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专利号: 2020101846018
申请人: 重庆邮电大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-01-15
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法,其特征在于,所述方法包括:STA第一次接入网络,SDN控制器在物理AP上创建唯一的虚拟AP,STA与该虚拟AP完成认证、关联;

构建混合多步Markov预测模型,SDN控制器通过该预测模型计算STA在AP之间的转移概率,通过转移概率确定下一个切换目标AP;实时监测当前AP与目标AP的信号强度值,并根据切换触发条件判断是否进行切换;若进行切换,将STA对应的虚拟AP转移到目标AP,若不进行切换,则继续保持当前的连接,并继续监测信号强度值;

根据最小时延抖动的动态时隙分配算法计算目标AP的相应时隙,并根据相应的时隙求出最优的时隙分配序列,将时隙分配序列发送给STA;SDN控制器通知当前连接的AP向STA下发信道切换通告,STA接收到信道切换通告,将工作信道切换至目标AP的信道,完成切换,通过预先分配好时隙与AP进行数据传输;SDN控制器通知原始AP删除STA的虚拟AP记录,释放原来STA所占用的时隙,完成跨信道无缝切换;

其中,STA表示移动设备,SDN表示软件定义网络,AP表示无线接入点,Markov表示马尔可夫。

2.根据权利要求1所述的一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法,其特征在于,STA在连接AP时,AP根据STA的MAC地址查询该STA是否有对应的虚拟AP,若没有,则通知SDN控制器,SDN控制器为该STA创建一个虚拟AP,这个虚拟AP保存有STA的会话状态信息和安全认证信息;

其中,MAC表示移动设备的物理地址。

3.根据权利要求1所述的一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法,其特征在于,所述构建混合多步Markov预测模型的过程包括:根据一阶转移概率和二阶转移概率来准确预测下一个目标AP,一阶Markov模型为:p{Xk+1=ak+1|Xk=ak,Xk-1=ak-1,...,X1=a1}=p{Xk+1=ak+1|Xk=ak}

二阶Markov模型为:

p{Xk+1=ak+1|Xk=ak,Xk-1=ak-1,...,X1=a1}=p{Xk+1=ak+1|Xk=ak,Xk-1=ak-1}

综合一阶模型和二阶模型建立混合多步Markov预测模型:

其中,ak表示STA当前连接的AP,a1a2...ak表示STA所经历的AP序列,λ1和λ2分别为一阶模型和二阶模型的混合系数。

4.根据权利要求1所述的一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法,其特征在于,所述计算STA在AP之间的转移概率的过程包括:根据历史数据计算出初始状态概率,初始状态概率计算公式为:

根据初始状态概率和混合多步Markov模型计算状态转移概率,得到状态转移概率矩阵,从矩阵中选取最大概率值对应的AP即为目标AP,其表达式为:Xp=arg Max{p{Xk+1|C}}

其中,pij表示STA从APi切换到APj的概率,Nij表示STA历史数据中从APi切换到APj次数,Xp表示预测结果,C表示当前状态,p{Xk+1|C}表示从当前状态转移到Xk+1状态的转移概率。

5.根据权利要求1所述的一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法,其特征在于,所述进行切换的过程包括:步骤1:STA在移动过程中实时监测当前AP和目标AP的相关信息,并通过当前关联的AP将信息上传给SDN控制器;

步骤2:SDN控制器首先将信号强度值进行平滑处理,并确定SDN控制器每个周期T0接收AP上传的信息;

步骤3:通过信号强度值计算STA与AP的距离;

步骤4:根据STA与AP距离变化量求STA的运动趋势;

步骤5:根据STA的运动速度和当前与AP之间的距离,计算出STA在(H-1)QT0时刻之后网络驻留时间TDwell;

步骤6:结合参数P、驻留时间阈值TDwell和迟滞信号强度值阈值RSSTHR设置切换触发条件;

步骤7:SDN控制器将STA对应的虚拟AP发送给目标AP,目标AP根据该虚拟AP中的信息,在自身创建一个虚拟AP,添加STA的会话状态信息和安全认证信息。

6.根据权利要求5所述的一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法,其特征在于,所述切换条件包括:其中,P>PTHR表示STA正在远离该AP,P<-PTHR表示STA正在靠近该AP,D为AP的有效覆盖范围,PTHR表示STA与当前AP距离变化的阈值,TDwell表示STA在当前网络的驻留时间,RSSj表示新AP的信号强度值,RSSc表示当前AP的信号强度值。

7.根据权利要求1所述的一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法,其特征在于,所述时隙分配序列的确定过程包括:步骤1:目标AP根据STA的待发送队列长度和超帧T,计算出节点所需的时隙数目和理想的相邻时隙间隔;

步骤2:根据时隙数目和理想的相邻时隙间隔求取下一跳AP的空闲时隙S,并在S中指定k个时隙M分配给STA;

步骤3:根据时隙间隔序列和理想时隙间隔建立最小时延抖动的时隙均匀分配数学模型;

步骤4:定义一个有向图G=(V,E),根据G构造矩阵Π(1),再逐步推进计算矩阵Π(2)、Π(3)、…、Π(k),求出确定边数的不含回路的最短路径环,并找出该路径环中所经过的节点即为最优时隙分配序列;

步骤5:目标AP将时隙分配信息写入到信标帧,通过信标帧发送给STA;

其中,V表示节点集合,E表示边的集合。

8.根据权利要求7所述的一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法,其特征在于,所述时隙均匀分配数学模型为:其中,σ为时隙抖动大小,location(Mi)为时隙Mi在整个超帧中的位置,Di表示分配序列中的相邻时隙间隔,A表示理想时隙分配间隔,Mi表示第i个分配时隙,Si表示第i个空闲时隙,M表示时隙分配序列,S表示空闲时隙序列,k表示STA所需的时隙数目,m表示空闲时隙数目,N表示时隙总数,T表示超帧。

9.根据权利要求1所述的一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法,其特征在于,所述完成切换的过程包括:SDN控制器向STA当前连接的AP下发命令,通知当前AP在发送给STA的信标帧中添加信道切换通告字段,STA在接收到含有信道切换通告字段的信标帧后,按照信道切换通告中的信息切换信道,切换完成后,STA通过预先分配好的时隙与目标AP进行通信。

10.根据权利要求1所述的一种移动设备在工业无线网络中的跨信道无缝切换方法,其特征在于,STA切换至目标AP后,SDN控制器通知原始AP删除其存储的STA的虚拟AP记录,AP在删除虚拟AP的同时也会将原来STA占用的时隙进行释放,保证时隙的利用率。