CN116528311A - 一种基于动态双阈值的无线通信网络垂直切换方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于动态双阈值的无线通信网络垂直切换方法和系统。该方法包括：获取一定时间段内主网络的接收信号强度值，计算接收信号强度的平均值，将该平均值作为主网络的网络评价值；根据主网络的网络评价值和设定的稳定阈值对主网络的稳定性进行判断，当判断主网络不稳定后，确定所述高阈值和低阈值的移动步长，根据移动步长对高阈值和低阈值进行调整；获取主网络当前的接收信号强度值，将主网络当前的接收信号强度值与调整后的高阈值和低阈值进行比较，根据比较结果和切换策略对主网络和备用网络中接入的设备进行垂直网络切换。

Description

一种基于动态双阈值的无线通信网络垂直切换方法和系统
技术领域
本发明涉及网络切换技术领域，尤其涉及一种基于动态双阈值的无线通信网络垂直切换方法和系统。
背景技术
随着手机、平板等智能设备的普及以及互联网业务类型的增加，单一网络已无法同时使得各个业务的服务质量同时达到最优，因此多种网络相互协作成为了无线网络发展的必然趋势。在复杂的网络环境下，运行商可以结合业务类型、实际应用的场景为用户选择合适的网络，来尽可能地提高用户的体验质量，所以网络的切换对于下一代网无线网络的发展具有重要意义。
网络切换的流程有三步，分别是网络发现、切换决策和切换执行。
网络发现是切换之前的准备阶段，移动终端检测从可用网络的上层(传输层、应用层)收集一些特征参数，如信号强度、干扰水平和误码率。还包括其他的一些信息，例如用户的速度、终端的性能以及电池的电量等。网络发现有两种途径：一是通过终端设备的接口，现在的终端往往配备多个不同的网络接口，无线网络会向相应的端口广播其信息，但由于接口接受信息会消耗终端的电量，因此接口可以定期扫描或在切换触发的时候工作；第二种是通过位置服务器保存不同区域的网络信息，当终端移动到此区域时，服务器会提供有关网络的各种信息，这种方式效率低、实时性差且网络信息的存储会占用大量系统资源。
在网络切换过程中，切换决策是影响正常通信的最重要步骤。不当的决策会降低服务质量，甚至中断正在进行的通信。在该过程中会对当前连接的网络进行实时的监控，评估是否需要网络的切换以及选择新的网络。
切换执行阶段，移动终端遵循决策阶段中提供的指令改变信道，接入新的接入点或基站。此阶段分为三个步骤：连接到目标网络、释放当前通道、进行身份验证和授权。以上三个阶段完成以后，用户的报文信息便会路由到新的网络，至此便完成了网络切换。
网络切换的控制方式可分为网络控制的切换(Network controlled handoff，NCHO)，移动用户控制的切换(Mobile controlled handoff，MCHO)以及移动用户辅助的切换(Mobile assisted handoff，MAHO)，在NCHO中切换仅由网络侧决定，用户首先发起切换请求，网络中心会检查用户周围可用网络的质量，并将切换目标返回给用户，此种控制方式的好处是网络侧可以实时地监控网络的负载状态，使流量均匀分布在各个网络上，增大吞吐量，避免了网络拥塞，但由于其无法得知用户的业务类型及偏好，导致无法选择最优网络，因此NCHO方式一般用于水平切换；MCHO是一种完全由用户决定网络切换的方式，用户对周围的网络进行搜索，并测量其网络参数，结合用户自身喜好使用合适的接入算法来选择最佳网络；在MAHO中，网络侧会要求用户测量周围网络的参数，并将用户偏好等个人信息一起上传到网络端，由网络侧根据相应的算法综合决策选择最佳网络进行接入。
在现有技术中的一种网络切换方法、装置、计算机可读存储介质及系统中，提出了一种基于网络优先级的网络自动切换方法，在该方法中，事先对已登记的光纤网络进行分级，在切换开始时，将目标光纤网络与当前终端应用网络进行优先级对比，若目标网络优先级大于当前网络优先级，继续检测目标光纤网络的网络信号强度，并与当前终端应用网络的网络信号的信号强度进行对比，若目标光纤网络的信号强度大于当前终端应用网络的信号强度，则切换至目标网络。
上述现有技术中的网络切换方法、装置、计算机可读存储介质及系统的的缺点包括：当接收信号强度在切换阈值附近抖动时，终端将会在两个网络之间来回切换，产生许多不必要的切换，造成系统性能的下降和资源的浪费，针对此问题本发明提出一种切换方案来消除乒乓效应。
现有的网络切换方法的计算过程主要是在网络侧实施，移动用户终端只参与相关信息的上报，并不进行计算，因此通信网络侧的切换开销很大程度上决定的切换性能的好坏。
发明内容
本发明提供了一种基于动态双阈值的无线通信网络垂直切换方法和系统，以提高网络设备的网络切换效率。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于动态双阈值的无线通信网络垂直切换方法，确定无线通信网络的主网络和备用网络，设置无线通信网络的接收信号强度的高阈值和低阈值，所述方法包括：
获取一定时间段内主网络的接收信号强度值，计算接收信号强度的平均值，将该平均值作为主网络的网络评价值；
根据所述主网络的网络评价值和设定的稳定阈值对所述主网络的稳定性进行判断，当判断所述主网络不稳定后，确定所述高阈值和低阈值的移动步长，根据所述移动步长对所述高阈值和低阈值进行调整；
获取主网络当前的接收信号强度值，将所述主网络当前的接收信号强度值与调整后的高阈值和低阈值进行比较，根据比较结果和切换策略对所述主网络和备用网络中接入的设备进行垂直网络切换。
优选地，所述的获取一定时间段内主网络的接收信号强度值，计算接收信号强度的平均值，将该平均值作为主网络的网络评价值，包括：
采集一定时间段内主网络的接收信号强度的监测值，将监测值存储在一个采样窗口中，RSS＝(RSS1，RSS2，RSS3，…，RSSN)，RSS为监测值序列，RSSN为第N个监测值，N为窗口的大小，每当采样窗口中的监测值数量达到N时，计算该采样窗口内的主网络的监测值的平均值RSSavg，将该平均值RSSavg作为该采样窗口内的主网络的网络评价值；
优选地，所述的根据所述主网络的网络评价值和设定的稳定阈值对所述主网络的稳定性进行判断，包括：
使用St来判断所述主网络的接收信号强度的偏离程度，定义如下：
定义稳定阈值Stth，
其中TH为高阈值，TL为低阈值；
当St<Stth时，则判断所述主网络的当前网络环境是稳定的；反之，则判断所述主网络的当前网络环境不稳定。
优选地，所述的当判断所述主网络不稳定后，确定所述高阈值和低阈值的移动步长，根据所述移动步长对所述高阈值和低阈值进行调整，包括：
当判断所述主网络不稳定后，设定所述高阈值和低阈值的移动步长L如下：
L＝k*(1-e-St)
其中k为调节因子，L∈(0，k)，k的定义如下：
将所述高阈值和所述低阈值加上移动步长L后，得到调整后的高阈值和低阈值。
优选地，所述的当判断所述主网络不稳定后，确定所述高阈值和低阈值的移动步长，根据所述移动步长对所述高阈值和低阈值进行调整，还包括：
定义中阈值Tmid，计算公式如下：
如果RSSavg在Tmid和TH之间，则降低高阈值；如果RSSavg在TL和Tmid之间，则增加低阈值，具体的调整规则如下：
优选地，所述的获取主网络当前的接收信号强度值，将所述主网络当前的接收信号强度值与调整后的高阈值和低阈值进行比较，根据比较结果和切换策略对所述主网络和备用网络中接入的设备进行垂直网络切换，包括：
获取主网络当前的接收信号强度值，计算当前接收信号强度的平均值，将该平均值作为主网络当前的网络评价值；
若主网络当前的网络评价值大于调整后的高阈值，且当前设备接入的网络是备用网络，则切换至主网络；
若主网络当前的网络评价值小于调整后的低阈值，且当前设备接入的网络是主网络，则切换至备用网络。
根据本发明的另一个方面，提供了一种基于动态双阈值的无线通信网络垂直切换系统，包括：树莓派、主网络接入设备和备用网络接入设备，所述树莓派与所述主网络接入设备和备用网络接入设备有线连接，所述树莓派接入主网络和备用网络，所述树莓派使用Raspberry做软件开发平台，使用Geany作为开发环境；
所述树莓派设置无线通信网络的接收信号强度的高阈值和低阈值，获取一定时间段内主网络的接收信号强度值，计算接收信号强度的平均值，将该平均值作为主网络的网络评价值；
所述树莓派根据所述主网络的网络评价值和设定的稳定阈值对所述主网络的稳定性进行判断，当判断所述主网络不稳定后，确定所述高阈值和低阈值的移动步长，根据所述移动步长对所述高阈值和低阈值进行调整；
所述树莓派获取主网络当前的接收信号强度值，将所述主网络当前的接收信号强度值与调整后的高阈值和低阈值进行比较，根据比较结果和切换策略对所述主网络和备用网络中接入的设备进行垂直网络切换。
优选地，所述主网络为WiFi网络，所述备用网络为4G或者5G网络，所述树莓派通过NetworkManager工具实现对WiFi网络的管理，改变网络的优先级，实现主网络和备用网络的切换；
所述树莓派检测当前的网络状态，搜索可用的WiFi网络并将其相关信息并显示，用户选择合适的WiFi网络并进行认证后连接，所述树莓派实时地监测该WiFi的信号强度，通过切换算法判断满足切换条件时，系统将自动切换至4G网络，若该WiFi的网络状态恢复，系统将切换回WiFi网络。
优选地，对树莓派环境进行配置，过程如下：
①取消dhcpcd对树莓派无线网卡wlan0的管理；使用root权限打开/etc/dhcpcd.conf配置文件，在其中加入“denyinterfaces wlan0”；
②配置NetworkManager承担网络管理的任务，负责DHCP服务；
配置“dhcp＝internal”，NetworkManager运行其内置的DHCP服务器，树莓派对其他接入网络的客户端提供DHCP服务；[ifupdown]标志着NetworkManager是否管理/etc/network/interfaces中所定义的网络接口，配置“managed＝true”意味着将使用NetworkManager管理wlan0接口；
2)NetworkManager网络发现
NetworkManager网络搜索功能由指令“nmcli dev wifi”实现，当树莓派执行该命令后，树莓派的内置网卡向附近的AP无线接入点发出数据信号来扫描附近的可用网络，AP收到该信号后会回复包含自身信息的数据包，NetworkManager根据用户的设置筛选出可用的WiFi网络。
优选地，所述树莓派通过NetworkManager调用“nmcli dev wifi connect<SSID>password<password>”指令连接指定的WiFi，其中SSID为WiFi的名字，password为WiFi的密码；
通过修改树莓派的路由规则来实现网络的切换，分别获得4G与WiFi的网关IP地址，通过网关IP地址来修改两者的路由优先级，从而实现网络的切换；
在树莓派的Raspbian中，“ip route”命令用于管理网络路由，metric用于设置网络路由优先级的参数，路由器根据目标IP地址和子网掩码来匹配路由表中的路由规则，根据路由规则中的metric值来确定最佳路由，metric表示距离或成本，距离或成本越小，路由优先级就越高，如果有多条路由规则匹配，则选择metric值最小的那条路由。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明方法能很好地适应网络环境的变化，能够在网络环境较稳定时提高网络设备的网络切换的灵敏度。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种双阈值切换原理图；
图2为本发明实施例提供的一种基于动态自适应双阈值的异构无线通信网络垂直切换方法的处理流程图；
图3为本发明实施例提供的一种基于树莓派的4G与Wifi切换系统的总体架构图；
图4为本发明实施例提供的一种基于树莓派的4G与Wifi切换系统的工作流程图；
图5为本发明实施例提供的一种测试信号强度数据集示意图；
图6为本发明实施例提供的一种切换总次数随着仿真时间的累加曲线示意图；
图7为本发明实施例提供的一种乒乓切换次数随着仿真时间的累加曲线示意图；
图8为本发明实施例提供的一种高低阈值的变化示意图；
图9为本发明实施例提供的一种改变阈值后的测试数据曲线示意图；
图10为本发明实施例提供的一种阈值变化曲线示意图；
图11为本发明实施例提供的一种乒乓切换次数与仿真次数示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
双阈值在RSS(Received Signal Strength，接收信号强度)切换算法中的作用是用于判断是否进行切换操作，双阈值切换算法设置两个固定阈值，高阈值用于判断网络质量较好的情况下是否需要切换网络，低阈值用于判断网络质量较差的情况下是否需要切换，在网络当信号剧烈变化时为信号提供了缓冲区域，有效控制了乒乓效应。
为了描述算法，首先定义主网络和备用网络，主网络是用户最常使用的网络，往往具有较高的带宽和较低的价格，如WiFi网络；备用网络在性能上虽然不如主网络，但具有较强的稳定性和较大的覆盖范围，能够在主网络信号质量较差时保证网络连接，如LTE(LongTerm Evolution，长期演进)。
本发明实施例提供的一种双阈值切换原理图如图1所示。系统实时监测主网络的接收信号强度，若网络环境波动较大造成主网络信号强度升高到高阈值时，就需要进行网络切换的决策，如果当前网络不是主网络，则进行切换，否则保持当前网络；当主网络信号强度下降至低阈值时，也需要进行网络切换的决策，若当前网络是主网络，则切换至备用网络，否则保持当前网络。虽然双阈值切换算法可以通过设置不同的高低阈值来灵活的应对不同的网络环境和信号强度波动，从而避免不必要的网络切换。但若高低阈值设置不合理，系统的性能反而会随之降低，当网络条件较好且稳定时，可能由于高低阈值之差过大导致系统无法对应有的切换做出有效的响应；反之，若网络和波动较大，可能由于高低阈值之差过小造成一些不必要的切换。
因此，双阈值的设定需要综合考虑接收信号的波动程度以及双阈值的阈值差。当网络较为稳定或阈值差设置过大时，可以减小高低阈值之差来提高切换的灵敏度，从而使系统更加及时地响应网络的变化，提高系统性能；当接收信号不稳定或高低阈值之差较小时，应该设置较大的阈值差，以避免频繁的切换，减少切换次数对系统性能的影响。
综上所述，阈值的确定需要在稳定性和实时性之间进行权衡。
本发明提出了一种基于动态自适应双阈值的异构无线通信网络垂直切换方法，该方法通过动态地改变阈值来适应信号强度的波动，兼顾稳定性和实时性，该方法的处理流程如图2所示，包括如下的处理步骤：
步骤S10、获取主网络的接收信号强度信息，计算接收信号强度的平均值，将该平均值作为主网络的网络评价值。
信号在传输过程中会受到多种因素的干扰，如多径效应、障碍物等，导致信号强度出现抖动，因此，采集数据后若仅仅使用窗口中的某一个值代表该窗口的信号强度不具有说服力，为了有效抵抗外界因素带来的数据抖动，减少误差以便于后续的分析，本发明使用平均值作为该窗口的网络评价值。
系统会不断地采集主网络信号强度的监测值，并将监测值存储在一个采样窗口中，RSS＝(RSS1，RSS2，RSS3，…，RSSN)，其中N为窗口的大小。每当采样窗口中的监测值数量达到N时，系统会根据当前网络环境对切换的高低阈值进行一次调整。调整后，系统会将之前采集到的所有信号值清零，以便继续采集新的监测值。这样可以使得系统能够实时地根据网络环境对阈值进行调整，以保证网络的稳定性和可靠性，并且不会因为存储过多的历史数据而占用过多的系统资源。
公式中RSSavg代表该窗口的网络评价值。
本发明方法只监测主网络的接收信号强度，因此相比同时监测多个网络，可以大大减少系统的资源消耗；由于主网络往往拥有更好的网络质量和更稳定的连接，因此以主网络的网络质量作为切换标准，可以最大化的发挥主网络的优点，从而使得对网络资源的利用更加高效。另外，系统通过不断监测主网络的信号强度，并根据设定的阈值判断是否需要切换到更好的网络，为用户提供稳定可靠的网络环境，当设备处于信号较弱或不稳定的网络环境时，自动切换到更好的网络，可以大大减少网络中断和数据丢失的问题。
步骤S20、根据主网络的网络评价值对主网络的稳定性进行判断。
稳定性判断是获取在本窗口内信号强度的波动情况，方便对动态阈值进行调整，使用St来判断信号强度的偏离程度，定义如下：
St越大，说明信号强度的波动程度越大，网络环境也就越恶劣，为了更明确地衡量网络的稳定性，定义稳定性的阈值Stth，当St<Stth时，则判断当前网络环境是稳定的，反之，则判断当前网络环境波动较大，不稳定。公式如下：
其中TH为高阈值，TL为低阈值。
步骤S30、当判断当前网络环境是不稳定之后，确定阈值的移动步长，并进行阈值的调整。
移动步长与接收信号强度的稳定性有关，接收信号波动越大，越容易发生乒乓效应，此时需要较大的步长来调整阈值，减少系统的切换次数节省系统资源；反之，若接收信号强度的波动较小，仅在高低阈值附近上下徘徊，只需要较小的步长即可减少切换次数，阈值的移动步长L的定义如下：
L＝k*(1-e-St)
其中k为调节因子，L∈(0，k)，当St过大时，步长的变化幅度远远小于信号的波动程度，此时需要通过调节因子作进一步调整，k的定义如下：
为了更加准确地判断在某些情况下是否要缩小高低阈值之差，增强系统的切换的实时性，定义中阈值Tmid，计算公式如下：
当信号强度长时间稳定在高低阈值之间时，说明此时网络环境较好，为了提高系统切换的实时性，应降低高低阈值之差；相反地，当信号频繁的在阈值范围之外徘徊，应增加高低阈值差保证系统的稳定性，具体的调整规则如下：
Tmid代表的是高低阈值的中间值，它的作用是当网络较为稳定或是阈值的差值设置的过大时，判断当前需要调整的是高阈值还是低阈值，如果RSSavg在Tmid和TH之间，那么系统最有可能发生的是大于高阈值所触发的切换，因此最有效的方法是降低高阈值来提高切换的灵敏性，反之，如果RSSavg在TL和Tmid之间，系统最有可能发生的是低于低阈值所触发的切换，因此最有效的方法是增加低阈值来提高切换的灵敏性。
步骤S40、若主网络的网络评价值大于设定的高阈值，且当前设备接入的网络是备用网络，则切换至主网络。
若主网络的网络评价值小于设定的低阈值，且当前设备接入的网络是主网络，则切换至备用网络。
本发明重点解决的是切换触发时出现的乒乓效应以及切换不灵敏的问题，切换触发的场景第一个是在接入主网络时主网络的网络质量较差，无法支撑正常的通信业务，为了正常通信切换至备用网络；第二个是在接入备用网络时主网络的质量较好，为了获得更好的服务质量以及更低的成本，切换至主网络。其他的场景包括以下几个：
1.主网络的网络评价值大于设定的高阈值，且当前设备接入的网络是主网络，不需要切换；
2.主网络的网络评价值位于高低阈值之间，此时为了防止产生乒乓效应，不进行切换。
3.主网络的网络评价值低于低阈值，说明主网络质量不佳，且当前设备接入的网络是备用网络，不需要切换。
切换系统实现方案
本发明以WiFi作为主网络，以4G作为备用网络，基于树莓派实现了一套4G与WiFi的切换系统，并以RSS为网络切换的指标。
A.相关概念
a.4G上网卡
4G上网卡是一种用于连接4G网络的设备，其原理基本上与普通的移动设备类似，它内置了一张SIM(Subscriber Identity Module，客户身份识别)卡，通过该SIM卡可以连接到移动网络运营商的4G网络。当用户将上网卡插入电脑或其他终端时，4G上网卡会向移动网络运营商发送一个连接请求，经过身份认证后，上网卡就可以连接到4G网络向互联网发送和接收数据。4G上网卡采用LTE技术，可以提供更高的数据传输速率和更稳定的连接，从而让用户可以更快地下载和上传数据；除此之外，4G上网卡还具备了无线局域网共享功能，这意味着用户可以将4G网络连接共享给其他设备，例如手机、平板电脑和笔记本电脑。
b.Wifi无线网卡
本发明使用的树莓派4B内置了双频(2.4G和5G)802.11ac无线网卡，不需要额外的网卡就可以连接无线网络。
c.Rsapbian
本发明使用Raspbian作为软件开发平台，Raspbian基于Debian Linux操作系统，是树莓派基金会专门为树莓派开发和使用而设计的，因此与树莓派的硬件有更好的兼容性，可以更加充分的利用树莓派的各种资源，且Raspbian提供了大量的软件包和库，并提供了非常简单的安装和更新方式。
d.NetworkManager
NetworkManager是一个用于管理网络连接的守护进程，可以在Linux、Unix和其他类Unix系统中使用。它提供了一种简单的方式来管理网络连接，使得用户可以轻松地连接到不同的网络，例如有线、无线、蓝牙、DSL、移动宽带等。
e.Geany
Geany是一款轻量级的集成开发环境(IDE)，它可以在Linux、Windows和Mac OS等操作系统中使用。Geany提供了许多基本的开发工具，包括代码编辑器、编译器、调试器和文件管理器等，支持多种开发语言，例如C、C++、Java、Python等。在树莓派上，Geany可以用于编写和管理各种项目和应用程序，因此本发明将树莓派作为软件开发环境，C语言作为开发语言。
B.实现过程
图3为本发明实施例提供的一种基于树莓派的4G与Wifi切换系统的总体架构图，整个切换系统的硬件包括树莓派、4G上网卡和Wifi无线网卡，树莓派是整个切换系统的控制中心，使用Raspberry做软件开发平台，Geany作为开发环境，4G上网卡通过USB接口与树莓派相连，负责使树莓派接入4G网络，WiFi无线网卡为树莓派内置网卡，负责使树莓派接入WiFi网络。
整个系统包括网络发现、切换算法和切换执行三个部分，树莓派可以通过连接网卡实时收集网络的信息，根据收集到的信息，切换算法可以在恰当的时机做出合适的切换决策，最后进行切换的执行。
图4为本发明实施例提供的一种基于树莓派的4G与Wifi切换系统的工作流程图，具体处理过程包括：树莓派开始运行系统程序后，系统会检测当前的网络状态，搜索可用的WiFi网络并将其相关信息并显示，用户选择合适的WiFi网络并进行认证后连接，此时系统会实时的监测该WiFi的信号强度，通过切换算法判断满足切换条件时，系统将自动切换至4G网络，若该WiFi的网络状态恢复，为了节省流量费用，系统将切换回WiFi网络。
a.网络信息获取
该部分的实现步骤包括WiFi扫描、网络筛选和信息提取，主要功能是获取包括可用的WiFi列表、WiFi的信号强度等信息，为了保证可用WiFi的性能，本发明筛选出信号强度最好的十二个WiFi网络加入列表供用户选择，用户可以选择任意的网络进行连接，最后将网络相关信息进行提取以供后续的切换使用。
1)环境设置
本发明借助NetworkManager工具对树莓派的无线网卡进行管理，若直接使用NetworkManager工具对WiFi网络进行管理会出现错误，这是因为树莓派的Raspbian版本中默认开启了“dhcpcd”服务，dhcpcd组作为一种网络管理工具，来向服务器进行请求IP地址等网络配置操作，而NetworkManager工具则使用了“dhclient”作为其DHCP客户端工具，两种工具都可以完成DHCP协议中相应的要求，但若两者同时存在会造成冲突，因此，需要先对树莓派环境进行配置，过程如下：
①取消dhcpcd对树莓派无线网卡wlan0的管理。
首先使用root权限打开/etc/dhcpcd.conf配置文件，在其中加入“denyinterfaces wlan0”，作用是防止wlan0接口通过dhcpcd进行DHCP相关的网络配置操作。
②配置NetworkManager承担网络管理的任务，并负责DHCP服务。
配置“dhcp＝internal”，NetworkManager便会运行其内置的DHCP服务器，树莓派可以对其他接入网络的客户端提供DHCP服务；[ifupdown]标志着NetworkManager是否管理/etc/network/interfaces中所定义的网络接口，配置“managed＝true”意味着将使用NetworkManager管理wlan0接口。
3)NetworkManager网络发现
NetworkManager网络搜索功能由指令“nmcli dev wifi”实现，当树莓派执行该命令后，树莓派的内置网卡会向附近的AP(Access point，无线接入点)发出数据信号来扫描附近的可用网络，数据中包含自身设备的相关信息，AP收到该信号后会回复包含自身信息的数据包。然后NetworkManager会根据用户的设置筛选出可用的WiFi网络，这些网络不包括用户主动禁用的网络和不符合用户安全性设置的网络，例如，如果用户设置了只连接WPA2加密的网络，NetworkManager就只会连接WPA2加密的网络。最后得到的WiFi列表中包含SSID(网络名称)、MODE(网络类型)、RATE(最大传输速率)、SIGNAL(信号强度)、SECURITY(安全加密方式)等信息，其中信号质量是一个介于0和100之间的数字，用百分比表示信号的可靠程度，计算公式如下：
其中RSS是在接收器的1m处测量到的无线电信号强度，RSSmax和RSSmin分别表示在接收器的1m处接收到的最大和最小信号强度。
3)网络信息的提取
由于WiFi的列表仅仅显示在终端中，而无法直接使用，因此本发明将WiFi列表输出到INI文件中，对INI文件进行解析。INI文件具有易读、易写、易扩展等特点，因此被广泛应用于各种类型的软件和系统中。
INI文件的解析就是将空格之外的可用信息用算法以字符串的形式提取到数组当中。
4)网络连接
NetworkManager工具连接WiFi极为方便，只需要调用“nmcli dev wifi connect<SSID>password<password>”指令即可连接指定的WiFi，其中SSID为WiFi的名字，password为WiFi的密码。
b.网络切换算法
切换算法为第(1)节中所描述自适应双阈值算法。
c.网络切换执行
本发明是通过修改树莓派的路由规则来实现网络的切换，首先分别获得4G与WiFi的网关IP地址，通过网关IP地址来修改两者的路由优先级从而实现网络的切换。
1)获取网关的IP地址
通过“route-n”指令即可获得树莓派当前系统中的网络路由表信息，包括目标网络或主机的IP地址或网络地址、目标网络或主机的网关IP地址、路由标志、路由优先级等。
2)修改路由优先级
在树莓派的Raspbian中，“ip route”命令用于管理网络路由，其中，metric是一个用于设置网络路由优先级的参数，路由器会根据目标IP地址和子网掩码来匹配路由表中的路由规则，然后根据路由规则中的metric值来确定最佳路由，metric的值通常是一个正整数，表示距离或成本，距离或成本越小，路由优先级就越高，如果有多条路由规则匹配，则选择metric值最小的那条路由，利用此原理，本发明通过修改网络的路由优先级来实现切换。
方案测试，算法仿真测试
1)缓解乒乓效应性能验证
为了更加准确地测试上述算法的性能，本发明使用Matlab仿真平台使用真实数据集对算法进行了仿真，并与基于固定阈值的垂直切换算法进行对比。
用WiFi作为之网络，4G作为备用网络，用终端在WiFi网络边缘随机移动时测得的真实数据集作为实验数据，参数设置如表1所示，本发明实施例提供的一种测试信号强度数据集如图5所示。
表1实验参数设置
TH -79dbm
TL -81dbm
N 25
选取了固定阈值的双阈值算法作为对比算法来验证本算法的性能，本发明实施例提供的一种切换总次数随着仿真时间的累加曲线示意图如图6所示，乒乓切换次数随着仿真时间的累加曲线示意图如图7所示。由仿真结果可以看出，在开始一段时间，信号强度相对稳定，此时两种算法的表现差异不大，只会发生极少数的乒乓切换。但是，在后半段时间，信号强度发生了剧烈的变化，这时候固定双阈值算法频繁地在主网络和备用网络之间切换，导致网络连接不稳定，数据传输不畅。相比之下，自适应双阈值算法通过网络的评价值自适应调整阈值的移动步长，使得阈值的调整更加灵活，可以更好地适应信号强度变化剧烈的情况。因此，在信号强度变化剧烈的情况下，自适应双阈值算法相对于固定双阈值算法可以大大减少乒乓切换的次数，提高网络连接的稳定性和数据传输的可靠性。
在实验过程中，高低阈值的变化示意图如图8所示。由图8可以看出，自适应双阈值算法能够实时地监测信号强度的变化，并根据当前网络的评价值自适应地调整阈值，固定阈值的双阈值算法在网络信号强度发生变化时则很难及时地做出相应的阈值调整，容易出现切换过于频繁或切换不及时的问题，导致乒乓效应的发生。因此，自适应双阈值可以更好地对抗信号强度的波动，减少不必要的网络切换和乒乓效应的发生。
综上所述，本发明提出的自适应双阈值切换算法能很好的适应网络环境的变化，较其他算法在性能上有明显改善。
实时性性能检验：图9为本发明实施例提供的一种改变阈值后的测试数据曲线示意图，为了检验本算法的实时性性能，保持数据集不变，增大上下阈值的差值来检验算法能否在网络环境较稳定时提高切换的灵敏度，参数设如表2所示：
表2实验参数设置
TH -70dbm
TL -90dbm
N 25
图10为本发明实施例提供的一种阈值变化曲线示意图，通过对比信号强度变化(图9)和阈值变化曲线(图10)可以发现，相比于信号的波动范围，双阈值的阈值差设置的过大，此时系统不能及时的响应网络环境的变化，为了追求更好的性能，系统通过降低高低阈值之差来提高切换的灵敏度，从而实现更快的切换响应。在曲线的后半段，网络环境波动逐渐变大，阈值差的减小速率也变缓，防止阈值差过小造成乒乓效应。该仿真结果证明，自适应双阈值切换算法可以灵活的应对双阈值的阈值差过大问题，提高切换的灵敏度，增强系统的实时性。
算法通用性验证：图11为本发明实施例提供的一种乒乓切换次数与仿真次数示意图，为了测试算法的通用性，我们测试了30个不同的接收信号强度数据集，并绘制了乒乓切换次数随着仿真次数变化的曲线。从曲线可以看出，与固定双阈值算法相比，我们提出的算法在面对不同的网络环境时可以动态的调整阈值，有效地减缓了乒乓效应的发生，具有通用性。
切换系统测试
本发明使用名为“MyWiFi”，密码为“88888888”的WiFi网络对系统进行测试，并将WiFi的高低阈值分别设置为91和90。
1)网络连接
程序运行后，系统会罗列出当下可用的wifi列表，用户只需输入网络编号和WiFi密码即可连接相应的网络，成功连接wifi后，此时树莓派同时接入了4G与WiFi网络。
2)4G向WiFi切换
调用“ip route”指令查看网络优先级，默认优先级为4G大于WiFi，即当前树莓派使用4G网络进行数据通信，
系统不断监测WiFi的信号强度，此时信号强度为92，大于所设置的高阈值，说明WiFi信号质量良好满足切换条件，且系统判断当前所用的网络为4G，因此切换至WiFi网络。
为了判断网络切换是否需成功，使用ping命令与www.baidu.com”进行数据通信，并通过iftop工具查看系统的实时流量，系统使用WiFi网络进行数据通信，表明由4G向WiFi网络的切换成功。
3)WiFi向4G切换
当WiFi信号强度为89时，低于所设置的低阈值，且系统发现当前网络为WiFi，因此启动切换将网络切换至4G。在数据传输过程中，数据通过usb0接口进行数据包的发送和接收，表明由wifi向4G网络的切换成功。
用本发明实施例的系统进行基于动态双阈值的无线通信网络垂直切换的具体过程与前述方法实施例类似，此处不再赘述。
综上所述，本发明实施例的基于动态双阈值的无线通信网络垂直切换系统的成本低。树莓派的硬件成本较低，使用树莓派来实现网络切换系统不需要高昂的成本投入，更加适用于小型企业和个人用户。
灵活性强。树莓派使用的是Linux系统，具有良好的可定制性和可扩展性，能够满足不同用户的需求。用户可以根据自己的需求灵活配置网络接口、更改系统设置等。
易于部署。树莓派体积小、便携性强，易于携带和部署。用户可以将其用于不同的场景中，例如在车载设备、移动办公中等。
可靠性高。基于树莓派的网络切换系统具有较高的可靠性。通过使用多种网络接口，可以实现网络冗余，增加了网络的可用性。此外，树莓派的稳定性和长期可靠性也是其优势之一。
切换延时小。本发明通过改变网络的优先级来实现网络切换，并不需要断开其中任一网络的连接，节省了网络断开和重连的时间，减少了切换延时。
算法实现简单且效果较好。本发明提出的切换算法计算复杂度低，不需要占用大量的系统计算资源，且能够很好地保证系统的稳定性和实时性。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于动态双阈值的无线通信网络垂直切换方法，其特征在于，确定无线通信网络的主网络和备用网络，设置无线通信网络的接收信号强度的高阈值和低阈值，所述方法包括：
获取一定时间段内主网络的接收信号强度值，计算接收信号强度的平均值，将该平均值作为主网络的网络评价值；
根据所述主网络的网络评价值和设定的稳定阈值对所述主网络的稳定性进行判断，当判断所述主网络不稳定后，确定所述高阈值和低阈值的移动步长，根据所述移动步长对所述高阈值和低阈值进行调整；
获取主网络当前的接收信号强度值，将所述主网络当前的接收信号强度值与调整后的高阈值和低阈值进行比较，根据比较结果和切换策略对所述主网络和备用网络中接入的设备进行垂直网络切换。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的获取一定时间段内主网络的接收信号强度值，计算接收信号强度的平均值，将该平均值作为主网络的网络评价值，包括：
采集一定时间段内主网络的接收信号强度的监测值，将监测值存储在一个采样窗口中，RSS＝(RSS1，RSS2，RSS3，…，RSSN)，RSS为监测值序列，RSSN为第N个监测值，N为窗口的大小，每当采样窗口中的监测值数量达到N时，计算该采样窗口内的主网络的监测值的平均值RSSavg，将该平均值RSSavg作为该采样窗口内的主网络的网络评价值；
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的根据所述主网络的网络评价值和设定的稳定阈值对所述主网络的稳定性进行判断，包括：
使用St来判断所述主网络的接收信号强度的偏离程度，定义如下：
定义稳定阈值Stth，
其中TH为高阈值，TL为低阈值；
当St<Stth时，则判断所述主网络的当前网络环境是稳定的；反之，则判断所述主网络的当前网络环境不稳定。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的当判断所述主网络不稳定后，确定所述高阈值和低阈值的移动步长，根据所述移动步长对所述高阈值和低阈值进行调整，包括：
当判断所述主网络不稳定后，设定所述高阈值和低阈值的移动步长L如下：
L＝k*(1-e-St)
其中k为调节因子，L∈(0，k)，k的定义如下：
将所述高阈值和所述低阈值加上移动步长L后，得到调整后的高阈值和低阈值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的当判断所述主网络不稳定后，确定所述高阈值和低阈值的移动步长，根据所述移动步长对所述高阈值和低阈值进行调整，还包括：
定义中阈值Tmid，计算公式如下：
如果RSSavg在Tmid和TH之间，则降低高阈值；如果RSSavg在TL和Tmid之间，则增加低阈值，具体的调整规则如下：
6.根据权利要求4或者5所述的方法，其特征在于，所述的获取主网络当前的接收信号强度值，将所述主网络当前的接收信号强度值与调整后的高阈值和低阈值进行比较，根据比较结果和切换策略对所述主网络和备用网络中接入的设备进行垂直网络切换，包括：
获取主网络当前的接收信号强度值，计算当前接收信号强度的平均值，将该平均值作为主网络当前的网络评价值；
若主网络当前的网络评价值大于调整后的高阈值，且当前设备接入的网络是备用网络，则切换至主网络；
若主网络当前的网络评价值小于调整后的低阈值，且当前设备接入的网络是主网络，则切换至备用网络。
7.一种基于动态双阈值的无线通信网络垂直切换系统，其特征在于，包括：树莓派、主网络接入设备和备用网络接入设备，所述树莓派与所述主网络接入设备和备用网络接入设备有线连接，所述树莓派接入主网络和备用网络，所述树莓派使用Raspberry做软件开发平台，使用Geany作为开发环境；
所述树莓派设置无线通信网络的接收信号强度的高阈值和低阈值，获取一定时间段内主网络的接收信号强度值，计算接收信号强度的平均值，将该平均值作为主网络的网络评价值；
所述树莓派根据所述主网络的网络评价值和设定的稳定阈值对所述主网络的稳定性进行判断，当判断所述主网络不稳定后，确定所述高阈值和低阈值的移动步长，根据所述移动步长对所述高阈值和低阈值进行调整；
所述树莓派获取主网络当前的接收信号强度值，将所述主网络当前的接收信号强度值与调整后的高阈值和低阈值进行比较，根据比较结果和切换策略对所述主网络和备用网络中接入的设备进行垂直网络切换。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述主网络为WiFi网络，所述备用网络为4G或者5G网络，所述树莓派通过NetworkManager工具实现对WiFi网络的管理，改变网络的优先级，实现主网络和备用网络的切换；
所述树莓派检测当前的网络状态，搜索可用的WiFi网络并将其相关信息并显示，用户选择合适的WiFi网络并进行认证后连接，所述树莓派实时地监测该WiFi的信号强度，通过切换算法判断满足切换条件时，系统将自动切换至4G网络，若该WiFi的网络状态恢复，系统将切换回WiFi网络。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，对树莓派环境进行配置，过程如下：
①取消dhcpcd对树莓派无线网卡wlan0的管理；使用root权限打开/etc/dhcpcd.conf配置文件，在其中加入“denyinterfaces wlan0”；
②配置NetworkManager承担网络管理的任务，负责DHCP服务；
配置“dhcp＝internal”，NetworkManager运行其内置的DHCP服务器，树莓派对其他接入网络的客户端提供DHCP服务；[ifupdown]标志着NetworkManager是否管理/etc/network/interfaces中所定义的网络接口，配置“managed＝true”意味着将使用NetworkManager管理wlan0接口；
2)NetworkManager网络发现
NetworkManager网络搜索功能由指令“nmcli dev wifi”实现，当树莓派执行该命令后，树莓派的内置网卡向附近的AP无线接入点发出数据信号来扫描附近的可用网络，AP收到该信号后会回复包含自身信息的数据包，NetworkManager根据用户的设置筛选出可用的WiFi网络。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述树莓派通过NetworkManager调用“nmcli dev wifi connect<SSID>password<password>”指令连接指定的WiFi，其中SSID为WiFi的名字，password为WiFi的密码；
通过修改树莓派的路由规则来实现网络的切换，分别获得4G与WiFi的网关IP地址，通过网关IP地址来修改两者的路由优先级，从而实现网络的切换；
在树莓派的Raspbian中，“ip route”命令用于管理网络路由，metric用于设置网络路由优先级的参数，路由器根据目标IP地址和子网掩码来匹配路由表中的路由规则，根据路由规则中的metric值来确定最佳路由，metric表示距离或成本，距离或成本越小，路由优先级就越高，如果有多条路由规则匹配，则选择metric值最小的那条路由。
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