一種無線網絡中基於移動檢測的快速切換方法
2023-09-22 22:45:05 1
專利名稱：一種無線網絡中基於移動檢測的快速切換方法
技術領域：
本發明涉及一種無線網絡中移動節點的快速切換方法，具體利用AP對移動節點進 行定位，檢測移動節點的移動速度和移動方向，通過修改傳統的IEEE802.11協議，實 現了一種快速切換方法。
背景技術：
目前的無線區域網的實現基於傳統的802.11協議，在802. ll協議中，移動節點通 過AP接入網際網路，每個節點同時只能和一個AP連接，並且每個AP只有有限的覆蓋範 圍，這就導致用戶在從一個AP區域移動到另外一個AP區域時需要進行切換。
然而傳統的802. 11協議的切換機制還不完善，當移動節點在AP之間切換時，需要 較長時間來重建連接，這遠遠不能滿足實時多媒體服務的需要以及QoS的要求。
本發明提出了一種基於移動檢測的快速切換方法，利用無線接入點對移動節點進行 定位，檢測移動節點的移動速度和移動方向，通過修改傳統的IEEE802. ll協議，實現 快速切換。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種在無線區域網中進行節點切換時，減少移動 節點在切換時的切換時延，實現快速切換的方法。
本發明所述的一種無線網絡中基於移動檢測的快速切換方法，包括以下步驟
1) 移動檢測
11) 首先通過收集移動節點數據包中的RSSI值來估測AP和移動節點之間的距離，
12) 然後通過節點定位得到移動節點的位置信息，
13) 根據位置信息預測移動節點的移動方向和移動速度；
2) AP選擇根據移動節點的移動方向和移動速度選擇合適的鄰居AP提供給移動節 點進行切換；
3) 快速切換通過修改傳統的802.11協議，通過與預先選中的AP協商，實現移動 節點快速切換。
本發明通過修改傳統的802. 11協議，使用移動檢測的方法預測移動節點下一次切換 的AP，當移動節點需要切換時，僅需要掃描預先選定的的AP所在的信道，從而減少了 切換時延，實現了快速切換。
5附圖i^月
凰1是傳統802.11協議切換過程，
圖2所示的是移動檢測的過程，
圖3所示的是切換時AP選擇的過程，
圖4所示的是針對802. 11協議修改後的切換過程。
具體實施例方式
為實現本發明的目的，本發明提供了一種基於移動檢測的快速切換方法，下面結合 附圖進行詳細說明。
傳統的802.11協議的切換過程需要經過信道掃描、認證、重連結三個步驟，其中被 掃描的信道個數是切換時延長短的關鍵。如
圖1所示，在傳統的802. ll協議中，移動 節點需要對所有的信道進行掃描，效率低下。如果事先知道切換AP的信道，就可以省 略信道掃描的過程，顯著減少切換時延。
本發明的快速切換方法首先通過移動檢測算法得到移動節點的移動速度和移動方 向，再根據AP選擇算法選擇移動節點可能切換到的AP，最後在切換時使用快速切換方 法僅掃描被選擇的AP，從而減少了切換時延。
本發明的移動檢測算法是基於接收信號強度指示(RSSI)的移動檢測算法，如圖2
所示。主要步驟如下曲線擬合、節點定位、移動檢測。曲線擬合是指對特定的實驗環
境進行實際測量，得到RSSI和距離的實際對應關係，並擬合成相關函數的過程；節點
定位過程利用無線網絡定位方法獲取移動節點的位置信息；移動檢測則根據移動節點的
位置信息計算移動節點的移動方向和速度。
曲線擬合的關鍵是要根據特定的環境得到移動節點和AP之間的RSSI值與距離d的
一一對應關係。這個關係是移動檢測算法的基礎，所以必須要保證數據的準確性。
曲線擬合流程如下所示
1) 在一個應用環境中存在若干已知自身位置的AP，選擇一個移動節點，向各個AP 發送廣播包；
2) 每個AP接收到移動節點發來的信號後，記錄各幀的RSSI值；
3) 同時記錄每個AP到移動節點的距離d，從而得到距離與RSSI值對(d， RSSI)，隨 著移動節點的移動，每一個AP都得到了一組數據Kdl,RSSIl), ( d2，RSSI2)， (d3， RSSI3)，…(dm， RSSIm)};4)每個AP根據所測得的數據，以d為X軸，以RSSI為Y軸，繪製RSSI-d曲線， 並通過曲線擬合，得到各自的RSSI d曲線函數。
節點定位可以使用無線網絡的各種定位方法，在此本發明選用簡單的三角定位法。 三角定位首先設定一個定位伺服器，定位伺服器是一個中央節點，三角定位過程就是在 定位伺服器上執行的。定位伺服器接收來自不同AP的對同一移動節點的距離信息，使 用三角定位得到移動節點的位置坐標。
三角定位過程如下所示
1) 對於需要定位的移動節點M,如果周圍有m個AP，即AP1、 AP2、 AP3……APm，則 這m個AP根據所接收到的RSSI值，參照各自的RSSI d曲線，得到相應的d值；
2) 每個AP將自己的距離d發送給定位伺服器；
3) 定位伺服器使用AP1、 AP2、 AP3這三個AP可以組成一個三角形，由API和AP2 的距離值可以確定移動節點的位置坐標為M或者M1 (如圖4-3所示)，又由AP3的距離 值可以得到移動節點的確定位置為M;
4) m個AP會產生^個三角形，從而產生e:個M的位置；
5) 對e:個M的近似位置求算術平均，從而可以得到唯一的M的位置坐標(X， Y)。 本發明的移動檢測算法通過將移動節點位置信息存儲在定位伺服器上，就可以得到
移動節點的一段時間內的位置坐標，即是移動節點一段時間內的移動軌跡，相當於移動 節點的向量。
然而，移動向量計算和時間間隔密切相關，如果時間間隔過長就會導致收集到的信 息過時，不能及時反映移動節點的移動軌跡；時間間隔過短就可能造成移動節點向量抖 動劇烈，也不能真實反映移動節點的方向，而且移動向量的準確度關係到以後的切換算 法的精確度，所以必須要設定一個合理的方法解決這個問題。
時間間隔動態調整算法隨著移動節點的移動速度的變化而變化，當移動節點速度降 低時，時間間隔就會隨之增大，避免移動向量的劇烈變化，當移動節點速度提高時，時 間間隔就會隨之減小，從而能及時反映移動節點的移動向量變化。
時間間隔的調整公式如下所示
r. — V^-、)2+"-A)2 T其中(&' K)和(&， h)是指在前一個時間間隔T內，移動節點的起點和終點 的坐標，(^， h)和是指當前時間間隔T內，移動節點的起點和終點的坐
標。^是調整後的時間間隔。
移動節點的移動向量的計算如公式(2)所示
V— ^ (2)
整個移動檢測算法如下所示
1) 啟動定時器Timer,並設定時間間隔為T，同時利用三角定位記錄下當前移動節 點的位置坐標(X
2) 當時間間隔到T時，再利用三角定位記錄下當前移動節點新的位置坐標(& ， XO
3) 利用公式(2)計算出移動節點的移動向量，並存儲到定位伺服器的移動節點的 Vector向量中
4) 當時間間隔再次到T時，記錄下當前移動節點新的位置坐標(、"")
5) 利用公式(1)動態調整時間間隔T的值
本發明的AP選擇算法如圖3所示。算法將移動節點的移動方向上e角度內的所有鄰
居AP都作為移動節點可能切換到的候選AP。
舉例來說，對於當前AP的所有鄰居AP (j)，只要滿足公式(3)，就可以作為移動節 點的候選切換AP。
^-> cos^
l列^/Oo-x。)2+(力-^)2 (3)
其中(、，乃)為當前AP的鄰居^《的位置坐標，(XQ，A)為當前AP的位置坐標。
;為移動節點的移動向量，0角是移動終端移動向量方向上下的角度。 AP選擇過程如下所示
1) 査找資料庫得到當前移動節點的移動向量Vector;
2) 査找當前移動節點連接到的AP的所有鄰居AP;
3) 對於當前AP的所有鄰居AP，只要滿足公式(3)，就將其作為移動節點的候選切換AP保存。
本發明的快速切換過程如圖4所示，確定候選AP之後，移動節點使用修改過的 802.11協議進行切換，僅僅掃描候選AP所在的信道，從而減少了切換時延，實現了快 速切換。
快速切換過程如下所示
1) 移動節點的連接的AP閾值低於一定值時，觸發算法；
2) 向所連接的AP發送切換請求GET_NEXTAP;
3) 所連接的AP將請求信息轉發給定位伺服器；
4) 定位伺服器收到請求後，根據移動節點在資料庫中的位置坐標(X， Y)和移動向 量Vector以及移動節點所在AP的鄰居AP集合預測出移動節點可能會切換到的AP;
5) 定位伺服器將AP信息發送給移動節點所在AP;
6) 所連接AP回復切換請求REP—NEXTAP，將AP信息發送給移動節點；
7) 移動節點掃描相關AP所在信道，並選擇最優AP執行切換。
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權利要求
1、一種無線網絡中基於移動檢測的快速切換方法，其特徵在於包括以下步驟1)移動檢測11)首先通過收集移動節點數據包中的RSSI值來估測AP和移動節點之間的距離，12)然後通過節點定位得到移動節點的位置信息，13)根據位置信息預測移動節點的移動方向和移動速度；2)AP選擇根據移動節點的移動方向和移動速度選擇合適的鄰居AP提供給移動節點進行切換；3)快速切換修改傳統的802.11協議，通過與預先選中的AP協商，實現移動節點快速切換。
2、 根據權利要求1所述的無線網絡中基於移動檢測的快速切換方法，其特徵在於步 驟ll)流程是111) 在一個應用環境中存在若干已知自身位置的AP，選擇一個移動節點，向各個 AP發送廣播包；112) 每個AP接收到移動節點發來的信號後，記錄各幀的RSSI值；113) 同時記錄每個AP到移動節點的距離d，從而得到距離與RSSI值對(d， RSSI)， 隨著移動節點的移動，每一個AP都得到了一組數據Udl，RSSIl), ( d2，RSSI2)， (d3，RSSI3)，…(dm，RSSIm)};114)每個AP根據所測得的數據，以d為X軸，以RSSI為Y軸，繪製RSSI-d曲線， 並通過曲線擬合，得到各自的RSSI d曲線函數。
3、 根據權利要求1所述的無線網絡中基於移動檢測的快速切換方法，其特徵在於步 驟12)流程是121) 對於需要定位的移動節點M，當周圍有m個AP,即AP1、 AP2、 AP3……APm，則 這m個AP根據所接收到的RSSI值，參照各自的RSSI d曲線，得到相應的d值；122) 每個AP將自己的距離d發送給定位伺服器；123) 定位伺服器使用AP1、 AP2、 AP3這三個AP組成一個三角形，由API和AP2的 距離值確定移動節點的位置坐標為M或者Ml，又由AP3的距離值可以得到移動節點的確 定位置為M;124) m個AP會產生《個三角形，從而產生《個M的位置；125) 對e:個M的近似位置求算術平均，從而可以得到唯一的M的位置坐標(X， Y)。
4、根據權利要求1所述的無線網絡中基於移動檢測的快速切換方法，其特徵在於步 驟13)流程是(131) 啟動定時器Timer,並設定時間間隔為T，同時利用三角定位記錄下當前移動 節點的位置坐標A);(132) 當時間間隔到T時，再利用三角定位記錄下當前移動節點新的位置坐標(&，V =(133) 利用公式 T 計算出移動節點的移動向量，並存儲到定位 伺服器的移動節點的Vector向量中，式中凡)禾(l (A，》)是指在前一個時間間隔T內，移動節點的起點和終點的坐標，(&，")和(^' 是指當前時間間隔 T內，移動節點的起點和終點的坐標。T'是調整後的時間間隔；(134) 當時間間隔再次到T時，記錄下當前移動節點新的位置坐標(、"(135)利用公式 V( '-x》2+(&-計算出動態調整時間間隔T的值，式中 (&' 和(&，是指在前一個時間間隔T內，移動節點的起點和終點的坐標，(A， ^)和(、"^')是指當前時間間隔T內，移動節點的起點和終點的坐標，T'是 調整後的時間間隔。
5、根據權利要求1所述的基於移動檢測的快速切換方法，其特徵在於步驟2)流程是(21) 査找資料庫得到當前移動節點的移動向量Vector;(22) 査找當前移動節點連接到的AP的所有鄰居AP;(23)對於當前AP的所有鄰居AP，只要滿足1 ^、"，屮~ ，就將其作為移動節點的候選切換AP保存，式中(~，力)為當前AP的鄰居^^的位置坐標，(X。， A)為當前AP的位置坐標。V為移動節點的移動向量，^角是移動終端移動向量 方向上下的角度。
6、根據權利要求l所述的基於移動檢測的快速切換方法，其特徵在於步驟3)流程是31) 移動節點的連接的AP閾值低於一定值時，觸發算法；32) 向所連接的AP發送切換請求GET—NEXTAP;33) 所連接的AP將請求信息轉發給定位伺服器；34) 定位伺服器收到請求後，根據移動節點在資料庫中的位置坐標(X， Y)和移動 向量Vector以及移動節點所在AP的鄰居AP集合預測出移動節點可能會切換到的AP;35) 定位伺服器將AP信息發送給移動節點所在AP;36) 所連接AP回復切換請求REP—NEXTAP，將AP信息發送給移動節點；37) 移動節點掃描相關AP所在信道，並選擇最優AP執行切換。
全文摘要
本發明公開了一種無線網絡中基於移動檢測的快速切換方法，步驟是移動檢測首先通過收集移動節點數據包中的RSSI值來估測AP和移動節點之間的距離，然後使用節點定位得到移動節點的位置信息，通過位置信息預測移動節點的移動方向和移動速度；AP選擇根據移動節點的移動方向和移動速度選擇合適的鄰居AP提供給移動節點進行切換；快速切換通過修改傳統的802.11協議，實現移動節點快速切換。本發明通過修改傳統的802.11協議，使用移動檢測的方法預測移動節點下一次切換的AP，當移動節點需要切換時，僅需要掃描預先選擇的AP所在的信道，從而減少切換時延，實現了快速切換。
文檔編號H04W36/26GK101557625SQ20091002575
公開日2009年10月14日 申請日期2009年3月9日 優先權日2009年3月9日
發明者傑 孫, 李文中, 陸桑璐, 陳道蓄 申請人:南京大學