CN101355817A - 一种接入节点平滑切换的触发方法 - Google Patents

Abstract

一种接入节点平滑切换的触发方法，步骤为：(1)移动客户端获取其当前信道及有覆盖信道备选接入节点以及当前接入节点的信号强度信息，并维护在一定时间内该信息的存储；(2)对信号强度信息进行预处理；(3)根据备选接入节点信号强度的趋势变化及相关判断准则，选择备选接入节点加入输出集；(4)根据当前接入节点信号强度的趋势变化及相关判断准则，若当前接入节点的信号强度趋势满足切换条件，从输出集中选择一个接入节点进行切换。本发明用于802.11无线网络中移动客户端与接入节点平滑切换，主要解决802.11无线网络中由于切换触发机制而导致的通信质量下降的问题。

Description

一种接入节点平滑切换的触发方法

技术领域

本发明涉及一种在802.11无线网络中通过持续监测来完成移动客户端与接入节点之间平滑切换的触发方法，属于无线网络通信技术领域。

背景技术

基于IEEE802.11的大规模无线网络中，一般采用较大数量的接入节点来保证一定的网络覆盖以满足移动客户端的需求。但由于其信道数量有限，因此各接入节点的通信范围存在覆盖，在这种网络环境下，移动客户端在某一时刻可以在多个接入节点之间进行选择。

当一个移动客户端检测到其与当前接入节点连接的丢失或者通信性能下降而无法满足用户需求时，会重新选择一个接入节点进行连接，该过程可以分为以下四个阶段：(1)相关的通信参数触发移动客户端发起切换过程；(2)移动客户端对各信道进行扫描，收集其邻居范围内可连接的接入节点的信息；(3)根据一定的策略在搜索到的接入节点中选择一个可以满足客户端性能要求的接入节点；(4)客户端断开与当前接入节点的连接，并与新接入节点完成重连接。

目前的切换机制在触发切换时，移动客户端可能已经在一段时间内经历了较差的传输性能，严重影响了一些实时应用的通信质量。在触发切换后，移动客户端要进行信道扫描，查找邻居范围内可连接的接入节点，这一阶段会造成较大的时延，由于此时客户端无法与原接入节点进行通信，因此可能会导致数据丢失等问题，影响传输的服务质量。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种接入节点平滑切换的触发方法，以保证用户可以不经历连接断开或通信质量极差的阶段就触发切换，可以直接从当前时刻的接入节点输出集中选择一个节点进行连接，减少了信道扫描的时间，降低了切换时延。

本发明采取的技术方案是：一种接入节点平滑切换的触发方法，包含以下步骤：

(1)移动客户端获取其当前信道及有覆盖信道备选接入节点以及当前关联的接入节点信号强度信息，并维护在一定时间内该信息的存储；

(2)对信号强度信息进行预处理；

(3)根据备选接入节点信号强度的趋势变化及相关判断准则，选择备选接入节点加入输出集；

(4)根据当前接入节点信号强度的趋势变化及相关判断准则，若当前接入节点的信号强度趋势满足切换条件，从输出集中选择一个接入节点进行重关联。

所述步骤(1)中当前接入节点以及每个备选接入节点信息维护一个循环队列，所述的循环队列中储存T时间内收到的N个信标帧中的时间戳、该帧的接收信号强度指示RSSI值、平滑处理后RSSI值的一阶差分以及该节点的优先级；当循环队列存储空间已满时，新的信息会将最旧的信息覆盖。

所述步骤(2)中的对信号强度信息进行预处理的方法步骤如下：

(2.1)若某一时刻由于某种原因移动客户端没有收到接入节点的信标帧，移动客户端会根据之前一个时间段T_co内的RSSI值，通过直线滑动平均法为该时刻的信息取一个估计值，并修改节点优先级Φ＝Φ-2，若Φ≤0，则删除该接入节点的信息队列，其中，估计值的计算公式如下：

${\mathrm{AP}}_{\mathrm{it}}=\underset{j=t-n}{\overset{t-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_j{\mathrm{AP}}_{\mathrm{ij}}$

其中，h_j为加权平均因子，根据具体的网络状况而定，需满足 $\underset{j=t-n}{\overset{t-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_j=1;i$ 表示第i个接入节点，t表示在该接入节点中存储的第t个RSSI值；

(2.2)移动客户端在收到来自某个接入节点AP_i的一个信标帧或计算出该时刻的估计值后，计算新得到的RSSI值的一阶差分，一阶差分的计算公式如下：

$\▿{\mathrm{AP}}_{\mathrm{iS}}={\mathrm{AP}}_{\mathrm{iS}}-{\mathrm{AP}}_{\mathrm{iS}-1}$

其中，i表示第i个接入节点，S表示在该接入节点中存储的第S个RSSI值。

所述步骤(3)中的根据备选接入节点信号强度的趋势变化及相关判断准则，选择备选接入节点加入输出集的步骤如下：

(3.1)根据实际的通信状况，设定两个RSSI的阈值R_bad，R_exc，其中R_bad是通信过程可以接受的最差信号强度值，R_exc则是认为信号强度较好的判定值。若当前RSSI≤R_bad，则认为该接入节点此时刻的信号强度不满足基本通信需求，修改节点优先级Φ＝Φ-1，若Φ≤0，则删除该接入节点的信息队列；若当前RSSI≥R_exc，则认为此时信号强度较好，修改节点优先级Φ＝Φ+1，若此接入节点的信息队列不存在，为其分配存储空间，置Φ值为1；

(3.2)根据网络通信状况的稳定性，设置平滑系数θ，对

进行平滑处理，处理公式如下：

${\▿}^{\′}{\mathrm{AP}}_{\mathrm{iS}}=\mathrm{\θ}\▿{\mathrm{AP}}_{\mathrm{iS}}+(1-\mathrm{\θ}){\▿}^{\′}A{P}_{\mathrm{iS}-1}$

(3.3)计算当前接入节点在S时刻RSSI一阶差分的方差D_iS，若|D_iS|≥D₀，结束该节点的计算，检查输出集中是否包含该介入节点，若包括，将其删除，其中D₀为方差阈值，用来剔除信号强度发生突变的备选接入节点；

(3.4)若|D_iS|≥D₀不成立，判断其信号强度变化趋势，若 ${\▿}^{\′}{\mathrm{AP}}_{\mathrm{iS}}>0,$ 说明该节点的信号强度呈上升趋势，检查当前输出集中是否包含该接入节点，若不包含，将该节点加入输出集。

所述步骤(4)中，若当前接入节点RSSI≤R_bad，或Φ≤0，进行接入节点的切换；如以上两个判别式均不成立，则对当前接入节点的一阶方差进行平滑，计算公式如下：

${\▿}^{\′}{\mathrm{AP}}_S=\mathrm{\θ}\▿{\mathrm{AP}}_S+(1-\mathrm{\θ}){\▿}^{\′}{\mathrm{AP}}_{S-1}$

若 ${\&dtri;}^{\&prime;}{\mathrm{AP}}_S<0,$ 触发接入节点的切换过程，否则，继续保持与当前接入节点的关联关系。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)由于本发明采用趋势判断而非瞬时强度判断的方法决定是否触发接入节点的切换，一旦当前接入节点信号强度的下降趋势超过了限定的阈值就会触发切换，客户端不用经历连接断开或传输质量极差的阶段。

(2)由于移动客户端一直持续监测当前信道及有覆盖的信道中的所有接入节点，一旦切换发生，客户端可以直接从当前时刻的接入节点输出集中选择一个节点进行连接，减少了信道扫描的时间，降低了切换时延。

附图说明

图1为本发明的接入节点的无线网络拓扑结构图；

图2为本发明的移动客户端的信息收集及切换触发流程图；

图3为本发明的移动客户端的信息存储结构图，其中，

是经过平滑处理后的信号强度一阶差分值；

图4为本发明的备选接入节点的信息收集及趋势判断流程图；

图5为本发明当前接入节点的信息收集及趋势判断流程图。

具体实施方式

本发明所提出的基于信号强度持续监控的趋势判断切换触发方法需解决以下四个问题：第一，通过接收接入节点定时发送的信标帧后，如何存储以及存储那些需要的信息，可以以较小的时空复杂度满足趋势判断的要求；第二，移动节点如何根据存储的接入节点的信息，对重要数据做预处理，并进行趋势判断；第三，判断准则问题，即如何根据所得的趋势获得接入节点的输出集；第四，断开与当前接入节点连接的时机，即在何种情况下，客户端会选择断开与当前节点的连接，在输出集中选择新的接入节点进行关联。

如图1的拓扑结构图所示，由于接入节点的信号区域存在重叠，移动客户端MH所在的位置可以与两个接入节点AP₁，AP₂进行通信，并有可能在移动的过程中同时进入三个接入接入节点的通信范围，其中AP₁为当前接入节点。随着MH的移动或者接入节点的变化，MH与当前接入节点的通信链路质量会发生变化。MH会持续监测所有当前信道及有覆盖的信道内可见的接入节点，并动态更新接入节点输出集，一旦MH收集到的AP₁的信号强度持续下降，会触发接入节点的切换，从当前时刻输出集中选择接入节点进行关联。

下面分四个部分阐述本发明的具体实施方法：

1.接入节点的信息收集及存储

由于无线链路传输的广播特性，移动客户端可以收到所有可见接入节点定时发送的信标帧而不产生任何额外的开销，这里，可见是指该接入节点所使用的信道与客户端相同或有覆盖，并且，客户端在其通信范围之内。本发明采用循环队列的存储结构，如原理图2所示，若此时移动客户端MH正在与AP2保持连接，且可见的接入节点为AP1，AP3，AP4，AP5，MH会为每个可见的接入节点维护一个循环队列，每收到一个信标帧添加一条记录。其中，时间为接入节点在发送信标帧时所加的时间戳；RSSI为移动客户端根据收到的信标帧所判断的该接入节点的RSSI值；差分为客户端收到信标帧后，计算当前RSSI值与上一时刻RSSI值的一阶差分

并进行平滑处理得到

Φ为接入节点的优先级，客户端每收到一个信标帧，若RSSI≥R_exc，则Φ＝Φ+1，若RSSI≤R_bad，则Φ＝Φ-1，若定时器到时而没有收到信标帧，则Φ＝Φ-2，即节点的重要性会随着通信质量的上升而提高，丢失信标帧或信号强度较差的情况会导致该节点的重要性下降。

如图4流程图所示，收到信标帧或定时器到时都会使客户端启动新一轮的计算过程。

收到信标帧后，移动客户端会根据标识查找该接入节点信息的存储位置，将时间和RSSI值填入信息队列，之后计算一阶差分值及其平滑处理，并更新该接入节点的优先级。同时，客户端会启动为该接入节点设置的定时器，时长略大于接入节点发送信标帧的时间间隔。

由于采用了循环队列，因此，最新到达的消息内容会把最旧的消息内容覆盖掉，从而保证队列中存储的信息为最新，因此通过对存储数据的分析能够体现出接入节点在最近一段时间内变化趋势。

2.数据信息的预处理

移动客户端接可能由于网络拥塞、外界环境等原因无法收到个别信标帧，但并不说明该节点不具备成为接入节点的能力，即此时尚不需进行接入节点的切换。若定时器到时，而客户端没有收到信标帧时，本发明采用直线滑动平均法为该时刻的RSSI取一个估计值，以保证数据的连续性，计算公式如下：

${\mathrm{AP}}_{\mathrm{it}}=\underset{j=t-n}{\overset{t-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_j{\mathrm{AP}}_{\mathrm{ij}}$ 其中，h_j为加权平均因子，且满足 $\underset{j=t-n}{\overset{t-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_j=1$

由于在大多数情况下，接入节点的RSSI会随距离、环境等因素发生持续性的变化，也即RSSI值会在较短时间内保持一定的变化趋势。因此，通过该方法可以根据前一个时间段内RSSI值，计算出接入节点RSSI的估计值。其中，加权平均因子h_j可以根据不同的策略进行设置，如采用递增数列，使得越接近当前时刻的值的权值越大。在对RSSI进行估计后，要将Φ值更新Φ＝Φ-2，若Φ≤0，则删除该接入节点的信息队列。

3.趋势判断及结果输出

对于正常接收到的信标帧，客户端首先根据收到的RSSI值，判断该值所在的区间。如果RSSI≥R_exc，则检查此时客户端是否保存有该接入节点的存储信息，若此接入节点的信息队列不存在，为其分配存储空间，置Φ值为1，并计算相关存储信息；若该节点的信息队列存在，则执行Φ＝Φ+1，并计算相关存储信息。如果RSSI≤R_bad，则执行Φ＝Φ-1，若Φ≤0，则删除该接入节点的信息队列。

在上述的储存信息计算过程中，主要通过以下计算公式：

$\&dtri;{\mathrm{AP}}_{\mathrm{iS}}={\mathrm{AP}}_{\mathrm{iS}}-{\mathrm{AP}}_{\mathrm{iS}-1}$

${\&dtri;}^{\&prime;}{\mathrm{AP}}_{\mathrm{iS}}=\mathrm{\&theta;}\&dtri;{\mathrm{AP}}_{\mathrm{iS}}+(1-\mathrm{\&theta;}){\&dtri;}^{\&prime;}{\mathrm{AP}}_{\mathrm{iS}-1}$

其中，θ＜1，且θ值的选取应该与具体的网络环境相关。若θ取值较大，则平滑后的差分值会对数值突变比较敏感，适用于网络环境变化较少的情况，可以较好的对发生的变化作出相应；若θ取值较小，则可以较大程度的滤掉信号的突然变化，提取出总的变化趋势，适用于网络环境变化较大的情况，可以避免频繁的接入节点切换。

将需存储的信息计算完毕后，对于RSSI≥R_exc的接入节点计算其在S时刻RSSI一阶差分的方差D_iS，若|D_iS|≥D₀，认为此时刻信号发生了突变，通信状况不稳定，停止对该节点的计算。

若该时刻的方差值没有超过阈值，则进一步判断该节点RSSI值的变化趋势。根据平滑处理后的一阶差分值，若 ${\&dtri;}^{\&prime;}{\mathrm{AP}}_{\mathrm{iS}}>0,$ 则认为该节点的信号强度呈上升趋势，且不是信号突变后的结果，则将该节点加入输出集。否则，结束该节点的计算。

4.切换判定及接入节点重关联

对于当前正在关联的接入节点，如图5的流程图所示，客户端会在每接收到一个信标帧或定时祈祷室后进行与其他接入节点相似的过程，计算相关的信息并进行存储。

若RSSI≤R_bad，则认为其信号强度值过低，无法满足基本通信需求，需要立即进行接入节点的切换；否则，若Φ≤0，则认为当前客户端有一定数量未收到的信标帧，需要进行接入节点的切换，这里，由于已经排除了RSSI≤R_bad的情况，因此Φ≤0主要是由于丢失信标帧导致的；如以上两个数值均在允许的范围内，也即，信号强度过低或连续丢失信标帧的情况不足以影响目前的通信，则判断当前时刻接入节点的RSSI值变化趋势，若 ${\&dtri;}^{\&prime;}{\mathrm{AP}}_S<0,$ 则认为该节点在一段时间内的信号强度成下降趋势，需要进行接入节点的切换，否则，继续保持与当前接入节点的关联关系。

切换触发后，移动客户端会根据一定的策略在当前时刻的输出集中选择一个能够满足通信要求的接入节点进行关联，并将其Φ值置0。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明基于持续检测的无线网络切换触发方法的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基于持续检测的无线网络切换触发原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明基于持续检测的无线网络切换触发方法的保护范围。

Claims (5)

1、一种接入节点平滑切换的触发方法，其特征在于包含以下步骤：

(1)移动客户端获取其当前信道及有覆盖信道备选接入节点以及当前关联的接入节点信号强度信息，并维护在一定时间内该信息的存储；

(2)对信号强度信息进行预处理；

(3)根据备选接入节点信号强度的趋势变化及相关判断准则，选择备选接入节点加入输出集；

(4)根据当前接入节点信号强度的趋势变化及相关判断准则，若当前接入节点的信号强度趋势满足切换条件，从输出集中选择一个接入节点进行重关联。

2、根据权利要求1所述的接入节点平滑切换的触发方法，其特征在于：所述步骤(1)中当前接入节点以及每个备选接入节点信息维护一个循环队列，所述的循环队列中储存T时间内收到的N个信标帧中的时间戳、该帧的接收信号强度指示RSSI值、平滑处理后RSSI值的一阶差分以及该节点的优先级；当循环队列存储空间已满时，新的信息会将最旧的信息覆盖。

3、根据权利要求1所述的接入节点平滑切换的触发方法，其特征在于：所述步骤(2)中的对信号强度信息进行预处理的方法步骤如下：

(2.1)若某一时刻由于某种原因移动客户端没有收到接入节点的信标帧，移动客户端会根据之前一个时间段T_co内的RSSI值，通过直线滑动平均法为该时刻的信息取一个估计值，并修改节点优先级Φ＝Φ-2，若Φ≤0，则删除该接入节点的信息队列，其中，估计值的计算公式如下：

${\mathrm{AP}}_{\mathrm{it}}=\underset{j=t-n}{\overset{t-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_j{\mathrm{AP}}_{\mathrm{ij}}$

其中，h_j为加权平均因子，根据具体的网络状况而定，需满足 $\underset{j=t-n}{\overset{t-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_j=1;$ i表示第i个接入节点，t表示在该接入节点中存储的第t个RSSI值；

(2.2)移动客户端在收到来自某个接入节点AP_i的一个信标帧或计算出该时刻的估计值后，计算新得到的RSSI值的一阶差分，一阶差分的计算公式如下：

$\&dtri;{\mathrm{AP}}_{\mathrm{iS}}={\mathrm{AP}}_{\mathrm{iS}}-{\mathrm{AP}}_{\mathrm{iS}-1}$

其中，i表示第i个接入节点，S表示在该接入节点中存储的第S个RSSI值。

4.根据权利要求1所述的接入节点平滑切换的触发方法，其特征在于：所述步骤(3)中的根据备选接入节点信号强度的趋势变化及相关判断准则，选择备选接入节点加入输出集的步骤如下：

(3.1)根据实际的通信状况，设定两个RSSI的阈值R_bad，R_exc，其中R_bad是通信过程可以接受的最差信号强度值，R_exc则是认为信号强度较好的判定值。若当前RSSI≤R_bad，则认为该接入节点此时刻的信号强度不满足基本通信需求，修改节点优先级Φ＝Φ-1，若Φ≤0，则删除该接入节点的信息队列；若当前RSSI≥R_exc，则认为此时信号强度较好，修改节点优先级Φ＝Φ+1，若此接入节点的信息队列不存在，为其分配存储空间，置Φ值为1；

(3.2)根据网络通信状况的稳定性，设置平滑系数θ，对

进行平滑处理，处理公式如下：

${\&dtri;}^{\&prime;}{\mathrm{AP}}_{\mathrm{iS}}=\mathrm{\&theta;}\&dtri;{\mathrm{AP}}_{\mathrm{iS}}+(1-\mathrm{\&theta;}){\&dtri;}^{\&prime;}{\mathrm{AP}}_{\mathrm{iS}-1}$

(3.3)计算当前接入节点在S时刻RSSI一阶差分的方差D_iS，若|D_iS|≥D₀，结束该节点的计算，检查输出集中是否包含该介入节点，若包括，将其删除，其中D₀为方差阈值，用来剔除信号强度发生突变的备选接入节点；

(3.4)若|D_iS|≥D₀不成立，判断其信号强度变化趋势，若

说明该节点的信号强度呈上升趋势，检查当前输出集中是否包含该接入节点，若不包含，将该节点加入输出集。

5.根据权利要求1所述的接入节点平滑切换的触发方法，其特征在于：在步骤(4)中，若当前接入节点RSSI≤R_bad，或Φ≤0，进行接入节点的切换；如以上两个判别式均不成立，则对当前接入节点的一阶方差进行平滑，计算公式如下：

${\&dtri;}^{\&prime;}{\mathrm{AP}}_S=\mathrm{\&theta;}\&dtri;{\mathrm{AP}}_S+(1-\mathrm{\&theta;}){\&dtri;}^{\&prime;}{\mathrm{AP}}_{S-1}$

若 ${\&dtri;}^{\&prime;}{\mathrm{AP}}_S<0,$ 触发接入节点的切换过程，否则，继续保持与当前接入节点的关联关系。

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