一种WiFi网络多接入点无缝切换方法
【专利摘要】本发明公开了一种WiFi网络多接入点无缝切换方法，该方法包括以下步骤：通过接入点采集与所述接入点相关联的一移动终端的网络信息并将所述网络信息上传至轨迹预测分析服务器；重复步骤a至少五次；轨迹预测分析服务器预测移动终端的预测接入点；接入点信息调度服务器将数据包转发至预测接入点；移动终端与新接入点连接。本发明的技术方案在降低丢包率的同时还避免了切换延迟，实现了WiFi网络多接入点间的无缝快速切换。
【专利说明】-种WiFi网络多接入点无缝切换方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种网络多接入点切换方法，具体涉及一种WiFi网络多接入点无缝 切换方法。
【背景技术】
[0002] 根据IEEE 802. 11规范，工作在基础设施模式下的移动终端（Mobile Node，MN)和 其关联的接入点（Access Point,接入点）共同构成一个基本服务集（Basic Service Set, BSS)。在基本服务集中，移动终端必须在与接入点建立关联以后，才能与其它的结点进行通 讯，即移动终端与其它结点的数据传输都必须经过接入点进行中转。然而在一个基本服务 集中，接入点的网络覆盖范围非常有限，通常只有100?200米。这样小的接入点传输距离 限制了移动终端的移动范围。对此，一般有两种办法来解决：增大接入点的传输距离或增加 网络中接入点的个数。
[0003] 对于第一种方法，除了需要增大发射功率，其它的一些硬件参数也需要进行修 改。然而，接入点的传输距离再增大，也有一个限制，况且接入点的覆盖范围增大以后，与 其关联的结点个数也可能相应地增加，而单个接入点的服务能力毕竟有限，因此，第一种 方法并不是解决问题的根本办法；第二种方法，增加接入点的个数来扩大无线网络覆盖范 围是目前比较流行的做法。在IEEE 802. 11 SPEC2中把多个基本服务集通过分布式系统 (Distributed System, DS)连接在一起的方式称之为一个扩展服务集（Extended Service Set，ESS)。通常的做法是把各个接入点通过有线网络如以太网连接在一起，接入点作为无 线网桥处在有线网络的边缘为移动终端提供服务。
[0004] 在一个扩展服务集中，从一个接入点覆盖区域移动到另一个接入点覆盖区域时， 移动终端需要和新的接入点重新关联，亦即执行层（链路层）切换。另外，为了避免信道干 扰，具有重叠覆盖区域的接入点通常被设置使用不同的频道。
[0005] 当移动终端朝着远离当前接入点方向移动时，它从当前接入点收到的信号强度 (通常用RSSI来表示）会逐渐变低。如果RSSI值低于一定的门限值，那么移动终端便开始 搜索信号强度比较好的接入点进行重新关联，从而触发切换过程。
[0006] 由于WiFi原本是为游牧式的无线宽带接入设计的，因此它一般假定周边的接入 点（接入点）信息在短期内不会发生显著变化，从而移动终端不需要频繁切换接入点。然 而在移动终端位置不断更新，例如在车载移动环境下，由于移动终端相对于接入点处于快 速移动状态，且接入点的覆盖范围通常仅数百米，如果移动终端频繁扫描和切换接入点，会 引起移动终端网络频繁中断。为此，频繁改变位置的移动结点在多接入点下的无缝切换是 一个值得研究的问题。
[0007] 目前针对接入点间快速切换的研究大部分都是关于软切换的，即当前通信链路质 量一般是缓慢变化，当通信质量低于设置的切换阈值时启动切换进程，并且移动终端在与 新接入点建立连接前仍然与旧接入点保持连接，直到与新接入点建立稳定连接后才断开与 旧接入点的通信链路，所以有较充分的时间进行切换预处理，并且不会造成网络中断。而接 入点间硬切换先与旧接入点断开连接再与新接入点建立连接，往往是由于当前通信链路突 然丢失而触发硬切换，它需要迅速地做出切换判决并执行切换以尽快恢复网络连接。研究 结果表明，接入点间切换延迟90%以上来源于扫描阶段，缩小扫描阶段的切换延迟可以明 显地减少接入点间快速切换延迟，进而减少接入点间切换带来的网络中断。
[0008] 从目前已有的技术和文献上看，主要有以下几种类型：（1)硬切换。移动结点在进 入一个新的小区后，立即断开与原有的接入点连接，重新与新接入点建立连接.这种方式 切换速度快，但由于不采取任何措施，丢包率较大。（2)平滑切换。其过程是移动终端切换 到新的接入点时，新接入点立即通知旧接入点，旧接入点收到通知后立即把有关该移动终 端的网络信息或缓存的数据包转发给新接入点，再由新接入点发给移动终端.同时新接入 点向移动终端发出通告，之后数据包便沿新的传输路径流动。它的特点是丢包率低，但是其 他的包要等到旧接入点转发完毕以后，才能继续传递，间接地增加了切换延迟，这对于实时 应用是很不利的。（3)基于组播的切换方式.这种方式不但要求扩充接入点的功能，而且要 求临近的接入点也加入多播组。它的特点是切换时丢包率低，切换延迟相对较小.但是由 于结点的移动，多播树的维护开销很大，限制了它的使用。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是提供一种丢包率低，且可以让用户在WIFI网络中快速实现多个 接入点之间的无缝切换的方法。
[0010] 为了实现以上目的，本发明所采用的方法是：一种WiFi网络多接入点无缝切换方 法，该方法包括以下步骤：
[0011] 一种WiFi网络多接入点无缝切换方法，该方法包括以下步骤：
[0012] a、通过当前接入点采集所述移动终端的网络信息并将所述网络信息上传至轨迹 预测分析服务器；
[0013] b、重复步骤a至少五次；
[0014] c、轨迹预测分析服务器预测移动终端的预测接入点并将预测结果发送给接入点 信息调度服务器；
[0015] d、接入点信息调度服务器接收轨迹预测分析服务器的预测结果；
[0016] e、接入点信息调度服务器从当前接入点获取数据包；
[0017] f、接入点信息调度服务器将数据包转发至预测接入点；
[0018] g、移动终端与新接入点连接。
[0019] 步骤a包括以下步骤：
[0020] al、移动终端定时向当前接入点发送包含所述移动终端的网络信息的无线信号；
[0021] a2、所述接入点接收所述无线信号；
[0022] a3、轨迹预测分析服务器通知所述接入点开始上传移动终端的网络信息；
[0023] a4、所述接入点向所述轨迹预测分析服务器上传移动终端的网络信息；
[0024] a5、所述轨迹预测分析服务器接收并储存所述接入点上传的移动终端的网络信 息。
[0025] 步骤c中轨迹预测分析服务器预测移动终端的预测接入点包括以下步骤：
[0026] cl、轨迹预测分析服务器将接入点上传的移动终端的网络信息按时间顺序排列， 形成移动终端的运行轨迹；
[0027] c2、根据所述移动终端的运行轨迹预测移动终端的移动方向；
[0028] c3、根据移动终端的移动方向预测出移动终端的预测接入点。
[0029] 移动终端的网络信息包括：移动终端的MAC地址、帧控制字段、顺序控制字段、接 收信号的接入点的MAC地址、射频模式、信道、时间戳、数据率、接收信号强度显示、信噪比、 射频模式、移动终端类型的信息。
[0030] 数据包包括：所述移动终端的认证信息、当前接入点与所述移动终端之间的连接 信息。
[0031] 连接信息包括：状态码和关联标识符。
[0032] 轨迹预测分析服务器预测移动终端的至少一个预测接入点。
[0033] 当前接入点为当前与移动终端建立关联的接入点。
[0034] 预测接入点为轨迹预测分析服务器根据该移动终端的历史移动轨迹预测出的下 一个或多个可能与该移动终端关联的接入点。
[0035] 研究表明移动终端切换接入点过程中，扫描阶段占据总切换时延的90%以上，因 此减少扫描阶段的时延能够显著地减少整个切换过程的时延，本发明的方法有效地减少了 扫描阶段的时延，从而显著地减少整个切换过程的时延，同时还保证了低丢包率，实现了移 动用户在WiFi网络中多接入点无缝快速切换。
【专利附图】
【附图说明】
[0036] 图1是本发明实施例中接入点对移动终端的网络信息采集的详细流程；
[0037] 图2是本发明实施例中轨迹预测分析服务器对移动终端信息的预测的详细流程；
[0038] 图3是本发明实施例中接入点信息调度服务器将移动终端与当前接入点的连接 信息预转发至预测接入点的详细流程；
[0039] 图4是本发明实施例中移动终端与新接入点的快速连接的详细流程。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合图1-4通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
[0041] 实施例
[0042] 一种WiFi网络多接入点无缝切换方法，该方法包括以下步骤：
[0043] a、通过当前接入点采集所述移动终端的网络信息并将所述网络信息上传至轨迹 预测分析服务器；
[0044] b、重复步骤a至少五次；
[0045] c、轨迹预测分析服务器预测移动终端的预测接入点并将预测结果发送给接入点 信息调度服务器；
[0046] d、接入点信息调度服务器接收轨迹预测分析服务器的预测结果；
[0047] e、接入点信息调度服务器从当前接入点获取数据包；
[0048] f、接入点信息调度服务器将数据包转发至预测接入点；
[0049] g、移动终端与新接入点连接。
[0050] 步骤a包括以下步骤：
[0051] al、移动终端定时向当前接入点发送包含所述移动终端的网络信息的无线信号；
[0052] a2、所述接入点接收所述无线信号；
[0053] a3、轨迹预测分析服务器通知所述接入点开始上传移动终端的网络信息；
[0054] a4、所述接入点向所述轨迹预测分析服务器上传移动终端的网络信息；
[0055] a5、所述轨迹预测分析服务器接收并储存所述接入点上传的移动终端的网络信 息。
[0056] 步骤c中轨迹预测分析服务器预测移动终端的预测接入点包括以下步骤：
[0057] cl、轨迹预测分析服务器将接入点上传的移动终端的网络信息按时间顺序排列， 形成移动终端的运行轨迹；
[0058] c2、根据所述移动终端的运行轨迹预测移动终端的移动方向；
[0059] c3、根据移动终端的移动方向预测出移动终端的预测接入点。
[0060] 移动终端的网络信息包括：移动终端的MAC地址、帧控制字段、顺序控制字段、接 收信号的接入点的MAC地址、射频模式、信道、时间戳、数据率、接收信号强度显示、信噪比、 射频模式、移动终端类型的信息。
[0061] 数据包包括：所述移动终端的认证信息、当前接入点与所述移动终端之间的连接 信息。
[0062] 连接信息包括：状态码和关联标识符。
[0063] 轨迹预测分析服务器预测移动终端的至少一个预测接入点。
[0064] 本方法的核心思想是当前接入点不但向移动终端发送数据，而且在分析用户前段 时间移动轨迹的基础上同时有选择性的向邻近的一个或多个接入点预先转发移动终端的 认证信息数据和网络数据。这样，移动终端切换到一个新的接入点时，和该接入点有关的认 证信息已经存在，省去了再和认证服务器进行重复交互的时间，相应地减少了切换延迟。在 这种方法中，邻近接入点选择的好坏对系统的性能有很大的影响。
[0065] 如果移动终端当前在连接第一接入点，根据移动终端的历史轨迹预测它的下一个 移动位置将进入第二接入点的信号覆盖区域，则接入点信息调度服务器将通知第一接入点 将移动终端的认证信息和当前连接的数据信息预先转发至第二接入点。当移动终端进入第 二接入点信号覆盖区域时，可实现移动终端的无缝网络连接。发明的主要实现流程包括： [0066] 移动终端的网络信息采集，详细流程见图1 ;
[0067] 移动终端信息的预测，详细流程见图2 ;
[0068] 接入点信息调度服务器将当前移动终端与接入点连接信息预转发至预测接入 点，详细流程见图3;
[0069] 移动终端与新接入点的快速连接，详细流程见图4。
[0070] 移动终端搜索新接入点包括两种方式：主动扫描（Active Scan)和被动扫描 (Passive Scan)。在主动扫描时，移动终端在每个可用信道（Channel)上主动发出探询请求 中贞（Probe Request),收到该巾贞的接入点随后返回探询响应巾贞（Probe Response),探询响应 帧中包含接入点的一些当前信息，如SSID6、所支持的速率等。如果移动终端在给定的信道 上，移动终端收到探询响应帧或移动终端在当前信道的驻留时间已到，则移动终端将切换 到下一个信道执行上述发出探询请求帧的过程。移动终端可搜索的信道个数与物理层所采 用的调制方式有关，如IEEE 802. lib可提供的信道数为11个。被动扫描时，移动终端不用 发送探询请求帧，只是在各个信道上侦听接入点发出的信标帧（Beacon)，信标帧中含有与 接入点发出的探询响应帧同样的接入点信息。移动终端在所有的信道上扫描完一遍以后， 根据预先设定的策略，如信号强度的大小进行排队。
[0071] 这个过程通常包括以下几个步骤：
[0072] 1、移动终端从当期关联的接入点收到信号的强度低于_90dB时，移动终端准备切 换；
[0073] 2、移动终端执行信道扫描（Scan)过程，查看是否有可用的接入点。扫描的结果是 一个有若干接入点组成的列表，包括与每个接入点对应的物理参数，如信号强度等信息；
[0074] 3、移动终端在接入点列表中根据一定的优先级，如信号强度，选择一个接入点，执 行加入（Join)操作。
[0075] 4、移动终端请求与选择的接入点进行链路验证（Authenciate)，对于开放验证方 式，移动终端将与新接入点进行2条原语的交互，即空认证；对于共享密钥方式，则移动终 端将与新接入点进行4条原语的交互；
[0076] 5、当链路验证通过以后，移动终端便与新接入点进行关联或重新关联，在重新关 联请求帧中含有旧接入点的MAC地址，一般关联帧中没有旧接入点的MAC地址；
[0077] 6、如果移动终端和新接入点执行的是IEEE 802. lli协议，则动终端和新接入点成 功关联以后，移动终端和新接入点还要执行一个基于IEEE 802. IX的安全认证过程，对上述 的关联进行认证。此时在步骤4中执行空链路验证过程；
[0078] 7、以上步骤都执行成功以后，新接入点代表移动终端立即向当前连接的有线局域 网发送一个层2的链路更新帧，以便更新所有与该网连接的网桥中的路由表信息。
[0079] 从上面的切换过程可以看出，移动终端和新接入点进行通讯之前需要交互若干管 理帧。在这期间（切换时延）中，移动终端和接入点不能进行数据传输。图1展示了切换 期间典型的移动终端和接入点的消息交互
[0080] 根据IEEE 802. 11协议规范，在一个通信子网内，正在通信的移动终端从一个接入 点移动到另一个接入点时，必须断开跟当前接入点的链路连接，在与新接入点重新建立连 接后才能继续与对其他移动终端进行通信，即发生切换。802. 11切换主要分三个阶段，即发 现新接入点阶段、认证阶段和重连阶段。在第一阶段，移动终端通过主动搜索或被动搜索周 围多个接入点发出的信标帧信号。如果同时收到多个接入点发来的信标，则选择其中信号 信噪比最大的建立连接并向之发出连接请求。在这一阶段所花费的时间不易控制，它和移 动终端所处的周围环境及不同厂家的无线网络产品有很大关系。例如，同样标准的WLAN网 卡，由于厂家不同，切换时间相差很大。切换的第二阶段即为认证（authenticate)，移动终 端和接入点之间需要交换认证信息，只有通过认证以后才能进行网络的交互。前两个阶段 通过以后，MH便向新接入点发出重新建立连接请求，如果新接入点接受该请求，便对移动终 端作出反应，然后移动终端与通信对端主机建立新的链路，通过新的路径进行通信，至此连 接完毕。
[0081] 本发明的方法减少了扫描阶段的时延，也就显著地减少整个切换过程的时延。
【权利要求】
1. 一种WiFi网络多接入点无缝切换方法，该方法包括以下步骤： a、 通过当前接入点采集所述移动终端的网络信息并将所述网络信息上传至轨迹预测 分析服务器； b、 重复步骤a至少五次； c、 轨迹预测分析服务器预测移动终端的预测接入点并将预测结果发送给接入点信息 调度服务器； d、 接入点信息调度服务器接收轨迹预测分析服务器的预测结果； e、 接入点信息调度服务器从当前接入点获取数据包； f、 接入点信息调度服务器将数据包转发至预测接入点； g、 移动终端与新接入点连接。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中步骤a包括以下步骤： al、移动终端定时向当前接入点发送包含所述移动终端的网络信息的无线信号； a2、所述接入点接收所述无线信号； a3、轨迹预测分析服务器通知所述接入点开始上传移动终端的网络信息； a4、所述接入点向所述轨迹预测分析服务器上传移动终端的网络信息； a5、所述轨迹预测分析服务器接收并储存所述接入点上传的移动终端的网络信息。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中步骤c中轨迹预测分析服务器预测移动终端的预 测接入点包括以下步骤： cl、轨迹预测分析服务器将接入点上传的移动终端的网络信息按时间顺序排列，形成 移动终端的运行轨迹； c2、根据所述移动终端的运行轨迹预测移动终端的移动方向； c3、根据移动终端的移动方向预测出移动终端的预测接入点。
4. 根据权利要求1所述的方法，所述移动终端的网络信息包括：移动终端的MAC地址、 帧控制字段、顺序控制字段、接收信号的接入点的MAC地址、射频模式、信道、时间戳、数据 率、接收信号强度显示、信噪比、射频模式、移动终端类型的信息。
5. 根据权利要求1所述的方法：所述数据包包括：所述移动终端的认证信息、当前接入 点与所述移动终端之间的连接信息。
6. 根据权利要求5所述的方法：所述的连接信息包括：状态码和关联标识符。
7. 根据权利要求1所述的方法：其中轨迹预测分析服务器预测移动终端的至少一个预 测接入点。
【文档编号】H04W36/18GK104066134SQ201410226842
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年5月26日 优先权日:2014年5月26日
【发明者】吴笛, 李澍渊 申请人:河南省尖端智能控制技术有限公司