基于GPS的IEEE 802.11高速漫游网络系统

基于GPS的IEEE 802.11高速漫游网络系统到定位采用美国GPS(Global Positioning System)发送的无线信号进行定位,对区域进行绝对坐标判断,确认进入其它基站区域后采用优化的切换算法完成快速漫游,为切换敏感的程序提供持续可用的网络,可广泛应用于驾校、平安城市等场景下,促进无线信息化的发展。

该系统采用Linux系统开发,运行在嵌入式设备当中,通过通用串行接口连接外置GPS模块,实时读取GPS中反馈的坐标信息,系统中对比内置区域文件,满足条件后则调用切换程序完成对新基站的切换连接。当前系统支持通过独立GPS Module提供定位数据,同时从车载驾考系统的GPS获取数据,驾考系统配置差分基站具有厘米级高精度优势。

系统综合运用嵌入式平台的优势,采用多种语言混合编程,底层采用C语言构建、切换采用Lua实现、前端Web则采用Html/Javascript/Ajax等Web 2.0技术实现,用户界面友好,配置简单,学习成本低,非常适合具有基础网络知识的人员使用。系统由三大模块组成:底层系统支持、GPS模块、切换执行模块,自顶向下的模块化设计里面,架构采用面向对象,大大保证了系统模块的可复用性,提高系统的稳定性。

技术原理

基于GPS的IEEE 802.11高速无线网络漫游系统是软硬结合一体的综合应用系统。运行在嵌入式无线客户端之上,通过GPS(Global Positioning System)提供的无线信号实时获取当前坐标信息,根据预定义的规则进行高速切换,为高层应用程序提供持续不中断的网络连接,车辆视频在基站覆盖范围内能够将监控视频实时不间断的传输回监控中心。

该系统以GPS模块(内置或集成到其他车载系统)为基础,配合RSSI、CCQ等链路参数,实现综合性的判断,并汇报自身及连接的客户端信息到服务器端,可以实时查看连接和链路状况,快速切换。能够为驾考中心、平安城市移动监控视频提供无线网络连接。

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国内外研究和开发现状
目前,各市“平安城市”系统以及驾驶员技能考试中心无线传输系统通过部署传统的IEEE 802.11a/b/g/n无线网络来实现覆盖,客户端采用相同的CPE设备,配置复杂、效果甚微,尤其是位于基站之间的覆盖区域,无线网络缓慢的切换工程导致视频卡顿、终端,高层应用断开重连等。不支持集中管理的设备同时造成了通用性差、无法共享和集中维护管理等问题,也造成重复建设和投资。

为了避免以上提及的各种弊端,本单位研发设计出一套智能(Smart)客户端,在统一的MIPS平台上,通过对现有IEEE 802.11协议改进,配合GPS全球定位系统,内部完成智能判断,选择最适基站。对于用户隐藏具体实现系统,能够透明的传输网络数据,实现“无线交换机”的功能,简单的配置降低了系统的维护和管理难度,为在无线网络之上建立系统和运维节约大量的费用。

1)国外高速漫游研究情况
国外较早地开始对高速无线漫游网络相关的研究和应用,最早在IEEE 802.11协议推出就有相应的理论,当前针对无线网络的高速漫游协议 IEEE 802.11r 还处于草稿(draft)阶段,各个厂家都通过私有协议来实现。
在无线网络上国外有Cisco、Aruba、Mikrotik、Ubnt等厂家,具体多通过AC(集中控制器)来进行集中管理控制实现,也有通过Mesh等二层路由协议实现,通用性较差,在应用和推广过程中,这些公司和机构意识到快速漫游的重要性,并针对各自国内推出相应的产品。
虽然现在这些厂商已经意识到这个问题,但是都没有推出针对中国市场的解决方案,硬件以及软件授权费用高昂,单个客户单售价过高、同时没有良好的中文技术支持,导致设备难以普及和推广。
2)国内研究情况
尽管我国无线网络的起步比西方发达国家晚,基础实力相对薄弱。但是在国家的信息化建设的推动下,特别是自主化研究的支持,我国许多高校、科研机构、公司有很多从事高速漫游网络的研究和开发,已经形成了一定的规模,已有大量的学术论文发表、并拥有了不少具有自主知识产权的技术。但是我国的快速漫游网络主要集中在无线网络覆盖基础理论研究,实际可用的产品并不多。

现在急需能够在不更换现有基础设施投资基础上,通过客户端智能判断实现高速漫游的需求,填补国内的技术空白,推动我国无线网络产业的发展。

总体框架
本单位广泛吸收国内外技术应用的实践经验,结合无线应用领域的现状,制定了切换原理的最佳原理。可以综合多种实际场景下的参数实现切换:

①GPS坐标信息和已采集的区域模式(Pattern)
②无线基站的信号强度(Signal Strength)
③无线链路质量(CCQ Client Connection Quality)

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GPS定位原理
图表 无线高速切换原理
(1) GPS坐标信息和已采集的区域模式
根据现场实际情况,在对基站位置选定后开始测量矩形区域的GPS坐标信息,然后将基站的ESSID作为第5个参数录入,SmartCPE设备从GPS模块读取当前坐标信息,并进行对比,发现进入对应的区域则连接相应区域的基站,实现基于位置的切换。
(2) 无线基站的信号强度
无线基站对外辐射无线信号,无线信号还会随着传播而不断的衰减,根据计算公式 L = 32.45 + 20Log(Dkm) + 20Log(f Mhz)(dB)可以得到基站的理论值,从而计算出基站距离客户端的大概距离,然后通过多个基站进行三角定位能够获取自身的相对位置。
根据信号强度选择最优的站点,作为辅助判断,理论上信号强度好的站点具有较好的通讯质量,综合信噪比之后即可完成选择。
(3) 无线链路质量
CCQ(Client Connection Quality)说明实际的链路质量,这个能够说明当前链路实际的质量,可以作为参考使用。、
4、切换原理
快速漫游需要快速完成就需要减少预扫描时间,可以通过修改网卡驱动限定在特定频率的扫描,同时基站工作在相同频率上,使用预认证技术减少关联(Association)所需的时间,基于GPS可以提前判断需要连接的下一个基站,能够进行预认证。


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