專利名稱：基于列車位置的雙網(wǎng)卡協(xié)同切換方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種軌道交通技術中的IEEE802. 11系列標準的無線切換算法，尤其是一種軌道交通中零切換時間、零丟包的快速主動切換技術，具體地說是一種基于列車位置的雙網(wǎng)卡協(xié)同切換方法。
背景技術：
早期的鐵路信號系統(tǒng)主要利用聯(lián)鎖設備來確保列車在固定的軌道上按指定方向安全、有效地運行。當前，隨著計算機、通信以及自動控制的技術的迅速發(fā)展，城市軌道交通信號系統(tǒng)已發(fā)展成為一個先進的自動控制系統(tǒng)——即列車自動控制系統(tǒng)(簡稱ATC系統(tǒng))， 它是列車安全、高效運行的主要保證。ATC系統(tǒng)由早期的固定閉塞體制發(fā)展到目前的移動閉塞體制一即基于通信的列車控制(CBTC)，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(DCS)旨在解決CBTC系統(tǒng)中車-地傳輸中的關鍵問題，即在列車高速移動過程中保證列車與軌旁網(wǎng)絡連接的穩(wěn)定可靠，當車載移動點在不同軌旁接入點間切換時，雙向數(shù)據(jù)通信保持通暢，為上層的各類應用提供穩(wěn)定的寬帶接入。性能優(yōu)異的無線切換算法是車-地穩(wěn)定可靠通信的保障。目前為了減少漫游切換時間，主要采用的方法包括單頻點覆蓋、單信道掃描、縮減 /合并認證流程等方法，但WLAN系統(tǒng)都是采用先斷開當前連接再重新進行關聯(lián)的方式，因此，從微觀上講，存在鏈路中斷的瞬間，一般在幾十毫秒到幾百毫秒，會產(chǎn)生因切換引起的丟包現(xiàn)象。無線連接切換的主要功能是完成高速移動的子網(wǎng)和無線接入點AP的MAC層切換。 移動子網(wǎng)移動過程中會遠離/接近當前正在連接的AP，不斷變化的距離導致移動子網(wǎng)的 STA接收到AP的信號強度的變化，當AP的信號強度減小到一個閥值時，AP不能為STA提供穩(wěn)定的接入服務導致移動子網(wǎng)與軌旁應用系統(tǒng)的通信中斷。為保證持續(xù)可靠的連接和通信，移動子網(wǎng)必須快速與能夠提供穩(wěn)定接入服務的AP建立連接。每個STA都可以在物理層接收到其他終端的信息，MAC層根據(jù)BSSID等信息丟棄那些對自己無用的數(shù)據(jù)幀。若STA加入了某BSS，收到管理或數(shù)據(jù)幀后，首先判斷此幀的BSSID，如果不屬于當前BSS則直接丟棄此幀，其中就包括了其他AP所廣播的信標幀，信標幀主要作用是掃描和時間同步。無線連接切換機制通過背景掃描功能，獲得非當前關聯(lián)BSS信標幀，監(jiān)控鄰居AP狀態(tài)，根據(jù)各AP 信號強度變化趨勢、列車(STA)當前位置、軌旁AP數(shù)據(jù)信息等適時觸發(fā)切換，降低切換時延和提高鏈路質量。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的軌道交通信號切換過程中存在鏈路中斷，易發(fā)生因切換引起的丟包現(xiàn)象的問題，發(fā)明一種零切換時間、零丟包的基于列車位置的雙網(wǎng)卡協(xié)同切換方法。本發(fā)明的技術方案是
一種基于列車位置的雙網(wǎng)卡協(xié)同切換方法，其特征是通過兩種方法得到列車的當前位置信息，即通過背景掃描得到區(qū)域內車載STA掃描到的所有軌旁AP的信息，結合軌旁AP信息數(shù)據(jù)庫進行車載STA的單網(wǎng)卡快速主動漫游切換；同時雙網(wǎng)卡通過互斥鎖協(xié)同工作，確保同一時刻最多只有一塊網(wǎng)卡發(fā)生漫游切換，至少一塊網(wǎng)卡保持可靠的數(shù)據(jù)傳輸，使得車載STA為軌道交通上層應用系統(tǒng)提供零切換時間、零丟包的快速漫游切換功能，實現(xiàn)穩(wěn)定、 可靠的車-地數(shù)據(jù)雙向傳輸。本發(fā)明的零切換時間、零丟包方法具體來說包括線路軌旁AP數(shù)據(jù)庫的建立、鄰居 AP發(fā)現(xiàn)、切換觸發(fā)和雙網(wǎng)卡協(xié)同四個步驟，所述的線路軌旁AP數(shù)據(jù)庫的建立的數(shù)據(jù)庫主要包括AP名稱、位置信息、股道信息、天線信息、ESSID、BSSID、工作信道和覆蓋區(qū)域；數(shù)據(jù)庫的建立時結合DCS系統(tǒng)設計和軌旁AP布置工程實際數(shù)據(jù)，每一個車載STA都需要存儲該線路軌旁AP數(shù)據(jù)庫，軌旁AP數(shù)據(jù)庫更新后，車載STA需要從DCS中心設備下載更新后的數(shù)據(jù)庫，進行重置工作；車載STA當前位置的獲取，可以通過以下兩種方式之一獲得
1.應用系統(tǒng)提供，通過接收上層應用系統(tǒng)定時發(fā)送的位置、速度、方向報文計算出 STA當前位置，這些信息是CBTC車載設備能獲得的基本信息，因此，承載CBTC應用數(shù)據(jù)時采用此方式；
2.車載STA根據(jù)接收到的多個軌旁AP的無線信號質量并結合軌旁AP數(shù)據(jù)庫計算得到當前位置信息，同時結合站臺區(qū)等特殊位置對計算值進行動態(tài)修正。承載非CBTC應用數(shù)據(jù)時采用此方式，實際應用中，這些車載應用系統(tǒng)可以向STA發(fā)送當前駕駛端信息，因此， STA能獲得當前列車行駛方向信息；
所述的鄰居AP發(fā)現(xiàn)是指通過接收當前關聯(lián)AP和其他非關聯(lián)AP的廣播信標幀，獲得 STA區(qū)域內所有AP的無線信號質量信息；
切換觸發(fā)是指采用基于列車位置和信號質量兩種觸發(fā)機制； 所述的雙網(wǎng)卡協(xié)同是指同一個STA的兩個無線網(wǎng)卡連接軌旁不同的AP，一個時刻只有一個無線網(wǎng)卡處于切換狀態(tài)，確保至少有一個無線網(wǎng)卡與軌旁AP保持穩(wěn)定可靠的連接。本發(fā)明的有益效果
1、本發(fā)明的切換算法切換時間為零，不因切換產(chǎn)生丟包現(xiàn)象。2、本發(fā)明的切換算法既能適用于采用定向天線進行無線覆蓋的工程應用，也能適用于采用泄露電纜或裂縫波導進行無線覆蓋的工程應用。3、本發(fā)明的切換算法能提供穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，切換時機準確，有效降低因無線信號質量隨機波動引起的頻繁切換、乒乓切換現(xiàn)象。


圖1是本發(fā)明基于的軌道交通線路無線覆蓋模型示意圖。圖2是本發(fā)明基于列車位置的切換算法原理圖。圖3是本發(fā)明的移動切換效果示意圖。圖4是本發(fā)明切換隊列單元建立與更新流程圖。圖5是本發(fā)明的雙網(wǎng)卡協(xié)同切換流程圖。圖6是本發(fā)明的切換實施流程圖。圖7是本發(fā)明的用戶空間控制關聯(lián)管理操作流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。如圖1-7所示。一種基于列車位置的雙網(wǎng)卡協(xié)同切換算法，該算法通過兩種方法得到列車的當前位置信息，即通過背景掃描得到區(qū)域內車載STA (Station無線電臺)掃描到的所有軌旁 APAP (Access Point無線接入點)的信息和同時雙網(wǎng)卡通過互斥鎖協(xié)同工作，背景掃描時結合軌旁AP信息數(shù)據(jù)庫進行車載STA的單網(wǎng)卡快速主動漫游切換，而雙網(wǎng)卡通過互斥鎖協(xié)同工作時，確保同一時刻最多只有一塊網(wǎng)卡發(fā)生漫游切換，至少一塊網(wǎng)卡保持可靠的數(shù)據(jù)傳輸，使得車載STA為軌道交通上層應用系統(tǒng)(如CBTC，PIS/CCTV)提供零切換時間、零丟包的快速漫游切換功能，實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的車-地數(shù)據(jù)雙向傳輸。具體步驟包括
線路軌旁AP數(shù)據(jù)庫的建立軌旁AP數(shù)據(jù)庫主要包括AP名稱、位置信息、股道信息、天線信息、ESSID、BSSID、工作信道、覆蓋區(qū)域等基本數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫的建立需要結合DCS系統(tǒng)設計、軌旁AP布置等工程實際數(shù)據(jù)，每一個車載STA都需要存儲該線路軌旁AP數(shù)據(jù)庫，軌旁 AP數(shù)據(jù)庫更新后，車載STA需要從DCS中心設備下載更新后的數(shù)據(jù)庫，進行重置工作。車載STA當前位置的獲取，可以通過以下兩種方式之一獲得
1. 應用系統(tǒng)提供，通過接收上層應用系統(tǒng)定時發(fā)送的位置、速度、方向報文計算出 STA當前位置，這些信息是CBTC車載設備能獲得的基本信息，因此，承載CBTC應用數(shù)據(jù)時采用此方式。2.車載STA根據(jù)接收到的多個軌旁AP的無線信號質量并結合軌旁AP數(shù)據(jù)庫計算得到當前位置信息，同時結合站臺區(qū)等特殊位置對計算值進行動態(tài)修正。承載非CBTC應用數(shù)據(jù)時采用此方式，實際應用中，這些車載應用系統(tǒng)可以向STA發(fā)送當前駕駛端信息，因此，STA能獲得當前列車行駛方向信息。鄰居AP發(fā)現(xiàn)通過接收當前關聯(lián)AP和其他非關聯(lián)AP的廣播信標幀，獲得STA區(qū)域內所有AP的無線信號質量信息，這些鄰居AP將可能成為STA下一次切換的候選AP。切換觸發(fā)主要有基于列車位置和信號質量這兩種觸發(fā)機制。雙網(wǎng)卡協(xié)同同一個STA的兩個無線網(wǎng)卡連接軌旁不同的AP，一個時刻只有一個無線網(wǎng)卡處于切換狀態(tài)，確保至少有一個無線網(wǎng)卡與軌旁AP保持穩(wěn)定可靠的連接。詳述如下
由于軌道走向為線性路徑，無線覆蓋為狹長的帶狀區(qū)域，采用定向天線，可以擴大覆蓋區(qū)域，降低軌旁AP數(shù)量。針對定向天線進行自由覆蓋的工程應用，本發(fā)明所基于的軌道交通無線信號覆蓋模型如圖1所示，定向天線將大部分傳輸能量集中于單個方向，為了達到信號系統(tǒng)所要求的系統(tǒng)可用性與可靠性指標，無線覆蓋須達到全冗余覆蓋，使得車載STA 在全線任意位置至少能和主瓣方向上的2個軌旁AP進行連接。列車頭部STA迎著某個AP 行駛，其信號強度會逐漸增強，到越過軌旁AP時，信號強度突然變弱；列車尾部STA背離某個AP行駛，其信號強度會逐漸減弱到突然變強，其變化趨勢與頭部情況相反。由于列車沿軌道上行線和/或下行線行駛，從圖可知，軌道交通中的無線信號的覆蓋有非常強的線性性和可預知性。MAC層切換在邏輯上可分為信道掃描，下一跳AP (NAP)發(fā)現(xiàn)和注冊連接三個部分。 基于列車位置的雙網(wǎng)卡協(xié)同切換算法的原理如圖2所示。其中軌旁AP數(shù)據(jù)庫為STA啟動加載項，為切換算法的外部輸入信息。我們將軌旁AP無線信號強度變化的線性性和可預知性用數(shù)據(jù)的形式描述出來；STA的當前位置度量可以從上層應用系統(tǒng)獲得或由STA動態(tài)計算得到；信道掃描模塊主要實現(xiàn)STA對工作信道的掃描，以發(fā)現(xiàn)鄰居AP。以上這幾個模塊為實施切換提供基礎信息數(shù)據(jù)。NAP確定模塊主要實現(xiàn)NAP的發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)該模塊主要結合兩個方面的數(shù)據(jù)一是通過信道掃描模塊產(chǎn)生的鄰居AP的信息，并比較鄰居AP的信號強度及變化趨勢；另一方面是通過切換隊列單元來確定NAP，切換隊列單元通過軌旁AP數(shù)據(jù)庫、 STA當前關聯(lián)AP信息及列車當前位置等信息來建立切換AP隊列。切換完成后，當前連接的 AP信息通過反饋單元更新切換隊列。觸發(fā)模塊主要有兩種觸發(fā)模式，一是結合軌旁AP數(shù)據(jù)庫，直接根據(jù)列車位置進行觸發(fā)，到指定位置，主動觸發(fā)切換；另一種觸發(fā)模式是根據(jù)當前連接的信號質量產(chǎn)生觸發(fā)，在信號質量滿足切換條件時產(chǎn)生觸發(fā)，這種觸發(fā)模式是在STA 位置失效時采用。切換觸發(fā)后，從切換隊列中選取下一跳AP，實施切換。在我們的系統(tǒng)中，STA配置兩塊無線網(wǎng)卡，分別記為W1、W2，為減小無線干擾，兩塊網(wǎng)卡設置不同的工作信道(如Wl工作于信道1，W2工作于信道11)，其工作的網(wǎng)絡號可以相同也可以不同。兩塊網(wǎng)卡協(xié)同工作，完成無縫切換。由于列車運行，STA需要不斷地在軌道沿線AP間切換，而切換過程中耗時最多的是搜索、確定下一跳的AP節(jié)點，兩塊網(wǎng)卡在 layerf. 5程序的控制下進行協(xié)同工作，在實施基于列車位置的雙網(wǎng)卡協(xié)同切換后，列車沿線路運行，兩個無線鏈路的工作狀態(tài)如圖3所示。從圖中可以看出，同一時刻只有一塊網(wǎng)卡處于切換狀態(tài)，保證至少有一塊網(wǎng)卡處于數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，保證通信鏈路不中斷；同時，切換的時機是在剛要駛離當前AP的前方，全線都能維持較好的無線鏈路質量，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?。在整個漫游切換過程中，STA不會產(chǎn)生丟包或通信中斷等現(xiàn)象，保證了上層應用的穩(wěn)定可靠運行。圖4描述了本發(fā)明切換隊列的建立與更新流程，其建立與更新是一個動態(tài)的周期性的自確定過程。STA將掃描的結果保存于如下的結構體中，通過讀取掃描結果，主要獲取信號質量、網(wǎng)絡名稱與BSSID等信息，結合STA的設置、軌旁AP數(shù)據(jù)庫及列車當前位置及行駛方向等信息遴選掃描到的AP。對掃描結果實施篩選與判斷，將滿足條件的候選AP加入切換隊列，同時刪除切換隊列中的歷史AP，使得切換隊列新鮮有效。切換隊列是下一步進行 MAC切換的重要數(shù)據(jù)單元。struct ieee80211req_scan_result { u_intl6_t isr_len；
u_intl6_t isr_freq; u_intl6_t isr_flags； u_int8_t isr_noise； u_int8_t isr_rssi； u_int8_t isr_intval； u_intl6_t isr_capinfo； u_int8_t isr_erp；
u_int8_t i sr_bssid[IEEE80211_ADDR_LEN]；圖5描述了本發(fā)明雙網(wǎng)卡協(xié)同切換的流程，切換過程由切換觸發(fā)模塊觸發(fā)，啟動切換流程。首先獲得無線網(wǎng)卡當前關聯(lián)的AP BSSID，依據(jù)當前關聯(lián)的AP、列車運行位置、運行方向及AP信號質量等信息，從切換隊列中選擇下一跳AP，在確定下一跳AP后，等待切換運行信號量，實施切換。圖6、圖7描述了本發(fā)明切換實施的流程，對req結構體初始化后，實施用戶空間的 802. 11 (重新)關聯(lián)操作，若關聯(lián)成功，則完成一次成功的軌旁AP切換，若關聯(lián)不成功，在下一個運算周期將再次觸發(fā)切換，啟動切換關聯(lián)流程。本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術相同或可采用現(xiàn)有技術加以實現(xiàn)。
權利要求
1.一種基于列車位置的雙網(wǎng)卡協(xié)同切換方法，其特征是通過兩種方法得到列車的當前位置信息，即通過背景掃描得到區(qū)域內車載STA掃描到的所有軌旁AP的信息，結合軌旁AP 信息數(shù)據(jù)庫進行車載STA的單網(wǎng)卡快速主動漫游切換；同時雙網(wǎng)卡通過互斥鎖協(xié)同工作， 確保同一時刻最多只有一塊網(wǎng)卡發(fā)生漫游切換，至少一塊網(wǎng)卡保持可靠的數(shù)據(jù)傳輸，使得車載STA為軌道交通上層應用系統(tǒng)提供零切換時間、零丟包的快速漫游切換功能，實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的車-地數(shù)據(jù)雙向傳輸。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是它包括線路軌旁AP數(shù)據(jù)庫的建立、鄰居AP發(fā)現(xiàn)、切換觸發(fā)和雙網(wǎng)卡協(xié)同四個步驟，所述的線路軌旁AP數(shù)據(jù)庫的建立的數(shù)據(jù)庫主要包括 AP名稱、位置信息、股道信息、天線信息、ESSID、BSSID、工作信道和覆蓋區(qū)域；數(shù)據(jù)庫的建立時結合DCS系統(tǒng)設計和軌旁AP布置工程實際數(shù)據(jù)，每一個車載STA都需要存儲該線路軌旁AP數(shù)據(jù)庫，軌旁AP數(shù)據(jù)庫更新后，車載STA需要從DCS中心設備下載更新后的數(shù)據(jù)庫， 進行重置工作；車載STA當前位置的獲取，可以通過以下兩種方式之一獲得(1)應用系統(tǒng)提供，通過接收上層應用系統(tǒng)定時發(fā)送的位置、速度、方向報文計算出STA 當前位置，這些信息是CBTC車載設備能獲得的基本信息，因此，承載CBTC應用數(shù)據(jù)時采用此方式；(2)車載STA根據(jù)接收到的多個軌旁AP的無線信號質量并結合軌旁AP數(shù)據(jù)庫計算得到當前位置信息，同時結合站臺區(qū)等特殊位置對計算值進行動態(tài)修正；承載非CBTC應用數(shù)據(jù)時采用此方式，實際應用中，這些車載應用系統(tǒng)可以向STA發(fā)送當前駕駛端信息，因此，STA能獲得當前列車行駛方向信息；所述的鄰居AP發(fā)現(xiàn)是指通過接收當前關聯(lián)AP和其他非關聯(lián)AP的廣播信標幀，獲得STA區(qū)域內所有AP的無線信號質量信息；切換觸發(fā)是指采用基于列車位置和信號質量兩種觸發(fā)機制；所述的雙網(wǎng)卡協(xié)同是指同一個STA的兩個無線網(wǎng)卡連接軌旁不同的AP，一個時刻只有一個無線網(wǎng)卡處于切換狀態(tài)，確保至少有一個無線網(wǎng)卡與軌旁AP保持穩(wěn)定可靠的連接。
全文摘要
一種基于列車位置的雙網(wǎng)卡協(xié)同切換方法，其特征是通過兩種方法得到列車的當前位置信息，即通過背景掃描得到區(qū)域內車載STA掃描到的所有軌旁AP的信息，結合軌旁AP信息數(shù)據(jù)庫進行車載STA的單網(wǎng)卡快速主動漫游切換；同時雙網(wǎng)卡通過互斥鎖協(xié)同工作，確保同一時刻最多只有一塊網(wǎng)卡發(fā)生漫游切換，至少一塊網(wǎng)卡保持可靠的數(shù)據(jù)傳輸，使得車載STA為軌道交通上層應用系統(tǒng)提供零切換時間、零丟包的快速漫游切換功能，實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的車-地數(shù)據(jù)雙向傳輸。本發(fā)明的切換算法切換時間為零，不會出現(xiàn)因切換產(chǎn)生丟包的現(xiàn)象。
文檔編號H04W36/32GK102497655SQ20111041396
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月13日 優(yōu)先權日2011年12月13日
發(fā)明者余錦軍, 李洋 申請人:南京恩瑞特實業(yè)有限公司