CN101902794B

CN101902794B - V2i通信中基于运动预测的二层快速切换方法

Info

Publication number: CN101902794B
Application number: CN201010253684A
Authority: CN
Inventors: 卢恒惠; 张盛; 秦博; 陈霁; 林孝康
Original assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Current assignee: Shanghai rich Micro Electronics Co., Ltd.
Priority date: 2010-08-02
Filing date: 2010-08-02
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2030-08-02
Also published as: CN101902794A

Abstract

一种V2I通信中基于运动预测的二层快速切换方法，它在每个接入点中建立数据库；车辆接入后立即向当前接入点发送自己的标识符和运动信息，计算数据库中各接入点到车辆的距离以及预切换触发时刻；当到达预切换触发时刻，再次计算其数据库中各接入点到当前车辆的距离，选择与车辆的距离变小的接入点作为下一跳可能的接入点，进行预认证；车辆进入新AP后直接进行重关联，从而快速完成二层切换。该方法便于系统实现，能有效降低切换延迟和丢包率、减少信令开销，并且能同时适用于小区连续覆盖及小区非连续覆盖的场合。

Description

V2I通信中基于运动预测的二层快速切换方法

技术领域

本发明利用车辆的运动信息及其轨迹受限性提出了一种新型的预测式快速切换方法，属于移动通信领域，特别是车辆与路边基础设施(V2I)通信、铁路GSM-R系统等移动节点轨迹受限、有基础设施的无线通信系统。

背景技术

车载自组织网(VANET)作为智能交通系统(ITS)的一个重要组成部分，在提高交通安全、交通效率、行车舒适度等方面发挥着重要作用，并受到了全世界的广泛关注。它创造性的将无线通信技术和Ad hoc技术结合在一起，通过车辆间(V2V)、车辆与路边基础设施(V2I)的通信为公众提供各种安全、娱乐相关服务。车载环境的无线接入(WAVE)作为VANET的无线通信标准，其物理层和MAC层采用IEEE 802.11p，通信范围只有300-1000m。车辆的高速移动性与路边基础设施通信覆盖范围的有限性，必然导致频繁的越区行为。为保证通信的连续性与VANET应用的可靠性，必须设计一种快速的越区切换技术，降低切换时延、减少丢包及信令开销。

在无线局域网(WLAN)的二层(即数据链路层)快速切换问题上，人们提出了多种不同的方法。其中，多数基于预测式，即在当前服务接入点的覆盖范围内预先估计下一个接入点，提前做好切换准备。根据触发预测、确定下一接入点的不同因素，可以将目前主流的预测式快速切换方法分成以下三类：

1、基于信号强度的预测式快速切换

基于信号强度的预测式快速切换其原理和CDMA中的软切换相似。基本思想在于：在不同小区的交叠范围内，移动台同时接收来自不同接入点(AP)的信标(Beacon)信号，若当前服务AP的信号强度低于某一阈值，则根据预切换的策略选择信号强度最强的一个AP或信号强度较强的AP集合作为即将接入的下一跳AP，提前执行预切换措施，如动态信道扫描、预认证等，以此减少切换延迟。然而，这种方法要求小区间必须有交叠，因此在小区覆盖不连续的情况下并不适用。事实上，在实际的VANET中，铺设大量路边基础设施以保证无处不在的连续通信覆盖既是不经济也是不必要的。

2、基于位置信息的预测式快速切换

与基于信号强度的预测式快速切换不同，基于位置信息的预测式快速切换方法利用位置信息作为预测触发及下一跳AP选择的依据。此方法假定移动台具备定位能力，如安装了GPS、惯性导航等，并要求已知关注区域内所有AP的位置、网络前缀等信息。根据AP数据库的存储主体及下一跳AP的判决者，基于位置信息的预测式快速切换方法又可细分为基于服务器和基于主机两种。

在基于服务器的方法中，要求有单独的服务器存储AP数据库。移动台周期性的向服务器发送自己的位置信息，服务器根据AP数据库中已有的位置信息计算其与当前AP的距离。若超过一定的阈值，则搜索数据库中的其它AP，选择距离移动台最近的点作为下一跳即将接入的AP并通知移动台。移动台接收到包含了下一跳AP位置、网络前缀、工作频率等信息的通知后，即启动预切换措施，提前做好切换准备。基于主机的方法与基于服务器的类似，只是将AP数据库存储在移动台，且由移动台本身选择下一跳。

尽管基于位置的预测式切换克服了要求小区连续覆盖的局限性，但也不可避免的引入了一些新的问题。对于基于服务器的方案，由于引入了服务器，势必会增加成本；而周期性的向服务器更新移动台位置信息既占用了宝贵的频率资源也加大了服务器的负担。对于基于主机的方案，将数据库储存及预测选择放在移动台本身，必然要求加大移动台的储存空间、提高其运算能力，对现有的移动终端改动大，不利于实施。此外，大范围AP数据库的建立、维护、更新也给这种方案的推广带来了困难。

3、基于信号强度与位置信息的预测式快速切换

基于信号强度与位置信息的预测式快速切换方法综合了上述二者的优势，其基本原理如下：当移动台接收的当前AP信号强度低于某一阈值时，移动台更新位置信息。随后，服务器或移动台利用数据库中的AP位置预测下一跳AP。这种方法虽然消除了移动台周期性更新位置信息所带来的负面影响，但依然存在着与基于位置预测式切换方法同样的其它问题。此外，对于V2I来说由于通信范围很小、车辆运动速度很快，一旦当前AP信号强度低于某一阈值，很可能下一时刻就断开与当前AP的连接，如果此时才启动预切换措施，极有可能造成通信的中断。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对V2I通信中频繁的越区行为，提供一种基于运动预测的快速二层切换方法，该切换方法便于系统实现，能有效降低切换延迟和丢包率、减少信令开销，且能同时适用于小区连续覆盖及小区非连续覆盖的场合，克服了现有预测式快速切换方案存在的不足。

随着ITS的发展，越来越多的车辆配备了车辆导航定位系统，如GPS、航迹推算(DR)、里程仪、罗盘仪、陀螺仪等，使得车辆能够提供自身的位置、速度、方向等运动信息。由于车辆的运动局限于道路，因此其轨迹是受限的、可循的。本发明充分利用VANET网络的这些特征，提出一种快速切换的解决方案。其核心思想在于：跟据车辆运动的轨迹受限性建立数据库；利用车辆的运动信息预测下一跳AP，进行预认证，为切换的快速完成做好准备。

本发明V2I通信中基于运动预测的二层快速切换方法，它在道路旁的每个接入点中建立数据库，记录与该接入点物理相邻的接入点的位置、MAC地址等信息，切换的过程包括以下步骤：

1)车辆接入后立即向当前接入点发送自己的标识符和运动信息；

2)当前接入点根据收到的运动信息，计算其数据库中各接入点到车辆的距离并缓存，同时根据预切换阈值和所述运动信息估算预切换触发时刻；

3)估算的预切换触发时刻到来时，当前接入点请求车辆此刻的运动信息，再次计算其数据库中各接入点到当前车辆位置的距离，并与缓存中相应的距离比较，选择与车辆的距离变小的接入点作为下一跳可能的接入点；

4)当前接入点代表车辆向所述下一跳可能的接入点预认证；

5)车辆进入所述下一跳可能的接入点的覆盖范围后，直接进行重关联，从而快速完成二层切换。

进一步，当前接入点无法获得在其覆盖范围内运行的车辆的运动信息时，将其数据库中的所有接入点作为下一跳可能的接入点，并代表车辆向它们预认证。

其中，预切换阈值根据接入点采用的无线通信协议的通信范围确定。例如，根据IEEE802.11p的通信范围300-1000m来确定。所述运动信息包括车辆的位置和速度。

每个接入点中数据库存储的相邻接入点数量不超过四个。由于车辆只能在道路范围内进行前进、后退、左转、右转四种操作，因此每个接入点的数据库中至多只需包含沿途的与该接入点物理位置相邻的前、后、左、右四个接入点的信息。

本发明还提供了一种V2I通信中二层切换确定下一跳接入点的方法，它在道路旁的每个接入点中建立数据库，记录与该接入点物理相邻的接入点的信息，该方法包括以下步骤：

3)当到达估算的预切换触发时刻，当前接入点请求车辆此刻的运动信息，再次计算其数据库中各接入点到当前车辆位置的距离，并与缓存中相应的距离比较，选择与车辆的距离变小的接入点作为下一跳可能的接入点。

当前接入点无法获得在其覆盖范围内运行的车辆的运动信息时，将其数据库中的所有接入点作为下一跳可能的接入点。

本发明提供了一种根据车辆与数据库中接入点的距离变化选择下一跳可能的接入点。

相较于现有的预测式快速切换方法，本发明与它们的区别和优势主要体现在以下几个方面：

1、本发明利用车辆运动轨迹的受限性建立数据库而非存储整个区域内所有的AP信息。这一方面大大减小了数据库的存储量，便于建立、维护及更新；另一方面也为下一跳可能AP的确定缩小了选择范围，加快了预测速度。

2、将数据库存储在AP上而非专门的服务器或车辆上。克服了使用服务器带来的高成本问题，同时也避免了对车辆存储空间和计算能力的高要求。

3、车辆只在刚接入当前AP和预切换触发时刻向当前AP发送运动信息，相较于现有方案周期性发送位置信息的方法，大大减少了信令开销，对宝贵的无线资源占用较少，有利于改善整个通信系统的性能。

4、当前AP代表移动车辆向下一跳可能AP发起预认证，使得车辆进入下一跳AP覆盖范围后只需要经过重关联过程就可以直接建立通信连接、完成切换过程，避免了检测和认证过程引入的时延，极大的降低了切换延迟与丢包率。

5、当所有运动信息未知时，当前AP(即正在为车辆提供接入服务的AP)选择其数据库中的所有AP作为下一跳可能AP。由于无线通信环境的复杂性，车辆向服务器、AP等发送的运动信息很可能丢失，通过这一措施，本发明较之现有基于位置预测的方案可有效降低预切换的失败概率。而且，由于每个数据库中的AP数量很少(通常不超过四个)，因此并不会给整个系统带来过大的负担。

附图说明

图1为本发明V2I通信中基于运动预测的二层快速切换方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明二层快速切换方案的具体实施主要包括两个阶段：离线阶段和在线阶段。

1、离线阶段

离线阶段的主要任务是在各个AP中建立数据库。根据车辆的轨迹受限性，每个AP上的数据库至多只需存储前、后、左、右四个物理相邻AP的信息。这些信息包括AP的位置、MAC地址、网络前缀、工作信道等。由于需要存储的数据量很小，因此在AP铺设之时即可由人工手动配置完成。之后若有变更，则既可以通过AP间的相互通信进行更新也可以经由手动配置完成更改。

离线阶段的另一任务是跟据IEEE 802.11p的通信范围(300-1000m)确定预切换阈值，作为车辆从接入某一AP到即将离开此AP(即预切换触发时刻)过程中的行驶距离。

2、在线阶段

在AP中已经存储有数据库的基础上，即可进行本发明所提出的二层快速切换。如图1所示，其具体的实现过程如下：

(a)车辆接入当前AP后，立即向当前AP发送报告，该报告包含车辆自身的标识符及运动信息。其中，运动信息由车辆自身带有的定位导航及其它惯性装置提供，包括车辆的位置、速度。车辆在进入第一个AP的覆盖范围时，由于没有经过预切换，所以要按正常的无线接入流程——检测、认证、关联建立连接。

(b)当前AP接收到车辆发送的报告后，根据预切换阈值及车辆的运动速度估计预切换触发时刻并计算此时其数据库中各AP到车辆的距离，缓存此距离信息。

(c)当(b)中计算的预切换触发时刻到来时，当前AP向车辆发送运动信息请求，车辆返回相应信息。

(d)当前AP接收到(c)中车辆发送的运动信息后，计算其数据库中各个AP到车辆当前位置的距离，将其与缓存的距离信息进行比较，选择与车辆的距离变小的AP作为下一跳可能AP。

(e)当前AP代表车辆向选定的下一跳可能AP发送带有车辆标识的预认证请求，并接收该下一跳可能AP的预认证响应，执行预认证过程。

(f)车辆进入下一跳可能AP的覆盖范围后，直接向该下一跳可能AP发送重关联请求，并接收重关联响应，完成切换过程。

(g)如果当前AP没有收到(a)和(c)中任意一次车辆发送的运动信息，则当前AP选择其数据库中所有的AP作为下一跳可能AP，然后转至(e)执行。

Claims

1.车辆与路边基础设施通信中基于运动预测的二层快速切换方法，其特征在于，在道路旁的每个接入点中建立数据库，记录与该接入点物理相邻的接入点的信息，该切换方法包括以下步骤：

4)当前接入点代表车辆向所述下一跳可能的接入点预认证；

2.根据权利要求1所述的二层快速切换方法，其特征在于：当前接入点无法获得在其覆盖范围内运行的车辆的运动信息时，将其数据库中的所有接入点作为下一跳可能的接入点，并代表车辆向它们预认证。

3.根据权利要求1所述的二层快速切换方法，其特征在于：所述预切换阈值根据接入点采用的无线通信协议的通信范围确定。

4.根据权利要求1所述的二层快速切换方法，其特征在于：所述运动信息包括车辆的位置和速度。

5.根据权利要求1所述的二层快速切换方法，其特征在于：每个接入点的数据库中只存储沿途的与该接入点物理位置相邻的接入点信息，且存储量不超过四个。

6.车辆与路边基础设施通信中二层切换确定下一跳接入点的方法，其特征在于，在道路旁的每个接入点中建立数据库，记录与该接入点物理相邻的接入点的信息，该方法包括以下步骤：

3)估算的预切换触发时刻到来时，当前接入点请求车辆此刻的运动信息，再次计算其数据库中各接入点到当前车辆位置的距离，并与缓存中相应的距离比较，选择与车辆的距离变小的接入点作为下一跳可能的接入点。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：当前接入点无法获得在其覆盖范围内运行的车辆的运动信息时，将其数据库中的所有接入点作为下一跳可能的接入点。