通信网络中的信息散发方法

专利名称：通信网络中的信息散发方法
技术领域：
本发明涉及一种通信网络中的信息散发方法，优选地用在车载自
组织网络(VANET)中，其中，通信网络包括多个通信节点，这些通 信节点知道它们的地理位置，并且，散发过程由节点之一一一发起方 节点通过以下方式发起向要将信息散发至的相关区域内的特定节点 一一第一转发方节点发送包括要散发的信息在内的单播消息。
背景技术：
移动通信网络中的信息散发是一项至关重要的任务，特别是在如 VANET (车载自组织网络)之类的车载移动网络中，需要可靠的策略 来将消息传递到位于特定地理区域内的全部车辆。首要地，这适用于 与危险事件(例如，交通事故或者雨凇形成)有关的安全消息的情况。
信息散发的最简单策略是所谓的泛洪机制。泛洪是指要传递的信 息由节点来广播，每个接收信息的节点再次对该信息进行广播，以此 类推。然而，泛洪造成了大量的开销以及大量的分组碰撞，这被称作 "广播风暴问题"。尽管有解决该问题的建议，但并没有高度相关地处 理要散发的信息所经历的延迟。然而，特别是在VANET中，由于与 安全有关的信息的可能非常关键的性质，因而需要较短的延迟。
应用于车载运动情景，特别是高速公路环境的另一种更完善的方 案是PBR (基于位置的路由)。PBR使用通信节点的地理位置来决定 应当沿着哪个方向转发消息。为此，现有的PBR协议使用信标消息， 信标消息允许每个节点经由无线电广播向其所有相邻节点通告其地址 和地理位置。每当节点从相邻节点接收到这样的信标消息时，它就将 该节点的地址和位置存储在其相邻节点表格中。当节点必须转发分组 时，该节点使用该表格来确定应当将分组转发至的哪个相邻节点，以 向最终目的地前进。通常，这个决定基于几何启发式方法，通过选择使与目的地的剩余距离最小的相邻节点来进行。该过程被称作"贪婪 转发"。尽管基于位置的路由由于其单播、点对点特性而成为相当快的 机制，但它在对分组丢失(例如，由于衰落效应或分组碰撞而引起) 的鲁棒性方面存在缺点。对此，鉴于车载环境中挑战性的传播条件以 及潜在地高信道载荷，PBR仅在有限程度上适用。
此外，为了执行单播分组转发，已提出了基于竞争的转发(称作
CBF)。与PBR相比，CBF不需要发送信标消息。取而代之地，节点 广播数据分组，在其通信范围内的所有节点接收到该数据分组。在接 收节点当中，通过分布式的、基于定时器的竞争过程来选择实际转发 方节点，该分布式的、基于定时器的竞争过程允许最合适的节点转发 分组，而所有其他接收节点的潜在转发受到抑制。己经表明，在具有 随机的路点(way-point)移动性的一般二维情景中，CBF在性能上优 于PBR。在高度移动的情景中，CBF的性能优势最为明显。
然而，由于基于定时器的竞争机制引入到分发过程中的延迟，证 明了 CBF的缺点。特别是在高速公路情景中，其中通信节点高速移动 并且与生命有关的安全信息的分发非常重要，因此，CBF不构成适当 的解决方案。

发明内容
因此，本发明的目的是改进并进一步发展最初描述的一种通信网 络中的信息散发方法，通过采用易于实现的机制来最小化传播延迟并 显著增强对不确定性的鲁棒性。
根据本发明，上述目的是通过包括权利要求1的特征的方法来实 现的。根据该权利要求，该方法的特征在于，相关区域中接收由发起 方节点向第一转发方节点发送的消息的其他节点分别挑选转发方节 点，并根据基于定时器的竞争过程来将消息单播重传至挑选出的转发 方节点。
根据本发明，首先已认识到，信息散发的纯PBR机制不能满足特 殊情形下(例如，在与生命有关的安全应用的情况下)所需的要求。 此外，己经认识到，PBR的不足之处是由该过程的纯单播性质引起的。单播是指利用消息首部中的特定目的地地址、经由广播介质来发送消 息。根据情景和配置，这可能导致不可容许数量的分组碰撞。因此， 根据本发明，接收由发起方节点向第一转发方节点发送的消息的节点 不丢弃消息。事实上，这些节点中的每一个分别挑选适当的转发方节 点，并根据基于定时器的竞争过程将消息重传至其挑选出的转发方节 点。应当注意，这些转发方节点可以与由发起方节点挑选出的第一转 发方节点相同或不同。
单播的基于位置的路由与基于竞争的转发相结合，确保了具有对 不确定性(如碰撞和传播现象)的高鲁棒性的信息散发。根据本发明 的方法以如下方式提供了冗余:未能从发起方节点正确发送至第一转 发方节点的消息不会丢失，而是由合适的相邻节点来重传。
根据本发明的方法最适合具有挑战性传播条件和较高信道载荷的 高度移动的情景中的应用。然而，对于本领域技术人员来说显而易见 地，本发明不限于这样的应用。事实上，根据本发明的方法可以应用 于可靠且高效的信息散发至关重要的上述类型的任何通信网络中。
有利地，必须将信息散发至的相关区域是由发起方节点根据要散 发的信息的类型来定义的。通常，希望传递消息的发起方节点知道相 关环境，因而该发起方节点负责定义相关区域，在该相关区域内，要 散发的信息可能是很重要的。例如，发起方节点可能已检测到在两个 行驶方向上都具有分离车道的高速公路上的交通事故。在这种情况下， 发起方节点可以将相关区域定义为从事故发生地点沿与运动方向相 反的方向延伸例如500米或1000米长度的区域。在具有不分离车道的 乡间公路或乡村公路的情况下，可以将相关区域定义为从事故发生 地点沿公路的两个方向延伸的区域。
在一个有利方式下，相关区域被包括在由发起方节点发送的消息 中。因此，向散发过程中涉及的所有节点通知该相关区域，并且，所 有这些节点都可以考虑该信息。
在另一有利方式下，发起方节点基于相关区域来定义至少一个信 息传播方向。在上述关于交通事故的示例中，信息散发方向最适合对 应于公路沿两个行驶方向中任一方向或两个方向的延伸。在十字路口的情况下，信息散发方向可以对应于分岔路线的延伸。在相关区域基 本呈圆形的情况下，发起方节点可以例如定义总共四个信息传播方向， 例如，每个相隔卯。。
发起方节点可以基于信息传播方向来挑选向传播方向具有较大 (或优选地为最大)正前进距离的节点作为第一转发方节点。对于该 挑选过程，发起方节点可以定义转发区域，仅该转发区域内的节点可 以进入转发方节点挑选过程。转发区域可以由对消息接收提供了特定 可配置可能性的范围来限制。消息的相关性越高，可以使转发区域的
大小越小。在任何情况下，都应当考虑到所涉及节点的具体SINR(信 号与干扰和噪声之比)以及发送功率。
在优选实施例中，第一转发方节点在接收到消息后，也定义转发 区域并挑选转发区域内向传播方向具有最大或至少较大正前进距离的 节点作为第二转发方节点。此后，第一转发方节点向第二转发方节点 发送消息，以此类推。可以重复该消息转发过程，直到达到相关区域 的末端为止。应当注意，该转发方式不包括任一跳中的任何附加延迟。 有利地，在将消息转发至下一转发方节点的每一转发过程之后，根据 基于定时器的竞争过程来对消息执行重传。换言之，每当在从一个转 发方节点向下一转发方节点进行的单播的、基于位置的转发的环境下 转发消息时，接收到消息的那些节点分别独立地挑选适当的转发方节 点，并根据基于定时器的竞争过程将消息重传至相应的转发方节点。
关于节点知道其地理位置，优选地，通信节点布S有用于确定其 当前位置的装置。在VANET中，例如，能量消耗和小型化并不代表 关键特征，因此，节点可以配备有导航系统，例如GPS系统。
此外，可以向通信节点提供与相邻节点的地理位置有关的更新的 信息。为此，可以使用在其他安全机制的环境下由通信节点周期性发 送的信标消息。从而避免了任何妨碍无线介质(无线电广播)的附加 开销。通过主动(proactive)发送状态消息，每个节点经由无线电广 播向其所有相邻节点(即单跳发送范围内的节点)通告其地址和地理 位置。每个节点可以例如包括更新该信息的相邻节点表格。信标频率 可以适于网络内的移动性程度。状态消息可以包括与相应节点的速度、运动方向和/或类似参数有关的附加信息。
有利地，以混杂模式操作所有通信节点。因此，在以广播模式发 送所有消息时，所有消息一一甚至单播消息——都将由消息发送方的 通信范围内的所有节点接收。因此，使最大数目的节点能够参与竞争 过程。
在优选实施例中，竞争过程实现如下
接收由发起方节点或任何转发方节点发送的消息的每个节点可以 启动定时器。对于每个节点，将竞争周期设置为与节点相对于消息发 送方沿传播方向前进的距离成反比。换言之，节点与相应转发方节点 之间的距离越大，竞争周期就越短。只要一达到节点竞争周期的结尾， 节点立即可以以广播模式将消息重传至其挑选出的下一转发方节点。 这样，不仅实现了冗余，同时还确保了沿传播方向具有最大前进距离 的节点将首先重传消息。从而将竞争过程所引入的延迟保持尽可能低。
为了停止竞争过程，每个节点可以配置有最大重传次数。在这种 环境下，每个节点可以运行每当节点接收到消息时增大的计数器。当 竞争过程所涉及的节点之一的计数器达到最大重传次数时，可以中断 竞争过程。最大重传次数的值可以由发起方节点根据要散发的信息的 类型来定义。在(通常不关键的)交通应用的情况下，可以将最大值 设置为例如1，以使得除了相应转发方节点外，仅有一个其他附加节 点重传消息。应用越敏感，最大值就可以被选择得越大。例如，在安 全应用的情况下，可以将最大值设置为3甚至更大的值。
作为附加的或备选的参数，可以考虑转发区域的大小来定义最大 重传次数。通常，转发区域的大小越大，最大重传次数的值就应当被 选择得越大。这样，由较大的转发区域引起的较低的消息接收可能性 可以通过更加冗余的竞争过程得到补偿。
在相关区域内部进行网络划分的情况下，可能会发生要散发的信 息不能完全覆盖相关区域的情况。然而，这可以是一种设计选择，艮P， 必须向相关区域内的节点通知短暂危险。在对网络进行划分并且信息 在更长时间内"有效"的情况下，未收听到来自传播方向的重传的节 点应当存储信息，并在检测到新相邻节点时转发该信息。有多种方式来有利地设计并进一步发展本发明的教导。为此，需 要参考从属于权利要求1的本专利的权利要求以及另一方面由附图示 出的以下对本发明实施例优选示例的解释。结合借助于附图对本发明 实施例优选示例的解释，将解释本发明教导的一般优选实施例以及进 一步发展。


仅有的附图是根据本发明的在通信网络中的信息散发方法的应用 情景的实施例的示意图。
具体实施例方式
更详细地，该附图示意性描述了通信网络l的一部分。在所示的
具体实施例中，通信网络l是车载自组织网络(VANET)，包括用作通 信网络1的通信节点N的多个车辆。对此，词语"车辆"和"节点"在 该示例的环境下的作为同义词使用。节点N配备有无线技术，使其可 以通过无线电广播来互相交换信息。具体地，该附图示出了具有通过 防撞护栏4而彼此分离为两个行驶方向的行车道2和3的高速公路情景。
车辆O检测到路上的危险，例如，车辆O经历了事故或者检测到 雨凇的形成。在检测到危险事件后，车辆O立即发起信息散发过程， 以警告其他车辆N。为此，车辆O (以下称作发起方节点O)定义相关 区域RA。相关区域是以卞地理区域其中，发起方节点O要散发的信 息可能与其他车辆N相关。在例如检测到雨凇的情况下，在另一行驶 方向上的行车道上也很可能存在雨凇。因此，相关区域应当从发起方 节点O沿两个交通方向延伸。在附图所示的实施例中，发起方节点O 经历了事故。由于该信息仅对随后的车辆具有重要性(由于防撞护栏4 分离了交通方向)，因而相关区域从发起方节点O仅沿与运动方向相反 的方向延伸。可以根据通信节点N的平均速度来配置相关区域的长度。 在具有较高速度的高速公路情景中，该长度可以被设置在500米至2000 米之间的范围内。
在以下描述中，假定所有节点N都通过发送包含位置、速度、方向等在内的周期性状态消息(信标)来获知其周围节点N的位置。还 假定任何节点N的发送覆盖了公路的完整宽度，并且所有节点N都被设 置为混杂模式。混杂模式是指每个节点N原则上接收其通信范围内的 任何其他节点所发送的所有消息。
在己定义必须将信息散发至的相关区域后的下一步骤中，发起方
节点o产生包括要散发的信息在内的消息。通常，要散发的信息包括
检测到的危险的类型、检测到的危险的位置、以及时间戳。接下来，
发起方节点O定义转发区域FA。转发区域FA是某种鲁棒性较高的范
围，由于与其他节点的可能的干扰，并且考虑到成功地对发送进行解 码所需的无线卡而指定的具体SINR (信号与干扰和噪声之比)，该范 围提供足够高的消息接收可能性。因此，转发区域小于确定/理想的通 信范围CR。由此，可以增强散发过程的可靠性和充分性。实践中，根
据交通密度和/或平均速度，和/或根据发起方节点o的发送功率，禾口/
或根据应用的灵敏度等等，可以确定转发区域FA的大小。
信息的快速散发是通过单播的、基于位置的方案来执行的，该方 案选择转发区域FA内的已知节点，该已知节点提供相对于信息传播方 向的最大(或至少较大)的正前进距离。发起方节点N将消息转发至 所选节点，所选节点被称作第一转发方节点F1。只要有足够的节点N 提供完全连接性就重复该机制，直到相关区域被完全覆盖为止。换言 之，第一转发方节点F1定义新的转发区域，并将消息转发至该区域内 提供相对于信息传播方向的最大(或至少较大)芷前进距离的第二转 发方节点F2。为了清楚起见，附图中并未示出第二转发方节点F2和任 何另外的转发方节点Fn。与竞争方式相比，由于竞争方式可能在每一 跳中包括附加延迟，因而这种转发是非常快速的。
由于车辆环境中存在的衰落现象以及潜在的碰撞，因此以广播方 式来重传消息，以提高散发方案的可靠性。重传机制将利用竞争周期 来改进其可靠性。位于转发区域FA内的、接收所散发的消息的所有节 点C1、 C2、 C3 (不仅是被指定为通过前述单播的、基于位置的转发方 案对消息进行转发的节点)将在接收到该消息后开始基于定时器的竞 争周期。为了改进节点间的协调，可以将竞争区域定义为节点周围与转发区域FA具有相同半径的圆。节点的竞争周期可以被设置为与相对 于发送方沿传播方向的前进距离成反比。换言之，节点与相应转发方
节点F1、 F2、……、Fn距离越近，其竞争周期就越短。在附图所示的 示例中，节点C1的竞争周期将短于节点C2的竞争周期，而节点C2的竞 争周期将短于节点C3的竞争周期。到达竞争周期结尾的节点使用由该 节点挑选的转发方节点的地址作为目的地地址来重传消息。在附图所 示的示例中，节点C1可能挑选节点P作为转发方节点，这是由于在节 点C1看来，节点P提供了向传播方向的最大正前进距离。
为了控制发送至中间节点的重复或复制，从位于其鲁棒性高的范 围内的节点接收消息将取消其竞争过程(如果竞争过程正在运行)。为 了改进可靠性，每个节点可以配置有最大重传次数。在后一种情况下， 在(正在散发的消息的)每次接收或发送事件后，将重新启动竞争过 程，直到达到预定义的最大值为止。
作为总结，以下提出顺序的示例性说明。
1. 车辆(发起方节点)检测到安全威胁并选择用于散发的相关区域。
2. 发起方节点从其相邻节点表格中选择"下一转发方节点"，即 转发区域内提供沿散发方向的最大地理前进距离的节点。
3. 发起方节点发送广播消息，包括
-用于散发的相关区域； -发起方节点自身的位置； -"下一转发方节点"的ID。
4. a."下一转发方节点"立即转发具有新的"下一转发方"的消
息；
b.在"转发区域"内，消息的所有其他接收方开始与前近距离 成反比的竞争周期。
5. a.当竞争周期结束时
-发送具有"下一转发方节点"ID的消息； -重新开始竞争(直到特定的最大值)。 b.如果接收到消息的次数等于特定的最大值，贝U:-取消竞争。
受益于前述说明书和关联附图中提出的教导，本发明所属领域技 术人员将会想到这里阐述的本发明的许多修改和其他实施例。因此， 应当理解，本发明不限于所公开的具体实施例，并且修改和其他实施 例应当包含于所附权利要求的范围内。尽管这里采用了特定术语，但 这些术语仅用在一般性和描述性意义上，而并不用于限制目的。
权利要求
1.一种通信网络中的信息散发方法，优选地用在车载自组织网络VANET中，其中，通信网络(1)包括多个通信节点(N)，所述多个通信节点(N)知道它们的地理位置，并且，散发过程由节点之一——发起方节点(O)通过以下方式发起向要将信息散发至的相关区域(RA)内的特定节点——第一转发方节点(F1)发送包括要散发的信息在内的单播消息，所述方法的特征在于，所述相关区域(RA)内接收由发起方节点(O)向第一转发方节点(F1)发送的消息的其他节点(C1、C2、C3)分别挑选转发方节点，并根据基于定时器的竞争过程来将所述消息单播重传至挑选出的转发方节点。
2. 根据权利要求l所述的方法，其中，所述相关区域(RA)是由 发起方节点(0)根据要散发的信息的类型来定义的。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述相关区域(RA) 包括在由发起方节点(0)发送的消息中。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，发起方节点 (0)基于所述相关区域(RA)来定义至少一个信息传播方向。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，发起方节点 (0)定义转发区域(FA)，并且，发起方节点(0)将所述转发区域 (FA)内向所述传播方向具有最大或至少较大正前进距离的节点挑选为第一转发方节点(Fl)。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中，第一转发方节点(Fl)在 接收到所述消息后定义转发区域，并且，第一转发方节点(Fl)将所 述转发区域内向所述传播方向具有最大或至少较大正前进距离的节点 挑选为第二转发方节点。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中，重复消息转发过程，直到 达到所述相关区域(RA)的末端为止。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中，在将所述消息转发至下一 转发方节点的每一转发过程之后，根据基于定时器的竞争过程对消息执行重传。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，通信节点(N) 布置有用于确定它们的地理位置的装置。
10. 根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，通信节点(N) 具有与相邻节点的地理位置有关的更新的信息。
11. 根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，通信节点 (N)发送周期性的状态消息。
12. 根据权利要求ll所述的方法，其中，所述状态消息包含与相 应通信节点(N)的位置、速度、运动方向和/或类似参数有关的信息。
13. 根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，通信节点 (N)在混杂模式下操作。
14. 根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，针对接收由 发起方节点(0)或任何转发方节点(Fl)发送的消息的每个通信节 点(Cl、 C2、 C3)来设置竞争周期，所述竞争周期与所述节点(Cl、 C2、 C3)相对于所述消息的发送方(0、 Fl)沿传播方向的前进距离 成反比。
15. 根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中，接收由发起 方节点(0)或任何转发方节点(F1)发送的消息的每个通信节点(C1、 C2、 C3)在接收到所述消息后启动定时器。
16. 根据权利要求14或15所述的方法，其中，每个通信节点(C1、 C2、 C3)在它的竞争周期的结尾处立即以广播模式来重传所述消息。
17. 根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其中，每个通信节 点(N)运行计数器，每当节点(N)接收到所述消息，所述计数器增 大。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中，当所述竞争过程涉及的 通信节点(Cl、 C2、 C3)之一的计数器达到可配置的最大值时，中断 所述竞争过程。
19. 根据权利要求18所述的方法，其中，最大重传次数的值由发 起方节点(0)根据要散发的信息的类型和/或根据所述转发区域(FA) 的大小来定义。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中，最大重传次数的值 在交通应用的情况下被设置为1 ，在安全应用的情况下被设置为3或被 分配以更大的值。
全文摘要
本发明提供了一种通信网络中的信息散发方法，优选地，该方法用在车载自组织网络VANET中，其中，通信网络(1)包括多个通信节点(N)，多个通信节点(N)知道它们的地理位置，并且，散发过程由节点之一——发起方节点(O)通过以下方式发起向要将信息散发至的相关区域(RA)内的特定节点——第一转发方节点(F1)发送包括要散发的信息在内的单播消息；所述方法的特征在于，相关区域(RA)内接收由发起方节点(O)向第一转发方节点(F1)发送的消息的其他节点(C1、C2、C3)分别挑选转发方节点，并根据基于定时器的竞争过程来将消息单播重传至挑选出的转发方节点。
文档编号H04L12/56GK101652964SQ200780050847
公开日2010年2月17日 申请日期2007年2月1日 优先权日2007年2月1日
发明者安德烈亚斯·费斯塔格, 汉尼斯·哈腾斯坦, 马克·托伦特·莫雷诺 申请人:Nec德国有限公司