一种基于双无线网卡的工业移动网络AP切换方法

摘要

本发明提供了一种基于双无线网卡的AP切换方法，由移动终端主动扫描AP信号强度，然后将扫描到的信号强度与当前接入AP的信号强度进行比较，如果信号强度大于当前AP信号强度，则开始切换，否则继续扫描直至成功切换为止。为了降低切换时延，针对工业应用场景中移动路线基本固定的特点，本发明提出了预学习机制，即在正式应用前，对应用场景的AP位置、切换顺序等信息进行学习，并存储到终端节点，以便正式应用中进行有针对性的扫描和切换。本发明解决了工业移动网络场景下的AP快速切换问题；采用双无线网卡实现无中断切换；针对特定的工业应用场景，采用预学习机制，进一步降低扫描时延。

说明书

技术领域

本发明涉及工业移动网络的AP切换领域，具体的说是一种基于双无线网卡 的工业移动网络AP切换方法。

背景技术

随着控制、通信、计算机、网络等技术的飞速发展，企业的信息集成技术 得到快速发展，涵盖从工厂的现场控制到产品的存储运输过程中。工业网络在 提高生产速度、管理生产过程、合理高效加工等领域起到越来越关键的作用。 近年来，以太网进入工业控制领域，出现了大量基于以太网的工业控制网络。 同时，随着无线技术的发展，基于无线的工业控制网络逐渐兴起。

WiFi技术因其成本低廉、部署快捷等优点而得到广泛应用，基于WiFi的工 控网络研究也已经开展。针对终端节点移动而造成的切换问题，802.11标准并 没有做出明确规定，而由各WiFi设备厂家自行实现。虽然最新802.11r标准细 化AP间切换的技术规范，但它仅描述移动终端(MN)从断开与原AP连接到 接入新AP的切换过程。由于WiFi覆盖范围有限，在移动应用领域中，终端用 户将频繁地由一个AP切换到另一个AP，因此如何实现快速自主的AP间切换 成为WiFi进一步发展和应用的关键。

当数据包在网络中传输的时候，组成有线网络基础构架的交换机需要时间 来学习每个MAC地址的位置，然后决定数据的交换路径。在快速移动的应用场 景下，移动终端发送和接收数据的过程中，终端需要在多个WiFi节点之间不断 的快速切换。当移动终端的WiFi网络连接已经跳转的时候，去往移动终端的数 据流仍将指向错误的目标地址，这种情况会一直持续直到交换机学习到该移动 终端新的位置，这将导致最终用户的数据流持续中断。为了保证移动终端在WiFi 节点之间的及时切换，系统需要进行持续的扫描。当速度增加的时候，切换时 间就会成为一个主要的问题。研究结果表明，AP间切换延迟至少在数百ms以 上，并且90％以上的延迟来源于扫描阶段，而认证和关联所消耗的时间还不到 10％，为此尽量降低扫描时延才能给实现AP快速切换。

随着WiFi移动应用研究的不断深入，自主AP间切换吸引越来越多的关注， 但是研究发现WiFi还不能实现快速自主的AP间切换。

发明内容

针对基于WiFi的工业网络存在的切换问题，本发明提出了一种基于双无线 网卡的工业移动网络AP切换方法，采用双无线网卡硬件设备和预学习机制来降 低切换时延，以满足工业网络的无中断传输的需求。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于双无线网卡的工业 移动网络AP切换方法，包括以下步骤：

步骤1：在学习过程中，移动终端将移动轨迹上扫描到的AP基本信息及切 换顺序进行存储，并保存到移动终端的存储单元中；

步骤2：在移动终端不断移动的过程中，不断向周围发送探测包，如果收到 反馈信息，则证明进入其他AP覆盖范围；

步骤3：当扫描到新的AP接入点时，移动终端调用历史存储信息，判断下 一跳应该切换到哪个AP，然后针对下一跳AP进行信号强度扫描，实时监测该 AP信号强度，并与当前AP信号强度比较；

步骤4：当下一跳AP信号强度大于当前接入的AP的信号的强度时，则触 发切换算法，即通过bonding技术将双无线网卡的功能进行调换；

步骤5：修改移动终端的路由表，并给控制器发送成功切换消息；

步骤6：控制器接收到成功切换消息后，修改相应的流表，并将信息存储到 控制器的拓扑信息中；

步骤7：当移动终端移动到原AP覆盖范围外，终端的双网卡处于冗余备份 功能状态，即只有一个网卡处于活动，当一个down机后另一个马上由备份转为 活动状态，直到扫描到新的AP后，进入下一次切换过程。

所述学习过程记录AP的基本信息包括：AP相对位置，AP的SSID，AP的 地址，AP的信道。

所述步骤4中切换的时机为：

由于AP覆盖范围有限，因此快速移动的终端节点位于每个AP覆盖范围内 的时间很短，当移动终端节点扫描到新的AP后，则进入信号强度比较阶段，当 NAP信号强度大于等于OAP时，则进行切换，连接到下一跳AP接入点。

所述切换包含了三个阶段：切换准备阶段、切换阶段、切换完成；

切换准备阶段是MN与OAP传输数据的过程中发现新的AP信号，然后查 询NAP使用的信道，并针对特定信道对NAP的信号强度进行扫描，并与OAP 信号强度进行实时比较。切换阶段是MN扫描到NAP的信号强度大于等于OAP 时，MN向NAP发送认证、关联消息，成功接受响应消息后，MN向控制器发 送切换请求，控制器确认切换后，下发修改流表命令；响应AP节点修改完流表 后则切换完成，可以正常传输数据。

所述AP和移动终端根据不同天线的特性有多种天线组合，包括AP全向天 线/MN定向天线、AP定向天线/MN全向天线、AP定向天线/MN定向天线。

所述移动终端采用双无线网卡.

所述移动终端与相邻AP之间通信的信道不重叠。

本发明具有以下优点及有益效果：解决了基于SDN工业回程网的AP切换问 题，实现了不同接入点间的快速无缝切换。本发明采用双无线网卡机制和 bonding技术，为不同的网卡分配不同的任务，并不断切换双网卡间的工作状态， 以实现无缝软切换。通过预学习机制，明确了下一跳的切换目标，避免了由反 射折射等造成切换过程中的乒乓效应。另外，本发明提出了针对工业应用场景 的切换时机决策算法和无重叠软切换信道分配机制。这些机制能够极大的降低 切换时延和丢包率，满足工业场景的应用需求。

附图说明

图1为本发明的工业回程网示意图；

图2为本发明的切换决策算法示意图；

图3为本发明的切换过程时序图；

图4为本发明的无重叠信号分配示意图；

图5为本发明的切换流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明在工业移动网络体系架构中实现无中断切换方法，该工业移动网络 架构是基于SDN的工业回程网架构，体系结构如图1所示。基于SDN的工业 回程网支持openflow协议，通过流表实现数据的存储转发。移动终端节点通过 WiFi与AP相连，由于AP覆盖范围有限，移动终端需要不断的在各个AP间进 行切换。

本发明包括预学习机制、切换时机决策方法、无重复信道分配机制和整体 切换流程等，接下来将逐一详细记述。

1.预学习机制

本发明提出的预学习机制，针对工业应用场景的移动路线基本固定的特点， 将AP的基本信息，终端的切换顺序等存储到终端移动终端中。针对特定的切换 目标AP进行扫描，获取下一跳接入AP的信号强度，为切换决策算法做准备。

预学习过程指的是移动终端未正式工作前，在轨迹上进行的测试过程。由 于该应用针对的工业场景的特点，AP位置相对固定，AP使用的信道也固定。 学习过程主要是侧重于记录AP的基本信息，主要包括：AP相对位置，AP的 SSID，AP的地址，AP的信道。AP信息由终端MN保存维护。信息格式如下：

编号 SSID IPaddress MACaddress channel NextAP 1 AP1 192.168.2.4 8C-89-A5-C1-9D-5A 1 AP2 2 AP2 192.168.2.6 8C-89-A5-D6-3C-7B 6 AP3 3 AP3 192.168.2.8 8C-89-A5-B2-2A-4D 1 AP4

实际切换过程中通过对MN(移动终端)中保存的AP信息进行利用，可以 很快的发现切换目标AP，如此可以进一步降低切换时延。实际工作中切换和数 据传输是通过两个并行的天线实现的，具体实现方法会在下文中详细记述。

2.切换时机决策机制

本发明提出了切换时机决策算法，研究切换的触发时机，提出的切换时机 决策算法是基于主动扫描方法的，考虑到移动终端与AP接收信号强度的变化， 以及移动终端切换的历史信息和当前移动终端接收到AP的信号强度，既可以确 保切换及时完成，同时减少切换过程中的乒乓效应。

本发明是基于双无线网卡的软切换方法，因此需要选择合适的软切换信道 分配机制，本发明中采用无重叠信道分配机制。由于AP和MN的射频模块都可 以选择全向天线和定向天线，根据不同天线的特性，可以有多种组合。包括AP 全向天线/MN定向天线、AP定向天线/MN全向天线、AP定向天线/MN定向天 线。前两种信道分配机制方式对于MN上两块无线网卡的相对位置都有要求， 当移动终端运动速度增大时，要求双网卡的间距也增大。因此，前两种信道分 配机制不适合MN的单体体积较小的情况。AP定向天线/MN定向天线机制可以 用于MN体积较小、两天线间距很小的场合。

由于AP的覆盖范围有限，通常只有几百米，快速移动的终端节点位于每 个AP覆盖范围内的时间很短，当MN离开当前接入点(OldAP,OAP)一定距 离时，就需要进入切换状态，并且在彻底离开OAP的覆盖范围前完成切换，连 接到下一跳接入点(NextAP,NAP)。切换时机决策就是研究移动终端何时触发 切换最有利于实现快速切换。

若切换开始过晚，即MN离开OAP的距离过大时才开始切换，则在切换完 成之前，OAP可能已经不能为MN提供可靠的无线连接，此时系统会断连，切 换失败，造成数据丢失严重。切换也并非越早开始越好，如果在试图切换时， NAP信号还不足够强，不能确定NAP，需要重复进行邻居AP发现，花费大量 的时间，也会增加切换延时。因此，选择合适的切换时机对于成功完成切换并 降低切换时延有着重要意义，附图2给出切换时机决策示意图。

附图3给出了MN在OAP与NAP间进行切换的过程。切换包含了三个阶 段：切换准备阶段、切换阶段、切换完成。鉴于本发明采用了预学习机制和双 网卡硬件设备，NAP是明确的，且终端过程中MN与外网始终处于连接状态， 因此不会出现乒乓切换和连接中断的情况。本发明采用信号强度比较法进行切 换决策，当NAP的信号强度大于OAP时则果断进行切换。这种方法虽然简单， 但是针对本发明所考虑的应用场景算法效率很高，并且不会影响切换效果。

3.无重叠信道分配机制

鉴于切换时延主要由扫描时延构成，本方案中采用无重叠信道分配机制， 减少扫描信道数，进而减少切换时延。本方案采用双链路软切换，因此MN上 需要配备两块无线网卡以提供两条无线链路，AP可以是支持IEEE802.11协议的 标准设备。

由于AP和MN的射频模块都可以选择全向天线和定向天线，根据不同天 线的特性，可以有多种组合。包括AP全向天线/MN定向天线、AP定向天线/MN 全向天线、AP定向天线/MN定向天线。前两种信道分配机制方式对于MN上两 块无线网卡的相对位置都有要求，即必须有足够完成一次切换的间距。当MN 以40km/h的时速运动时，采用快速切换算法，一次切换时延约为200毫秒，在 切换期间MN行进约2米，即要求两天线间的距离至少为2米；当MN的运动 时速增大时，要求双网卡的间距更大。因此，上述两种信道分配机制不适合MN 的单体体积较小的情况。AP定向天线/MN定向天线机制可以用于MN体积较小、 两天线间距很小的场合。

附图4中AP的定向天线采用了不同的方向：AP1、AP3、AP5……AP2n+1 的定向天线朝向与MN的运动方向一致，其信号覆盖区域用实线表示，采用信 道1；AP2、AP4、AP6……AP2n的定向天线朝向与MN的运动方向相反，其信 号覆盖区域用虚线表示，采用信道6。相邻AP间的距离基本相等，天线方向相 同的AP之间覆盖区域不重叠，而相邻且天线不同向的AP之间覆盖区域部分重 叠。

MN的无线网卡N1的天线方向与其移动的方向一致，N2的天线方向与其 移动方向相反。要求N1只能与AP2n(n是正整数)相连接，N2只能与AP2n-1 (n是正整数)相连接，此时N1与N2的切换不是自动检测完成，而需要进行 控制。

当MN在如图位置时，N1与AP4连接，N2与AP1连接。当MN继续向 图示方向移动时，切换过程如下：

1)当MN到达AP3所在的位置时，N2移出AP1的信号覆盖范围，进入 AP3的信号覆盖范围，N2从AP1切换到AP3，切换过程在MN经过图中竖线 的阴影部分期间完成。此时，AP4的信号在增强中，N1保持与AP4的连接。

2)当MN到达AP4所在的位置时，N1移出AP4的信号覆盖范围，进入 AP6的信号覆盖范围，N1从AP4切换到AP6，切换过程在MN经过图中横线 的阴影部分期间完成。此时，AP3的信号强度足够保持与N2的连接。

4.切换步骤：如图5所示。

步骤1：学习过程中，移动终端将移动轨迹上扫描到的AP基本信息及切换 顺序进行存储，并保存到特定的存储单元中，以备正式工作过程中的调用；

步骤2：移动终端不断移动，采用主动扫描方法，不断向周围发送探测包， 如果收到反馈信息，则证明进入其他AP覆盖范围；

步骤3：当扫描到新的AP接入点时，移动终端调用历史存储信息，判断下 一跳应该切换到哪个AP，然后针对特定AP进行信号强度扫描，实时监测该AP 信号强度，并与当前AP信号强度比较；

步骤4：当下一跳AP信号强度大于当前接入的AP的信号的强度时，则触 发切换算法，即通过bonding技术将双无线网卡的功能进行调换；

步骤5：修改终端节点的路由表，并给控制器发送成功切换消息；

步骤6：控制器接收到成功切换消息后，修改相应的流表，并将信息存储 到控制器的拓扑信息中；

步骤7：当移动终端移动到原AP覆盖范围外，终端的双网卡处于冗余备份 功能状态，即只有一个网卡处于活动，当一个down机后另一个马上由备份转为 活动状态，直到扫描到新的AP后，进入下一次切换过程。