CN101141815A - 具有切换保护的空地无线链路快速切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有切换保护的空地无线链路快速切换方法，包括：对移动节点在切换过程中可能的接入目标浮空器进行预测，生成预测切换目标列表，并发送给移动节点；移动节点向预测切换目标列表中的所有浮空器发送预切换请求消息，分别与其中的浮空器按照预定的切换预操作流程进行预切换操作，并记录当前的预切换状态；移动节点进行链路层状态监测，根据监测情况生成本地切换目标浮空器列表；将预测切换目标列表与本地切换目标列表进行比较，选择同时存在于预测切换目标列表与本地切换目标列表中的浮空器作为实际切换浮空器，执行切换操作。该方法克服了现有技术的不足，满足了临近空间网络高移动性节点的快速切换需要。

Description

具有切换保护的空地无线链路快速切换方法

技术领域

本发明涉及一种空地无线链路切换方法，尤其是一种基于用户节点航迹预测的，并且具有切换保护能力的空地无线链路的快速切换方法。

背景技术

临近空间通信系统的组成结构包括多个位于空中的浮空器，至少1个网络控制中心和若干用户节点。其中，每个浮空器可以通过空空无线接口与临近的浮空器建立通信链路，并且可以通过空地馈线链路与地面网络控制中心建立通信链路，同时浮空器通过空地用户无线接口与用户节点建立通信链路。

由于临近空间网络架构不同于现有的地面IP网，临近空间网络是一个无线通信网络，用户节点与浮空器之间通过无线链路进行通信，因此，必须解决用户节点的漫游和切换问题。目前，这类基于多个浮空器组网的临近空间通信系统还没有实际运行的系统，尤其是基于IP技术的临近空间网络还处于研究阶段，用户节点的漫游和切换问题还未开展研究。

目前，为解决地面IP无线网络的用户切换问题，Internet工作组IETF(Internet Engineering Task Force)制定了移动IPv6协议。关于移动IPv6协议的具体内容请参考文献[1]D.Johnson，C.Perkins，J.Arkko，“Mobility Support in IPv6”，IETF RFC3775。但是移动IPv6协议在用户切换时存在时延较长、影响切换时的服务质量的问题，为此，IETF制定了快速移动IPv6协议。关于快速移动IPv6协议的具体内容请参考文献[2]R.Koodli，“Fast Handovers for Mobile IPv6”，IETF RFC4068。但是，快速移动IPv6协议采用的预测切换机制存在可能造成信息丢失的缺陷，为此，中国发明专利申请号为200610079037.3的专利申请公开说明书中公开了一种基于二层预测和触发的三层移动切换实现方法。

但是以上基于预测的快速切换技术中预测的切换目标基站都是单个的，不能有效地解决多个基站情况下的预测模糊性问题，在多个基站同时可能成为切换目标基站的情况下，将存在更大的预测失败概率，而一旦预测失败，仍然会造成大的切换时延，并使信息丢失。

另外，在临近空间网络中存在移动性很高的用户节点，如飞机，这些用户节点要求更短的切换时延和更高的切换成功率，并且这类节点的业务往往数据率较大，对切换时延又提出了更苛刻的要求。现有的快速切换技术没有解决切换过程中的链路层切换存在较大时延的问题，尤其是临近空间通信系统中空地链路时延远远大于地面无线IP网络，因此，现有技术不能满足临近空间网络高移动性节点的快速切换需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种能满足临近空间通信系统中高移动性节点的快速切换要求，同时降低预测失败以及信息丢失可能性的无线链路快速切换方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种具有切换保护的空地无线链路快速切换方法，包括以下步骤：

步骤1、对移动节点在切换过程中可能的接入目标浮空器进行预测，生成预测切换目标列表，并发送给移动节点；

步骤2、移动节点向预测切换目标列表中的所有浮空器发送预切换请求消息，分别与预测切换目标列表中的所有浮空器按照预定的切换预操作流程进行预切换操作，并记录当前的预切换状态；

步骤3、移动节点进行链路层状态监测，根据监测情况生成本地切换目标浮空器列表；

步骤4、将预测切换目标列表与本地切换目标列表进行比较，选择同时存在于预测切换目标列表与本地切换目标列表中的浮空器作为实际切换浮空器，执行切换操作。

以上具有切换保护的空地无线链路快速切换方法中，所述进行切换操作具体为：移动节点向当前与所述移动节点连接的浮空器发送请求信息要求缓存当前与移动节点连接的浮空器发往移动节点的数据包，当前与移动节点连接的浮空器缓存发往所述移动节点的数据包后，移动节点断开与当前与移动节点连接的浮空器的连接，与实际切换浮空器建立连接。

以上具有切换保护的空地无线链路快速切换方法中，所述切换操作后还包括：已经断开的当前与移动节点连接的浮空器通过双向临时隧道向实际切换浮空器转发缓存的发往移动节点的数据包，并将截获的发往移动节点的旧网络地址的数据包通过双向临时隧道转发给移动节点。

由以上技术方案可知，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、能够有效地解决多个切换目标接入节点的预测模糊性问题，极大程度地降低预测失败的可能性，同时能够得到最优化的预测；

2、极大地降低了切换时延，更能满足临近空间通信系统中高速移动节点的快速切换要求；

3、克服了快速移动IPv6协议采用的预测切换机制存在可能造成缓存数据全部丢失的缺陷，同时与申请号为200610079037.3的中国发明专利中公开的方法相比，本发明所提供的方法进一步降低了数据包缓存的时间；

4、减少了原接入浮空器缓存的数据量，降低了对浮空器缓存容量的设计要求，同时信息丢失的可能性以及数据包传输时延抖动都得到了降低。

下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明具有切换保护的空地无线链路快速切换方法的流程图；

图2为本发明具有切换保护的空地无线链路快速切换方法另一较佳实施例的流程图。

具体实施方式

参见图1，图1为本发明具有切换保护的空地无线链路快速切换方法的流程图，包括如下步骤：

步骤101、对移动节点在切换过程中可能的接入目标浮空器进行预测，生成预测切换目标列表，并发送给移动节点；

步骤102、移动节点向预测切换目标列表中的所有浮空器发送预切换请求消息，分别与其中的浮空器按照预定的切换预操作流程进行预切换操作，并记录当前的预切换状态；

步骤103、移动节点进行链路层状态监测，根据监测情况生成本地切换目标浮空器列表；

步骤104、将预测切换目标列表与本地切换目标列表进行比较，选择同时存在于预测切换目标列表与本地切换目标列表中的浮空器作为实际切换浮空器，执行切换操作。

在步骤101之前，还可以包括切换发生时刻预测操作，当达到了切换触发条件时，执行步骤101。

所述步骤101还可以包括对预测切换目标列表中的成员进行优先级排序的操作。

在所述步骤102中，分别与其中的浮空器按照预定的切换预操作流程进行预切换操作具体为：根据预测切换目标列表中的成员优先级排序进行不同程度的预切换操作。

所述步骤104中，选择同时存在于预测切换目标列表与本地切换目标列表中的浮空器作为实际切换浮空器，具体为：根据预测切换目标列表中成员的优先级排序，依次判断预测切换目标列表中的浮空器是否存在于本地切换目标列表中，如果优先级高的浮空器存在于本地切换目标列表中，则以此浮空器作为实际切换浮空器；否则，判断优先级次高的浮空器否存在于本地切换目标列表中，依此类推，逐级对预测切换目标列表中的成员进行判断；如果预测切换目标列表中的所有成员均不存在于本地切换目标列表中，则将本地切换目标列表中的首项作为实际切换浮空器。

步骤104中所述进行切换操作具体为：移动节点向当前浮空器发送请求信息要求缓存当前浮空器发往移动节点的数据包，当前浮空器缓存发往所述移动节点的数据包后，移动节点断开与当前浮空器的连接，与实际切换浮空器建立连接。

切换操作后还可以包括：已经断开的当前浮空器通过双向临时隧道向实际切换浮空器转发缓存的发往移动节点的数据包，并将截获的发往移动节点的旧网络地址的数据包通过双向临时隧道转发给移动节点。

切换操作后还可以包括路由优化操作。

下面结合图2对本发明中具有切换保护的空地无线链路快速切换方法进行详细阐述。图2为本发明具有切换保护的空地无线链路快速切换方法另一较佳实施例的流程图，包含以下步骤：

步骤201、网络控制中心根据移动节点的航迹信息进行切换预测。网络控制中心根据移动节点的航迹规划或航迹预测等节点运动信息，并结合临近空间通信系统中各浮空器节点的位置及覆盖参数等网络信息，对移动节点的切换发生时刻进行预测。

步骤202、网络控制中心判断移动节点是否达到了切换触发条件，如果是，则进行步骤203，否则，网络控制中心继续执行步骤201。

步骤203、网络控制中心根据移动节点的航迹规划或航迹预测等节点运动信息，并结合临近空间通信系统中各浮空器节点的位置及覆盖参数等网络信息，对移动节点在切换过程中可能的接入目标浮空器进行预测，最终的预测结果可能是有多个浮空器，并将预测结果生成一个预测切换目标列表。

步骤204、网络控制中心按照一定的算法对预测切换目标列表中的成员进行优先级排序，排序后的列表中的第一个成员表示是网络控制中心确定的移动节点的首选切换接入目标浮空器，第二个成员表示是网络控制中心确定的移动节点的次选切换接入目标浮空器，以此类推。更新后的预测切换目标列表发送到移动节点。

步骤205、网络控制中心向预测切换目标列表中的所有浮空器发送移动节点的预切换请求消息。

步骤206、移动节点根据网络控制中心发送的预测切换目标列表，分别与其中的浮空器按照预定的切换预操作流程进行不同程度的预切换操作，并记录当前的预切换状态。

步骤207、移动节点持续进行链路层状态监测，通过监测信息，移动节点能够获得当前连接的无线链路质量，以及接收到的周围邻近浮空器的信号质量。

步骤208、移动节点通过监测信息，判断是否应该发起切换过程。如果没有达到发起切换的条件，则移动节点继续进行链路状态监测，否则，执行步骤209。

步骤209、移动节点根据步骤207获得的临近浮空器的情况，生成本地切换目标浮空器列表，该列表表示了移动节点实际能够切换的目标浮空器。

步骤210、将预测切换目标列表与本地切换目标列表进行比较，以此判断预测的切换目标是否存在误差，如果预测的切换目标存在于本地切换目标列表中，则说明预测成功，该预测的切换目标可以作为移动节点的切换接入浮空器；否则预测失败，该预测的切换目标不能作为移动节点的切换接入浮空器。

步骤211、判断预测切换目标列表中的首选预测目标是否预测成功，如果是，则执行步骤216；否则，执行步骤212。

步骤212、判断预测切换目标列表中的下一个预测目标是否预测成功，如果是，则执行步骤215；否则，执行步骤213。

步骤213、步骤212中的预测切换目标是否是预测切换目标列表中的最后一个，如果是，则表示预测切换目标列表中的所有预测目标都预测失败，执行步骤214；否则，执行步骤212，继续判断预测切换目标列表中的后续预测目标。

步骤214、预测切换目标列表中的所有预测目标都预测失败的情况下，移动节点向本地切换目标列表的首项发送切换请求，此时本地切换目标列表的首项作为移动节点的实际切换接入浮空器。

步骤215、移动节点根据记录的当前切换执行状态，完成剩余的切换预操作。

步骤216、移动节点通知预测切换目标列表中其他的浮空器删除移动节点的预切换操作，同时移动节点删除存储的预测切换目标列表。

步骤217、移动节点发送BUFER_REQ消息到当前浮空器，请求当前浮空器缓存发往移动节点的数据包。

步骤218、当前浮空器收到移动节点的BUFFER_REQ消息后，开始缓存远端通信节点发往移动节点的数据包，并发送确认应答消息BUFFER_ACK给该节点。

步骤219、移动节点收到确认应答消息BUFFER_ACK后，断开与当前浮空器的连接。

步骤220、移动节点与目标切换接入浮空器建立连接。

步骤221、移动节点与目标切换接入浮空器的连接建立完成后，所述目标切换接入浮空器通知已断开的当前浮空器开始转发缓存的数据包，已断开的当前浮空器通过双向临时隧道转发之前缓存的发往移动节点的数据包，并且截获发往移动节点的旧的网络地址的数据包，通过双向临时隧道转发给移动节点。

步骤222、移动节点进行路由优化，发送绑定更新(Binding Update，简称BU)消息到通信对端，请求通信对端更新关于移动节点的网络地址。

步骤223、通信对端收到移动节点发送的绑定更新消息后，更新绑定列表中的关于移动节点的网络地址，并向移动节点发送绑定更新确认消息BU_ACK。通过绑定更新消息和BU_ACK消息，移动节点与通信对端建立起优化后的新路径。

步骤224、通信对端采用移动节点的新网络地址与移动节点进行通信，并且发往移动节点的数据通过优化后的路径传输。

以上实施例通过生成预测切换目标列表，降低了预测失败的可能性。

本发明以上实施例中所述基于航迹预测的具有切换保护的空地无线链路快速切换方法中，预切换操作是指移动节点在断开与当前浮空器的无线连接之前，为切换到另一个浮空器而进行的操作，不同的系统设计可能采用的具体预切换操作有所差别。在本发明中，预切换操作流程为：

步骤301、移动节点基本参数传递。移动节点将其基本参数，比如终端标识，通信能力等，传递给切换目标浮空器。

步骤302、业务参数传递。节点将业务相关参数，如连接参数，带宽需求，QoS(Quality of Service)参数等，传递给切换目标浮空器。

步骤303、移动节点与预测切换目标列表中的切换目标浮空器就业务参数进行协商，以达到一致。

步骤304、切换目标浮空器为移动节点配置相关的链路层参数。

步骤305、切换目标浮空器为移动节点预留相应的无线信道资源。

步骤306、切换目标浮空器为移动节点配置新的网络地址，即用于移动节点切换到该浮空器后继续通信的新地址。

步骤307、切换目标浮空器将配置的移动节点的新地址通知当前浮空器，两个浮空器之间建立双向临时隧道。

当前与移动节点建立连接的浮空器为第一浮空器。网络控制中心发送给移动节点的预测切换目标列表中包含3个预测的切换目标浮空器，按优先级顺序排列分别是第二浮空器、第三浮空器、第四浮空器。

移动节点通过当前服务的第一浮空器与第二浮空器依次进行切换预操作流程中步骤301到步骤307；同时移动节点通过当前服务的第一浮空器与第三浮空器依次进行切换预操作流程中步骤301到步骤305；同时移动节点通过当前服务的第一浮空器与第四浮空器依次进行切换预操作流程中步骤301到步骤303。

以上实施例中，移动节点在断开与当前浮空器的连接之前，已经与预测切换列表中的浮空器进行了不同程度的预切换操作，降低了切换时延。

最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种具有切换保护的空地无线链路快速切换方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、对移动节点在切换过程中可能的接入目标浮空器进行预测，生成预测切换目标列表，并发送给移动节点；

步骤2、移动节点向预测切换目标列表中的所有浮空器发送预切换请求消息，分别与所述预测切换目标列表中的所有浮空器按照预定的切换预操作流程进行预切换操作，并记录当前的预切换状态；

步骤3、移动节点进行链路层状态监测，根据监测情况生成本地切换目标浮空器列表；

步骤4、将所述预测切换目标列表与本地切换目标列表进行比较，选择同时存在于预测切换目标列表与本地切换目标列表中的浮空器作为实际切换浮空器，执行切换操作。

2.根据权利要求1所述的具有切换保护的空地无线链路快速切换方法，其特征在于，在步骤1之前，还包括：切换发生时刻预测，当达到了切换触发条件时，执行步骤1。

3.根据权利要求1或2所述的具有切换保护的空地无线链路快速切换方法，其特征在于，步骤2中所述预切换操作具体为：

步骤21、移动节点基本参数传递；

步骤22、业务参数传递；

步骤23、移动节点与预测切换目标列表中的切换目标浮空器就业务参数进行协商，以达到一致；

步骤24、切换目标浮空器为移动节点配置相关的链路层参数；

步骤25、切换目标浮空器为移动节点预留相应的无线信道资源；

步骤26、切换目标浮空器为移动节点配置新的网络地址；

步骤27、切换目标浮空器将配置的移动节点的新地址通知当前与移动节点连接的浮空器，切换目标浮空器和当前与移动节点连接的浮空器之间建立双向临时隧道。

4.根据权利要求3所述的具有切换保护的空地无线链路快速切换方法，其特征在于，所述步骤1还包括对预测切换目标列表中的浮空器进行优先级排序的操作。

5.根据权利要求4所述的具有切换保护的空地无线链路快速切换方法，其特征在于，在所述步骤2中，分别与所述预测切换目标列表中的所有浮空器按照预定的切换预操作流程进行预切换操作具体为：对预测切换目标列表中的优先级最高的浮空器执行预切换操作全部步骤；对预测切换目标列表中除优先级最高的浮空器以外的其他浮空器，按照优先级执行部分预切换操作的步骤。

6.根据权利要求4所述的具有切换保护的空地无线链路快速切换方法，其特征在于，所述步骤4中，选择同时存在于预测切换目标列表与本地切换目标列表中的浮空器作为实际切换浮空器具体为：根据预测切换目标列表中浮空器的优先级排序，依次判断预测切换目标列表中的浮空器是否存在于本地切换目标列表中，如果优先级高的浮空器存在于本地切换目标列表中，则以所述优先级高的浮空器作为实际切换浮空器；否则，判断优先级次高的浮空器否存在于本地切换目标列表中，依此类推，逐级对预测切换目标列表中的浮空器进行判断；如果预测切换目标列表中的所有浮空器均不存在于本地切换目标列表中，则将本地切换目标列表中的首项浮空器作为实际切换浮空器。

7.根据权利要求1所述的具有切换保护的空地无线链路快速切换方法，其特征在于，所述步骤1中，所述对移动节点在切换过程中可能的接入目标浮空器进行预测具体为：根据移动节点的航迹信息和/或航迹预测信息对可能的接入目标浮空器进行预测。

8.根据权利要求1所述具有切换保护的空地无线链路快速切换方法，其特征在于，所述步骤4还包括：通知预测切换目标列表中的除实际切换浮空器以外的其他浮空器删除移动节点的预切换操作产生的相关信息。

9.根据权利要求1所述的具有切换保护的空地无线链路快速切换方法，其特征在于，步骤4中所述执行切换操作具体为：移动节点向当前与所述移动节点连接的浮空器发送请求信息要求缓存当前与所述移动节点连接的浮空器发往所述移动节点的数据包，当前与所述移动节点连接的浮空器缓存发往所述移动节点的数据包后，移动节点断开与当前与所述移动节点连接的浮空器的连接，与实际切换浮空器建立连接。

10.根据权利要求1所述的具有切换保护的空地无线链路快速切换方法，其特征在于，步骤4之后还包括：已经断开的当前与所述移动节点连接的浮空器通过双向临时隧道向实际切换浮空器转发缓存的发往移动节点的数据包，并将截获的发往移动节点的旧网络地址的数据包通过双向临时隧道转发给移动节点。

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