曹騫，吳其林

（巢湖學院 信息工程學院，安徽 合肥 238000）

無線局域網(wǎng)的主動切換技術(shù)和預切換技術(shù)比較

曹騫，吳其林

（巢湖學院 信息工程學院，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)進行網(wǎng)絡視頻VoIP電話等多媒體應用.無線局域網(wǎng)具有速率高、費用低等諸多優(yōu)點.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，而AP的數(shù)量和每個AP的覆蓋范圍都有限，當MS移動時需要在不同的AP之間進行切換.802.11協(xié)議中的切換機制優(yōu)化不夠，切換效率不如蜂窩網(wǎng)絡，不能滿足實時多媒體服務的服務質(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)，并且進行比較.

無線局域網(wǎng)；快速切換；流量強度

1 簡介

無線局域網(wǎng)的發(fā)展非常迅速，已經(jīng)應用到了數(shù)據(jù)通信的各個方面.現(xiàn)在的無線局域網(wǎng)可以提供高速的實時通信和支持IP語音通話和視頻會議等多媒體應用.但是無線局域網(wǎng)中的AP覆蓋范圍有限，當MS從一個Access Point(AP)的覆蓋范圍移動到另外一個無線接入點的覆蓋范圍時，就會產(chǎn)生切換[1].在切換過程中，MS重新查找合適的AP，并且進行重新認證和連接.MS的數(shù)據(jù)通信將被中斷，產(chǎn)生切換時延.基于802.11網(wǎng)絡在漫游時的平均時延大概在幾百毫秒，大于人耳能夠感受到的50ms的間隔，會降低語音通話的質(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，提供了一套標準的切換技術(shù)，但是切換時延較長.本文中我們將介紹兩種新的切換技術(shù)，并且對其性能進行比較[3].

2 標準切換技術(shù)

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

其中，檢測階段是整個切換進行的基礎.當MS檢測到信道達到觸發(fā)條件時，開始啟動切換，但是檢測階段并不產(chǎn)生切換時延.認證階段是在掃描結(jié)束后，跟確定的新AP之間進行重新認證，產(chǎn)生的時延也比較少.重連接階段的時延主要來自IAPP協(xié)議[5].

3 新的切換技術(shù)

802.11 標準的切換技術(shù)中，切換必須嚴格按照四個階段進行.從觸發(fā)到對信道的檢測，每個階段產(chǎn)生的時延都會疊加.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施，減少掃描使用的時間，降低整的切換時延.下面我們列出兩種常見的切換技術(shù)，并且對其進行比較.

3.1 主動掃描切換技術(shù)（PAHP）

主動掃描切換技術(shù)可以在正常連接時啟動.如果當前的AP信號強度低于-80dbm就開始對信道進行掃描，掃描過程中MS和AP之間可以以1Mbps的速率交換信息.MS會對查找到的AP進行信息比較，確定需要切換的AP.這種方案中，MS需要持續(xù)對信號強度進行偵聽，并且每間隔2s就需要掃描鄰居節(jié)點.掃描過程的時間段，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)送一個緩沖請求，AP收到請求之后將需要發(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使用主動掃描算法對鄰居節(jié)點進行掃描.通過對覆蓋范圍內(nèi)所有的節(jié)點廣播探尋幀，并且等待回復.MS從回復的信息中獲取鄰居AP的屬性和負載信息.MS比對這些信息，并且對鄰居AP進行排序.排序過程中，為了避免收集到的信息過期，對排序加上時間單位，并且對過期的信息進行刪除.

為了更好的描述切換因子，我們定義了參數(shù)：SC是當前AP的信號強度平均值，SN是鄰居節(jié)點的信號強度平均值，TC是當前AP的平均信道流量，TN是鄰居節(jié)點的平均信道流量，STH是閥門值，Δ是遲滯窗口大小.HOFC為當前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）首先計算出當前節(jié)點和鄰居節(jié)點的信道流量，以及鄰居節(jié)點的信號強度平均值，公式如下：

（2）再根據(jù)當前信號強度可以計算出當前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），用來確定當前AP和鄰居AP的信號強度，還可以用來確定AP的負載情況.上面的算法中需要注意的兩點：

1.如果與當前MS傳送數(shù)據(jù)的AP發(fā)射的信號強度低于閥門值，并且被選中的下一個AP的信號強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的信號強度高于閥門值，MS只有在新的AP能夠提供根號的服務時才會啟動切換.這意味著新的AP的信號強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會發(fā)送重連接請求繼續(xù)和當前交換機機型連接.

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在認證結(jié)束后會給新的AP發(fā)送一個重新連接請求.新的AP在收到請求后，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40ms左右的時延，總的切換時延大概在40-300ms之間.因為802.11標準沒有規(guī)定認證必須立刻進行，也沒有規(guī)定認證必須在一個掃描周期內(nèi)進行.所以基于IAAP的認證過程可以提前，甚至可以在STA進入發(fā)現(xiàn)狀態(tài)之前就可以進行.這樣授權(quán)認證過程就不會增加時延[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AP進行認證，減少采用IAAP協(xié)議的切換時延.為了準確的觸發(fā)提前掃描，我們定義了新的閥門值，稱為提前接受信號強度指示（prevent received signal strength indicatior RSSIprev），這個值與802.11協(xié)議中的標準閥門值不同.計算公式如下：

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，如果信號強度高于閥門值，MS就不需要立刻進行切換.

如果發(fā)現(xiàn)當前AP的信號強度如果下降到RSSIprev時，算法就開始對MS的移動性進行檢測，然后MS開始尋找能夠提供更好服務的AP.當MS信號強度到達切換閥門值時，MS立刻跳過掃描過程直接進入到認證階段.由于掃描階段提前完成，這樣可以大大的降低切換時延.而且，還可以在切換啟動之前觸發(fā)其它和切換相關(guān)的操作,例如:尋找下一個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必須在同一時間發(fā)送探尋幀.當STA接收到一個信道的探尋幀之后必須跳轉(zhuǎn)到另外一個信道進行偵聽，當偵聽到新的探尋幀之后再返回原來的信道.每一個信道的同步掃描時延為：

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

MultiScan算法

MultiScan算法中，使用兩個通信端口分別用來進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，但是兩個端口之間容易互相干擾，影響通信質(zhì)量.并且在硬件的實現(xiàn)上也比較困難.

ProactiveScan算法

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

在預掃描方案中，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

下面將對兩種新的切換方案進行比較.我們將從切換時延和資源利用率兩個方面對主動掃描切換技術(shù)和預掃描切換技術(shù)進行測試.在測試中，MS和AP之間的信號強度由兩者之間的距離決定,距離為d，P0為發(fā)送的信號強度.c是光的實際傳輸速度（2*108）,λ為波長，f是傳輸頻率（8*106），P0為傳輸強度（200mW），并且λ=c/f.接收到的信號強度定義為Pr，計算公式如下：

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

表1 參數(shù)設定表

(1)不同流量強度下AP的資源利用率：下面的測試中，我們將對比不同的AP的資源利用率.這個結(jié)果將檢測出在不同的流量強度的情況下，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度緊密相關(guān).當流量強度增強時，接入點會承載更過的通信量，并且資源利用率也會提升.在同等的流量強度下，主動掃描切換比預掃描切換有更好的資源利用率.

圖1 資源利用率分布圖

(2)不同流量強度下的流量損失：通過對不同的網(wǎng)絡流量強度下的流量損失進行對比，預掃描切換方案在不同的流量強度下都展現(xiàn)了比主動掃描方案更好地性能.因為主動掃描中，只有出發(fā)了切換過程才開始對鄰居AP進行掃描.而在預掃描方案中，在MS與AP正常連接的過程中，可以利用通信的間隙對鄰居AP進行掃描，這樣就減少了等待探尋幀的時間.所以整個切換的過程中，使用預掃描方案時流量損失更小.

圖2 流量損失

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

〔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

安徽省高等學校省級自然科學研究重點項目（KJ2014A172）；安徽省一般教研項目（2015jyxm323）