用以建立和组织ad-hoc无线对等网络的方法

专利名称：用以建立和组织ad-hoc无线对等网络的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在移动环境中通信的ad-hoc无线网络。更具体地说，本发明涉 及建立和维护移动装置到移动装置ad-hoc无线网络以实现准瞬时通信。
背景技术：
如今，无线技术已在生活各方面变得较为普遍，无论是无线家庭还是办公室网络、 本地餐馆、速食连锁店或旅馆处所谓的"热点"网络，或甚至是WiFi技术的全市性构建。 社会上推行无线的目的在于，提供对信息的可访问性和增加社会作为整体己通过广泛接 受和利用计算机网络(特别是因特网)而享受到的生产力。无线连网技术(例如， 802.11a/b/g)允许启用WiFi的装置如同其会在标准有线网络中那样彼此连接而没有电线 限制。人们可自由地保持连接到网络，而不管其在网络覆盖区域内的物理位置如何。
鉴于这一目的，若干城市已尝试为城市创建无线网络。举例来说，2004年7月29 日，Grand Haven, Michigan获得"美国第一 WiFi城市"的荣誉，其构建的全市性无线网 络覆盖该城市的6平方英里且向Lake Michigan中延伸15英里。许多市政官员将WiFi 视为用于吸引和保持商业的基础设施必需品，就像下水道、电力、电话和交通运输一样。 此类系统对于城市管理人员的益处有很多，从提供城市雇员间的通信到向所有市民提供 公共服务通知、报告和其它有用信息。
在为获得更强无线连接性的这种驱动下，日常生活的一个领域已经滞后。美国的道 路和公路基本上还停留在未由除基本卫星和蜂窝式电话系统以外的无线技术触及。然而， 将从美国道路上的无线网络技术构建中获得许多优点。最显著的优点是交通报告、安珀 警报、天气报告等，其能直接转继到所有可能受到影响的车辆。
另外，将汽车连网在一起实现关于可能影响附近其它车辆的车辆的信息的转继。举 例来说， 一辆汽车可能突然刹车；可立即将这一动作报告给刹车汽车后面的所有车辆， 从而允许其它车辆的驾驶员在较不紧急的情况下采取必要行动。这个方面清楚暗示了减少交通事故和堵塞的含义。这种类型的无线连网可出现在车辆安全应用的许多方面中， 包括(但不限于)紧急道路障碍警告、十字路口协调、隐藏车道警告、车道改变或合并 协助。
广义上可将车辆安全通信("VSC")分类成车辆到车辆通信以及车辆与基础设施通 信。在车辆到车辆通信中，车辆彼此通信而没有来自固定基础设施的支持。车辆在位于 彼此相同的无线电范围内时或在可能经由其它车辆进行多重跳跃转继时彼此通信。在车 辆与基础设施通信中，车辆在基础设施(例如，路旁无线接入点)的支持下彼此通信。 在此情况下，车辆也可仅与基础设施通信。
关键VSC性能要求包括低等待时间(大约100毫秒)和稳定处理量(或等效地，成
功接收警告消息的相邻车辆的百分比)，以便支持各种vsc应用(例如，避免碰撞)。
仅在移动车辆上安装无线天线且接着传输不协调通信将不能足以满足这些要求。具 体地说，通过传输不协调数据，无线波将充斥着多个消息，此将导致无线电波干扰，因 为无线电带宽是有限的。
因此，这些车辆将干扰彼此的传输且彼此竞争以获得无线电带宽来进行传输。另外， 所有消息将在所有方向上传播而不考虑所需传输方向。
另外，每个车辆不会与其它车辆的网络配置匹配。
高移动性和缺少内在关系使得将车辆先验配置到车辆群组中存在问题(例如，车辆 事先不知道关于其相邻者的任何信息)。必须以准实时方式在车辆间交换用于建立安全通 富所必需的所有信息，且群组中的车辆必须以准实时方式配置其自身，以使得可进行安 全通信。不协调车辆的高移动性意味着相邻者或车辆群组的频繁变化，且在车辆群组内 使用支持服务器(用于移动性、地址、名称、媒体会话)时构成困难。这些关键不同点
使得现有策略性ad-hoc连网技术不能直接应用于车辆群组以进行安全通信。
由于覆盖率、数据流量和等待时间问题，使用别处(例如热点)采用的WiFi方法是 不切实际的。中心城市周围的正常高峰时间通勤能产生多达3车道公路每1200米长有 600辆车的车辆密度。另外，所有这些车辆以30到60 mph的速率移动通过个别覆盖区 域。大部分无线系统未经装备来处理其网络中如此大的变化速率。
具体地说，当车辆进入覆盖区域时，其会需要由无线接入点或路由器识别和发布配 置指令。当车辆离开覆盖区域时，无线接入点或路由器将需要更新其记录来从其网络中 移除所述车辆。因此，车辆通过特定覆盖区域的速度决定每隔多久需要由无线接入点或 路由器广播更新信息(例如，握手)并由所述范围内的所有车辆对其作出响应。所有这些车辆同时传输信息可能非常容易地在短时间内击溃系统。
己进行了若干次尝试，以建立车辆到车辆通信网络。举例来说，FleetNet和 CarTalk2000两者均已开发了车辆到车辆通信网络。这两种系统均在每个车辆中使用GPS 系统，以获得位置信息并路由消息。FleetNet使用固定节点和移动节点两者作为"ad-hoc" 网络的基础设施。固定节点可充当服务器路由器、网关路由器和客户端服务器路由器。 多个固定节点的这种使用造成设立、维护和管理基础设施花费相当大的财务费用和额外 开销。另夕卜，FleetNet系统仅使用基于位置的路由和位置感知来转继消息。具体地说，作 为其系统的中枢，位置数据在所采用的通信协议中起决定性作用。
CarTalk 2000也使用基于位置的协议。参与基于CarTalk2000的车辆间系统的每个车 辆必须装备GPS装置以在任何给定时间检测其当前位置。另外，CarTalk2000使用多个 不同路由协议，例如拓扑信息路由、程序路由和反应式路由-例如ad-hoc按需距离-向量 协议、动态源路由、混合式路由等。这些路由协议中的每一者使用一组复杂且独特的协 议规则。
CarTalk2000系统的主要缺点在于发现相邻节点显著增加了带宽通信量。每个节点周 期性地将信标发送到其相邻汽车，从而报告其存在。在高通信量地区中，这将导致持续 的信标消息碰撞。
然而，这些GPS网络具有显著缺点。在高移动性车辆环境中，GPS信息快速变得过 时。为了执行GPS位置路由，车辆间不断变化的GPS信息的交换造成太多的协议额外开 销和无线带宽浪费。结果，此类GPS位置路由技术不能实现最小通信等待时间或持续的 多重跳跃处理量。
因此，需要创建一种ad-hoc网络，其能够实现严格的VSC性能要求且同时实现最小 通信等待时间或持续的多重跳跃处理量而不需要过量带宽和相当大的协议额外开销。

发明内容
因此，本发明的一个目的在于通过将多个移动装置分组成管理群组(例如，本地对 等群组("LPG"))来创建用于移动装置到移动装置通信的恰当通信边界，协调和转继消 息传输以及控制消息传播的范围和方向。另外，本发明的一个目的在于提供一种简单协 议，其用于建立和维护本地对等群组，动态分配识别和周期性更新移动装置的相对次序。
本发明揭示一种用于组织和维护用于多个移动装置之间通信的ad-hoc网络的方法。 所述方法包含以下步骤将所述多个移动装置分组成至少一个本地对等群组(LPG);基 于多个装置中的每一者在每个LPG内的相对位置而在每个LPG内对多个装置进行排序；和为所述多个移动装置中的每一者分配唯一识别符，其中所述唯一识别符部分基于相应 移动装置所位于的LPG。
存在两种类型的LPG，即固定LPG和动态LPG。固定LPG的位置和尺寸经预定且 编程到每个移动装置的存储器中。基于所述多个移动装置中的一者或一者以上的群集来 形成动态LPG。网络可包括固定LPG和/或动态LPG。
可将每个LPG划分成若干等效单元(EC),所述等效单元由一组位于彼此的一个跳 跃内的移动装置界定，以使得仅需要消息的一个传输到达EC内所述组移动装置中的任 一者。每个EC由等效单元标头(ECH)控制。
移动装置的相对位置经更新以说明由所述多个移动装置的运动引起的重排序。可通 过创建表示每个移动装置在每个LPG内的相对位置的位置向量来完成排序或重排序。
通过以下步骤来产生位置向量初始化位置向量；将经初始化的位置向量广播到加 入所述LPG的另一移动装置；由所述另一移动装置将其位置与所述广播中包括的位置信 息进行比较；基于所述比较而将所述另一移动装置的位置值插入到位置向量中；和将经 更新的位置向量广播到所述LPG内的所有其它移动装置。
或者，可通过以下步骤来完成移动装置的排序和重排序广播包括第一移动装置的 位置、既定消息方向的指示和广播时间的消息；由第二移动装置接收广播消息；基于所 接收到的广播消息来估计第一移动装置的位移；基于所估计的位移和第一移动装置的位 置来计算第一移动装置的当前位置；和将所计算的当前位置与第二移动装置的位置进行
比较。仅在确定第二移动装置是沿着既定消息方向时，第二移动装置才会转继或转发消 息。
每个移动装置的唯一识别符是特定针对LPG的。因此，当移动装置改变LPG时，改 变移动装置的唯一识别符。另外，位于两个邻近LPG的边界附近或邻近LPG的重叠区域 内的移动装置被分配有两个IP地址，以允许邻近LPG之间的通信。
此唯一识别符可以是IP地址。可基于与唯一 LPG识别和唯一移动装置识别连接的 预定网络前缀来分配IP地址。可使用散列函数来计算唯一 LPG识别和唯一移动装置识 别。或者，可从与所述多个移动装置通信的外部无线装置处提供唯一LPG信息和唯一移 动装置识别。
可根据一种类型的移动装置来对所述多个移动装置中的每一者进行分类，且可基于 此分类来分配唯一识别符。


通过参看下图将了解本发明的这些和其它特征、益处及优点，所有图中相同参考元 件符号指代相同结构，其中
图1说明根据本发明的两个本地对等群组的实例； 图2说明根据本发明的多个固定LPG; 图3说明根据本发明的多个动态LPG;
图4说明根据本发明实施例用于在"按需"基础上对LPG进行排序的方法；
图5说明根据本发明另一实施例对移动装置进行排序的实例；
图6说明根据本发明另一实施例用于对移动装置进行排序的方法；
图7说明LPG内的多个EC;
图8描绘根据本发明附着或嵌入在移动装置中的无线装置； 图9说明根据上文鉴定的实施例分配IP地址的实例； 图10说明根据本发明另一实施例的IP地址的格式；
图lla和llb说明为动态LPG中的移动装置分配IP地址的过程中所使用的两种不同 IP地址格式；
图12a、 12b和12c描绘根据本发明用于为LPG间通信分配IP地址的三个不同实施
例；
图13a和13b说明用于动态LPG的LPG内通信的IP地址的两种不同格式； 图14a和14b说明用于动态LPG的LPG间通信的IP地址的两种不同格式。
具体实施例方式
根据本发明，将节点或移动装置组织成可管理的群组。这些群组用于协调所述节点 之间的数据传输。基于相邻节点的相对位置或基于固定位置来构造所述群组。这种分组 或本地对等群组("LPG")是在单个LPG内以及在LPG之间路由无线电信号的基础。所 述无线电信号包括车辆安全应用和信息应用。
LPG的目的在于在相邻节点间构造协调度。这些相邻节点是具有无线通信能力的移 动装置。移动无线装置可以是PDA、膝上型计算机、手机或附着或嵌入有无线装置的移 动车辆。具体地说，移动装置包括具有相关联通信装置的车辆(所述通信装置安装在车 辆中或独立带进车辆中)以及携带通信装置的行人。
存在两种类型的协调度；第一类型是紧邻区域内的移动装置的紧密协调，其用于LPG 内通信以进行准瞬时消息传递。举例来说，发送紧急路障警告或另一类型的紧急或安全 消息将通过使用LPG间消息传递来执行。这些消息通常需要100 msec的等待时间。第二类型是松散协调，分组相邻的移动装置。这种类型的协调用于支持链接或互连 LPG间的LPG间通信。举例来说，LPG间通信可用于路面感知应用且用于扩展驾驶员的 视界。
LPG不仅可以支持高效且可靠的移动装置到移动装置通信，而且可以支持移动装置 到固定基础设施通信，使得移动装置和路面基础设施可集成为完整的通信网络。
图1说明两个LPG，第一 LPG 100分别包括四个节点110、 111、 112、 113。这四个 节点110、 111、 112和113中的每一者可向彼此广播数据。第二LPG 120分别包括节点 121、 122、 123、 124、 125和126。所述节点121-126中的每一者可向彼此广播数据。这 种类型的传输是LPG内传输且瞬时发生。LPG 100中的节点110-113可通过使用LPG间 通信而将数据广播到LPG 120中的节点121-126。所述两个LPG 100、 120形成ad-hoc网 络150。
存在两种类型的LPG，即固定LPG和动态LPG。固定LPG使用预先分配的群组位 置定义来分割移动装置。相反，动态LPG基于相邻移动装置的用于通信的(动态)无线 电覆盖来协调移动装置。
图2说明多个固定LPG (LPG 1-8) 200-207。每个LPG由特定位置或区域界定，艮P ， 如果无线装置或移动装置在区域1中，那么所述装置为LPG 1。如果无线装置或移动装 置在区域2中，那么装置为LPG2，以此类推。固定LPG的特定大小是设计选项，其取 决于各种因素，例如无线电天线的范围、通信范围、移动装置数目、陆地布局、环境条 件、交通型式和人口密度。固定LPG的位置和大小是固定的，然而，每个固定LPG可能 具有不同大小，这是由于交通型式和人口 (移动装置)密度在不同地方是不同的。通常， LPG大小应大于无线电通信范围，以允许多重跳跃通信。另外，为了有利于高效的LPG 间通信，固定LPG也可以与相邻LPG之间的区域重叠。所述重叠区域可具有灵活的大小， 以适于变化的情形(例如，不同的移动装置速度)。
根据本发明的一个实施例，固定LPG的边界基于预定区域(例如，邮政编码或区域 代码)。通常，邮政编码说明人口密度。区域的人口密度是区域内交通型式或移动装置数 目的良好指示符。
基于固定LPG的网络结构需要移动装置装备有全球定位系统(GPS)或一些其它位 置信息。这将允许移动装置识别或检测移动装置所属的固定LPG。当移动装置改变其位 置时，移动装置将改变固定LPG。因此，需要移动装置周期性地接收经更新的位置数据。 这个周期将取决于移动装置的运动速度或速率。移动装置将包括含有LPG及其位置的数据库。
固定LPG具有支持与无线基础设施集成以提供中枢接入或LPG间通信的显著优势， 即使当某些LPG是空的或在LPG内不具有许多移动装置时也是如此。
每个固定LPG被分配有唯一识别符，以促进通信。在本发明的一个实施例中，基于 LPG的邮政编码来分配固定LPG的唯一识别符。这种方法利用现存的邮政编码数据库。 因此，将无需创建新的识别编号。或者，在另一实施例中，可使用固定LPG的GPS坐标。 再次，所述方法将利用预定数据库。在另一实施例中，州和城市名称可用作LPG的唯一 识别符。或者，上文鉴定的实施例的任何组合可用于分配LPG唯一识别符。LPG的唯一 识别符用作移动装置的唯一识别符的一部分，如稍后将描述。
由于每个固定LPG区域是明确的，因而形成和命名LPG比动态LPG容易。另外， 在使用固定LPG时不考虑关于合并和拆分LPG的规则。
图3分别说明多个动态LPG (LPG A-E) 300-304。与固定LPG相反，动态LPG是 基于相邻移动装置的无线电覆盖而形成的，以使得移动装置可协调通信而无需担心移动 装置的精确位置。
由于动态LPG是基于无线电覆盖而形成的，因此LPG内的移动装置可始终经由单个 或多重跳跃传输而彼此通信。移动装置能够控制动态LPG的大小，以便将每个LPG中的 移动装置数目保持为适当较小，以使得可以低等待时间来高效地执行通信。另外，与固 定LPG相反，动态LPG确保每个LPG内的通信始终是可能的。
在一个实施例中，可利用一个或一个以上固定LPG或一个或一个以上动态LPG来创 建ad-hoc对等网络。在另一实施例中，可利用固定LPG和动态LPG两者来创建ad-hoc 对等网络作为混合式LPG网络。混合式LPG网络组合固定LPG和动态LPG的益处且同 时排除由单独采用每一者引起的问题。
固定LPG的益处之一在于根据区域容易地对移动装置进行分组和与基础设施互相作 用的能力。另外，固定LPG允许为每个移动装置简单分配寻址或唯一识别符，如稍后将 详细论述。另外，每个节点知道整个网络布局和结构。因此，可容易地追踪节点或移动 装置。
动态LPG存在若干优点。优点之一在于动态LPG不需要先验配置，这是由于网络是 基于节点群集而形成的。另外，动态LPG对于LPG形成、合并和分离也更为灵活，且一 旦形成，所有车辆可同时进行通信；因此，相邻移动装置之间的通信更加容易。
固定LPG的缺点在于其需要更成熟的路旁无线接入点、路旁网关、路旁数据存储装置(用于存放和检索)，这与不需要任何一者的动态LPG形成对比。
混合途径将利用路面布局。具体地说，当基础设施不可用时，使用动态LPG来形成 网络。当基础设施在某区域中变得可用时，可使用固定LPG来与动态LPG和基础设施一 起形成网络。
举例来说，基础设施(例如，路面基础设施)将实现路面-车辆通信或路面协助的通 信。这在使用固定LPG时特别有用。另外，路面基础设施将促进基础设施到车辆的通信。 这种类型的通信对于发布某些紧急信息(例如，隐藏车道警告、电子路标、路面条件、 铁路交叉警告、路线引导和导航、公路合并协助、十字路口碰撞警告和工作区警告)是 重要的。
存在两个主要LPG种类不具有排序的LPG和具有相对排序的LPG。在具有相对 排序的LPG中，移动装置中的至少一些移动装置意识到相邻移动装置的相对位置。此相 对排序是在LPG内路由消息的基础。对相邻移动装置的相对排序和相对方向的感知或知 晓将实现LPG环境中的高效消息路由。当消息是路面环境中的紧急消息时，此高效路由 是重要的。举例来说，车辆可指定警告消息去往LPG后部。LPG中发送车辆之前的车辆 无需接收或转继所述消息。由于车辆将知道相对方向，因而车辆可将消息引向恰当的方 向，从而减小所使用的转继通信量和带宽的量。
可从移动装置的相对次序中获得方向的感知或意识。在一个实施例中，在"按需" 基础上发生相对排序。在另一实施例中，周期性地维持相对排序。
图4说明根据本发明一个实施例在"按需"基础上对LPG进行排序的方法。过程在 步骤400处开始。第一移动装置广播包括移动装置的GPS位置、其当前速率和时戳，以 及既定消息方向的消息。在步骤410处，第二移动装置接收此消息。在步骤420处，第 二移动装置将估计第一移动装置的当前位置。这通过基于第一移动装置从其先前位置(已 知的)发生的可能位移估计第一移动装置的当前位置来完成。可从接收到的消息中直接 获取先前位置。基于所估计的速率和时间差来计算可能位移。由于接收到的消息包括时 戳，因而第二移动装置计算时间差，即从时戳至接收到消息的时间的时间差。这将需要 移动装置具有针对时钟和GPS信息两者的时间同步，即GPS装置是同步的。可以若干不 同方式来计算所估计的速率。在一个实施例中，第一移动装置的(瞬时)速率包括在由 第一移动装置发送的消息中。此速率可由第二移动装置用作第一移动装置的当前速率的 估计值。在另一实施例中，第二移动装置可使用其自身速率作为第一移动装置的速率。 或者，可使用预定的估计速率。所述预定的估计速率将预先存储在移动装置的存储器的数据库中，所述数据库可依据速度限制、时刻、位置、天气条件和布局而变化。第二移 动装置将用时间差乘以估计速率来获得可能位移。这个值是从先前位置发生的可能位移， 且用于调整第一移动装置的先前位置以获得第一移动装置的估计位置。
在本发明的一个实施例中，第一移动位置的位移具有定向分量。在此实施例中，所 估计的位移说明定向的变化。将在第一移动装置的行进方向上将距离变化添加到先前位 置。在一个实施例中，第一移动装置可在其消息中包括其GPS定向(例如，NW, SE35°) (以及其位置、时戳等)，且此定向信息由第二移动装置使用以估计精确位移。或者，在 另一实施例中，第二移动装置可通过利用本地布局信息来估计第一移动装置的定向(无 需第一移动装置发送任何定向信息)，即两个移动装置可沿着同一路面行进。因此，第二 移动装置可在第二移动装置正移动的方向上将所计算的位移添加到(第一移动位置)的 先前位置。
在步骤430处，第二移动装置将把第一移动装置的计算得的估计位置与其当前位置 进行比较，以确定所述两个移动装置的相对排序。
仅在确定第二移动装置是沿着既定消息方向时，第二移动装置才会转继或转发消息。 如果移动装置的位置和定向在发送移动装置与接收移动装置之间，那么所述移动装置是 沿着既定消息方向的。具体地说，第二移动装置将使用计算得的相对次序或位置来确定 第二移动装置是否沿着既定路径。
在一个实施例中，使用定向信息来确定第二移动装置是否沿着既定路径。此定向信 息由第二移动装置使用以导出第一移动装置的估计位置(如上所述)。 一旦确定了所述两 个移动位置之间的相对排序(如上所述)，则第二移动装置可通过使用包括在来自第一移 动装置的消息中的第一移动装置的定向及其自身的定向来确定其是否在第一移动装置的 既定消息传输路径上。举例来说，当两个移动装置均具有类似定向(即，沿着相同路面 行进)且第二移动装置在第一移动装置前面(由其相对排序确定)时，如果既定消息方 向是沿着相同定向的，那么第二移动装置将转发(第一移动装置的)消息，而如果既定 消息方向是相反定向，那么第二移动装置将不转发消息。在另一实施例中，在第一移动 装置不在消息中发送其定向信息的情况下，第二移动装置可估计第一移动装置的定向(如 上所述)，例如估计距先前位置的位移。 一旦已知所述两个移动装置的定向和相对排序， 则第二移动装置可以类似方式来确定其是否沿着第一装置的既定消息传输路径(如上所 述)。
如果第二移动装置不在所述路径上，那么将不转发消息。根据此实施例，对移动装置进行排序具有一个优点，即当移动装置的排序不重要时，带宽不会被排序请求充斥。
在本发明的另一实施例中，通过使用位置向量来周期性地更新移动装置的相对次序。 图5说明使用此方法对LPG进行排序的实例。图5描绘具有LPG位置向量V 510的LPG 500。所述LPG被映射成一维阵列或向量V 510。LPG 500的每个移动装置将具有向量ID， 此正是其位置索引V。如图5描绘，向量V 510表示移动装置的位置次序。在图5中， 存在六个不同相对次序1-6。箭头说明移动装置的运动方向(例如，交通流)。
位置向量V 510允许移动装置控制信息传输的方向。具体地说，可通过使用位置向 量V 510来在对等群组中路由信息。举例来说，如果如图5描绘的具有索引3的发送移 动装置指示其消息打算用于索引小于3的移动装置，那么只有索引j<3的移动装置才会 转继所述消息。这将通过指示消息打算用于索引小于j的车辆来完成。转继将一直持续 到消息到达LPG的后端边界节点或消息已达到最大跳跃数目时为止。可以类似方式来实 现前向方向上的信息传播。
另外，通过使用位置向量V510，也可有助于路由优先权。MAC层可基于此位置向 量510来产生访问优选权。 一般来说，在网络中，较高访问优先权将给予具有较低位置 索引的移动装置(在LPG前部分的移动装置)，这是由于在前面的移动装置更有可能观 察到警告事件并应该以较高优先权使用无线信道。
图6说明根据本发明实施例创建位置向量V 510的方法。过程通过在移动装置(例 如，节点N)加入LPG时初始化位置索引I而在歩骤600处开始。节点N通过从其它移 动装置处接收消息而与已经在LPG中的至少一个其它移动装置(例如，节点L)联系。 在步骤602处，节点N基于所接收的消息(其包括节点L的GPS位置)而了解节点L 的位置。节点N将所接收的位置信息与其自身的GPS位置进行比较，且基于所述比较而 将其自身插入到向量V 510中。节点N接着将新的位置向量V 510传输到所述LPG内的 其它移动装置，例如传输到节点L。举例来说，如果节点N在节点L前面，且节点L是 具有索引N的前端位置，那么在步骤605处，节点N向其自身分配值N-1作为其位置索 引，且成为LPG的新的前端。另一方面，如果节点N在节点L后面，且L是具有索引n 的后端位置，那么在步骤610处，节点N将向其自身分配值N+1作为其位置索引并接任 成为后端位置。
如果具有索引n的移动装置(例如，节点L)既不是前端也不是后端，那么节点N 正加入LPG的中部。节点N接着将在步骤615处通过将GPS与节点L进行比较而将其 自身插入到位置V中(如上文陈述)，且接着在步骤620处触发插入点后面的所有移动装置的索引中的任一者。插入点后面的其它节点接着将基于其GPS位置的变化来更新其位 置索引。
或者，与在新的节点或移动装置插入时自动触发其它移动装置的更新不同，向新的 移动装置分配索引n+l，且索引大于n的所有移动装置将使其索引递增1。
自动更新或递增位置向量V 510的另一替代方法是使预定位置区间内的其它移动装 置递增。这会减小索引更新的频率。向加入中部的节点N分配从n与n+K之间的值区间 处取得的索引，而无需使位置高于n+K的移动装置的索引递增。只有此区间(n与n+k) 内的移动装置才会需要更新其位置索引。
另外，可更新位置向量V510以维持移动装置在LPG内的相对次序(即， 一旦移动 装置已加入了LPG)。每个移动装置可周期性地更新其位置索引。可维持LPG内部的移 动装置的位置索引(i)，以使得位置向量V510包括移动装置在LPG中的当前相对位置。 具体地说，当由移动装置经过彼此而造成移动装置改变相对位置时，可更新位置索引。 当两个移动装置交换其相对位置时，交换移动装置的位置索引。举例来说，移动装置以 周期性间隔交换或广播其GPS位置，且如果其相对位置已交换，那么交换位置索引。可 基于网络类型、布局、时刻、交通型式和消息类型或LPG的位置来调整所述周期，例如 在出口/斜坡弯道(on ramp)或十字路口附近更新较频繁，且当移动装置处于出口/斜坡 弯道或十字路口之间时更新较不频繁。可通过增加更新间隔来减少用以维持排序一致性 的额外开销。
然而，GPS或位置信息的交换尤其在路面环境中具有其缺点。具体地说，LPG中移 动装置的数目可能使得大量GPS坐标被不断传送(试图保持相对位置的变化)。另外， 存在一种可能，即GPS坐标的错误可能与移动装置分离距离具有相同级数(on the same order),所以所得位置计算值可能不够准确。另外，以上方法需要大量的计算，且一般来 说，GPS信息在由其它移动装置接收到时已过时。
在另一实施例中，可通过使用消息和位置向量而不使用GPS信息来确定移动装置的 相对次序。如上文陈述，使用GPS途径来维持排序尤其是在移动装置数目较大的情况下 可能引发相当大的额外开销。在此实施例中，将LPG划分为若干较小群组或等效单元 (EC)。每个EC被分配有一个位置索引。EC是一组位于相同无线电覆盖内的相邻移动 装置。EC是LPG的片段，其对于所述EC内的所有移动装置具有相同的向量索引，且单 个消息传输可由所述EC内的所有移动装置接收。
EC形成为与其它EC链接，以通过使用EC作为基本单元来散布信息。图7说明LPG700内的多个EC (EC1-5) 701-705。所述EC 701-705可排列在LPG 700内以与无线电覆 盖重叠。在图7描绘的网络中，在EC间维持LPG的相对排序，以减少额外开销。另外， 每个EC将消息转继一次，以改进带宽效率。
举例来说，可通过单个包传输来到达EC内的移动装置。每个EC经组织而使得所述 EC中的某些移动装置可转继包(如果需要)。可在LPG内对EC进行排序，以使得消息 可沿着EC跳跃。具体地说，如果EC3 703中的移动装置想要发送包，那么所述移动装 置可将包传输(一次)到相邻的EC2 702和EC4 704，这可确保到达EC2 702和EC4 704 中的所有移动装置。此包可由EC2 702和EC4 704以每个EC—个包的方式转继到其各 自相邻者上。这种类型的邻域到邻域路由(neighborhood-to-neighborhood routing)(每个 邻域一个包)可使LPG内的包传输最小化。
EC由一个等效单元标头(ECH)维持并控制。每个ECH 711-715与其相邻ECH链 接，以使得LPG中的所有ECH 711-715直接或间接地串联链接。ECH 711-715以无线电 跳跃计数的次序而连接，且表示LPG的转发节点。只有ECH 711-715才负责转继消息， 这使不必要的通信量最小化。
在此实施例中，ECH对其自身进行排序，且维持其次序以完成对LPG的排序。每个 ECH通过广播预定消息来通知其存在于LPG中。此消息被周期性地广播并通告链接的 ECH的列表，即从广播者的观点来看在位置次序中包含一重跳跃、二重跳跃、三重跳跃。 所述列表由其它ECH接收，这促使其它ECH更新其列表并将列表存储在存储器中。非 ECH 720也更新其列表。这允许所有ECH列表彼此一致。列表表示每个ECH的相对次 序。这有助于确定运动方向和传输方向。
在一个实施例中，广播消息含有产生消息的源的ID、所述源可沿着依次连接的EC 的第一通信路径看见的的ECH节点的第一列表，且视情况也包含沿着依次连接的EC的 第二通信路径的ECH节点的第二列表。可提供额外列表，其中每个链接的ECH (LECH) 列表含有沿着以源ECH作为中心的依次连接的EC的一个支路或通信路径遇到的所有 ECH节点的ECH ID。
举例来说，每个ECH知道其直接相邻的ECH的相对位置，即EC 3 703的ECH分别 基于由EC 2 702和EC 4 704的ECH广播的列表或向量而知道EC 2 702和EC 4 704的 ECH在不同方向上。EC 3 703的ECH将广播其含有此信息的消息。另外，EC 2 702的 ECH分别基于由EC 1 702和EC 3 703的ECH广播的列表或向量而知道EC 1 701和EC 3 703的ECH在不同方向上。此信息将被组合并存储作为每个ECH所维持的一个列表。因此，通过使用ECH的相对次序，可在没有任何GPS信息的情况下在恰当方向上 路由消息。
或者，在另一实施例中，所有移动装置在关键方向(例如，前、后、左和右，加上 可能的对角线)上装备定向天线，且能够在这些方向上感测其它移动装置的存在。任何 移动装置可指示消息去往对等群组的后部，仅在其指向后部的定向天线上发送消息，且 接收此消息的移动装置可仅在其指向后部的天线上进行转继。此途径提供基本方向感知， 但不提供移动装置间的相对位置。
根据本发明的移动装置包括附着到或嵌入在移动装置中或与移动装置结合使用的无 线装置。图8描绘根据本发明的无线装置。根据本发明的无线装置包括计算装置800， 其具有广播构件802 (例如，无线收发器)以便在无线电覆盖范围中的节点之间提供无 线通信。另外，控制构件804 (例如，微控制器、微处理器等)经配置以便通过广播构 件802而从其它节点处接收信号并通过广播构件802将信号传输到其它节点。控制构件 804还通过执行指令而提供操作控制。存储构件806设置在计算装置800内，且与控制 构件804操作连通。存储构件806可为存储器模块、可移动媒体、多个存储装置的组合 等，且可经尺寸设定以存储所述实施例的协议执行所必需的处理器可执行指令。另外， 计时构件808被提供成单独组件或经由控制构件804的功能来提供计时构件808。计时 构件808提供所述实施例中提到的计时器中的每一者所必需的时间间隔追踪。加电构件 810(例如，电源)电连接到计算装置800的所有组件，以便在必要时向所述组件提供操 作功率。无线装置进一步包括内部时钟，其维持无线装置的时钟且用作所有消息的时戳。 另外，无线装置包括地址分配构件812和网络接口构件814。或者，地址分配构件812 可为控制构件804的一部分。
用于执行所述实施例的处理器可执行指令可嵌入在例如EPROM、快闪存储器或其它 此类非易失性存储装置的形式的存储构件806中。另外，处理器可执行指令可存储在计 算机可读媒体(例如，光学或磁性媒体)上，或可通过网络(例如，因特网)下载。优 选地，用户在必要时可周期性地更新处理器可执行指令，以便在其变得可用时向系统提 供额外增强。
每个移动装置将被分配有唯一识别符，以促进通过ad-hoc网络进行消息传输和接收。 唯一识别符可以是任何编号，所述编号被唯一分配到移动装置而使得LPG内的任何移动 装置均不被分配有相同的唯一识别符。如果必要，必须快速分配此识别符以支持即时通 信。如上文陈述，唯一识别符可为有利于通信的任何唯一编号或地址，例如MAC地址、VIN编号或IP地址；然而，出于实例目的，将论述IP地址的分配。通常，移动装置将 具有至少一个IP地址。然而，在一个实施例中，将把两个IP地址分配给移动装置，以 支持LPG内通信和LPG间通信两者。
在优选实施例中，IP地址将基于特殊网络前缀、LPG唯一识别符和移动装置的识别。 具体地说，可基于与对应于特定移动装置的唯一编号连接的预定网络前缀来分配IP地址， 其中唯一编号基于移动装置所在的LPG和对应于移动装置的编号。
尽管可使用用于为固定LPG和动态LPG两者分配地址的类似分配技术，但将单独针 对每种类型的LPG描述地址的分配。
对于固定LPG来说，在本发明的一个实施例中，IP地址可以是标准网络前缀以及与 MAC地址和VIN编号的散列值或一时间连接的LPGID。当地址空间存在限制(即IPv4) 时，使用散列函数尤其重要。根据此实施例，移动装置将分配其自身的IP地址。
在理想情形中，LPG将仅具有N个移动装置，其中N是最大地址空间，因为地址空 间上的限制将被认为是不重要的。这将允许为每个LPG简单地分配专有类别。LPG内的 每个移动装置将具有IP地址的不同下部部分。可在不同LPG中再使用此IP地址，只要 LPG不彼此靠近。
然而，通常LPG可能大于N个移动装置。因此，预定散列函数将被存储在移动装置 的存储器部分中。地址分配构件812将从存储器中存取此预定的散列函数，以分配IP地 址的下部部分。散列函数将把多个输入编号转译成M位编号，其中M是IP地址的下部 部分中的最大位数目。所述多个输入编号可包括VIN编号、MAC地址和移动装置加入 LPG的时间。
标准网络前缀是IP地址的上部部分。标准网络前缀也存储在存储器中。此外，IP地 址是特定针对LPG的。IP地址的一部分将用于识别移动装置所位于的特定LPG。包含 LPG位置和相关联的LPG ID的数据库也存储在存储器中。当移动装置进入新的LPG区 域时，移动装置将必须改变其IP地址以反映与所述LPG相关联的特定IP地址。固定LPG 的优点在于LPG位置是固定的且明确的。这使得LPGID的命名较简单。
或者，在本发明的另一实施例中，IP地址的一部分或整个地址可由LPG内的固定无 线装置分配。举例来说，IP地址的一部分可表示移动装置进入LPG的顺序或次序。这将 需要外部无线装置将顺序编号传输到进入的移动装置。可通过一种类型的询问-转继-回复 操作来建立连接。当新的移动装置进入LPG时，其将(通过广播)作出询问。所述询问 由所述LPG中的其它移动装置转继到预定的外部无线装置。外部无线装置可包括路旁网关装置、另一移动装置(例如，先导)或所述LPG内的第一移动装置。外部无线装置将 充当DHCP服务器。
外部无线装置将产生顺序编号或IP地址，且通过发送回复来对所述询问作出响应。 此顺序编号将用作IP地址的下部部分，来代替散列值。此顺序编号将与IP地址的上部 部分连接，如上文陈述。使用此方法，存在一种可能，即IP地址将随着由于移动装置的 恒定运动造成的顺序变化而不断变化。或者，可将整个地址传输到进入LPG的移动装置。
在本发明的另一实施例中，如果IP协议支持大范围的IP地址，那么IP地址可以是 与整个MAC地址或VIN编号连接的标准网络识别符。举例来说，使用IPv6协议，存在 大量的空间来为每个移动装置分配唯一地址而不需要散列函数。IP地址的上部64位可专 用于LPG ID，且下部EUI 64位可直接从MAC地址或VIN编号中计算得到。
IP地址的上部部分可包括标准网络前缀和唯一 LPG ID。下部EUI部分将包括MAC 地址或VIN编号中的每一者。
图9说明根据IPv4协议来分配IP地址的实例。图9描绘四个重叠的LPG，LPG1卯l、 LPG2卯2、 LPG3 903禾卩LPG4 904。 IP地址中的前两个三元组(triplet) 905表示标准网 络前缀"192.168"。标准网络前缀"192.168"对于网络内所有LPG均是相同的。第三三 元组卯6是LPGID且是特定针对LPG的。如图9中说明，LPG1 901、 LPG2 902、 LPG3 卯3和LPG4 904分别在第三三元组906中具有值1、 2、 3、 4。第四三元组907表示个别 移动装置的识别。此编号将基于移动装置而变化。可通过使用上述实施例中的任一者来 分配此编号。
图IO说明IPv6协议的IP地址的示范性格式。出于说明目的，与用于图9的LPG参 考元件符号相同的LPG参考元件符号将用于图10。上部部分1000被描绘为64位并表示 LPGID，且下部部分1001也是64位并表示移动装置的识别(EUI)。上部部分和下部部 分1000和1001两者对于每个固定LPG来说是不同的。
另外，如上文陈述，固定LPG之间可能存在某重叠区域，以使得移动装置平稳地改 变其LPG且支持进行容易的LPG间通信。在优选实施例中，在重叠区域中，每个移动装 置将具有两个IP地址以允许接达两个LPG。当移动装置靠近重叠区域时，地址分配构件 812将把第二IP地址分配到移动装置。具体地说，移动装置将把重叠区域的位置(其存 储在存储器中)与其当前位置进行比较，以确定所述移动装置位于重叠区域还是边界区 域中。移动装置具有网络接口构件814 (即，802.11卡)。物理无线接口可支持许多逻辑 接口。每个逻辑接口具有一个IP地址。因此，每个网络接口构件814可具有一个以上IP地址。可根据上文鉴定的实施例中的任一者来分配每个IP地址。
尽管可利用用于为固定LPG分配IP地址的类似技术，但为动态LPG分配IP地址在 本质上更具动态性。这是因为LPG的位置不再是固定的。另外，LPG ID不是固定的且 不断变化。此外，为LPG间通信分配IP地址对于动态LPG来说是不同的。
对于针对动态LPG的LPG内IP地址分配来说，所述技术与用于(对于IPv4)为固 定LPG分配IP地址的那些技术相当类似。图11a和llb说明IPv4协议的IP地址格式的 两个不同实例。在两种格式中，IP地址的上部部分(即，前两个三元组1100)由标准网 络前缀(例如，92.168、 10.0.和172.12)确定。在一个实施例中，标准网络前缀将是专 有地址。标准网络前缀将是地址的前两组三元组。
第三三元组1101是LPG ID。在一个实施例中，LPGID是随机产生的。第四三元组 是移动装置识别。可基于VIN或MAC地址1102a的散列函数(如图11a中说明)或移 动装置进入LPG 1102b的顺序(如图llb中说明)来分配此识别编号。上文已关于固定 IP地址分配描述了散列函数和顺序确定，且将不作进一步描述。
此IP地址将允许LPG内的通信(即，LPG内)；然而，必须将单独IP地址分配给 移动装置以进行LPG间通信。这将是公共IP地址。此公共IP地址可由充当DHCP服务 器的外部无线装置或充当DHCP的另一移动装置分配。此地址分配遵从移动装置(其充 当LPG的代表)与外部装置(其充当DHCP服务器)之间的DHCP协议。
在本发明的一个实施例中，为LPG内的一个移动装置分配公共IP地址以使用IPv4 协议进行LPG间通信。如图12a中描绘， 一个节点1202被分配有公共IP地址IPA 1204。 此节点1202可以是LPG内的第一移动装置，即被选择为先导或基于另一预定的选择标 准而选择的移动装置。或者，所述选择可以是随机的。其余节点1201将不被分配有公共 IP地址IPA 1204。
在另一实施例中，给定LPG内的每个移动装置将被分配有不同的IP地址。如图12b 中描绘，LPG 1200具有六个节点1201。每个节点1201将被分配有不同的IP地址IPA-IPF 1204-1209。
在第三实施例中，仅为LPG中所有移动装置分配一个全域公共IP地址。如图12c 中描绘，LPG 1200内的每个移动装置或节点1201被分配有相同的公共IP地址1204。此 公共IP地址1204可在全域范围内由其它移动装置辨识以便通过因特网进行通信。举例 来说，公共IP地址可为239.5.5.5。
对于IPv6协议来说，存在用于为LPG内通信分配IP地址的两种不同方法。使用IPv6协议，无线装置能够实现两个自动配置功能链接本地地址和路由器通告地址。
图13a和13b说明用于LPG内通信的IP地址的格式的两个不同实例。如图13a中描 绘，第一途径使用链接本地地址1300 (例如，fe80)。链接本地地址1300将是IP地址的 上部部分。下部部分(EUI 1302，其为64位)是从MAC地址和/或VIN编号中计算得到 的。然而，链接本地地址途径仅在LPG内有效，且需要第二额外地址来进行LPG间通信。
第二途径是使用站点本地类似(site local-like)途径或路由器通告地址(如图13b中 描绘)。网络将包括预定的移动装置前缀1301，其专用于移动装置网络或车辆网络。此 移动装置前缀1301将与LPGID组合成上部64位，如图13a中表示为"XXXX" 1303。 下部64位(EUI64 1302)将与图13a中的相同。因此，EUI64编号对于两种格式来说将 是相同的，且不同之处是ID地址的上部部分。
在两种格式中，LPGID用于地址的一部分。对于每个LPG来说，LPGID必须是唯 一的。根据本发明实施例，LPGID可以是随机分配的编号或由散列函数预定。散列函数 可计算LPG的位置(如果可用)、LPG内第一移动装置的MAC地址或LPG内第一移动 装置的VIN编号。
对于LPG间地址分配来说，在一个实施例中，外部无线装置用于分配IP地址的一 部分。外部无线装置可以是将其地址范围和前缀广播到LPG的任何装置，例如路旁网关 或边界路由器。可从那些网关(路由器)的通告中获得网络前缀。所接收到的网络前缀 1400将用于IP地址的上部部分，例如IP地址的全域目录。IP地址的下部部分可以是与 用于LPG内通信IP地址的EUI64 1302编号相同的EUI64 1302编号。
在另一实施例中，将创建预定车辆或移动装置前缀1301，并将其安置在每个移动装 置的存储器部分中。此移动装置前缀1301将与LPGID 1303组合成上部64位。LPG ID 对于每个LPG来说必须是唯一的。根据本发明实施例，LPG ID可以是随机分配的编号 或由散列函数预定。散列函数可计算LPG的位置(如果可用)、LPG内第一移动装置的 MAC地址或LPG内第一移动装置的VIN编号。IP地址的下部部分可以是与用于LPG内 通信IP地址的EUI64 1302编号相同的EUI64 1302编号。
在一个实施例中，任何移动装置可被分配有任何IP地址。在另一实施例中，可为不 同类别的移动装置保留特定IP地址。举例来说，紧急车辆可被分配有特定范围的IP地 址。此范围内的IP地址将为紧急车辆(例如，救护车、警车和消防车)预留。外部无线 装置或网关将意识到特殊移动装置，且将特殊移动装置或移动装置的分类的列表存储在 存储器中。这些特殊车辆必须使用特殊询问来请求IP地址。这将有助于来自紧急车辆的优先消息。换句话说，从特定范围的IP地址处产生的所 有消息将具有最高的传输优先权。
本文己参照特定示范性实施例描述了本发明。在不脱离本发明范围的情况下，所属 领域的技术人员可了解某些变化和修改。示范性实施例旨在说明而不限制本发明的范围， 本发明的范围由所附权利要求书界定。
权利要求
1. 一种用于组织和维护用于多个移动装置之间通信的ad-hoc网络的方法，其包含以下步骤(a)将所述多个移动装置分组成至少一个本地对等群组(LPG)；(b)基于所述多个装置中的每一者在每个LPG内的相对位置而在每个LPG内对所述多个移动装置进行排序；和(c)为所述多个移动装置中的每一者分配唯一识别符，其中所述唯一识别符部分地基于相应移动装置所位于的LPG。
2. 根据权利要求l所述的方法，其中步骤b包括基于所述多个移动装置的相对位置的 变化而对所述多个移动装置进行重排序，所述变化是由所述多个移动装置的运动引 起的。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中步骤c包括当移动装置改变LPG时为所述移动装 置修改所述唯一识别符。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中基于对所述多个移动装置的排序且进一步基于一 种类型的通信消息而在LPG内路由消息。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中所述唯一识别符是IP地址。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中步骤c包括当移动装置位于两个邻近LPG的边界 附近或位于所述邻近LPG的重叠区域内时分配两个IP地址，以允许在所述邻近LPG 之间的通信。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中至少一个LPG是固定LPG，所述至少一个固定 LPG具有预定的固定位置。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中所述LPG是至少一个动态LPG，所述动态LPG 是基于所述多个移动装置中的一者或一者以上的群集而形成的。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中将所述LPG划分成若干等效单元(EC)，所述等 效单元由在彼此的一个跳跃内的一组移动装置界定，以使得仅需要一次消息传输即 可到达所述EC内的所述组移动装置中的任一者，所述EC由等效单元标头(ECH) 控制。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中步骤b包含以下步骤创建表示每个移动装置在每个LPD内的相对位置的位置向量。
11. 根据权利要求5所述的方法，其中基于与唯一 LPG识别和唯一移动装置识别连接的预定网络前缀来分配所述IP地址。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中使用散列函数来计算所述唯一 LPG识别和所述 唯一移动装置识别。
13. 根据权利要求11所述的方法，其中从与所述多个移动装置通信的外部无线装置提供 所述唯一 LPG识别和所述唯一移动装置识别。
14. 根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤b包含以下步骤广播包括第一移动装置的位置、既定消息方向的指示和所述广播的时间的消息； 由第二移动装置接收所述广播消息；基于所述接收到的广播消息来估计所述第一移动装置的位移；基于所述估计的位移和所述第一移动装置的位置来计算所述第一移动装置的当 前位置；和将所述计算的当前位置与所述第二移动装置的位置进行比较。
15. 根据权利要求IO所述的方法，其中所述创建位置向量的步骤包含以下步骤初始化所述位置向量；将所述经初始化的位置向量广播到加入所述LPG的另一移动装置； 由所述另一移动装置将其位置与所述广播中所包括的位置信息进行比较； 基于所述比较而将所述另一移动装置的位置值插入到所述位置向量中；和 将经更新的位置向量广播到所述LPG内的所有其它移动装置。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中在接收到所述经更新的位置向量时，所述其它 移动装置中的至少一者基于其相对位置的变化而修改其在所述经更新的位置向量 中的位置。
17. 根据权利要求14所述的方法，其中当确定所述第二移动装置是沿着所述既定消息 方向时，所述第二移动装置将转继所述消息。
18. 根据权利要求1所述的方法，其中根据一种类型的移动装置对所述多个移动装置中 的每一者进行分类，且基于所述分类来分配所述唯一识别符。
全文摘要
本发明揭示一种用于组织和维护用于多个移动装置之间通信的ad-hoc网络的方法。所述方法包含以下步骤将所述多个移动装置分组成至少一个本地对等群组(LPG)；基于所述多个装置中的每一者在每个LPG内的相对位置而在每个LPG内对所述多个装置进行排序；和为所述多个移动装置中的每一者分配唯一识别符，其中所述唯一识别符部分的基于相应移动装置所位于的LPG。
文档编号H04W8/26GK101536581SQ200680001271
公开日2009年9月16日 申请日期2006年1月11日 优先权日2005年1月11日
发明者匹田敏郎, 约翰·李, 蔡升伟, 贾丝明·切尼卡拉-瓦格赫塞, 崴 陈, 马库斯·庞 申请人:泰克迪亚科技公司;丰田信息技术中心有限公司