CN101557625B - 一种无线网络中基于移动检测的快速切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线网络中基于移动检测的快速切换方法，步骤是：移动检测：首先通过收集移动节点数据包中的RSSI值来估测AP和移动节点之间的距离，然后使用节点定位得到移动节点的位置信息，通过位置信息预测移动节点的移动方向和移动速度；AP选择：根据移动节点的移动方向和移动速度选择合适的邻居AP提供给移动节点进行切换；快速切换：通过修改传统的802.11协议，实现移动节点快速切换。本发明通过修改传统的802.11协议，使用移动检测的方法预测移动节点下一次切换的AP，当移动节点需要切换时，仅需要扫描预先选择的AP所在的信道，从而减少切换时延，实现了快速切换。

Description

一种无线网络中基于移动检测的快速切换方法

技术领域：

本发明涉及一种无线网络中移动节点的快速切换方法，具体利用AP对移动节点进行定位，检测移动节点的移动速度和移动方向，通过修改传统的IEEE 802.11协议，实现了一种快速切换方法。

背景技术：

目前的无线局域网的实现基于传统的802.11协议，在802.11协议中，移动节点通过AP接入互联网，每个节点同时只能和一个AP连接，并且每个AP只有有限的覆盖范围，这就导致用户在从一个AP区域移动到另外一个AP区域时需要进行切换。

然而传统的802.11协议的切换机制还不完善，当移动节点在AP之间切换时，需要较长时间来重建连接，这远远不能满足实时多媒体服务的需要以及QoS的要求。

本发明提出了一种基于移动检测的快速切换方法，利用无线接入点对移动节点进行定位，检测移动节点的移动速度和移动方向，通过修改传统的IEEE 802.11协议，实现快速切换。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提供一种在无线局域网中进行节点切换时，减少移动节点在切换时的切换时延，实现快速切换的方法。

本发明所述的一种无线网络中基于移动检测的快速切换方法，包括以下步骤：

1)移动检测：

11)首先通过收集移动节点数据包中的RSSI值来估测AP和移动节点之间的距离，其过程为：

111)在一个应用环境中存在若干已知自身位置的AP，选择一个移动节点，向各个AP发送广播包；

112)每个AP接收到移动节点发来的信号后，记录各帧的RSSI值；

113)同时记录每个AP到移动节点的距离d，从而得到距离与RSSI值对(d，RSSI)，

随着移动节点的移动，每一个AP都得到了一组数据{(d1，RSSI1)，(d2，RSSI2)，(d3，RSSI3)，…(dm，RSSIm)}；

114)每个AP根据所测得的数据，以d为X轴，以RSSI为Y轴，绘制RSSI-d曲线，并通过曲线拟合，得到各自的RSSI～d曲线函数；

12)然后通过节点定位得到移动节点的位置信息，

13)根据位置信息预测移动节点的移动方向和移动速度；

2)AP选择：根据移动节点的移动方向和移动速度选择合适的邻居AP提供给移动节点进行切换；

3)快速切换：通过修改传统的802.11协议，通过与预先选中的AP协商，实现移动节点快速切换。

本发明通过修改传统的802.11协议，使用移动检测的方法预测移动节点下一次切换的AP，当移动节点需要切换时，仅需要扫描预先选定的的AP所在的信道，从而减少了切换时延，实现了快速切换。

附图说明：

图1是传统802.11协议切换过程，

图2所示的是移动检测的过程，

图3所示的是切换时AP选择的过程，

图4所示的是针对802.11协议修改后的切换过程。

具体实施方式：

为实现本发明的目的，本发明提供了一种基于移动检测的快速切换方法，下面结合附图进行详细说明。

传统的802.11协议的切换过程需要经过信道扫描、认证、重链接三个步骤，其中被扫描的信道个数是切换时延长短的关键。如图1所示，在传统的802.11协议中，移动节点需要对所有的信道进行扫描，效率低下。如果事先知道切换AP的信道，就可以省略信道扫描的过程，显著减少切换时延。

本发明的快速切换方法首先通过移动检测算法得到移动节点的移动速度和移动方向，再根据AP选择算法选择移动节点可能切换到的AP，最后在切换时使用快速切换方法仅扫描被选择的AP，从而减少了切换时延。

本发明的移动检测算法是基于接收信号强度指示(RSSI)的移动检测算法，如图2所示。主要步骤如下：曲线拟合、节点定位、移动检测。曲线拟合是指对特定的实验环境进行实际测量，得到RSSI和距离的实际对应关系，并拟合成相关函数的过程；节点定位过程利用无线网络定位方法获取移动节点的位置信息；移动检测则根据移动节点的位置信息计算移动节点的移动方向和速度。

曲线拟合的关键是要根据特定的环境得到移动节点和AP之间的RSSI值与距离d的一一对应关系。这个关系是移动检测算法的基础，所以必须要保证数据的准确性。

曲线拟合流程如下所示：

1)在一个应用环境中存在若干已知自身位置的AP，选择一个移动节点，向各个AP发送广播包；

2)每个AP接收到移动节点发来的信号后，记录各帧的RSSI值；

3)同时记录每个AP到移动节点的距离d，从而得到距离与RSSI值对(d，RSSI)，随着移动节点的移动，每一个A+P都得到了一组数据{(d1，RSSI1)，(d2，RSSI2)，(d3，RSSI3)，…(dm，RSSIm)}；

4)每个AP根据所测得的数据，以d为X轴，以RSSI为Y轴，绘制RSSI-d曲线，并通过曲线拟合，得到各自的RSSI～d曲线函数。

节点定位可以使用无线网络的各种定位方法，在此本发明选用简单的三角定位法。三角定位首先设定一个定位服务器，定位服务器是一个中央节点，三角定位过程就是在定位服务器上执行的。定位服务器接收来自不同AP的对同一移动节点的距离信息，使用三角定位得到移动节点的位置坐标。

三角定位过程如下所示：

1)对于需要定位的移动节点M，如果周围有m个AP，即AP1、AP2、AP3……APm，则这m个AP根据所接收到的RSSI值，参照各自的RSSI～d曲线，得到相应的d值；

2)每个AP将自己的距离d发送给定位服务器；

3)定位服务器使用AP1、AP2、AP3这三个AP可以组成一个三角形，由AP1和AP2的距离值可以确定移动节点的位置坐标为M或者M1(如图4-3所示)，又由AP3的距离值可以得到移动节点的确定位置为M；

4)m个AP会产生

个三角形，从而产生

个M的位置；

5)对

个M的近似位置求算术平均，从而可以得到唯一的M的位置坐标(X，Y)。

本发明的移动检测算法通过将移动节点位置信息存储在定位服务器上，就可以得到移动节点的一段时间内的位置坐标，即是移动节点一段时间内的移动轨迹，相当于移动节点的向量。

然而，移动向量计算和时间间隔密切相关，如果时间间隔过长就会导致收集到的信息过时，不能及时反映移动节点的移动轨迹；时间间隔过短就可能造成移动节点向量抖动剧烈，也不能真实反映移动节点的方向，而且移动向量的准确度关系到以后的切换算法的精确度，所以必须要设定一个合理的方法解决这个问题。

时间间隔动态调整算法随着移动节点的移动速度的变化而变化，当移动节点速度降低时，时间间隔就会随之增大，避免移动向量的剧烈变化，当移动节点速度提高时，时间间隔就会随之减小，从而能及时反映移动节点的移动向量变化。

时间间隔的调整公式如下所示：

$T^{\′}=\frac{\sqrt{{(x_d-x_s)}^2+{(y_d-y_s)}^2}}{\sqrt{{(x_{d^{\′}}-x_d)}^2+{(y_{d^{\′}}-y_d)}^2}}T---\left(1\right)$

其中(x_s，y_s)和(x_d，y_d)是指在前一个时间间隔T内，移动节点的起点和终点的坐标，(x_d，y_d)和(x_d′，y_d′)是指当前时间间隔T内，移动节点的起点和终点的坐标。T′是调整后的时间间隔。

移动节点的移动向量的的估算公式如(2)所示：

$\stackrel{\→}{v}=\frac{\sqrt{{(x_d-x_s)}^2+{(y_d-y_s)}^2}}{T}---\left(2\right)$

整个移动检测算法如下所示：

1)启动定时器Timer，并设定时间间隔为T，同时利用三角定位记录下当前移动节点的位置坐标(x_s，y_s)

2)当时间间隔到T时，再利用三角定位记录下当前移动节点新的位置坐标(x_d，y_d)

3)利用公式(2)计算出移动节点的移动向量，并存储到定位服务器中

4)当时间间隔再次到T时，记录下当前移动节点新的位置坐标(x_d′，y_d′)

5)利用公式(1)动态调整时间间隔T的值

本发明的AP选择算法如图3所示。算法将移动节点的移动方向上θ角度内的所有邻居AP都作为移动节点可能切换到的候选AP。

举例来说，对于当前AP的所有邻居AP(j)，如果满足公式(3)，说明该AP在移动方向的θ角度内，可以作为移动节点的候选切换AP。

点的候选切换AP。

$\frac{\stackrel{\→}{v}\·(x_j-x_0,y_j-y_0)}{\left|\stackrel{\→}{v}\right|\sqrt{{(x_j-x_0)}^2+{(y_j-y_0)}^2}}>\cos \mathrm{\θ}---\left(3\right)$

其中(x_j，y_j)为当前AP的邻居AP_j的位置坐标，(x₀，y₀)为当前AP的位置坐标。

为移动节点的移动向量，θ角是移动终端移动向量方向上规定的角度范围。

AP选择过程如下所示：

1)查找数据库得到当前移动节点的移动向量Vector；

2)查找当前移动节点连接到的AP的所有邻居AP；

3)对于当前AP的所有邻居AP，只要满足公式(3)，就将其作为移动节点的候选切换AP保存。

本发明的快速切换过程如图4所示，确定候选AP之后，移动节点使用修改过的802.11协议进行切换，仅仅扫描候选AP所在的信道，从而减少了切换时延，实现了快速切换。

快速切换过程如下所示：

1)移动节点的连接的AP阈值低于一定值时，触发算法；

2)向所连接的AP发送切换请求GET_NEXTAP；

3)所连接的AP将请求信息转发给定位服务器；

4)定位服务器收到请求后，根据移动节点在数据库中的位置坐标(X，Y)和移动向量Vector以及移动节点所在AP的邻居AP集合预测出移动节点可能会切换到的AP；

5)定位服务器将AP信息发送给移动节点所在AP；

6)所连接AP回复切换请求REP_NEXTAP，将AP信息发送给移动节点；

7)移动节点扫描相关AP所在信道，并选择最优AP执行切换。

Claims (5)

1.一种无线网络中基于移动检测的快速切换方法，其特征在于包括以下步骤：

1)移动检测：

11)首先通过收集移动节点数据包中的RSSI值来估测AP和移动节点之间的距离，其过程为：

111)在一个应用环境中存在若干已知自身位置的AP，选择一个移动节点，向各个AP发送广播包；

112)每个AP接收到移动节点发来的信号后，记录各帧的RSSI值；

113)同时记录每个AP到移动节点的距离d，从而得到距离与RSSI值对(d，RSSI)，随着移动节点的移动，每一个AP都得到了一组数据{(d1，RSSI1)，(d2，RSSI2)，(d3，RSSI3)，…(dm，RSSIm)}；

114)每个AP根据所测得的数据，以d为X轴，以RSSI为Y轴，绘制RSSI-d曲线，并通过曲线拟合，得到各自的RSSI～d曲线函数；

12)然后通过节点定位得到移动节点的位置信息，

13)根据位置信息预测移动节点的移动方向和移动速度；

2)AP选择：根据移动节点的移动方向和移动速度选择合适的邻居AP提供给移动节点进行切换；

3)快速切换：修改传统的802.11协议，通过与预先选中的AP协商，实现移动节点快速切换。

2.根据权利要求1所述的无线网络中基于移动检测的快速切换方法，其特征在于步骤12)流程是：

121)对于需要定位的移动节点M，当周围有m个AP，即AP1、AP2、AP3……APm，则这m个AP根据所接收到的RSSI值，参照各自的RSSI～d曲线，得到相应的d值；

122)每个AP将自己的距离d发送给定位服务器；

123)定位服务器使用AP1、AP2、AP3这三个AP组成一个三角形，由AP1和AP2的距离值确定移动节点的位置坐标为M或者M1，又由AP3的距离值可以得到移动节点的确定位置为M；

124)m个AP会产生

个三角形，从而产生

个M的位置；

125)对

个M的近似位置求算术平均，从而可以得到唯一的M的位置坐标(X，Y)。

3.根据权利要求1所述的无线网络中基于移动检测的快速切换方法，其特征在于步骤13)流程是：

131)启动定时器Timer，并设定时间间隔为T，同时利用三角定位记录下当前移动节点的位置坐标(x_s，y_s)；

132)当时间间隔到T时，再利用三角定位记录下当前移动节点新的位置坐标(x_d，y_d)；

133)利用公式计算出移动节点的移动向量，并存储到定位服务器中，式中

为移动节点的移动向量，(x_s，y_s)和(x_d，y_d)是指在一个时间间隔T内，移动节点的起点和终点的坐标；

134)当时间间隔再次到T时，记录下当前移动节点新的位置坐标(x_d′，y_d′)；

135)利用公式

计算出动态调整时间间隔T的值，其中，(x_s，y_s)和(x_d，y_d)是指在前一个时间间隔T内，移动节点的起点和终点的坐标，(x_d，y_d)和(x_d′，y_d′)是指当前时间间隔T内，移动节点的起点和终点的坐标，T′是调整后的时间间隔。

4.根据权利要求1所述的基于移动检测的快速切换方法，其特征在于步骤2)流程是：

21)查找数据库得到当前移动节点的移动向量Vector；

22)查找当前移动节点连接到的AP的所有邻居AP；

23)对于当前AP的所有邻居AP，只要满足

就将其作为移动节点的候选切换AP保存，式中(x_j，y_j)为当前AP的邻居AP_j的位置坐标，(x₀，y₀)为当前AP的位置坐标，为移动节点的移动向量，θ角是移动终端移动向量方向上规定的角度范围。

5.根据权利要求1所述的基于移动检测的快速切换方法，其特征在于步骤3)流程是：

31)移动节点的连接的AP阈值低于一定值时，触发算法；

32)向所连接的AP发送切换请求GET_NEXTAP；

33)所连接的AP将请求信息转发给定位服务器；

34)定位服务器收到请求后，根据移动节点在数据库中的位置坐标(X，Y)和移动向量Vector以及移动节点所在AP的邻居AP集合预测出移动节点可能会切换到的AP；

35)定位服务器将AP信息发送给移动节点所在AP；

36)所连接AP回复切换请求REP_NEXTAP，将AP信息发送给移动节点；

37)移动节点扫描相关AP所在信道，并选择最优AP执行切换。

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