技术领域本发明涉及的是一种适用于多跳水声局域网的移动漫游切换方法。
背景技术：
多跳水声局域网在环境监测、资源勘查、科学实验、防灾救援等领域具有广阔的应用前景。通常，水声局域网中可能存在一些移动节点。当移动节点接入网络之后，其移动性可能导致节点在不同的局域网间漫游，这就要求移动节点能够在漫游的过程中自适应地切换至更合适的局域网中。因此，水声局域网存在移动节点的漫游切换问题。切换是指当前正在进行通信的移动节点与通信对端节点之间的通信链路从当前接入路由器转移到新的接入路由器的过程。由于在切换过程中可能出现因通信链路的临时中断而导致的数据包丢失，使得切换机制成为保证网络整体性能的一个关键技术。在水声局域网中，水声信道具有信号传播时延大、可用带宽窄、传输速率低等特性。这些信道特性将大大增加水声局域网无缝漫游切换的实现难度。另外，水声局域网通常是多跳组网的，多跳的网络拓扑可能极大地提高整个切换过程的延时。不仅如此，水下移动节点的移动模型与陆地移动节点的移动模型有较大的差别，且水下节点难以获得节点定位信息。这些因素都使得陆地无线通信中的经典切换方案难以直接应用于水声局域网中。
技术实现要素：
为了解决多跳水声局域网的移动漫游切换问题，本发明提供了一种适用于多跳水声局域网的移动漫游切换方法，其目的在于，实现移动节点在多跳水声局域网间的漫游切换。本发明的目的是这样实现的：一种适用于多跳水声局域网的移动漫游切换方法，包括以下步骤：步骤1：移动节点接收到当前接入网络的Beacons信号后，计算出信号的RSS值；移动节点记录最新接收到的m个Beacons帧的RSS值，然后采用多项式曲线拟合法估计出这m个信号的RSS值的变化趋势；步骤2：移动节点接收到非当前接入网络的Beacons信号后，计算出信号的RSS值；移动节点记录最新接收到的m个Beacons帧的RSS值，然后采用多项式曲线拟合法估计出这m个信号的RSS值的变化趋势；步骤3：移动节点在采集到当前网络及新网络的RSS值样本并估计出它们的变化趋势后，当满足切换触发条件满足时，移动节点触发切换过程的执行，并进行后续步骤；否则将不触发切换过程的执行；步骤4：当移动节点触发切换之后，首先查询其历史接入信息表，若查询结果表明新网络是其之前接入过的网络且之前接入的配置信息尚未过期，则移动节点在本次切换过程中将启用上一次接入时的配置信息而无需执行后续的预配置过程；步骤5：若移动节点是第一次接入该新网络或之前接入的配置信息已经过期，则移动节点向新网络的中继节点发送一个预配置请求包Pre_config_req，其中的四个MAC地址域用于水声局域网内的多跳寻址，“RelaynodeMACaddress”用于通知新网络的接入节点该移动节点在新网络的中继节点地址，中继节点接收到该Pre_config_req包后，将把该包转发至新网络的U-AP节点；步骤6：新网络的U-AP节点接收到Pre_config_req包后，根据该包的“SourceMACaddress”及网络的IP地址前缀生成一个全局唯一的Ipv6地址，并给该节点分配一个网内唯一的8位私有地址，然后把分配给该节点的公用Ipv6地址与私有地址插入到地址转换表中；完成双重地址分配后，U-AP给移动节点回复一个预配置响应包Pre_config_resp；其中的“Ipv6addressofAP”域记录了新网络U-AP节点的公用IP地址；“shortaddressofmobilenode”域为分配给移动节点的私有IP地址；步骤7：移动节点接收到Pre_config_resp包后，可获得切换过程中的新转交地址，即新网络U-AP节点的公用IP地址，以及其切换至新网络后用于局域网内部寻址的私有IP地址，网络参数预配置过程完成；步骤8：移动节点完成网络参数预配置后，需持续检测当前接入网络及新网络的RSS变化情况，当它们的RSS值满足链路切换触发条件时，移动节点执行链路切换程序。所述步骤8中链路切换程序的步骤如下：步骤8.1：移动节点首先向旧网络U-AP发送一个切换初始请求包Handoff_init_req，该包由移动节点的中继节点转发至U-AP；Handoff_init_req中的“NewCare-of-address”为移动节点的新转交地址，即移动节点在网络参数预配置阶段获得的新网络U-AP的公用Ipv6地址；步骤8.2：旧网络U-AP在接收到Handoff_init_req包后，首先通过公用网络向新网络U-AP发送一个管道建立请求包Tunnel_build_req；Tunnel_build_req包中包含了移动节点在旧网络中的公用IP地址及物理地址；步骤8.3：新网络U-AP接收到Tunnel_build_req包后，提取出移动节点的物理地址信息及在旧网络中的公用IP地址；新网络U-AP通过移动节点的物理地址查找该节点的历史接入信息，若存在该节点的历史接入信息，则启用之前的配置信息；若未查询到其历史接入信息，则查看该节点是否在本网络进行了IP地址预配置；若存在该节点的预配置信息，则把该节点的预配置IP地址与其在旧网络中的公用IP地址进行绑定；实现新旧IP地址绑定之后新网络U-AP就能够把旧U-AP转交过来的数据包转发至移动节点；完成新旧IP地址绑定之后，新U-AP向旧U-AP发送一个管道建立响应包Tunnel_build_resp；步骤8.4：旧网络U-AP接收到Tunnel_build_resp包后，新旧网络U-AP间就建立起一条临时通信管道；旧U-AP节点将把接收到的发往移动节点的数据包转交至新网络U-AP，新网络U-AP收到数据包后，将对这些数据包进行缓存，直至移动节点接入到新网络后再把缓存的数据包发往移动节点；管道建立后，旧网络U-AP需向移动节点回复一个切换初始响应包Handoff_init_resp；步骤8.5：移动节点接收到Handoff_init_resp包后，向新网络U-AP发送一个切换关联请求包handoff_association_req；步骤8.6：新网络U-AP接收到handoff_association_req包后，向移动节点回复一个切换关联响应包handoff_association_resp，发送完handoff_association_resp包之后，新U-AP将把缓存的数据包发送给移动节点；步骤8.7：移动节点接收到handoff_association_resp包后，则完成了在新旧网络间的链路切换；完成链路切换后，移动节点能够正常接收新网络U-AP转发的数据包；移动节点切换到新网络后，需要通知通信对端节点及时更新移动节点的IP地址，并通知新旧U-AP解除建立的临时管道。步骤1和步骤2中所述的采用多项式曲线拟合法估计m个信号的RSS值的变化趋势，具体实现过程如下：1)移动节点记录最新接收到的m个Beacons信号的RSS值，假设在t时刻接收到了当前中继节点广播的Beacons信号，其RSS值为rt，则移动节点记录的RSS样本分别为中继节点在t-i·τ,i∈[1,…,m-1]时刻广播的Beacons信号的RSS值rt-i·τ,i∈[1,…,m-1]；其中τ为Beacons信号的广播周期；所述的中继节点指的是为移动节点提供多跳中继接入服务的已接入网络的节点；2)取n阶多项式3)对于m个RSS样本值[y1,y2,…,ym]，其中yi＝rt-(m-i)τ,i∈[i,…,m]，利用最小二乘法求出多项式的待定系数a0,a1,a2,…,an，即满足：xi为函数中的自变量，与yi相对应；yi表示的是节点在t-(m-i)·τ,i∈[1,…,m]时刻广播的Beacons信号的RSS值rt-(m-i)·τ,i∈[1,…,m]；因此，xi表示的是t-(m-i)·τ,i∈[1,…,m]时刻；4)得到拟合多项式后，对其进行求导并取xm处(xm对应的是t时刻)的导数值5)按下式判定t时刻RSS的变化趋势：其中，δ0为预先设定的一个正实数阈值。所述步骤3中，当切换触发条件满足时，移动节点触发切换过程的执行；具体为：只有当条件1或条件2满足时，移动节点才触发切换过程的执行；条件1条件2所述步骤3中，RSS值同时满足以下链路切换触发条件(1)及条件(2)时，移动节点执行链路切换程序；条件(1)：当前网络的RSS值小于一个预先设定的阈值Rth；条件(2)：候选网络的RSS值大于当前网络的RSS值与预先设定的迟滞值H1之和。与现有技术相比，本发明的优势在于：在实际切换前完成网络参数的预配置，缩短了切换的时延；通过RSS变化趋势估计来提高切换触发的准确性；利用历史接入信息来减低网络重配置的时延及开销；采用双重IP地址分配机制，降低了水声通信的开销。附图说明图1：是本发明的框架图。图2：是本发明Beacons信号的格式。图3：是本发明网络预配置阶段控制包格式。图4：是本发明链路切换阶段控制包格式。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本发明提供一种适用于多跳水声局域网的移动漫游切换方法；包括以下步骤：(1)本发明把整个切换过程划分为接收信号强度(RSS)检测与切换触发、网络参数预配置、链路切换执行三个阶段。水声局域网的水下接入点(U-AP)及已接入网络的节点会周期性的广播信标(Beacons)信号。(2)在RSS检测与切换触发阶段，节点通过被动接收当前接入网络的Beacons信号来获取RSS信息。然后采用多项式曲线拟合法估计出较长一段时间内信号的RSS的变化趋势来准确地触发切换过程。RSS变化趋势估计方法如下：1)移动节点记录最新接收到的m个Beacons信号的RSS值。假设在t时刻接收到了当前中继节点广播的Beacons信号，其RSS值为rt，则移动节点记录的RSS样本分别为中继节点在t-i·τ,i∈[1,…,m-1]时刻广播的Beacons信号的RSS值rt-i·τ,i∈[1,…,m-1]；其中τ为Beacons信号的广播周期；所述的中继节点指的是为移动节点提供多跳中继接入服务的已接入网络的节点。2)取n阶多项式3)对于m个RSS样本值[y1,y2,…,ym]，其中yi＝rt-(m-i)τ,i∈[i,…,m]，利用最小二乘法求出多项式的待定系数a0,a1,a2,…,an，即满足：4)得到拟合多项式后，对其进行求导并取xm处(对应t时刻)的导数值5)按下式判定t时刻RSS的变化趋势：其中δ0为预先设定的一个正实数阈值。(3)若移动节点接收到非当前接入网络的接入点或已接入网络的节点广播的Beacons信号，说明该移动节点进入到了一个新网络的覆盖范围内。此时移动节点需要采集并记录新网络Beacons信号的RSS值，并估计出这些RSS值的变化趋势，为切换触发提供依据。(4)移动节点在采集到当前网络及新网络的RSS值样本并估计出它们的变化趋势后，只有当条件1或条件2满足时，移动节点才触发切换过程的执行：条件1条件2(5)在网络参数预配置阶段，本发明采用基于128位Ipv6公用地址与8位局域网私有地址的双重地址分配与寻址机制。由局域网中的U-AP负责对网内节点的IP地址分配与管理。网内所有节点的Ipv6地址具有与U-AP相同的网络前缀，每个节点的Ipv6地址的主机地址由其全球唯一的物理地址构成。U-AP在得到节点的物理地址后，将根据自身的网络前缀与该节点的物理地址生成一个全球唯一的Ipv6地址，并分配给该节点。此外，U-AP还需给该节点分配一个8位的网内唯一的私有地址。U-AP将建立一个物理地址、公用地址及私有地址绑定表。当水下节点需要与外网通信时，其上行数据包使用私有地址进行局域网内部寻址，数据包到达U-AP后，U-AP把私有地址替换为公用地址进行全网寻址；而下行数据将进行相反的操作。所述的上行数据包指的是从水下节点往U-AP传输的数据包；下行数据包指的是从U-AP往水下节点传输的数据包。(6)在网络参数预配置阶段，本发明提出基于历史接入信息的网络参数预配置方法。具体方法是：所有节点需建立历史接入信息记录表；节点在切换至新网络后，节点及原网络将该节点在原网络的配置信息记录在表中，当节点需要重新切换至原网络时，将启用之前的配置信息，以达到避免网络重配置的目的。(7)移动节点完成网络参数预配置后，需持续检测当前接入网络及新网络的RSS变化情况，当它们的RSS值同时满足以下链路切换触发条件(1)及条件(2)时，移动节点执行链路切换程序:条件(1):当前网络的RSS值小于一个预先设定的阈值Rth；条件(2):候选网络的RSS值大于当前网络的RSS值与预先设定的迟滞值H1之和。(8)在链路切换过程中，新旧网络的U-AP间需建立数据传输的临时管道，以把数据包从原网络的U-AP处转发至新网络的U-AP，进而转发至移动节点。如图(1)所示：本发明具体包括以下过程：步骤1：移动节点接收到当前接入网络的Beacons信号后，计算出信号的RSS值。其中Beacons信号的格式如图2所示。移动节点需记录最新接收到的m个Beacons帧的RSS值。然后采用本发明所述的多项式曲线拟合法估计出这m个信号的RSS值的变化趋势。步骤2：移动节点接收到非当前接入网络的Beacons信号后，计算出信号的RSS值。移动节点需记录最新接收到的m个Beacons帧的RSS值。然后采用本发明所述的多项式曲线拟合法估计出这m个信号的RSS值的变化趋势。步骤3：移动节点在采集到当前网络及新网络的RSS值样本并估计出它们的变化趋势后，只有当本发明所述的切换触发条件满足时，移动节点才触发切换过程的执行，并进行后续步骤；否则将不触发切换过程的执行；步骤4：当移动节点触发切换之后，首先查询其历史接入信息表，若查询结果表明新网络是其之前接入过的网络且之前接入的配置信息尚未过期，则移动节点在本次切换过程中将启用上一次接入时的配置信息而无需执行后续的预配置过程；步骤5：若移动节点是第一次接入该新网络或之前接入的配置信息已经过期，则移动节点向新网络的中继节点发送一个预配置请求包(Pre_config_req)，其格式如图3(a)所示，其中的四个MAC地址域用于水声局域网内的多跳寻址，“RelaynodeMACaddress”用于通知新网络的接入节点该移动节点在新网络的中继节点地址。中继节点接收到该Pre_config_req包后，将把该包转发至新网络的U-AP节点；步骤6：新网络的U-AP节点接收到Pre_config_req包后，根据该包的“SourceMACaddress”及网络的IP地址前缀生成一个全局唯一的Ipv6地址，并给该节点分配一个网内唯一的8位私有地址。然后把分配给该节点的公用Ipv6地址与私有地址插入到地址转换表中。完成双重地址分配后，U-AP给移动节点回复一个预配置响应包(Pre_config_resp)，其格式如图3(b)所示。其中的“Ipv6addressofAP”域记录了新网络U-AP节点的公用IP地址；“shortaddressofmobilenode”域为分配给移动节点的私有IP地址；步骤7：移动节点接收到Pre_config_resp包后，可获得切换过程中的新转交地址，即新网络U-AP节点的公用IP地址，以及其切换至新网络后用于局域网内部寻址的私有IP地址。网络参数预配置过程完成；步骤8：移动节点完成网络参数预配置后，需持续检测当前接入网络及新网络的RSS变化情况，当它们的RSS值满足本发明所述的链路切换触发条件时，移动节点执行链路切换程序；链路切换程序的步骤如下：步骤8.1：移动节点首先向旧网络U-AP发送一个切换初始请求包(Handoff_init_req)，该包将由移动节点的中继节点转发至U-AP。Handoff_init_req包的格式如图4(a)所示。其中的“NewCare-of-address”为移动节点的新转交地址，即移动节点在网络参数预配置阶段获得的新网络U-AP的公用Ipv6地址；步骤8.2：旧网络U-AP在接收到Handoff_init_req包后，首先通过公用网络向新网络U-AP发送一个管道建立请求包(Tunnel_build_req)。Tunnel_build_req包中包含了移动节点在旧网络中的公用IP地址及物理地址；步骤8.3：新网络U-AP接收到Tunnel_build_req包后，提取出移动节点的物理地址信息及在旧网络中的公用IP地址。新网络U-AP通过移动节点的物理地址查找该节点的历史接入信息。若存在该节点的历史接入信息，则启用之前的配置信息。若未查询到其历史接入信息，则查看该节点是否在本网络进行了IP地址预配置。若存在该节点的预配置信息，则把该节点的预配置IP地址与其在旧网络中的公用IP地址进行绑定。实现新旧IP地址绑定之后新网络U-AP就能够把旧U-AP转交过来的数据包转发至移动节点。完成新旧IP地址绑定之后，新U-AP向旧U-AP发送一个管道建立响应包(Tunnel_build_resp)；步骤8.4：旧网络U-AP接收到Tunnel_build_resp包后，新旧网络U-AP间就建立起一条临时通信管道。旧U-AP节点将把接收到的发往移动节点的数据包转交至新网络U-AP。新网络U-AP收到数据包后，将对这些数据包进行缓存，直至移动节点接入到新网络后再把缓存的数据包发往移动节点。管道建立后，旧网络U-AP需向移动节点回复一个切换初始响应包(Handoff_init_resp)，其格式如图4(b)所示；步骤8.5：移动节点接收到Handoff_init_resp包后，向新网络U-AP发送一个切换关联请求包(handoff_association_req)，其格式如图4(c)所示；步骤8.6：新网络U-AP接收到handoff_association_req包后，向移动节点回复一个切换关联响应包(handoff_association_resp)，其格式如图4(d)所示。发送完handoff_association_resp包之后，新U-AP将把缓存的数据包发送给移动节点；步骤8.7：移动节点接收到handoff_association_resp包后，则完成了在新旧网络间的链路切换。完成链路切换后，移动节点能够正常接收新网络U-AP转发的数据包。移动节点切换到新网络后，需要通知通信对端节点及时更新移动节点的IP地址，并通知新旧U-AP解除建立的临时管道。应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。