CN111372295B

CN111372295B - 一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法

Info

Publication number: CN111372295B
Application number: CN202010184601.8A
Authority: CN
Inventors: 赵国锋; 龚亮明; 徐川; 曾日辉; 孔祥会
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2020-03-17
Filing date: 2020-03-17
Publication date: 2022-03-11
Anticipated expiration: 2040-03-17
Also published as: CN111372295A

Abstract

本发明属于移动通信技术领域，具体涉及一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法，该方法包括：建立混合多步Markov预测模型；SDN控制器通过预测模型计算STA在AP之间的转移概率，从而预测下一个目标AP；STA实时监测当前AP和目标AP的相关信息并上传给SDN控制器，SDN控制器进行切换触发判决，同时引入驻留时间和迟滞信号强度综合决策是否触发切换；切换触发后，开始执行切换，采用AP虚拟化技术，SDN控制器为每个STA创建一个虚拟AP，由SDN控制器控制虚拟AP在不同AP之间进行转移；本发明通过虚拟AP来保存STA的安全认证信息，减去了STA连接新AP时的重新关联认证过程，减小了切换时延。

Description

一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法

技术领域

本发明涉及工业无线通信技术领域，具体涉及一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法。

背景技术

随着无线技术的发展，在工业领域中引入无线技术已经成为了一种趋势，满足高实时性、高速率的无线通信技术对于工业领域的进一步发展有着至关重要的作用。现有的很多无线协议被设计用于工业无线网络，例如ZigBee，WirelessHART等，它们都是基于IEEE802.15.4协议设计的，该协议无法为无线网络的信号提供高速率传输，而基于IEEE8021.11协议的WLAN是一种高速无线局域网设计的无线协议，能够提供高速率传输。在工业环境中，采用大范围的无线网络部署来获得高质量的无线网络连接，并满足移动节点在大范围内工作的需求。针对节点移动而造成的切换问题，802.11标准没有做出明确规定，而由个人无线设备厂家自行实现，虽然802.11r标准细化AP间切换的技术规范，但它仅描述移动节点从断开与原AP连接到接入新AP的切换过程，由于AP覆盖范围有限，移动节点将频繁的由一个AP切换到另一个AP，因此如何实现快速的AP间切换成为工业无线网络进一步发展和应用的关键。

现有技术的主要问题是现有的切换方法都是针对AP工作在同一个信道，例如专利申请号为201910077796.3的《基于位置感知的WLAN无缝切换方法及设备》公开了控制器对接入网络的终端提供一对一的虚拟AP，完成用户接入；虚拟AP与STA通信过程中提取数据帧中的RSSI值，并将该值发送给控制器，控制器跟据RSSI值计算STA的位置，结合查询邻接映射集的结果，决策与当前AP相关联的STA是否需要跨信道切换；控制器利用当前AP所关联的虚拟AP通知STA切换到目标信道，同时将虚拟AP移植到目标AP上；该发明能解决乒乓效应，提高无线网络的服务性能。

但是该发明在TDMA机制下AP工作在同一个信道会带来较大的干扰，限制了无线终端的最大连接数目；在进行虚拟AP确定后，没有对下一个目标AP进行确定，使得在进行信道切换时的准确性较低，信道切换的时延高。

发明内容

为解决以上现有技术的问题，本发明提出了一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法，该方法包括：

STA第一次接入网络，SDN控制器在物理AP上创建唯一的虚拟AP，STA与该虚拟AP完成认证、关联；

构建混合多步Markov预测模型，SDN控制器通过该预测模型计算STA在AP之间的转移概率，通过转移概率确定下一个切换目标AP；实时监测当前AP与目标AP的相关信息，并根据切换触发条件判断是否进行切换；若进行切换，将STA对应的虚拟AP转移到目标AP，若不进行切换，则继续保持当前的连接，并继续监测相关信息；

根据最小时延抖动的动态时隙分配算法计算目标AP的相应时隙，并根据相应的时隙求出最优的时隙分配序列，将时隙分配序列发送给STA；SDN控制器通知当前连接的AP向STA下发信道切换通告，STA接收到信道切换通告，将工作信道切换至目标AP的信道，完成切换，通过预先分配好时隙与AP进行数据传输；SDN控制器通知原始AP删除STA的虚拟AP记录，释放原来STA所占用的时隙，完成跨信道无缝切换。

优选的，STA在连接AP时，AP根据STA的MAC地址查询该STA是否有对应的虚拟AP，若没有，则通知SDN控制器，SDN控制器为该STA创建一个虚拟AP，这个虚拟AP保存有STA的会话状态信息和安全认证信息。

优选的，构建混合多步Markov预测模型的过程包括：

根据一阶转移概率和二阶转移概率来准确预测下一个目标AP，一阶Markov模型为：

p{X_k+1＝a_k+1|X_k＝a_k,X_k-1＝a_k-1,...,X₁＝a₁}

＝p{X_k+1＝a_k+1|X_k＝a_k}

二阶Markov模型为：

p{X_k+1＝a_k+1|X_k＝a_k,X_k-1＝a_k-1,...,X₁＝a₁}

＝p{X_k+1＝a_k+1|X_k＝a_k,X_k-1＝a_k-1}

综合一阶模型和二阶模型建立混合多步Markov预测模型：

优选的，计算STA在AP之间的转移概率的过程包括：

根据历史数据计算出初始状态概率，初始状态概率计算公式为：

根据初始状态概率和混合多步Markov模型计算状态转移概率，得到状态转移概率矩阵，从矩阵中选取最大概率值对应的AP即为目标AP，其表达式为：

X_p＝arg Max{p{X_k+1|C}}

优选的，进行切换的过程包括：

步骤1：STA在移动过程中实时监测当前AP和目标AP的相关信息，并通过当前关联的AP将信息上传给SDN控制器；

步骤2：SDN控制器首先将信号强度值进行平滑处理，并确定SDN控制器每个周期T₀接收AP上传的信息；

步骤3：通过信号强度值计算STA与AP的距离；

步骤4：根据STA与AP距离变化量求STA的运动趋势；

步骤5：根据STA的运动速度和当前与AP之间的距离，计算出STA在(H-1)QT₀时刻之后网络驻留时间T_Dwell；

步骤6：结合参数P、驻留时间阈值T_Dwell和迟滞信号强度值阈值RSS_THR设置切换触发条件；

步骤7：SDN控制器将STA对应的虚拟AP发送给目标AP，目标AP根据该虚拟AP中的信息，在自身创建一个虚拟AP，添加STA的会话状态信息和安全认证信息。

进一步的，切换条件包括：

优选的，时隙分配序列的确定过程包括：

步骤1：目标AP根据STA的待发送队列长度和超帧T，计算出节点所需的时隙数目和理想的相邻时隙间隔；

步骤2：根据时隙数目和理想的相邻时隙间隔求取下一跳AP的空闲时隙S，并在S中指定k个时隙M分配给STA；

步骤3：根据时隙间隔序列和理想时隙间隔建立最小时延抖动的时隙均匀分配数学模型；

步骤4：定义一个有向图G＝(V,E)，根据G构造矩阵Π⁽¹⁾，再逐步推进计算矩阵Π⁽²⁾、Π⁽³⁾、…、Π^(k)，求出确定边数的不含回路的最短路径环，并找出该路径环中所经过的节点即为最优时隙分配序列；

步骤5：目标AP将时隙分配信息写入到信标帧，通过信标帧发送给STA。

优选的，完成切换的过程包括：SDN控制器向STA当前连接的AP下发命令，通知当前AP在发送给STA的信标帧中添加信道切换通告字段，STA在接收到含有信道切换通告字段的信标帧后，按照信道切换通告中的信息切换信道，切换完成后，STA通过预先分配好的时隙与目标AP进行通信。

优选的，STA切换至目标AP后，SDN控制器通知原始AP删除其存储的STA的虚拟AP记录，AP在删除虚拟AP的同时也会将原来STA占用的时隙进行释放，保证时隙的利用率。

本发明采用移动路径预测与切换技术相结合，通过SDN控制器提前预测下一个切换目标AP，以便进行有针对性的扫描和切换，提高了切换的准确性，进一步降低了切换时延；本发明通过将AP部署在不同的信道，最大化的减小了信道间的干扰，提升了信道的利用率，提高了网络的整体吞吐量；本发明提出的跨信道无缝切换方法，通过虚拟AP来保存STA的安全认证信息，减去了STA连接新AP时的重新关联认证过程，减小了切换时延。

附图说明

图1是本发明采用的跨信道切换整体流程图；

图2是本发明采用的跨信道切换系统架构示例图；

图3是本发明采用的跨信道切换示例流程图；

图4是本发明采用的时隙分配示例图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明为一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法，如图1所示，该方法包括：

根据最小时延抖动的动态时隙分配算法计算目标AP的相应时隙，并根据相应的时隙求出最优的时隙分配序列，将时隙分配序列发送给STA；SDN控制器通知当前连接的AP向STA下发信道切换通告，STA接收到信道切换通告，将工作信道切换至目标AP的信道，完成切换，通过预先分配好时隙与AP进行数据传输；SDN控制器通知原始AP删除STA的虚拟AP记录，释放原来STA所占用的时隙，完成跨信道无缝切换；

其中，STA表示移动设备，SDN(Software Defined Network，SDN)表示软件定义网络，AP(Access Point，AP)表示无线接入点，Markov表示马尔可夫。

如图2所示，AP1和AP2分别工作在信道1和信道6，STA在从AP1向AP2移动的过程中会发生切换过程，即STA断开与AP1的连接，与AP2重新建立连接，整个切换过程由SDN控制进行集中控制和执行。

如图3所示，STA在移动过程中首先向AP1发出连接请求，AP1根据STA的MAC地址查询是否有这个终端的虚拟AP，如果有，则通过虚拟AP与STA进行认证、关联过程，如果没有，AP1将STA的连接请求消息发送SDN控制器，SDN控制器在AP1上为该STA创建一个唯一的虚拟AP，STA与虚拟AP完成认证、关联过程

其中，MAC地址表示移动设备的物理地址，也称硬件地址。

当STA连接AP1正常工作之后，SDN控制器调用混合多步Markov预测器，预测出下一个将要连接的AP(即AP2)，获得AP2的MAC地址，并建立AP2的信息表，如表1所示。表中有AP2的MAC地址、AP2的IP地址和AP2使用的信道号。

编号	IP address	MAC address	Channel
				1	192.168.1.10	C4：04：15：A9：D2：EA	6

表1

构建混合多步Markov预测模型的过程包括：

p{X_k+1＝a_k+1|X_k＝a_k，X_k-1＝a_k-1，...，X₁＝a₁}

＝p{X_k+1＝a_k+1|X_k＝a_k}

二阶Markov模型为：

p{X_k+1＝a_k+1|X_k＝a_k，X_k-1＝a_k-1，...，X₁＝a₁}

＝p{X_k+1＝a_k+1|X_k＝a_k，X_k-1＝a_k-1}

综合一阶模型和二阶模型建立混合多步Markov预测模型：

其中，a_k表示STA当前连接的AP，a₁a₂...a_k表示STA所经历的AP序列，λ₁和λ₂分别为一阶模型和二阶模型的混合系数。

计算STA在AP之间的转移概率的过程包括：

X_p＝arg Max{p{X_k+1|C}}

其中，p_ij表示STA从AP_i切换到AP_j的概率，N_ij表示STA历史数据中从AP_i切换到AP_j次数，X_p表示预测结果，C表示当前状态。

进行切换的过程包括：

其中信号强度值的集合R为：

R＝{{r₁,...,r_Q},...,{r_iQ+1,...,r_iQ+Q},...,{r_(H-1)Q+1,...,r_(H-1)Q+Q}}

式中，Q表示每组元素的个数，H为组数，将上式中每个分组进行从大到小排序，接着对前K个数取平均，最后得到集合S，表达式如下：

S＝{s₁,...,s_m,...,s_H}

式中s_m的计算公式如下：

其中，r_m,k表示第k个信号强度值，s_m表示平均信号强度值，K表示进行求平均运算的信号强度值的个数。

步骤3：通过信号强度值计算STA与AP的距离；其距离的计算公式为：

式中，d是STA与AP的距离，A和n根据实际场景进行计算，rss表示上面求得的平均信号强度值。

步骤4：根据距离的变化量Δd_m来预测STA的运动趋势，Δd_m的计算公式如下：

Δd_m＝d_j+1-d_j j＝1,2,...,H-1

如果Δd_m大于0，结果记为1；如果小于0，则结果记为-1，为此定义如下函数：

其中，p(Δd)表示STA与当前AP的距离变化，Δd表示STA与AP的距离的变化量。

对于时间(H-1)QT₀内，如果满足如下关系：

表示STA与AP的距离正在逐渐增加，STA的运动趋势为远离当前连接的AP。

其中，Q表示上面R中每个分组中的信号强度值个数，T₀表示SDN控制器获取信号强度值集合的周期，P_THR表示STA与当前AP距离变化的阈值，(H-1)表示上面R中的分组个数，P表示STA与当前AP的距离变化。

步骤5：根据STA的运动速度和当前与AP之间的距离，计算出STA在(H-1)QT₀时刻之后网络驻留时间T_Dwell，计算公式如下：

式中，d_H-1为在(H-1)QT₀时刻STA距离AP的距离，P＞P_THR表示STA正在远离该AP,P＜-P_THR则表示STA正在靠近该AP，D为AP的有效覆盖范围。

步骤6：结合参数P、驻留时间阈值T_Dwell和迟滞信号强度值阈值RSS_THR设置切换触发条件；触发条件为：

当STA正远离AP1，此时开始计时，若计时T大于驻留时间阈值T_Dwell，且RSS_AP2大于RSS_AP1，则触发切换SDN控制器首先将存储的该STA对应的虚拟AP发送给AP2，AP2根据该虚拟AP在自身创建一个虚拟AP，添加STA的安全认证信息和会话状态信息。

其中，P＞P_THR表示STA正在远离该AP,P＜-P_THR表示STA正在靠近该AP，D为AP的有效覆盖范围，P_THR表示STA与当前AP距离变化的阈值，T_Dwell表示STA在当前网络的驻留时间，RSS_j表示新AP的信号强度值，RSS_c表示当前AP的信号强度值。

如图4所示，时隙分配序列的确定过程包括：

步骤1：目标AP根据STA的待发送队列长度和超帧T，计算出节点所需的时隙数目和理想的相邻时隙间隔；其中，T＝{T₁,T₂,...,T_N}，计算间隔的公式为：

其中，k是STA所需的时隙数目，Q是STA的待发送队列长度，l是单个时隙的长度，v是数据传输速率，A表示理想时隙分配间隔，N表示时隙总数。

步骤2：据时隙数目和理想的相邻时隙间隔求取下一跳AP的空闲时隙S，并在S中指定k个时隙M分配给STA；

其中，S＝{S₁,S₂,...,S_m}，M＝{M₁,M₂,...,M_k}，分配给STA的相邻时隙之间时隙间隔序列为D＝{D₁,D₂,...,D_k}。

步骤3：根据时隙间隔序列和理想时隙间隔建立最小时延抖动的时隙均匀分配数学模型：

其中，σ为时隙抖动大小，location(M_i)为时隙M_i在整个超帧中的位置，D_i表示时隙分配序列中相邻时隙的时隙间隔，A表示理想时隙分配间隔，M_i表示时隙分配序列中的第i个时隙，S_i表示空闲时隙序列中的第i个时隙，M表示时隙分配序列，S表示空闲时隙序列，k表示STA所需的时隙数目，m表示空闲时隙数目，N表示时隙总数，T表示超帧。

步骤4：将最小时延抖的时隙均匀分配动问题转化成图论中求包含确定边数的不含回路的最短路径问题；即定义一个有向图G＝(V,E)，其中V＝{v₁,v₂,...,v_m}是包含m个节点的节点集合，E＝{e_i,j|i,j∈V}是边的集合。e_i,j表示节点i到节点j的有向边，有向边的权重w(e_i,j)表示为：

根据有向图G＝(V,E)构造矩阵Π⁽¹⁾，再逐步推进计算矩阵Π⁽²⁾、Π⁽³⁾、…、Π(^k)，此时即可得出确定边数的不含回路的最短路径环，找出该路径环中所经过的节点即为最优时隙分配序列；

其中，e_i,j表示节点i到节点j的有向边，location(j)表示时隙j在超帧中的位置，A表示理想时隙分配间隔，N表示时隙总数。

步骤5：目标AP将时隙分配信息写入到信标帧，通过信标帧发送给STA。优选的，一个超帧内共有16个时隙，其中有m＝5个空闲时隙{3,5,9,12,13}，假设需要分配k＝4个时隙给STA。根据5个空闲时隙定义有向图G＝(V,E)的五个节点，节点3、5、9、13、15分别对应节点v₁、v₂、v₃、v₄、v₅，此时理想时隙间隔A＝N/k＝16/4＝4；由于每条边的权重的公式已知，则有，根据有向图G＝(V,E)构造矩阵Π⁽¹⁾，可得：

再逐步计算矩阵Π⁽²⁾、Π⁽³⁾和Π⁽⁴⁾：

由矩阵Π⁽⁴⁾得知，分别从节点v₁和v₂开始出发形成的环的最短路径均为2，都为包含4跳的最短路径环。以从节点v₂出发的环为例，查看矩阵元素

再查看矩阵元素

最后查看矩阵元素

因此从节点v₂出发所形成的的环为{v₂,v₃,v₄,v₅,v₂}，其经过的路径权重和为w_2,3+w_3,4+w_4,5+w_5,2＝0+0+1+1＝2。从节点v₁出发所形成的环榆次类似，为最后可得出最优时隙分配序列为{v₁,v₂,v₃,v₅,v₁}、{v₁,v₂,v₃,v₄,v₁}、{v₁,v₃,v₄,v₅,v₁}，权重和也为2，综合起来，最优时隙分配序列有4个，分别为{3,5,9,13}、{3,5,9,15}、{3,9,13,15}、{5,9,13,15}，根据空闲时隙的序号最终将时隙序列{3,5,9,13}分配给STA。AP2将时隙分配序列写入到信标帧中，通过信标帧发送给STA。

同时SDN控制器通知AP1在发送给STA的信标帧中添加信道切换通告字段，STA接收到含有信道切换通告字段的信标帧后，就会根据里面的信息进行信道切换，将自身的信道切换至AP2所处的信道，完成切换，切换完成后通过预先分配好的时隙进行数据传输，同时，SDN控制器会通知原始AP删除STA的虚拟AP记录，并释放原来STA所占用的时隙。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法，其特征在于，所述方法包括：

构建混合多步Markov预测模型，SDN控制器通过该预测模型计算STA在AP之间的转移概率，通过转移概率确定下一个切换目标AP；实时监测当前AP与目标AP的信号强度值，并根据切换触发条件判断是否进行切换；若进行切换，将STA对应的虚拟AP转移到目标AP，若不进行切换，则继续保持当前的连接，并继续监测信号强度值；

求出最优的时隙分配序列的过程包括：

步骤4：定义一个有向图G＝(V,E)，根据G构造矩阵∏⁽¹⁾，再逐步推进计算矩阵∏⁽²⁾、∏⁽³⁾、…、∏^(k)，确定边数的不含回路的最短路径环，并找出该路径环中所经过的节点即为最优时隙分配序列；

步骤5：目标AP将时隙分配信息写入到信标帧，通过信标帧发送给STA；

其中，STA表示移动设备，SDN表示软件定义网络，AP表示无线接入点，Markov表示马尔可夫，V表示节点集合，E表示边的集合。

2.根据权利要求1所述的一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法，其特征在于，STA在连接AP时，AP根据STA的MAC地址查询该STA是否有对应的虚拟AP，若没有，则通知SDN控制器，SDN控制器为该STA创建一个虚拟AP，这个虚拟AP保存有STA的会话状态信息和安全认证信息；

其中，MAC表示移动设备的物理地址。

3.根据权利要求1所述的一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法，其特征在于，所述构建混合多步Markov预测模型的过程包括：

p{X_k+1＝a_k+1|X_k＝a_k,X_k-1＝a_k-1,...,X₁＝a₁}＝p{X_k+1＝a_k+1|X_k＝a_k}

二阶Markov模型为：

p{X_k+1＝a_k+1|X_k＝a_k,X_k-1＝a_k-1,...,X₁＝a₁}＝p{X_k+1＝a_k+1|X_k＝a_k,X_k-1＝a_k-1}

综合一阶模型和二阶模型建立混合多步Markov预测模型：

4.根据权利要求1所述的一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法，其特征在于，所述计算STA在AP之间的转移概率的过程包括：

X_p＝arg Max{p{X_k+1|C}}

其中，p_ij表示STA从AP_i切换到AP_j的概率，N_ij表示STA历史数据中从AP_i切换到AP_j次数，X_p表示预测结果，C表示当前状态，p{X_k+1|C}表示从当前状态转移到X_k+1状态的转移概率。

5.根据权利要求1所述的一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法，其特征在于，所述进行切换的过程包括：

步骤3：通过信号强度值计算STA与AP的距离；

步骤4：根据STA与AP距离变化量求STA的运动趋势；

6.根据权利要求5所述的一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法，其特征在于，所述切换条件包括：

7.根据权利要求1所述的一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法，其特征在于，所述时隙均匀分配数学模型为：

其中，σ为时隙抖动大小，location(M_i)为时隙M_i在整个超帧中的位置，D_i表示分配序列中的相邻时隙间隔，A表示理想时隙分配间隔，M_i表示第i个分配时隙，S_i表示第i个空闲时隙，M表示时隙分配序列，S表示空闲时隙序列，k表示STA所需的时隙数目，m表示空闲时隙数目，N表示时隙总数，T表示超帧。

8.根据权利要求1所述的一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法，其特征在于，所述完成切换的过程包括：SDN控制器向STA当前连接的AP下发命令，通知当前AP在发送给STA的信标帧中添加信道切换通告字段，STA在接收到含有信道切换通告字段的信标帧后，按照信道切换通告中的信息切换信道，切换完成后，STA通过预先分配好的时隙与目标AP进行通信。

9.根据权利要求1所述的一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法，其特征在于，STA切换至目标AP后，SDN控制器通知原始AP删除其存储的STA的虚拟AP记录，AP在删除虚拟AP的同时也会将原来STA占用的时隙进行释放，保证时隙的利用率。