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基于GPS的IEEE 802.11高速漫游網絡系統

基于GPS的IEEE 802.11高速漫游網絡系統到定位采用美國GPS(Global Positioning System)發送的無線信號進行定位,對區域進行絕對坐標判斷,確認進入其它基站區域后采用優化的切換算法完成快速漫游,為切換敏感的程序提供持續可用的網絡,可廣泛應用于駕校、平安城市等場景下,促進無線信息化的發展。

該系統采用Linux系統開發,運行在嵌入式設備當中,通過通用串行接口連接外置GPS模塊,實時讀取GPS中反饋的坐標信息,系統中對比內置區域文件,滿足條件后則調用切換程序完成對新基站的切換連接。當前系統支持通過獨立GPS Module提供定位數據,同時從車載駕考系統的GPS獲取數據,駕考系統配置差分基站具有厘米級高精度優勢。

系統綜合運用嵌入式平臺的優勢,采用多種語言混合編程,底層采用C語言構建、切換采用Lua實現、前端Web則采用Html/Javascript/Ajax等Web 2.0技術實現,用戶界面友好,配置簡單,學習成本低,非常適合具有基礎網絡知識的人員使用。系統由三大模塊組成:底層系統支持、GPS模塊、切換執行模塊,自頂向下的模塊化設計里面,架構采用面向對象,大大保證了系統模塊的可復用性,提高系統的穩定性。

技術原理

基于GPS的IEEE 802.11高速無線網絡漫游系統是軟硬結合一體的綜合應用系統。運行在嵌入式無線客戶端之上,通過GPS(Global Positioning System)提供的無線信號實時獲取當前坐標信息,根據預定義的規則進行高速切換,為高層應用程序提供持續不中斷的網絡連接,車輛視頻在基站覆蓋范圍內能夠將監控視頻實時不間斷的傳輸回監控中心。

該系統以GPS模塊(內置或集成到其他車載系統)為基礎,配合RSSI、CCQ等鏈路參數,實現綜合性的判斷,并匯報自身及連接的客戶端信息到服務器端,可以實時查看連接和鏈路狀況,快速切換。能夠為駕考中心、平安城市移動監控視頻提供無線網絡連接。

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國內外研究和開發現狀
目前,各市“平安城市”系統以及駕駛員技能考試中心無線傳輸系統通過部署傳統的IEEE 802.11a/b/g/n無線網絡來實現覆蓋,客戶端采用相同的CPE設備,配置復雜、效果甚微,尤其是位于基站之間的覆蓋區域,無線網絡緩慢的切換工程導致視頻卡頓、終端,高層應用斷開重連等。不支持集中管理的設備同時造成了通用性差、無法共享和集中維護管理等問題,也造成重復建設和投資。

為了避免以上提及的各種弊端,本單位研發設計出一套智能(Smart)客戶端,在統一的MIPS平臺上,通過對現有IEEE 802.11協議改進,配合GPS全球定位系統,內部完成智能判斷,選擇最適基站。對于用戶隱藏具體實現系統,能夠透明的傳輸網絡數據,實現“無線交換機”的功能,簡單的配置降低了系統的維護和管理難度,為在無線網絡之上建立系統和運維節約大量的費用。

1)國外高速漫游研究情況
國外較早地開始對高速無線漫游網絡相關的研究和應用,最早在IEEE 802.11協議推出就有相應的理論,當前針對無線網絡的高速漫游協議 IEEE 802.11r 還處于草稿(draft)階段,各個廠家都通過私有協議來實現。
在無線網絡上國外有Cisco、Aruba、Mikrotik、Ubnt等廠家,具體多通過AC(集中控制器)來進行集中管理控制實現,也有通過Mesh等二層路由協議實現,通用性較差,在應用和推廣過程中,這些公司和機構意識到快速漫游的重要性,并針對各自國內推出相應的產品。
雖然現在這些廠商已經意識到這個問題,但是都沒有推出針對中國市場的解決方案,硬件以及軟件授權費用高昂,單個客戶單售價過高、同時沒有良好的中文技術支持,導致設備難以普及和推廣。
2)國內研究情況
盡管我國無線網絡的起步比西方發達國家晚,基礎實力相對薄弱。但是在國家的信息化建設的推動下,特別是自主化研究的支持,我國許多高校、科研機構、公司有很多從事高速漫游網絡的研究和開發,已經形成了一定的規模,已有大量的學術論文發表、并擁有了不少具有自主知識產權的技術。但是我國的快速漫游網絡主要集中在無線網絡覆蓋基礎理論研究,實際可用的產品并不多。

現在急需能夠在不更換現有基礎設施投資基礎上,通過客戶端智能判斷實現高速漫游的需求,填補國內的技術空白,推動我國無線網絡產業的發展。

總體框架
本單位廣泛吸收國內外技術應用的實踐經驗,結合無線應用領域的現狀,制定了切換原理的最佳原理??梢跃C合多種實際場景下的參數實現切換:

①GPS坐標信息和已采集的區域模式(Pattern)
②無線基站的信號強度(Signal Strength)
③無線鏈路質量(CCQ Client Connection Quality)

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GPS定位原理
圖表 無線高速切換原理
(1) GPS坐標信息和已采集的區域模式
根據現場實際情況,在對基站位置選定后開始測量矩形區域的GPS坐標信息,然后將基站的ESSID作為第5個參數錄入,SmartCPE設備從GPS模塊讀取當前坐標信息,并進行對比,發現進入對應的區域則連接相應區域的基站,實現基于位置的切換。
(2) 無線基站的信號強度
無線基站對外輻射無線信號,無線信號還會隨著傳播而不斷的衰減,根據計算公式 L = 32.45 + 20Log(Dkm) + 20Log(f Mhz)(dB)可以得到基站的理論值,從而計算出基站距離客戶端的大概距離,然后通過多個基站進行三角定位能夠獲取自身的相對位置。
根據信號強度選擇最優的站點,作為輔助判斷,理論上信號強度好的站點具有較好的通訊質量,綜合信噪比之后即可完成選擇。
(3) 無線鏈路質量
CCQ(Client Connection Quality)說明實際的鏈路質量,這個能夠說明當前鏈路實際的質量,可以作為參考使用。、
4、切換原理
快速漫游需要快速完成就需要減少預掃描時間,可以通過修改網卡驅動限定在特定頻率的掃描,同時基站工作在相同頻率上,使用預認證技術減少關聯(Association)所需的時間,基于GPS可以提前判斷需要連接的下一個基站,能夠進行預認證。


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