CN101409900B - 一种wlan无缝切换中新链路建立的自适应触发方法 - Google Patents

Abstract

一种WLAN无缝切换中新链路建立的自适应触发方法，本发明在WLAN向目标网络的切换情景中，能够根据移动体的具体运动状态自适应地设定建立目标网络中新链路的接收信号强度门限。从而既能够达到WLAN到目标网络的无缝切换，又能够最短时间地同时占用两条通信链路，从而能够更为合理高效地使用网络资源。

Description

一种WLAN无缝切换中新链路建立的自适应触发方法

技术领域

本发明涉及一种WLAN无缝切换中新链路建立的自适应触发方法，属于领域。

背景技术

近年来，随着WLAN热点部署的日益增多以及各种无线通信技术的蓬勃发展，WLAN相邻网络之间的无缝切换成为一个研究热点，但不论是同质WLAN之间的水平切换还是WLAN和互相重叠的异构网络之间的垂直切换，目的都是尽量减少切换时延以及由此引起的数据包丢失。切换过程中，一个很重要的问题就是何时去触发新链路的建立。在这个问题上，有各种各样的机制提出，有的采用接收信号强度[Novel MAC Layer Handoff Schemes for IEEE 802.11 Wireless LANsChintala，V.M.；Qing-An Zeng；Wireless Communications and Networking Conference，2007.WCNC 2007.IEEE 11-15 March 2007 Page(s)：4435-4440]，因为这种方法简单灵活；有的采用上层应用的QoS需求为切换设置相应的门限[J.Nie，J.Wen，Q.Dong and Z.Zho.“A seamless Handoff in IEEE802.16a and IEEE802.11n Hybrid Networks”，IEEECommunications，Circuits and Systems，vol.1，pp.383-387，(2005).]，当某个或某些QoS参数不能满足这些门限需求时，就触发新链路的建立，这种方法的目的是为了保证上层应用的需求，但是往往触发的切换不够合理；也有一些机制采用综合诸多因素来触发可能发生的切换[H.Wang et al.，Policy-enabled Handoffs acrossHeterogeneous Wireless Networks，Proc.Of Mobile Comp.Sys.And Apps.，New Orleans，LA，Feb.1999.]，这种机制为不同的考虑因素设置相应的权重以说明其重要性，当这个综合值超过某个预设门限时，即触发切换，这种机制能够比较智能，但是需要获取所有需要考虑因素的信息并对它们进行计算，这必然对移动终端有较高的要求，所以实用性较差。

为了解决WLAN切换的问题，文献[Novel MAC Layer Handoff Schemes for IEEF802.11 Wireless LANs Chintala，V.M.；Qing-An Zeng；Wireless Communications and NetworkingConference，2007.WCNC 2007.IEEE 11-15 March 2007Page(s)：4435-4440]采用make-before-break的机制来防止切换过程中的延时和丢包，采用的具体技术为MCoA[R.Jaksa，C.Williams and B.Sarikaya，″Mobile IPv6 Make Before Break″，draft-j aksa-mn-mbb-01，July 2007.]。

该机制提出在移动终端发现相邻的可用接入网络时，就采用MCoA技术向家乡代理注册两个转交地址。虽然移动终端仍然使用其中一个连接进行通信，但是需要保持两条链路的联通性。当目标接入网络的信号强度高于当前接入网络一个预设门限时，随即向家乡代理注册发起数据的重定向请求。这样就能有效减小切换延时以及数据包丢失。

该机制没有考虑如何去合理的触发新链路的建立。这样在当前接口进行通信的过程中盲目的保持和目标网络的连接必然会对目标网络的无线资源造成一定的浪费，此外，对于无线设备的能量消耗也是一种挑战。

与本发明相关的现有技术，传统的WLAN切换在[Novel MAC Layer HandoffSchemes for IEEE 802.11 Wireless LANs Chintala，V.M.；Qing-An Zeng；WirelessCommunications and Networking Conference，2007.WCNC 2007.IEEE 11-15 March 2007Page(s)：4435-4440]中有明确的规范，为了触发移动节点向相邻网络的切换，文献[2]定义了一个预设的门限来触发可能的切换。

为了触发从WLAN到相邻网络的切换，该机制[H.Wang et al.，Policy-enabledHandoffs across Heterogeneous Wireless Networks，Proc.Of Mobile Comp.Sys.And Apps.，NewOrleans，LA，Feb.1999.]为WLAN预设一个接收信号强度门限。当移动节点检测到当前WLAN的接收信号强度低于这个门限时就触发到相邻可用接入网络的切换。

这种机制没有考虑移动节点的移动速度，所以可能会发生当切换尚未完成就中断了和网络的连接，这样上层业务就会遭受较长的通信中断时间。

发明内容

为了克服现有技术结构的不足，本发明提供一种WLAN无缝切换中新链路建立的自适应触发方法。

本发明充分考虑移动节点的移动速度，模型化了切换过程，旨在为即将发生的切换预留足够长的时间的同时，尽量减少无线资源的不必要占用。这样就不仅能够达到无缝切换的目的，而且能有效利用网络资源，并减少移动节点能量消耗。此外，本方案提出一种抽象的分析模型，不仅简明精炼，而且能够很好的适用于各种类型以及各种网络结构下的切换分析。

如果要达到从WLAN到目标网络的无缝切换，就需要在适当的时候触发移动体在目标网络中新链路的建立。如果新链路建立过早，会不必要地占用目标网络中的资源；如果新链路建立过晚，会引起移动体的掉话而影响服务质量。现有的触发机制并没有充分地衡量这两个方面，也不能够充分利用移动体的具体移动特征进行适应性的、合理的触发。而本发明中所介绍的机制正是利用移动体的运动特征，并充分考虑这两个方面，在WLAN向目标网络切换时，自适应地触发新链路的建立，进而不仅能够达到无缝切换地目的，而且能高效地使用网络资源。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种WLAN无缝切换中新链路建立的自适应触发方法，含有以下步骤：

在有WLAN和其它目标网络(如CDMA，GPRS等)同时覆盖的情况下，移动终端持有者优先选择使用WLAN网络；

当移动出WLAN网络覆盖区域的时候，需要切换到目标网络；

移动终端持有者既要保证在丢失当前WLAN网络连接之前建立好目标网络的新链路，又要尽量减少同时保持两条通信链路的时间；

根据移动体的运动速度来自适应地调节切换门限Th₀的值，进而更为合理的触发新链路的建立；

触发门限为：

${\mathrm{Th}}_0=K_1-K_2\log (e\frac{K_1-{\mathrm{Th}}_1}{K_2}-t\×V\cos \mathrm{\α})$

其中：K₁，K₂为路径损失参数，α为移动体运动速度和其法向分量的夹角，

移动体建立在目标网络中的链路所用的时间为t，Th₁为发生掉话的信号强度门限；

当从WLAN接收到的信号强度低于Th₀时，随即发起建立目标网络的新链路。

本发明的有益效果：

本发明在WLAN向目标网络的切换情景中，能够根据移动体的具体运动状态自适应地设定建立目标网络中新链路的接收信号强度门限。从而既能够达到WLAN到目标网络的无缝切换，又能够最短时间地同时占用两条通信链路，从而能够更为合理高效地使用网络资源。

为了证明本发明的有效性，把本发明和相关技术进行比较。所衡量的对象为两条链路同时占用时间，如图2所示。比较中用到的参数如下：K₁＝0，K₂＝30，相关技术2中的RSS切换门限为-80dbm，连接中断时的RSS＝-100dbm。从WLAN切换到目标网络中时，建立新连接所需要的时间为2s。移动节点从WLAN的中心建立网络接入并开始移动。

由图2可见，当采用相关技术1时，虽然随着移动体运动速度的加快，两条链路同时占用时间减少，但是当速度很小的时候，两条链路同时占用时间很长，虽然这一机制可以有效的保证移动节点的网络连接并能增强切换性能，但是这对珍贵的无线资源显然是一种浪费；当采用相关技术2时，两条链路同时占用时间有所减少，但是由于该机制并没有考虑移动节点的运动速度，所以当运动速度较快的时候，由于不能及时的触发新链路的建立而会出现连接丢失，比如在图2中，当移动节点的运动速度增加到7m/s的时候，由于从切换触发到WLAN连接丢失的时间小于新链路的建立时间，该机制出现连接中断；而由于本发明能够自适应的通过运动速度控制切换门限，所以能在保证连接的同时把两条链路同时占用时间控制为新链路的建立延时。所以又能够有效的利用网络资源。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1移动体的运动示意图。

图2不同机制性能比较示意图。

图3移动体的运动示意图。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，

本专利的WLAN切换中，其切换的目标网络记为目标网络，以泛指各种与WLAN覆盖范围有一定交叠的接入网。图1为移动体的运动示意图，环形1为建立新链路的自适应触发边界，WLAN在这个环形的接收门限为Th₀。如果移动体的接收信号强度低于此门限，将会触发向目标网络建立新的链路。环形2为掉话门限，WLAN在这个环形的接收信号强度为Th₁，如果移动体的接收信号强度低于此固定门限，则移动体会断掉和WLAN网络的连接。环形3为目标网络的覆盖范围。V为移动体的运动速度(假设移动体为匀速直线运动)，它的法向分量速度v＝Vcosα。

本专利的关键就是根据移动体的运动速度来自适应地调节Th₀的值，进而更为合理的触发新链路的建立。

从图1可见，当移动体以法向速度v离开当前连接的WLAN时，为了达到平滑的切换，需要在和WLAN的连接丢失前，预先建立在目标网络中的新链路。为此，假设移动体建立在目标网络中的链路所用的时间为t，当然，不同的目标网络对应不同的、较为稳定的t值。当移动体距WLAN的AP距离为d时，移动体从WLAN接收到的信号强度可以表示为式1。

RSS_W(d)＝K₁-L₂log(d)+Ω(d)                          (式1)

其中，K₁，K₂为路径损失参数，Ω(d)为零均值静态高斯白噪声。

忽略零均值静态高斯白噪声Ω的影响，可以得到Th₀和Th₁与d的关系如式2、式3所示。

Th₀＝K₁-K₂log(d₀)                               (式2)

Th₁＝K₁-K₂log(d₁)                               (式3)

所以从Th₀到Th₁，移动体所需要的时间T的值为式4所示。

$T=\frac{e^{\frac{K_1-{\mathrm{Th}}_1}{K_2}}-e^{\frac{K_1-{\mathrm{Th}}_0}{K_2}}}{V\cos \mathrm{\α}}$ (式4)

首先希望移动体在断开WLAN的连接之前，已经建立好目标网络中的新链路，从而达到无缝切换的目的，保证上层应用的连续性，所以应该尽量减小Th₀的值。但是又希望在保证前者的前提下尽量的减少同时占用两条链路的时间，以更为合理的使用网络资源，所以应该尽量增大Th₀的值。而这两个条件的临界值就是使得式5成立。

T＝t                   (式5)

式5表示在新链路建立完成的时候，移动体刚好丢掉和WLAN的连接，所以满足这个条件的Th₀正好最大程度地满足了的两个要求。式6为以此得出的新链路建立触发门限的最优值。

${\mathrm{Th}}_0=K_1-K_2\log (\frac{K_1-{\mathrm{Th}}_1}{K_2}-t\×V\cos \mathrm{\α})$ (式6)

实施例2：

如果移动体在运动过程中，如果能够通过GPS或其它技术获取到自己当前的位置信息以及当前WLAN中AP的位置信息，可以根据与AP的距离，自适应地触发基于位置的新链路建立。图3为移动体的运动示意图。

环形1为建立新链路的自适应触发边界，距离中心的距离为r₀，如果移动体距离AP超过这个距离，将会触发向目标网络建立新的链路。(x₁，y₁)为此时移动体的坐标。环形2为掉话边界，距离中心的距离为r₁，如果移动体距离AP超过这个距离，则移动体会断掉和WLAN网络的连接。(x₀，y₀)为AP的坐标。环形3为目标网络的覆盖范围。V为移动体的运动速度(假设移动体为匀速直线运动)，它的法向分量速度v＝Vcosα。其余用到的参量和第2部分所述一致。那么可以得到新链路建立处的坐标和到AP的距离关系如式7所示，

$r_0=\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2}$ (式7)

进而根据第2部分的原理得到触发新链路建立处的坐标所满足的关系如式8所示。(x₁-x₀)²+(y₁-y₀)²＝(r₁-Vcosαgt)²             (式8)

当移动体的当前位置坐标满足式8时，就触发在目标网络中的新链路建立。

本机制需要对移动体定位和移动体对AP位置的感知，该机制虽然也可以准确地触发新链路地建立，但是实现较为复杂。

一种WLAN无缝切换中新链路建立的自适应触发方法，新链路建立的触发准则包括：a.保证移动体在丢失当前WLAN连接之前完成目标网络的新链路建立，即保证无缝的切换；b.尽量减少移动体在切换过程中同时占有两条通信链路的时间，以减少无线资源浪费和移动体能量消耗；

一种WLAN无缝切换中新链路建立的自适应触发方法，新链路建立的触发门限设置方法：根据移动体的运动速度和建立目标网络新链路所需要的时间来自适应的设定触发到目标网络的切换的门限。

实施例3：

当有一个WLAN部署在一个有CDMA网络覆盖的广场时，人们可以尽量使用WLAN(由于它较高的数据传输速率以及较低的使用费用)。当移动的时候，为了保持之前在WLAN中进行的业务的连续性，需要及时的切换到CDMA网络，但是为了尽量减少使用CDMA网络的时间以减少相应的费用，移动终端持有者必须在恰当的时候触发CDMA链路的建立。这样就可以根据当前的运动速度设定一个合理的触发门限。当从WLAN接收到的信号强度低于这个门限时，随即发起建立CDMA链路。这样既能无缝切换的目的，又能尽量减少使用CDMA的时间。

本发明对于触发从WLAN到目标网络的无缝切换中的新链路建立问题，提出了一个设定触发门限的普遍原理，那就是门限的设定不仅能够满足移动体无缝切换的需求，而且应该尽量减少同时占用两条链路的时间；

本发明在进行WLAN到目标网络的切换时，提出充分考虑运动状态，根据运动速度和建立目标网络新链路所需要的时间来自适应地调节触发门限(接收信号强度或坐标)；本发明对新链路建立触发门限的公式推导。

缩略语和关键术语定义

AP：接入点

WLAN：无线局域网

目标网络：和WLAN有一定重叠的，移动节点选择的切换目标网络。

Claims (1)

1.一种WLAN无缝切换中新链路建立的自适应触发方法，其特征是：含有以下步骤：

a.在有WLAN和其它目标网络同时覆盖的情况下，移动体持有者优先选择使用WLAN网络；

b.当移动体移动出WLAN网络覆盖区域的时候，需要切换到目标网络；

c.目标网络新链路建立的触发准则包括：1)保证移动体在丢失当前WLAN连接之前完成目标网络的新链路建立，即保证无缝的切换；2)尽量减少移动体在切换过程中同时占有两条通信链路的时间，以减少无线资源浪费和移动体能量消耗；

d.根据移动体的运动速度和建立目标网络新链路所需要的时间来自适应的设定建立目标网络连接的触发门限Th₀的值；

${\mathrm{Th}}_0=K_1-K_2\log (e\frac{K_1-{\mathrm{Th}}_1}{K_2}-t\×V\cos \mathrm{\α})$

其中：K₁，K₂为路径损失参数，α为移动体运动速度和其法向分量的夹角，V为移动体的运动速度；

移动体建立在目标网络中的链路所用的时间为t，Th₁为发生掉话的信号强度门限；

e.当从WLAN接收到的信号强度低于Th₀时，随即发起建立目标网络的新链路。

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