使用混合网络的越区切换系统与方法

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使用混合网络的越区切换系统与方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种无线局域网(WLAN)，更具体地，涉及一种使用混合网络的越区切换系统和方法，其中在移动终端的切换过程中扫描新接入点以将移动终端与WLAN相连。\n背景技术\n[0002] 近年来，无线局域网(WLAN)的传输速率显著增长。当蜂窝网络的吞吐量仍然太低而无法提供多媒体服务时，WLAN提供速率为54Mbps的因特网接入服务。因为其宽带和低成本特点，WLAN是可应用于移动通信环境的有竞争力的技术。\n[0003] WLAN包括需要接入网络的终端和中继终端的接入点。接入点与主干网络相连。\n[0004] 终端可以是电池驱动的笔记本电脑或个人数字助理(PDA)，但不一定限于这些设备。\n[0005] 为了向另一网络发送，应该将802.11网络帧转换成另一类帧。接入点桥接各个网络。主干网络向接入点目的地发送帧。代表主干网络是以太网。\n[0006] 终端具有用于与WLAN相连的WLAN模块。通过WLAN接入点为终端提供数据服务。\n一个接入点只服务有限区域。如果终端移动到另一接入点的覆盖区，则越区切换发生。从一个接入点到另一接入点的连接称作接入点之间的越区切换(AP间切换)。在IEEE802.11标准中这种过程称作重新关联。对于越区切换，终端不得不扫描新接入点，这消耗大量时间并引起服务延迟。\n[0007] 针对诸如因特网语音协议(VoIP)的实时多媒体服务，必须解决扫描接入点中的这种延迟。\n[0008] 对于WLAN的IEEE802.11标准定义了包括扫描、认证和重新关联过程的WLAN越区切换。\n[0009] 当终端从一个接入点区移动到另一个时，移动节点扫描多个相邻接入点提供的所有信道。IEEE802.11标准提出了两种扫描方法。\n[0010] 第一种方法是被动扫描方法。在该方法中，移动节点从所有信道成功地接收信号，并等待从扫描到的接入点接收信标消息。然后移动节点确定接入点。在该方法中，开销较少但是延迟时间太长。为了克服被动扫描方法的这种缺点，提出了主动扫描方法。\n[0011] 当采用主动扫描时，移动节点向每条信道广播探测请求，并在最短信道时间内(MinChannelTime)等待从信道接收响应。移动节点扫描所有信道，并接收所有信标消息或探测响应以与最合适的接入点相连。\n[0012] 在扫描过程之后，执行认证过程。移动节点向新确定的AP传输认证请求，并且新AP确定移动节点是否具有接入网络的许可，并向移动节点返回认证响应。\n[0013] 在这点上，认证是识别移动节点的存在并批准移动节点使用接入点提供的基本服务的过程。因为无线网络不能提供与有线网络能够提供的相同的安全性，所以无线网络需要额外的认证程序来确定接入网络的用户是否具有接入许可。\n[0014] 最后，执行重新关联过程。重新关联过程是移动终端终止与现有AP的关联并与新AP关联，并且由移动终端发起重新关联请求的过程。新AP110-1向旧AP传输越区切换请求，并且旧AP响应越区切换请求，向新AP提供包含重新关联所需信息的越区切换响应。接入点间协议(IAPP)中定义了旧AP与新AP之间的操作。新AP响应越区切换响应向移动节点发送重新关联响应。\n[0015] 众所周知，上述扫描过程是整个WLAN移动节点越区切换过程中延迟的主要原因。\n选择性扫描方法用来减少扫描时间。但是，选择性扫描方法没有有效地减少扫描时间，这是因为该方法涉及用于发现最优信道的待机时间，例如，最短信道时间(MinChannelTime)到最长信道时间(MaxChannelTime)。\n[0016] 因此，需要能够显著地减少WLAN移动终端越区切换过程中的延迟时间的信道扫描方法。\n发明内容\n[0017] 本发明的目的是提供一种使用混合网络的越区切换的系统及方法，该系统和方法能够在无线局域网(WLAN)的越区切换过程中通过使用码分多址(CDMA)网络和全球定位系统(GPS)来减少信道扫描时间。\n[0018] 根据本发明的一方面，WLAN中的越区切换系统包括：WLAN终端，通过与CDMA基站和GPS卫星通信来确定自身位置信息；以及小区映射服务器，从WLAN终端的位置信息获得与终端当前所在WLAN小区有关的信息，从WLAN终端的当前位置确定与终端将要切换到的小区有关的信息，及向WLAN终端提供小区信息。\n[0019] 位置信息可以包括终端的GPS坐标信息和与终端所在CDMA基站有关的信息中的至少一种。\n[0020] 与终端将要切换到的小区有关的信息可以包括与服务于终端将要移动到的WLAN小区的接入点有关的信息。\n[0021] 优选地，WLAN终端包括：GPS接收模块，从GPS卫星接收WLAN终端的坐标信息；\nCDMA模块，从CDMA基站接收与WLAN终端接入的CDMA小区有关的信息；存储单元，存储与终端将要切换到的小区有关的信息；以及控制器，向小区映射服务器传输坐标信息和CDMA小区信息，从小区映射服务器接收与终端将要切换到的小区有关的信息，及在存储单元中存储小区信息。WLAN还可以包括WLAN模块来从控制器接收与终端将要切换到的小区有关的信息，以及根据小区信息执行越区切换。\n[0022] 优选地，小区映射服务器包括：小区映射数据库，存储与CDMA小区和映射到CDMA小区的WLAN小区有关的信息，以及与终端将要切换到的被映射到终端的当前WLAN小区的小区有关的信息；以及控制器，根据WLAN终端位置信息和小区映射数据库中存储的映射信息来确定与终端将要切换到的小区有关的信息，并向WLAN终端提供小区信息。\n[0023] 优选地，控制器获得有关与WLAN终端所在的CDMA小区重叠的WLAN小区有关的信息，将WLAN小区信息与WLAN小区的GPS位置信息相比较，以确定与终端当前所在的WLAN子小区有关的信息，并且确定与终端将要切换到的被映射到WLAN子小区的小区有关的信息。\n[0024] 小区映射数据库可用存储关于CDMA小区整体结构的信息、关于WLAN小区整体结构的信息和WLAN小区及子小区的GPS坐标信息中的至少一种。\n[0025] 小区映射服务器还可以包括位置信息接收模块，用于从WLAN终端接收位置信息。\n[0026] WLAN终端可以根据与终端将要切换到的小区有关的信息执行越区切换，其中从小区映射服务器接收信息，而不扫描目的地接入点。\n[0027] 优选地，系统还包括：GPS卫星，向WLAN终端传输GPS坐标信息；以及CDMA基站系统，向WLAN终端传输CDMA小区信息。\n[0028] 根据本发明的另一方面，用于管理CDMA网络和WLAN的系统包括：小区映射数据库，存储与CDMA小区和映射到CDMA小区的WLAN小区有关的信息，以及与终端将要切换到的被映射到每个WLAN小区的小区有关的信息；以及控制器，根据包括终端的GPS坐标信息或关于终端所在CDMA小区的信息的终端位置信息和小区映射数据库中存储的信息来确定与终端将要切换到的小区有关的信息，并向终端提供小区信息。系统还可以包括位置信息接收模块来从终端接收终端的GPS坐标信息或关于终端所在CDMA小区的信息。\n[0029] 优选地，控制器获得有关与终端所在的CDMA小区重叠的WLAN小区有关的信息，将WLAN小区信息与WLAN小区的GPS位置信息相比较以确定与终端当前所在WLAN子小区有关的信息，并且确定与终端将要切换到的被映射到WLAN子小区的小区有关的信息。\n[0030] 根据本发明的另一方面，WLAN中越区切换的方法包括步骤：WLAN终端通过与CDMA基站和GPS卫星通信来确定WLAN终端的位置信息；从位置信息获得与WLAN终端当前所在WLAN小区有关的信息，并从WLAN终端的当前位置确定与WLAN终端将要切换到的小区有关的信息；以及向WLAN终端提供确定的与终端将要切换到的小区有关的信息。\n[0031] 优选地，方法还包括步骤：存储向WLAN终端提供的、与WLAN终端将要切换到的小区有关的信息；以及根据存储的与终端将要切换到的小区有关的信息来执行越区切换，而不扫描目的地接入点。\n[0032] 确定与终端将要切换到的小区有关的信息的步骤可以包括步骤：根据与CDMA小区和被映射的WLAN小区有关的信息，与终端将要切换到的被映射到每个WLAN小区的小区有关的信息，以及WLAN终端的GPS坐标信息或与WLAN终端所在CDMA小区有关的信息，来确定与终端将要切换到的小区有关的信息。\n[0033] 确定与终端将要切换到的小区有关的信息的步骤可以包括步骤：检索与重叠于终端所在CDMA小区的WLAN小区有关的信息；通过将检索到的WLAN小区信息与WLAN终端的GPS坐标信息相比较来确定与终端当前所在WLAN子小区有关的信息；以及确定与检索到的终端当前所在WLAN子小区相匹配的相邻小区有关的信息。\n附图说明\n[0034] 通过参考以下结合附图的详细描述来更好地理解本发明，本发明更加完整的理解及其许多附带优点将显而易见，其中类似参考符号指示相同或相似组件，其中：\n[0035] 图1演示无线局域网(WLAN)的结构；\n[0036] 图2演示WLAN中的越区切换过程；\n[0037] 图3演示根据本发明典型实施例的混合网络结构；\n[0038] 图4是根据本发明典型实施例的终端的方框图；\n[0039] 图5是根据本发明典型实施例的小区映射服务器的方框图；\n[0040] 图6演示根据本发明典型实施例的、其中CDMA2000小区与WLAN小区重叠的结构；\n[0041] 图7演示根据本发明典型实施例的WLAN中子小区的结构；\n[0042] 图8演示根据本发明典型实施例的小区映射数据库的结构；\n[0043] 图9演示根据本发明典型实施例的当终端移动时整个网络中的越区切换过程的流程；\n[0044] 图10演示根据本发明典型实施例的终端与小区映射服务器之间的越区切换过程的流程图。\n具体实施方式\n[0045] 现在将参考附图更加完整地描述本发明，其中示出本发明的典型实施例。但是，本发明可以不同形式体现并不应该认为局限与这里提出的典型实施例。更确切地，提供这些典型实施例使得本公开详尽、完整，并向本领域的技术人员全面地传达发明概念。\n[0046] 图1演示无线局域网(WLAN)的结构。\n[0047] WLAN包括想要接入网络的终端(站或节点)120，以及中继终端的接入点110-1和\n110-2。接入点与主干网络相连。\n[0048] 终端120可以是电池驱动的笔记本电脑或个人数字助理(PDA)，但不一定限于这些设备。\n[0049] 为了向另一网络发送，应该将802.11网络帧转换成另一类帧。接入点桥接各个网络。主干网络向目的地接入点发送帧。代表主干网络是以太网。\n[0050] 终端120具有用于与WLAN相连的WLAN模块。通过WLAN接入点110-1为终端102提供数据服务。一个接入点只服务有限区。如果终端120移动到其它接入点110-2的覆盖区，则越区切换发生。从一个接入点到另一接入点的连接称作接入点之间的越区切换(AP间切换)。在IEEE802.11标准中这种过程称作重新关联。对于越区切换，终端应该扫描新接入点，这消耗大量时间并引起服务延迟。\n[0051] 针对诸如因特网语音协议(VoIP)的实时多媒体服务，必须解决扫描接入点中的这种延迟。\n[0052] 针对WLAN的IEEE802.11标准定义了包括扫描、认证和重新关联过程的WLAN越区切换。\n[0053] 图2演示了WLAN中的越区切换过程。\n[0054] 当终端从一个接入点移动到另一个时，移动节点扫描多个相邻接入点提供的所有信道(S200)。IEEE802.11标准提出了两种扫描方法。\n[0055] 第一种方法是被动扫描方法。在该方法中，移动节点从所有信道成功地接收信号，并等待从扫描到的接入点接收信标消息。然后移动节点确定接入点。在该方法中，开销减少但是延迟时间太长。为了克服被动扫描方法的这种缺点，提出了主动扫描方法。主动扫描方法用于图2的越区切换过程。\n[0056] 当采用主动扫描时，移动节点向每条信道广播探测请求(S201)，并在最短信道时间内(MinChannelTime)等待从信道接收响应(S202)。移动节点扫描所有信道，并接收所有信标消息或探测响应以与最合适的接入点相连。\n[0057] 在扫描过程(S200)之后，执行认证过程(S210)。移动节点120向新确定的AP110-1传输认证请求(S211)，并且新AP110-1确定移动节点120是否具有接入网络的许可，并向移动节点120返回认证响应(S212)。\n[0058] 在这点上，认证是识别移动节点的存在并批准移动节点使用接入点提供的基本服务的过程。因为无线网络不能提供与有线网络能够提供的相同的安全性，所以无线网络需要额外的认证程序来确定接入网络的用户是否具有接入许可。\n[0059] 最后，执行重新关联过程(S220)。重新关联过程中，移动终端终止与现有AP的关联并与新AP关联，并且由移动终端120发起重新关联请求(S205)。新AP110-1向旧AP110-2传输越区切换请求，并且旧AP110-2响应越区切换请求，向新AP110-1提供包含重新关联所需信息的越区切换响应(S223)。接入点间协议(IAPP)中定义了旧AP与新AP之间的操作。\n新AP响应越区切换响应向移动节点120发送重新关联响应(S224)。\n[0060] 众所周知，上述扫描过程是整个WLAN移动节点越区切换过程中延迟的主要原因。\n选择性扫描方法用来减少扫描时间。但是，选择性扫描方法没有有效地减少扫描时间，这是因为该方法涉及用于发现最优信道的待机时间，即，最短信道时间(MinChannelTime)到最长信道时间(MaxChannelTime)。\n[0061] 因此，需要能够显著地减少WLAN移动终端越区切换过程中的延迟时间的信道扫描方法。\n[0062] 图3演示根据本发明典型实施例的混合网络结构。\n[0063] 参考图3，混合网络包括CDMA2000网络和GPS卫星，以及基本IEEE802.11 WLAN。\n[0064] WLAN包括终端310以及在终端与主干网络之间中继的接入点340-1和340-2。\nCDMA2000网络包括基站系统。基站系统还包括基站320、基站控制器(未示出)、交换机(未示出)等。为了提供全球定位系统(GPS)，GPS卫星330与基站320和终端310通信。\n[0065] 根据本发明典型实施例，为了根据CDMA2000网络中小区的布局定位终端，终端\n310通过接入点340-1和340-2与WLAN通信，并也与CDMA2000网络的基站320通信。基站\n320使用基于GPS的小区同步来定位终端310。为了获得包含终端310坐标的位置信息，终端310也与GPS卫星330通信。\n[0066] 小区映射服务器300从终端310接收终端坐标和与CDMA小区之内终端位置有关的信息，检索与接收到的信息相匹配的WLAN小区以便确定终端310将要切换到的小区，并且向终端310提供与终端310将要切换到的小区有关的信息。使用与终端310将要切换到的小区有关的信息，终端310能执行越区切换，而不扫描另一信道。\n[0067] 图4是根据本发明典型实施例的终端的方框图。\n[0068] 参考图4，终端310包括GPS接收模块312、WLAN模块313、CDMA模块314、存储单元315和控制器311。\n[0069] GPS接收模块312从GPS卫星330接收终端310的坐标，并向控制器311提供接收到的终端310的坐标。CDMA模块314接收与终端接入的CDMA2000网络之内的基站有关的信息，并向控制器311提供基站信息。因为使用基站和针对每个基站的扇区来设计CDMA2000小区，所以基站信息可以由CDMA2000小区信息代表。\n[0070] 控制器311通过WLAN模块313向小区映射服务器300传输分别从GPS接收模块\n312和CDMA模块314接收到的终端坐标和基站(CDMA2000小区)信息。控制器311从小区映射服务器300接收与终端将要切换到的小区有关的信息，并在存储单元315中存储与终端将要切换到的小区有关的信息。随着终端310移动，存储单元315中存储的与终端将要切换到的小区有关的信息也变化。\n[0071] WLAN模块313通过与WLAN之内接入点的无线连接在小区映射服务器300与控制器311之间中继，并使用控制器311确定的与终端将要切换到的小区有关的信息来执行WLAN越区切换。\n[0072] 图5是根据本发明典型实施例的小区映射服务器的方框图。\n[0073] 参考图5，小区映射服务器300包括位置信息接收模块301、控制器302和小区映射数据库303。\n[0074] 小区映射数据库303存储CDMA2000小区信息、WLAN小区信息、及CDMA2000小区与WLAN小区之间的映射信息。可以列表的形式管理映射信息。下面将参考图7详细描述小区映射数据库303的结构。\n[0075] 位置信息接收模块301通过接入点从终端310接收终端位置信息。位置信息包括终端310的GPS坐标，以及与终端310所在CDMA小区有关的信息。\n[0076] 控制器302通过位置信息接收模块301接收终端310的位置信息，并确定指示终端310将移动到哪个WLAN小区的信息(即，与终端将要切换到的小区有关的信息，这是基于位置信息和小区映射数据库303中存储的映射信息)。向终端310返回确定的与终端将要切换到的小区有关的信息，并将其用于越区切换过程。\n[0077] 图6演示根据本发明典型实施例的、其中CDMA2000小区重叠于WLAN小区的结构。\n[0078] 由数字1到60表示的较小的六角形小区指示WLAN小区，即，接入点的覆盖区。由A、B、C、D、E、F和G表示的较大的小区指示CDMA2000小区，即，基站的覆盖区。\n[0079] 如图6中所示，构成两个网络的小区彼此重叠。因为网络之间的通信系统、带宽等不同，小区只是在空间上彼此重叠，是无干扰的独立小区。\n[0080] 本发明在WLAN终端的越区切换过程中采用空间上重叠的独立小区。\n[0081] 将一个WLAN小区600分割成6个子小区3-1到3-6。这是为了检测终端将要切换到的小区。\n[0082] 图7演示根据本发明典型实施例的WLAN中子小区的结构。\n[0083] 本发明中，将WLAN小区分割成围绕接入点的6个逻辑子小区。参考图7，7个接入点构成7个小区，每个小区被分割成6个子小区。例如，将WLAN小区3分割成子小区3-1、\n3-2、3-3、3-4、3-5和3-6。这种分区是为了在越区切换时向终端分配正确的目的地接入点。\n根据GPS卫星330提供的终端坐标和基站320提供的CDMA小区信息，通过扫描空间上重叠的WLAN小区，能确定终端所在的子小区。\n[0084] 当终端移动到另一接入点时(例如，当终端从子小区3-5移动到子小区7-2时，当终端从子小区3-3移动到子小区2-6时，等等)，WLAN中越区切换发生。但是，当终端从子小区3-3移动到子小区3-4时，无越区切换发生。这是因为越区切换之前的接入点与越区切换之后的接入点相同。\n[0085] 在图7的小区结构中，只允许每个子小区处的越区切换相对于一个新的子小区发生。虽然终端可能沿着子小区之间的边界移动到另一区，但是这种情况很少，可不考虑。例如，在子小区3-1，只允许越区切换到子小区8-4，并且越区切换目的地接入点是与小区8对应的接入点。此外，在子小区3-2，只允许越区切换到子小区5-5，并且目的地接入点是与小区5对应的接入点。\n[0086] 虽然图7中所示典型实施例中的WLAN小区和子小区具有六角形状，但是本发明不限于六角形小区和子小区，如果其它相邻小区的数目有限，则小区和子小区可以具有三角形状。\n[0087] 图8演示根据本发明典型实施例的小区映射数据库的结构。\n[0088] 如图8中所示，小区映射数据库包括CDMA2000小区信息、WLAN小区信息、及CDMA2000小区与WLAN小区之间的映射信息。如图8中所示，小区映射数据库可以具有列表结构。\n[0089] 参考图8，小区映射数据库存储本发明中所用的CDMA2000网络中所有小区的列表，以及空间上与各个CDMA2000小区重叠的WLAN小区的列表。例如，CDMA小区A与WLAN小区1到12重叠，以及CDMA小区B空间上与WLAN小区5、12、22、33、34、35、36、37、38、39和41重叠。\n[0090] 小区映射数据库也包括所有WLAN小区的列表和WLAN小区的子小区列表。虽然图\n8中未示出，但是还可以在小区映射数据库300中包括将每个WLAN小区覆盖区的GPS坐标映射到WLAN小区的列表。\n[0091] 根据上述列表，能够确定终端所在的WLAN小区。\n[0092] 例如，根据与终端所在CDMA小区有关的信息，确定与CDMA重叠的WLAN小区。接着将确定的WLAN小区的GPS坐标与终端的GPS坐标相比较，从而容易地确定终端当前所在的WLAN小区。这只应该被理解为一个典型实施例，并可以采用其它方法。一旦确定终端当前所在的WLAN小区，通过参考越区切换映射列表就能确定终端将要切换到的子小区。\n[0093] 重要的是，小区映射数据库提供越区切换映射列表。对应于WLAN子小区，越区切换映射列表提供终端将要切换到的子小区。参考图8，将终端将要切换到的子小区映射到终端当前所在的WLAN子小区。终端将要切换到确定的新接入点。\n[0094] 图9演示根据本发明典型实施例的当终端移动时整个网络中的越区切换过程的流程图。\n[0095] 移动终端310与基站320和GPS卫星330通信以在WLAN上通信时扫描新AP。移动终端310通过与基站320通信确定CDMA网络小区内终端的位置(S901)，并通过与GPS卫星330通信确定以坐标指示的终端位置(S902)。终端310向小区映射服务器300提供确定的终端位置信息(与终端接入的CDMA基站和终端坐标有关的信息)(S903)。在接收到位置信息时，小区映射服务器300根据终端位置信息和小区映射数据库303来确定与终端要从当前位置切换到的小区有关的信息，并向终端310传输小区信息(S904)。\n[0096] 在扫描过程之后，执行认证过程。终端310向新AP340-2发送认证请求(S905)。\n新AP340-2响应请求，确定终端310是否具有接入网络的许可，并向终端310返回认证响应(S906)。\n[0097] 经认证的终端310向新AP340-2发送重新关联请求(S907)。新AP340-2向旧AP340-1发送越区切换请求(S908)。旧AP340-1响应越区切换请求，向新AP340-2提供越区切换响应，切换响应包括重新关联所需的信息(S909)。新AP340-2响应越区切换响应，向终端310发送重新关联响应(S910)。\n[0098] 从图9和2的程序之间的比较可见，两种进程之间的扫描过程有显著的区别。具体地，图9的进程中，在信道扫描过程中终端不与接入点通信。即，针对越区切换扫描新接入点的过程使用CDMA网络和GPS服务。\n[0099] 图10演示根据本发明典型实施例终端与小区映射服务器之间的越区切换过程的流程。\n[0100] 在执行越区切换之前，当关于终端当前在移动还是没有移动而在WLAN上通信(S100)时，终端310向小区映射服务器300提供其位置信息。如前讨论的，位置信息包括终端的GPS坐标和与终端所在的CDMA小区有关的信息。小区映射服务器300从终端310接收终端位置信息(S120)。\n[0101] 根据接收到的终端位置信息中包含的CDMA小区信息(即，与终端所在的CDMA基站有关的信息)，小区映射服务器300在小区映射数据库303中检索与CDMA小区重叠的WLAN小区(S121)。在小区映射服务器300确定WLAN小区之后，其根据终端的GPS位置信息(坐标)检索终端所在的WLAN子小区(S122)。小区映射服务器300从与终端当前所在的WLAN子小区有关的信息中确定与终端将要切换到的小区有关的匹配信息(S123)，并向终端310传输与终端将要切换到的小区有关的信息(S124)。\n[0102] 当越区切换发生时(S110)，接收与终端将要切换到的小区有关的信息的终端310通过认证过程(S111)和重新关联过程(S112)执行越区切换，而不扫描新接入点。\n[0103] 根据本发明，在越区切换过程中，可以通过缩短耗时的信道扫描过程来显著地减少WLAN终端的越区切换时间，从而改进WLAN质量。\n[0104] 虽然参考本发明典型实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员要理解，在不背离所附权利要求限定的本发明的范围的前提下，可以有各种形式和细节上的改变。