CN104703253B - 基于信号记忆和通信任务的动态智能手机无线接入方法 - Google Patents

基于信号记忆和通信任务的动态智能手机无线接入方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于无线网络协议技术领域，具体涉及一种基于信号记忆和通信任务的动态智能手机无线接入方法。利用人们日常生活具有很强规律性和重复性的这一特点，利用手机来记录手机持有人经常活动的区域的手机蜂窝网信号变化规律，并将这一规律与人活动区域尤其是室内大量存在的WiFi接入点(WiFi AP)关联起来。当手机中有需要访问网络的任务时，根据当前手机蜂窝网信号特点判断是否可以在可容忍时间内等待到有WiFi可用，如果可以，则对通信任务进行规划，使其等待一段时间以通过WiFi接入互联网来完成通信任务。通过这种机制，达到节约电池能量和手机资费的目的。

Description

基于信号记忆和通信任务的动态智能手机无线接入方法
技术领域
本发明属于无线网络协议技术领域，具体涉及一种基于手机信号记忆和通信任务的动态智能手机无线接入方法。该机制主要是借助手机信号变化记录人日常活动区域的WiFi可用情况，以此为依据来规划手机中的通信任务，使其尽量利用WiFi代替3G接入网络，从而达到节约电池能量和手机资费的目的。
背景技术
近年来，无线网络领域尤其是移动通信技术得到了学术界和工业界的广泛关注，取得了迅猛的发展。
移动通信技术和智能手机终端的不断进步，使移动互联网产业成为IT产业新的增长热点，使人的二十四小时“在线”成为现实，给人们的生活和工作带来了极大的便利。然而，昂贵的3G资费和手机电池的续航能力不足，是当前移动互联网发展中的重要瓶颈。
目前，无论在国内外市场上，由于3G技术建设、服务成本较高，3G资费均较昂贵。而利用智能手机收发邮件等移动互联行为往往需要大量数据交互。如何节省资费，是全球移动互联网用户共同面对的问题。近几年来，国外出现了一些研究工作，利用WiFi技术来缓解这一矛盾：当前对WiFi的使用日益增多，许多机构或餐饮服务业等场所开始提供免费WiFi，从而为使用WiFi接入互联网代替移动接入成为一种可能。因而当手机需要传输大量数据时，可以首先检查手机附近有无可用的WiFi接入点(WiFi AP)，当存在时，手机自动选择利用WiFi进行互联网访问。如果不存在才使用3G。这样的做法节省了3G流量，从而节省了资费。然而，由于该种方法需要手机频繁探测WiFi AP的存在，能量消耗较大。从用户的角度上讲，这种以能量换资费的思路并不适于日常手机的使用。因为，省电也是一个亟待解决的难题。由于目前智能手机普遍采用大尺寸触屏等耗电量大的硬件，加上手机中操作系统和诸多应用程序的存在，智能手机电池一次充电往往不敷用户一天的使用。而手机的无线数据传输，不论使用3G还是WiFi，都需要耗费大量能量。目前，国内外一些研究人员逐渐开始关注这一问题，寻找各种方法，降低手机的无线数据传输能量开销。文献[3]发明了一种利用人的生活规律规划手机任务的机制(名为Bartendr)：由于手机在信号较强时进行数据传输比在信号较弱时传输耗费更少的能量，并且人每天的生活是规律且高度重复的。因而，Bartendr记录手机用户一天生活里经过的地方手机信号的强弱。当手机有数据传输任务时，判断是否需要等待一段时间到信号较强的地方再进行数据传输。通过规划手机任务，使每次数据传输尽量在信号强的地方进行，从而节省电池能量。
发明内容
本发明是针对移动通信领域提出的一种基于信号记忆和通信任务的动态智能手机无线接入方法。
本发明的技术方案是：利用人们日常生活具有很强规律性和重复性的这一特点，利用手机来记录手机持有人经常活动的区域的手机蜂窝网信号变化规律，并将这一规律与人活动区域存在的WiFi接入点(WiFi AP)关联起来。智能手机具备至少常用蜂窝移动通信网无线接入接口和无线WiFi网络接入接口。当手机中有需要访问网络的任务时，根据当前手机蜂窝网信号特点判断是否可以在可容忍时间内等待到有WiFi可用，如果可以，则对通信任务进行规划，使其等待一段时间以通过WiFi接入互联网来完成通信任务。
通过这种机制，可以更为高效地利用当前日益增多的(尤其是在室内大量存在的)WiFi资源，达到节约电池能量和手机资费的目的。
利用手机来记录手机持有人经常活动的区域的手机蜂窝网信号变化规律，即用手机记录下每天的蜂窝网信号变化序列，对第n天所记录的序列记为Sn，并对Ttrain时间(单位：天)内记录的所有信号序列S1，2，3…Ttrain进行训练以得到基准信号序列Sbase；这样，基准信号序列中的每一项实际是借助蜂窝网信号统计性地记录了手机持有者每一天在特定时刻所处的位置。
用手机记录下的每天蜂窝网络信号变化序列中的每项采用数据结构(BaseStation ID，BaseStation_Value，Time)来记录每次需要记录的蜂窝网信号信息，其中BaseStation ID表示蜂窝基站ID，BaseStation Value表示接收到ID为BaseStation ID的基站的信号强度，Time表示从当天该手机第一次启动时刻到记录当前值之间的时间间隔；只有当蜂窝网信号发生显著变化时(即：同一基站信号强度变化超过给定阈值，或手机越区切换带来的基站ID改变)，手机才会以该数据结构格式在本地存储序列中记录下新的信号。
基准信号序列Sbase的训练获取方法为：手机记录每天所采集的蜂窝网络信号序列，共计Ttrain天(Ttrain≥1)，产生相应的Ttrain个序列，手机根据该Ttrain个序列进行训练，以去除偶然性信号而得到基准信号序列Sbase；具体训练过程为，对Ttrain个序列中对应的每一项，当该项在所有Ttrain个项中，存在至少个匹配项时，则将该项加入基准序列Sbase，其中Rc为匹配百分比，0<Rc<1；不同序列中两项(BaseStation ID1，BaseStationValuel，Timel)和(BaseStation ID2，BaseStation Value2，Time2)匹配的条件如下：BaseStation ID 1=BaseStation ID2，|BaseStation_Valuel-BaseStation_Value2|≤Mv，| Time1-Time2|≤Mt，其中Mv是两个信号强度匹配允许的偏差，Mt是两个信号检测时间匹配允许的偏差。
将手机蜂窝网信号变化规律与手机持有人活动区域内存在的WiFi AP关联起来，即在基准序列Sbase建立后，手机将根据基准序列中的项来探测WiFi AP；每当手机当前检测到的蜂窝基站ID、接收信号强度和时间与基准序列Sbase中的某一项匹配时，说明手机持有人到达基准序列中有记录的区域，则进行WiFi AP探测；并将探测后WiFi AP的情况以数据结构(BaseStation ID，BaseStation_Value，Time，AP number)的形式记录以完成关联；其中AP number表示该序列项所对应的可用WiFi AP数目，当序列项无对应的可用WiFi AP时，AP number=0。
根据当前通信任务对延迟的可容忍程度将通信任务分为容迟、普通和不容迟三级；可以容忍较长延迟的通信任务如手机软件升级等为容迟级，可以等待最多Tlong秒；允许一定程度延迟但不允许较大延迟的通信任务如周期性查收电子邮件等为普通级，可以等待最多Tnormal秒；不允许容迟的通信任务如即时通讯软件等为不容迟级，不允许等待，即最多等待时间为0。
对容迟和普通级别的通信任务最大等待时间Tlong、Tnormal的设置依据蜂窝网信号基准序列Sbase的情况，Sbase中各项记为In，其中n=1，2，3…，将Sbase中相邻两项的Time位In.Time与In-1.Time的差值最大的设置为Tlong，Tlong=Max{(In.Time-In-1Time)|In∈Sbase,n=1，2，3，…}，;将Sbase中各相邻项的Time位差值的平均值设为Tnormal，Tnormal=Avg{In.Time-In-1.Time|In∈Sbase,n=1，2，3，..}。
当手机中有一个通信任务需要访问网络时，将依据手机当前蜂窝网络信号特征、手机当前基准序列Sbase所关联的WiFiAP信息、和通信任务的延迟容忍级别联合判断：若当前位置存在WiFi AP覆盖，则直接使用其接入网络；若不存在，则观察当前所在位置距离到达下一个WiFi AP的时间是否超过通信任务容忍的等待时间，如果没有超过，则暂时不访问网络并挂起该任务，直到遇到WiFiAP并执行通信任务，或时间耗尽且仍未遇到可用的WiFi网络，则直接采用普通蜂窝移动通信手段执行通信任务；如果从当前位置和时间到达下个WiFi AP所需的时间已经超出了该任务容忍的等待时间，则直接采用蜂窝移动通信手段访问网络。
附图说明.
图1与WiFi接入点进行关联后的基准信号序列Sbase示例图。在本例中手机从开机开始记录，共记录了10个小时内的信号变化。
具体实施方式
本发明是一种基于手机信号记忆和任务的智能手机无线接入调度方法。这一方法利用了人们日常生活具有高度规律性和重复性的这一特点：一个人每天的生活从居住地开始，一般经过固定路线，借助固定的交通工具或方式(如步行)，到达上班或上学的地方。在这一过程中，人所经过的区域，进出的房屋、楼宇总是被固定的几个蜂窝网基站所覆盖，人总是经历一段相近的时间从一个基站的覆盖范围走到另一个基站的覆盖范围，相应地，手机所感知到的同一基站的信号强弱变化也有很强的规律性。本发明以一种特定数据结构记录人这样日复一日的生活轨迹所经历的手机蜂窝网信号轨迹，形成统计性规律。使手机可以仅从蜂窝网信号的特点就能估计到人所处的位置(误差可控)，同时能预判人将要到达的位置。从而给手机通信任务的规划调度提供了条件。
手机记录下每一天的蜂窝网信号变化序列(对第n天所记录的序列记为Sn)，并对一段时间Ttrain(单位：天)内记录的所有信号序列S1，2，3…Ttrain进行训练，训练的目的是去除掉偶然性的信号变化以得到基准信号序列Sbase。基准信号序列中的每一项实际是借助蜂窝网信号统计地记录了手机持有者每一天在特定时刻所处的位置。确定了基准信号序列Sbase后，手机将根据该序列，对序列中的每一项进行相应地WiFi AP地探测，从而对WiFi AP和Sbase进行关联。这样，手机实际上记录下了在何位置存在WiFi AP。当手机中有应用需要访问互联网时，不必每次均侦测是否存在WiFi AP，只需根据当前蜂窝网信号情况，比对基准信号序列Sbase，只有当前信号不属于序列上有记录的信号项时才开启WiFiAP探测；如果当前信号在基准序列上有记录，则手机可以依靠已有记录判断出通信任务能否在有限时间内等待到可用的WiFi，如果可以，则手机会让通信任务等待一段时间以利用WiFi接入互联网。
这样的做法可以节省3G流量；同时，与那些每次均需进行能耗较大的WiFi AP探测的方法相比，极大的减少了能量消耗。
信号序列的记录：本发明采用数据结构(1)来记录每次需要记录的信号信息：
(BaseStation_ID，BaseStation_Value，Time) (1)
BaseStation ID：基站ID。
BaseStation Value：接收到ID为BaseStation ID的基站的信号强度。
Time：与当天该手机第一次启动记录的时刻之间的间隔时间(以s为单位，显然，最小为0，最大可为86400s，即24小时))。
例如：手机当前属于ID为32c的基站，当前信号为-81dBm，且为当天开机后第一次记录的时刻，则手机记录(32c,-81，0)。10分钟后，手机移动到ID为33d的基站，信号为-77dBm，则记录(33d,-77,600)。这样，手机当前记录下的信号序列为{(32c,-81，0)，(33d,-77,600)}。需要注意的是，只有当蜂窝网信号发生显著变化时(即：同一基站信号强度变化超过给定阈值，如±30dBm，或基站切换带来的基站ID改变)，手机才会以上述格式在存储序列中记录下新的信号。
通常，手机将从开机后自动开始记录信号序列，负责信号记录的应用程序随系统开机启动。手机关机时则进行当天最后一次记录以避免遗漏。(这一行为可以通过应用程序的“关闭函数”来实现。以Android系统智能手机为例，finish()函数即可达到这一目的)。需要注意的是，如果用户从不关机，则记录程序会从每天0点开始记录，一直记录至夜24点。由于多数情况下手机在夜间并不频繁移动，信号并不发生超过阈值幅度的变化，因而不会因为记录时间增加而增加序列的复杂度。另外，持续的保持开机还能给信号记录的时间准确性带来增益。
基准信号序列Sbase的获取：手机记录每天所采集的蜂窝网信号序列，共Ttrain天，产生相应的Ttrain个序列，手机将对该Ttrain个序列进行训练，训练的目的是去除偶然性信号得到基准信号序列Sbase；具体训练过程为，对Ttrain个序列中对应的每一项，当该项在所有Ttrain个项中，存在至少个匹配项时，则将该项加入基准序列Sbase，其中Rc为匹配百分比，0<Rc<1；。不同序列中两项(BaseStation_ID1，BaseStation_Valuel，Timel)和(BaseStation_ID2，BaseStation_Value2，Time2)匹配的条件如下：BaseStation ID1=BaseStation ID2，|BaseStation_Valuel-BaseStation_Value2|≤Mv，|Timel-Time2|≤Mt，其中Mv是两个信号强度匹配允许的偏差，Mt是两个信号检测时间匹配允许的偏差。
举例而言，设置Ttrain=20天，Rc=75％，Mv10dBm，Mt=300。则手机记录所采集的信号序列20个时，记录下地相应序列为：Sbase1，base2，base3…base20。手机将对该20个序列进行训练以得到基准信号序列Sbase。具体为，对20个序列中对应的每一项，当该项在超过15个(即占比例75％)序列中存在(即，有超过15个项的基站ID相同，同基站信号强度差别在±10dBm内，时间相差在±300秒)，将其加入基准序列Sbase。
W iFi AP与基准序列Sbase的关联：当手机蜂窝网信号发生了显著变化时(同一基站信号强度变化超过给定阈值，如：±30dBm；或基站切换)，我们认为这是手机持有人从一个环境移动到另一个环境(尤其是进出房屋、楼宇)所引起的。这样，随着人所处位置的改变(例如走进楼宇或房屋)，就可能会出现新的可用WiFi AP。因此，我们设定在此时令手机启动WiFi AP的探测，并将探测后的WiFi AP情况与蜂窝网信号序列相关联。
具体操作方法是：在基准序列Sbase建立后，每当手机当前检测到的蜂窝基站ID、接收信号强度和时间与基准序列Sbase中的某一项匹配时，说明手机持有人到达基准序列中有记录的区域，则针对该项进行WiFi AP探测。
探测结束后，手机将在序列Sbase上为对应项记录WiFi AP情况。方法是在原有该项数据结构上增加一位，形成新的Sbase序列的数据结构，即：
(BaseStationdD，BaseStation_Value，Time，AP number) (2)
前三位与(1)相同。新增位AP number表示：该序列项所对应的可用WiFi AP数目。如序列项无对应的可用WiFi AP，则AP number=0。
这样就完成了基准序列Sbase与WiFi AP之间的关联。
对通信任务进行接入调度的方法：如果手机当前接收到的蜂窝网信号属于基准序列上有记录的信号，则手机依靠已有记录来判断是否可以在可容忍时间内等待到可用的WiFi接入互联网。所谓的“可容忍时间”是指目前需要访问互联网的通信任务是否可以容忍一段时间延迟以等待手机从当前位置到达有可用WiFiAP所在的位置。
具体的量化如下：
首先是对手机中通信任务的分级。根据当前通信任务对延迟的可容忍程度将通信任务分为容迟、普通和不容迟三级。一部分通信任务可以容忍较长延迟的为容迟级，如手机软件升级等；还有一些通信任务允许一定程度延迟但不允许较大延迟的为普通级，如周期性查收电子邮件等如周期性查收电子邮件、微博内容更新等；也有一部分通信任务不允许容迟的为不容迟级，如即时通讯软件等。容迟级别意味着该任务可以等待最多Tlong秒(如6000秒)，普通级别意味着该任务可以等待最多Tnonna1秒(如300秒)，不容迟级别意味着该任务不容许等待，即最多等待时间为0，将直接利用当前可用的WiFi或3G进行通信。
对Tlong、Tnormal的设置需要依据手机所记录的蜂窝网信号基准序列的实际情况。
在本发明中，Sbase中各项记为In，其中n=1，2，3…，将Sbae中相邻两项的Time位In.Time与In-1.Time的差值最大的设置为Tlong：
Tlong=Max{(In.Time-In-1.Time)|In∈Sbase，n=1，2，3，...} (3)
将Sbase中各相邻项的Time位差值的平均值设为Tnormal：
Tnorma1=Avg{In.Time-In.1.Time|In∈Sbase，n=1，2，3，...} (4)
之后，当手机中有一个通信任务需要访问网络时，将依据手机当前蜂窝网络信号特征、手机当前基准序列Sbase所关联的WiFiAP信息、和通信任务的延迟容忍级别联合判断：若当前位置存在WiFi AP覆盖，则直接使用其接入网络；若不存在，则观察当前所在位置距离到达下一个WiFi AP的时间是否超过通信任务容忍的等待时间，如果没有超过，则暂时不访问网络并挂起该任务，直到遇到WiFi AP并执行通信任务，或时间耗尽且仍未遇到可用的WiFi网络，则直接采用普通蜂窝移动通信手段执行通信任务；如果从当前位置和时间到达下个WiFiAP所需的时间已经超出了该任务容忍的等待时间，则直接采用蜂窝移动通信手段访问网络。

Claims (6)

1.一种基于信号记忆和通信任务的动态智能手机无线接入方法，其特征在于：利用人们日常生活具有很强规律性和重复性的这一特点，利用手机来记录手机持有人经常活动的区域的手机蜂窝网信号变化规律，并将这一规律与人活动区域尤其是室内大量存在的WiFi接入点WiFi AP关联起来；智能手机至少具备蜂窝移动通信网无线接入接口和无线WiFi网络接入接口；当手机中有需要访问网络的通信任务时，根据当前手机蜂窝网信号特点和通信任务的要求判断是否可以在可容忍时间内等待到有WiFi可用，如果可以，则对通信任务进行规划，使其等待一段时间以通过WiFi接入互联网来完成通信任务；
其中，利用手机来记录手机持有人经常活动的区域的手机蜂窝网信号变化规律，即用手机记录下每天的蜂窝网信号变化序列，对第n天所记录的序列记为Sn，并对Ttrain时间(单位：天)内记录的所有信号序列S1，2，3...Ttrain进行训练以得到基准信号序列Sbase；这样，基准信号序列中的每一项实际是借助蜂窝网信号统计性地记录了手机持有者每一天在特定时刻所处的位置；
其中，所述基准信号序列Sbase的训练获取方法为：手机记录每天所采集的蜂窝网络信号序列，共计Ttrain天(Ttrain≥1)，产生相应的Ttrain个序列，手机根据该Ttrain个序列进行训练，以去除偶然性信号而得到基准信号序列Sbase；具体训练过程为，对Ttrain个序列中对应的每一项，当该项在所有Ttrain个项中，存在至少个匹配项时，则将该项加入基准序列Sbase，其中Rc为匹配百分比，0＜Rc＜1；不同序列中两项(BaseStation_ID1，BaseStation_Value1，Time1)和(BaseStation_ID2，BaseStation_Value2，Time2)匹配的条件如下：BaseStation_ID1＝BaseStation_ID2，|BaseStation_Value1-BaseStation_Value2|≤My，|Time1-Time2|≤Mt，其中My是两个信号强度匹配允许的偏差，Mt是两个信号检测时间匹配允许的偏差。
2.根据权利要求1所述的基于信号记忆和通信任务的动态智能手机无线接入方法，其特征在于所述用手机记录下的每天蜂窝网络信号变化序列中的每项采用数据结构(BaseStation_ID，BaseStation_Value，Time)来记录每次需要记录的蜂窝网信号信息，其中BaseStation_ID表示蜂窝基站ID，BaseStation_Value表示接收到ID为BaseStation_ID的基站的信号强度，Time表示从当天该手机第一次启动时刻到记录当前值之间的时间间隔；只有当蜂窝网信号发生显著变化时，即同一基站信号强度变化超过给定阈值，或手机越区切换带来的基站ID改变，手机才会以该数据结构格式在本地存储序列中记录下新的信号。
3.根据权利要求1所述的基于信号记忆和通信任务的动态智能手机无线接入方法，其特征在于：将手机蜂窝网信号变化规律与手机持有人活动区域内存在的WiFi AP关联起来，即在基准序列Sbase建立后，手机将根据基准序列中的项来探测WiFi AP；每当手机当前检测到的蜂窝基站ID、接收信号强度和时间与基准序列Sbase中的某一项匹配时，说明手机持有人到达基准序列中有记录的区域，则进行WiFi AP探测；并将探测后WiFi AP的情况以数据结构(BaseStation_ID，BaseStation_Value，Time，AP_number)的形式记录以完成关联；其中AP_number表示该序列项所对应的可用WiFi AP数目，当序列项无对应的可用WiFi AP时，AP_number＝0。
4.根据权利要求1所述的基于信号记忆和通信任务的动态智能手机无线接入方法，其特征在于：根据当前通信任务对延迟的可容忍程度将通信任务分为容迟、普通和不容迟三级；可以容忍较长延迟的通信任务如手机软件升级等为容迟级，可以等待最多Tlong秒；允许一定程度延迟但不允许较大延迟的通信任务如周期性查收电子邮件等为普通级，可以等待最多Tnormal秒；不允许容迟的通信任务如即时通讯软件等为不容迟级，不允许等待，即最多等待时间为0。
5.根据权利要求1所述的基于信号记忆和通信任务的动态智能手机无线接入方法，其特征在于：对容迟和普通级别的通信任务最大等待时间Tlong、Tnormal的设置依据蜂窝网信号基准序列Sbase的情况，Sbase中各项记为In，其中n＝1，2，3…，将Sbase中相邻两项的Time位In.Time与In-1.Time的差值最大的设置为Tlong，Tlong＝Max{(In.Time-In-1.Time)|In∈Sbase，n＝1，2，3，...}；将Sbase中各相邻项的Time位差值的平均值设为Tnormal，Tnormal＝Avg{In.Time-In-1.Time|In∈Sbase，n＝1，2，3，...}。
6.根据权利要求1所述的基于信号记忆和通信任务的动态智能手机无线接入方法，其特征在于：当手机中有一个通信任务需要访问网络时，将依据手机当前蜂窝网络信号特征、手机当前基准序列Sbase所关联的WiFi AP信息、和通信任务的延迟容忍级别联合判断：若当前位置存在WiFi AP覆盖，则直接使用其接入网络；若不存在，则观察当前所在位置距离到达下一个WiFi AP的时间是否超过通信任务容忍的等待时间，如果没有超过，则暂时不访问网络并挂起该任务，直到遇到WiFi AP并执行通信任务，或时间耗尽且仍未遇到可用的WiFi网络，则直接采用普通蜂窝移动通信手段执行通信任务；如果从当前位置和时间到达下个WiFi AP所需的时间已经超出了该任务容忍的等待时间，则直接采用蜂窝移动通信手段访问网络。
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