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一种IEEE802.11无线网络中快速扫描的切换机制
【摘 要】 随着无线智能终端的快速普及以及移动互联网业务的不断多元化发展,无线局域网（Wireless Local Area Network,WLAN）的技术也在不断快速发展,在大规模密集的WLAN 部署环境下,不同的WLAN 之间的切换越来越频繁,传统切换时延较长,对于实时性较强的业务在切换时会出现明显中断,因此,为用户提供无缝切换服务成了提高用户满意度、保障在切换时用户体验的关键.本文设计提出了一种基于预扫描的快速切换机制,通过实验数据测试表明,相比较传统切换机制,可以减小切换时延,更好地为用户提供切换过程中无缝切换服务.
【关键词】 快速切换 信道扫描 SDN IEEE 802.11 接入点
一、引言
近年来,无线局域网（WLAN）在城市建设、企业办公、公共场所中无处不在,已经成为用户访问互联网的主要接入方式之一,无线设备的快速增长极大促进了移动流量的增长,根据思科于2016 年2 月发布的全球移动数据流量预测更新报告中预计,2020 年每月移动数据流量将达到30.6EB,由于WLAN 部署的便捷性以及在室内覆盖的优势,致使运营商重投WLAN 市场.无线局域网的接入点覆盖范围通常在100-300 米之间,移动终端在移动时其所在位置会不可避免地超出其服务范围,导致业务中断,此时终端（Mobile Station,STA）需要寻找新的接入点建立连接,这个过程称为切换.目前无线局域网组网采用密集部署AP 的方式,越来越多的终端会通过WLAN 接入互联网而实现不同的业务,因此,终端在不同AP 之间的切换也越来越频繁,然而伴随实时性业务的快速增长,例如VOIP,视频点播等,移动切换发生越来越频繁的趋势下,急需一种快速稳定的无缝切换的机制才能保证网络的服务质量（Qos,Quality ofService）,进一步达到满意的用户体验.
基于此,本文在分析现有研究背景和传统切换方案的基础之上,在利用软件定义（Software Defined network,SDN）技术构建的新型无线局域网络架构中,通过可编程的角度快速部署切换策略,实现对切换过程进行有效控制和管理的目的,提出了一种新型的切换机制,该机制可以减少切换时间,达到较好地实验效果.
二、相关研究工作
目前,WLAN 大多遵循IEEE 802．11 协议,并采用其定义的站点主动切换技术,即在一个扩展服务集（ESS）内,STA 根据空口信号质量,选择其中信号最强的AP 为切换目标接入点,而在接入点间漫游协议（IAPP）中,STA 在同一ESS 内不同AP 间的切换过程为：
（1）STA 寻找到新的目标AP,切断与当前AP 的连接,并给目标AP 发送重连接请求.（2）目标AP 与STA 建立新的连接,给当前AP 发送切换通知,并更新二层路由.（3）当前AP 接收到切换通知,通过分布式系统（DS）的安全通道转移STA 相关信息至目标AP,并清除本地的STA 相关信息.（4）目标AP 接收到STA 相关信息并存储,STA 切换至目标AP.
上述切换通过连接或重连接（预认证）过程完成,切换延时较长,一般在300ms 以上,在切换这段时间内,STA 不能收发任何数据,人们普遍认为,为了使人不会注意到语音等实时业务的任何中断,业务中断时隙应该小于50ms,因此在传统的切换机制下,STA 在移动切换时,一些对时延要求严格的业务在切换时会出现明显中断,现阶段如何减少切换时延是当前提高和改进切换机制的重点.研究者提出了不同的改进方法,例如,文1 提出了一种有效的介质访问控制层切换协议,STA 通过将要扫描的信道分组,利用周围的STA 来帮忙其扫描,从而大大减少扫描的时间,进而减少了切换时延,然而,这种方法太依赖于邻居客户端,而MAC协议的变动不是短时间可以普及的.文2 提出基于存储转发的思想,可以简单有效地实现无线移动网络中的过渡切换,在切换过程中先为STA 缓存数据,等到切换完成时再将这些数据转发给终端,从而减少了数据帧的丢包率,但这类机制大都集中在网络层上实现,针对不同的业务实施,延迟较大.
还有一些研究虽然在一定程度上减少了时延,但存在很多局限性,例如,依赖的定位技术还不成熟,需要额外的硬件成本很高.利用智能工具以及新兴技术,来改善和提高传统网络中的问题和性能是一种研究趋势,尤其是SDN 技术,其控制与数据分离的思想,使得网络的控制功能实现了可编程化,同时底层数据平面对上层的应用程序和网络服务实现了资源抽象,便于无线网络的升级与演进,网络管理者可以快速方便地验证部署新的网络协议和网络管理功能,例如,切换策略、负载均衡等,我们将详细分析在软件定义网络架构中如何进行切换机制的创新.
三、快速扫描切换机制原理
3.1 切换机制原理
由于切换流程中扫描阶段所占总的时间的很大,达到了90%,因此本文采用了扫描分离方案,也就是将扫描过程从整个切换过程中分离出来,也称为预扫描.这样可以在切换时直接进行认证和重新关联操作,大大降低了切换时延,具体设计逻辑如下：
（1） 在基于SDN 的WLAN 网络架构下,SDN 控制器对网络有一个全局视图,在 Beacon 帧和 Probe Response 帧中,携带了周围 AP 的信息,STA 在初始加入网络之后或在当前网络中进行切换之后,可以获取到当前服务 AP 周围的 AP 信息,将周围 AP 信息存入扫描列表（ScanList,简称SL）.这样在提前扫描时可以大大减少要扫描的信道数量；
（2）采用双阈值来控制提前扫描和切换,其中扫描阈值（Scan Threshold,简称 ST）控制 STA 何时进行提前快速扫描,切换阈值（Handoff Threshold,简称 HT）控制 STA 何时进行切换；
（3）为进一步降低提前扫描的时间开销,在提前扫描时采用非等待方式,大大减少了在每个信道的等待时间.具体来讲,STA 在扫描完每个信道之后,不在该信道停留等待Probe Response 帧,而是直接跳到下个信道继续主动扫描,这与其他与扫描策略相比,大大节省了提前扫描带来的隐藏开销；
（4）STA 执行完快速预扫描过程后,SDN 控制器会从各个 AP 收集 STA 的 Probe Request 信息,并为每个 STA 准备一个备选 AP 列表 Information Table；然后 STA 回到之前工作信道,向当前 AP 发出 Probe Request 请求,控制器将最佳AP 信息下发给当前 AP,通过当前 AP 将最佳 AP 的 ProbeResponse 发送给 STA；
（5）当 RSS 值低于设定切换阈值,就进行切换操作,此时直接进行认证和重新关联,而无需进行扫描,控制器在收到目标 AP 传回的重新关联帧之后,将STA 的信息下发到目标 AP,同时通知目标 AP 回复重新关联确认帧,STA 收到重新关联确认帧之后,即可与新的 AP 进行数据通信,完成整个切换流程.
3.2 具体实施流程分析
基于提前扫描的快速切换流程如图2 所示：
（1）首先 STA 周期性地监测 RSS,以观察现在的无线链路状态；（2）若连续三次检测到的 RSS 值<ST,则 STA保存当前 AP 的连接信息,然后触发提前快速扫描；（3）提前快速扫描过程：STA 根据储存在 SL 中的 AP 工作信道信息,对周围信道开始扫描,在每个信道发完 Probe Request 后,不在该信道作停留等待 Probe Response,而是直接跳到下个信道接着扫描,直至扫描完 SL 中所有信道；（4）STA 回到保存的当前 AP 信道,然后向当前 AP 发送 Probe Request,请求获取最佳 AP 信息；在控制器的协调下,STA 获取到目标AP 信息；（5）STA 继续监测 RSS 值,观察现在的无线链路状态,当连续三次检测到满足 RSS 值小于 HT 切换阈值时,触发切换：（6）执行无线链路切换,进行认证和重新关联操作,切换到目标 AP；（7）重复（1）步骤.
四、测试结果及分析
根据上述所提出的快速切换机制, 在基于SDN 的WLAN 网络架构下,进行组网性能测试分析；选取IEEE802.11n 的技术规范,AP 工作在 2.4GHz 频段.为了使相邻信道间的干扰降低到最小,相邻 AP 间的信道工作频率不重叠,AP1 的工作信道是1,AP2 的工作信道是 6.在初始状况下 STA 与 AP1 关联,STA1 在AP1 和AP2 的覆盖范围内随机走动,为了进行对比分析,我们引入传统的切换方案进行测试,测试指标为切换时延,测试的结果如图3 所示,从中可以明显看出,传统切换策略方案中,整体切换时延较高,因为其扫描阶段需要扫描全部的可用信道,耗时较长,而且随着MaxChannelTime 时间设定的增长,切换时延越来越长,这也符合传统切换策略的切换等待机制；而在基于快速扫描的改进方案中,整体的切换时延稳定在 50ms 以下,而且不随MaxChannelTime 的增长而发生变化.
STA1 从原接入节点AP1 的覆盖范围移动到AP2 的覆盖范围之下,无缝地完成了整个切换过程,整个执行过程如图4 所示.
五、小结
本文在分析现有研究背景的基础之上,在软件定义无线局域网络的架构中,提出了一种新型的快速切换机制,通过组网实验分析证明,相比较传统方案,新的切换机制可以减少切换时间,为实时性业务提供较好的服务质量.
无线网络论文范文结:
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