許 輝，高德云，魏海濤

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044)

無線通信環(huán)境中，用戶對(duì)終端移動(dòng)性的需求越來越高。切換技術(shù)作為移動(dòng)無線的一項(xiàng)重要特性，其優(yōu)劣直接影響到移動(dòng)用戶的體驗(yàn)。如今切換技術(shù)包括傳統(tǒng)的低速切換和高速列車等情景下的高速切換[1]，傳統(tǒng)單一網(wǎng)絡(luò)中的無線切換和異構(gòu)網(wǎng)之間的切換[2]，異構(gòu)網(wǎng)作為輔助的無縫切換[3]。

為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜的無線切換要求，提高不同環(huán)境下切換系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一方面要增強(qiáng)代碼的健壯性，另一方面則需要設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)切換控制機(jī)制，能夠靈活設(shè)置各種參數(shù)和針對(duì)各種可預(yù)見的事件進(jìn)行處理，并盡可能地接入無線網(wǎng)絡(luò)。例如已經(jīng)在地鐵線路中應(yīng)用的基于無線傳輸?shù)牧熊囎詣?dòng)控制系統(tǒng)(CBTC）的無線傳輸子系統(tǒng)，其漫游與切換功能已具備了較高的自動(dòng)化與智能化的特性[4]。但現(xiàn)有的切換技術(shù)的性能還需要進(jìn)一步完善，在切換過程中引入有限狀態(tài)機(jī)為解決乒乓效應(yīng)、快速切換和異構(gòu)網(wǎng)切換等問題提供了一種新的靈活有效的解決方法。

本文提出了一種將有限狀態(tài)機(jī)引入到切換過程的控制機(jī)制，并在WLAN環(huán)境中利用Wi-Fi終端進(jìn)行了基于有限狀態(tài)機(jī)的自動(dòng)切換控制機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。移動(dòng)終端在WLAN中的切換過程包括幾種不同的階段[5~6]，可以按照具體的階段劃分出幾種不同的工作狀態(tài)，并將這些工作狀態(tài)組合成一個(gè)具體的有限狀態(tài)機(jī)。因此，當(dāng)終端的切換過程引入了有限狀態(tài)機(jī)的概念后，對(duì)切換過程的控制就變成了對(duì)不同狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件的控制。從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性以及自動(dòng)控制能力，對(duì)于軟件系統(tǒng)的健壯性和可控性都有顯著的提高。

有限狀態(tài)機(jī)在計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息科學(xué)等許多學(xué)科領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，例如通信系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、游戲設(shè)計(jì)等。

1 基于有限狀態(tài)機(jī)的切換機(jī)制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

一個(gè)動(dòng)態(tài)的AP列表[15]。當(dāng)觸發(fā)切換的條件滿足時(shí)，系統(tǒng)將不再執(zhí)行掃描步驟，而直接在AP列表中選取一個(gè)最佳的AP進(jìn)行接入。當(dāng)觸發(fā)掃描的條件滿足時(shí)，系統(tǒng)將利用冗余信道單獨(dú)掃描周邊的AP并獲取周邊AP的詳細(xì)信息，最后更新該列表。由于系統(tǒng)在每次切換前已經(jīng)進(jìn)行過掃描，也稱為預(yù)掃描切換算法。

觸發(fā)AP掃描的方式有2種，定時(shí)觸發(fā)與信道強(qiáng)度判別觸發(fā)。定時(shí)觸發(fā)是指周期性的掃描周邊的AP信息并更新AP列表。信道強(qiáng)度判別觸發(fā)則需要設(shè)置掃描和切換兩種閾值。其中，掃描閾值應(yīng)稍高于切換閾值。切換中，信道水平在低于閾值時(shí)將觸發(fā)冗余信道進(jìn)行AP的掃描并更新AP列表。信道水平低于閾值時(shí)，系統(tǒng)在所維護(hù)的AP列表中選取最佳的AP進(jìn)行切換。本文采用的是信道強(qiáng)度判別觸發(fā)掃描的方式。

這種方案的缺點(diǎn)是可能引起接口間的互相干擾，而且一個(gè)接口只用來掃描有些浪費(fèi)。優(yōu)點(diǎn)是掃描過程與切換過程分離，切換過程不包括掃描過程產(chǎn)生的時(shí)延，大大減少了切換需要的時(shí)間。圖1為切換流程圖。

1.1 有限狀態(tài)機(jī)的基本理論

有限狀態(tài)機(jī)（Finite State Machine，F(xiàn)SM）又稱有窮狀態(tài)自動(dòng)機(jī)（Finite Automation，F(xiàn)A），對(duì)于一個(gè)給定的屬于該自動(dòng)機(jī)的狀態(tài)和一個(gè)屬于該自動(dòng)機(jī)字母表的字符，它都能根據(jù)事先給定的轉(zhuǎn)移函數(shù)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)狀態(tài)[7]。

有限狀態(tài)機(jī)的數(shù)學(xué)模型：

M=(Q, ∑, δ, q0, F)

Q是狀態(tài)的非空有窮集合，q稱為M的一個(gè)狀態(tài)(state)。q0是M的開始狀態(tài)(initial state)?！茷檩斎胱帜副?Input alphabet)，輸入字符串都是∑上的字符串。δ是狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)(transition function)，F(xiàn)是M的終止?fàn)顟B(tài)(final state)集合。

一個(gè)完整的有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)，應(yīng)該包括3元素的設(shè)計(jì)：狀態(tài)，事件，動(dòng)作。一個(gè)FSM包含有限個(gè)狀態(tài)，系統(tǒng)在任一給定的時(shí)刻只能處于其中的一個(gè)狀態(tài)。狀態(tài)變化由事件所驅(qū)動(dòng)。事件可以是系統(tǒng)內(nèi)部或外部輸入信號(hào)。系統(tǒng)在當(dāng)前狀態(tài)下接收到事件，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，即狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)(transition function)，又稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)或者移動(dòng)函數(shù)。有限狀態(tài)機(jī)的表述包括狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)移表。

1.2 終端切換流程分析

Wi-Fi終端在WLAN網(wǎng)絡(luò)中通過判斷信號(hào)是否低于某一閾值決定是否執(zhí)行切換過程。這個(gè)閾值一般是指信號(hào)的強(qiáng)度（Received Signal Strength）或者是接收的功率[8~10]，也可以是某種改進(jìn)方案，參照文獻(xiàn)[11]。切換流程可以分為無線鏈路切換，接入路由器切換和重新認(rèn)證3個(gè)步驟。我們將切換判別、觸發(fā)、掃描周邊無線接入點(diǎn)以及選擇最佳接入點(diǎn)都?xì)w為無線鏈路切換并依此編寫和修改終端上的切換程序。下面可將接入路由器簡(jiǎn)寫為AR（Access Router），對(duì)無線接入點(diǎn)簡(jiǎn)寫為AP（Access Point）。

為了減小切換時(shí)延與提高實(shí)驗(yàn)的切換效果，本文采用的切換算法參考了一種使用雙網(wǎng)絡(luò)接口卡切換的雙鏈路方案[12~14]。其中，通信鏈路用于與通信對(duì)端進(jìn)行通信，冗余鏈路用于對(duì)AP進(jìn)行掃描，從而節(jié)省切換中掃描階段的時(shí)延。為了把掃描過程和切換過程完全分離開，在程序中單獨(dú)維護(hù)

經(jīng)改進(jìn)后的切換流程描述如下：

（1）周期性監(jiān)測(cè)無線鏈路信號(hào)質(zhì)量。（2）掃描觸發(fā)條件滿足，掃描AP并更新AP列表。（3）切換觸發(fā)條件滿足，選擇最佳AP切換。（4）獲取AR通告報(bào)文。（5）切換AR。（6）網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證。（7）周期性發(fā)送認(rèn)證更新報(bào)文。（8）重復(fù)步驟（1）。

基于有限狀態(tài)機(jī)的終端自動(dòng)切換控制機(jī)制采用事件驅(qū)動(dòng)狀態(tài)模型，將自動(dòng)切換流程中每一步操作的結(jié)果作為事件輸入，引起當(dāng)前狀態(tài)的變化和下一步動(dòng)作的執(zhí)行。切換過程如圖2。橫軸為狀態(tài)機(jī)的所有狀態(tài)，分別為空閑、掃描、接收通告、認(rèn)證和監(jiān)測(cè)等狀態(tài)，縱軸表示狀態(tài)機(jī)可以收到的所有事件，狀態(tài)轉(zhuǎn)移表的每一個(gè)成員為一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)的指針。當(dāng)接收到事件時(shí)，狀態(tài)機(jī)根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移表的當(dāng)前狀態(tài)與接收事件進(jìn)入相應(yīng)的處理函數(shù)。

圖1 切換流程圖

圖2 狀態(tài)轉(zhuǎn)移表

1.3 基于有限狀態(tài)機(jī)的切換機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通過分析，切換流程可以分為5個(gè)狀態(tài)。每一個(gè)狀態(tài)是切換流程一個(gè)階段的行為總和的反映，代表了切換流程的進(jìn)度，如表1。

表1 切換流程中的狀態(tài)分類

空閑狀態(tài)是FSM初始化或者切換停止后處于的狀態(tài)，Wi-Fi終端將等待切換開始事件或者手動(dòng)切換事件。掃描狀態(tài)是指Wi-Fi終端開始掃描周邊AP，并更新AP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。只有當(dāng)Wi-Fi終端第一次接入AR時(shí)處于該狀態(tài)。接收通告狀態(tài)是指Wi-Fi終端已經(jīng)接入AP，開始等待接收來自AR的通告消息。認(rèn)證狀態(tài)是指Wi-Fi終端已經(jīng)解析了AR的地址，開始了認(rèn)證過程。監(jiān)測(cè)狀態(tài)是最重要的狀態(tài)，表示W(wǎng)i-Fi終端已經(jīng)通過認(rèn)證，開始監(jiān)測(cè)信號(hào)的質(zhì)量。程序中還加入了一些定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)切換過程中的定時(shí)操作。

自動(dòng)切換有限狀態(tài)機(jī)中的事件按其對(duì)程序運(yùn)行的作用可以分為正常事件和沖擊事件。按照改進(jìn)了的切換流程，程序中設(shè)計(jì)了16個(gè)事件。每一個(gè)事件都代表了一系列相關(guān)動(dòng)作執(zhí)行的結(jié)果，包括正常結(jié)果和異常結(jié)果。又根據(jù)事件類型，詳細(xì)分類如下：（1）外部觸發(fā)事件：切換開始、手動(dòng)接入、切換停止。（2）正確流程觸發(fā)事件：得到正確的掃描結(jié)果、認(rèn)證通過等。（3）定時(shí)器超時(shí)觸發(fā)事件：AR通告接收定時(shí)器超時(shí)、認(rèn)證通過定時(shí)器超時(shí)、監(jiān)測(cè)定時(shí)器超時(shí)、認(rèn)證保活定時(shí)器超時(shí)、掃描限制定時(shí)器超時(shí)。（4）監(jiān)測(cè)過程觸發(fā)事件：信號(hào)質(zhì)量低于閾值。（5）異常事件：得到錯(cuò)誤掃描結(jié)果、接收到同一AR的通告以及異常。

事件觸發(fā)引起狀態(tài)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理，產(chǎn)生輸出并向下一個(gè)狀態(tài)遷移。并根據(jù)具體的輸出和當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)入相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)入口進(jìn)行處理。狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)按照在狀態(tài)機(jī)中的作用可分為正常轉(zhuǎn)移函數(shù)和健壯性處理過程中的轉(zhuǎn)移函數(shù)。每一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)關(guān)聯(lián)一次狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程。本文中設(shè)計(jì)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程如圖3。

圖3 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖是切換過程的有限狀態(tài)機(jī)模型設(shè)計(jì)的最后結(jié)果，是編寫控制程序的依據(jù)。我們?cè)赪i-Fi終端上完成終端自動(dòng)切換程序的設(shè)計(jì)。為了滿足使用和測(cè)試需求，程序采用Linux GTK圖形庫來實(shí)現(xiàn)用戶界面，為用戶提供操作接口以及狀態(tài)顯示等功能。用戶通過圖形界面能夠?qū)崟r(shí)的了解當(dāng)前切換狀態(tài)等信息，并在切換前根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)情況靈活的調(diào)節(jié)各種參數(shù)，包括切換閾值、監(jiān)測(cè)間隔、定時(shí)器時(shí)限等。采用默認(rèn)設(shè)置或自定義設(shè)置如圖4，圖片中數(shù)值單位為毫秒。

圖4 默認(rèn)參數(shù)配置圖

對(duì)于各種不同的無線通信環(huán)境，引入了有限狀態(tài)機(jī)的切換機(jī)制還可以針對(duì)各種不同的可預(yù)見事件制定相對(duì)的策略并設(shè)計(jì)相應(yīng)的切換程序，這樣能夠更好的契合實(shí)際應(yīng)用情況。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)用的Wi-Fi終端為DELL LATITUDE D500型號(hào)筆記本，安裝Fedora Core 8操作系統(tǒng)，內(nèi)置Intel 2100無線網(wǎng)卡，外置Cisco Aironet 350系列網(wǎng)卡。測(cè)試網(wǎng)絡(luò)由分別位于兩個(gè)不同信道的支持802.11b的AP構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D5?？赏ㄟ^Wi-Fi終端上的GTK圖形控制界面控制切換過程并監(jiān)測(cè)當(dāng)前的狀態(tài)。

圖5 測(cè)試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

為了獲得最佳的切換效果，終端用戶可以根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)情況靈活調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)。移動(dòng)終端與通信對(duì)端采用“ping”的方式來檢測(cè)切換過程對(duì)通信的影響，通過檢測(cè)移動(dòng)終端從通信對(duì)端收到的數(shù)據(jù)包，完成切換程序在有限狀態(tài)機(jī)控制下的功能測(cè)試。

通過多次實(shí)驗(yàn)，手動(dòng)切換時(shí)延的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖6。由于本實(shí)驗(yàn)方案中移動(dòng)終端采用了雙網(wǎng)絡(luò)接口的預(yù)掃描算法，參考圖1的切換流程圖，當(dāng)終端發(fā)生切換時(shí)直接選擇列表中最佳AP切換，發(fā)生手動(dòng)切換時(shí)終端同樣從選擇最佳AP步驟開始進(jìn)行切換。因此手動(dòng)切換的時(shí)延與自動(dòng)切換的時(shí)延非常接近，可以作為參考。由切換時(shí)延的統(tǒng)計(jì)情況可以看到，切換過程對(duì)正常通信產(chǎn)生的時(shí)延僅為幾百毫秒。

此外，實(shí)驗(yàn)中還使用HTTP連接音視頻服務(wù)器在Wi-Fi終端上進(jìn)行播放。結(jié)果顯示，在切換過程中低碼率網(wǎng)絡(luò)視頻和音頻的播放是非常流暢的，可以滿足一般的實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)的要求。

同時(shí)，可以從界面了解到切換流程中的狀態(tài)變化都遵從了狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖所示軌跡，對(duì)于所有可預(yù)測(cè)的事件都按圖2由相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)進(jìn)行了處理。 對(duì)于沖擊事件的處理示例如圖7。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于有限狀態(tài)機(jī)的移動(dòng)終端自動(dòng)切換能夠?qū)崿F(xiàn)正常的切換功能而且成功的對(duì)切換中的沖擊事件做出了相應(yīng)的處理，與以前只是單純的將切換流程中各步驟簡(jiǎn)單羅列的切換方法相比，可提高切換程序的健壯性和可控性。證明了本文采用有限狀態(tài)機(jī)對(duì)切換進(jìn)行自動(dòng)控制的方法是科學(xué)的和正確可行的。

圖6 強(qiáng)制手動(dòng)切換統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間

圖7 對(duì)沖擊事件的處理示例

同時(shí)，該方案也有其缺陷和局限性。對(duì)于終端來說，同時(shí)配備兩塊網(wǎng)絡(luò)接口卡是對(duì)硬件資源的浪費(fèi)，提高了移動(dòng)終端的造價(jià)和能耗，還可能引起相互間的信道干擾從而影響到通信的質(zhì)量。移動(dòng)終端上的程序設(shè)計(jì)是基于狀態(tài)機(jī)控制機(jī)制重新設(shè)計(jì)的，并不適用于接入點(diǎn)處于不同局域網(wǎng)的情形。

3 結(jié)束語

本文介紹了一種基于有限狀態(tài)機(jī)的Wi-Fi終端自動(dòng)切換的方案，有效的將無線環(huán)境中接入與切換的整個(gè)過程結(jié)合起來，能夠處理各種可預(yù)見的異常情況并根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)情況靈活的調(diào)節(jié)各種參數(shù)。為解決乒乓效應(yīng)、快速切換、異構(gòu)網(wǎng)切換等問題提供了一種新的靈活有效的解決方法，有效的避免頻繁切換引起的服務(wù)質(zhì)量下降的問題。類似于高速鐵路中高速切換的環(huán)境，可針對(duì)可預(yù)知的高速環(huán)境制定一定的切換策略，并根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)與參考事件提早進(jìn)行切換，減少切換時(shí)延，避免高速運(yùn)行中切換時(shí)延接近切換間隔的問題。

從實(shí)驗(yàn)中的切換效果來看，采用有限狀態(tài)機(jī)機(jī)制來控制終端的切換過程具有控制靈活、程序穩(wěn)定、處理科學(xué)的特點(diǎn)。本文實(shí)現(xiàn)的WLAN中Wi-Fi終端的切換過程并不十分復(fù)雜，但考慮到多種無線網(wǎng)絡(luò)之間切換等復(fù)雜切換過程，有限狀態(tài)機(jī)的引入將是非常有意義的。

因此，采用有限狀態(tài)機(jī)來對(duì)移動(dòng)終端的切換過程進(jìn)行控制是一種靈活有效的方法。

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