CN102045720A - 基于模糊规则的无线局域网切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于模糊规则的无线局域网的切换方法，包括：在移动台，S1：接收预置时间段内当前关联接入点和相邻接入点发送的信标帧，获取并存储其信号强度；S2：对当前接入点和邻近接入点的信号强度值及其变化率分别进行模糊化处理，获得表征信号强度水平及其变化状态的模糊数据；S3：根据预置的模糊规则，将所述模糊数据作为输入进行模糊推理，获得包含移动台切换方式的推理输出，并确定目标接入点；S4：与目标接入点进行鉴权；S5：鉴权通过后，向目标接入点发送重关联信号；重关联建立成功时，切换完成。根据本发明的方法，移动台可以根据当前接入点和邻近接入点的信号强度及其变化情况自适应调整切换机制，达到更好的切换效果。

Description

基于模糊规则的无线局域网切换方法

技术领域

本发明涉及数据传输技术领域，尤其涉及一种基于模糊规则的无线局域网切换方法。

背景技术

随着无线技术的快速发展，无线网络，特别是基于IEEE802.11标准协议的WLAN(Wireless Local Area Network，无线局域网)已得到广泛的应用。但由于WLAN功率有限，其服务覆盖区域也就受限。当移动台要离开当前关联AP(Access Point，接入点)的覆盖区域或者与其失去联系时，就必须断开当前关联，并与其他AP重新关联，由此产生了越区切换现象。

IEEE802.11标准主要制定了无线局域网传输的物理层和媒质接入控制层方面的规范，对于移动台或终端如何在无线AP之间进行切换却没有作具体的规定。但标准却规定了同步、鉴权、关联以及重关联的过程，根据协议，无线局域网的切换过程由以下三个过程组成：

扫描过程

当本接入点的接收信号强度低于扫描门限时，启动扫描过程。

扫描过程根据扫描模式的不同又分成被动扫描和主动扫描两种。其中，被动扫描模式下，终端依次在无线局域网的信道上检测信标帧(Beacon Frame)是否存在，信标帧通常以100ms左右的周期发送。终端接收到Beacon帧后，根据信标帧的参数完成与AP的同步。

在主动扫描模式下，终端为了探测某信道上是否有AP存在，主动发送探询请求帧，当AP接收到探询请求帧后，会发送一个探询响应帧给该移动台。该移动台根据探询响应帧的参数完成与AP的同步。

被动扫描过程的优点是比较节电，缺点则是扫描的时延比较长。主动扫描则相反，在实际的无线局域网网络中，切换通常采用主动扫描过程。

鉴权过程

在鉴权阶段，移动台与上一阶段发现的最佳的AP进行鉴权。一般情况下，移动台在扫描周期结束后立即与新AP进行鉴权，这个过程由移动台发起鉴权请求，以新AP发送鉴权响应结束。

重关联过程

一旦移动台与新的AP鉴权通过，重关联过程就立即进行。如鉴权过程一致，由移动台发起重关联请求，以新AP发送重关联响应结束。

从以上的描述可以看出，无线局域网的切换延时主要受扫描过程的扫描延时(被动扫描模式)或探询延时(主动扫描模式)影响。

城市轨道交通中的车地通信

CBTC(Communication-Based Train Control，基于通信的列车控制系统)信号系统作为控制列车运行的关键系统，在任何情况下均不允许出现系统故障，保障高安全、高可靠是CBTC系统的最高设计原则。目前的CBTC系统通常采用2.4GHz的频段进行数据传输，并且其中相当大一部分采用无线局域网技术。

由于有线以太网技术的高带宽和成熟性，无线局域网的性能就成为了CBTC中车地无线通信系统的瓶颈，而其中最主要的参数是数据丢包率和延时。在IEEE 1474.1(2004)标准中，规定车地通信和地车通信的延时不能超过0.5～2秒，否则列车将会紧急制动。现场测试结果表明，列车在不同的接入点之间的切换中断时间是影响车地通信中丢包率和延时时间最为关键的因素。

一般情况下，触发切换的条件与信号质量相关的某个参数低于特定的门限。由于轨道交通是一维度的方式，因此，车地通信也是具有一维度特色的。即，接入点沿轨道线路布置，移动台在每个接入点的覆盖范围内与其进行信息关联。在目前CBTC的车地通信中，会出现多种媒介同时存在的情况，包括自由空间、漏泄波导、漏泄同轴电缆，尤其又以自由空间为主，漏泄波导为辅。

以自由空间为传输媒介为了车地通信达到最好的效果，通常移动台和轨旁AP(接入点)的天线是定向天线。如图1所示，移动台运行方向不同，其接收小区内接入点的信号强度变化方式不同，由此会对切换性能带来不同的影响。图1(a)中，随着移动台的移动，小区内当前接入点的信号强度是越来越强，当发生切换时，当前接入点的信号强度由最强到最弱，而邻近接入点的AP信号也是非常弱，这种情况下的切换效果就非常不理想，其主要原因在于进入突然，无法渐进地达到扫描门限，由于此时邻近接入点的信号强度也很低，扫描过程无法搜寻到合适的接入点，就增加了扫描时间，从而切换时间也变长；图1(b)中的情形就比较符合正常的切换现象，当前接入点的信号强度逐渐变弱，在切换时，邻近接入点的信号强度变为最强，这样切换会正常发生，切换效果也比较理想。同样，在以波导管为主要传输方式的情况下也有类似的现象。此时，漏泄波导从缝隙中发出信号，同时移动台以平板天线接收；反之，移动台通过平板天线发出的信号，可以通过缝隙耦合到漏泄波导中。图2显现的是波导管的安装情况，在两端波导管之间会有接近一米的通信中断距离。为了有更好的切换效果，增大无线信号的覆盖范围，波导管末端的负载设置为漏泄负载，导行波可以通过短路片透射到自由空间中。这样就有效的减小甚至消除通信中断距离。但是，如使用定向天线的自由波传输方式相同，如果迎着漏泄负载透射的方向，则有比较好的切换效果；反之，切换效果不理想。

究其原因是切换机制单一，无法适应多种情况下的切换。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题在于，如何克服现有的无线局域网切换方法中存在的切换机制单一以及因扫描延时或探寻延时造成的切换延时的缺陷，以改善无线局域网切换性能。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明的技术方案提供了一种基于模糊规则的无线局域网切换方法，所述方法包括：

S1：移动台接收预置时间段内当前关联接入点和相邻接入点以预定时间间隔发送的信标帧，获取并存储其信号强度；

S2：移动台通过模糊控制方法对当前接入点的信号强度值、邻近接入点的信号强度值、当前接入点在所述预置时间段内的信号强度变化率、邻近接入点在所述预置时间段内的信号强度变化率分别进行模糊化处理，获得表征信号强度水平及其变化状态的模糊数据；

S3：移动台根据预置的模糊规则，将所述模糊数据作为输入进行模糊推理，获得包含移动台切换方式的推理输出，并根据所述推理输出确定目标接入点；

S4：移动台与目标接入点进行鉴权；

S5：鉴权通过后，移动台向目标接入点发送重关联信号；

当移动台接收到重关联响应信号，并且重关联建立成功时，切换完成。

进一步地，所述步骤S2还包括：移动台通过第一隶属度函数将当前接入点的信号强度值、邻近接入点的信号强度值、当前接入点在所述预置时间段内的信号强度变化率、邻近接入点在所述预置时间段内的信号强度变化率分别标识为不同的级别。

其中，所述第一隶属度函数为：

$\mathrm{trapezoid}(x;a,b,c,d)=\left\{\begin{array}{cc}0& x\≤a\\ \frac{x-a}{b-a}& a\≤x\≤b\\ 1& b\≤x\≤c\\ \frac{d-x}{d-c}& c\≤x\≤d\\ 0& d\≤x\end{array}\right.$

其中，对于信号强度值，x作为自变量表示信号强度范围；对于信号变化率，x作为自变量表示信号变化率范围；其中，所述级别通过a，b，c，d的取值确定。

其中，所述模糊推理输出为离散值。

进一步地，步骤S3中所述推理输出包括：。

通过主动扫描选择目标接入点；或，

跳过扫描阶段，直接选择邻近接入点为目标接入点；或，

维持当前状态。

进一步地，所述预置的模糊规则包括：通过第二隶属度函数确定移动台的切换方式；所述第二隶属度函数为：

$\mathrm{triangle}(x,r,s,t)=\left\{\begin{array}{cc}0& x\≤r\\ \frac{x-r}{s-r}& r\≤x\≤s\\ \frac{t-x}{t-s}& s\≤x\≤t\\ 0& t\≤x\end{array}\right.$

其中，x作为自变量表示(补充)；其中，所述切换方式通过r，s，t的取值确定。

(三)有益效果

根据本发明的技术方案，移动台可以根据当前接入点和邻近接入点的信号强度及其变化情况，利用模糊规则自适应调整切换机制，能够达到更好的切换效果；尤其是在异常切换方式下，移动台直接与邻近接入点进行鉴权和重关联，避免长时间扫描所带来的比较大的切换时延。

附图说明

图1是以自由空间为传播媒介且使用定向天线的CBTC车地通信中的信号覆盖示意图；

图2是以漏泄波导为传播媒介且使用漏泄负载的CBTC车地通信中的信号覆盖示意图；

图3是本发明的基于模糊规则的无线局域网切换方法的流程图；

图4是本发明的基于模糊规则的无线局域网切换方法中，信号强度模糊化结果示意图；

图5是本发明的基于模糊规则的无线局域网切换方法中，信号强度变化量模糊化结果示意图；

图6是本发明的基于模糊规则的无线局域网切换方法中，移动台的三种切换方式模糊化结果示意图；

图7是本发明的基于模糊规则的无线局域网切换方法中，正常切换状态流程图；

图8是是本发明的基于模糊规则的无线局域网切换方法中，异常切换状态流程图。

具体实施方式

本发明提出的基于模糊规则的无线局域网切换方法，结合附图和实施例说明如下。

本发明的核心思想在于：将模糊数学应用到切换机制中，通过移动台对周围微波环境定时侦测自适应调整切换机制，缩短切换时间并减少切换丢包。当检测到微波环境正常变化时，移动台保持当前状态；当检测到微波环境正常突变时，移动台选择传统的切换机制；当检测到微波环境异常突变时，移动台则选择特殊的切换机制。

在无线局域网中，信标帧是周期性发送的。在本发明中，移动台根据存储的沿线接入点信息，在规定的相应时间内接收邻近接入点的信标帧，并且实时监测当前接入点和邻近(下一个)接入点的信号强度变化情况；如图3所示，本发明的技术方案包括以下步骤：

S1、移动台接收并存储预置时间段内当前关联接入点和相邻接入点信标帧的信号强度；

S2、移动台通过模糊数学方法对所述预定时间段内当前关联接入点的信号强度值、邻近接入点的信号强度值、当前关联接入点的信号强度变化率、邻近接入点的信号强度变化率分别进行模糊化处理；

本步骤中，所述模糊化处理包括：将信号强度划分为低、中、高三种级别；将信号强度的变化率划分为锐减、平稳、剧增三种级别，并制定相应的隶属度函数。

S3、移动台根据预置的模糊规则进行模糊推理，选择移动台的切换状态(正常切换、异常切换和保持当前状态)并根据选定的切换状态确定目标接入点；

对于无突变的、正常的信号变化，移动台保持当前状态；

对于正常的信号突变，移动台选择正常切换机制；

对于异常的信号突变，移动台异常切换机制；

S4：移动台与目标接入点进行鉴权；

S5：目标接入点对移动台的鉴权和关联请求一一响应之后，切换完成。

下面将通过具体实施例对上述步骤S1-S5进行详细说明。根据本发明的技术方案，移动台通过对信标帧分析获知当前接入点和邻近接入点的信号强度RSSI；存储一定时间段内的信号强度后，可获知当前和邻近接入点信号强度RSSI的变化规律。具体步骤如下：

假设信标帧以时间T为周期发送，则有：

移动台在t1时接收到当前接入点信标帧，在t2时接收到邻近接入点信标帧，获知两接入点各自的信号强度RSSI并存储，记为P1，P2；

移动台在t1+T时接收到当前接入点下一个信标帧，在t2+T接收到邻近接入点下一个信标帧，获知两接入各自的信号强度RSSI并存储，记为P1’，P2’；

移动台计算两个周期的信号强度的差值，delta1＝p1’-P1，delta2＝P2’-P2；

移动台根据模糊数学方法将两接入点的信号强度及其变化量模糊化；即：将信号强度RSSI划分为低、中、高三档，其隶属度函数如图4所示；将信号强度变化率划分为锐减、平稳、剧增三档，其隶属度函数如图5所示；模糊化的信号强度和变化率作为模糊推理的输入。

强度值RSSI和强度变化率分别具有三个语言变量，因此一共有六个隶属度函数。通过经验以及测试，选用梯形隶属度函数(membershipfunction)来描述这六个隶属度函数。梯形隶属度函数由四个参数{a、b、c、d}来决定，如下式所示：

$\mathrm{trapezoid}(x;a,b,c,d)=\left\{\begin{array}{cc}0& x\≤a\\ \frac{x-a}{b-a}& a\≤x\≤b\\ 1& b\≤x\≤c\\ \frac{d-x}{d-c}& c\≤x\≤d\\ 0& d\≤x\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，对信号强度而言，x作为自变量表示信号强度的范围，一般为-100～～0dBm；对信号变化率而言，x作为自变量表示变化率的范围，一般为-30～～30。

表1所示分别为六个隶属度函数中{a、b、c、d}的取值范围。

表1

移动台根据模糊化后的数据判断当前接入点和邻近接入点的信号强度水平及其变化情况，调用模糊规则库进行模糊推理进行决策。模糊规则库如表2所示，通过当前接入点的信号强度和变化率以及邻近接入点的信号强度和变化率选择合适的移动台状态。图6即是移动台状态模糊化后的隶属度函数图，这也是模糊推理的输出。

表2

模糊推理输出的语言变量分别为保持当前状态、正常切换、异常切换。其隶属度函数选用三角函数，如下式所示，有三个重要的参数{r、s、t}。

$\mathrm{triangle}(x,r,s,t)=\left\{\begin{array}{cc}0& x\≤r\\ \frac{x-r}{s-r}& r\≤x\≤s\\ \frac{t-x}{t-s}& s\≤x\≤t\\ 0& t\≤x\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，x作为自变量表示信号强度的取值范围，在此设置为[0 1]。

表3所示为三个语言变量隶属度函数的参数范围。

表3

移动台获取决策信息后自动调整状态，如若模糊推理的输出是保持当前状态，则移动台不做任何调整。

如果推理输出是正常切换，则其流程如图7所示。即，移动台进入主动扫描模式，发送探寻请求帧，等待探寻响应帧。如果收到多个接入点的探寻响应帧，则选择信号强度最好的一个接入点作为目标接入点，进入鉴权和重关联阶段；如果仅收到一个接入点的响应帧，且其信号强度大于切换的门限，则进入鉴权和重关联阶段；如果没有收到响应帧，则继续扫描。

如果推理输出是异常切换，则其流程如图8所示。由于切换时延有90％是由扫描引起的，在这种情况下，移动台直接与邻近接入点进行鉴权和重关联，由此避免长时间扫描所带来的比较大的切换时延。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种基于模糊规则的无线局域网切换方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：移动台接收预置时间段内当前关联接入点和相邻接入点以预定时间间隔发送的信标帧，获取并存储其信号强度；

S2：移动台通过模糊控制方法对当前接入点的信号强度值、邻近接入点的信号强度值、当前接入点在所述预置时间段内的信号强度变化率、邻近接入点在所述预置时间段内的信号强度变化率分别进行模糊化处理，获得表征信号强度水平及其变化状态的模糊数据；

S3：移动台根据预置的模糊规则，将所述模糊数据作为输入进行模糊推理，获得包含移动台切换方式的推理输出，并根据所述推理输出确定目标接入点；

S4：移动台与目标接入点进行鉴权；

S5：鉴权通过后，移动台向目标接入点发送重关联信号；

当移动台接收到重关联响应信号，并且重关联建立成功时，切换完成。

2.如权利要求1所述的基于模糊规则的无线局域网切换方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：移动台通过第一隶属度函数将当前接入点的信号强度值、邻近接入点的信号强度值、当前接入点在所述预置时间段内的信号强度变化率、邻近接入点在所述预置时间段内的信号强度变化率分别标识为不同的级别。

3.如权利要求2所述的基于模糊规则的无线局域网切换方法，其特征在于，所述第一隶属度函数为：

$\mathrm{trapezoid}(x;a,b,c,d)=\left\{\begin{array}{cc}0& x\≤a\\ \frac{x-a}{b-a}& a\≤x\≤b\\ 1& b\≤x\≤c\\ \frac{d-x}{d-c}& c\≤x\≤d\\ 0& d\≤x\end{array}\right.$

其中，对于信号强度值，x作为自变量表示信号强度范围；对于信号变化率，x作为自变量表示信号变化率范围；其中，所述级别通过a，b，c，d的取值确定。

4.如权利要求1所述的基于模糊规则的无线局域网切换方法，其特征在于，所述模糊推理输出为离散值。

5.如权利要求1所述的基于模糊控制的无线局域网切换方法，其特征在于，步骤S3中所述推理输出包括：。

通过主动扫描选择目标接入点；或，

跳过扫描阶段，直接选择邻近接入点为目标接入点；或，

维持当前状态。

6.如权利要求1所述的基于模糊控制的无线局域网切换方法，其特征在于，所述预置的模糊规则包括：通过第二隶属度函数确定移动台的切换方式；所述第二隶属度函数为：

$\mathrm{triangle}(x,r,s,t)=\left\{\begin{array}{cc}0& x\≤r\\ \frac{x-r}{s-r}& r\≤x\≤s\\ \frac{t-x}{t-s}& s\≤x\≤t\\ 0& t\≤x\end{array}\right.$

其中，x作为自变量表示(补充)；其中，所述切换方式通过r，s，t的取值确定。

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