无线局域网的主动切换技术和预切换技术比较

曹骞，吴其林

（巢湖学院 信息工程学院，安徽 合肥 238000）

无线局域网的主动切换技术和预切换技术比较

曹骞，吴其林

（巢湖学院 信息工程学院，安徽 合肥 238000）

无线局域网的发展非常迅速，人们开始利用无线局域网进行网络视频VoIP电话等多媒体应用.无线局域网具有速率高、费用低等诸多优点.但是，在传统的802.11协议无线局域网中，MS通过AP接入网络，而AP的数量和每个AP的覆盖范围都有限，当MS移动时需要在不同的AP之间进行切换.802.11协议中的切换机制优化不够，切换效率不如蜂窝网络，不能满足实时多媒体服务的服务质量.为了能够提高无线局域网的切换效率，出现了新的快速切换方法.文中将列举两种新的切换技术，并且进行比较.

无线局域网；快速切换；流量强度

1 简介

无线局域网的发展非常迅速，已经应用到了数据通信的各个方面.现在的无线局域网可以提供高速的实时通信和支持IP语音通话和视频会议等多媒体应用.但是无线局域网中的AP覆盖范围有限，当MS从一个Access Point(AP)的覆盖范围移动到另外一个无线接入点的覆盖范围时，就会产生切换[1].在切换过程中，MS重新查找合适的AP，并且进行重新认证和连接.MS的数据通信将被中断，产生切换时延.基于802.11网络在漫游时的平均时延大概在几百毫秒，大于人耳能够感受到的50ms的间隔，会降低语音通话的质量[2].为了提高无线局域网的性能，人们开始研究切换技术，希望MS能够在不同的AP之间快速的切换.在802.11协议中，提供了一套标准的切换技术，但是切换时延较长.本文中我们将介绍两种新的切换技术，并且对其性能进行比较[3].

2 标准切换技术

在802.11标准中，有一套标准切换过程.切换过程严格遵循四个阶段进行：切换检测、切换扫描、重认证和重连接.当满足触发条件时启动切换过程，MS开始对信道进行扫描，并且选择和确定切换的AP，然后与新AP进行认证和连接.其中对信道进行扫描是整个阶段中最为复杂的阶段，产生的时延占到整个切换时延的90%.在802.11标准中，有两种扫描模式：（passive scan mode）被动扫描和（active scan mode）主动扫描[4].其中：被动扫描算法中，MS监听来自AP的信标帧.信标帧中携带时间和状态信息.AP发送信标帧的间隔时间为100ms.MS通过信标帧中获取的信息，寻找一个AP进行关联.在被动扫描模式中，MS必须对信道逐一侦听，才能获取到来自不同AP的信标帧.所以被动扫描会产生更多的时延.主动扫描算法中，MS向信道广播请求包并且等待一个最小信道间隙.如果在这个时间间隙内收到响应数据包，就将等待时间延长，已获得更多的响应数据包.但是如果在最小信道间隙时间内没有收到任何回复，就进入下一个信道开始扫描.扫描过程完成之后，选中的AP和MS之间需要交换认证信息.有两种认证方法：公开认证和共享秘钥方式.当MS取得新的AP的认证之后，向新AP发送重连接信息.在这个阶段新旧AP之间采用IAPP协议交换信息.当认证成功之后就可以开始重连接.MS就可以和AP进行数据传输.总的时延来自于这些时延之和.因为在检测、扫描、认证和连接4个阶段，MS与AP之间都不能进行信息传递.在802.11标准中，总的切换时延大约在300ms左右.

其中，检测阶段是整个切换进行的基础.当MS检测到信道达到触发条件时，开始启动切换，但是检测阶段并不产生切换时延.认证阶段是在扫描结束后，跟确定的新AP之间进行重新认证，产生的时延也比较少.重连接阶段的时延主要来自IAPP协议[5].

3 新的切换技术

802.11 标准的切换技术中，切换必须严格按照四个阶段进行.从触发到对信道的检测，每个阶段产生的时延都会叠加.新的切换技术中，通过使用不同的扫描方法和将扫描放在不同的切换阶段实施，减少扫描使用的时间，降低整的切换时延.下面我们列出两种常见的切换技术，并且对其进行比较.

3.1 主动扫描切换技术（PAHP）

主动扫描切换技术可以在正常连接时启动.如果当前的AP信号强度低于-80dbm就开始对信道进行扫描，扫描过程中MS和AP之间可以以1Mbps的速率交换信息.MS会对查找到的AP进行信息比较，确定需要切换的AP.这种方案中，MS需要持续对信号强度进行侦听，并且每间隔2s就需要扫描邻居节点.扫描过程的时间段，如果MS和AP之间还有信息需要传送，必须等待扫描过程完成.MS首先向AP发送一个缓冲请求，AP收到请求之后将需要发送的数据放入缓冲区.这样可以防止发送的数据包丢失.然后MS使用主动扫描算法对邻居节点进行扫描.通过对覆盖范围内所有的节点广播探寻帧，并且等待回复.MS从回复的信息中获取邻居AP的属性和负载信息.MS比对这些信息，并且对邻居AP进行排序.排序过程中，为了避免收集到的信息过期，对排序加上时间单位，并且对过期的信息进行删除.

为了更好的描述切换因子，我们定义了参数：SC是当前AP的信号强度平均值，SN是邻居节点的信号强度平均值，TC是当前AP的平均信道流量，TN是邻居节点的平均信道流量，STH是阀门值，Δ是迟滞窗口大小.HOFC为当前AP的切换因子，HOFN为邻居AP的切换因子，HOFTH为迟滞窗口的切换因子.

（1）首先计算出当前节点和邻居节点的信道流量，以及邻居节点的信号强度平均值，公式如下：

（2）再根据当前信号强度可以计算出当前AP和邻居AP的切换因子，公式如下：

根据以上定义的参数，主动扫描算法的具体算法如下：

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

上面的参数中定义了切换因子（HOF），用来确定当前AP和邻居AP的信号强度，还可以用来确定AP的负载情况.上面的算法中需要注意的两点：

1.如果与当前MS传送数据的AP发射的信号强度低于阀门值，并且被选中的下一个AP的信号强度高于阀门值和迟滞的总和，MS就立刻切换到新的AP.

2.如果目前的AP的信号强度高于阀门值，MS只有在新的AP能够提供根号的服务时才会启动切换.这意味着新的AP的信号强度必须高于阀门值和迟滞的总和，而且新的AP切换因子也要好于旧AP，否则MS会发送重连接请求继续和当前交换机机型连接.

3.2 提前扫描切换技术（PRHP）

传统的802.11b协议的无线局域网中，MS在认证结束后会给新的AP发送一个重新连接请求.新的AP在收到请求后，使用IAAP协议从旧AP上下载上下文信息.由于IAAP本身存在一个40ms左右的时延，总的切换时延大概在40-300ms之间.因为802.11标准没有规定认证必须立刻进行，也没有规定认证必须在一个扫描周期内进行.所以基于IAAP的认证过程可以提前，甚至可以在STA进入发现状态之前就可以进行.这样授权认证过程就不会增加时延[6].在提前扫描切换技术中通过让MS提前与ESS中的第一个AP进行认证，减少采用IAAP协议的切换时延.为了准确的触发提前扫描，我们定义了新的阀门值，称为提前接受信号强度指示（prevent received signal strength indicatior RSSIprev），这个值与802.11协议中的标准阀门值不同.计算公式如下：

其中，RSSIactual是STA和AP之间最好的信道质量，RSSImax是提前接收的阀门值，如果信号强度高于阀门值，MS就不需要立刻进行切换.

如果发现当前AP的信号强度如果下降到RSSIprev时，算法就开始对MS的移动性进行检测，然后MS开始寻找能够提供更好服务的AP.当MS信号强度到达切换阀门值时，MS立刻跳过扫描过程直接进入到认证阶段.由于扫描阶段提前完成，这样可以大大的降低切换时延.而且，还可以在切换启动之前触发其它和切换相关的操作,例如:寻找下一个AP，并且传送本AP的上下文.提前扫描技术中常用的有SyncScan算法、MultiScan算法和ProactiveScan算法.

SyncScan算法

在SyncScan算法中，对AP按照不同的信道分组，并且要求在同一分组中的AP必须在同一时间发送探寻帧.当STA接收到一个信道的探寻帧之后必须跳转到另外一个信道进行侦听，当侦听到新的探寻帧之后再返回原来的信道.每一个信道的同步扫描时延为：

其中：Tswitch是不同信道之间的切换时延，Twait是获得制定的信道上AP发出探寻帧的时延.总的切换时延取决于扫描的信道数量.

MultiScan算法

MultiScan算法中，使用两个通信端口分别用来进行通信和信道的切换.这种方法能够在信道扫描和切换过程中继续保持和原AP的通信，但是两个端口之间容易互相干扰，影响通信质量.并且在硬件的实现上也比较困难.

ProactiveScan算法

ProactiveScan算法中，MS利用传送数据的时间间隙对信道进行扫描.并且对扫描到的AP信息按照条件进行排序.当MS的信号到达切换阀门值时，就可以根据之前得到的AP信息进行AP选择和切换.

在预扫描方案中，具体的算法如下：

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 仿真结果与分析

下面将对两种新的切换方案进行比较.我们将从切换时延和资源利用率两个方面对主动扫描切换技术和预扫描切换技术进行测试.在测试中，MS和AP之间的信号强度由两者之间的距离决定,距离为d，P0为发送的信号强度.c是光的实际传输速度（2*108）,λ为波长，f是传输频率（8*106），P0为传输强度（200mW），并且λ=c/f.接收到的信号强度定义为Pr，计算公式如下：

具体的测试基于以下两种不同情况：不同流量强度下AP的资源利用率；不同流量强度下下的信道损失.测试数据如表1所示：

表1 参数设定表

(1)不同流量强度下AP的资源利用率：下面的测试中，我们将对比不同的AP的资源利用率.这个结果将检测出在不同的流量强度的情况下，哪一种切换方案能够跟更好地利用AP资源.图1，显示了两种不同切换方式下的AP资源利用情况.从图中我们可以看到，资源利用率和信道的流量强度紧密相关.当流量强度增强时，接入点会承载更过的通信量，并且资源利用率也会提升.在同等的流量强度下，主动扫描切换比预扫描切换有更好的资源利用率.

图1 资源利用率分布图

(2)不同流量强度下的流量损失：通过对不同的网络流量强度下的流量损失进行对比，预扫描切换方案在不同的流量强度下都展现了比主动扫描方案更好地性能.因为主动扫描中，只有出发了切换过程才开始对邻居AP进行扫描.而在预扫描方案中，在MS与AP正常连接的过程中，可以利用通信的间隙对邻居AP进行扫描，这样就减少了等待探寻帧的时间.所以整个切换的过程中，使用预扫描方案时流量损失更小.

图2 流量损失

通过以上的对比测试，在不同的流量强度下，预扫描切换在流量损失方面的性能都比主动扫描的要好.但是，主动扫描技术的资源利用率要高于预扫描切换技术.

〔1〕Rebai A R,Hanafi S.An Adaptive Multimedia-Oriented Handoff Scheme for IEEE 802.11 WLANs[J].InternationalJournalofWireless&MobileNetworks, 2011,3(1):155-177.

〔2〕Wu H,Tan K,Zhang Y,et al.Proactive Scan:Fast Handoff with Smart Triggers for 802.11 Wireless LAN[C] //INFOCOM 2007.IEEE International Conference on Computer Communications.IEEE.IEEE,2007:749-757.

〔3〕IEEE Std.802.11‐1999,Part 11:Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY) Specifications,IEEE Standard 802.11,1999.

〔4〕Jeong B M R,Watanabe F,Kawahara T.Fast active scan for measurement and handoff[C].DoCoMo USA Labs,Contribution to IEEE 802.2003.

〔5〕Chen L,Guo Q,Na Z,et al.A threshold based triggering scheme for Cellular-to-WLANhandovers[J]. Telkomnika Telecommunication Computing Electronics &Control,2014.

〔6〕Roos A,Keller A,Schwarzbacher A T,et al.Sequential Authentication Concept to Improve WLAN Handover Performance[J].2009.

TP393.1

A

1673-260X（2017）07-0010-03

2017-03-07

安徽省高等学校省级自然科学研究重点项目（KJ2014A172）；安徽省一般教研项目（2015jyxm323）