将不获得用这些信号发射的任何通信。在这种情况下，隐藏节点问题被这样解决，即：由接收机发出的CTS信号也被处于该发射机范围内的节点接收到。如果接收机不发射CTS信号，则发射机也将不发射任何数据并且将通过发出一个新的RTS信号来开始一个新的尝试。

“广播/多播”操作中的消息传输对消息传输重叠的情况以及消息的错误接收很敏感，并且因此只有很低的容量。在一个没有中央控制装置的无线自组织网络中，参与节点的数量以及该节点之间的连接数量不断地改变。而且，外部情况也在不断地改变。

从2001年10月28-31日举行的军事通信会议，2001 MILCOM 2001，第二卷，1014-1018页公开的Gkhan Mergen和Lars Tong所著的“Receivercontrolled medium access in multihop ad hoc networks withmultipacket reception”，(参见1-3，2部分)[20011028 Mergen]和WO02/15485 A1，一个接收机控制消息传输的方法被知晓。然而在这种情况下每个发射机只有一个接收机，因此不支持多播操作。

在Lars Wischhof等人公开的：“Adaptive broadcast for travel andtraffic information distribution based on inter-vehicle communi-cation[20030609 Wischhof Lars]中，一个用于自己组织自组织网络的方法被描述，其中，每个节点的“发射间隔”都由每个节点适配到局部环境以便有效利用可用带宽。然而，由于潜在重叠可能不太容易被预见并且因此可能几乎不能避免，所以“发射间隔”的适配将破坏节点彼此之间的潜在同步。

在AndréEbner等人于2002年10月27-30日在夏威夷檀香山市举行的无线个人多媒体通信(WPMC′02)的第五届国际研讨会的会议录上公开的：“Decentralized slot synchronization in highly dynamic ad hocnetworks”中(参见1-3页)[20021027 Ebner Andre]，一个分散式时隙同步被建议，其中，一个节点的本地时隙根据所接收时隙被移动这些时隙的某个小部分。在这种情况下，个体的时隙之间存在一个空闲时间以便考虑时隙的不同长度。然而，这个空闲时间不足以补偿(本地和被接收)时隙之间的差异是可能的，并且这因此将导致重叠或消息丢失。

US 6,565,582 B1揭露了一则消息传输方法，其中，一个发射机和一个接收机以握手模式相互通信并且第三方的发射机/接收机被排除出对这个传输信道的访问。然而这个方法不支持多播操作。

WO 02/28020 A2公开了一个用于在消息传输期间经由一个节点来避免重叠的方法，其中，哪个节点正在哪个时隙中发送借助于已知的算法被确定。

本发明的目的是规定一种消息传输方法，借助于该方法，即使没有使用中央控制装置，个体节点与另一个之间的同步也成为可能。特别地，一个时分复用方法将被提供。

这个目的通过权利要求1中所规定的特征而被实现。

本发明的核心概念是被自组织网络的个体节点发送和接收的消息可以彼此做出比较，以便使得预测消息发送时间成为可能。而且，节点被彼此同步，因此它们在其中一个节点觉察到其它节点位于它的发射/接收范围的时候不会相互冲突或重叠。另外，一个接收两个彼此冲突的消息或与两个其它节点重叠的两个消息的节点把这个报告给这两个节点。当然，在三个或更多重叠消息的情况下，所有的发送节点都因此被接收节点通知。

在本发明的上下文中，本领域的技术人员可以用任何所期望的方式来执行消息的相互比较以及节点的同步，但是将优选地如下所述地来执行。

本发明的优点是不需要借助于控制装置中的内部时钟来同步自组织网络节点之间的消息交换的中央控制装置，因此特别地，尤其是存在于道路交通中的一个移动节点网络可以自己组织以便获得一个具有在该网络的个体节点或机动车辆之间交换的信息的最大吞吐量的网络。从而，一个稳定且可靠地操作的网络也能够被提供。

本发明的有利改进在从属的权利要求中被表征。

优选地，根据权利要求2，一个本领域的技术人员已知的TDMA类型的协议被用来在节点之间以时分复用方法交换消息而不使用中央同步时钟。在TDMA协议中，数据传输块或“帧”中的时隙确定连接以及发射机将发射它们的数据的时间。为了允许这个固定的访问，将被发射的消息以下列方式与另一消息进行比较：每个消息都必须有相同的长度。如果一个较长的消息将被发射，则它必须被拆分成许多分段；一个较短的消息借助于以缓冲信号的方式来“填充比特”或者借助于空填比特被带到合适的长度。而且，每个发射机都用一个对该发射机来说固定的消息传输率来发射它的消息。如果发射机没有将要发射的消息，则空消息可以被发射。在例如车辆的最后状态(就是说尤其是它的位置和速度)被发射的这种情况下，这能够被避免。另外，每个发射机/接收机都检查传输媒体以便查明在那时该媒体是否空闲，就是说没有其它数据或消息正在被发射。对媒体的访问根据802.11 MAC协议的DCF部分被控制。在成功地传输一则消息之后，在它再次根据DCF协议尝试访问该媒体之前，该节点等待取决于消息传输率的一段特定的时间。

如果所有的节点都用相同的消息传输率来发射，则所有节点的同步将被自动地实现，因为每个节点只有在其它节点没有发送的时候才将发送。然而，这在一个移动自组织网络的情况下却更加的复杂，因为新添加的节点与现有通信不同步而且不一定用相同的消息传输率来发射它的消息，并且从而可能破坏现有的同步。

按照权利要求3中说明的每个节点的消息传输率都有一个限制，特别是在节点数量小到足以让自组织网络的无线电频率可用带宽具有消息传输率可以起伏的足够的空闲容量的时候，网络节点的同步可以被实现。

虽然每个节点用为它确定的消息传输率来发送的需要并不是一个灵活的解决方案，但是它对于某些情况可能是有利的。在权利要求4中规定，节点发送一个存在信号以便例如让其它道路使用者了解这个机动车辆的存在。举例来说，这样的一个存在信号在一个特定射频上被发送，该射频上没有必须被交换的其它消息。该存在信号尤其可以包括一个标识码、一个位置信息项、一个速度和诸如机动车辆类型之类的其它信息。交通密度也可以从这些存在信号中推导出来。这可以例如从所有的存在信号和位置中来计算。如果发生事故，那么对应的报警信号将被大量的机动车辆发出以便让其它的道路使用者了解该事故。在这种情况下，机动车辆或节点在所有情况下都只有一个受限的消息传输率可用，以避免太多被发出的消息之间的重叠和网络崩溃。为了解决这问题，存在信号和一个报警信号可以彼此结合以便形成一个特定长度的消息，该消息只要求一个最大传输率。在正常的交通情况中，这个特定长度的消息可以几乎全部由机动车辆的相关信息或将被交换的信息组成，而不会造成网络过载。然而，如果发生一个事故，那么该存在信号可以用最大传输率来发射以便警告其它的道路使用者。

为了优化个体节点之间的消息传输，每个节点都如权利要求5中所述地具有一个个体的传输率。这可以通过定义一则消息时隙的帧来实现。帧长，即消息时隙的数量，被定义以用于整个网络。每个节点都定义它自己的帧的开始。然后，这个节点的消息传输率通过这个节点所占用的消息时隙的数量来定义。如果只用较低的速率来执行发送，则例如只有其中一则消息时隙被这个节点占用。在高传输率的情况下，多个消息时隙可能被占用。

权利要求6中规定，为了同步多个节点之间的消息传输，节点的一帧可以被临时转移以便在自组织网络中的其它节点不发送的时候进行发送。如果一个机动车辆接近一个现有的自组织网络，则这可能导致消息传输中的重叠，因为这个新的节点还没有同步。同步可以通过使用IEEE802 DCF协议来完成。这样的同步在节点只使用一帧的单个时隙并且不占用另一个节点的任何时隙的时候是特别适合的。通过一直等待到媒体空闲为止，新的节点用一个简单的方式找到一个时隙，即没有一个其它的节点正在发送消息。如果多个的时隙被新的节点占用，则已经被其它节点占用的那些时隙不得不被释放，并且消息传输率不得不被至少暂时地降低。查明一个时隙被另一个节点占用的节点假定它自己没有同步，然后终止消息在这个时隙中的传输，并且只在被它占用而没有被其它节点占用的剩余时隙中用一个较低的消息传输率进行发送。为了再次恢复到完全的消息传输率，一个完整的帧被监视以便发现空闲时隙并将它们用于它自己的消息传输。

已知一个可用射频的典型带宽为20Mb/s并且在自组织网络中例如有400个节点或机动车辆，这些可以用每50ms 1000比特来发射一个无线电消息。这对应于40％的带宽使用。一帧的持续时间在这种情况下将是50ms。如果在这种情况下，两个节点以100m/s的相对速度和100米的察觉范围彼此趋近，则一旦它们彼此同步并且不存在新占用时隙的重叠，它们就有90到95米的距离可用。因此，它们可以在它们移出范围之前彼此通信大约38帧。如果多个的节点以相向方向移动，比如国道上的机动车辆，则事实上它们之间不可能产生同步。在这种情况下，建议沿不同方向移动的节点或机动车辆在所有情况下用不同的无线电信道彼此通信，因此只有以同一方向移动的节点形成一个网络。

在IEEE 8002.11协议中，隐藏节点问题借助于RTS和CTS信号被解决。如果两个或更多指向接收节点的RTS信号彼此重叠，则该接收节点不会发射任何CTS信号，因此发送节点不发射任何数据而是以时间偏移的方式再次尝试建立通信。在多播操作中，RTS和CTS协议几乎没用，因为握手模式必须一个接一个地被执行用于每个接收机。代替向从中无差错地接收了RTS信号的节点发射一个CTS信号，我们建议接收节点完全相反地执行，即通知发射节点它们不应当发送。因为消息在帧中的消息时隙中被发射，所以查明了重叠的接收节点可以通知发送节点关于下一帧中的重叠。这可以用任何期望的方式来起作用。基本思想是消息时隙中的重叠在一帧中被查明，并且这将在下一帧中被通知到节点。因此，在下一帧中，它们进而又可以选择一个空闲时隙来发射消息。

通常，只有在两个节点之间直接连接或消息传输的情况下，接收节点接收到一则消息才通过一个确认报告来确认。如果消息被一个节点发射到大量的其它节点，则这样的确认不会发生，因为接收大量的确认报告耗时太长，因此不可能产生有效的通信。如果是具有定义数量的n个(时间)时隙的帧中消息传输的TDMA型结构，则给予了发射这样的确认的可能性。

这在于一个矢量由确认元素组成，其中，每个确认元素都被分配给一个该帧的时隙。

在一个时隙中发射消息的每个节点还发射一个具有(n-1)比特的确认矢量，其中，该矢量表示对在之前的(n-1)时隙之一中正确接收到一则消息的确认。从而可能的是，每个节点检查通信中涉及的所有其它节点是否都在一帧内正确地接收了它的消息，并且每个节点可以检查哪个时隙被占用。这可以不仅通过直接监视这个时隙中的消息传输来实施，而且还可以间接地通过解释接收到的确认矢量来实施。如果任何接收到矢量指出有一则消息没有被正确地接收，例如在时隙k中，则即便该接收节点自己没有在这个时隙中从其它节点接收到任何消息，这个时隙被标记为被该接收节点占用。在这种情况下，每个节点都监视是否时隙被消息占用，并且如果是，则监视哪些时隙被消息占用，那些是空闲的。

一个希望在新的时隙中发射消息的节点在该帧的一段时期中监视消息的交换以及例如被存储在一个适合的存储器中的关联确认矢量。通过这些信息，它可以直接地和/或间接地选择一个空闲时隙，如果有一个可用的话，其中，没有消息已经被发射。在这个时隙中，它在下一帧中发射它的第一消息并且还在下一个数据传输期间发射一个确认矢量。

如果在本领域的技术人员已知的R-ALOHA系统中，一个已经在之前帧中发射一则消息的节点暗中保留同一时隙以用于下一帧。

在节点在一个时隙中发射一则消息之前，它检查它是否已经从所有其它节点接收了对应的确认报告，所有的那些节点已经在之前帧中的这个时隙和新的帧中的时隙之间的时间内发射了一则消息。如果丢失了一个或多个确认报告，则这被该节点存储。如果在下一帧中，一个或多个已丢失的确认报告再一次没有被接收，则这与所存储的丢失确认报告比较，并且从中确定一个对应的确认报告是否在两个之前的数据传输周期中从一个或多个节点中丢失。因此，接收节点把这时隙标记为被另一个节点占用，并且该节点不将这时隙用于它自己的消息传输，而是选择另一个时隙。

一个类似的过程在F.Borgonovo，A.Capone，M.Cesana，L.Fratta在Mailand大学的发表中被描述：“ADHOC MAC：a new，flexible andreliable MAC architecture for ad-hoc networks”。在这种情况下，一个信息项被每个节点发射以便指出一帧中的被占用以及空闲时隙。如果该节点已经正确且完全地接收到一则消息，则一个时隙被标记为被占用并且在下列信息项中被示出。这对应于上述的确认矢量。

如果一个节点在该帧的相同时隙中从两个或更多的其它节点接收到一则消息，则被接收消息通常由于节点相互之间的距离不同而在它们的接收强度上有所不同，因此只有具有最大接收强度的消息被归类为被该节点正确地接收。在这种情况下，该接收节点为这个时隙发送一个确认报告。在这个出版物中，一个与从中正确地接收了该消息的节点有关的标识信号也被该接收节点发射。从而，在同一时隙中发送的节点可以在所有情况下清楚地查明是否该接收节点已经对于它发射的消息输出一个确认报告，不过仅仅对于具有正确接收的消息的一个发送节点是这种情况。

然而，通过把发射节点的标识包含在确认报告，将被发射的信息量被不希望地增加，因此消息传输容量被降低了。当一帧中提供了大量时隙时和/或当每个节点都具有一个全球唯一的标识码时，尤其是这样，这需要加密大量的比特。

因此，这个标识码在确认矢量中被省略，因此这个矢量包括精确的(n-1)个比特。诚然，在这种情况下原则上存在一些已经发射了消息的节点将接收到一个打算送给另一个节点的确认信号的可能性。尽管这将让确认消息的正确接收的方法不那么可靠，然而隐藏节点问题从而也被可靠地克服了。

对比起来，在上述的公开中，在错误的消息传输的情况下，例如在不是所有的被接收确认矢量都指示一个特定时隙的占用的情况下，这个时隙在下一帧中再次被释放以用于消息传输。根据本发明，这得以避免，因为只有在一个节点在两个连续帧中没有在特定时隙内接收到确认矢量时才释放一个时隙。通过省略一个用于正确地发送节点的标识码，将被接收节点发射的数据数量被降低，特别地，确认矢量在该帧中有n个时隙的情况下只具有(n-1)个比特，而不是至少n个元素。

应当理解，在节点自己组织的自组织网络中用于同步消息传输的方法可被用于任何系统。举例来说，集装箱码头中的集装箱可以配备合适的装置来形成一个节点，因此集装箱的货物流动可以被优化。优选地如权利要求8中所指定，该方法被用来控制一个交通流，以便个体的道路使用者或机动车辆之间的消息传输被优化并且特别是报警被可靠地发射到其它道路使用者。在自组织网络中，只要节点之间存在一个连接，任何期望的数据就都可以被交换，例如道路使用者之间的电话交谈。

本发明将参考附图中所示的示例实施例来进一步描述，然而，本发明并不局限于所述实施例。

图1示出了隐藏节点问题的一个例子。

图2示出了具有消息时隙的一帧。

图3示出了消息传输的同步。

图4示出了重叠的消息。

图5示出了重叠的消息。

图1示出了分别具有各自的无线电范围r的三个节点A、B、C，其中，节点A和C沿着剩余节点B的方向如箭头所示彼此相对运动。两个节点A和C之间的距离如此之大以至于节点A不能从节点C接收到任何信号，反之亦然。因此，它们两个同时发射一个可被节点B接收的消息是可能的。这类重叠被称为“隐藏节点问题”。如果这类重叠被节点B查明，则一个对应的信号被发射到节点A和C，然后它们使用另一个时隙以用于消息传输。

图2示出了在所有情况下都包括n个消息时隙的连续帧。在这种情况下，如垂直箭头所示，一个节点使用两个消息时隙(即第一个和第(n-1)个)来向其它节点发射消息。水平箭头示出一帧的长度。

一个自动同步在图3的上半部被示出，这发生在一个新的节点被添加到一个现有网络的时候。已经存在于网络中的节点2在时隙1和n-1中它的帧中发送，节点1和2的帧的开始是在不同的时候。新添加的节点1监视媒体直到没有消息正在被发送为止。从而，节点1的帧被一直移动到它想要发射一则消息的时隙4，根据时间来排列，因此它如右手侧所示地位于节点2的时隙1之后。

新的节点1的一个替代过程在图3的下半部中被示出。最初，新添加的节点1希望在它时隙2和4的帧中发射一则消息。当首先监视其它节点的消息传输时，它查明在其时隙4的时候媒体被节点2占用。然后，节点1把它的消息传输从它的时隙4移动到它的空闲时隙5，其如右手侧所示地对应于节点2的帧的时隙3。

图4示出了一个用于处理隐藏节点问题的例子。节点B查明了在它的时隙0中的消息传输的重叠，其中，节点A已经在它的时隙2中发射了一则消息并且节点C已经在它的时隙6中发射了一则消息。节点B在它的时隙3中发射了一则消息。一旦它已经查明这重叠，节点B就向节点A和C发射一个对应的信息项，其在所有情况下都可以包括一个用于这些节点的空闲时隙。发射这通告的方式可以根据需要来配置。其后，从图4的右半部可以看出，节点A在它的时隙4而不是时隙2中发射一则消息，并且节点C在它的时隙7而不是时隙6中发射一则消息，其中没有重叠。

一个替换的可能性在于，如图5中所示，节点B决定不再在它的时隙3中发射它的消息，而是在它的时隙0中发射它们。这进而也被节点A和C查明，因此然后这些节点在每种情况下都选择一个新的时隙以用于消息传输。节点B对消息传输时隙的改变被节点A和C理解成一个信号，即它们的消息已经发生了重叠。

为了减小在新的时隙占用的情况下两个或更多的节点使用相同的消息时隙来进行消息传输的可能性，该时隙可以从自由可用的时隙中随机地选择。而且，每个节点把被占用的消息时隙登记在时间序列中是可能的。为此，每个节点都携带一个占用列表，其中，对于每个时隙都存储一个之前帧中的占用。如果一个时隙没有被占用，则哪个节点不管在多少帧以前占用了这个时隙的事实也被登记。一个对应的例子在下表中被示出：

时隙号	被占用	节点号	多长时间没有被占用
				0	是	123
1	否	222	23
				2	是	342
3	否	143	20
				4	否	342	1

为了避免两个或更多的隐藏节点再次选择重叠时隙的情况，所述的每个节点都为它的消息传输只选择哪个还没有被其它节点占用的时隙，并且优选从已经长时间空闲的时隙中进行选择，即已经很久没有被占用的时隙，和/或最后被该节点占用的时隙，因为表中不存在当前的占用，即对于这个节点不存在“是”项。例如，如果时隙4在倒数第二帧中被当前正占用时隙2的节点342使用，而时隙1和3已经长时间空闲，则该节点可以从该后面的时隙中选择一个。

参考列表

A，B，C                         节点

1，2                            节点

r                               节点的无线电范围

Claims (9)

1.一种使用媒体访问协议在自组织网络的移动节点之间同步消息传输的方法，其特征在于

消息相互之间比较它们的长度和传输率，

只有当一个节点查明任何其它节点并未正在发送消息时，一则消息才被该节点发送，以及

接收两个冲突消息的节点把这个情况报告给发送节点。

2.权利要求1中要求的方法，其特征在于，使用了一个TDMA类型的协议。

3.权利要求1或2中要求的方法，其特征在于，一个节点只用最大传输率来发送消息。

4.权利要求1到3中任意一个所要求的方法，其特征在于，每个节点都发送一则存在消息。

5.权利要求1到4中任意一个所要求的方法，其特征在于，每个节点都具有一个个体传输率。

6.权利要求1到5中任意一个所要求的方法，其特征在于，一个节点的一帧被临时偏移。

7.权利要求1到6中任意一个所要求的方法，其特征在于，接收两个冲突消息的节点向那两个发送节点通知它们不应该在这个时间点发送。

8.权利要求1到7中任意一个所要求的方法，其特征在于，一个确认矢量被用来确认节点之间的连接。

9.权利要求1到8中任意一个所要求的方法用来控制交通流的使用。

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