专利名称：改善移动节点之间的通信的方法
技术领域：
本发明涉及改善自组织(ad-hoc)无线网络中移动节点之间的通信的方法。
在移动节点的自组织网络中，为了允许在节点之间交换信息而不采用固定的控制装置该网络自己组织，在各个节点之间经由无线电链路无线地交换消息。尤其在道路交通中通过装备有适当发送/接收设备以及对于本领域技术人员已知的用于分析或产生以及必要时存储期望消息的其他设备的机动车辆形成这种类型的自组织网络。在这种情况下能够将每辆机动车辆看作是自组织网络的移动节点。利用这种类型的网络，有可能例如当救护车接近交通十字路口时，通过交换适当的信息片使其引起其他车辆注意到它自己以及使十字路口保持畅通以允许救护车迅速地行驶通过该路口。类似地，机动车辆能够交换有关其相应速度的信息，以便避免当车辆正在变更车道或者当它驶入车道时发生碰撞，以及阻止当交通密度高时增大交通堵塞。
在群集(cluster)，即一组能够例如经由无线电链路相互通信的本地节点中，选择其中一个节点作为头领单元(head element)，被称为“群集头领”或“群集控制器”(CC)。节点之间的通信可以例如通过本领域技术人员熟知的对等连接的方式使用802.11a、802.11b、DRSC或类似的无线协议实现。在分布式群集网络中，数据分布在所涉及的所有成员中，这意味着每个节点具有相同数量和类型的信息。这通过在所有节点之间连续地交换信息实现。在这种情况下如果将要交换大量的信息以及危险情况要求来自参与者以及来自网络的迅速响应，则产生了问题。在类似于此的情况下，在一定的情况下，可能没有足够的时间用于将所有的信息传递到所有节点以及保持所有节点记录信息的最近状态到最近日期。如果该网络旨在判定有关公共安全则还可以产生可靠性问题。
在所述节点之间的通信中，对于任何想要的应用都能够交换信息，诸如例如有关道路状况或每个节点的当前速度和行驶方向的信息，以便能够形成一组以均匀速度行驶的机动车辆。类似地，有可能在网络的群集内交换有关当前的交通阻塞或天气或道路状况的信息。
在车辆之间的一种类型的通信由全分布式系统组成。但是这要求数据的公共结构，如在Eoin O’Gorman的发表中所描述的，都柏林大学UsingGroup Communication to Support Inter-Vehicle Coordination(B.Eng.thesis)，2002年9月，其中必须不断地更新结构成最近的状态并将它分发给所有的用户。在这种方法中，交换数量庞大的消息，这可能导致系统的响应时间降低到极限程度，因此使得只能够为安全相关的应用保证低的可靠性。
出版物ETSI TS 101 761-4，Broadband Radio Access Networks(BRAN)，Hiperlan Type2，Data link control layer，Part 4 Extensionfor Home Environment(数据链路控制层，部分4室内环境的扩展)，2000年6月，描述了一种形成群集的方法，但是在这种情况下群集信息独立于交换信息的特性产生。
在Lachlan B.Michael和Ryuji Kohnoy的发表中Adaptive DataClass Structure for Efficient Inter-vehicle Communication，IEICETRANS.INF.&SYST.，卷E99-D，NO.55，描述了如何根据其与安全的相关性给将要交换的数据分配优先级和以相应的方式分等级地分布数据，以节约无线通信中所需的带宽。有关机动车辆运动状态的信息的详细内容诸如加速、行驶方向、制动等等例如只与直接与它相邻的机动车辆相关。
在Basu，P.，Khan，N.，Little，T.D.C.的发表中Amobility basedmetric for clustering in mobile ad hoc networks；DistributedComputing Systems Workshop，2001国际会议，2001年4月16-19日，第413-418页描述了一种群集形成的方法，其具有高的数量吞吐量和扩大的范围，这种方法使用一种连接多个群集的算法。
US 2002/0169846A1公开了一种选择各种用于网络节点中央控制的头领单元的方法，其中如在第13段中所描述的，能够在头领单元中收集数据。但是，在这种情况下所描述的仅仅是将网络组织成受头领单元控制的群集。
US 2002/0059017A1描述了一种将车辆组织成组的方法，其中每一组由收集有关其他车辆或道路状况的所有数据的头领车辆所领导。但是，在这种情况下所产生的是集中式系统，其中头领车辆接收所有信息并且该组中的其他车辆为从属车辆。
南加利福尼亚大学Ioannou，Petros发表的“Development andExperimental Evaluation of Autonomous Vehicles for Roadway/VehicleCooperative Driving”，描述了根据一起正在驾驶的机动车辆建立群集。但它没有包含与类似的群集交换数据的任何指示。
在已知的方法中能够认为其缺点在于一直交换的是数量庞大的对于所有参与者可用的信息条目，但是不是网络中的每个节点能够访问信息的所有可能的条目，为此要保证所述节点仍然能够在道路交通中安全行驶。
本发明的目的是提供一种改善移动节点之间通信的方法，通过这种方法实现了减少所发送的数据量，以在总体上通过所述系统给出较快的响应时间并增强可靠性，特别是在所发送的是与安全相关的信息的情况下。这个目的通过权利要求1中规定的特征实现。
本发明的核心思想在于为每种类型的应用形成专门群集，例如道路交通中的机动车辆。具体应用可以只与有关天气、和/或本地道路状况、和/或在一定点给出的阻塞通知等等的信息相关。在这种情况下，通过群集的头领单元仅仅将与这种具体应用相关的信息传递到该群集的成员，以便群集的成员都获得相同状态的信息。在这种群集中不交换任何其他的信息。为此，在群集的头领单元中存储与每种应用相关的信息。只要已选择或指定了群集的头领单元，群集中的每个节点就发送例如指向该头领单元的本地危险警告。该头领单元在本地数据库中存储所有的接收数据并同样本地地处理该数据。然后能够将这种处理的结果传递到群集中的所有相关节点。因此这些节点用作收集信息的传感器，而头领单元用作收集从传感器所接收的信息并且在必要时分析该信息的中央计算机。如果例如正在接近道路交通中一组机动车辆的移动节点希望包括在该群集中，因此它就能够从头领单元呼叫例如与道路状况有关的最近信息。
在本发明的范围内本领域的普通技术人员能够根据要求选择各个节点之间通信的特性，即根据何种协议通信。
本发明的优点在于以下事实，即在群集内交换的信息现在仅仅是该群集所需的信息，即用于该具体应用的信息，这意味着减小了在该群集中必须交换的信息总量并因此增强了系统的可靠性。例如，它可以仅仅是在一个群集中、和在另一个群集中、特别是在以下描述的本地群集中交换的有关通常天气状况的信息，它可以仅仅是有关高速公路上当前交通阻塞的信息。所述方法既能够用于交换本地警告消息，又可以用于协作驾驶，即多辆车辆一起参与协作联盟以相同的速度一致地行驶。
在从属权利要求中描述了本发明的有利实施例的表征特征。
在权利要求2中规定的实施例使得节点，例如道路交通中的机动车辆有可能成为多个群集的一部分，并使其能够接收大量不同类型的对于相应应用来说特定的信息。参与多车道高速公路或汽车道的机动车辆可以例如是移动群集和本地群集的一部分，其中在移动群集的特定应用情况下只交换用于当时正在行驶通过区域的天气信息，本地群集是在高速公路入口点的区域中形成以防止在高速公路或汽车道上行驶的机动车辆和加入高速公路或汽车道的机动车辆之间的碰撞。
优选地，如在权利要求3中所述的，只要该节点检测到在有关该应用的情形发生变化，群集中的每个节点就将应用特定的信息传递到特定群集的头领单元。类似地，头领单元使得群集的所有成员能够获得通过所述头领单元收集并存储在其中的信息，因而群集的所有成员处于相同的信息状态水平或者最新添加的成员能够呼叫这种最近状态的信息。因此，新添加的成员能够向群集的头领单元发送询问有关群集中的信息性质是什么或换言之群集为何种应用而形成。
在本发明的范围内，选择头领单元的方式可以根据本领域普通技术人员的需要进行选择。如在权利要求4中所述，它可以随机地发生或者遵循能够通过本领域普通技术人员拟定的用于移动自组织网络的原则发生。在这种情况下，所述头领单元的选择作为关于在群集中交换哪一个信息的应用的函数而产生。例如对于本地应用来说，所选择的头领单元是将尽可能长时间地位于本地区域中的单元，以提供最大可能的安全性和数据传输的可靠性。
如在权利要求5中所述的，还建议形成移动和准固定群集。例如对于给定的在高速公路或汽车道上以相同方向正在行驶的一组机动车辆形成移动群集，以一致地以恒定的速度和恒定的车辆间距行驶。例如形成准固定群集，以通知该准固定群集的区域中的节点有关交通的危险点，该危险点基本上是固定的。可以理解节点可以是移动群集和准固定群集两者的成员。
有利地，如在权利要求6中所公开的，在离开群集之前，所述头领单元通知节点这种情况，并且将该头领单元中所存储的数据发送到新的头领单元。以这种方式所实现的是头领单元中存储的应用特定数据不会丢失，而是发送到下一个头领单元，通过后者将所述数据进而又传送到群集中的所有节点。优选地，被指定为新头领单元的是该群集的一个能够被预见将在群集中待足够长时间的成员。
然而有可能的是，由于例如在网络节点之间交换数据的无线电传输工作的本地中断，头领单元可能无法预料地停止运转，因此对于所述群集来说使得存储在该头领单元中的信息丢失。这种情形可能在未正确地终止用于交换数据的信息协议时，在错误消息从头领单元发送到群集的其他成员，或者在一定的时间周期头领单元不传递任何信息时发生。为了避免这种类型的数据全部丢失，如在权利要求7中所述的，建议所述头领单元收集和过滤来自所有节点的数据，其中它挑选出相同意义的重复信息。对于群集的所有成员来说，以这种方式所产生的是规模较小的统一的数据集，这意味着进一步降低了交换信息所需的传输速率。
为此目的，如在权利要求8中所述，建议通过所述头领单元将对于特定应用重要的信息传递到所有节点，所述节点在其本地数据库中存储接收的信息，以便如果该头领单元无法预料地停止运转，则群集中的另一个节点能够取代其位置作为头领单元，因为它已经在其中存储了信息。为了传输共享的信息，建议通过一对多或多对一方法而不是点对点的方法完成该信息传输，以使传输数据所需的带宽保持为小的带宽。一旦已经通过任何想要的方法选择了新的头领单元，那么所有节点将先前存储在它们中的可以不同的信息发送到该新的头领单元，在新的头领单元中例如经由过滤算法挑选出的重复信息，以允许恢复原始的数据集。然后通过新的头领单元能够将这种恢复的数据集再次传递到该组中的所有成员。
不言而喻，在需要自组织正在运输物品的情况下，所有类型的物品流都能够使用改善移动节点之间通信的方法。如在权利要求9中所述，该方法优选用于控制交通流，以便最大数量的车辆能够最安全地使用现有的高速公路。
通过参考以下描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并且将通过所述参考来阐明这些方面。
在附图中
图1所示为存在多个群集的交通情况。
图2是列出准固定群集和移动群集的表。
图3是交换信息的流程图以及图4所示是信息的恢复。
图1所示为在多车道高速公路上的典型交通情况。多个卡车沿着右侧车道以基本上恒定的速度驾驶，并且这些汽车一起加入到一致行驶的群集中，以恒定的速度和恒定的车辆间距驾驶。在这种情况下，这些卡车组织到移动群集中，卡车1充当头领单元。在该群集中所交换的只是例如有关行驶速度和当前位置的信息，以使得能够以尽可能少的信息交换地保持行驶的恒定模式。在右侧车道行驶的卡车和在入口车道驶入高速公路的机动车辆在位于驶入车道的点上形成准固定加入的群集，在该群集的成员之间交换例如与行驶位置、速度和方向有关的适当的信息以使车辆能够快速进入高速公路而不会遇到任何危险。在本例中，群集的头领单元是相对慢行驶的机动车辆2，它将在加入车道所位于的点上呆相当长的时间。通过其他机动车辆形成第三群集，在该群集中所交换的是例如通过在中央车道损坏的机动车辆所发射的本地危险指示。只有这些本地危险指示在这个群集中作为信息交换。充当头领单元的是立即接近已损坏机动车辆的机动车辆3，机动车辆3是第一个接收该信息的机动车辆。
在图2的表中能够看到移动和准固定群集或应用的大量实例，“S”代表准固定群集以及“M”代表移动群集。
在图3的流程图中能够看到，随着时间进展，在节点之间交换的不同片信息、沿时间轴t从图3的顶部向底部延伸，要添加到群集中的新车辆4在左侧示出，群集头领单元5位于中央，以及该群集的成员6位于右侧。将添加的新成员4例如可以发射警告消息，在这种情况下为此目的，它询问头领单元5有关该头领单元5应该负责何种特定的应用。头领单元5告知新成员4这是哪种应用。然后新成员4要求建立链路并且通过头领单元5对此确认(acknowledge)。同时，在本实例中头领单元5离开这种场景并且开始询问将传送到新头领单元6的数据。新成员4要求相关的数据并通过头领单元5传递。如果新成员4具有刷新的数据，则能够将这数据传递到头领单元5。当离开该群集时，头领单元5发送错误消息给成员4，因此后者发送刷新的询问到新的头领单元6。
为了避免数据丢失，头领单元5发送与头领单元变化有关的询问到适于此目的的已经在群集中存在的成员6。然后将存储在旧头领单元5中的，包含与所涉及应用相关的所有信息的数据库发送到新的头领单元6并且由后者来确认，因此新的头领单元6以相应的方式充当头领单元。
在图4中所示为数据恢复的实例，如果由于例如无线电发送/接收弱的区域，头领单元短暂地无法运转而没有先前发生的适当发送数据到新的头领单元。首先通过在本发明范围内可以根据需要使用的一种方法指定新的头领单元H，然后群集的所有成员A、B、C将它们中存储的信息传递到该新的头领单元H。这种信息优选在新的头领单元H中利用算法过滤，以特别地过滤出重复的信息或不重要的信息。为了简化起见，定义每个消息或每片信息以符合给定的标准。例如，可以给信息的每项内容分配标题行，该标题行包含消息的原始发送者的标识、通过后者相继地分配给消息的数字和发送消息时的时间。通过这种方式，图4中所示的信息片例如可以存储在不同的节点A、B、C，并将这些信息片发送到新的头领单元H。新的头领单元H过滤这些信息，作为过滤的结果，这些信息只是经恢复的和再次发送回到所有节点A、B、C的相关信息。
附图标记列表A，B，C节点H 群集A、B、C的头领单元1，2，3群集的头领单元4，5，6群集的成员
权利要求
1.一种改善自组织无线网络中移动节点之间通信的方法，其特征在于，所有节点被组织到应用特定的群集中，以及与每种应用相关的信息存储在该群集的头领单元中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个节点成为一个或更多群集的一部分。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，群集中的每个节点将应用特定的信息传递到头领单元或从其接收所述信息。
4.根据权利要求1到3的任何之一所述的方法，其特征在于，随机地或者根据给定的规则选择所述头领单元。
5.根据权利要求1到4的任何之一所述的方法，其特征在于，形成移动群集和准固定群集。
6.根据权利要求1到5的任何之一所述的方法，其特征在于，在离开所述群集之前，头领单元通知节点这种情况并且将存储在该头领单元中的数据发送到新的头领单元。
7.根据权利要求1到6的任何之一所述的方法，其特征在于，所述头领单元收集并过滤来自所有节点的数据。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将对于所述应用重要的已过滤信息传递到所有节点并存储在它们中。
9.根据权利要求1到8的任何之一所述的方法用于控制交通流的使用。
全文摘要
为了改善自组织无线网络中移动节点之间通信的方法，并且尤其是减小将要发送的数据量，将所有节点组织到应用特定的群集中，并且将与每种应用有关的信息存储在该群集的头领单元中。
文档编号H04L12/56GK1914863SQ200580003413
公开日2007年2月14日 申请日期2005年1月17日 优先权日2004年1月29日
发明者M·拉菲尼, A·范瓦格宁根, H·－J·罗伊默曼, M·罗格洛 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司