CN112533265A

CN112533265A - 基于无线测距的多网关无线信道及网络路由快速切换方法

Info

Publication number: CN112533265A
Application number: CN202011427438.XA
Authority: CN
Inventors: 杨少波; 汪姣妍; 戚克明; 李佳伦; 孙小健; 孙伟芳; 彭辉; 田义举; 付丽颖
Original assignee: Shandong Gold Mining Laizhou Co Ltd Sanshandao Gold Mine
Current assignee: Shandong Gold Mining Laizhou Co Ltd Sanshandao Gold Mine
Priority date: 2020-12-09
Filing date: 2020-12-09
Publication date: 2021-03-19
Anticipated expiration: 2040-12-09
Also published as: CN112533265B

Abstract

本发明公开了一种基于无线测距的多网关无线信道及网络路由快速切换方法，利用UWB技术进行无线测距和信令的传送，采用距离优先策略，结合信号强度，综合判断选择最优的目标网关基站来接入；并采用接力切换和软切换方式方式，当发现具备切换条件时，提前做好准备，当移动节点与目标网关基站建立稳定通信后，才断开与原网关的联系，从而保证了网关切换的连续性和可靠性，以及通讯信号的强度。

Description

基于无线测距的多网关无线信道及网络路由快速切换方法

技术领域

本发明涉及一种无线通讯切换方法。

背景技术

矿山地下巷道有平巷也有斜巷、直巷和弯道，同时存在空间狭窄和直视性差问题，严重影响了无线信号的传输，不适宜大功率网关基站的广域覆盖，只能通过分布式安装一定数量的无线网络基站达到全面无缝覆盖的目的。

当前矿山井下用于移动设备无线通讯的方式大多采用wifi等移动宽带传输方式，这些传输方式采用IEEE 802.11标准，适用于短距离固定无线节点的无线接入场景。如果应用于大范围的移动场景，经常会采用无线中继或多AP接入。无线中继虽然组网灵活方便，但是在多级级联时，通信延时和有效带宽会受到显著的影响，在需要快速响应的场景下，通信的延时和带宽常常无法满足要求。而多AP接入时，移动节点需要在多个无线网关基站之间切换时，由于移动节点在两个无线网关切换时的释放和接入的安全认证和关联时间、IP路由的重生成等原因，会出现无线网关基站与移动节点的通讯中断或数据丢包等问题。同时，现有的切换方法不能把握最佳时机，造成移动节点不能适时接入服务质量最佳的网关基站，信号强度差，传输速率下降。另一方面，还存在因为外界干扰无线信号强度突变引起的移动节点在两个基站之间频繁切换现象，无法满足工业自动控制对数据传输实时性和可靠性的要求。

发明内容

本发明提出了一种基于无线测距的多网关无线信道及网络路由快速切换方法，其目的是：（1）避免出现通讯中断的问题，保证无线连接的连续性和可靠性；（2）通过无线精准测距，适时选择信号较佳的基站进行连接，保证信号强度和传输质量；（3）减少信号干扰的影响。

本发明技术方案如下：

一种基于无线测距的多网关无线信道及网络路由快速切换方法，步骤为：

步骤1、各网关基站通过交换机连接服务器；配置各网关基站和移动节点：选择两个信道用于通讯，每组位置相邻的两个网关基站在与移动节点通讯时所用的信道互不相同；

步骤2、移动节点与其中一个网关基站建立通讯连接后，将该网关基站作为当前网关基站，将当前所用信道作为工作信道；

步骤3、当移动节点进入另一网关基站的覆盖范围后，通过UWB方式分别与当前网关基站及另一网关基站进行无线测距；

步骤4、如果移动节点与另一网关基站之间的距离小于与当前网关基站之间的距离，或者移动节点已不在当前网关基站的覆盖范围内，则将该另一网关基站作为目标网关基站进行切换。

作为本方法的进一步改进：步骤4中进行切换的具体步骤为：

步骤4.1、移动节点通过UWB方式向目标网关基站发送接入请求；

步骤4.2、目标网关基站收到请求后，主动关联接入移动节点中与目标网关基站所对应的信道，并告知当前网关基站以及服务器接管该移动节点的请求；

步骤4.3、目标网关基站得到当前网关基站以及服务器的应答后，通过UWB方式向移动节点无线发送传输许可应答；

步骤4.4、移动节点通过目标网关基站所对应的信道与目标网关基站建立无线链路；

步骤4.5、目标网关基站向移动节点发送切换命令，移动节点与目标网关基站建立上行同步；

步骤4.6、移动节点与目标网关基站建立信令连接；

步骤4.7、目标网关基站将该移动节点的IP和已接通状态信息发送给当前网关基站和交换机；

步骤4.8、当前网关基站释放与移动节点间的无线链路；移动节点删除与当前网关基站的连接，将目标网关基站所对应的信道作为新的工作信道，将目标网关基站作为新的当前网关基站，切换完成。

作为本方法的进一步改进：步骤4.2中，采用统一认证的方式主动关联接入移动节点中与目标网关基站所对应的信道。

作为本方法的进一步改进：步骤4.4中，移动节点通过目标网关基站所对应的信道与目标网关基站建立无线链路后，移动节点的数据依然通过当前网关基站传送；直至步骤4.8切换完成后，数据转由新的当前网关基站传送。

作为本方法的进一步改进：在切换过程中，如果移动节点传送的是不可丢失的数据，则上传的数据必须得到当前网关基站的确认应答，否则通过当前的工作信道重新发送；如果当前网关基站下发的是不可丢失的数据，则下发后必须得到移动节点的确认应答，否则当前网关基站将数据发送至目标网关基站再下发到移动节点。

作为本方法的进一步改进：步骤3中，移动节点选择位于自身移动方向上且最近的网关基站进行测距。

作为本方法的进一步改进：步骤1中所选择的两个信道是两个相互不重合的信道。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：（1）本发明利用UWB技术进行无线测距和信令的传送，将定位与通信合二为一，在完成数据通信的同时完成移动目标的测距和定位，并采用距离优先策略，结合信号强度，综合判断选择最优的目标网关基站进行接入，保证了切换的可靠性和无线传输适时选择信号强度最佳的基站；（2）采用接力切换方式，根据距离和信号强度来判断是否需要切换，当发现具备切换条件时，提前做好准备，解决了多网关无线通讯在移动节点与网关基站之间由于重新认证和关联接入时间长造成的信号传输中断的问题，实现了快速、可靠、高效的切换，保证了数据传输的连续性，节省了信道资源，简化了信令，尤其适用于不同信道之间的切换；（3）采用软切换技术，切换时移动节点与原网关基站和新网关基站都保持通信链路，当移动节点与目标网关基站建立稳定通信后，才断开与原网关的联系，提高了数据传输的连续性和可靠性；（4）选择两个不重合的信道进行连接，相邻的基站所用信道互不相同，从而避免了信号互扰；（5）通讯过程中，能够兼容移动节点的定位，还可以兼容常规协议方式的通讯模式，无法进行定位和测距时，依然可以根据信号强度实现基站的触发切换。

附图说明

图1为实施例的布局示意图；

图2为移动节点及网关基站的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案：

本技术方法在IEEE 802.11协议族的、以信号服务质量为依据的切换算法和准则进行网关基站的切换判断的基础上，增加了基于无线移动节点和无线网关基站的无线精确测距手段，与信号服务质量监测方式相结合，实现无线节点在两个无线网关基站间的适时软切换。

本方法所采用的超宽带UWB（Ultra Wide Band）技术是一种无线载波通信技术，它利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，其所占的频谱范围很宽。具有数据传输速率快（可达300M/S）、定位精度高（可达10厘米）、系统复杂度低、发射信号功率谱密度低、对信道衰落不敏感等优点。采用UWB技术将定位与通信合二为一，特别适用于室内、隧道以及地下无GPS常规定位信号等密集多径场所的高速无线接入和移动目标的高精度定位场景。

本方法采用飞行时间测距法（TOF）和到达时间差法（TDOA）的多点测距定位方式，即通过待定位移动节点与多个已知固定网关基站坐标点的相对位置坐标关系进行测距定位。UWB技术具有超高的时间分辨率，UWB准确地获得待定位移动节点与固定网关基站无线信号的到达时间和角度信息，信号飞行的速度是光速（固定值），乘以飞行时间就计算出待定位移动节点和网关基站的距离，结合角度信息利用三角定位等几何定位方法求得待定位移动节点的距离位置信息。

具体的：

根据现场地理条件和电磁环境状况，沿巷道壁间隔相应的距离分布安装多个网关基站（如图1中的第一网关基站1、第二网关基站2、第三网关基站3…），确保业务数据无线传输信号能够连续交叉覆盖且信号强度满足无线传输质量要求。

如图2，所述网关基站和移动节点4均包括：有线网络接口101、信号控制模块102、UWB通讯模块103、第一信道通讯模块104和第二信道通讯模块105。

网关基站的UWB通讯模块103和移动节点4的UWB通讯模块103相互通讯，用于传输控制信令，并实现精确测距。

网关基站和移动节点4之间，还能通过各自的第一信道通讯模块104进行通讯，或者通过各自的第二信道通讯模块105进行通讯。

两个信道的选择：每个网关基站及移动节点4有多个可供配置的无线信道，如WIFI信号的信道有两部分：其中2.4G频段有13个左右交叠的信道，其中能找出3个相互不重合的信道，最常用的就是1、6、11这三个；第二部分是5.8GHz频段，这个频段目前按照中国法律一共可以使用12个20mHz宽的信道，而且12个信道是相互不干扰的。可从上述信道中选择两个无邻频干扰的信道，作为全部网关基站的可选工作信道，并且确保相邻的二个网关基站信道不同，以防止邻频干扰。

信号控制模块102用于控制有线网络接口101选择与第一信道通讯模块104或第二信道通讯模块105进行通讯，还用于读取UWB通讯模块103测出的网关基站到移动节点4的直线距离，也可同时检测各通信信道的信号强度。

网关基站的有线网络接口101可通过工业网络与上层交换机和核心服务器机等相连接，在交换机的管理下完成各网关基站的数据路由及移动节点4与整个网络有线和无线设备的数据传输功能。移动节点4上的有线网络接口101则用于与移动装置上的装置设备连接，从而将装置设备连入网络。

如图1，工作过程如下所述：移动节点4在没有与任何网关基站无线连接前，移动节点4的信号控制模块102定时切换，对两个信道的无线信号进行不断扫描。

当移动节点4首次进入任一网关基站的无线覆盖范围时，如图1中的第一网关基站1，会发现第一网关基站1所使用的第二信道的信号，则会以常规方式尝试认证和关联接入该第二信道，成功接入后则锁定该第二信道做为工作信道，然后启动UWB通讯模块103尝试与第一网关基站1的UWB通讯模块103交换信道控制数据。第一网关基站1完成移动节点4的IP路由，将移动节点4加入整个网络。至此，移动节点4可与网络中的全部有线节点和移动节点4进行网络通讯。

无线测距有不连续和交叉二种情形。不连续的情形是指：相邻的两个网关基站的覆盖范围之间存在空隙。交叉情形是指：相邻的两个网关基站的覆盖范围之间存在交叉区域。

当移动接点进入第一网关基站1的覆盖区域而未进入第二网关基站2的覆盖区域时，移动节点4会将信道保持的信令不断发送给第一网关基站1，移动节点4仍保持已接入的第二信道。

当移动节点4远离第一网关基站1向第二网关基站2移动时，如果移动节点4进入第二网关基站2的覆盖范围而远离第一网关基站1的无线覆盖范围（覆盖范围的确定与信号强度相关），或者进入了第一网关基站1和第二网关基站2的交叉覆盖范围内，会触发切换。此时，移动节点4的UWB通讯模块103对两个网关基站进行无线测距，如果离第二网关基站2的距离小于离第一网关基站1的距离或移动节点4已不在第一网关基站1测距范围而不能与第一网关基站1完成测距，那么移动节点4会通过UWB方式向第二网关基站2发送将要接入第二网关基站2的请求。第二网关基站2接收到移动节点4的请求后，采用统一认证的方式主动关联接入移动节点4的第一信道，并告知第一网关基站1和核心服务器将接管此移动节点4的请求，得到应答后再通过UWB方式向移动节点4发送传输许可应答。移动节点4对两个信道按时分模式轮询工作一个周期，移动节点4的第一信道与第二网关基站2的第一信道关联接入成功后，增加无线链路并保持接通状态，但此时的数据仍然由第一网关基站1的第二信道传送。接下来第二网关基站2向移动节点4发送切换命令，移动节点4与第二网关基站2建立上行同步。然后移动节点4在与第一网关基站1保持信令和业务连接的同时，与第二网关基站2建立信令连接。之后，第二网关基站2通过有线接口将该移动节点4的IP和已接通状态发消息给第一网关基站1和核心交换机，当移动节点4与第二网关基站2信令建立之后，移动节点4删除与第一网关基站1的业务连接。第一网关基站1接收到第二网关基站2已接管移动接点的信令，将其对应的无线链路释放。这样移动节点4的无线信道将从第一网关基站1的第二信道接力软切换至第二网关基站2的第一信道。

移动节点4从一个网关基站释放并切换接入下一网关基站时，移动节点4使用路由管理信令将其路由表通过网关基站发送给核心交换机。

移动节点4在全部网关基站信号覆盖范围移动，不论从当前的第二网关基站2向第一网关基站1还是从当前的第二网关基站2再向第三网关基站3进行接力软切换，过程如上同理。

接力切换是在知道移动节点4精确位置的情况下进行切换测量，所以它没有必要对所有邻基站进行测量，只需与那些在移动节点4的移动方向上、靠近移动节点4一侧的网关基站进行测量，然后根据上述给定的切换算法和准则选择合适的目标基站进行切换，就可以实现高质量的跨网关切换，保证移动节点4得到最好的通信质量。

在移动节点4无法通过UWB测距进行有效的切换判断时，网关基站会根据常规给定的切换算法和准则选择目标基站进行切换。

本方法还针对关键控制数据定义了应答确认协议机制，保证了数据的高质量高可靠性传输。在第一网关基站1切换至第二网关基站2期间的数据包，如果是不可丢失的必须送达的控制数据，移动节点4上传的数据必须得到第一网关基站1的数据收到确认应答，否则会根据当前使用的工作信道重新发送；第一网关基站1下发的必须送达的控制数据在没有收到移动节点4的数据收到确认应答时，会将该数据重新打包转发至新接管移动节点4的第二网关基站2重新下发至移动节点4，确保控制数据可靠送达。

本方法不仅适用于地下巷道单基站无线信号无法广域覆盖的移动节点4需要跨网关通讯的场景，而且适用于地上的隧道等类似场景；其也不仅适用于wifi无线通讯，而且适用于其它无线通讯。

Claims

1.一种基于无线测距的多网关无线信道及网络路由快速切换方法，其特征在于步骤为：

2.如权利要求1所述的基于无线测距的多网关无线信道及网络路由快速切换方法，其特征在于：步骤4中进行切换的具体步骤为：

步骤4.6、移动节点与目标网关基站建立信令连接；

3.如权利要求2所述的基于无线测距的多网关无线信道及网络路由快速切换方法，其特征在于：步骤4.2中，采用统一认证的方式主动关联接入移动节点中与目标网关基站所对应的信道。

4.如权利要求2所述的基于无线测距的多网关无线信道及网络路由快速切换方法，其特征在于：步骤4.4中，移动节点通过目标网关基站所对应的信道与目标网关基站建立无线链路后，移动节点的数据依然通过当前网关基站传送；直至步骤4.8切换完成后，数据转由新的当前网关基站传送。

5.如权利要求4所述的基于无线测距的多网关无线信道及网络路由快速切换方法，其特征在于：在切换过程中，如果移动节点传送的是不可丢失的数据，则上传的数据必须得到当前网关基站的确认应答，否则通过当前的工作信道重新发送；如果当前网关基站下发的是不可丢失的数据，则下发后必须得到移动节点的确认应答，否则当前网关基站将数据发送至目标网关基站再下发到移动节点。

6.如权利要求4所述的基于无线测距的多网关无线信道及网络路由快速切换方法，其特征在于：步骤3中，移动节点选择位于自身移动方向上且最近的网关基站进行测距。

7.如权利要求1至6任一所述的基于无线测距的多网关无线信道及网络路由快速切换方法，其特征在于：步骤1中所选择的两个信道是两个相互不重合的信道。