[发明专利]无线通信系统中的快速切换方法、系统和客户端

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种轨道交通系统中无线通信系统中的快速切换方法、快速切换系统、客户端和接入点AP。

背景技术

目前，随着城市化的发展，轨道交通系统越来越普及。当前的轨道交通系统采用无线通信技术在列车和道路之间进行通信。在轨道交通系统中，基于无线局域网（WLAN）在列车和道路之间进行通信的典型应用场景如图1所示。如图1所示，在道路上设置多个接入点（AP）（为清楚起见，图1中仅示出了AP0、AP1和AP2三个AP），每两个相邻AP之间相隔特定的距离，以保证没有覆盖盲区。客户端位于列车侧，并可与覆盖其的一个AP进行通信。通过该通信连接，列车上的客户端可以经该接入点与路侧的服务器进行通信，该AP称为客户端的当前AP。

当列车移动时，客户端会离开当前AP的覆盖范围并中断与当前AP的通信，此时，客户端需要切换到另一个AP（称为目标AP）以保证正常通信。因此，切换机制对于保证客户端与AP之间的可靠、无中断的通信非常关键。

为了建立与目标AP的通信连接，客户端和目标AP之间需要进行多次双向信息的交互，如图2所示。客户端向目标AP发送探测请求（Probe request），目标AP向客户端返回探测响应（Probe response）；客户端向目标AP发送关联请求（association request），目标AP向客户端返回关联响应（association response）。在对于安全性要求较高的应用场景中，客户端还需向目标AP发送鉴权请求（Authentication request），目标AP向客户端返回鉴权响应（Authentication response）；如果客户端通过鉴权，则客户端与该目标AP建立通信连接，该目标AP成为客户端的当前AP。

在图1所示的示例中，AP和客户端都采用方向性天线，这种方向性天线在轨道交通系统中的应用非常普遍。但是，使用方向性天线通常会导致客户端在通过当前AP时，接收到的信号的强度突然变弱。

在图1所示的示例中，客户端的当前AP为AP1，当客户端从右向左移动到B点时，从AP1发出的信号的强度突然变弱。当与AP1的通信完全断开时，客户端必须尝试切换到另一个AP（即目标AP，在图1中该目标AP为AP2），以维持与服务器之间的通信。为了保证通信的可靠性，要求客户端从当前AP切换到目标AP的时间越短越好。在现有技术中，图1所示的切换需要花费超过100ms的时间，也就是说，在这100ms的时间内，数据传输被中断了。在轨道交通系统中，无论是乘客信息还是列车控制信息，100ms这样长的中断都是难以忍受的。因此，需要采用某种快速切换机制来减少切换时间。

客户端从一个AP切换到另一个AP的切换过程通常可以分为两个阶段：切换决定阶段和连接建立阶段。现有的快速切换机制一般通过减少切换决定时间或减少连接建立时间来实现。

现有技术中的一种快速切换方法如图3所示，AP1为客户端的当前AP，当客户端移动到接近AP1的A点时，客户端开始切换。在这种情况下，当客户端接收到的AP1的信号的强度仍然很强并且高于切换阈值的时侯，切换就开始了。这样可以避免当客户端移动到B点时，AP1发出的信号的强度突然变弱的情况。因此，采用这种方法能够减少客户端与其当前AP的通信突然中断的情况。而且，如果该方法与现有技术中的背景扫描（background scanning）方法（客户端在空闲状态下持续扫描所有的信道以收集候选AP的信息）相结合，可有利于减少切换决定时间。

但是，在该方法中，客户端在当前AP发出的信号的强度还很强的时候就开始切换了，所以在当前AP和目标AP之间需要更多的重叠覆盖区域，以保证在该切换点能够正确接收到来自目标AP的信号，这会增加AP的数量。如果仍旧保持原来的AP之间的距离，那么来自目标AP的信号的强度可能会比较弱，这将严重影响切换过程。在最坏的情况下，客户端发出的探测请求、关联请求和鉴权请求在目标AP侧都会丢失，因此需要多次重发，这会增加连接建立时间，从而抵消了切换决定阶段获得的优点。而且，在断开与当前AP的连接后，该方法不能减少与目标AP建立连接的时间。

客户端在与目标AP建立连接的过程中，鉴权将花费很多时间。如果使用鉴权服务器，所花费的时间将超过100ms。现有技术中的另一种快速切换方法为预鉴权方法：在IEEE802.11x标准中，客户端可在切换开始前与鉴权服务器进行预鉴权操作，从而减少连接建立时间。但是，该预鉴权方法只能减少与鉴权服务器之间的鉴权操作时间，而不能减少连接建立过程中其它操作的时间，也不能减少切换决定时间。