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CN103517326A - 车辆间通信中的拥堵控制装置及方法 - Google Patents

车辆间通信中的拥堵控制装置及方法 Download PDF

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CN103517326A CN201210472739.3A CN201210472739A CN103517326A CN 103517326 A CN103517326 A CN 103517326A CN 201210472739 A CN201210472739 A CN 201210472739A CN 103517326 A CN103517326 A CN 103517326A
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Abstract

本发明涉及用于与周边车辆接收发送车辆的行驶信息的车辆通信系统及方法。本车通过与周边车辆互通行驶信息，从而可以掌握周边车辆的位置、速度、行驶方向等信息，减小事故危险，但根据周边通信情况，行驶信息的接收发送无法顺利实现。本发明提供一种通信拥堵控制装置及方法，不同于现有的通信系统，而是基于周边通信情况，可变地设置时帧，使得基于变更的时帧传送数据，从而根据周边情况，使车辆间的数据接收发送顺利实现。

Description

车辆间通信中的拥堵控制装置及方法
技术领域
本发明涉及在把本车的行驶信息送出给周边车辆、接收周边车辆的行驶信息的车辆间通信系统中控制通信拥堵的装置及方法，尤其涉及一种在接收发送车辆间数据方面，以周边车辆的行驶情况和通信信道状态为基础，以分布处理方式变更时帧的设置(时帧期间、时隙数、传送功率、数据传送率等)，分配时隙，进行数据的接收发送，从而解决网络的拥堵问题，提高无线资源的使用效率的拥堵控制装置及控制方法。
背景技术
车辆间通信技术试图应用于以提高车辆安全性、提高交通效率及谋求便利驾驶为目标的车辆安全系统的研究如火如荼。车辆间通信是当车辆与车辆处于能够通信的区域时，在预先分配的频带(例，5.9GHz)下进行通信，使用基于CSMA/CA(载波感应多路访问/避免冲突)的短程无线通信技术(例，WAVE：Wireless Access in Vehicular Environment通信)。
基于车辆间通信的车辆安全系统为了实时监测周边行驶情况，周期性地向周边车辆播送(Broadcasting)本车的位置、速度、移动方向及控制信息。各车辆以通过车辆间通信接收的周边车辆的行驶信息为基础，预测碰撞情况，必要时向驾驶员或周边车辆进行警告。
图1是显示现有车辆间通信系统的框图。
现有的车与车(V2V：Vehicle to Vehicle)通信系统包括综合信息处理模块100、传感器信息接收模块110、全球定位系统(GPS)信号接收模块120及车辆间通信模块130。
综合信息处理模块100从传感器信息接收模块110和GPS信号接收模块120接收车辆传感信号及GPS信号的输入，综合车辆的行驶信息(位置、速度、行驶方向、车内网络信息、驾驶员操作信息等)，进行管理及处理。车辆间通信系统通过车辆间通信模块130(例，WAVE)周期性地(例，100ms)向周边车辆播送本车的行驶信息。
通过车辆间通信模块130接收的周边车辆的行驶信息传递给综合信息处理模块100，综合信息处理模块100把本车和周边车辆的行驶信息传递给车辆间安全服务系统140，执行危险度判断、警告等功能。
图2显示了当利用现有的车辆间通信系统进行车辆间通信时，根据车辆周边情况的信道负载(channel load)。
如图2(a)所示，在本车周边行驶的车辆的数少、与本车通信的节点(node)的数目少时，信道负载低，数据接收率提高，信息接入延迟时间减小，系统的可靠性提高。但是，如图2(b)所示，在周边车辆多、与本车通信的节点的数目多时，信道负载高，数据接收率减小，信息接入延迟时间增加，系统的可靠性降低。
就现有的车辆间通信系统周期性地向周边车辆播送行驶信息时使用的基于CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)的无线通信技术而言，由于因车辆的高速移动性造成的网络拓扑结构频繁变化以及因隐藏节点问题(Hidden Node Problem)造成的数据冲突等原因，数据传送成功率下降。
而且，基于CSMA/CA的无线通信技术在存在大规模车辆间通信节点的情况下(例，市区交叉路口、高速公路拥堵区间)，由于节点间的过度竞争而发生传送延迟和数据损失急剧增加的网络拥堵问题。在车辆间通信中，也不存在为解决网络拥堵问题而根据无线信道状态来管理传送功率、数据传送率、数据传送周期的功能。
发明内容
技术问题
本发明为解决前述问题，其目的在于提供一种通信拥堵控制装置及方法，其在车辆间的数据接收发送过程中，考虑周边通信情况，变更时帧的设置，基于可变地设置的时帧的信息，生成将传送的数据，从而能够解决大规模车辆间通信时发生的网络拥堵问题，确保通信的可靠性，提高无线资源的使用效率。
技术方案
本发明提供一种通信拥堵控制装置包括：外部传感器综合模块，其接收车辆的传感信号及全球定位系统(GPS)信号中至少任意一种信号的输入，把基于所述信号生成的所述车辆的行驶信息传递给网络拥堵控制部；无线资源管理模块，其从所述车辆的通信模块接收关于与周边车辆的通信状态的统计信息及所述周边车辆的行驶信息的输入，传递给所述网络拥堵控制部；所述网络拥堵控制部，基于关于通信状态的所述统计信息，决定时帧的设置变更时间点，基于从时帧设计部输入的所述时帧的信息，生成将传送的数据；以及时帧设计部，其根据所述网络拥堵控制部统计的周边通信情况，可变地变更所述时帧的设置，传递给所述网络拥堵控制部。
根据本发明的一个方面，所述时帧设计部基于所述车辆的平均行驶速度设置所述时帧的期间，所述时帧设计部基于位于能够与所述车辆以预先设置的接收率以上进行通信的区域内的所述周边车辆的个数，决定所述时帧内的时隙的个数，并且，所述时帧设计部在所述车辆继续行驶期间，按预定时间间隔变更所述时帧的设置。
根据本发明的另一方面，所述网络拥堵控制部基于所述时帧的信息，可以设置所述数据传送时使用的数据传送率、消息生成率及传送功率中至少任意一种值，并且，所述网络拥堵控制部基于所述时帧内的时隙的长度可以设置数据传送率，基于所述时帧的期间可以设置消息生成率。
另一方面，本发明可以用作通信拥堵控制方法，其包括以下步骤：从车辆间通信模块接收周边车辆的行驶信息及关于与所述周边车辆的通信状态的统计信息；基于所述行驶信息及关于通信状态的所述统计信息，设置或变更数据接收发送时将使用的时帧；基于所述时帧的信息，设置将生成向所述周边车辆传送的数据时使用的数据传送率、消息生成率；以及基于所述数据传送率及所述消息生成率，生成关于所述车辆的行驶信息的数据，向所述周边车辆送出。
技术效果
本发明通过利用周期性使用的频带相关的信息的统计和关于成功发送或接收的数据的信息的统计，可变地设置的时帧进行无线通信，从而使车辆间通信网的带宽使用效率实现最大化，使车辆间通信的可靠性提高，保障应用服务要求的防止通信延迟。
附图说明
图1为显示现有的车辆通信系统的结构的框图；
图2为显示在现有的车辆间通信系统中根据车辆周边情况的信道负载的示意图；
图3为显示本发明一个实施例的通信拥堵控制装置的结构的框图；
图4为用于说明本发明一个实施例的通信拥堵控制装置的实施例的示意图；
图5为显示本发明一个实施例的通信拥堵控制装置根据车辆行驶情况设置时帧的实施例的示意图；
图6为显示应用本发明一个实施例的通信拥堵控制装置进行车辆间通信模拟的结果的示意图；
图7为显示本发明一个实施例的通信拥堵控制方法的流程图。
附图标记说明
100：综合信息处理模块
110：传感器信息接收模块
120：全球定位系统(GPS)信号接收模块
130：车辆间通信模块
140：车辆间安全服务系统
300：通信拥堵控制装置
301：网络拥堵控制部
302：外部传感器信息综合模块
303：无线资源管理模块
304：时帧设计部
310：CAN通信
320：GPS接收器
330：车辆间通信模块
具体实施方式
参照附图及一同详细说明的后述的实施例，本发明的优点及特征以及达成其的方法将会明确。但是，本发明并非限定于以下公开的实施例，而是以相互不同的多种形态体现，本实施例仅提供用于使本发明的公开更加完整，使本发明所属技术领域的普通技术人员容易理解发明的范畴，本发明只由权利要求项的范畴所定义。
另一方面，本说明书中使用的术语用于说明实施例，并非要限定本发明。在本说明书中，只要在句子中未特别言及，单数型也包括复数型。说明书中使用的“包括(comprises)”或“包含的(comprising)”，是指言及的构成元件、步骤、动作及/或元件不排除存在或追加一个以上的其他构成元件、步骤、动作及/或元件。下面参照附图，详细说明本发明的实施例。
图3是显示本发明一个实施例的通信拥堵控制装置的结构的框图。
根据本发明一个实施例的通信拥堵控制装置300包括网络拥堵控制部301、外部传感器信息综合模块302、无线资源管理模块303及时帧设计部304。
外部传感器信息综合模块302通过车内网络(CAN)等，接收车辆的传感器感知的车辆的速度信息、加速度信息、行驶方向、制动器状态、转向角等相关信息，并且周期性地接收车辆的全球定位系统(GPS)接收器接收的GPS信号。外部传感器信息综合模块302基于所述接收的车辆的信息及GPS信息，输出诸如车辆的位置、速度、移动方向等的车辆行驶信息，传递给网络拥堵控制部301。
无线资源管理模块303接收车辆间通信模块330从周边车辆接收的周边车辆行驶信息的输入。另外，关于车辆间通信模块330测量的周边通信情况的统计信息也传递给无线资源管理模块303。无线资源管理模块303把周边车辆的行驶信息及关于周边通信情况的信息传递给网络拥堵控制部301。
无线资源管理模块303接收的关于周边通信情况的信息包括信道负载、数据包错误率(PER：Packet Error Rate)等。信道负载意味着信道在1秒期间无线发送所占用的时间，用百分率表示。PER是把1秒期间从周边车辆成功接收的数据包除以当前应从周边车辆接收的数据包总和所得的值。此时，应从周边车辆接收的数据包的总和是‘1/时帧期间’(例，100ms)值乘以周边车辆数所得的值。
通信拥堵控制装置300对时帧进行设置，使得从周边车辆的数据接收率达到预定水平以上(例如，95％以上)的接收率。
时帧设计部304基于车辆的行驶信息及周边通信情况，可变地设置时帧。时帧设计部304从外部传感器信息综合模块302接收本车的行驶信息的输入。可以基于本车行驶信息中的本车行驶速度，设置时帧的期间(例，当前平均行驶速度是60km/h时，把时帧的期间设置为200ms)。
时帧设计部304设置或变更时帧的时隙的个数。时隙的个数可以基于周边情况进行变更，可以基于位于能够与本车以预先设置的接收率以上进行通信的区域内的周边车辆数进行设置。例如，当能够与本车以90％以上接收率进行通信的区域内有9台车辆时，总预想节点数包含本车在内为10台，时隙的个数可以设置为总预想节点数2倍的20个。
时帧设计部304可以按预定时间间隔继续变更时帧的设置，例如，可以以UTC时间为基准，按秒单位进行变更。
时帧设计部304把关于设置或变更的时帧的信息传递给网络拥堵控制部301。
网络拥堵控制部301输出本车的行驶信息的送出命令，从无线资源管理模块303接收周边车辆的行驶信息的输入。另外，从无线资源管理模块303接收关于周边通信情况的统计信息的输入，在关于通信信道状态的统计信息满足预先设置的信道状态的情况下，把时帧的设置变更命令传递给时帧设计部304。
网络拥堵控制部301从时帧设计部304接收关于时帧的信息的输入，基于根据通信情况可变地设置的时帧，进行将传送的数据的相关设置，生成将传送的数据。
网络拥堵控制部301基于时帧期间及时隙个数，设置数据传送率、消息生成率及传送功率等。
数据传送率基于时隙的长度进行设置。时隙的长度可以从时帧的期间及时隙的个数计算得出。例如，如果时帧的期间为200ms，时隙的个数为20个，那么，一个时隙的长度为10ms。需要能够在10ms期间传送400byte至600byte大小的数据包，由于在车辆间通信可应用的通信速度为3、4、5、6、9、12、18Mbps等，所以可以把3Mbps设置为数据传送率。
另一方面，在当时的传送功率大小下，如果周边车辆数增多的话，时隙的个数增加，所以时隙的长度相对减小。因此，根据时隙的长度减小，则把数据传送率设置为较大的值。此时，在数据传送率需要设置为在车辆间通信中能够应用的最大通信速度以上的情况下，通过减小传送功率大小，减小处于能够与本车通信的区域的周边车辆数，使得在允许的车辆间通信速度范围内，与周边车辆的数据接收发送顺利进行。
消息生成率由于与时帧的期间相同，所以，当时帧的期间为200ms的情况下，消息生成率设置为5Hz。
网络拥堵控制部301在数据传送事件发生时，确认时帧的信息是否存在及分配的时隙是否存在，当没有分配的时隙时，请求分配时隙，基于所述设置的数据传送率、消息生成率及传送功率等生成将传送的数据后，通过车辆间通信模块330，把生成的数据送出给位于本车周边的车辆，传递本车的行驶信息。
图4是显示根据本发明一个实施例的通信拥堵控制装置实施环境的示例的示意图；
HV(Host Vehicle)是指本车，RV(Remote Vehicle)是指周边车辆。本车与周边车辆接收发送行驶信息，掌握周边车辆的行驶状态，从而使得能够减小在行驶中可能发生的事故危险。
在图4中，用圆形标出了本车的数据接收率为预先设置的接收率以上的区域，本车与位于圆形内部的9个周边车辆接收发送行驶信息。此时，考虑包括本车在内的车辆数和本车行驶速度等情况变化，设置或变更时帧的期间及时隙的个数。
代表本车与周边车辆接收发送行驶信息的区域的圆形的大小可能因传送功率的大小而异。此时，当通信区域过宽时，可能发生通信速度低的问题，而当过窄时，可能发生无法充分掌握周边车辆行驶信息的问题。因此，需要考虑周边情况，调节通信区域，在位于本车通信区域内的周边车辆数过多、无法充分发挥车辆间通信速度的情况下，可以使传送功率的大小减小，使得与周边车辆的通信顺利进行。
图5显示了本发明一个实施例的通信拥堵控制装置根据车辆周边情况变更时帧设置的实施例，在如图5(a)、5(b)所示的行驶情况下，在图5(c)中，显示出时帧的设置得到变更。
图5(a)显示了在车辆周边行驶的车辆数多、车辆速度慢、通信的车辆数多的情形。此时，由于车速慢，所以时帧的期间设置得长，并且由于应通信的节点数多，所以把时隙数设置得多。
用图5(c)的时帧1显示了如图5(a)所示情况下的时帧的实施例。时帧1把时帧的期间设置为200ms，时隙的个数设置为40时隙。因此，考虑到一个时隙的长度为5ms，把数据传送率设置为6Mbps。而且，由于相邻的车辆数多，所以，为防止通信节点的数目过多、数据接收率低下，设置传送功率大小，调节通信区域达到150m。
图5(b)显示了在车辆周边行驶的车辆数少、车辆速度快、通信的车辆数少的情形。此时，由于车速快，所以把时帧的期间设置得短，由于应通信的节点数少，所以把时隙数设置得少。
图5(c)的时帧2显示出从图5(a)所示行驶情况变更为如图5(b)所示行驶情况时，变更了时帧1的设置的时帧。
图5(c)的时帧2由于车速增加、周边节点数目减少，所以把时帧的期间变更为100ms，时隙的个数变更为10时隙。由于一个时隙的长度为10ms，考虑到该点，把数据传送率设置为3Mbps。而且，由于相邻的车辆数少，所以使数据传送功率大小增加，调节通信区域达到300m。
如前所述，本发明基于车辆的行驶速度及与本车通信的周边车辆的数目变化，实时变更时帧的设置，在数据接收发送时使用，从而使得车辆间通信时能够高效地使用无线资源。
图6显示了根据本发明一个实施例的通信拥堵控制装置的模拟结果。
在图表中，CA代表应用根据情况可变的传送周期、功率及传送率，并且，Fix代表应用固定周期、功率及传送率的技法。
图6的左侧图表显示出根据车辆密集度的数据包接收率，显示了可变地应用数据传送周期、功率及传送率等的情形和应用固定值的情形的数据包接收率。从图表所示可以看出，可提高至使用可变传送周期等时接收率的2倍左右。
图6的右侧图表显示出根据车辆密集度的信道接入延迟(channel accessdelay)时间，可以看出，在根据行驶情况使用可变性传送周期、功率及传送率的情况下，信息接入延迟时间缩短。
图7是显示本发明一个实施例的通信拥堵控制方法的流程图。
步骤S700中，从车辆的传感器接收关于车辆速度、加速度、转向角、行驶方向等的信息，从GPS接收器接收GPS信号，在步骤S710中，基于所述接收的信息，计算出关于本车的位置、速度，移动方向等的行驶信息。
步骤S720中，在接收位于本车周边的周边车辆送出的周边车辆的行驶信息的同时，接收关于与周边车辆的通信状态的统计信息。在接收发送行驶信息相关数据的过程中发生的关于周边通信情况的统计信息，例如包括在周期性使用的频带中的信道负载、噪声直方图或数据包错误率等，利用这些信息，判断周边通信情况。
步骤S730中，通信拥堵控制系统基于周边通信情况和本车的行驶信息等，变更时帧期间及时隙个数的设置。通过变更时帧的设置，可以调节拥堵的通信情况，提高无线资源的利用度，时帧的设置可以在关于通信信道状态的统计信息满足预先设置的信道状态的情况下(例如，信道负载或PER为预定比率以上的情形)进行变更，或按预定时间间隔反复变更。
步骤S740中，在本车要传送本车的行驶信息的情况下，确认数据发送时将使用的时帧的信息是否存在，请求分配时隙。
而且，在步骤S750中，基于时帧的信息，设置数据传送率、消息生成率及传送功率等。步骤S760中，基于所述设置的数据传送环境，生成关于本车行驶信息的数据，而且，在步骤S770中，与周边车辆接收发送行驶信息。通信拥堵控制系统在周期性地考虑本车行驶状态及周边通信情况并变更时帧设置的同时，继续与周边车辆进行行驶信息相关数据的接收发送。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (12)

1.一种通信拥堵控制装置，其特征在于包括：
外部传感器综合模块，其接收车辆的传感信号及全球定位系统(GPS)信号中至少任意一种信号的输入，把基于所述信号生成的所述车辆的行驶信息传递给网络拥堵控制部；
无线资源管理模块，其从所述车辆的通信模块接收关于与周边车辆的通信状态的统计信息及所述周边车辆的行驶信息的输入，传递给所述网络拥堵控制部；
网络拥堵控制部，基于关于通信状态的所述统计信息，决定时帧的设置变更时间点，基于从时帧设计部输入的所述时帧的信息，生成将传送的数据；以及
时帧设计部，其根据所述网络拥堵控制部统计的周边通信情况，可变地变更所述时帧的设置，传递给所述网络拥堵控制部。
2.根据权利要求1所述的通信拥堵控制装置，其特征在于：
所述时帧设计部基于所述车辆的平均行驶速度设置所述时帧的期间。
3.根据权利要求1所述的通信拥堵控制装置，其特征在于：
所述时帧设计部基于位于能够与所述车辆以预先设置的接收率以上进行通信的区域内的所述周边车辆的个数，决定所述时帧内的时隙的个数。
4.根据权利要求1所述的通信拥堵控制装置，其特征在于：
所述时帧设计部在所述车辆继续行驶期间，按预定时间间隔变更所述时帧的设置。
5.根据权利要求1所述的通信拥堵控制装置，其特征在于：
所述网络拥堵控制部基于所述时帧的信息，设置所述数据传送时使用的数据传送率、消息生成率及传送功率中至少任意一种值。
6.根据权利要求1所述的通信拥堵控制装置，其特征在于：
所述网络拥堵控制部基于所述时帧内的时隙的长度设置数据传送率，基于所述时帧的期间设置消息生成率。
7.根据权利要求6所述的通信拥堵控制装置，其特征在于：
所述网络拥堵控制部在所述数据传送率超过车辆间通信时能够使用的数据传送率最大值的情况下，使传送功率的大小减小。
8.根据权利要求1所述的通信拥堵控制装置，其特征在于：
所述无线资源管理模块把包括所述周边车辆的速度信息、位置信息、行驶方向、介质访问控制地址及车辆识别名(ID)中至少任意一种信息的行驶信息，传递给所述网络拥堵控制部。
9.根据权利要求1所述的通信拥堵控制装置，其特征在于：
所述无线管理资源模块把包括所述车辆通信模块周期性使用的频带中的信道负载、噪声直方图及与所述周边车辆的数据接收发送率中至少任意一种信息的统计信息，传递给所述网络拥堵控制部。
10.一种通信拥堵控制方法，其特征在于包括以下步骤：
从车辆间通信模块接收周边车辆的行驶信息及关于与所述周边车辆的通信状态的统计信息；
基于所述行驶信息及关于通信状态的所述统计信息，设置或变更数据接收发送时将使用的时帧；
基于所述时帧的信息，设置将生成向所述周边车辆传送的数据时使用的数据传送率、消息生成率；以及
基于所述数据传送率及所述消息生成率，生成关于所述车辆的行驶信息的数据，向所述周边车辆送出。
11.根据权利要求10所述的通信拥堵控制方法，其特征在于：
设置或变更数据接收发送时将使用的时帧的所述步骤是基于周边通信情况，按预定时间间隔，设置或变更所述时帧的期间及所述时帧内的时隙个数。
12.根据权利要求10所述的通信拥堵控制方法，其特征在于还包括：
通过车辆内部通信网络接收本车的传感信号，从全球定位系统(GPS)接收器接收全球定位系统信号的步骤；
基于所述输入的信息，计算出本车的行驶信息的步骤；以及
把所述本车的行驶信息及所述周边车辆的行驶信息，传送给车辆安全系统的步骤。
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