面向智能家居应用的异构网络垂直切换方案

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【摘 要】本文针对多模终端控制智能家居系统的泛在性，将垂直切换技术用到智能家居控制系统中，介绍了一种异构网络垂直切换方案。该方案的关键是针对多模终端的移动性与位置，将异构网络间垂直切换划分为近程端切换与远程端切换。近程端切换方法解决了多模终端由WLAN或WCDMA网络向Zigbee网络切换的终端认证与丢包问题；远程端切换方法通过移动自适应的垂直切换算法，为多模终端选择最佳接入网络，提高了智能家居系统远程控制的实时性。

【关键词】智能家居；泛在性；垂直切换；实时性

A Vertical Handoff Solution in Heterogeneous Wireless Networks for the Use of Smart Home

LIAO Wen-jin

（College of Communication & Information Engineering Nanjing University of Post & Telecommunition， Nanjing Jiangsu 210003，China）

【Abstract】Aimed at the need of the ubiquitous control of smart home system by multi-mode terminal， this paper uses vertical handoff in the current remote control system and introduces a heterogeneous wireless vertical handoff solution. The key point of this solution is that vertical handoff is divided into near-end handoff and far-end solution， considering the terminal’s mobility and position. The near-end handoff solves the problem of terminal authentication and packet loss when changing from WLAN or WCDMA to Zigbee. The far-end handoff provides a best network and can improve the real-time control for multi-mode terminal visiting smart home system by mobility- adaptive handoff algorithm.

【Key words】Smart home；Ubiquity；Vertical handoff；Real time

0 引言

当前移动蜂窝网络技术、无线局域网技术以及无线个域网技术被广泛使用，多无线网络覆盖与终端多模化，使移动终端具备了多网络接入能力。在此情况下，拥有多模终端的用户希望泛在（任何时间、任何地点）控制智能家居系统，采用像GSM网络[1]这种单一的网络模式已不能满足多模终端远程控制智能家居系统的需要。

目前智能家居系统控制的实现方案多集中在家庭侧，通过在家庭网关上实现家庭内部无线网络与Internet的互联互通来达到控制的目的[2-3]。这些方案虽然利用家庭无线网关解决了内外无线网络协议间转换的问题，却没有考虑多模终端泛在控制的应用场景。在异构无线网络环境下，多模终端会基于所处的无线网络环境及位置自主地进行网络选择或垂直切换，以期获得最佳的网络服务。因此本文将垂直切换技术应用到智能家居系统控制中，设计一种垂直切换方案，以支持多模终端泛在控制智能家居系统的应用场合。

1 异构网络切换结构

本文以基于Zigbee技术组网的智能家居系统为例，将Zigbee、WLAN及WCDMA作为多模终端远程访问智能家居系统的三种异构无线网络接入方式。图1给出了一种实现智能家具系统泛在访问与控制的异构网络切换结构。

图1 网络切换结构

该切换结构基于多模终端位置将垂直切换分为远程端切换和近程端切换。远程端切换主要针对多模终端远程访问控制智能家居系统的需要，积极主动地感知所处网络环境与状况的变化，及时触发网络切换，从而为多模远程访问智能家具系统始终提供最佳的网络状态与连接服务。近程端切换主要针对多模终端从外部进入到家庭网络环境（Zigbee网络），出于网络费用的考虑而由WLAN或WCDMA切换到Zigbee网络的情况。

2 近程端切换方法

2.1 网络切换的考虑

当多模终端由WLAN或WCDMA向Zigbee网络切换时，存在着两个问题：一是切换的认证问题，即多模终端在网络切换前后的身份认证问题；二是切换所带来的丢包问题，这主要是由于切换时的网络暂时中断引起的。

针对上述两个问题，这里提出基于网关协助的网络切换方法，即由家庭网关实现多模终端身份认证与丢包重传。网关为每个访问智能家居系统的多模终端提供唯一的ID并为开辟一个数据暂存区。当切换发生时，网关会将到该多模终端的数据暂存，多模终端进入Zigbee网络后会向网关请求认证其ID，网关确认后，将对应的暂存数据通过Zigbee网络发送给该终端。

2.2 网络切换触发机制

为了保证多模终端切换并接入到一个稳定的Zigbee网络，将Zigbee网络的链路质量指示LQI作为触发切换的指标。

当多模终端发现Zigbee网络时，以周期T对网络的LQI信息采样，获得n个采样值。用样本均值表征网络的状况水平：

■ =（■LQIi）/n （1）

可以切换到Zigbee网络的条件如下：

■>LQIo 切换■≤LQIo 不切换 （2）

其中LQIo表示Zigbee网络可接入的LQI最小值。

3 远程端切换方法

远程端切换的目标是为远程控制智能家居系统的多模终端，提供最佳的网络连接，以提高远程控制的实时性。接收信号强度（Received Signal Strength， RSS）作为网络状况的表征常被用为网络切换的判决指标。终端通过扫描无线网卡RSS的变化来触发切换，其切换常采用一种固定阈值的切换算法[4]。考虑到终端的移动性，这里提出了一种移动自适应的网络切换算法。

3.1 网络发现

网络发现是整个切换过程很重要的一步。考虑到WLAN覆盖范围小而WCDMA覆盖范围大，因此在网络发现阶段多模终端主要通过扫描无线网卡发现附近可用的WLAN为切换过程提供网络选择。这些可用的WLAN构成了一个候选网络集合C。论文[4]采用了固定阈值与迟滞电平来选择一个无线网络进入C的方法。但是该方法缺乏对网络稳定性的考虑，当多模终端选择接入到一个不稳定的无线网络时，极易产生乒乓效应，降低了切换的效率。为此，这里引入网络波动度作为选择一个网络进入C的判断指标。

多模终端定期扫描无线网卡，对其周围的WLAN以周期T进行均匀采样，样本序列记为（RSS1，RSS2，L，RSSN） 。对于每一个WLAN，RSS的波动度S计算公式为：

S=■RSSi-■/ N （3）

式中■为对应WLAN的RSS样本均值，它体现的是网络当前RSS的平均水平。

对于某个WLAN，判断它能成为一个候选网络的公式如下：

S

其中σo为RSS的稳态阈值，它表示MT进行正常通信所能忍受的最大网络波动。

3.2 网络切换判决

3.2.1 当前服务网络为WCDMA时的切换

考虑到WCDMA的带宽低，因此多模终端在移动的过程中总是试图切换到带宽高的WLAN。在这种情况下，触发切换的条件是发现是否有可用的WLAN，主要的依据是判断C是否为空。若C不为空，则选择■最大（距离终端最近）的WLAN作为切换的目标网络。

3.2.2 当前服务网络为WLAN时的网络切换

为了使切换算法具有移动自适应性，这里定义了一个阈值动态调节因子：

ΔRSS=RSS1×α■ （5）

其中RSS1为调节系数，k为比例因子，v为终端移动速率。（RSS -■）反映了终端移动行为，（RSS-■）>0说明其在做接近AP的运动，此时切换并不那么紧迫，因此ΔRSS给个较小值；相反，终端正在远离AP，速度越快，切换越紧迫，因此ΔRSS给个较大值。

网络触发切换的条件如下：

RSS

切换时，当C为空时或终端速度多快时（v>vo）将直接切换到WCDMA网络，否则将从C中选择切换的目标网络。

3.3 网络切换执行

切换执行是当切换触发时，多模终端向网关进行注册并获取注册确认的过程。整个注册过程完成终端身份的认证与数据传输通道的变换。当多模终端首次访问智能家居系统并认证通过后，网关为其分配一个唯一ID号。切换时，网关利用ID识别终端身份，防止未授权的访问。多模终端发现新的接入点之后通过动态IP地址分配协议获取新的IP地址，然后向网关发送包含ID与IP地址的注册数据包，网关进行确认之后，多模终端将数据发送的通道切换到新的接入点上，完成切换过程。

4 结束语

本文在现有的智能家居远程控制系统中引入了垂直切换机制，设计了多模终端在近程端与远程端的网络切换方法，满足了多模终端泛在控制智能家居系统的应用需求。此外，本文提出的切换方案虽然是针对智能家居应用提出的，但同样也适用于像智能交通、智能农业与智慧医疗等物联网的其他应用场合，因此具有较好的应用价值。

【参考文献】

[1]郑一力，李胜，王永泽，等.一种远程无线智能家居控制系统[P].中国专利，CN102880158A，2013-01-16.

[2]满莎，杨恢先，彭友，等.基与ARM9的嵌入式无线智能家居网关设计[J].计算机应用，2010（9）：2541-2544.

[3]郭稳涛，何怡刚.智能家居远程控制系统的研究与设计[J].计算机测量与控制，2011（9）：2109-2112.

[4]Syuhada M Z A， Mahamod I， Firuz W A W N S. Performance Evaluation of Vertical Handoff in Fourth Generation （4G） Networks Model[C]// Proceedings of IEEE National Conference on Telecommunication Technology.2008：392-398.

[5]Ma Bin， Liao Xiaofeng. Speed-adaptive vertical handoff algorithm based on fuzzy logic in vehicular heterogeneous networks[C]//Proceedings of IEEE ninth National Conference on Fuzzy Systems and knowledge Discovery.2012：371-375.