[发明专利]一种面向地铁/高铁的车载WLAN快速切换方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及到信号强度检测、邻居图算法和优化决策理论，是一种面向地铁/高铁的车载WLAN快速切换方法。本发明主要针对的是地铁/高铁的车载无线系统，采用基于快速傅里叶变换的信号强度衰减检测方法动态的设置扫描触发门限，使得在切换触发之前预留足够的时间进行信道扫描；采用精简化的邻居信息表算法扫描信道上可用的接入点(Access Points,APs)，并综合考虑QoS服务等级、信号强度信息和AP的地理位置信息以确定被切换的目标AP；在扫描触发与切换触发之间采用提前认证的方法完成认证信息的交互；切换触发后关联到目标AP，完成整个切换过程。本发明方法可以提高轨道列车的服务质量，保证乘客在车厢内漫游时，通信数据和视频传输的不间断。

背景技术

随着无线网络技术的进步，WLAN作为一种便捷式的数据传输技术在许多领域被广泛应用，如会议室、酒店以及校园网络等。近年来，轨道交通已成为现代化城市主要的交通工具之一，轨道交通在城市现代化、智能化进程中的作用越来越重要。人性化的轨道交通系统离不开完善的控制和服务系统，而各种控制和服务系统都是由无线局域网WLAN来完成数据传输的。

无线网络技术应用的一个重大难题就是无线局域网的漫游，即当无线工作站(Station,STA)从一个AP覆盖范围移动到另一个AP的过程，移动STA要完成发生接入点AP间的切换。切换包括Layer2和Layer3的切换，由于Layer3的切换技术已渐成熟，本发明主要针对Layer2的切换进行研究，即MAC层的移动快速切换技术研究。对于MAC层，一个完整的切换过程包括三个阶段：探测扫描阶段、认证阶段和关联/重关联阶段，具体如图1所示，此外在切换过程之前还有一个切换触发检测阶段。切换触发阶段是指STA根据自身当前的链路状况(如信号强度、信噪比、丢失beacon帧数等)判断当前链路的质量，由于根据丢失beacon帧数发起的切换时延较长会影响整体的切换效果，国内外学者越来越多的采用信号强度或者信噪比作为切换触发的机制。当切换被触发后，STA需要扫描所有信道以获得有用的AP信息。根据文献(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.)，探测扫描阶段是最为耗时的环节，扫描阶段的时延达到了整个切换时延的90％左右。通常情况下，影响扫描时延的因素有两个：一个是STA需要扫描的信道数，另一个是在每个被扫描信道上的等待时间。为了减小切换时延，主要采取的方法有：(1)扫描参数优化以减少STA在单个被扫描信道上的等待时间；(2)选择性的信道扫描以减少STA需要扫描的信道个数；(3)预先性的信道扫描，在不影响正常通信的前提下，利用移动终端数据传输的时间间隙提前扫描通道。认证阶段的时延占切换时延的比例很小，因此相对研究较少，主要的方法有基于移动预测的预认证算法，可以减少采用共享密钥方式认证的时延；邻居图认证算法，可以通过使用邻居图信息来减少认证时延；基于移动终端定位以减少认证时延的算法。重关联时延主要是新旧AP交换移动STA的上下文信息造成的，所以将新旧AP交换信息的时间提前到重关联阶段之前，就可以减少重关联时延。IEEE 802.11协议规定在移动STA发送了重关联请求之后，新旧AP才交换上下文信息，通过使用邻居图，所有AP都知道自己邻居AP的信息，当移动STA进入某AP时，该AP就会提前移动STA的上下文信息发送给所有的邻居AP，重连接开始后，新的AP由于事先得到了上下文信息，可以有效减少重连接时延。但是邻居图算法的通信开销大，缓存式的邻居图算法可以通过预测只将上下文信息发送给有可能切换到的邻居AP，这种方法可以大大减少通信开销，且命中率很高，但是如果预测结果不准确，就会导致提前重连接的失败。

对于轨道交通中的无线通信系统，除了常见的车地无线通信系统，还有一种车载内部无线通信系统，即在列车客室内安装内置AP的服务器，服务器中存储大量的视频信息(可更新)。乘客可以在车厢间走动，浏览或下载服务器中的视频。对于上述的车地无线通信系统，要实现乘客在车厢内行走而视频或数据的传输不间断，需要一种快速有效的无线切换技术。而目前存在的切换技术大至需要200ms左右的时间，对于车载内部无线通信系统，带宽及数据传输要求较高的视频会出现间断或者马赛克等问题，这样的切换效果是不能被接受的。特别是目前缺少面向地铁/高铁的车载WLAN快速切换技术。

发明内容