CN104394563B - 一种面向地铁/高铁的车载wlan快速切换方法 - Google Patents

Abstract

一种面向地铁/高铁的车载WLAN快速切换方法，属于无线通信技术领域。本发明主要针对的是地铁/高铁的车载无线系统，采用基于快速傅里叶变换的信号强度衰减检测方法动态的设置扫描触发门限，使得在切换触发之前预留足够的时间进行信道扫描；采用精简化的邻居信息表算法扫描信道上可用的APs，并综合考虑信号服务质量、信号强度信息和信号地理位置信息以确定被切换的目标AP；在扫描触发与切换触发之间采用提前认证的方法完成认证信息的交互；切换触发后关联到目标AP，完成整个切换过程。本发明方法可以提高轨道列车的服务质量，保证乘客在车厢内漫游时，通信数据和视频传输的不间断。

Description

一种面向地铁/高铁的车载WLAN快速切换方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及到信号强度检测、邻居图算法和优化决策理论，是一种面向地铁/高铁的车载WLAN快速切换方法。本发明主要针对的是地铁/高铁的车载无线系统，采用基于快速傅里叶变换的信号强度衰减检测方法动态的设置扫描触发门限，使得在切换触发之前预留足够的时间进行信道扫描；采用精简化的邻居信息表算法扫描信道上可用的接入点(Access Points,APs)，并综合考虑QoS服务等级、信号强度信息和AP的地理位置信息以确定被切换的目标AP；在扫描触发与切换触发之间采用提前认证的方法完成认证信息的交互；切换触发后关联到目标AP，完成整个切换过程。本发明方法可以提高轨道列车的服务质量，保证乘客在车厢内漫游时，通信数据和视频传输的不间断。

背景技术

随着无线网络技术的进步，WLAN作为一种便捷式的数据传输技术在许多领域被广泛应用，如会议室、酒店以及校园网络等。近年来，轨道交通已成为现代化城市主要的交通工具之一，轨道交通在城市现代化、智能化进程中的作用越来越重要。人性化的轨道交通系统离不开完善的控制和服务系统，而各种控制和服务系统都是由无线局域网WLAN来完成数据传输的。

无线网络技术应用的一个重大难题就是无线局域网的漫游，即当无线工作站(Station,STA)从一个AP覆盖范围移动到另一个AP的过程，移动STA要完成发生接入点AP间的切换。切换包括Layer2和Layer3的切换，由于Layer3的切换技术已渐成熟，本发明主要针对Layer2的切换进行研究，即MAC层的移动快速切换技术研究。对于MAC层，一个完整的切换过程包括三个阶段：探测扫描阶段、认证阶段和关联/重关联阶段，具体如图1所示，此外在切换过程之前还有一个切换触发检测阶段。切换触发阶段是指STA根据自身当前的链路状况(如信号强度、信噪比、丢失beacon帧数等)判断当前链路的质量，由于根据丢失beacon帧数发起的切换时延较长会影响整体的切换效果，国内外学者越来越多的采用信号强度或者信噪比作为切换触发的机制。当切换被触发后，STA需要扫描所有信道以获得有用的AP信息。根据文献(A.Mishra,M.Shin,W.Arbaugh.An empirical analysis of the IEEE802.11 MAC layer Handoff process[J] ACM SIGCOMN Computer CommunicationReview,2003,33(2):93-102.)，探测扫描阶段是最为耗时的环节，扫描阶段的时延达到了整个切换时延的90％左右。通常情况下，影响扫描时延的因素有两个：一个是STA需要扫描的信道数，另一个是在每个被扫描信道上的等待时间。为了减小切换时延，主要采取的方法有：(1)扫描参数优化以减少STA在单个被扫描信道上的等待时间；(2)选择性的信道扫描以减少STA需要扫描的信道个数；(3)预先性的信道扫描，在不影响正常通信的前提下，利用移动终端数据传输的时间间隙提前扫描通道。认证阶段的时延占切换时延的比例很小，因此相对研究较少，主要的方法有基于移动预测的预认证算法，可以减少采用共享密钥方式认证的时延；邻居图认证算法，可以通过使用邻居图信息来减少认证时延；基于移动终端定位以减少认证时延的算法。重关联时延主要是新旧AP交换移动STA的上下文信息造成的，所以将新旧AP交换信息的时间提前到重关联阶段之前，就可以减少重关联时延。IEEE 802.11协议规定在移动STA发送了重关联请求之后，新旧AP才交换上下文信息，通过使用邻居图，所有AP都知道自己邻居AP的信息，当移动STA进入某AP时，该AP就会提前移动STA的上下文信息发送给所有的邻居AP，重连接开始后，新的AP由于事先得到了上下文信息，可以有效减少重连接时延。但是邻居图算法的通信开销大，缓存式的邻居图算法可以通过预测只将上下文信息发送给有可能切换到的邻居AP，这种方法可以大大减少通信开销，且命中率很高，但是如果预测结果不准确，就会导致提前重连接的失败。

对于轨道交通中的无线通信系统，除了常见的车地无线通信系统，还有一种车载内部无线通信系统，即在列车客室内安装内置AP的服务器，服务器中存储大量的视频信息(可更新)。乘客可以在车厢间走动，浏览或下载服务器中的视频。对于上述的车地无线通信系统，要实现乘客在车厢内行走而视频或数据的传输不间断，需要一种快速有效的无线切换技术。而目前存在的切换技术大至需要200ms左右的时间，对于车载内部无线通信系统，带宽及数据传输要求较高的视频会出现间断或者马赛克等问题，这样的切换效果是不能被接受的。特别是目前缺少面向地铁/高铁的车载WLAN快速切换技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题是面向地铁/高铁的车载WLAN快速切换问题，提出一种车载WLAN快速切换方法，该方法可以大大减少移动STA在车厢内漫游时AP的切换时延，以保证乘客通信的不间断，以及播放和下载列车服务器所提供的视频和数据信息的不间断。

本发明技术方案的整体实现流程如附图2所示，首先是初始化：在内置AP的车载服务器上设置缓存区，将车载的所有AP信息以及AP的邻居信息存储到服务器上，包括信号强度信息、服务质量等级和地理位置信息等。当移动STA进入ESS内，用户登录网络后，服务器会向其提供AP的相关信息，每个AP也存储有其邻居AP的信息。本发明技术方案的具体步骤如下：

1.基于快速傅里叶变换信号强度检测的扫描和切换触发：采用快速傅里叶变换以确定信号强度衰减情况，进而确定STA的移动速度，基于STA的移动速度动态设置扫描触发门限。

2.快速扫描并确定被切换目标AP：采用精简化的邻居信息表算法完成信道的快速扫描，并基于QoS服务等级、信号强度信息和AP的地理位置信息确定被切换的目标AP。

3.基于两级触发机制的提前认证：在获得最佳目标AP的信息后，当前关联AP会将STA的信息复制到目标AP上，包括STA的用户身份信息、地理位置信息、安全信息和申请业务信息等。

4.切换触发后，STA向目标AP发出关联请求，AP确认STA的身份，完成切换。

本发明的效果和益处是：

本发明方法主要是基于AP完成的，通过在AP端缓存邻居APs的信息表，可以采用精简化的邻居信息表算法快速完成扫描，考虑到地铁/高铁车载无线系统的特殊性，可以将邻居APs信息表中的干扰APs提前剔除掉。本发明采用快速傅里叶变换方法检测信号强度的衰减情况，进而动态的设置扫描的触发门限，这种即设置扫描触发门限又设置切换触发门限的两级触发机制使得在切换触发之前预留足够的时间完成信道的扫描和认证信息的交互，大大减少了切换的时延。这样在切换触发之后只需完成关联阶段的工作。此外，基于AP端完成的WLAN快速切换不需要对STA端有特别的要求，也可以减少STA端电量的损耗。

附图说明

图1为基于IEEE 802.11无线网络的切换时延示意图。

图2为实现本发明整体流程图。

图3为地铁无线系统平台局部结构图。

图4为基于精简化的邻居信息表的快速扫描流程图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术方案，以下以为一个8节车厢编组的地铁无线系统为例对本发明技术方案进行详细阐述。该系统平台局部结构如图3所示，图3中只显示4节车厢，在每个客室内安装一台车载服务器，用于保存本地电影等视频信息，可提供乘客登陆并点播观看；在每个客室内安装两台内置无线双射频AP的服务器，其中2.4GHz频段用于车厢内网络的WIFI覆盖，其中5.8GHz频段用于车厢间的无线连接；在每个客室安装2个全向吸顶天线，用于车厢内网络的覆盖；每个车厢外底部连接处安装2对共4个板状天线，用于实现车厢间无线连接。系统平台构建的目的是为了提高乘车服务质量，满足乘客日益增长的娱乐要求。即乘客采用手机或PAD登录网络后，除保证基本的通信功能外，还可在线观看/下载服务器内的视频、电影，下载速度每个IP点不低于500kb/s，最多每个车厢内有100个人同时在线/下载观看视频。若乘客在车厢内行走，可实现AP间的正常漫游路由切换，保证视频、数据等传输的不间断。为了实现上述目的，本发明提供一种面向列车的WLAN快速切换方法。按照图2，本发明的具体步骤如下：

初始化：在内置AP的车载服务器上设置缓存区，将车载的所有AP信息以及AP的邻居信息存储到服务器上，包括信号强度信息、服务质量等级和地理位置信息等。当移动STA进入ESS内，用户登录网络后，服务器会向其提供AP的相关信息，每个AP也存储有其邻居AP的信息。由于所有AP的信息是已知的，所以STA一经联入车载的AP，车载AP就会屏蔽掉列车以外的不合法APs。

步骤1：基于快速傅里叶变换信号强度衰减检测的扫描触发

为了防止由于STA移动速度过快，切换触发后，扫描工作未完成而导致的切换时延，本发明中除了设置了切换触发门限Th1参数外，还基于快速傅里叶变换信号强度衰减检测方法动态的设置扫描触发门限Th，扫描门限的初始值设为Th2，以保证在切换触发前预留一定的时间进行扫描工作。

快速傅里叶变换方法可以检测信号的强度衰减情况，进而确定STA的相对移动速度。基于STA的移动速度动态的设定一个扫描门限值Th的具体过程如下：

对于N点有限长序列x(n)，其离散傅里叶变换为：

离散傅里叶变换的一个性质：对于一个统计衰减的有限长序列x(n)，其经过傅里叶变换的虚部始终为负值，即

反之亦然。因此可以采用下述公式对序列x(n)的衰减程度进行计算：

此外，根据文献(C.Guo,Z.Guo,Q.Zhang and W.Zhu,A seamless and proactiveend-to-end mobile solution for roaming across heterogeneous wirelessnetworks,IEEE Journal on Selected Areas in Communications,Vol.22,No.5,2004)，X(1)/N的绝对值可以反映信号的衰减程度，进一步从侧面反映出移动STA的速度大小。这样，引入一个速度调节因子η，就可以求得移动STA移动的速度，即

v＝η|X(1)/N| (4)

当STA在移动情况下，单位时间内扫描的门限值可以写为：

Th＝Th2±λv (5)

其中，λ为转化系数，通过Th和Th1的差异来确定，Th和Th1的差异除了需以保证扫描过程完成后的零等待，还需要在该时段内完成目标AP的确定，以及认证信息的交互。

步骤2：快速扫描并确定被切换目标AP

首先是基于精简化的邻居信息表的快速扫描，由于每个AP也保存有自己邻居AP的信息列表，因此当扫描触发后，STA就可以从当前关联的AP获得周围邻居AP的相关信息列表，如表1所示，这样可以大大减少了STA在切换时因扫描带来的时延。精简化的邻居信息表是指STA会把所有的与其可达的AP覆盖范围内的无重叠AP全部从自己的邻居信息表中精简掉，这样可以减少信道探测的等待时间，甚至减少探测的信道个数。基于精简化的邻居信息表的快速扫描流程图如图4所示。

表1 邻居APs的信息列表

然后是基于QoS服务等级，信号强度信息(RSSI)和地理位置信息的被切换目标AP确定，定义加权参数变量α，β和γ，满足0＜α＜1，0＜β＜1，0＜γ＜1和α+β+γ＝1，其中α表示QoS服务等级对待确定目标AP的贡献程度，β表示STA与AP相对距离对待确定目标AP的贡献程度，γ表示接收信号强度对待确定目标AP的贡献程度，α，β和γ的取值需根据具体情况而定。这样，定义确定最优目标AP的目标函数为

Y_i＝α×QoS_i+β×ω×l_i+γ×τ×RSSI_i (6)

其中，QoS_i表示AP_i的QoS服务等级，l_i表示STA与AP_i之间的相对距离，假设某时刻STA的地理位置信息为(x₀,y₀,z₀)，可以用RSSI_i表示STA检测到的AP_i的信号强度。由于QoS服务等级，信号强度RSSI和地理位置信息属于不同量纲变量，而α，β和γ只是表示这三个变量的目标函数的贡献程度，因此本发明中引入ω和τ两个变量用于将三个不同量纲的变量的量纲统一，ω和τ的大小可以通过机器学习的方法确定。

最优目标AP是基于Y_i的值来确定的。需要说明的是，每次AP收到邻居AP广播的更新信息后，系统会根据上述的优化决策策略进行新的决策，并更新其缓存，以此保证缓存中存放的最佳目标AP信息不会过期。

步骤3：基于两级触发机制的提前认证

在获得最佳目标AP的信息后，当前关联AP会将STA的信息复制到目标AP上，由于设置了扫描门限，可以在切换触发之前，目标AP就已经获得了STA的相关信息，包括STA的用户身份信息、地理位置信息、安全信息和申请业务信息等。通过动态确定扫描门限，可以有效地提高快速切换的效率。

步骤4：切换触发开始后，STA向目标AP发出关联请求，AP确认STA身份，完成切换。

Claims (1)

1.一种面向地铁/高铁的车载WLAN快速切换方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，基于快速傅里叶变换算法以确定信号强度衰减情况，并通过信号的衰减程度来估计STA的移动速度v；基于该移动速度，动态对扫描触发门限的初始设定值Th2进行调节Th＝Th2±λv，其中，λ为转化系数，通过Th和Th1的差异来确定，Th为扫描触发门限值，Th1为切换触发门限值；

步骤二，采用精简化的邻居信息表算法完成信道的快速扫描，精简化的邻居信息表是指STA会把所有的与其可达的AP覆盖范围内的无重叠AP全部从自己的邻居信息表中精简掉，这样减少信道探测的等待时间，甚至减少探测的信道个数，邻居APs的信息列表如表1所示；

表1 邻居APs的信息列表

信道扫描完成后基于QoS服务等级、信号强度信息RSSI和AP的地理位置信息确定被切换的目标AP，定义加权参数变量α，β和γ，满足0＜α＜1，0＜β＜1，0＜γ＜1和α+β+γ＝1，其中，α表示QoS服务等级对待确定目标AP的贡献程度，β表示STA与AP相对距离对待确定目标AP的贡献程度，γ表示接收信号强度对待确定目标AP的贡献程度，α，β和γ的取值需根据具体情况而定，定义确定最优目标AP的目标函数为

Y_i＝α×QoS_i+β×ω×l_i+γ×τ×RSSI_i

其中，QoS_i表示AP_i的QoS服务等级，l_i表示STA与AP_i之间的相对距离，假设某时刻STA的地理位置信息为(x₀,y₀,z₀)，其中，RSSI_i表示STA检测到的AP_i的信号强度；由于QoS服务等级，信号强度RSSI和地理位置信息属于不同量纲变量，而α，β和γ只是表示这三个变量的目标函数的贡献程度，其中，ω和τ两个变量用于将三个不同量纲的变量的量纲统一，ω和τ的大小通过机器学习的方法确定；

最优目标AP是基于Y_i的值来确定的；每次AP收到邻居AP广播的更新信息后，系统会根据优化决策策略进行新的决策，并更新其缓存，以此保证缓存中存放的最佳目标AP信息不会过期；

步骤三，基于两级触发机制的提前认证，即在切换触发之前，获得最佳目标AP的信息后，当前关联AP会将STA的信息复制到目标AP上，包括STA的用户身份信息、地理位置信息、安全信息和申请业务信息；

步骤四，切换触发后，STA向目标AP发出关联请求，目标AP确认STA的身份，完成切换。