Ad-hoc通信网络的制作方法

本发明涉及一种用于尤其是在火车与行驶线路侧的基础设施之间的ad-hoc网络中保证连续的通信的系统。

背景技术：

现代的火车控制系统基于火车与行驶线路侧的基础设施之间的连续的通信。这些系统使用无线通信，以便在火车与线路之间实现连续的通信连接。在此，无线通信的实现通常基于网络标准ieee802.11(无线lan)。在这种系统中，沿着铁行驶线路路布置接入点。这些接入点与行驶线路侧的有线的网络主干、监控和控制单元连接，其中，沿着所需要的轨道布置至少一个冗余的网络线缆，以使得能够与相关的行驶线路侧的通信伙伴、例如行驶线路侧的火车控制计算机进行通信。在这种基础设施网络中，区分接入点(英语“accesspoints”)和“无线电台”(英语“stations”)，接入点也称为基站，并且作为无线电装置沿着线路构造，无线电台是火车上的无线电装置。

在沿着行驶行驶线路行驶期间，无线电台、即火车上的无线电装置从一个接入点移动到另一个接入点。在此，相应地在火车与相关的行驶线路侧的接入点之间建立至少一个逻辑连接或者逻辑链接。多个无线电台可以与一个接入点逻辑连接，然而一个无线电台总是仅能够与刚好一个沿着线路的接入点连接。接入点通常不与其它接入点建立逻辑连接。无线电台通常也不与其它无线电台建立连接。在此，逻辑连接意为，例如，与火车绑定的用于发送和接收数据的通信或者无线电装置，与行驶线路侧的接入点固定地连结，或者它们彼此相关联。这意味着，作为两个连接伙伴的网络的其它接入点同样可能接收到发送的数据包，也就是说，在一定程度上存在物理连接。然而，接收到的这些数据包被不相关联的接入点丢弃或者不进一步进行处理。仅逻辑连接的接入点处理所发送的数据。

在行驶期间，又总是必须与沿着行驶线路的随后的接入点重新建立这种逻辑连接。从一个接入点到下一个接入点的逻辑连接或者关联的改变称为“漫游(roaming)”。在高速的情况下，例如由于握手延迟时间，执行这种切换/漫游方法非常难。在上面的布置中，还存在其它问题：漫游决定仅基于接入点的信号强度，而不基于通过该接入点是否能够成功地进行通信。因此，可能与有缺陷的接入点建立连接。结果是通信丢失。在现有技术的基础设施网络中的通信仅能够利用这种存在的逻辑连接来实现。因此，这种方案容易出错、耗时并且不灵活。

另一方面，已知由多个称为节点的通信装置构成的ad-hoc通信网络。在ad-hoc通信网络中，不区分火车上的无线电台和线路上的接入点。也就是说，节点不仅可以是与火车绑定的无线电装置，也可以是行驶线路侧的无线电装置。在ad-hoc通信网络中，放弃了两个节点的逻辑连接。每个节点可以从另一个节点接收数据。

然而，在ad-hoc通信网络中存在其它问题，即所谓的“隐藏节点问题”。在隐藏节点问题中，在具有共同的第三通信伙伴的无线电范围内，两个通信伙伴的相互的冲突识别受影响。该问题由于无线电网络中的数据传输通常必须通过冲突避免方法来控制而产生。现有技术的冲突避免方法是csma/ca方法(carriersensemultipleaccess/collisionavoidance，载波侦听多路访问/冲突避免)。该问题是由于以下原因，即，在发送的信息不会由于无线电信号的叠加而丢失的情况下，在同一个无线电通道上工作的网络的两个节点不能同时进行无线电发送。这称为冲突。为了避免两个或更多个节点同时进行发送，在现有技术中，在有意进行发送之前，节点首先检查另一个节点是否已经进行了发送。如果是这种情况，则等待一个随机的时间间隔，并且重新进行检查。重复该过程，直到节点识别出在一个时间点，另一个节点没有进行发送为止。然后，节点才开始进行其发送。在隐藏节点问题中，涉及同一个无线电通道上的至少三个节点a、b和c，其中，a和b以及b和c分别能够以类似的强度相互进行接收，然而，a和c相互不能进行接收。在这种情况下，a不能确定c是否进行了发送，反之亦然。如果a现在开始向b进行发送，同时c同样向b进行发送，则形成冲突。在b的区域中，两个信号叠加，并且两个发送的信息丢失。然而，因为a和c相互不能进行接收，因此两个节点没有避免冲突的可能性。也就是说，在这种情况下，csma/ca方法是无效的。

在这一点上应当注意，隐藏节点问题原则上也可能在开头描述的具有有线的网络主干的基础设施网络中出现。然而，在这种网络中，尤其是通过如下方式来避免这种问题，即，使行驶线路侧的接入点的通道相同的无线电范围相互不叠加。

技术实现要素：

现在，要解决的技术问题在于，在火车与行驶线路侧的基础设施之间保证的连续的通信连接，以排除上面提到的缺点。

根据本发明，提出了一种用于分配车辆的数据或者用于车辆的ad-hoc通信网络。该ad-hoc通信网络包括：与车辆连接的至少一个车辆侧的无线电装置，用于进行无线通信；以及安装在车辆的行驶线路上的多个行驶线路侧的无线电装置，用于进行无线通信。还设置有监控和控制单元，监控和控制单元与行驶线路侧的无线电装置中的至少一个连接，以进行通信。行驶线路侧的无线电装置被配置为，在没有逻辑连接的情况下，与处于无线电有效距离内的其它行驶线路侧的无线电装置和车辆侧的无线电装置进行无线通信，并且将接收到的数据转发至处于无线电有效距离内的其它行驶线路侧的无线电装置。布置行驶线路侧的无线电装置，使得在沿着行驶线路的每个方向上，在每个行驶线路侧的无线电装置的无线电有效距离内，存在至少两个其它行驶线路侧的无线电装置，并且行驶线路侧的无线电装置被构造为，将接收到的数据沿着行驶线路在一个方向上，传输至下一个和再下一个的行驶线路侧的无线电装置。

本发明使用无线ad-hoc通信网络来解决上述技术问题。在根据本发明的ad-hoc通信网络中，数据总是在行驶线路的至少一个方向上被传输至下一个和再下一个的相邻装置。本发明所基于的这种ad-hoc通信网络由可以相互通信的网格状地连结的多个节点或者无线电装置构成。

根据本发明的ad-hoc通信网络的节点由车辆侧的无线电装置和行驶线路侧的无线电装置形成。

在“网格状”或者“网状网络”中，网络的每个无线电装置与网络的所有其它无线电装置不持续连接，而是网络的每个无线电装置与网络的至少一个另外的无线电装置连接。消息从开始节点向结束节点传输。如果结束节点位于开始节点的有效距离之外，则使用它们之间的节点来转发消息。在将两个或更多个对象作为节点连接为网状的移动网络的ad-hoc通信网络中，当节点运动、添加或者取消节点时，网络持续地进行调整。

本发明的一个优点是，在无线ad-hoc通信网络中，不需要逻辑连接，因此也不需要漫游。在ad-hoc通信网络中，所有节点可以从其它节点接收数据。不存在具体的关联。ad-hoc通信网络中的节点在此匹配于改变的实际情况，其方法是，节点确定在当前的时间点，无线电发送可以达到哪些节点，并且据此决定数据的转发。

此外，在这种网络中，不沿着行驶线路区分火车与无线电装置。数据被发送至无线电范围内的所有节点。然后，这些节点将数据传送至不位于开始节点的无线电范围内的一个或者多个另外的节点。重复数据的这种转发步骤或者分配步骤，直到数据达到其最终的确定位置为止。代替行驶线路侧的接入点，沿着线路使用所谓的行驶线路侧的无线电装置。在行驶线路侧的无线电装置中，不再需要像在迄今为止的系统中的接入点之间的有线连接。

在根据本发明的ad-hoc通信网络中，放弃了有线的监控和控制单元(主干)。监控和控制单元本身具有无线电装置，并且是ad-hoc通信网络的节点。ad-hoc通信网络的节点、尤其是行驶线路侧的无线电装置的无线电范围相互叠加。因此，在此，隐藏节点问题不是从基础设施网络改变为ad-hoc通信网络本身的结果，而是相反，是在其中没有有线的网络主干的结果。

根据本发明，每个行驶线路侧的无线电装置被配置为：与其无线电范围内的所有行驶线路侧的无线电装置进行无线通信，并且将从第一行驶线路侧的无线电装置接收到的数据，传输到不在第一行驶线路侧的无线电装置的无线电范围内的至少一个第二行驶线路侧的无线电装置。由此进一步提高了系统的冗余，因此提高了可靠性。为了提高冗余，可以有利地将多个行驶线路侧的无线电装置与监控和控制单元连接。

在另一个优选实施方式中，对于沿着线路的每个方向，通过单独的、彼此分离的无线电通道，进行通信和数据传输。这意味着，为了进行接收和发送，相应地使用单独取向的、特定于通道的发送和接收单元或者天线。通过这种设计方案，提供针对所谓的“隐藏节点问题”的第一种解决方案。不仅至少一个车辆侧的无线电装置，而且行驶线路侧的无线电装置，可以被配置为分别借助两个不同的通道进行单向通信。行驶线路侧的无线电装置优选分别具有两个彼此分离的定向发送和接收单元，其被配置为相应地仅借助两个通道中的一个通道进行通信。

在另一个优选实施方式中，以交替的模式，通过三个不同的无线电通道进行通信和数据传输。因此，对于每个行驶线路侧的无线电装置，需要三个发送和接收单元。在此，使用两个发送和接收单元，分别利用用于每个方向的单独的通道，来与相应的随后的第二个行驶线路侧的无线电装置进行双向通信。第三天线是接收单元，并且用于从直接相邻的行驶线路侧的无线电装置接收数据。这种布置是针对ad-hoc通信网络中的所谓的“隐藏节点问题”的第二种解决方案。

行驶线路侧的无线电装置分别具有两个发送和接收单元以及接收单元。接收单元被构造为，借助第一无线电通道，从相应的直接相邻的行驶线路侧的无线电装置单向接收数据。两个发送和接收单元被构造为，与相应的再下一个的行驶线路侧的无线电装置进行双向通信，其中，沿着行驶线路在每个方向上，使用与第一无线电通道不同的相应的不同的无线电通道进行通信。沿着行驶线路，以交替重复的序列，对于每个行驶线路侧的无线电装置，使用至少三个不同的无线电通道。

第一行驶线路侧的无线电装置被配置为，借助接收单元，通过第三通道，从其两个直接相邻的行驶线路侧的无线电装置接收数据，其中，在第一方向上与第一行驶线路侧的无线电装置直接相邻地布置的第二行驶线路侧的无线电装置被配置为，借助其接收单元，通过与第一通道不同的第二通道，从其两个直接相邻的行驶线路侧的无线电装置接收数据。在与第一方向相反的第二方向上与第一行驶线路侧的无线电装置直接相邻地布置的第三行驶线路侧的无线电装置被配置为，借助接收单元，通过与第一和第二通道不同的第一通道，从其两个直接相邻的行驶线路侧的无线电装置接收数据。

在一个优选实施方式中，线路是铁轨。车辆优选是火车。根据本发明，火车沿着铁轨与无线电装置的通信得到了改善。在这种情况下，车辆侧的无线电装置可以集成在火车上的火车控制计算机中。监控和控制单元可以是管理火车的信息或者沿着火车的行驶线路针对火车的信息的线路设备。

应当指出，车辆侧的无线电装置和行驶线路侧的无线电装置在功能上是相互类似的，并且分别能够以相同的方式转发数据。

优选每个无线电装置，不管是车辆侧的无线电装置，还是行驶线路侧的无线电装置，都被配置为通过无线电与其无线电范围内的所有其它无线电装置进行通信，并且将从第一无线电装置接收到的数据，传送到不位于第一无线电装置的无线电范围内的至少一个第二无线电装置。由此进一步提高了系统的冗余，因此提高了系统的可靠性。

应当理解，多个行驶线路侧的无线电装置可以与监控和控制单元连接，这提供了附加的冗余。

ad-hoc通信网络通过无线电通道用于火车-线路通信(train-to-wayside通信)和数据的多级转发的使用，使得相对于迄今为止的系统得到广泛的改善。

不再需要传输线缆来连接行驶线路侧的无线电装置，也就是说，可以节省迄今为止需要的用于沿着线路连接接入点的玻璃纤维线缆。此外，不再存在由于漫游延迟时间而导致的速度限制。此外，当车辆、例如火车尤其是在隧道中借助具有很小的火车间隔时间(zugfolgezeit)的电子视线行驶(movingblockdriving(移动闭塞行车))时，屏蔽了行驶线路侧的无线电装置的信号时，通过火车侧的无线电装置进行转发解决了连接问题.

因此，ad-hoc通信网络利用其点对多点通信，明显提高了系统的可靠性。

附图说明

上面描述的本发明的特性、特征和优点以及实现其的方式，结合下面结合附图对实施例的描述，变得更清楚并且更容易理解。

图1示出了作为现有技术的火车控制系统的网络拓扑结构，

图2示出了第一实施例中的根据本发明的ad-hoc通信网络，

图3示出了第二实施例中的根据本发明的ad-hoc通信网络，以及

图4示出了第三实施例中的根据本发明的ad-hoc通信网络。

具体实施方式

在图1中示出了包含车辆2、在此是火车的现有技术中的通信网络的网络拓扑结构。在该系统中，沿着车辆2的行驶线路1布置接入点s1，接入点s1与行驶线路侧的有线的网络主干s2连接，以使得能够与相关的行驶线路侧的通信伙伴、例如作为监控和控制单元3的火车控制计算机进行通信。又总是必须在运动的车辆2与线路接入点s1之间重新建立通信连接。为此，需要切换/漫游方法，其在车辆2的速度高的情况下，例如由于握手延迟时间而非常难执行。

这种系统非常容易出错，并且进行通信非常耗时，尤其是因为总是仅能够通过逻辑连接s3进行通信。由于冗余的原因，在车辆2与行驶线路侧的基础设施之间也可能存在多个逻辑连接s3。

在图2中示出了第一实施方式中的根据本发明的系统，该系统用于在沿着线路1移动的车辆2与行驶线路侧的基础设施6之间的无线ad-hoc通信网络中，保证连续的通信连接。线路1，例如、但是非限制性的铁轨，被配置为用于车辆2、例如火车移动，并且所示出的车辆2被配置为沿着线路1移动。多个无线电装置4a…c、8沿着线路1布置以及布置在车辆2上。至少一个监控和控制单元3与行驶线路侧的基础设施6的至少一个行驶线路侧的无线电装置4a…c连接，监控和控制单元3以基于通信的方式控制与车辆2的通信或者车辆2进行的通信，并且保证通信的安全。

在所示出的实施例中，行驶线路侧的无线电装置4a…c由三个行驶线路侧的无线电装置4a、4b、4c构成。在此，例如每个行驶线路侧的无线电装置4a、4b、4c可以在其各自的无线电范围7a…c内，与所有其它的行驶线路侧的无线电装置4a、4b、4c进行无线通信。由此，例如行驶线路侧的无线电装置4b可以将从行驶线路侧的无线电装置4a接收到的数据，传送至不位于第一行驶线路侧的无线电装置4a的无线电范围7a内的行驶线路侧的无线电装置4c。另一个行驶线路侧的无线电装置4a…c的无线电范围7a…c内的每个行驶线路侧的无线电装置4a…c，位于该另一个行驶线路侧的无线电装置4a…c的无线电有效距离内。

在图3中示出了第二实施方式中的根据本发明的系统，该系统用于在沿着线路1移动的车辆2与行驶线路侧的基础设施6之间的无线ad-hoc通信网络中，保证连续的通信连接，其中，至少一个监控和控制单元3是火车控制计算机或者市场上常见的计算机，其基于转发算法来保证连续的通信连接。

在此，ad-hoc通信网络由车辆侧的无线电装置8、在此例如为两个车辆侧的无线电装置8和行驶线路侧的无线电装置34a…c构成，行驶线路侧的无线电装置34a…c由三个行驶线路侧的无线电装置34a、34b和34c构成。监控和控制单元3可以以有线的方式，或者优选同样以无线的方式，是ad-hoc通信网络的节点。

在该实施方式中，为了发送和接收数据，行驶线路侧的无线电装置34a…c分别具有单独取向的天线或者发送和接收单元10。对于沿着线路1的每个方向，通过单独的通道511或者512进行通信和数据传输。在所示出的实施例中，第一通道511从第二行驶线路侧的无线电装置34b向第一行驶线路侧的无线电装置34a进行发送。第三行驶线路侧的无线电装置34c借助该第一通道511向第二行驶线路侧的无线电装置34b进行发送。也就是说，在图3中，第一通道511沿着行驶线路1从右向左进行发送。如所示出的，第二通道512相应地用于在图3中沿着行驶线路1从左向右发送数据，即，从第一行驶线路侧的无线电装置34a向第二行驶线路侧的无线电装置34b进行发送，以及从第二行驶线路侧的无线电装置34b向第三行驶线路侧的无线电装置34c进行发送，等等。

此外，在此，与在图2中相同，行驶线路侧的无线电装置34a…c被配置为，其无线电范围(在此未示出)沿着线路1在每个方向上至少达到随后的第二个无线电装置34a…c。也就是说，第一行驶线路侧的无线电装置34a的无线电范围，达到第三行驶线路侧的无线电装置34c。

在具有两个不同的通道511、512的配置的这种实施例中，通过如下方式来解决隐藏节点问题，即，总是仅在一个物理方向上通过两个无线电通道511、512中的一个特定的无线电通道发送数据。虽然在此，当在由第一行驶线路侧的无线电装置34a、第二行驶线路侧的无线电装置34b和第三行驶线路侧的无线电装置34c构成的三个连续的行驶线路侧的无线电装置34a…c中，第一行驶线路侧的无线电装置34a和第二行驶线路侧的无线电装置34b同时向第三行驶线路侧的无线电装置34c的方向进行发送时，也可能导致无线电信号的叠加。然而，由于增加的距离，第三行驶线路侧的无线电装置34c处的两个信号的场强的差足够大，使得第二行驶线路侧的无线电装置34b发送的信息得到保持。因此，确定行驶线路侧的无线电装置34a…c的距离和发送功率，使得可以接收到从第一行驶线路侧的无线电装置34a向相邻的第二行驶线路侧的无线电装置34b的发送，但是不明显地影响从第二行驶线路侧的无线电装置34b向第二个相邻的第三行驶线路侧的无线电装置34c的发送。

在图4中示出了第三实施方式中的根据本发明的系统，该系统用于在沿着线路1移动的车辆2与行驶线路侧的基础设施6之间的无线ad-hoc通信网络中，保证连续的通信连接。行驶线路侧的无线电装置44a…e示例性地由五个行驶线路侧的无线电装置44a、44b、44c、44d和44e构成。在该实施例中，每个行驶线路侧的无线电装置44a、44b、44c、44d、44e具有用于分别与随后的第二个无线电装置44a…e进行双向通信的两个发送和接收单元10，以及用于从直接相邻的行驶线路侧的无线电装置44a…e接收数据的接收单元12。在该实施例中，以在空间上交替的模式，通过三个不同的无线电通道521、522、523进行通信和数据传输。

第一行驶线路侧的无线电装置44a被配置为，借助其接收单元12，通过第三通道523，从其两个直接相邻的行驶线路侧的无线电装置44a…e接收数据。此外，沿着行驶线路1在第一方向上与第一行驶线路侧的无线电装置44a直接相邻(在图4中为在右侧相邻)地布置的第二行驶线路侧的无线电装置44b被配置为，借助其接收单元12，通过第二通道522，从其两个直接相邻的行驶线路侧的无线电装置44a、44c接收数据。沿着行驶线路1在第一方向上与第二行驶线路侧的无线电装置44b直接相邻(在图4中又在右侧相邻)地布置的第三行驶线路侧的无线电装置44c被配置为，借助其接收单元12，通过第一通道521，从其两个直接相邻的无线电装置44b、44d接收数据。

也就是说，根据本发明，以交替的不同的无线电通道5的重复的模式，沿着行驶线路1单向传输数据。换言之，以所使用的不同的无线电通道的数量为模(modulo)，沿着行驶线路1，交替地借助不同的无线电通道，从一个行驶线路侧的无线电装置44a…e向直接相邻的行驶线路侧的无线电装置44a…e，单向进行发送。也就是说，与无线电通道的数量对应地重复交替的无线电通道的序列。图4中的从左向右的单向发送的序列示出如下：第三通道523(向行驶线路侧的无线电装置44a)、第二通道522(向44b)、第一通道521(向44c)、第三通道523(向44d)、第二通道522(向44e)，等等。

根据本发明，每个行驶线路侧的无线电装置44a…e被配置为，借助第一通道进行单向接收，借助与第一通道不同的第二通道沿着行驶线路1在第一方向上进行双向通信，并且借助与第一和第二通道不同的第三通道，沿着行驶线路1在与第一方向不同的第二方向上进行双向通信。

在所示出的图4的示例中，第三行驶线路侧的无线电装置44c借助第三通道523，与其右侧的再下一个的相邻装置44e进行双向通信。此外，第三行驶线路侧的无线电装置44c借助第二通道522，与左侧的再下一个的相邻装置44a进行双向通信，并且通过第一通道521，从其左侧和右侧的直接的相邻装置进行单向接收。

第二行驶线路侧的无线电装置44b借助第一通道521，与其右侧的再下一个的相邻装置44d进行双向通信，并且借助第三通道523，与其左侧的再下一个的相邻装置进行双向通信。

第三行驶线路侧的无线电装置44d借助第二通道522，与其右侧的再下一个的相邻装置进行双向通信，并且借助第一通道521，与左侧的再下一个的相邻装置44b进行双向通信。

换言之，每个行驶线路侧的无线电装置44a…e借助第一通道接收来自其直接相邻的行驶线路侧的无线电装置44a…e的数据，借助不同的第二通道沿着行驶线路1在第一方向上与其再下一个的相邻装置进行双向通信，并且借助与第一和第二通道不同的第三通道，在与第一方向相反的第二方向上与其再下一个的相邻装置进行通信。

在这种多通道配置中，由第一行驶线路侧的无线电装置44a、第二行驶线路侧的无线电装置44b和第三行驶线路侧的无线电装置44c构成的三个相邻的行驶线路侧的无线电装置使用第一无线电通道521，其中，仅第一行驶线路侧的无线电装置44a和第三行驶线路侧的无线电装置44c借助该通道进行数据的发送，而第二行驶线路侧的无线电装置44b借助该通道仅进行接收。因为在这种布置中，仅两个行驶线路侧的无线电装置44a…e进行数据的发送，因此在行驶线路侧的无线电装置44a、44b、44c的该三联体(triplett)内不会出现隐藏节点问题。之后的由行驶线路侧的无线电装置44b、44c、44d以及44c、44d、44e构成的三联体根据相同的模式工作，但是分别使用不同的无线电通道522、523，从而其不会由于其发送而干扰由行驶线路侧的无线电装置44a…e构成的之前和后续的两个三联体。在三个不同的无线电通道中，之后的三联体44d、44e、44f(未示出)又使用与44a、44b、44c相同的无线电通道。然而，由于节点相对于彼此的距离以及因此减小的信号强度，而避免了干扰。可以使用不同的无线电通道越多，则重复使用一个无线电通道之前的距离越大。可以使用大于或者等于3的任意数量的无线电通道。

虽然在细节上通过优选实施例详细说明和描述了本发明，但是本发明不局限于所公开的示例，本领域技术人员可以从中导出其它变形方案，而不脱离本发明的保护范围。