一种面向边缘计算环境的无线通信接入网络切换调度方法与流程

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种面向边缘计算环境的无线通信接入网络切换调度方法。

背景技术：

随着变电站智能化程度不断提高，变电站内需要接入的业务种类越来越多，各类业务对通信网络质量、接入位置、安全性等的要求各不相同。与此同时，变电站内存在多种类型的终端，具体包括：视频监控终端、电能数据采集终端、现场智能运维终端等，并且各个终端往往支持多种类型的业务。因此，为改变智能变电站业务对网络带宽、覆盖、质量、接入方式等无序要求给通信网络带来的重复建设和复杂运维局面，急需突破安全、可信、经济的统一通信终端接入技术。

近年来，随着便携式终端的普及和移动互联网的发展，无线接入网的重要性日渐提升，而wifi是应用在wlan通信领域中较为先进的技术之一。其中，无线接入点ap主要负责构建接入网以及网络间的通信，而终端设备要进行相互通信就必须先与ap建立关联。在智能电网多业务应用场景和无线通信环境下，无线通信有效覆盖和组网并不是简单的接入点部署工作。业务终端移动导致信号减弱，需要支持移动业务终端的无缝切换技术来保证业务接入通信。因此，需要在有限时间内完成移动业务终端的更稳定更灵敏的无缝切换，保障移动业务在切换过程中不断电、低时延的目标。

为了解现有无缝切换技术的发展状况，对已有的论文和专利进行了检索、比较和分析，筛选出如下与本发明相关度比较高的技术信息：

技术方案1：专利号为cn108738098a的《一种wlan网络多接入点间无缝切换的方法》专利，涉及一种基于sdn虚拟化技术的无线局域网多接入点间的无缝切换方法，主要通过三步完成：第一，当移动终端需要执行ap切换时，将备选ap与移动终端建立多连接；第二，sdn控制器在备选ap中选择一个最合适的ap作为待切换ap，在确定可以执行ap切换后，移动终端与该待切换ap进行数据传输；第三，移动终端保持一定时间内与原接入服务ap进行数据包传输，之后通过sdn流表控制，使得新切换的ap保持数据包传输而停止原服务ap的通信，完成一次无缝切换。由于该发明采用了虚拟化技术，所以解决了现有技术中网络易中断的问题，降低了丢包率。但也导致该发明中移动终端需要同时与多个备选ap建立连接，从而增加了切换延迟。

技术方案2：专利号为cn108235395a的《一种实现无线终端在wlan中跨信道漫游切换的方法》专利，涉及一种移动终端跨信道漫游切换的方法，主要通过四步完成：第一，无线终端在初始wifi连接时，sdn控制器在物理无线接入点ap上为其创建一个唯一的虚拟ap，用来完成无线终端与虚拟ap的认证、关联过程；第二，当sdn控制器检测到无线终端的信号强度值小于阈值时，控制器向无线终端连接的物理ap的邻居ap发送扫描请求命令。邻居ap接收到该命令后，开始监听无线终端发送的数据。在监听成功后，邻居ap向sdn控制器发送扫描响应消息；第三，sdn控制器在接收到所有邻居ap的扫描响应消息后，选取一个邻居ap作为切换目标ap，将无线终端对应的虚拟ap从原ap转移到切换目标ap；第四，sdn控制器命令原ap向所述无线终端发送信道切换通告。无线终端在接收到信道切换通告后，将自身的信道切换至目标ap的信道上，完成切换。在该发明中无线终端的切换过程时间大大缩短，实现了真正意义上的快速跨信道漫游切换的目的，但流程过于复杂、部署较为困难。

技术方案3：专利号为cn105657760a的《一种基于邻居图算法的wifi无缝切换方法》专利，涉及一种wifi无缝切换方法，主要通过五步完成：第一，建立实时更新的邻居图，包括：ap标志、ap位置、工作信道、最大流量等信息；第二，当sta信号强度减弱到门限值向ap发出切换请求时，通过一级决策筛选出候选ap，并获取候选ap的初始ap性能评估值顺序表；第三，sta根据上述初始ap性能评估值顺序表，通过发送探测请求帧的方式对候选ap进行扫描，将扫描到的候选ap的rssi和探测请求帧的响应时间发给当前ap；第四，当前ap根据初始ap性能评估值和上述ap的rssi和探测请求帧的响应时间进行二级决策，获取目标ap，并将目标ap通知给sta；第五，当前sta连接到目标ap，完成无缝切换。该发明减少了扫描信道的数量和扫描每个信道的时间，大大加快了扫描的速度，但需要记录大量的数据，同时要保证信息的实时更新。

因此如何克服现有技术的不足是目前通信技术领域亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于为了解决现有技术的不足，研究一种变电站场景下的无线通信网络切换调度方法。针对无线通信网、接入网环境中业务移动终端在移动过程中信号衰减问题，本发明利用一种面向边缘计算环境的无线通信接入网络无缝切换策略来完成无线网络的切换和基站交付。通过部署冗余“哨兵”，即虚拟接入点“主动扫描”信道，接收来自物理ap的相关信息，从而从根本上减少探测扫描阶段的时延。同时，基于边缘计算的核心内容，通过判断业务终端的移动方向，根据信号强度和终端与ap的距离等几个指标推荐最合适的ap作为交付点，在改善传统切换机制效率、防止接入点过载的同时实现切换延迟的最优化，保障负载均衡。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种面向边缘计算环境的无线通信接入网络切换调度方法，包括如下步骤：

步骤（1），建议虚拟ap，采用虚拟ap主动侦听来自其余各个信道中的所有物理ap周期性发送的信标帧，并存储侦听获取到的信息；

步骤（2），将虚拟ap与其邻居ap交换信息，之后，当前ap将交换得到的信息以信标帧的方式下发给其所连接的终端；

步骤（3），当终端因移动与当前连接的ap断开连接触发切换时，终端依据提前收集到的ap信息计算自身与ap的距离、获取邻居ap的信道号，从而只需要扫描相应的信道而不必去扫描空信道。

进一步，优选的是，信标帧包括：ap的网络参数信息、地理位置信息、qos服务等级信息以及工作的信道号。

进一步，优选的是，ap在对外广播信标帧以供终端接入时，选择性的部署部分ap作为哨兵，实时感知无线信道异常，发现非法ap并进行抑制。

进一步，优选的是，切换时，切换的目标ap挑选方法如下：

假定在t时刻，终端的位置为（），第i个ap，即的位置为（）,用表示终端与之间的距离，则有：

定义：变量作为权重因子，并做如下规定：

；

对于一次完整的wifi切换调度过程，最终的决策结果如下：

；

其中，表示的qos业务服务等级，表示的信号强度rssi值；表示相对距离可变参数，表示qos服务等级可变参数，表示接受信号强度rssi可变参数；n为ap的总个数。

最终决策结果按从大到小排序，选择值最大的ap作为终端切换的目标ap；终端当前关联的ap保存目标ap的网络参数信息；当终端与当前关联ap的信号强度持续下降直至低于rssi阈值时，当前关联的ap即将目标ap的相关信息发送给终端，终端即向最佳目标ap发送关联请求，完成一次切换。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

针对无线通信网环境中业务移动终端在移动过程中信号衰减问题以及无缝切换技术在无线接入网中的重要性，本发明利用一种无线网络无缝切换方法来完成无线通信网络的切换和基站交付。首先，提出了一种基于“哨兵”（虚拟ap）的安全快速预先动态扫描机制，通过部署冗余虚拟接入点提前获取信道中的ap信息，避免了扫描不存在ap的信道，减少了终端逐个扫描信道上所有未知ap的延迟。同时通过实时感知无线信道异常，保障了探测阶段的安全性。之后，面向边缘计算环境，根据终端的移动方向，综合考虑了终端与ap的距离、ap的qos服务等级以及ap的rssi值等影响因素，并依据不同场景设置权重因子，推荐最合适的基站作为交付点。在缩减信道扫描时延的同时保证了接入点的负载均衡。具体来说，全信道扫描算法需要依次扫描全部的13个信道，所以它的总探测时延是最高的；选择性信道扫描只需要扫描1,6,11这3个信道算法，所以其探测时延次之；而本发明提出的预先动态扫描由于不用扫描空信道，且在切换触发之前就已获取相关ap信息，所以它的总探测时延是最小的。

附图说明

图1为冗余哨兵部署模型；

图2为本发明方法流程图；

图3为ap决策结果图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

考虑到切换延迟很大程度上取决于信道扫描所花费的时延。而802.11采用的“先断后连”思想极大的限制了切换性能的提升，给切换过程带来了严重的延迟和不确定性。因此，本发明基于ieee802.11k中的邻居请求报文的思想采用了一种基于“哨兵”的安全快速预先动态扫描机制，如图1所示。

移动终端因逐渐移动临近覆盖范围的边缘，从而导致rssi低于阈值而触发切换之前，信道中部署的冗余“哨兵”，即虚拟ap主动侦听来自其余各个信道中的所有物理ap周期性发送的信标帧beacon，其中包括：ap的网络参数信息、地理位置信息、qos服务等级信息以及工作的信道号等，同时设立缓存机制将获取到的ap信息存储起来。然后，哨兵与其邻居ap交换信息，使得接入点不仅可以获取其邻居ap的工作信道集合，还可以获得尽可能多的ap信息。之后，接入点以信标帧beacon的方式将获取到的其它ap信息交付给其所连接的终端，终端从而获知周围有哪些信道存在。

当终端因移动与当前连接的ap断开连接触发切换时，终端依据提前收集到的ap信息计算自身与ap的距离、获取邻居ap的信道号，从而只需要扫描相应的信道而不必去扫描空信道。

除此之外，ap在对外广播信标帧以供终端接入时，若非法ap通过嗅探得到合法ap对外广播的ssid和bssid时，合法终端就面临着被劫持的风险。这时，哨兵机制可以通过选择性的部署部分ap作为哨兵，实时感知无线信道异常，发现非法ap并进行抑制。

详细的基于“哨兵”的安全快速预先动态扫描机制流程图如图2所示。

除了切换机制，无缝切换还需要解决另一个问题，即切换的目标ap，也就是切换调度策略。一般而言，最影响链路性能的因素是信号强度rssi的值。但是，一味地选择rssi较强的ap作为切换目标会出现多数终端集中在rssi最强的ap上而使得信号相对较差但是服务能力较好的ap处于空闲状况，从而影响移动终端用户的qos保证。基于此，本申请引入多属性判决模型，综合考虑终端的移动方向、地理位置、业务类型、qos服务等级以及rssi的值，来选择一个最优的ap进行交付。

多属性判决模型：

在决策信息的基础上，多属性效用理论的决策方法一般是在属性权重归—化后的量化属性评价值的基础上，通过决策方法的效用函数：

(1)

产生综合评价指标，再根据的值产生决策方案。其中，l表示备选决策方案的集合，m表示每个备选决策方案的多个属性的集合。效用函数体现了每个备选决策方案在相同属性条件下的优劣。针对不同形式的决策问题，决策准则也不同。为属性j的相应权重值，为第i个决策方案中的属性j的属性值。

“哨兵”在扫描阶段主动侦听获取所有ap周期性广播的其自身信息，具体如下表1所示。当终端在移动过程中触发切换时，切换调度模块根据接入点最新的地理位置和业务等级信息进行初次决策。

表1ap信息表

移动终端与接入点的距离：

假定在t时刻，终端的位置为（），第i个ap，即的位置为（）,用表示终端与之间的距离，则有：

(2)

接入点的qos业务服务等级：

用表示的qos业务服务等级。显然，与终端距离较近的ap提供服务的能力一般会优于距离较远的ap。在wlan下，终端与ap的距离应该在百米之内，同时设qos的服务等级是0-10之间的数，qos服务等级为0表示拒绝服务。考虑到数量级之间的差异对计算造成的影响，需要对做一些处理，即用来表示与距离相关的因子。

除此之外，“哨兵”在空闲时接收来自13个信道的所有ap定期发送的信标帧beacon，其中包括各个ap的rssi值，并完成存储。

定义：变量作为权重因子，并规定。表示相对距离可变参数，表示qos服务等级可变参数，表示接受信号强度rssi可变参数。则切换决策如下公式(3)所示：

(3)

对于一次完整的wifi切换调度过程，最终的决策结果如下：

(4)

其中，可根据申请服务类型的不同动态决定。最终决策结果按从大到小排序，选择值最大的ap作为终端切换的目标ap（即最优ap）。终端当前关联的ap保存目标ap的网络参数信息。当终端与当前关联ap的信号强度持续下降直至低于rssi阈值时，当前关联的ap即将切换调度策略决策出的最优ap的相关信息发送给终端，终端即向最佳目标ap发送关联请求，完成一次切换。

本发明通过部署冗余“哨兵”避免了扫描不存在ap的信道，减少了终端逐个扫描信道上所有未知ap的延迟。同时实时感知无线信道异常，保障了探测阶段的安全性。设计了一种结合边缘计算的优化的wifi切换策略，综合考虑了终端与ap的距离、ap的qos服务等级以及ap的rssi值，保证了负载均衡。

本发明提出数值结果以验证所提出的方案的性能。在仿真中，假设存在5个任意ap，并设定基于距离、qos服务等级、rssi的相关参数值，具体如下表2所示。

表2ap信息仿真参数表

基于公式4，设定的值依次为：、以及，得到距离优先、qos服务等级和仅考虑rssi值这三种情况下的ap决策结果对比如图3所示。

如图3所示，opt效用函数的值代表本申请所提出的面向边缘计算环境的无线通信接入网络切换调度策略的优化结果。opt的值越大，调度策略的性能越好，ap的选择越高效。所以，本发明所提出的通过综合考虑终端与ap的距离、ap的qos服务等级以及ap的rssi值等参数因素选择最优ap的方案要比仅考虑ap信号强度选择出的交付ap更具可靠性。除此之外，通过对比距离优先与qos服务等级优先这两种情况下的效用函数值可知，相比于ap的qos服务等级，移动终端与ap的距离更会影响最佳接入点的选择。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。