一種基于雙無(wú)線網(wǎng)卡的工業(yè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)ap切換方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工業(yè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的AP切換領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種基于雙無(wú)線網(wǎng)卡的工 業(yè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)AP切換方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著控制、通信、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的飛速發(fā)展，企業(yè)的信息集成技術(shù)得到快速 發(fā)展，涵蓋從工廠的現(xiàn)場(chǎng)控制到產(chǎn)品的存儲(chǔ)運(yùn)輸過(guò)程中。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)在提高生產(chǎn)速度、管理生 產(chǎn)過(guò)程、合理高效加工等領(lǐng)域起到越來(lái)越關(guān)鍵的作用。近年來(lái)，以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域， 出現(xiàn)了大量基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，隨著無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，基于無(wú)線的工業(yè)控制 網(wǎng)絡(luò)逐漸興起。
[0003] WiFi技術(shù)因其成本低廉、部署快捷等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，基于WiFi的工控網(wǎng)絡(luò) 研究也已經(jīng)開展。針對(duì)終端節(jié)點(diǎn)移動(dòng)而造成的切換問(wèn)題，802. 11標(biāo)準(zhǔn)并沒有做出明確規(guī)定， 而由各WiFi設(shè)備廠家自行實(shí)現(xiàn)。雖然最新802. llr標(biāo)準(zhǔn)細(xì)化AP間切換的技術(shù)規(guī)范，但它 僅描述移動(dòng)終端（MN)從斷開與原AP連接到接入新AP的切換過(guò)程。由于WiFi覆蓋范圍有 限，在移動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域中，終端用戶將頻繁地由一個(gè)AP切換到另一個(gè)AP，因此如何實(shí)現(xiàn)快速 自主的AP間切換成為WiFi進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵。
[0004] 當(dāng)數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臅r(shí)候，組成有線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)構(gòu)架的交換機(jī)需要時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí) 每個(gè)MAC地址的位置，然后決定數(shù)據(jù)的交換路徑。在快速移動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)景下，移動(dòng)終端發(fā) 送和接收數(shù)據(jù)的過(guò)程中，終端需要在多個(gè)WiFi節(jié)點(diǎn)之間不斷的快速切換。當(dāng)移動(dòng)終端的 WiFi網(wǎng)絡(luò)連接已經(jīng)跳轉(zhuǎn)的時(shí)候，去往移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)流仍將指向錯(cuò)誤的目標(biāo)地址，這種情 況會(huì)一直持續(xù)直到交換機(jī)學(xué)習(xí)到該移動(dòng)終端新的位置，這將導(dǎo)致最終用戶的數(shù)據(jù)流持續(xù)中 斷。為了保證移動(dòng)終端在WiFi節(jié)點(diǎn)之間的及時(shí)切換，系統(tǒng)需要進(jìn)行持續(xù)的掃描。當(dāng)速度增 加的時(shí)候，切換時(shí)間就會(huì)成為一個(gè)主要的問(wèn)題。研究結(jié)果表明，AP間切換延遲至少在數(shù)百 ms以上，并且90%以上的延遲來(lái)源于掃描階段，而認(rèn)證和關(guān)聯(lián)所消耗的時(shí)間還不到10%， 為此盡量降低掃描時(shí)延才能給實(shí)現(xiàn)AP快速切換。
[0005] 隨著WiFi移動(dòng)應(yīng)用研究的不斷深入，自主AP間切換吸引越來(lái)越多的關(guān)注，但是研 究發(fā)現(xiàn)WiFi還不能實(shí)現(xiàn)快速自主的AP間切換。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)基于WiFi的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)存在的切換問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于雙無(wú)線網(wǎng)卡 的工業(yè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)AP切換方法，采用雙無(wú)線網(wǎng)卡硬件設(shè)備和預(yù)學(xué)習(xí)機(jī)制來(lái)降低切換時(shí)延，以 滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)中斷傳輸?shù)男枨蟆?br>[0007] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種基于雙無(wú)線網(wǎng)卡的工業(yè)移動(dòng)網(wǎng) 絡(luò)AP切換方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟1 :在學(xué)習(xí)過(guò)程中，移動(dòng)終端將移動(dòng)軌跡上掃描到的AP基本信息及切換順序 進(jìn)行存儲(chǔ)，并保存到移動(dòng)終端的存儲(chǔ)單元中；
[0009] 步驟2 :在移動(dòng)終端不斷移動(dòng)的過(guò)程中，不斷向周圍發(fā)送探測(cè)包，如果收到反饋信 息，則證明進(jìn)入其他AP覆蓋范圍；
[0010] 步驟3 :當(dāng)掃描到新的AP接入點(diǎn)時(shí)，移動(dòng)終端調(diào)用歷史存儲(chǔ)信息，判斷下一跳應(yīng)該 切換到哪個(gè)AP，然后針對(duì)下一跳AP進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度掃描，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該AP信號(hào)強(qiáng)度，并與當(dāng)前 AP信號(hào)強(qiáng)度比較；
[0011] 步驟4 :當(dāng)下一跳AP信號(hào)強(qiáng)度大于當(dāng)前接入的AP的信號(hào)的強(qiáng)度時(shí)，則觸發(fā)切換算 法，即通過(guò)bonding技術(shù)將雙無(wú)線網(wǎng)卡的功能進(jìn)行調(diào)換；
[0012] 步驟5 :修改移動(dòng)終端的路由表，并給控制器發(fā)送成功切換消息；
[0013] 步驟6 :控制器接收到成功切換消息后，修改相應(yīng)的流表，并將信息存儲(chǔ)到控制器 的拓?fù)湫畔⒅校?br>[0014] 步驟7 :當(dāng)移動(dòng)終端移動(dòng)到原AP覆蓋范圍外，終端的雙網(wǎng)卡處于冗余備份功能狀 態(tài)，即只有一個(gè)網(wǎng)卡處于活動(dòng)，當(dāng)一個(gè)down機(jī)后另一個(gè)馬上由備份轉(zhuǎn)為活動(dòng)狀態(tài)，直到掃 描到新的AP后，進(jìn)入下一次切換過(guò)程。
[0015] 所述學(xué)習(xí)過(guò)程記錄AP的基本信息包括：AP相對(duì)位置，AP的SSID，AP的地址，AP的 信道。
[0016] 所述步驟4中切換的時(shí)機(jī)為：
[0017] 由于AP覆蓋范圍有限，因此快速移動(dòng)的終端節(jié)點(diǎn)位于每個(gè)AP覆蓋范圍內(nèi)的時(shí)間 很短，當(dāng)移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)掃描到新的AP后，則進(jìn)入信號(hào)強(qiáng)度比較階段，當(dāng)NAP信號(hào)強(qiáng)度大于等 于0AP時(shí)，則進(jìn)行切換，連接到下一跳AP接入點(diǎn)。
[0018] 所述切換包含了三個(gè)階段：切換準(zhǔn)備階段、切換階段、切換完成；
[0019] 切換準(zhǔn)備階段是麗與0AP傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)新的AP信號(hào)，然后查詢NAP使 用的信道，并針對(duì)特定信道對(duì)NAP的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行掃描，并與0AP信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)比較。 切換階段是MN掃描到NAP的信號(hào)強(qiáng)度大于等于0AP時(shí)，MN向NAP發(fā)送認(rèn)證、關(guān)聯(lián)消息，成 功接受響應(yīng)消息后，MN向控制器發(fā)送切換請(qǐng)求，控制器確認(rèn)切換后，下發(fā)修改流表命令；響 應(yīng)AP節(jié)點(diǎn)修改完流表后則切換完成，可以正常傳輸數(shù)據(jù)。
[0020] 所述AP和移動(dòng)終端根據(jù)不同天線的特性有多種天線組合，包括AP全向天線/MN 定向天線、AP定向天線/MN全向天線、AP定向天線/MN定向天線。
[0021 ] 所述移動(dòng)終纟而米用雙無(wú)線網(wǎng)卡?
[0022] 所述移動(dòng)終端與相鄰AP之間通信的信道不重疊。
[0023] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：解決了基于SDN工業(yè)回程網(wǎng)的AP切換問(wèn)題，實(shí) 現(xiàn)了不同接入點(diǎn)間的快速無(wú)縫切換。本發(fā)明采用雙無(wú)線網(wǎng)卡機(jī)制和bonding技術(shù)，為不同 的網(wǎng)卡分配不同的任務(wù)，并不斷切換雙網(wǎng)卡間的工作狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫軟切換。通過(guò)預(yù)學(xué)習(xí) 機(jī)制，明確了下一跳的切換目標(biāo)，避免了由反射折射等造成切換過(guò)程中的乒乓效應(yīng)。另外， 本發(fā)明提出了針對(duì)工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的切換時(shí)機(jī)決策算法和無(wú)重疊軟切換信道分配機(jī)制。這些 機(jī)制能夠極大的降低切換時(shí)延和丟包率，滿足工業(yè)場(chǎng)景的應(yīng)用需求。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1為本發(fā)明的工業(yè)回程網(wǎng)示意圖；
[0025] 圖2為本發(fā)明的切換決策算法示意圖；
[0026] 圖3為本發(fā)明的切換過(guò)程時(shí)序圖；
[0027] 圖4為本發(fā)明的無(wú)重疊信號(hào)分配示意圖；
[0028] 圖5為本發(fā)明的切換流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0030] 本發(fā)明在工業(yè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)無(wú)中斷切換方法，該工業(yè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是 基于SDN的工業(yè)回程網(wǎng)架構(gòu)，體系結(jié)構(gòu)如圖1所示?；赟DN的工業(yè)回程網(wǎng)支持openflow 協(xié)議，通過(guò)流表實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)WiFi與AP相連，由于AP覆蓋范 圍有限，移動(dòng)終端需要不斷的在各個(gè)AP間進(jìn)行切換。
[0031] 本發(fā)明包括預(yù)學(xué)習(xí)機(jī)制、切換時(shí)機(jī)決策方法、無(wú)重復(fù)信道分配機(jī)制和整體切換流 程等，接下來(lái)將逐一詳細(xì)記述。
[0032] 1 ?預(yù)學(xué)習(xí)機(jī)制
[0033] 本發(fā)明提出的預(yù)學(xué)習(xí)機(jī)制，針對(duì)工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的移動(dòng)路線基本固定的特點(diǎn)，將AP 的基本信息，終端的切換順序等存儲(chǔ)到終端移動(dòng)終端中。針對(duì)特定的切換目標(biāo)AP進(jìn)行掃 描，獲取下一跳接入AP的信號(hào)強(qiáng)度，為切換決策算法做準(zhǔn)備。
[0034] 預(yù)學(xué)習(xí)過(guò)程指的是移動(dòng)終端未正式工作前，在軌跡上進(jìn)行的測(cè)試過(guò)程。由于該應(yīng) 用針對(duì)的工業(yè)場(chǎng)景的特點(diǎn)，AP位置相對(duì)固定，AP使用的信道也固定。學(xué)習(xí)過(guò)程主要是側(cè)重 于記錄AP的基本信息，主要包括：AP相對(duì)位置，AP的SSID，AP的地址，AP的信道。AP信息 由終端MN保存維護(hù)。信息格式如下：
[0036] 實(shí)際切換過(guò)程中通過(guò)對(duì)麗（移動(dòng)終端）中保存的AP信息進(jìn)行利用，可以很快的發(fā) 現(xiàn)切換目標(biāo)AP，如此可以進(jìn)一步降低切換時(shí)延。實(shí)際工作中切換和數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)兩個(gè)并 行的天線實(shí)現(xiàn)的，具體實(shí)現(xiàn)方法會(huì)在下文中詳細(xì)記述。
[0037] 2?切換時(shí)機(jī)決策機(jī)制
[0038] 本發(fā)明提出了切換時(shí)機(jī)決策算法，研究切換的觸發(fā)時(shí)機(jī)，提出的切換時(shí)機(jī)決策算 法是基于主動(dòng)掃描方法的，考慮到移動(dòng)終端與AP接收信號(hào)強(qiáng)度的變化，以及移動(dòng)終端切換 的歷史信息和當(dāng)前移動(dòng)終端接收到AP的信號(hào)強(qiáng)度，既可以確保切換及時(shí)完成，同時(shí)減少切 換過(guò)程中的兵兵效應(yīng)。
[0039] 本發(fā)明是基于雙無(wú)線網(wǎng)卡的軟切換方法，因此需要選擇合適的軟切換信道分配機(jī) 制，本發(fā)明中采用無(wú)重疊信道分配機(jī)制。由于AP和MN的射頻模塊都可以選擇全向天線和 定向天線，根據(jù)不同天線的特性，可以有多種組合。包括AP全向天線/MN定向天線、AP定 向天線/MN全向天線、AP定向天線/MN定向天線。前兩種信道分配機(jī)制方式對(duì)于麗上兩 塊無(wú)線網(wǎng)卡的相對(duì)位置都有要求，當(dāng)移動(dòng)終端運(yùn)動(dòng)速度增大時(shí)，要求雙網(wǎng)卡的間距也增大。 因此，前兩種信道分配機(jī)制不適合麗的單體體積較小的情況。AP定向天線/MN定向天線機(jī) 制可以用于MN體積較小、兩天線間距很小的場(chǎng)合。
[0040] 由于AP的覆蓋范圍有限，通常只有幾百米，快速移動(dòng)的終端節(jié)點(diǎn)位于每個(gè)AP覆蓋 范圍內(nèi)的時(shí)間很短，當(dāng)麗離開當(dāng)前接入點(diǎn)（Old AP，0AP) -定距離時(shí)，就需要進(jìn)入切換狀 態(tài)，并且在徹底離