無線局域網(wǎng)的主動(dòng)切換技術(shù)和預(yù)切換技術(shù)比較

曹騫，吳其林

（巢湖學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 合肥 238000）

無線局域網(wǎng)的主動(dòng)切換技術(shù)和預(yù)切換技術(shù)比較

曹騫，吳其林

（巢湖學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 合肥 238000）

無線局域網(wǎng)的發(fā)展非常迅速，人們開始利用無線局域網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)視頻VoIP電話等多媒體應(yīng)用.無線局域網(wǎng)具有速率高、費(fèi)用低等諸多優(yōu)點(diǎn).但是，在傳統(tǒng)的802.11協(xié)議無線局域網(wǎng)中，MS通過AP接入網(wǎng)絡(luò)，而AP的數(shù)量和每個(gè)AP的覆蓋范圍都有限，當(dāng)MS移動(dòng)時(shí)需要在不同的AP之間進(jìn)行切換.802.11協(xié)議中的切換機(jī)制優(yōu)化不夠，切換效率不如蜂窩網(wǎng)絡(luò)，不能滿足實(shí)時(shí)多媒體服務(wù)的服務(wù)質(zhì)量.為了能夠提高無線局域網(wǎng)的切換效率，出現(xiàn)了新的快速切換方法.文中將列舉兩種新的切換技術(shù)，并且進(jìn)行比較.

無線局域網(wǎng)；快速切換；流量強(qiáng)度

1 簡(jiǎn)介

無線局域網(wǎng)的發(fā)展非常迅速，已經(jīng)應(yīng)用到了數(shù)據(jù)通信的各個(gè)方面.現(xiàn)在的無線局域網(wǎng)可以提供高速的實(shí)時(shí)通信和支持IP語音通話和視頻會(huì)議等多媒體應(yīng)用.但是無線局域網(wǎng)中的AP覆蓋范圍有限，當(dāng)MS從一個(gè)Access Point(AP)的覆蓋范圍移動(dòng)到另外一個(gè)無線接入點(diǎn)的覆蓋范圍時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生切換[1].在切換過程中，MS重新查找合適的AP，并且進(jìn)行重新認(rèn)證和連接.MS的數(shù)據(jù)通信將被中斷，產(chǎn)生切換時(shí)延.基于802.11網(wǎng)絡(luò)在漫游時(shí)的平均時(shí)延大概在幾百毫秒，大于人耳能夠感受到的50ms的間隔，會(huì)降低語音通話的質(zhì)量[2].為了提高無線局域網(wǎng)的性能，人們開始研究切換技術(shù)，希望MS能夠在不同的AP之間快速的切換.在802.11協(xié)議中，提供了一套標(biāo)準(zhǔn)的切換技術(shù)，但是切換時(shí)延較長(zhǎng).本文中我們將介紹兩種新的切換技術(shù)，并且對(duì)其性能進(jìn)行比較[3].

2 標(biāo)準(zhǔn)切換技術(shù)

在802.11標(biāo)準(zhǔn)中，有一套標(biāo)準(zhǔn)切換過程.切換過程嚴(yán)格遵循四個(gè)階段進(jìn)行：切換檢測(cè)、切換掃描、重認(rèn)證和重連接.當(dāng)滿足觸發(fā)條件時(shí)啟動(dòng)切換過程，MS開始對(duì)信道進(jìn)行掃描，并且選擇和確定切換的AP，然后與新AP進(jìn)行認(rèn)證和連接.其中對(duì)信道進(jìn)行掃描是整個(gè)階段中最為復(fù)雜的階段，產(chǎn)生的時(shí)延占到整個(gè)切換時(shí)延的90%.在802.11標(biāo)準(zhǔn)中，有兩種掃描模式：（passive scan mode）被動(dòng)掃描和（active scan mode）主動(dòng)掃描[4].其中：被動(dòng)掃描算法中，MS監(jiān)聽來自AP的信標(biāo)幀.信標(biāo)幀中攜帶時(shí)間和狀態(tài)信息.AP發(fā)送信標(biāo)幀的間隔時(shí)間為100ms.MS通過信標(biāo)幀中獲取的信息，尋找一個(gè)AP進(jìn)行關(guān)聯(lián).在被動(dòng)掃描模式中，MS必須對(duì)信道逐一偵聽，才能獲取到來自不同AP的信標(biāo)幀.所以被動(dòng)掃描會(huì)產(chǎn)生更多的時(shí)延.主動(dòng)掃描算法中，MS向信道廣播請(qǐng)求包并且等待一個(gè)最小信道間隙.如果在這個(gè)時(shí)間間隙內(nèi)收到響應(yīng)數(shù)據(jù)包，就將等待時(shí)間延長(zhǎng)，已獲得更多的響應(yīng)數(shù)據(jù)包.但是如果在最小信道間隙時(shí)間內(nèi)沒有收到任何回復(fù)，就進(jìn)入下一個(gè)信道開始掃描.掃描過程完成之后，選中的AP和MS之間需要交換認(rèn)證信息.有兩種認(rèn)證方法：公開認(rèn)證和共享秘鑰方式.當(dāng)MS取得新的AP的認(rèn)證之后，向新AP發(fā)送重連接信息.在這個(gè)階段新舊AP之間采用IAPP協(xié)議交換信息.當(dāng)認(rèn)證成功之后就可以開始重連接.MS就可以和AP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.總的時(shí)延來自于這些時(shí)延之和.因?yàn)樵跈z測(cè)、掃描、認(rèn)證和連接4個(gè)階段，MS與AP之間都不能進(jìn)行信息傳遞.在802.11標(biāo)準(zhǔn)中，總的切換時(shí)延大約在300ms左右.

其中，檢測(cè)階段是整個(gè)切換進(jìn)行的基礎(chǔ).當(dāng)MS檢測(cè)到信道達(dá)到觸發(fā)條件時(shí)，開始啟動(dòng)切換，但是檢測(cè)階段并不產(chǎn)生切換時(shí)延.認(rèn)證階段是在掃描結(jié)束后，跟確定的新AP之間進(jìn)行重新認(rèn)證，產(chǎn)生的時(shí)延也比較少.重連接階段的時(shí)延主要來自IAPP協(xié)議[5].

3 新的切換技術(shù)

802.11 標(biāo)準(zhǔn)的切換技術(shù)中，切換必須嚴(yán)格按照四個(gè)階段進(jìn)行.從觸發(fā)到對(duì)信道的檢測(cè)，每個(gè)階段產(chǎn)生的時(shí)延都會(huì)疊加.新的切換技術(shù)中，通過使用不同的掃描方法和將掃描放在不同的切換階段實(shí)施，減少掃描使用的時(shí)間，降低整的切換時(shí)延.下面我們列出兩種常見的切換技術(shù)，并且對(duì)其進(jìn)行比較.

3.1 主動(dòng)掃描切換技術(shù)（PAHP）

主動(dòng)掃描切換技術(shù)可以在正常連接時(shí)啟動(dòng).如果當(dāng)前的AP信號(hào)強(qiáng)度低于-80dbm就開始對(duì)信道進(jìn)行掃描，掃描過程中MS和AP之間可以以1Mbps的速率交換信息.MS會(huì)對(duì)查找到的AP進(jìn)行信息比較，確定需要切換的AP.這種方案中，MS需要持續(xù)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行偵聽，并且每間隔2s就需要掃描鄰居節(jié)點(diǎn).掃描過程的時(shí)間段，如果MS和AP之間還有信息需要傳送，必須等待掃描過程完成.MS首先向AP發(fā)送一個(gè)緩沖請(qǐng)求，AP收到請(qǐng)求之后將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū).這樣可以防止發(fā)送的數(shù)據(jù)包丟失.然后MS使用主動(dòng)掃描算法對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行掃描.通過對(duì)覆蓋范圍內(nèi)所有的節(jié)點(diǎn)廣播探尋幀，并且等待回復(fù).MS從回復(fù)的信息中獲取鄰居AP的屬性和負(fù)載信息.MS比對(duì)這些信息，并且對(duì)鄰居AP進(jìn)行排序.排序過程中，為了避免收集到的信息過期，對(duì)排序加上時(shí)間單位，并且對(duì)過期的信息進(jìn)行刪除.

為了更好的描述切換因子，我們定義了參數(shù)：SC是當(dāng)前AP的信號(hào)強(qiáng)度平均值，SN是鄰居節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度平均值，TC是當(dāng)前AP的平均信道流量，TN是鄰居節(jié)點(diǎn)的平均信道流量，STH是閥門值，Δ是遲滯窗口大小.HOFC為當(dāng)前AP的切換因子，HOFN為鄰居AP的切換因子，HOFTH為遲滯窗口的切換因子.

（1）首先計(jì)算出當(dāng)前節(jié)點(diǎn)和鄰居節(jié)點(diǎn)的信道流量，以及鄰居節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度平均值，公式如下：

（2）再根據(jù)當(dāng)前信號(hào)強(qiáng)度可以計(jì)算出當(dāng)前AP和鄰居AP的切換因子，公式如下：

根據(jù)以上定義的參數(shù)，主動(dòng)掃描算法的具體算法如下：

1：ifSC＜STHand SN＞(STH+Δ)then

2:start handover

3:elseif SN＞(STH+Δ)and HOFN＞(HOFC+HOFTH)then

4:start handover

5:end

上面的參數(shù)中定義了切換因子（HOF），用來確定當(dāng)前AP和鄰居AP的信號(hào)強(qiáng)度，還可以用來確定AP的負(fù)載情況.上面的算法中需要注意的兩點(diǎn)：

1.如果與當(dāng)前MS傳送數(shù)據(jù)的AP發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度低于閥門值，并且被選中的下一個(gè)AP的信號(hào)強(qiáng)度高于閥門值和遲滯的總和，MS就立刻切換到新的AP.

2.如果目前的AP的信號(hào)強(qiáng)度高于閥門值，MS只有在新的AP能夠提供根號(hào)的服務(wù)時(shí)才會(huì)啟動(dòng)切換.這意味著新的AP的信號(hào)強(qiáng)度必須高于閥門值和遲滯的總和，而且新的AP切換因子也要好于舊AP，否則MS會(huì)發(fā)送重連接請(qǐng)求繼續(xù)和當(dāng)前交換機(jī)機(jī)型連接.

3.2 提前掃描切換技術(shù)（PRHP）

傳統(tǒng)的802.11b協(xié)議的無線局域網(wǎng)中，MS在認(rèn)證結(jié)束后會(huì)給新的AP發(fā)送一個(gè)重新連接請(qǐng)求.新的AP在收到請(qǐng)求后，使用IAAP協(xié)議從舊AP上下載上下文信息.由于IAAP本身存在一個(gè)40ms左右的時(shí)延，總的切換時(shí)延大概在40-300ms之間.因?yàn)?02.11標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定認(rèn)證必須立刻進(jìn)行，也沒有規(guī)定認(rèn)證必須在一個(gè)掃描周期內(nèi)進(jìn)行.所以基于IAAP的認(rèn)證過程可以提前，甚至可以在STA進(jìn)入發(fā)現(xiàn)狀態(tài)之前就可以進(jìn)行.這樣授權(quán)認(rèn)證過程就不會(huì)增加時(shí)延[6].在提前掃描切換技術(shù)中通過讓MS提前與ESS中的第一個(gè)AP進(jìn)行認(rèn)證，減少采用IAAP協(xié)議的切換時(shí)延.為了準(zhǔn)確的觸發(fā)提前掃描，我們定義了新的閥門值，稱為提前接受信號(hào)強(qiáng)度指示（prevent received signal strength indicatior RSSIprev），這個(gè)值與802.11協(xié)議中的標(biāo)準(zhǔn)閥門值不同.計(jì)算公式如下：

其中，RSSIactual是STA和AP之間最好的信道質(zhì)量，RSSImax是提前接收的閥門值，如果信號(hào)強(qiáng)度高于閥門值，MS就不需要立刻進(jìn)行切換.

如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前AP的信號(hào)強(qiáng)度如果下降到RSSIprev時(shí)，算法就開始對(duì)MS的移動(dòng)性進(jìn)行檢測(cè)，然后MS開始尋找能夠提供更好服務(wù)的AP.當(dāng)MS信號(hào)強(qiáng)度到達(dá)切換閥門值時(shí)，MS立刻跳過掃描過程直接進(jìn)入到認(rèn)證階段.由于掃描階段提前完成，這樣可以大大的降低切換時(shí)延.而且，還可以在切換啟動(dòng)之前觸發(fā)其它和切換相關(guān)的操作,例如:尋找下一個(gè)AP，并且傳送本AP的上下文.提前掃描技術(shù)中常用的有SyncScan算法、MultiScan算法和ProactiveScan算法.

SyncScan算法

在SyncScan算法中，對(duì)AP按照不同的信道分組，并且要求在同一分組中的AP必須在同一時(shí)間發(fā)送探尋幀.當(dāng)STA接收到一個(gè)信道的探尋幀之后必須跳轉(zhuǎn)到另外一個(gè)信道進(jìn)行偵聽，當(dāng)偵聽到新的探尋幀之后再返回原來的信道.每一個(gè)信道的同步掃描時(shí)延為：

其中：Tswitch是不同信道之間的切換時(shí)延，Twait是獲得制定的信道上AP發(fā)出探尋幀的時(shí)延.總的切換時(shí)延取決于掃描的信道數(shù)量.

MultiScan算法

MultiScan算法中，使用兩個(gè)通信端口分別用來進(jìn)行通信和信道的切換.這種方法能夠在信道掃描和切換過程中繼續(xù)保持和原AP的通信，但是兩個(gè)端口之間容易互相干擾，影響通信質(zhì)量.并且在硬件的實(shí)現(xiàn)上也比較困難.

ProactiveScan算法

ProactiveScan算法中，MS利用傳送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隙對(duì)信道進(jìn)行掃描.并且對(duì)掃描到的AP信息按照條件進(jìn)行排序.當(dāng)MS的信號(hào)到達(dá)切換閥門值時(shí)，就可以根據(jù)之前得到的AP信息進(jìn)行AP選擇和切換.

在預(yù)掃描方案中，具體的算法如下：

1:if RSSIactuai＜RSSIminthen

2:start handover

3:elseif RSSImin＜RSSIactual＜RSSIprevthen

4:detective AP strength

5:if RSSIactual＜RSSIapthen

6:re-association with first AP on the dynamic list

7:else

8:scanchannel and skipto 1

9:end

4 仿真結(jié)果與分析

下面將對(duì)兩種新的切換方案進(jìn)行比較.我們將從切換時(shí)延和資源利用率兩個(gè)方面對(duì)主動(dòng)掃描切換技術(shù)和預(yù)掃描切換技術(shù)進(jìn)行測(cè)試.在測(cè)試中，MS和AP之間的信號(hào)強(qiáng)度由兩者之間的距離決定,距離為d，P0為發(fā)送的信號(hào)強(qiáng)度.c是光的實(shí)際傳輸速度（2*108）,λ為波長(zhǎng)，f是傳輸頻率（8*106），P0為傳輸強(qiáng)度（200mW），并且λ=c/f.接收到的信號(hào)強(qiáng)度定義為Pr，計(jì)算公式如下：

具體的測(cè)試基于以下兩種不同情況：不同流量強(qiáng)度下AP的資源利用率；不同流量強(qiáng)度下下的信道損失.測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 參數(shù)設(shè)定表

(1)不同流量強(qiáng)度下AP的資源利用率：下面的測(cè)試中，我們將對(duì)比不同的AP的資源利用率.這個(gè)結(jié)果將檢測(cè)出在不同的流量強(qiáng)度的情況下，哪一種切換方案能夠跟更好地利用AP資源.圖1，顯示了兩種不同切換方式下的AP資源利用情況.從圖中我們可以看到，資源利用率和信道的流量強(qiáng)度緊密相關(guān).當(dāng)流量強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，接入點(diǎn)會(huì)承載更過的通信量，并且資源利用率也會(huì)提升.在同等的流量強(qiáng)度下，主動(dòng)掃描切換比預(yù)掃描切換有更好的資源利用率.

圖1 資源利用率分布圖

(2)不同流量強(qiáng)度下的流量損失：通過對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)流量強(qiáng)度下的流量損失進(jìn)行對(duì)比，預(yù)掃描切換方案在不同的流量強(qiáng)度下都展現(xiàn)了比主動(dòng)掃描方案更好地性能.因?yàn)橹鲃?dòng)掃描中，只有出發(fā)了切換過程才開始對(duì)鄰居AP進(jìn)行掃描.而在預(yù)掃描方案中，在MS與AP正常連接的過程中，可以利用通信的間隙對(duì)鄰居AP進(jìn)行掃描，這樣就減少了等待探尋幀的時(shí)間.所以整個(gè)切換的過程中，使用預(yù)掃描方案時(shí)流量損失更小.

圖2 流量損失

通過以上的對(duì)比測(cè)試，在不同的流量強(qiáng)度下，預(yù)掃描切換在流量損失方面的性能都比主動(dòng)掃描的要好.但是，主動(dòng)掃描技術(shù)的資源利用率要高于預(yù)掃描切換技術(shù).

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TP393.1

A

1673-260X（2017）07-0010-03

2017-03-07

安徽省高等學(xué)校省級(jí)自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2014A172）；安徽省一般教研項(xiàng)目（2015jyxm323）