基于改进邻居图的WLAN快速切换机制研究

葛坤玉，　汪　鹏,　魏振春,　卫　星

(1.合肥工业大学 资产经营有限公司，安徽 合肥　230009； 2.合肥工业大学 计算机与信息学院,安徽 合肥　230009)



基于改进邻居图的WLAN快速切换机制研究

葛坤玉1，汪鹏2,魏振春2,卫星2

(1.合肥工业大学 资产经营有限公司，安徽 合肥230009； 2.合肥工业大学 计算机与信息学院,安徽 合肥230009)

摘要:典型的切换过程包括扫描、认证和重关联3个阶段,其中扫描阶段占切换时延的90%以上,因此解决切换时延问题主要是降低扫描阶段的时延。文章对传统邻居图切换机制进行了介绍,提出了基于改进邻居图的WLAN快速切换机制。该机制综合考虑接入点(access point,AP)的信号强度、负载以及移动站点(station,STA)的运动方向,计算出每个AP的权值,确定候选AP的优先级;根据优先级STA依次选择候选AP进行认证重关联,直至成功,从而减少扫描信道数量,达到降低扫描时延的目的。仿真结果表明，该切换机制有效降低了切换时延,减少了乒乓切换的发生,满足实时性应用的需求,实现了快速切换。

关键词:邻居图;无线局域网;切换时延;快速切换

无线局域网(wireless local area network, WLAN)对移动性的支持并非最初IEEE 802.11的优先考虑,因为单个接入点(access point, AP)的信号足够覆盖如办公室、家这种小的区域。但WLAN因高速率、低成本和易布设等特点而得到广泛应用,使得越来越多的对实时性要求高的应用(如VoIP、多媒体等)得到大力的发展。

由于单个AP的信号覆盖范围是有限的,一般为100～400 m,移动站点(station, STA)从一个AP的信号覆盖区域向另一个AP信号覆盖区域移动时,STA接收到的信号强度会逐渐减小,直到最后断开与所关联AP的连接,然后与新的AP建立连接,这就是传统的切换过程硬切换[1]机制(hard handoff mechanism, HHM)。但这种机制产生较高的切换时延和丢包率,难以满足实时性业务的需求。

针对切换问题,本文提出基于改进邻居图的WLAN快速切换机制(improved neighbor graph handoff mechanism, INGHM),该机制综合考虑STA接收到的信号强度(received signal strength indication, RSSI)、STA移动方向以及AP负载情况,从邻居图中选出最合适的候选AP作为切换对象,降低切换时延和丢包率,减少乒乓切换现象,满足应用需求。

1切换过程及相关工作

1.1　802.11切换过程

802.11切换过程如图1所示,包括扫描、认证和重关联3个阶段,其中扫描阶段时延占总时延的90%以上[2-5],所以本文主要研究的是如何降低扫描阶段的时延。

图1　802.11切换过程

扫描有2种模式,被动扫描和主动扫描[6]。

被动扫描模式如图2所示,STA等待每个信道上的AP周期性发送的信标帧,通常每个AP信标帧的发送周期约为100 ms,STA必须对每个信道一个接一个地扫描,若有11个信道需要扫描,那么扫描的时间将长达1 s,因此被动扫描模式不适合应用于实时性业务。

主动扫描模式如图3所示,STA主动向每个信道广播探寻请求帧,当AP接收到探寻请求帧时,会返回探寻响应帧,STA因此会发现该条信道上存在AP。主动扫描的时延可以表示为:

N×MinChannelTime≤Tscan≤

N×MaxChannelTime

(1)

其中,N为扫描信道的数量;MinChannelTime为信道一直空闲到该时间就停止扫描该信道,一般为6.5 ms;MaxChannelTime为信道扫描时间达到MinChannelTime该信道仍然繁忙,则继续扫描直到MaxChannelTime才停止扫描该信道,一般为11 ms。

图2　被动扫描模式

图3　主动扫描模式

1.2　相关工作

由(1)式可知,降低扫描时延主要是减少扫描信道的数量N或者调整MinChannelTime和MaxChannelTime。

为了降低切换时延,保证实时性业务对时延的要求,很多学者提出了新的切换机制。邻居图算法[7-9],即STA根据获取的邻居图中的AP信息,只扫描当前关联AP的邻居AP所在的信道,减少扫描信道以及扫描AP的数量,从而降低了扫描时延;但邻居图算法未考虑网络负载情况以及STA运动方向,会造成乒乓切换,降低切换效率。

SyncScan算法[10]主要针对减少被动扫描时延,使所有的AP时钟同步,相同信道的AP在同一时间同时广播信标帧;但该算法需要使所用AP和STA达到精确的时钟同步,因此有较大的额外代价。MultiScan算法[11]主要利用多个无线接口,一个用于数据传输,其他的用于信道扫描和切换；但是该算法需要多个无线接口的额外代价。

2网络模型

WLAN网络模型如图4所示,对网络模型作如下假设:

(1) STA只在指定的轨道上行驶,轨道存在直线区域、拐弯区域以及分岔路。

(2) AP分布在轨道旁,采用全向天线且信号覆盖范围半径为R。为了增加网络的覆盖,在轨道的拐弯区域以及分岔路的分叉点一定会布设AP。假设轨道不存在无AP覆盖的区域,不存在发生故障的AP。

(3) STA在运动过程中的移动方向是已知的,用向量v表示。

(4) AP的位置是固定且已知的,保存于服务器的数据库中。

图4　WLAN网络模型

3改进邻居图的快速切换机制

3.1　邻居图的建立

定义1用户负载阈值(user load threshold, ULT)即AP能关联STA的最大数量。

定义2用户负载(user load, UL)即AP当前所关联的STA的数量。

UL和ULT都保存于每个AP中。在建立邻居图的阶段,每个AP向服务器上传如图5所示的消息。

图5AP上传消息格式

其中,AP ID为每个AP的编号;SSID(service set identifier)为AP的服务集标识;Channel表示AP所在的信道。服务器保存有每个AP的位置信息,将位置信息以及每个AP上传的消息综合在一起,根据(2)式即可确定AP之间的边的关系为:

(2)

其中,(x1,y1)和(x2,y2)为2个AP的位置坐标。

邻居图的定义为:

(3)

其中,G为邻居图;V为一个AP,V中包含了每个AP的ID、SSID、Channel、位置信息、UL和ULT等信息;E为边的集合,根据(2)式可以确定2个AP之间是否存在边的关系;NC(APi)为与编号APi的AP存在边的关系的所有AP的集合。

根据位置坐标将图4的网络模型转换为邻居图,如图6所示。

图6　邻居图

3.2　切换过程

UL和ULT都保存于每个AP中,初始UL为0,当有STA与AP关联,则该AP的UL值自动加1,当有STA与AP断开连接,则该AP的UL值自动减1,并立即通知服务器更新UL值。

定义3信号强度阈值(signal strength threshold, SST)即STA与当前关联AP所接收到的信号强度RSSI所达到的切换条件。

当STA检测到与当前AP的RSSI值降到阈值SST以下,即RSSI

启动扫描阶段,按照分组的信道依次扫描,从而减少了扫描信道的数量,减少扫描时间。又由于每个信道内的AP数量也可以通过邻居图确定,所以在扫描每个信道时扫描完指定数量的AP之后就可以直接跳到下一个信道继续扫描,而不必等待MinChannelTime或者MaxChannelTime才退出该信道的扫描,从而减少每个信道的扫描时间。在扫描阶段获取每个邻居AP的RSSI值RSSIAPi。

由于每个AP的位置已知,且通过向服务器发送请求获取到了邻居AP的信息,STA在运动过程中的移动方向v也是已知的,所以可以得到STA移动方向与当前AP和候选AP连线的夹角θ为:

(4)

其中,(x1,y1)为当前关联AP的位置坐标;(x2,y2)为候选AP的位置坐标;n为从当前AP到候选AP的向量。

扫描每个AP之后,计算其权值,可得:

(5)

其中,ULTAPi为APi的用户负载阈值;ULAPi为APi的用户负载;WAPi为APi的权值,是AP负载、STA接收AP信号强度以及STA运动方向的综合权值,α、β、γ是这3个方面的比重(α+β+γ=1)，根据需要给出。

根据权值WAPi的大小将邻居AP排序,即STA关联的优先级顺序。STA首先与权值WAPi最大的AP进行认证、重关联,如果失败,则继续与下一个AP认证、重关联,依次进行,直到重关联成功。

切换的过程描述如下:

(1)STA在行驶过程中不断检测与当前关联AP的RSSI值,如果低于阈值则触发切换过程。

(2) 从服务器的邻居图中获取当前关联AP的邻居AP信息,如果没有获取到AP信息则启动全信道扫描过程,否则按照邻居AP信道分组扫描相应信道的AP。

(3) 获取每个被扫描AP的RSSI,计算权值,并排序,得到AP优先级序列。

(4) 根据优先级序列,与AP逐个认证和重关联,直到重关联成功,则切换完成。

4仿真实验分析

对基于改进邻居图的WLAN快速切换机制(INGHM)与传统的邻居图切换机制(neighborgraph,NG)的性能进行仿真对比,通过对使用2种机制在不同邻居数量和信道数量的条件下所造成的切换时延,以及对在仿真时间内2种机制切换的次数进行分析,来比较2种机制。使用Matlab实现仿真,仿真参数见表1所列。

表1　仿真参数

在仿真时间内2种机制切换的次数比较如图7所示。由于NG邻居图切换机制只考虑RSSI值的大小,未考虑AP负载情况以及STA的运动方向,因而容易发生乒乓切换,造成较多的切换次数,影响系统的整体性能。

图7　切换次数

在不同邻居数量的条件下2种机制的切换时延比较如图8所示,从图中可以看出NG随着邻居个数的增加,切换时延基本呈线性增长趋势,在邻居个数为6时切换时延超过50 ms；而INGHM在邻居个数达到8时切换时延依然在50 ms以内,满足实时性业务的需求。

图8　不同邻居个数条件下的切换时延

在不同信道数量的条件下2种机制的切换时延比较如图9所示,从图中可以看出NG随着信道数量的增加,切换时延增长明显,而INGHM增长较为缓慢,且在信道数量为11时切换时延保持在50 ms以内,保证了通信的实时性要求。

图9　不同信道数量条件下的切换时延

5结束语

本文通过对切换过程以及近几年研究工作的描述,在建立的网络模型上提出了基于改进邻居图的WLAN快速切换机制,通过对AP信号强度、AP负载情况和STA运动方向3个方面的综合考虑,根据权值的高低确定优先级,按照优先级依次选择候选AP进行切换直到切换成功，减少了切换时延以及乒乓切换情况的发生。仿真实验结果表明该机制降低了时延,满足了实时性应用对时延的要求。

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(责任编辑胡亚敏)

Fast handoff mechanism based on improved neighbor graph for IEEE 802.11 wireless networks

GE Kun-yu1, WANG Peng2,WEI Zhen-chun2,WEI Xing2

(1.Assets Management Company Limited, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.School of Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract:The typical handoff process consists of three phases, namely scan, authentication and re-association. More than 90% of handoff delay is caused by scan phase, and therefore reducing the delay in scan phase is the key to solve the handoff problem. In this paper, the traditional neighbor graph handoff mechanism is introduced, and a fast handoff mechanism based on improved neighbor graph for wireless local area network(WLAN) is presented. In the mechanism, the signal strength of access points(AP), loading of access points and the movement direction of the mobile stations(STA) are considered comprehensively, the weight of every access point is calculated so as to determine the priority of the candidate access points. The mobile stations select the access point according to the priority to handoff until they succeed. The mechanism reduces the number of scanning channels, thus reducing the scanning delay. The simulation results show that the mechanism reduces the handoff delay and the occurrence of ping-pong handoff, meets the requirements of real-time applications and achieves the goal of fast handoff.

Key words:neighbor graph; wireless local area network(WLAN); handoff delay; fast handoff

中图分类号:TN926.3

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2015)03-0336-05

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.03.010

作者简介：葛坤玉(1961-),男，江苏如东人，合肥工业大学工程师.

基金项目：国家自然科学基金面上资助项目(61370088);国家国际科技合作专项资助项目(2014DFB10060)和安徽省高等学校省级自然科学研究资助项目(KJ2012A224;KJ2013ZD09)

收稿日期：2014-02-11；修回日期：2014-04-14