LTE-WLAN网间互通下的WLAN切换方法及装置

摘要

本发明提供了一种LTE-WLAN网间互通下的WLAN切换方法及装置，提供了当前WLAN热点至任意目标WLAN热点之间的切换通讯、当前WLAN热点经最可能切换进入的下一个WLAN热点至任意目标WLAN热点之间的切换通讯及当前WLAN热点通过LTE网络至任意目标WLAN热点的切换通讯的切换三种方法，实现了在任何情况下无线终端或移动节点均能完成从当前WLAN热点到任意目标WLAN热点的通讯切换，有效保证了切换过程中数据传输永不会中断，从而保障了QOS和网络吞吐量。

说明书

技术领域

本发明涉及通讯网络间切换连通领域，尤其是指一种LTE-WLAN网间互通 下的WLAN切换方法及装置。

背景技术

无线局域网（WLAN）设备可提供无束缚的自由移动性。WLAN利用无线 通信技术在一定的局部范围内建立网络，是计算机网络与无线通信技术相结合 的产物。它以无线多址信道作为传输媒介，提供传统有线局域网的功能，能够 使用户真正实现随时、随地、随意的宽带网络接入。WLAN技术利用电磁波在 空中发送和接收数据，使网上的计算机具有可移动性，能快速、方便地解决有 线方式不易实现的网络信道连通问题。IEEE无线局域网标准是工作在2.4GHz 开放频段的无线网络的全球标准，并于1997年6月公布了第一代无线局域网标 准802.11协议。802.11协议物理层定义了数据传输的信号特征和调制方式；媒 体访问控制层涉及空中接口通信协议等技术规范，其中包括WLAN切换的内容。 为了WLAN能有更高的数据通信带宽、更多的功能和能促使WLAN得到更快 速的发展，IEEE工作组陆续推出了IEEE 802.11a/b/g协议。WLAN网络服务质 量的不断提高无疑是WLAN得到迅速推广的关键。

无线通信技术多样化的发展趋势造就了各种异构无线网络需要共存与融合 这个必然结果。因此时下对于异构网络之间的接入与切换技术研究也在业内如 火如荼的进行中。另一方面，在LTE大规模推广与建设的今天，研究基于 LTE-WLAN等异构网络环境下的WLAN切换技术具有极其重要的现实意义。

人类的移动性规律和特点决定了无线终端设备的移动轨迹，并且这种规律 在一定的时段内将会重现和维持，那就意味着在一定的时段内无线终端将遵循 这种移动轨迹。相关文献都报道了这种移动轨迹遵从高度的时空规律，特别是 C.Marta等人在《自然》杂志发表文章"Understanding individual human mobility patterns"，Nature，Vol.453，No.7196.(June，2008)，pp.779-788。该文指出人 的活动具备高度的时空规律，那么无线终端随着移动用户（人类活动）的移动 也将具备高度的时空规律。在LTE-WLAN网络环境下无线终端的移动轨迹在一 定的时段内将符合确定的模型，在该模型下设计新的系统互通切换技术，以期 达到比现有的切换技术有更好的QOS服务保障，增加系统吞吐量和降低切换时 延的效果。

中国专利，申请号201010579057.3公开了一种WLAN切换方法和系统，其 技术核心在于，通过获取上下行链路质量结果并将最轻负荷的AP作为切换目 标。该专利技术方案虽然一定程度上改善了终端QOS，但对整体系统的网络吞 吐量提高和切换时延的减小不起作用。

中国专利，申请号201210156164.4公开了一种无线局域网WLAN切换方 法、装置及移动终端，其技术核心在于，当移动终端配置的WLAN接入模式为 自动模式且确定所述移动终端当前使用的WLAN为收费WLAN时，判断是否 满足WLAN切换条件；当判断结果为满足时，搜索当前可用的WLAN；将当前 使用的WLAN切换为搜索到的当前可用免费WLAN。但是，该专利技术方案仅 法纯粹从经济角度满足用户的需求，实现自动切换，而没有考虑切换时的网络 吞吐量、时延等其他重要因素。

中国专利，申请号200810207786.9公开了一种双射频模块WLAN终端快速 漫游的切换方法，其技术核心在于，通过对双频模块的角色分区，使得终端对 外接口一致，通过扫描过程与业务过程的物理分割来提高备份模块维护的AP集 可信度并实现漫游软切换。该专利技术方案通过双射频模块虽然在一定程度上 提高了切换准确性，但该方法中的无线终端漫游移动是无规律性的，没有考虑 无线终端移动模型和规律性，所以对提高系统的整体吞吐量、减小切换时延作 用不大。

因此，综上可见，经检索的上述专利文献而言其技术上均没有充分保障网 络吞吐量、减小切换时延，此外对网络可能存在的中断服务等影响网络QOS的 措施考虑不足，更没有考虑到无线终端其实是伴随着人类的活动规律。现有技 术中也未发现能很好同时解决上述问题的技术手段，因此亟需更好的 LTE-WLAN环境下的WLAN切换技术的方案。

发明内容

本发明的目的在于克服了上述缺陷，提供一种LTE-WLAN网间互通下的 WLAN切换方法及装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的有益效果在于提供了当前WLAN热点至任意目标WLAN热点之 间的切换通讯、当前WLAN热点经最可能切换进入的下一个WLAN热点至任 意目标WLAN热点之间的切换通讯及当前WLAN热点通过LTE网络至任意目 标WLAN热点的切换通讯的方法，实现了在任何情况下无线终端或移动节点均 能完成从当前WLAN热点到任意目标WLAN热点的通讯切换，有效保证了切 换过程中数据传输永不会中断，从而保障了QOS和网络吞吐量，并且依据前述 算法，在相应的用户移动模型下，通信资源在满足最小先验概率的前提下是预 留的，所以在一定的程度上能及时快速地完成切换任务，减小了切换时延。

附图说明

下面结合附图详述本发明的具体结构

图1为一种交叠融合的LTE-WLAN网络示意图；

图2为LTE-WLAN架构示意图；

图3为本发明的切换方法流程图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合 实施方式并配合附图详予说明。

一个交叠融合的LTE-WLAN网络，如图1所示。现行的WLAN已经大规 模部署，一个WLAN通常包含几百到数千个无线接入点（AP，Access Point）， 单个AP覆盖范围有限，通常需要部署众多的AP才构成一个WLAN，由许多的 WLAN组成交叠的WLAN，再与各种异构网络融合，特别是LTE网络的融合， 就构成LTE-WLAN网络。

WLAN和传统的有线网络不同，WLAN主要使用无线电波或红外紫外光线 等介质进行信号传输。

如图2所示，WLAN系统由无线终端或移动节点(Moblie Node，MN)、无线 接入点（AP，Access Point）、WLAN热点（WLAN Hotspot，HN）和管理与决 策实体（HNC）组成。LTE系统包括LTE基站、数据服务网关和相应的控制管 理器等，LTE中所有设备和数据传输均符合现行LTE协议标准的规定。

由此本专利设计环境就是在上述那么一个交叠融合的LTE-WLAN网络中， 区域中有许多WLAN网络并形成若干WLAN热点（WLAN Hotspot，HN），该 HN可认为是若干WLAN形成的虚拟汇聚节点。每个热点都有热点管理器 （HNC），称之为管理与决策实体。该管理器负责管理区域中出现的无线终端或 移动节点(Moblie Node，MN)，MN可分为切换离开节点和切换进入节点，切换 离开节点就是切离当前HN或者中断与当前HN的连接；切换进入节点就是从其 他HN转入当前HN的无线终端节点，或者与当前HN建立了新连接的无线终端 节点。

其中，无线终端或移动节点(Moblie Node，MN)是指具有WLAN接入功能 和LTE接入功能的智能手机、手持电脑等无线设备。WLAN热点（HN）作为 不同WLAN之间、WLAN与LTE之间的切换接口，其主要功能是对终端数据 进行路由中继转发，若只作为不同WLAN之间的路由与数据中继，那么相关的 信令和数据传输符合WLAN现行通信协议规定；若作为WLAN与LTE之间的 切换接口，那么WLAN Hotspot利用第二层隧道协议（L2TP）对信令和数据进 行封装和复原，使之能成功地在LTE上行和下行链路上传输数据。

依据人类活动规律性特征，在HNC中的初始化信息包含：

一个无线终端用户从一个HN切换至另一个HN的先验概率；及，

所有可能的MN从一个HN切换至另一个HN的先验平均概率。

很显然，对于越近的可接入HN，无线终端切进该HN的概率越大。上述所 有的先验概率信息储存于HNC中。

现某个区域中有k个HN构成一个骨干网络Ω，即Ω={HN₁,HN₂,...,HN_k}。在 所有可能的终端节点从当前WLAN热点（HN/_i）切换至任意目标WLAN热点 （HN_j）的过程中，定义：

P_ij:节点从HN_i切换离开的平均概率

表示节点切换进入HN_j的平均概率

P_i^d表示移动终端节点从当前的HN_i断开的平均概率

P_i^c表示移动终端用户与当前HN_i重连的平均概率

p_ij表示单个终端节点从HN_i切换至HN_j的概率

p_ii就表示单个终端节点从当前的HN_i断开的概率

表示HN_i中为一个终端建立一个新连接而需要的最小资源代价

表示移动终端用户从HN_i切换至HN_j的最大时延

表示HN_i触发处理用户一个连通服务请求的最小概率；

表示HN_i触发处理用户一个中断服务请求的最小概率

表示用户切换离开HN_i后，在平均概率的意义上最有可能切换进入的 下一个HN；如果满足条件的下一个HN不止一个，那么将从中随机挑选一个。

为了不影响网络吞吐量，上述HN_i网络生命周期内的可用资源必须大于等于

而，是一种时间门限，一旦切换连接的时间越过该门限值，那么用户进 入HN_j的可能性将变得很小，或者说HN_j为该用户保留通信资源的概率将很小， 也就是说，若此时有别的新用户请求进入，那么就将资源分配予新用户。

参见图3，本发明提供的一种LTE-WLAN网间互通下的WLAN切换方法及 装置，包括：

当前WLAN热点至任意目标WLAN热点之间的切换通讯，包括步骤

A1）、判断无线终端或移动节点是当前WLAN热点的新用户还是老用户， 继续步骤；

作为使用概率门限制的一种方案此处判断无线终端或移动节点是当前 WLAN热点的新用户还是老用户，若是新用户则设定x＞0，若是老用户，则设 定x<0；

A2）、通过计算得到用户切换进入任意WLAN热点有效的平均概率；

对应上述概率门限制的方案，此处通过计算得 到用户切换进入任意WLAN热点有效的平均概率；

式中，$\mathrm{Sign}\left(x\right)=\left(\begin{array}{cc}1& x>0\\ 0& x<0\end{array}\right),$由于对于新、老客户而言都有离开和进入两种状态，因 此此处

A3）、判断切换时延是否超过移动终端用户从当前WLAN热点至任意目标 WLAN热点的最大时延超过则跳至执行当前WLAN热点通过LTE网络至 任意目标WLAN热点的切换通讯，否则继续步骤；

A4）、比较即用户切换进入任意WLAN热点HN_j有效的平均概率 是否不小于当前WLAN热点触发处理用户一个中断服务请求的最小概率，若是 则根据当前WLAN热点中为一个终端建立一个新连接而需要的最小资源代价向 任意目标WLAN热点发出最小资源请求，否则跳至执行当前WLAN热点经 最可能切换进入的下一个WLAN热点至任意目标WLAN热点之间的切换通讯；

A5）、比较即用户切换进入任意WLAN热点HN_j有效的平均概率 是否不小于当前WLAN热点触发处理用户一个连通服务请求的最小概率，若是 则继续步骤，否则跳至执行当前WLAN热点经最可能切换进入的下一个WLAN 热点至任意目标WLAN热点之间的切换通讯；

A6）、判断任意目标WLAN热点HN_j是否预留有通讯资源，是则接入授权 并结束切换，否则尝试进行通讯资源申请，申请成功则接入授权并结束切换， 失败则跳至执行当前WLAN热点经最可能切换进入的下一个WLAN热点至任 意目标WLAN热点之间的切换通讯。

上述方法充分保障了网络QOS和不降低吞吐量，因为即使无线终端或移动 节点MN在某些时刻处于任意目标WLAN热点HN_j的服务盲区，由上述方法也 能保证它们之间数据传输的流畅。另外依据前述算法，通信资源是预留的，所 以在充分保障了网络QOS和不降低吞吐量的情况下，亦减小了切换时延。

在移动用户MN由当前WLAN热点HN_i切换至任意目标WLAN热点HN_j的 过程中，前WLAN热点的热点管理器HNC_i同时在接收来自任意目标WLAN热 点HN_j的信息直至MN进入任意目标WLAN热点HN_j；完成切换后，前WLAN 热点的热点管理器HNC_i向其它的HN发送一个控制信息，该控制信息通知其它 的HN释放掉先前为MN预留的通信资源。

当前WLAN热点经最可能切换进入的下一个WLAN热点至任意目标 WLAN热点之间的切换通讯，包括，

由当前WLAN热点和最可能切换进入的下一个WLAN热点的热点管理器 控制下由最可能切换进入的下一个WLAN热点中继转发通讯进行切换的步骤。

具体的包括步骤，

B1）、无线终端或移动节点的服务网络是当前WLAN热点，在当前WLAN 热点的热点控制器控制下，向最可能切换进入的下一个WLAN热点发出中继切 换请求并等待最可能切换进入的下一个WLAN热点所在的热点管理器做出接纳 切换响应和中继请求响应；

由于最可能切换进入的下一个WLAN热点所在的热点管理器中储存有先前 的相关先验概率信息，由于是最优的切换触发条件，所以此处其能迅速做出接 纳切换响应和中继请求响应；

B2）、当前WLAN热点收到最可能切换进入的下一个WLAN热点的接纳切 换响应和中继请求响应后将切换指令发送给无线终端或移动节点，无线终端或 移动节点完成向最可能切换进入的下一个WLAN热点的切换；

B3）、最可能切换进入的下一个WLAN热点在其所在的热点管理器控制下 向任意目标WLAN热点发出切换请求；等待任意目标切换WLAN热点做出接 纳切换响应；

此步骤中，由于最可能切换进入的下一个WLAN热点所在的热点管理器储 存有先前的相关先验知识和中继路由信息，且其具有学习记忆功能，所以能迅 速搜索到任意目标WLAN热点并向它们发送切换请求；需要说明的是，此处的 先验知识是关于目的端的。而前述的先验概率则是关于源端的，因此两者并不 同。

此外由于也是最优的切换触发条件，所以任意目标切换WLAN热点能迅速 做出接纳切换响应；

B4)、最可能切换进入的下一个WLAN热点收到任意目标WLAN热点的接 纳切换响应后将切换指令发送给无线终端或移动节点，无线终端或移动节点在 最可能切换进入的下一个WLAN热点的中继下完成向目标WLAN热点的切换；

B5）、无线终端或移动节点完成切换后向最可能切换进入的下一个WLAN 热点、任意目标WLAN热点及其热点管理器发送切换确认消息，结束切换。

当前WLAN热点通过LTE网络至任意目标WLAN热点的切换通讯，包括 步骤，

C1）、当无线终端或移动节点的服务网络是当前WLAN热点时，当前WLAN 热点的热点控制器检测到LTE网络基站的信号；

C2）、根据当前WLAN热点的热点管理器HNC_i设定的算法规则（包括触发 条件、最小资源需求、最小概率等），通过当前WLAN热点将无线终端或移动 节点的切换请求发送给LTE基站；

C3）、LTE基站根据自身的负载平衡和通信资源情况做出接纳切换请求与否 的响应反馈；

C4）、当前WLAN热点收到LTE基站的响应反馈后将切换指令发送给无线 终端或移动节点；

C5）、无线终端或移动节点完成切换后向当前WLAN热点及其热点管理器 和LTE基站发送切换确认消息；

C6）、当无线终端或移动节点的服务网络是LTE网络时，任意目标WLAN 热点的热点控制器检测到LTE网络基站的信号；

C7）、根据任意目标WLAN热点的热点管理器设定的算法规则（包括触发 条件、最小资源需求、最小概率等），通过LTE基站将无线终端或移动节点的切 换请求发送给HN_j；

C8）、任意目标WLAN热点根据自身的负载平衡和通信资源情况做出接纳 与否的响应反馈；

C9）、LTE基站收到任意目标WLAN热点的响应反馈后将切换指令发送给 无线终端或移动节点MN；

C10）、无线终端或移动节点完成切换后向LTE基站、当前WLAN热点及其 热点管理器发送切换确认消息，结束切换。

经过以上切换步骤，从而将MN由HN_i切换至LTE网络，使其在LTE网络 中进行数据传输，并通过LTE网络切换至HN_j。这就意味着在WLAN由于切换 门限值原因而中断的数据传输得以延续，也保障了网络服务质量和吞吐量。

而对于当前WLAN热点切换进入的下一个最可能切换进入的下一个 WLAN热点时的切换通讯，则是在最优触发切换条件下，是最自然、最容易的 通讯切换，即上述切换发生时候，如果与MN间发生数据传输任务，则这 种数据传输正好得到加速，提高传输有效性。

通过上述步骤，从而实现了在任何情况下MN均完成从当前WLAN热点到 任意目标WLAN热点的通讯切换，有效保证了切换过程中数据传输永不会中断， 从而保障了QOS和网络吞吐量，并且依据前述算法，在相应的用户移动模型下， 通信资源在满足最小先验概率的前提下是预留的，所以在一定的程度上能及时 快速地完成切换任务，减小了切换时延。

本发明还提供了一种LTE-WLAN网间互通下的WLAN切换装置，它包括 有：

当前WLAN热点至任意目标WLAN热点之间的切换通讯模块，包括，

新老客户识别单元，用于判断无线终端或移动节点是当前WLAN热点的新 用户还是老用户；较佳的，其用于判断无线终端或移动节点若是新用户则设定 x＞0，若是老用户，则设定x<0，转到切换概率计算单元；

切换概率计算单元，用于根据判断的新客户或者老客户通过计算得到用户 切换进入任意WLAN热点有效的平均概率；

对应上述新老客户识别单元的最佳实施例，本切换概率计算单元中，通过 计算得到用户切换进入任意WLAN热点有效的平均 概率；

式中，表示节点切换进入任意目标WLAN的平均概率，

P_ij表示节点从当前WLAN热点切换离开的平均概率，

$\mathrm{Sign}\left(x\right)=\left(\begin{array}{cc}1& x>0\\ 0& x<0\end{array}\right),$而其中，

表示当前WLAN热点触发处理用户一个连通服务请求的最小概率，

表示当前WLAN热点触发处理用户一个中断服务请求的最小概率。

最大时延判断单元，用于判断切换时延是否超过移动终端用户从当前 WLAN热点至任意目标WLAN热点的最大时延，超过则转到当前WLAN热点 通过LTE网络至任意目标WLAN热点的切换通讯模块，否则转到概率比较一单 元；

概率比较一单元，用于接收最大延时判断单元的转入，然后比较用户切换 进入任意WLAN热点有效的平均概率是否不小于当前WLAN热点触发处理用 户一个中断服务请求的最小概率，若是则根据当前WLAN热点中为一个终端建 立一个新连接而需要的最小资源代价向任意目标WLAN热点发出最小资源请 求，否则转到当前WLAN热点经最可能切换进入的下一个WLAN热点至任意 目标WLAN热点之间的切换通讯模块；

概率比较二单元，用于比较用户切换进入任意WLAN热点有效的平均概率 是否不小于当前WLAN热点触发处理用户一个连通服务请求的最小概率，若是 则转到资源判断单元，否则转到当前WLAN热点经最可能切换进入的下一个 WLAN热点至任意目标WLAN热点之间的切换通讯模块；

资源判断单元，用于判断任意目标WLAN热点是否预留有通讯资源，是则 接入授权并结束切换，否则尝试进行通讯资源申请，申请成功则接入授权并结 束切换，失败则转到当前WLAN热点经最可能切换进入的下一个WLAN热点 至任意目标WLAN热点之间的切换通讯模块；

当前WLAN热点经最可能切换进入的下一个WLAN热点至任意目标 WLAN热点之间的切换通讯模块，用于由当前WLAN热点和最可能切换进入的 下一个WLAN热点的热点管理器控制下由最可能切换进入的下一个WLAN热 点中继转发通讯进行切换；具体包括：

第一切换发送单元，用于当无线终端或移动节点的服务网络是当前WLAN 热点，在当前WLAN热点的热点控制器控制下，向最可能切换进入的下一个 WLAN热点发出中继切换请求并等待其做出接纳切换响应和中继请求响应；

第一切换单元，用于在当前WLAN热点收到最可能切换进入的下一个 WLAN热点的接纳切换响应和中继请求响应后将切换指令发送给无线终端或移 动节点，无线终端或移动节点完成向最可能切换进入的下一个WLAN热点的切 换；

第二切换发送单元，用于当无线终端或移动节点切换进入的下一个WLAN 热点后，在最可能切换进入的下一个WLAN热点在其所在的热点管理器控制下 向任意目标WLAN热点发出切换请求；等待任意目标切换WLAN热点做出接 纳切换响应；

第二切换单元，用于在向任意目标WLAN热点发出切换请求后，最可能切 换进入的下一个WLAN热点收到任意目标WLAN热点的接纳切换响应后将切 换指令发送给无线终端或移动节点，无线终端或移动节点在最可能切换进入的 下一个WLAN热点的中继下完成向目标WLAN热点的切换；

切换确认单元，用于在最可能切换进入的下一个WLAN热点的中继下完成 向目标WLAN热点的切换后向最可能切换进入的下一个WLAN热点、任意目 标WLAN热点及其热点管理器发送切换确认消息，结束切换。

当前WLAN热点通过LTE网络至任意目标WLAN热点的切换通讯模块， 包括，

LTE网络检测单元，用于当无线终端或移动节点的服务网络是当前WLAN 热点时，当前WLAN热点的热点控制器检测到LTE网络基站的信号；

LTE网络请求单元，用于当检测到LTE网络基站的信号后无线终端或移动 节点的切换请求根据当前WLAN热点的热点管理器设定的算法规则，通过当前 WLAN热点将该请求发送给LTE基站；

LTE网络响应单元，用于当接收到请求后LTE基站根据自身的负载平衡和 通信资源情况做出接纳与否的响应反馈；

LTE指令发送单元，用于当前WLAN热点收到LTE基站的响应反馈后将切 换指令发送给无线终端或移动节点；

LTE切换确认单元，用于无线终端或移动节点完成切换后向当前WLAN热 点及其热点管理器和LTE基站发送切换确认消息；

WLAN检测单元，用于当无线终端或移动节点的服务网络是LTE网络时， 任意目标WLAN热点的热点控制器检测到LTE网络基站的信号后转到WLAN 请求单元；

WLAN请求单元，用于无线终端或移动节点的切换请求根据任意目标 WLAN热点的热点管理器设定的算法规则，通过LTE基站将该请求发送给任意 目标WLAN热点的热点；最佳的，算法规则包括触发条件、最小资源需求、最 小概率。

WLAN响应单元，用于当收到请求后，任意目标WLAN热点根据自身的负 载平衡和通信资源情况做出接纳与否的响应反馈；

WLAN指令发送单元，用于当LTE基站收到任意目标WLAN热点的响应 反馈后将切换指令发送给无线终端或移动节点；

WLAN切换确认单元，用于当无线终端或移动节点完成切换后向LTE基站、 当前WLAN热点及其热点管理器发送切换确认消息，结束切换。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利 用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运 用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。