[發(fā)明專利]一種面向地鐵/高鐵的車載WLAN快速切換方法

有效

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• 申請日: 2014-11-11
• 公開（公告）號: CN104394563B
• 公開（公告）日: 2017-11-21
• 發(fā)明（設計）人: 康強;王志剛;王勇;趙曉光;張元慶
• 申請（專利權）人: 大連海天興業(yè)科技有限公司
• 主分類號: H04W36/30
• 分類號: H04W36/30;H04W36/32
• 代理公司: 大連理工大學專利中心21200
• 代理人: 梅洪玉

技術領域

本發(fā)明屬于無線通信技術領域，涉及到信號強度檢測、鄰居圖算法和優(yōu)化決策理論，是一種面向地鐵/高鐵的車載WLAN快速切換方法。本發(fā)明主要針對的是地鐵/高鐵的車載無線系統(tǒng)，采用基于快速傅里葉變換的信號強度衰減檢測方法動態(tài)的設置掃描觸發(fā)門限，使得在切換觸發(fā)之前預留足夠的時間進行信道掃描；采用精簡化的鄰居信息表算法掃描信道上可用的接入點(Access Points,APs)，并綜合考慮QoS服務等級、信號強度信息和AP的地理位置信息以確定被切換的目標AP；在掃描觸發(fā)與切換觸發(fā)之間采用提前認證的方法完成認證信息的交互；切換觸發(fā)后關聯(lián)到目標AP，完成整個切換過程。本發(fā)明方法可以提高軌道列車的服務質量，保證乘客在車廂內漫游時，通信數據和視頻傳輸的不間斷。

背景技術

隨著無線網絡技術的進步，WLAN作為一種便捷式的數據傳輸技術在許多領域被廣泛應用，如會議室、酒店以及校園網絡等。近年來，軌道交通已成為現代化城市主要的交通工具之一，軌道交通在城市現代化、智能化進程中的作用越來越重要。人性化的軌道交通系統(tǒng)離不開完善的控制和服務系統(tǒng)，而各種控制和服務系統(tǒng)都是由無線局域網WLAN來完成數據傳輸的。

無線網絡技術應用的一個重大難題就是無線局域網的漫游，即當無線工作站(Station,STA)從一個AP覆蓋范圍移動到另一個AP的過程，移動STA要完成發(fā)生接入點AP間的切換。切換包括Layer2和Layer3的切換，由于Layer3的切換技術已漸成熟，本發(fā)明主要針對Layer2的切換進行研究，即MAC層的移動快速切換技術研究。對于MAC層，一個完整的切換過程包括三個階段：探測掃描階段、認證階段和關聯(lián)/重關聯(lián)階段，具體如圖1所示，此外在切換過程之前還有一個切換觸發(fā)檢測階段。切換觸發(fā)階段是指STA根據自身當前的鏈路狀況(如信號強度、信噪比、丟失beacon幀數等)判斷當前鏈路的質量，由于根據丟失beacon幀數發(fā)起的切換時延較長會影響整體的切換效果，國內外學者越來越多的采用信號強度或者信噪比作為切換觸發(fā)的機制。當切換被觸發(fā)后，STA需要掃描所有信道以獲得有用的AP信息。根據文獻(A.Mishra,M.Shin,W.Arbaugh.An empirical analysis of the IEEE 802.11 MAC layer Handoff process[J] ACM SIGCOMN Computer Communication Review,2003,33(2):93-102.)，探測掃描階段是最為耗時的環(huán)節(jié)，掃描階段的時延達到了整個切換時延的90％左右。通常情況下，影響掃描時延的因素有兩個：一個是STA需要掃描的信道數，另一個是在每個被掃描信道上的等待時間。為了減小切換時延，主要采取的方法有：(1)掃描參數優(yōu)化以減少STA在單個被掃描信道上的等待時間；(2)選擇性的信道掃描以減少STA需要掃描的信道個數；(3)預先性的信道掃描，在不影響正常通信的前提下，利用移動終端數據傳輸的時間間隙提前掃描通道。認證階段的時延占切換時延的比例很小，因此相對研究較少，主要的方法有基于移動預測的預認證算法，可以減少采用共享密鑰方式認證的時延；鄰居圖認證算法，可以通過使用鄰居圖信息來減少認證時延；基于移動終端定位以減少認證時延的算法。重關聯(lián)時延主要是新舊AP交換移動STA的上下文信息造成的，所以將新舊AP交換信息的時間提前到重關聯(lián)階段之前，就可以減少重關聯(lián)時延。IEEE 802.11協(xié)議規(guī)定在移動STA發(fā)送了重關聯(lián)請求之后，新舊AP才交換上下文信息，通過使用鄰居圖，所有AP都知道自己鄰居AP的信息，當移動STA進入某AP時，該AP就會提前移動STA的上下文信息發(fā)送給所有的鄰居AP，重連接開始后，新的AP由于事先得到了上下文信息，可以有效減少重連接時延。但是鄰居圖算法的通信開銷大，緩存式的鄰居圖算法可以通過預測只將上下文信息發(fā)送給有可能切換到的鄰居AP，這種方法可以大大減少通信開銷，且命中率很高，但是如果預測結果不準確，就會導致提前重連接的失敗。

對于軌道交通中的無線通信系統(tǒng)，除了常見的車地無線通信系統(tǒng)，還有一種車載內部無線通信系統(tǒng)，即在列車客室內安裝內置AP的服務器，服務器中存儲大量的視頻信息(可更新)。乘客可以在車廂間走動，瀏覽或下載服務器中的視頻。對于上述的車地無線通信系統(tǒng)，要實現乘客在車廂內行走而視頻或數據的傳輸不間斷，需要一種快速有效的無線切換技術。而目前存在的切換技術大至需要200ms左右的時間，對于車載內部無線通信系統(tǒng)，帶寬及數據傳輸要求較高的視頻會出現間斷或者馬賽克等問題，這樣的切換效果是不能被接受的。特別是目前缺少面向地鐵/高鐵的車載WLAN快速切換技術。

發(fā)明內容