一种基于节点簇的快速网络切换方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于节点簇的快速网络切换方法。

背景技术：

目前，基于IEEE 802.11的公共无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)系统广泛部署于热点场所，例如机场、校园、会议中心等。相比于蜂窝系统，WLAN可以提供高速率的网络通信。尤其对于高频段的毫米波通信，作为未来5G通信领域的关键技术，可以实现吉比特级别的数据传输速率。但是，高频段衰落特性明显，一个无线接入点(Access Point，AP)的覆盖范围有限，对于热点区域AP部署更加密集。考虑节点的移动性以及网络性能的时变性，节点需要在不同AP间进行切换。

然而，节点没有为可能出现的切换做好充足的准备。只有当前连接的质量变得不可接受的时候，节点才转而试着去连接其他AP。此时，节点已经无法与原AP保持正常通信。根据以往研究发现，切换过程通常需要耗费几百毫秒甚至几秒的时间，其中扫描阶段约占整个切换过程90％的时间。显然，切换延迟直接影响到用户的通信质量(Quality of Service，QoS)。特别是对于QoS要求高的业务，比如VoIP，延迟超过50毫秒就会导致通话掉线。

为了提供更有效的切换机制用于IEEE 802.11无线局域网，研究者们提出了多种方案。最常见的策略主要是缩短扫描时间，比如通过预扫描、选择性扫描的方式。而预扫描需要占用节点的数据传输时间，造成通信的延迟或中断。同时，选择性扫描虽然缩短了整个切换的时间，但是会造成附近网络信息搜集不健全，导致网络选择不合理。

技术实现要素：

发明目的：为了减小节点因网络切换所引起的信息传输延迟，本发明提出一种基于节点簇的快速网络切换方法，不需要节点在切换时执行扫描过程，可以达到快速切换的目的。

技术方案：为了实现上述发明的目的，本发明提出一种基于节点簇的快速网络切换方法，包括如下步骤：

阶段一：将同一个网络中邻近位置的多个节点建立为一个簇，具体包括如下步骤：

步骤1：簇首领节点经过扫描、认证、关联等操作加入某个网络；

步骤2：簇首领节点向关联的AP请求建立节点簇；

步骤3：AP接收请求信息并进行响应，若AP响应的信息中表明允许建立节点簇，则簇首领节点以低功率广播簇通告信息，否则，请求失败，结束节点簇的建立；

步骤4：周边节点接收广播的簇通告信息，结合自身条件决定是否要加入该节点簇，若要加入该簇，则竞争到通信信道后，向簇首领节点发送入簇请求信息，否则，不回应；

步骤5：簇首领节点接收入簇请求信息并进行回应，表征是否允许节点加入该簇。

阶段二：以簇首领节点为代表搜集附近的网络信息并将搜集信息广播给簇成员节点，簇首领节点广播周边网络信息有两种方案，一种是周期性地广播周边的网络信息，另一种是当节点簇所在网络的通信质量下降到一定阈值时，广播周边网络信息，具体为：

方案1：簇首领节点周期性地广播周边的网络信息时，每个周期包括广播阶段和网络信息搜集阶段，在广播阶段，簇首领节点将搜集的周边网络信息发送出去；在网络信息搜集阶段，簇首领节点以被动扫描或主动探测的方式搜集周边的网络信息。

方案2：当节点簇所在网络的通信质量下降到一定阈值时，簇首领节点广播周边网络信息：

步骤1：给定节点簇所关联网络的两个性能评价阈值p1、p2，其中p1>p2；

步骤2：当簇首领节点检测本小区的网络质量p优于p1，即p>p1时，簇首领节点不检测附近网络；

步骤3：当簇首领节点检测到本小区的网络质量p满足p2＜p≤p1时，簇首领节点开始搜集附近网络信息；

步骤4：当簇首领节点检测到本小区的网络质量p≤p2时，簇首领节点发送簇通告信息，广播周边的网络信息。

阶段三：当簇成员节点通信状态不佳时，簇成员节点根据簇首领节点提供的周边网络信息选择合适的网络进行切换。

有益效果：本发明提出的基于节点簇的快速网络切换方法，利用节点簇中的簇首领节点来搜集周边网络信息并广播给簇成员节点，簇成员节点根据簇首领节点提供的附近网络信息进行网络切换。与现有技术相比，本发明提供的方案不需要节点在网络切换时执行信道扫描过程，大大缩短了切换延迟时间，保证了节点的通信质量。

附图说明

图1为本发明建有节点簇的基础型网络示意图；

图2为本发明实施例中节点簇建立流程图；

图3为本发明实施例中节点簇建立请求帧功能字段信息；

图4为本发明实施例中节点簇建立授权帧功能字段信息；

图5为本发明实施例中节点簇通告帧功能字段信息；

图6为本发明实施例中入簇请求帧功能字段信息；

图7为本发明实施例中入簇响应帧功能字段信息；

图8为本发明方案一中簇首领节点周期性广播示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明提出的基于节点簇的快速网络切换方法，将同一个网络中邻近位置的多个节点建立为一个簇，建有节点簇的基础型网络如图1所示，以簇首领节点为代表搜集附近的网络信息，由于同一节点簇所处的网络环境相似，因此簇成员节点可以根据簇首领节点提供的信息进行网络选择，具体包括如下过程：

阶段一：将同一个网络中邻近位置的多个节点建立为一个簇，具体流程如图2所示。

步骤1：簇首领节点经过扫描、认证、关联等操作加入某个网络；

步骤2：建立节点簇之前，簇首领节点先向关联的AP请求，获得授权之后才能建立节点簇，具体分为两个步骤：

步骤2.1：簇首领节点向关联的AP请求建立节点簇，发送节点簇建立请求帧，该帧包含的功能字段信息如图3所示。其中，AID子字段为簇首领节点的关联标识符，能力信息子字段包含簇首领节点的能力信息，节点簇最大时长子字段表明想要建立的节点簇的最长持续时间。

步骤2.2：AP接收到节点簇建立请求帧之后，回应节点簇建立授权帧，其功能字段格式如图4所示。其中，状态码子字段用于表明AP是否允许簇首领节点建立节点簇，若AP允许，那么将分配一个唯一的节点簇ID号。

步骤3：AP授权之后，簇首领节点以低功率广播节点簇通告帧，该帧的功能字段格式如图5所示。其中，节点簇剩余时长表示该节点簇可维持的剩余时间，网络优先级信息字段包括簇首领节点目前为止所检测到的较好的一个或多个网络信息，每个网络信息子字段中包括网络的优先级序号、BSSID、频段及信道号、速率、负载、SNR等信息。

步骤4：周边节点接收到簇首领节点广播的节点簇通告帧，可以结合自身条件决定是否要加入该节点簇，若节点要加入该簇，则以竞争方式发送入簇请求帧，其功能字段包含的信息如图6所示。其中，AID子字段为请求节点的关联标识符，能力信息子字段包含请求节点的能力信息。

步骤5：簇首领节点收到入簇请求帧之后，回应入簇响应帧，入簇响应帧的功能字段格式如图7所示。其中，状态码子字段表明簇首领节点是否允许请求节点入簇。

阶段二：以簇首领节点为代表搜集附近的网络信息并将搜集信息广播给簇成员节点，簇首领节点广播周边网络信息有两种方案，一种是周期性地广播周边的网络信息，另一种是当节点簇所在网络的通信质量下降到一定阈值时，广播周边网络信息，具体为：

方案1：簇首领节点周期性地广播周边的网络信息，如图8所示，簇首领节点的广播周期为T，每个周期T内包括簇首领节点广播阶段和网络信息搜集阶段。在簇首领节点广播阶段，将其搜集的周边网络信息发送出去；在网络信息搜集阶段，簇首领节点以被动扫描或主动探测的方式搜集周边的网络信息。

方案2：当节点簇所在网络的通信质量下降到一定阈值时，簇首领节点广播周边网络信息，具体为：

步骤1：给定节点簇所关联网络的两个性能评价阈值p1、p2(p1>p2)；

步骤2：当簇首领节点检测本小区的网络质量p优于p1(即，p>p1)时，簇首领节点不检测附近网络；

步骤3：当簇首领节点检测到本小区的网络质量p满足p2＜p≤p1时，簇首领节点开始搜集附近网络信息；

步骤4：当簇首领节点检测到本小区的网络质量p≤p2时，簇首领节点发送节点簇通告帧，广播周边的网络信息。

阶段三：当簇成员节点通信状态不佳时，簇成员节点根据簇首领节点提供的周边网络信息进行网络切换。