CN102076060B - 基于ZigBee的Wi-Fi接入点发现与选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明为基于ZigBee的Wi-Fi接入点发现与选择方法，以一个部署有多个AP且有多台移动便携设备的区域为应用场景，采用ZigBee作为通讯链路。首先初始化建立Wi-Fi接入点AP列表，然后启动ZigBee接口接收数据，并启动两个定时器。当ZigBee接口接收到数据时，提取AP信息并更新AP列表。当两个定时器超时时分别进行更新AP列表与广播AP信息的操作。当收到连接请求时，进行连接请求处理。本发明方法可使移动设备之间通过ZigBee接口共享AP信息，并利用AP信息直接连接到相关AP而无需事先扫描AP，根据AP信息，选取当前最佳AP连接，大大减少AP扫描的次数，有效降低Wi-Fi接口的耗电量。

Description

基于ZigBee的Wi-Fi接入点发现与选择方法

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及一种基于ZigBee的Wi-Fi接入点发现与选择方法。

背景技术

Wi-Fi(又称802.11b)，是一种无线通讯技术，工作在2.4GHz的ISM(IndustrialScientific Medical)频段，采用DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)扩频技术，能提供最高11Mbps的速率，有效距离达100m，具有速度快，通讯范围大，成本低等特点。Wi-Fi因其高带宽，低成本的优势，目前已成为无线通讯的主流，大部分的移动设备都配备了Wi-Fi接口。

然而，Wi-Fi也存在功耗大的缺陷。研究数据表明，移动设备超过50％的耗电量都来自于Wi-Fi接口，因而移动设备将不足以支持长时间的Wi-Fi通讯，这极大地阻碍了Wi-Fi在移动设备中的进一步推广和应用。因此，如何有效降低Wi-Fi接口的耗电量成为一个亟待解决的问题。

根据802.11b协议，Wi-Fi的启动过程主要包括四个阶段：扫描(Scan)，关联(Association)，验证(Authentication)，地址配置(DHCP)，其中扫描阶段的持续时间最长，耗电量最大，若能减少扫描阶段的电量消耗，就能有效地降低Wi-Fi接口的耗电量。

目前，研究者已提出一些方案，以有效降低Wi-Fi扫描阶段的耗电量，其中一种主要的方案就是利用移动设备配备的其他低功耗网络接口(Bluetooth，GPRS)，如Footprint，Blue-Fi等。Footprint利用设备从蜂窝网络中获得的相关数据，如监听到的蜂窝塔的ID，信号强度等，来推测设备当前的位置，只有当设备的位置发生较大的改变时才启动Wi-Fi扫描以获得周围可用的接入点(Access Point，AP)信息，通过减少不必要的扫描次数来降低耗电量。Blue-Fi利用周围蓝牙节点及蜂窝信号的相关信息，例如蓝牙节点的ID，蜂窝塔ID等，来判断当前是否有可用的Wi-Fi网络，只有在存在Wi-Fi网络时才启动Wi-Fi扫描并连接到相关AP。FootPrint与Blue-Fi都是利用其他链路获取的信息以预测当前Wi-Fi网络的状态，以减少不必要的Wi-Fi扫描与连接，从而节省电量，但存在预测不准确的问题。

上述几种方案，大都使用GPRS和蓝牙作为辅助链路，然而GPRS存在准确度低的问题，不能很好地用于Wi-Fi网络的预测，蓝牙也存在通讯距离短，节点发现时间长等限制，因此上述几种方案都不能很有效地解决Wi-Fi接口功耗大的问题，且实现起来都较为复杂。

发明内容

本发明针对Wi-Fi接口功耗大的问题，以及现有方案中存在的一些不足，提出一种基于ZigBee的Wi-Fi接入点发现与选择方法，移动设备之间利用高效的消息广播机制通过ZigBee接口共享AP信息，并利用AP信息直接连接到相关AP而无需事先扫描AP。此外，可使设备能够根据获取的AP信息，利用有效地AP选择机制选取当前最佳AP连接。

本发明一种基于ZigBee的Wi-Fi接入点发现与选择方法，采用ZigBee作为通讯链路，包括以下步骤：

步骤1：初始化建立本地Wi-Fi接入点AP列表，然后启动ZigBee接口接收数据，并启动两个定时器Timer-u及Timer-s；所述的AP列表记录了所有本地保存的AP记录APRec，所述的AP记录的结构为：APRec<APInfo，count，lifetime>，其中，lifetime表示该AP记录的生存时间，count表示在一个发送周期内重复收到相同AP信息的次数，APInfo指连接AP所必须的信息。

步骤2：判断ZigBee接口是否收到数据，若是，转步骤3；若不是，转步骤4。

步骤3：从ZigBee接口接收的数据包中提取AP信息，记为RecAP，随后扫描本地AP列表，针对每个AP记录，查看其无线网络的服务集标识wlan_ssid是否与RecAP的相同，若相同，则将该AP记录的count及lifetime的值重置为0；若不存在无线网络的服务集标识wlan_ssid与RecAP的wlan_ssid相同的AP记录，则新建一条AP记录，将新建的AP记录的APInfo赋值为RecAP，count与lifetime的值初始为0。

步骤4：判断定时器Timer-u是否超时，若是，转步骤5；若不是，转步骤6。

步骤5：遍历整个AP列表，检查每个AP记录的lifetime值，若超过特定阈值，则删除该条AP记录。

步骤6：判断定时器Timer-s是否超时，若是，转步骤7；若不是，转步骤8。

步骤7：遍历整个AP列表，选取AP信息通过ZigBee接口广播出去。

步骤8：判断是否有连接请求，若有连接请求，转步骤9；若无连接请求，转步骤10。

步骤9：检查本地AP列表中是否存有AP记录，若有，则选择当前最佳AP连接，若无，则开启Wi-Fi接口，启动Wi-Fi扫描并连接到AP。

步骤10：判断用户是否发出结束命令，若是，结束本方法；若不是，转步骤2执行。

本发明一种新型节能的Wi-Fi接入点发现与选择方法的优点与积极效果在于：

(1)采用低功耗ZigBee链路作为辅助链路实现AP信息的共享，相比于传统方案使用蓝牙或GPRS更能有效降低Wi-Fi接口的耗电量。

(2)充分利用移动设备之间的相互协作，使得信息更加准确，更易于实现高效信息共享。

(3)提出一种有效的基于连接时间与信号强度的AP选择策略，相对于传统的只依据信号强度的方案更加高效，能有效选择当前最佳AP接入，更能有效提高用户使用无线网络的体验。

附图说明

图1为本发明的Wi-Fi接入点发现与选择方法的应用场景示意图；

图2为本发明的Wi-Fi接入点发现与选择方法的整体步骤流程图；

图3为本发明的Wi-Fi接入点发现方法同普通Wi-Fi扫描方法的功耗对比示意图；

图4为本发明中AP选择基于连接时间的性能分析结果示意图；

图5为本发明中AP选择基于信号强度的性能分析结果示意图；

图6为本发明中选择性AP信息广播策略同普通洪泛策略的数据发送量对比图。

具体实施方式

下面将结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。

近几年来，随着移动终端设备的普及及无线通讯技术的发展，越来越多的用户使用移动设备访问网络，其中Wi-Fi(802.11)是最主流的无线网络，几乎所有的移动设备都配备了Wi-Fi接口，用户大多使用Wi-Fi上网。通常情况下，用户欲获取Wi-Fi连接，需事先启动Wi-Fi扫描周围AP，然后选取特定AP连接。然而Wi-Fi扫描往往持续时间较长(3-5秒)且耗电量大，且通常很多扫描都是无用的，尤其对于周围没有部署Wi-Fi AP的情况。ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低响应延迟、低成本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制、传感、监控和远程控制等领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。本发明提出的一种基于ZigBee的Wi-Fi接入点发现与选择方法，移动设备之间利用低功耗的ZigBee链路共享AP信息，设备利用AP信息可以直接连接到相关AP而无需事先扫描，大大减少了Wi-Fi扫描的次数，从而有效降低Wi-Fi接口的耗电量。

本发明提出的基于ZigBee的Wi-Fi接入点发现及选择方法，其应用场景是部署有多个AP且有多个移动设备的区域，如图1所示。下面结合图1，通过一个简单的例子说明协同AP发现的流程。图1描述了一个部署有三个AP的区域R，图中三条虚线分别表示每个AP的覆盖范围。区域R被这三条曲线划分成七个子区域：区域1-区域7。假设初始时，区域R中没有任何移动设备，一段时间后：1)设备A首先进入区域1并请求网络连接。设备A首先检查本地数据库是否存有可用的AP信息，若没有，则设备A启动Wi-Fi扫描周围的可用AP并将获得AP1的信息；设备A随后连接到AP1，保存AP1的信息至本地，并通过ZigBee链路周期性地广播AP1的信息。2)随后，设备B与设备C分别进入区域2和区域6。同设备A一样，当有连接请求时，设备B与设备C首先检查本地数据库是否存有可用的AP信息。在此场景下，本发明方法中的AP信息可靠性保证机制将会保证设备B与设备C不会收到AP1的信息，因此，设备B与设备C启动Wi-Fi扫描并分别连接到AP2及AP3，随后周期性地广播AP2及AP3的信息。3)几分钟后，设备D进入区域1。若设备D处于设备A的通讯范围之内，则设备D将收到AP1的信息。设备D将AP1的信息保存在本地，并依照本发明方法中选择性AP信息广播策略选取满足条件的AP信息广播。当有连接请求时，设备D可以直接连接到AP1而无需事先扫描。若设备D没有收到AP1的信息，则设备D启动Wi-Fi扫描搜索可用AP，显然，随着区域1中设备数目的增加，设备B收到AP1信息的概率也随之增大。4)处于区域3，区域4，区域5，区域6及区域7中的移动设备将收到多个AP的信息。当有连接请求时，设备将根据本发明方法中AP选择方法选择最佳AP连接。从上述例子可以看出，在一个部署有多个AP的区域中，只需要少数几台设备启动Wi-Fi扫描获取周围AP的信息并通过ZigBee接口共享这些AP信息，经过一段时间的消息扩散之后，区域中的其他设备都可以利用AP信息直接连接到AP而无需事先扫描，从而可以大大减少Wi-Fi扫描的次数，降低Wi-Fi接口的耗电量。

本发明提出的基于ZigBee的Wi-Fi接入点发现与选择方法，其流程如图2所示，具体包括如下步骤：

步骤一：初始化本地AP列表(APList)，随后启动ZigBee接口接收数据并启动两个定时器Timer-u及Timer-s。所述的初始化即为建立APList，APlist是所有保存的AP记录(APRec)的列表，APRec的格式如下APRec{APInfo，count，lifetime}，其中，lifetime表示该APRec的生存时间；count表示在一个发送周期内重复收到相同AP信息的次数，所述的发送周期是指定时器Timer-s的超时时间间隔；APInfo指连接AP所必须的信息，其格式为：APInfo：{wlan_ssid，wlan_name，wlan_type，signal_strength，ipv4_type，wlan_security，wlan_hidden，connecting_time}，其中，wlan_ssid表示无线网络的服务集标识(Service Set Identification)；wlan_name表示无线网络的名称；wlan_type表示无线网络的类型；signal_strength表示无线网络信号强度；wlan_security表示无线网络的安全性设置；wlan_hidden标识网络是否隐藏；connecting_time表示连接网络所需时间。定时器Timer-u用于周期性地更新AP列表并检查AP记录的有效性，根据实验分析结果，其周期超时时间间隔设为1s，定时器Timer-s用于周期性地广播本地保存的AP信息以实现AP信息的共享，根据实验分析结果，其超时时间间隔设为3s。

步骤二：判断ZigBee接口是否收到数据，若是，转步骤三；若不是，转步骤四。

步骤三：当ZigBee接口收到数据后，从接收的数据包中提取AP信息，记为RecAP，扫描本地APList，对每个APRec，查看其APInfo的wlan_ssid值是否与RecAP的相同，若相同，则将该APRec的count值及lifetime重置为0。若不存在wlan_ssid值与RecAP相同的APRec，则新建一条APRec，将其APInfo赋值为RecAP，count值及lifetime初始为0。

步骤四、判断定时器Timer-u是否超时，若是，转步骤五；若不是，转步骤六。

步骤五：当定时器Timer-u超时时，更新AP列表，遍历整个更新AP列表，检查每个APRec的lifetime值，若超过特定阈值，则删除该条APRec，从而保证AP信息的可靠性与有效性。根据实验分析结果，所述的特定阈值设为6。

AP信息的可靠性与有效性是整个算法的核心，步骤二与步骤三通过动态地更新AP列表并检测AP信息有效性以保证AP信息的有效性与可靠性。下面对本发明方法保证AP信息的有效性与可靠性做进一步地说明：

AP信息的可靠性与有效性是指设备能够利用该AP信息成功连接到相应AP。本发明的方法主要从两个方面来保证AP信息的可靠性与有效性：首先，对于设备收到的任何一条AP信息，均能在区域中找到一台连接到该AP的设备——这是由AP信息的共享机制决定的，任何一条AP信息都是由最先连接到这个AP的设备产生的，然后通过其他设备转发来在整个区域中传播，从而保证了AP信息的可靠性；另一方面，通过记录AP信息的生存期lifetime及周期性的检测AP列表及时删除失效的AP信息，从而保证AP信息的有效性。

步骤六、判断定时器Timer-s是否超时，若是，转步骤七；若不是，转步骤八。

步骤七：当定时器Timer-s超时时，遍历整个AP列表，按照本发明提出的选择性AP信息广播机制选取满足条件的AP信息通过ZigBee接口广播出去以有效实现AP信息的共享。

为有效实现AP信息共享，本发明提出选择性AP信息广播机制，在保证AP信息扩散浓度的同时进一步降低***的开销，减少耗电量。其具体步骤如下：当定时器Timer-s超时，遍历AP列表，选取信号强度signal_strength不低于1且count值小于3的AP信息发送。选择性AP信息广播机制对本地AP信息进行一定的过滤，从而减少消息的发送量，降低***的消耗。下面说明采用本发明的选择性AP信息广播机制的这种过滤对AP信息扩散的影响：1)通过信号强度来过滤，只发送信号强度较大的AP信息，对AP信息的浓度不会产生较大的影响。根据本发明的AP选择策略，设备在连接AP时，也会自动过滤信号强度较低的AP，从这个角度来说，信号较低的AP信息对设备是无用的，可视为冗余信息，从而可以在发送时就将其过滤。2)通过count值来过滤，count值表示一个发送周期内重复收到某条AP信息的次数，从一定程度上反映该条AP信息在区域中的扩散程度。当count值超过一定范围时，本发明实施例设为3，即可认为该条信息已经达到一定的浓度，使得区域中的节点都能收到该AP的信息，从而不需要再发送这条AP信息。此外，count值在每个发送周期初始都被重置为0，从而可以动态适应节点的运动以及区域中节点分布的变化，进一步保证了AP信息的有效性。

步骤八、判断是否有连接请求，若有连接请求，转步骤九；若无连接请求，转步骤十。

步骤九：当设备有网络连接请求时，首先检查本地AP列表中是否存有AP记录，若有，则根据本发明提出的AP选择策略选择当前最佳AP连接；若无，则开启Wi-Fi接口，启动Wi-Fi扫描并连接到AP。

本发明提出的AP选择策略旨在通过本地保存的AP信息选择当前最佳AP连接以提高用户访问internet的体验，具体通过P值来评估AP的性能：

P＝SS/CT

其中SS表示AP的信号强度，其值为AP记录中APInfo中表示无线网络信号强度signal_strength的值，CT表示连接AP所需的时间，指从发起连接请求到连接到指定AP的时间，其值为AP记录中APInfo中表示表示连接网络所需时间connecting_time的值。当设备有连接请求时，通过遍历AP列表，计算每个AP记录的P值，选择P值最大的AP连接。

步骤十、判断是否结束，若是，结束本方法；若不是，转步骤二继续执行。具体是否结束由用户根据需要来控制。

下面将结合附图和实例说明本发明提出的基于ZigBee的Wi-Fi接入点发现与选择方法相比普通的Wi-Fi方式在功耗及性能方面的改进，所述的普通的Wi-Fi方式是指利用操作***自带的Wi-Fi扫描功能扫描并连接AP。

如图3所示，为本发明的接入点发现与选择方式同普通Wi-Fi扫描方式在功耗方面的对比。实验场景为：一台诺基亚N810采用普通Wi-Fi模式连接AP，另一台诺基亚N810采用本发明方法连接AP，记录设备两分钟内的实时功率。其中，采用普通Wi-Fi扫描方式有两个明显的能量高峰：第22秒至28秒，表示Wi-Fi扫描阶段；第32秒至47秒，表示AP连接阶段。与普通Wi-Fi模式不同，采用本发明方法只有一个能量高峰，即AP连接阶段，这是因为在ZigBee模式下设备可以直接连接到AP而无需事先扫描。图3表明本发明的方法能够大大减少设备扫描Wi-Fi的次数，从而降低设备的耗电量。

图4，图5演示了本发明方法中AP选择的性能分析结果，实验场景如下：选取1台诺基亚N810，依据本发明的AP选择策略从本地保存的可用AP中选取当前最佳AP并连接，记录该AP的实际信号强度及连接时间以及本地AP记录的连接时间及信号强度，同时记录本地AP记录的信号强度及连接时间的最大值及最小值。图4与图5中横坐标都表示实验次数，本实施例中是在不同地点重复试验12次。图4为连接时间的对比，可以看出，实际的AP连接时间与本地保存的最佳AP的连接时间几乎没有差别，且最佳AP的连接时间基本接近最短连接时间。图5为信号强度的对比，可以看出，实际获得的AP信号强度与本地保存得当前最佳AP信号的强度也无明显差别，且也非常接近本地保存的最大AP信号强度，由此可以看出本发明中选择的AP信息的有效性。

图6为本发明方法中的选择性AP信息广播策略与普通的洪泛策略的性能对比的实验分析结果。实验场景如下：在一个部署有8个AP的区域中，两台诺基亚N810分别采用本发明方法中选择性AP广播策略及洪泛策略广播本地保存的AP信息，发送周期设为3s，记录一分钟内的耗电量及发送数据量。图6为两种策略的发送数据量对比，可以看出，随着周围节点的增多，收到的AP信息增多，发送数据量呈上升趋势，且两种转发策略的发送数据量没有太大差别；随后，节点收到的的AP信息逐渐达到饱和，本发明实施例中即获得所有8个AP的信息，此时，洪泛策略，由于其转发所有收到的AP信息，所以在达到信息饱和后，发送数据量没有变化，始终保持最大；而本发明方法中的选择性AP广播策略由于对AP信息进行一定过滤，发送的数据量逐渐下降，最后同样趋于稳定。由图6可以看出，相比于洪泛机制，本发明方法中的选择性AP信息广播策略能够大大减少发送数据量，降低链路消耗。

Claims (7)

1.一种基于ZigBee的Wi-Fi接入点发现与选择方法，其特征在于，该方法采用ZigBee作为通讯链路，包括如下步骤：

步骤1：初始化建立本地Wi-Fi接入点AP列表，然后启动ZigBee接口接收数据，并启动两个定时器Timer-u及Timer-s；所述的AP列表记录了所有本地保存的AP记录APRec，所述的AP记录的结构为：APRec<APInfo，count，lifetime>，其中，lifetime表示该AP记录的生存时间，count表示在一个发送周期内重复收到相同AP信息的次数，APInfo指连接AP所必须的信息；

步骤2：判断ZigBee接口是否收到数据，若是，转步骤3；若不是，转步骤4；

步骤3：从ZigBee接口接收的数据包中提取AP信息，记为RecAP，随后扫描本地AP列表，针对每个AP记录，查看其无线网络的服务集标识wlan_ssid是否与RecAP的相同，若相同，则将该AP记录的count值加1，及将lifetime的值重置为0；若不存在无线网络的服务集标识wlan_ssid与RecAP的wlan_ssid相同的AP记录，则新建一条AP记录，将新建的AP记录的APInfo赋值为RecAP，count与lifetime的值初始为0；

步骤4：判断定时器Timer-u是否超时，若是，转步骤5；若不是，转步骤6；

步骤5：遍历整个AP列表,检查每个AP记录的lifetime值，若超过特定阈值，则删除该条AP记录；

步骤6：判断定时器Timer-s是否超时，若是，转步骤7；若不是，转步骤8；

步骤7：遍历整个AP列表，选取ＡＰ信息通过ZigBee接口广播出去；

步骤8：判断是否有连接请求，若有连接请求，转步骤9；若无连接请求，转步骤10；

步骤9：检查本地AP列表中是否存有AP记录，若有，则选择当前最佳AP连接，若无，则开启Wi-Fi接口，启动Wi-Fi扫描并连接到AP；

步骤10：判断用户是否发出结束命令，若是，结束本方法；若不是，转步骤2继续执行。

2.根据权利要求1所述的Wi-Fi接入点发现与选择方法，其特征在于，步骤1中所述的连接AP所必须的信息APInfo，其结构为：APInfo<wlan_ssid,wlan_name,wlan_type,signal_strength,wlan_security,wlan_hidden,connecting_time>，其中，wlan_ssid表示无线网络的服务集标识；wlan_name表示无线网络的名称；wlan_type表示无线网络的类型；signal_strength表示无线网络信号强度；wlan_security表示无线网络的安全性设置；wlan_hidden表示网络是否隐藏；connecting_time表示连接网络所需时间。

3.根据权利要求1所述的Wi-Fi接入点发现与选择方法，其特征在于，步骤1中所述的定时器Timer-u用于周期性地更新ＡＰ列表并检查AP记录的有效性，所述的定时器Timer-s用于周期性地广播本地保存的AP信息。 

4.根据权利要求3所述的Wi-Fi接入点发现与选择方法，其特征在于，定时器Timer-u的超时时间间隔设为1s，定时器Timer-s的超时时间间隔设为3s。

5.根据权利要求1所述的Wi-Fi接入点发现与选择方法，其特征在于，步骤7所述的选取ＡＰ信息，具体是选取信号强度不低于1且AP记录中的count值小于3的AP信息。

6.根据权利要求1所述的Wi-Fi接入点发现与选择方法，其特征在于，步骤1中所述的count值在每个发送周期初始都被重置为0。

7.根据权利要求1所述的Wi-Fi接入点发现与选择方法，其特征在于，步骤9中所述的选择当前最佳AP，具体选择方法为：为每个本地AP记录计算一个评估AP性能的P值：

P=SS/CT

其中，SS表示AP的信号强度，CT表示连接AP所需的时间；

P值最大的AP就是当前最佳AP。 

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