（通信与信息系统专业论文）嵌入式移动终端的无线自适应接入技术.pdf

福建师范大学硕士学位论文 i i 7 f h 塑l 一i i i l p i i lll r l li l ll i tiil o l o - _ _ _ - 目i - = = = i - - _ - l _ _ l _ _ 目目_ _ - - _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ # i - _ _ _ _ _ _ _ l _ j = = _ l - _ _ - - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ l l - _ - _ _ 一 y 18 0 6 4 2 6 a b s t r a c t t h er e s e a r c hs t a t u so fw i r e l e s sl a nt e c h n o l o g yi nt h ee m b e d d e ds y s t e mp l a t f o r m a p p l i c a t i o nw a ss u m m a r i z e d ，t h e nt h ea c c e s sm o d eo fe x i s t i n gw i r e l e s sl a na n dt h e t r a d i t i o n a ls w i t c hm e c h a n i s mw a r ea n a l y z e d m e a n w h i l e ，t h ef r a m e w o r ko fw i r e l e s s a d a p t i v ee m b e d d i n gt e c h n o l o g y , w h i c hp o s s e s s e sn e t w o r ks c a n n i n ga g a i n s td e t e c t i v e ， a d a p t i v ea c c e s sa n a l y s i s ，s e a m l e s ss w i t c hf u n c t i o nm o d u l ea n ds oo n ，w a sc o n s t r u c t e di n t h ea r m 9e m b e d d e dp r o c e s s o rp l a t f o r m a tl a s t ，t h ep r o c e s s i n ga n da c h i e v e m e n to ft h e a d a p t i v ea c c e s sa n ds e a m l e s sh a n d o v e rw a sp u tf o r w a r d ，a n dt w ok i n d sw i r e l e s sl a n a c c e s si m p r o v e m e n tw e r ep r o p o s e d ： a tf i r s t ，f o rt h es i g n a la n a l y s i so fw l a ni nm o v i n gs t a t ew a sm o s tc o r r e l a t e d 晰m t i l es i g n a li n t e n s i t y , t h em o v i n gs p e e d ，t h en e t w o r kc o v e r a g ea n dt h ep o s i t i o nf e a t u r e s ， b a s e do nt h ef f ts i g n a la r e n u a t i o nd e t e c t i o na l g o r i t h m ，av a r i a b l es t e ps i z el m s p r e d i c t i o na l g o r i t h mw a sp r o p o s e d o no n eh a n d ，t h ea l g o r i t h mp r o p o s e dc a l lh e l pt o i m p r o v et h em e t h o do fa n a l y z i n gt h es i g n a lm o v i n gs p e e d ，s ot h a tt h em o v i n gs p e e dc a n b ee s t i m a t e dm o r ep r e c i s e l y , o nt h eo t h e rh a n d ，u n t i lt h es i g n a la r e n u a t i o nl e a d st ot h e s i g n a lc o m m u n i c a t i o nf a i l u r e s ，i tw o u l ds w i t c ht h es i g n a l t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a t ，t h es i g n a l - t o n o i s er a t i ow a si n c r e a s e d a n dm e a n s q u a r ee r r o rw a sr e d u c e d ，a n di t s h o w st h es u p e r i o r i t ya n do ft h ef e a s i b i l i t yo ft h ea l g o r i t h m s e c o n d l y ，c o m p a r h l gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs e v e r a ln e t w o r k l a y e r r o a m i n gh a n d o f fm e c h a n i s m s ，s u c ha sh a r dh a n d o f fm e c h a n i s m ，s e m i s o f th a n d o f f a n ds o o n a c c o r d i n gt op e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so ft h en e t w o r kh a n d o f fi nw l a n ，u s i n gt h e v a r i a b l es t e ps i z el m sp r e d i c t i o na l g o r i t h m ，an e ws e a m l e s sh a n d o f fb a s e do nt h e p r e d i c t i o nf o r w a r d i n gw a sp r o p o s e d t h eh a n d o f fd e l a ya n dt h ep a c k e tl o s sr a t eo ft h e n e ws e a m l e s sh a n d o f fw a se m p h a t i c a l l ya n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a t s e a m l e s sh a n d o f fb a s e do nt h ea l g o r i t h mc a nd e c r e a s eh a n d o f fd e l a ya n dp a c k e tl o s sr a t e a t 1 a s t ，t h ep r i n c i p l ea n da c h i e v e m e n to ft h ea d a p t i v ea c c e s sw a si n t r o d u c e d ，t h e p r o c e s s i n go ft h ea d a p t i v ea c c e s sa n ds e a m l e s sh a n d o f fw a sa n a l y z e d ，a sw e l la st h e d e s i g nm o d e li na r m 9p l a t f o r m k e y w o r d s ：t h ee m b e d d e ds y s t e m ，w l a n ，t h ea d a p t i v ea c c e s s ，t h es e a m l e s sh a r t d o f f 妊冲- ：* j 玉：重啦彬k ：二i ：车弘 i i i 福建师范大学硕 i v k 冬 中文文摘 随着科技的进步，计算机网络在人们的日常生活和工作中不断普及，对于网络 化应用的要求也随之提升，而传统有线网络是办公移动化发展的瓶颈。由此，无线 局域网的使用应运而生，其移动性、高速度、可靠性等显著优势弥补有线网络的缺 陷，无线局域网技术的广泛应用是一个必然趋势，结合嵌入式系统的小型化设计， 将原来p c 机上使用的无线局域网技术运用到嵌入式系统中，在很大程度上提高设 计的可应用性和移动性，并可充分集成市场上现有的标准和技术，整合到无线局域 网嵌入式平台中。本文将无线局域网自适应接入技术和嵌入式系统技术有效结合在 一起，构建一个具备无线自适应接入技术的嵌入式移动终端，一方面可以对工业或一 者研究室采集的数据通过无线局域网连接进行通信，提高信号的实时获取性能，另 一方面可以尽可能保证终端在数据采集过程中，减少移动性对于网络通信的影响， 优化运动过程中由于切换而导致的数据丢包率和时延。 绪论阐述了无线局域网技术应用的重要意义。通过对国内外有关无线局域网技 术、嵌入式系统技术、网络切换机制进行收集、整理和比较分析，提出了无线局域 网应用模式上的瓶颈问题，如网络切换频繁等，而嵌入式系统的处理能力具备网络 连接效率高，可移植性强等优势，提出了采用无线局域网技术和嵌入式系统技术相 结合的方式，并分析了目前接入方式和切换机制的主要优点和不足，并提出解决方 案。 第一章针对无线局域网和嵌入式系统的特点进行介绍，分析其在移动终端应用 上独特的优势，并详细介绍了嵌入式无线移动终端的总体框架，包括硬件结构和软 件总体框架，分析了各模块所实现的功能。 第二章介绍了无线局域网网络的接入原理，通过对探测、认证、重连接等三个 阶段上延时分析，得出无线接入机制的不足：传统的无线接入机制在选择接入点时， 往往以信噪比作为切换判断依据，并且对于切换时间点的选择存在滞后的问题。本 文在快速傅里叶变换的信号强度变化估计算法对信号变化分析的基础上，运用信号 强度序列估算运动趋势，提出了一种新的变步长l m s 预测算法，并从步长随误差 变化曲线、收敛性和初始步长自适应选取等方面分析了该算法。 第三章介绍了无线局域网漫游切换的原理，并比较了四种常见的三层漫游切换 v 福建师范大学硕士学位论文 机制的优缺点。重点对现有机制在丢包率和切换延时等性能指标的不足做出分析， 运用本文提出的新变步长l m s 预测算法，设计了一种基于预测转发的无缝切换机 制，并分析其性能及实现模型。 第四章主要介绍了自适应接入系统软件设计平台、软件实现功能，并分别说明 了嵌入式终端环境下无线网卡应用实现，以及l i n u x 操作系统的网络编程。重点说 明了文中提出的自适应接入分析模块和预测转发无缝切换模块的实现框图，并设计 实现了终端人机交互的g u i 界面。 第五章通过算法仿真和实验结果说明，移动终端在a p 信号覆盖内移动，用新 的变步长l m s 预测算法，在一段适应过程之后，就能得到均方误差较小的预测值， 具备较好的收敛性。在实测过程中，对比常用的漫游切换方式和本文提出的预测转 发切换方式，后者在切换启动之前就进行存储转发处理，在切换延时和丢包率这两 项重要性能指标上明显更优，可以得到满意的切换效果。 最后，总结了本论文所完成的主要研究工作、取得的研究成功以及尚存在的不 足，并提出今后可继续开展的工作和期望。 v i ， 钳 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 中文文摘v 目j 录i 绪论1 第一节国内外研究现状1 第二节课题来源、意义及可行性2 第三节论文内容与创新点3 第一章嵌入式无线移动终端的研究和设计5 第一节嵌入式系统的基础知识5 第二节无线局域网的发展6 第三节嵌入式无线移动终端系统总体设计8 第四节本章小结9 第二章无线网络自适应接入技术的研究1 1 第一节无线局域网网络接入的影响因子1 1 第二节无线接入机制的分析与比较1 2 第三节自适应接入技术的原理1 5 第四节基于快速傅里叶变换的信号强度变化估计算法1 5 第五节一种新的变步长l m s 预测算法。1 7 第六节本章小结2 0 第三章无线终端网络层无缝切换技术2 1 第一节网络切换技术原理2 1 第二节w l a n 三层漫游切换机制2 3 第三节基于预测转发的无缝切换实现机制2 5 第四节本章小结2 8 第四章自适应接入终端软件设计。2 9 第一节终端软件总体设计2 9 ，螬母留：嘶 v i i 自雄。扣世 哺矗 福建师范大学 第二节嵌入式l i n u x 网络设备编程 第三节自适应接入机制软件设计一 第四节系统人机交互图形界面设计 第五节本章小结。 第五章实验结果及分析。 第_ 节自适应接入实验仿真结果分析 第二节移动终端漫游切换实测分析。4 6 第三节本章小结5 2 第六章结论。5 3 第一节全文总结5 3 第二节工作展望5 4 附录1 程序清单5 5 参考文献5 9 攻读学位期间承担的科研任务与主要成果。6 5 致谢。：。6 7 个人简历。6 9 福建师范大学硕士学位论文独创性和使用授权声明7 1 v i h 绪论 绪论 第一节国内外研究现状 近年来，无线局域网( w i r e l e s sl a n ，w ia n ) 技术在实际生活生产中得到了 广泛的应用，并保持着快速发展的趋势。相对于有线局域网，无线局域网具备组网 灵活等特点；相对于3 g 移动网络，无线局域网又具有频段开放和宽带高速的优势n 1 。 以i e e e8 0 2 1 1 无线网络为例，由于用户针对早先的8 0 2 1 1 协议在速率、安全性、 传输距离和电磁兼容能力等方面提出了很多不足之处，i e e e 为此制订了一系列扩展 协议满足了用户各方面的需求，同时也进一步推进了无线局域网的发展。另外，无 线局域网通过极小蜂窝、微微蜂窝和微蜂窝的结构对蜂窝技术的特殊区域进行补充， 实现用户对移动通讯多层次的要求，并能极大提高有限频谱的利用率嘲。 无线局域网漫游切换问题是现在研究的一个热点问题。时下在有线网络下表现 很好的语音实时应用，在无线网络下却并不是很理想，特别是应用结点跨区切换， 较高的切换延时和丢包率使这个问题更加突出跚。由本文3 1 1 节指出的i e e e8 0 2 1 1 w l a n 四种切换的类型可知，w l a n 的漫游切换问题涉及m a c 层、网络层两个层 面。在链路层，传统的结点切换方法以及在此基础上改进的一些方法，要么丢包率 大，要么切换延时长，这对语音业务的q o s 造成一定影响；在网络层，大多数结点 切换方法是建立在移动p 技术基础之上，这些方法独立于链路层，采用的是软切换 的方式，无疑增大了切换时候的开销，在较大规模网络中还不能满足语音业务的要 求m 3 。本文针对i e e e8 0 2 1 1 无线局域网中的结点切换问题，在传统的链路层切换方 法上做出改进，并在此基础之上，提出一种支持实时应用的网络层快速切换方案。 半导体技术的飞速发展，带动了集成电路集成化水平的飞跃，嵌入式系统在“智 能系统 设备的实现上发挥着重大作用，凭借其体积、功耗、成本等优势，越来越 多地应用到工业控制和生活家用的各个领域中嘲。广大嵌入式平台厂商提供性能强 大的处理器芯片，如p o w e r p c 、a r m 、m i p s 等处理器，具备较高的外围接口集成 度。采用嵌入式系统能够满足移动化终端的性能要求： 1 提供强大的网络功能；移动终端对于硬件体积有严格要求，不可能携带大容量 存储介质，高速率的网络传输成为其数据存储和交互的主要选择之一； 2 低功耗、低成本；嵌入式处理器结合多种接口总线，省去其他外设转化芯片的 一姆，地h 畸烽 + l a 勰- 愧撼锄妒 福建师范大学 成本，并降低系统功耗获得更持久的使用时间； 3 人性化人机交互界面；处理器提供的l c d 总线接口可接入多种型号和尺寸的 液晶触摸屏，为操作者与设备建立可操作、直观的界面平台，也是移动类型设备发 展的趋势； 将无线局域网技术结合到嵌入式系统中，能够使移动设备具备移动性强、成本 低廉、组网便捷、传输带宽高等优势，因此，基于无线局域网的嵌入式产品越来越 受到设备开发商的青睐。但是，无线局域网技术覆盖范围小的缺点也同时制约了其 自身发展的速度，终端在移动过程中需要面临不断切换的问题，由于切换过程将导 致原有连接网络的断开，必然造成数据丢失。国内外对于无线局域网终端漫游切换 提出了多种方案，主要集中在处理切换延时和数据丢包率两方面的研究，优化漫游 切换机制。本课题试图通过分析移动终端在移动过程中的处理机制，研究切换时延 短、数据丢包率低的“无缝”漫游切换机制，并建立一个具备无线局域网自适应接 入技术的嵌入式移动终端。 第二节课题来源、意义及可行性 针对光电信号处理系统小型化、网络化趋势，结合目前主流的网络无线局域网 通信技术，本课题提出具有无线网自适应接入能力的嵌入式光电信号处理系统。通 过短距离无线技术，实现光电信号的数据采集与监测，并实现无线局域网的数据交 互功能，为手持医疗设备的移动化办公提供关键技术。 针对嵌入式光电信号处理系统所面临的跨区移动过程中通信连接切换的问题， 本课题的研究主要包括以下两个意义： 1 系统对无线接入点的自适应接入 由于i e e e 8 0 2 1l 协议规定无线终端在任何时间任何地点只能与一个无线接入点 建立通信链路，所以用户的移动对网络通信的服务质量有很大影响。与无线接入点 的距离越近就能获取到较好的信号，反之，接收到的信号将逐级递减。移动主机通 过b e a c o n 信令可以获取到周围接入点的信息，而无线信号的信噪比是判断网络信号 状态的。主要依据，对信噪比的分析有助于选择服务质量高的接入点。在快速移动情 况下，通过对无线接入点信号的监测获取相对移动速度有些滞后，但可以借助算法 对信号的变化趋势做出预测，最小均方误差( l m s ) 算法是一种以期望响应和滤波 器输出信号之间误差的均方值最小准则的，依据输入信号在迭代过程中估计梯度矢 量，并更新系数以达到最优的自适应迭代算法m 。l m s 算法是随机梯度算法族中的 2 k 嘈 显著特点是它的简单性。其预测原理如下： 在信号预测中，自适应滤波器的输入是由期望信号的时延形式组成的，如图2 3 图0 - 1 自适应滤波器在信号预测中应用 f i g u r e0 - 1 t h ea p p l i c a t i o no f a u t o - a d a p t e df i l t e r si ns i g n a lf o r e c a s t m s e 是s = e 【x ( 尼) 一x ( 后一三) 】2 ) ，使m s e 最小，即得到一个f i r 滤波器，其系 数为w 的元素，该滤波器能够利用过去的样值x ( k - l ) ，x ( k - l 1 ) ，x l - n ) 的信息预 测输入信号的当前样值，当m s e 较小时，得到的f i r 滤波器就可认为是信号x 的模型h 1 。通过对随机检测信号进行预测，从而快速地判断接入点通信服务质量， 对信号质量优的选择进行自适应接入。 2 优化切换对系统的影响 i e e e s 0 2 1 1 协议族中，无线局域网技术支持设备在不同a p 之间的漫游切换， 但如果要实现v o i p 等时间敏感性强的实时业务，基本的漫游切换方式难以保证切换 时延，满足数据传输的连续性。因此，需要研究无线局域网技术的切换过程，并从 中优化切换机制以减小切换时延。 第三节论文内容与创新点 论文第二章介绍无线局域网自适应接入原理，并提出一种新的网络信号预测算 法，第三章介绍漫游切换机制和基于预测转发的无缝接入机制的实现，第四章从软 件设计的角度介绍嵌入式终端设备中自适应接入模块和预转发无缝切换模块的实 现，第五章分析比较实验数据。本文的主要创新工作有如下4 点： 1 ) 完成了无线局域网嵌入式终端的软件设计，实现了基本的自适应接入功能； 2 ) 实现了基于快速傅里叶变换的信号强度变化估计算法并加以改进，提出一 种新的变步长l m s 预测算法，实现了切换状态预判，提高网络状态判断的 准确度； 3 ) 实现了基于预测转发的无缝切换机制，减小切换时延和数据包的丢包率， 。；毓砂；k ；粕铒静 。日嘲釉一铀蝇一 福 优化网络切换性能； 4 ) 实现了终端触摸操作的 4 和设计 第一章嵌入式无线移动终端的研究和设计 第一节嵌入式系统的基础知识 嵌入式系统是一种非p c 系统的计算机应用形式。通常定义为：以计算机技术 为基础、以应用为中心、具备软硬件可裁剪等特点，对应用场合有特殊要求的专用 性计算机系统，适合于对多任务管理和实时性支持要求较高的体系脚。 嵌入式系统应用范围非常广，包括日常生活工作场所中常见的电器设备，如数 码产品、p d a 、移动存储设备、工业自动化控制仪器以及医疗仪器等嘲。本文所要 介绍的手持式移动终端( m o b i l es t a t i o n ，m s ) 作为移动通信系统一个重要组成部分， 是一个高性能的嵌入式系统和无线通讯信号处理系统的集合体。其数据处理量大， 使用环境多变，对软硬件的要求高，能提供安全稳定的运行时间。 1 1 1a r m 嵌入式平台介绍 a r m 芯片技术授权已经占有了3 2 位r i s c 芯片7 5 的市场份额，其i p 核处理 器在很多领域都发挥着很大的作用，如：蓝牙、互联网、无线网络设备、成像设备 和安全产品等n 叫。 a r m 处理器支持七种处理器模式，包括用户模式、中断、快中断、终止、系 统、管理和未定义等叭1 。这也是a r m 的特色之一，可以在很大程度上提高a r m 处 理器的效率。 本文使用的系统硬件平台采用三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 处理器，该芯片内部集成了 a r m 9 2 0 t 内核核心的3 2 b i t s 微控制器，具有数据和指令缓存c a c h e 、l c d 控制器、 r a m 控制器、并行的i o 总线接口、2 个u s b 接口控制器和液晶触摸屏接口，芯 片的主频最高可达到2 0 3 m h z ，是常用于嵌入式终端设备的主流微控制器n 副。 1 1 2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是应用于嵌入式设备，并支持系统应用程序的一种操作系统软 件，是嵌入式系统中硬件和软件运行的重要支撑部分，它包括了硬件的设各驱动程 序、应用程序a p i 接口、系统内核、文件系统、计算机网络协议等。 实时性多任务操作系统r t o s 是目前嵌入式设备软件运行的主要操作系统。它 可以创建多任务运行环境，在任务执行过程中动态分配c p u 的时间片，保证任务的 福建师范大学硕士学位论文 运行时间要求得到充分的满足，并按照处理原则对多任务完成切换和调度。 r t o s 的首要任务是调度，为了完成实时控制任务，充分利用一切可利用的资 源，其次是提高嵌入式的运行效率，在满足时限要求的情况下，嵌入式系统能及时 响应外部事件，也能同时完成等待其他进程或任务的操作。所以r t o s 最关键的部 分就是实时多任务内核，它将c p u 时间、定时器、中断等资源都封装成一个提供开 发使用的标准a p i 接口，留给用户应用程序调用，并根据每个任务所设置的优先级， 统筹地在不同的任务之间合理分配c p u 的时间片。r t o s 的基本功能包括任务管理、 存储器管理、定时器管理、资源管理、系统管理、消息管理、事件管理、队列管理 等，用户可通过调用内核服务函数( t g 就是r t o s 的a p i ) 来使用这些管理功能n 3 。1 副。 高效率的实时多任务内核能够针对不同总线结构的c p u 进行优化设计，常用的 r t o s 都可以兼容多达几十种嵌入式处理器，比如p o w e r p c 、m i p s 、m p u 、m c u 等，提供的a p i 接口功能相似从而提高其可移植性n 6 1 。因此，基于r t o s 平台开发 的c 语言程序也具备较高的可移植性。据专家测算，只需修改不到1 5 的代码，便 可以实现r t o s 上对于不同处理器硬件平台的应用程序移植n 刀。同时，各种平台的 设备驱动、标准库函数、自定义函数、兼容性函数都能够在r t o s 上编写实现。从 这层面上来说，r t o s 是一个优秀的软件开发平台n 羽。 第二节无线局域网的发展 1 2 1 无线局域网的优势 无线局域网利用无线电波代替传统的电缆进行信息传输，能够运用于传统有线 网络的扩展、补充或替换。与传统有线网络相比较，无线局域网在实际应用中具有 以下四种优势n 蚴1 ： 1 ) 移动性 无线局域网最明显的优势是网络移动性的提高。连接到无线局域网的用户在保 持当前网络正常连接的情况下移动。在有线网络的环境中，大多数的网络设备由于 电脑、网络连接线等客观实体位置的影响，其网络位置的移动限制较大。而无线局 域网的移动性弥补了有线网络的不足，只要在无线网络信号能够到达的范围内，任 何一个位置都能够接入网络，让用户享受实时的无处不在的网络接入服务，自由畅 快地获取网络信息。 2 ) 灵活性 6 厶 冉 第一章嵌入式无线移动终端的研究和设计 无线局域网是利用无线电磁波通信的，能够将网络信号覆盖到电缆难以触及的 地方，不需要固定网络实体位置，具备接入能力的设备按照一定规范通过基础接入 设备可接入骨干网络。并且组网方式有极高的灵活性，除了接入核心网络，还能让 终端之间实现自组网( a d - h o e ) 。 3 ) 经济性 在传统的布线网络情况下，网络中站点的移动和网络拓扑的重新布局就需要整 个网络线路重建。重新布线无疑相当浪费资源，而无线局域网可利用其优势，减少 物理布线带来的负面效应，将网络涉及到物理布局所不能及的地方，如危险地区等， 省去物理线路和重新改造的经济费用，从而增加经济效益。 4 ) 故障排查 在有线网络中一旦出现网络故障，特别是由于线路接触不良而造成的网络中断， 一般很难查出，即使查明了，也浪费了大量的排查时间和修理费用。而无线局域网 较容易定位网络的故障点，修复时，只需重新更换故障设备即可恢复正常网络连接。 1 2 2 无线局域网的发展前景 无线局域网是网络技术和无线通信技术融合的现代化产物。从专业角度分析， 无线局域网技术就是通过一定频段的无线信道实现网络设备之间互联互通，并完成 通信的移动化、宽带化和个性化和宽带化。它能与运营商当前所拥有的宽带接入方 式形成资源互补，提供更优质的服务方案，从而拓展业务市场乜3 i 。与其它常用的接 入技术相比较，无线局域网具备高带宽数据传输、高灵活性、便捷安装、建设速度 快等显著优势。 信息时代的到来，使得信息网络成为一种重要的资源，人与人之间、人与社会 之间都必须能够随时随地的通信，以保证信息资源畅通交流。因此，接入网络的无 线化成为社会用户需求逐步发展的重要趋势。无线局域网之所以产生和发展，背后 隐藏着用户的需求和选择，随着信息化交流的加速，宽带生活逐渐成为信息化交流 的一个重要生活结构，人们在生活中对于宽带的依赖性正在逐渐加强，固定宽带缺 乏移动灵活性是难以满足用户对于接入无线化的需求幽3 。当前，使用笔记本的用户 比比皆是，也在客观上为w l a n 的发展创造了条件；另外，酒店和机场等服务行业 内部的竞争进入到高层次阶段，同样需要无线局域网提升其服务形象。因此，在用 户和社会需求的选择下，无线局域网的宽带接入技术将逐步在接入层面上形成了一 个无线网络时代。 一蜮4 。；蛳7 ： ， f 搽游埘嘣z 福建师范大学硕士学位论文 第三节嵌入式无线移动终端系统总体设计 本文使用的嵌入式无线局域网终端采用的c p u 是三星公司带有a r m 9 2 0 t 内核 的3 2 位a r m 9 处理器$ 3 c 2 4 1 0 。为使系统能运行多任务进行网络通信和数据操作， 系统平台上移植嵌入式l i n u x 操作系统，它具有低成本、高安全性、内核小和开发 时间短等特点。另外，无线局域网通信连接的实现，需要在平台终端上外接w l a n 适配器，本文采用u s b 接口w l a n 网卡，可以基于u s b 快速的连接传输速度配合 无线网卡的高速无线传输啮1 。由于嵌入式l i n u x 操作系统中并没有配备该网卡的相 关驱动，因此，需要进行设备驱动的移植。 图1 - i 无线局域网自适应终端系统架构 f i g u r e1 - 1t h ea r c h i t e c t u r eo f w l a n sa d a p t i v es t a t i o n 在保持无线局域网信道连接链路的基础上，还需要进行移动终端对于接入点切 换的连接优化。如图1 1 所示，针对该问题本文设计了自适应接入软件，包括信道 检测子模块、自适应接入算法、认证连接子模块等，用于对已知移动终端区域范围 内的a p 站点进行检测，以提取a p 信道强度和通信类型等信息，通过信号衰减估 算和预测算法分析终端所连接a p 以及周围存在无线接入点的网络通信服务质量。 本文所提出的自适应接入设备适用于光电信号处理系统，所处理的光电采集数 据需要通过计算机网络在服务器和客户端之间进行传输，便于数据的管理和保存， 因此需要移植t c p i p 协议栈，提供局域网网络层上的通信连接和数据传输服务。并 在此基础上设计消息处理机制和数据预存储转发两个模块，用于终端和服务器之间 第一章嵌入式无线移动终端的研究和设计 进行消息控制，实现采集数据在终端和服务器两端上的同步转发，减少数据的丢包 率。 第四节本章小结 本章主要对嵌入式系统的基本知识，以及无线局域网的特点和前景做了简单的 介绍，详细介绍了嵌入式无线移动终端的总体框架，包括硬件结构和软件总体框架， 分析了各模块所实现的功能。 9 霹薛妇f 当；嗨j 玉 福建师范大学硕士学位论文 l o 第二章无线网络自适应接入技术的研究 _ i 目- _ 自_ _ _ - _ _ l - _ _ - - _ - _ e j j _ _ 目- = = l = = = _ _ _ 目= = i - 一： 第二章无线网络自适应接入技术的研究 嵌入式系统在连接无线局域网适配器 并完成驱动加载的基础上，即具备无线局 域网接入的能力之后，在无线路由器a p 的覆盖范围内可以通过无线网络连接到所 处的局域网当中。 如图2 1 ，当具备w l a n 接入功能的 移动终端( m s ) 运动到一个切换的选择位 置a ，对于周围存在的无线接入点，新接 入点a p 2 提供的是11 m b p s 的传输速率， 而原接入点a p l 能提供更高的5 4 m b p s 。 根据接收信号强度r s s i 的判断机制，m s 将继续保留a p l 的连接。然而，当终端不 图2 1 移动终端运动过程模型 f i g u r e2 1t h em o t i o np r o c e s sm o d e lo f t h em o b i l es t a t i o n 断远离a p l 方向移动的情况下，a p l 的信道利用率将会发生衰减，在接收信号强度 指示逐渐减弱的情况下将难以提供足够保障的通信，甚至可能提供比a p 2 更差的服 务质量。因为无线局域网的覆盖范围有限，在移动过程当中运动趋势导致信号的衰 减是终端最优先考虑的问题乜6 1 。为了这一点，本文采用了一个新的变步长l m s 预 测算法，它在考虑接入点的信道负载和站点通信传输速率的基础上，对无线接入点 的信号强度衰减或增强进行预测判断，选择移动范围内最优的接入点连接，从而充 分保证通信质量。 第一节无线局域网网络接入的影响因子 i e e e8 0 2 1 1 标准定义了两种主要的无线组网结构瞳瑚1 ：基本服务组b s s ( b a s i c s e r v i c es e t ) 和扩展服务组e s s ( e x t e n d e ds e r v i c es e t ) 。基本服务组是具备对等关 系的网络形式，服务组中所有的站点在网络中的通信地位都是平等的，这种组网结 构也可称为a dh o c 组网。而多个基本服务组b s s 构成了扩展服务组e s s ，其组网 范围内的每个基本服务组都需要通过一个无线接入点a p ( a c c e s s p o i n t ) 进行通信 服务，基本服务组之间并不能直接通信，因此这种依靠于中心节点的组网结构又称 为基础设施( i n f r a s t r u c t u r e ) 组网。基本服务组与无线接入点之间的网络互连构成分 福建师范大学硕士学位论文 布式系统d s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) ，在分布式系统中的站点可以在不同的b s s 之间 自由移动。 在i e e e 8 0 2 1 1 标准中，无线网卡或a p 的电路能够测量信号r f 值，这个值即 为接收信号强度指示( r s s i ，r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r ) 。当无线网卡需要 传送一个包时，必须首先确定无线信道是否空闲，如果此时r s s i 低于信道空闲值， 网卡芯片就认为该信道没有被其他用户占用。当无线用户漫游时，测量r s s i 值可 判断是否需要执行切换。 无线接入机制考虑的重要指标还包括c q ( c o m m u n i c a t i o nq u a l i t y ) 通信质量分析 能力，即对于每次收到消息的质量进行即时分析的能力，可供使用的属性包括：由 p h yl a y e r 提供射频接收的强度幅值r s s i ，由m a c 层向上提供a c k 消息因超时 而产生无线终端向无线接入点重传的消息次数，即通过对b e a c o n 消息通信的信噪比 s n r 计算出每n 次平均值来实现啪1 。在子网网络的切换过程中，无线接入点以固定 的时间间隔广播b e a c o n 消息，包括了e s s i d 、b s s i d 、c q ，以及小区内搜索阈值， 从而支持移动的终端能在a p 间无缝漫游。 第二节无线接入机制的分析与比较 2 2 1m a c 层切换过程 当用户在同一e s s 下的不同b s s 之间移动时，由于每一个a p 的覆盖范围有限， 当用户运动出所连接a p 的覆盖范围时，信号强度下降，信噪比减小，用户移动终 端将发起对新a p 的寻找和接入动作，通过m a c 层切换过程完成对新a p 的接入， 这一切换过程成为无线局域网的m a c 层切换。 根据8 0 2 1 1 协议规范中定义了一个移动站点m s 的漫游切换过程，从逻辑上可 以分为三个阶段，即探测阶段( p r o b e ) 、认证阶段( r e - a u t h e n t i c a t i o n ) 、重连接阶段 ( r e a s s o c i a t i o n ) 3 z - 3 3 ，如图2 2 所示。 1 2 第二章无线网络自适应接入技术的研究 认证阶段 土 丁 重连接阶段 p r o b e r e q u e s t 周 彳一p r o b er e s p 。n s r 一 围 存 在 p r o b er e q u e s t的 p p r n h er p _ n n n s ，一 。一 一u t h e n t i c a t i o nr e q u e s t - _ i 一a u t h e n t i c a t i r e s p o n 厂一 新 、e a u t h e n t i c a t i o nr e q u e s t 心 - j ，r e a u t h e n t i c a r l o nr e s p o n s f 一 图2 - 2i e e e 8 0 2 11 标准切换过程 f i g u r e2 - 2t h ei e e e 8 0 2 11 ss t a n d a r dh a n d o f fp r o c e s s 探测阶段：无线局域网的探测阶段由切换请求和启动扫描两个阶段组成。当 m s 从无线接入点近距离逐渐远离的运动过程中，即从旧a p 向新a p 移动，其接 收到a p 的信号强度和信噪比都将逐渐衰弱，当信号衰减到一定程度时将触发网 络探测。系统在探测阶段要判别何时发起切换请求，由于在新旧a p 之间存在着 旧a p 信号减弱和新a p 信号增强的交界区域，根据相对信号强度滞后门限算法 r s s h t ，当新旧a p 之间的相对门限差i s n r n 。w ( d ) s n r o l d ( d ) i a s n r 才发起切换请 求，这种门限算法有效地避免无线信号突变引起的切换乒乓效应。 s n r i l i ! i a p j = 堑生j j 图2 - 3 相对信号强度滞后门限算法( r s s h t ) 示意图劓1 f i g u r e2 - 3t h er s s h t ss c h e m a t i cd i a g r a m 镪铲t “：鼍咚；螽醪鸲嚷蟛 1 3 一 段 一 下i鼢lf上卞t 一 l l 、一，j 福建师范大学硕士学位论文 在网络探测的扫描子阶段中，扫描方式可以分为主动扫描和被动扫描。主动扫 描是由m s 发起，对网络内全信道进行扫描，这种方式需要耗费更多的主机资源来 发送p r o b e 原语扫描，并等待a p 的响应。被动扫描则是m s 实时监听a p 的信令， 在收到a p 信令再做出接入选择，这种方式中主机是被动的，实时性较差。 认证阶段( r e 。a u t h e n t i c a t i o n ) 在m s 通过探测阶段选择最佳无线接入点a p 后，向目标a p 发送接入认证请求 包，a p 在收到m s 的认证信息则发送认证响应包告知m s 是否接受其认证响应。 重连接阶段( r e a s s o c i a t i o n ) 认证成功后，m s 向目标a p 发送重连接请求包请求与a p 进行关联，a p 同样 需要对重连接信息做出响应，即回发重连接响应包。 2 2 2 无线接入机制的解决方案 近几年来，国内外专家和研究人员关于无线局域网网络水平切换( 同一网络结 构) 的数据链路层切换优化展开深入的研究。h e c t o rv e l a y o s 等人经过研究将 i e e e 8 0 2 1 1 在m a c 层上的切换分为三个阶段：探测、搜索和执行，并指出m a c 层的切换延时大部分被探测和搜索两个阶段所占用嘲。通过仿真结果表明，采用主 动扫描的方式将能够比被动扫描在搜索阶段提高2 0 的效率。z h a n gw e n h u i 等人提 出在无干扰环境中，无线局域网的信号强度是随着距离的变化而呈现曲线变化趋势， 基于该分析利用g a m m a 随机量绘制信号强度与平均信号功率之间的关系啪1