應(yīng)用于ＷＬＡＮ的可管理快速切換技術(shù)在ＡＰ的實(shí)現(xiàn)

摘要：無線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)發(fā)展迅速，但是切換速度始終是影響WLAN進(jìn)一步發(fā)展的重要問題。為了提高用戶在接入點(diǎn)的切換速度，支持不同QoS業(yè)務(wù)的切換要求，保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性，在分析IEEE 802.11 WLAN切換的基礎(chǔ)上，提出了一種可管理快速切換(MFHO)技術(shù)及其在接入點(diǎn)(AP)的實(shí)現(xiàn)方法。該技術(shù)采用“斷開前部分建立”的切換策略，在改進(jìn)AP間漫游協(xié)議基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)無線AP對(duì)站點(diǎn)切換過程的控制管理。用實(shí)驗(yàn)對(duì)MFHO技術(shù)和基于接入點(diǎn)間漫游協(xié)議(IAPP)的切換技術(shù)進(jìn)行了功能和性能對(duì)比測(cè)試，結(jié)果驗(yàn)證MFHO技術(shù)切換成功率高，切換性能強(qiáng)于基于IAPP的切換技術(shù)。

關(guān)鍵詞：無線通信技術(shù)；可管理快速切換；無線局域網(wǎng)；IEEE 802.11協(xié)議

Abstract: The handover speed is always vital for the further development of Wireless Local Area Network (WLAN) which is enjoying fast growth. The Manageable Fast Handover(MFHO) mechanism was thus brought about based on a study of the IEEE standard 802.11 for WAN handover， in order to speed up the Access Point (AP) handover， meet different Quality of Service (QoS) requirements and ensure service continuity. Adopting the “make-before-break” switching operation， this technology enables the wireless APs to control and manage the handover traffic between two cells based on enhanced Inter Access Point Protocol (IAPP). Tests have been carried out to compare functions and performance of both the MFHO technology and handover using IAPP， with the former proved to have higher successful handover rates and better performance.

Key words:wireless communication technology; managed fast handover; wireless local area network; IEEE 802.11 protocol

近年來，移動(dòng)性需求越來越被人們所關(guān)注。移動(dòng)性是指移動(dòng)或者漫游的能力。無線局域網(wǎng)(WLAN)設(shè)備可提供無束縛的自由移動(dòng)性。WLAN利用無線通信技術(shù)在一定的局部范圍內(nèi)建立網(wǎng)絡(luò)，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它以無線多址信道作為傳輸媒介，提供傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)的功能，能夠使用戶真正實(shí)現(xiàn)隨時(shí)、隨地、隨意的寬帶網(wǎng)絡(luò)接入。

WLAN技術(shù)利用電磁波在空中發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，使網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)具有可移動(dòng)性，能快速、方便地解決有線方式不易實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)信道連通問題。IEEE無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)工作組的任務(wù)是研究數(shù)據(jù)速率1 Mb/s和2 Mb/s、工作在2.4 GHz開放頻段的無線設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的全球標(biāo)準(zhǔn)，IEEE于1997年6月公布了802.11協(xié)議，它是第一代無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之一。802.11協(xié)議物理層定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)特征和調(diào)制方式；媒體訪問控制層涉及空中接口通信協(xié)議等技術(shù)規(guī)范，包括切換部分的內(nèi)容。在隨后為了能有更高的數(shù)據(jù)通信帶寬、更多的功能和能促使無線局域網(wǎng)得到更快速的發(fā)展，IEEE工作組陸續(xù)推出了IEEE 802.11a/b/g協(xié)議。WLAN的移動(dòng)性能的提高無疑是WLAN得到迅速推廣的關(guān)鍵。

本文在分析目前采用的WLAN切換技術(shù)，即站點(diǎn)(STA)主動(dòng)切換技術(shù)，的基礎(chǔ)上，為了保證了切換的效率和安全性，提出了可管理快速切換(MFHO)技術(shù)。該技術(shù)可以通過兩種方法實(shí)現(xiàn)，即切換指示方法和切換申請(qǐng)方法。兩種切換方法都支持基于接入點(diǎn)(AP)/接入控制器(AC)的切換。

1 可管理快速切換方法在AP的實(shí)現(xiàn)

1.1 目前采用的WLAN切換技術(shù)

目前無線局域網(wǎng)系統(tǒng)大多遵循IEEE 802.11協(xié)議^[1]，并采用其定義的站點(diǎn)主動(dòng)切換技術(shù)，即在一個(gè)擴(kuò)展服務(wù)集(ESS)內(nèi)，STA根據(jù)空口信號(hào)質(zhì)量，選擇其中信號(hào)最強(qiáng)的AP為切換目標(biāo)接入點(diǎn)，如圖1所示。

而在接入點(diǎn)間漫游協(xié)議(IAPP)中，STA在同一ESS內(nèi)不同AP間的切換過程為^[2]：

(1)STA尋找到新的目標(biāo)AP，切斷與當(dāng)前AP的連接，并給目標(biāo)AP發(fā)送重連接請(qǐng)求。

(2)目標(biāo)AP與STA建立新的連接，給當(dāng)前AP發(fā)送切換通知，并更新二層路由。

(3)當(dāng)前AP接收到切換通知，通過分布式系統(tǒng)(DS)的安全通道轉(zhuǎn)移STA相關(guān)信息至目標(biāo)AP，并清除本地的STA相關(guān)信息。

(4)目標(biāo)AP接收到STA相關(guān)信息并存儲(chǔ)，STA切換至目標(biāo)AP。

上述切換通過連接或重連接(預(yù)認(rèn)證)過程完成，切換延時(shí)較長，對(duì)時(shí)延要求嚴(yán)格的業(yè)務(wù)在切換時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯中斷。在采用重連接過程進(jìn)行切換時(shí)，由于沒有對(duì)切換目標(biāo)AP進(jìn)行必要的安全認(rèn)證的過程，因此端站的切換過程缺乏安全性保證。隨意的STA主動(dòng)切換還會(huì)給負(fù)載均衡等優(yōu)化過程帶來不必要的困難。在上述切換中，AP缺乏對(duì)切換過程進(jìn)行有效控制和管理的機(jī)制，因此切換效率、服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求、安全性和優(yōu)化措施等都難以保證。

1.2 MFHO技術(shù)

考慮到目前采用的STA主動(dòng)切換技術(shù)存在的缺陷，本文提出了可管理快速切換(MFHO)技術(shù)，它將切換的控制權(quán)置于AP或AC端，且在用戶信息移植過程中可將用戶的多種信息，包括用戶標(biāo)志信息、安全信息、申請(qǐng)業(yè)務(wù)信息通過有線網(wǎng)絡(luò)的安全通道轉(zhuǎn)交給目標(biāo)AP，有力地保證了切換的效率和安全性，并可以支持不同QoS業(yè)務(wù)的切換要求，便于將來多種業(yè)務(wù)的擴(kuò)展。在MFHO技術(shù)中，STA在同一ESS下不同AP間的切換過程如下：

(1)STA上報(bào)無線空中接口環(huán)境信息(或者切換申請(qǐng))。

(2)AP/AC根據(jù)無線空中接口環(huán)境信息和DS信息，判斷切換是否發(fā)生。

(3)移植STA信息并更新二層路由。

(4)STA切換至目標(biāo)AP。

MFHO技術(shù)可以通過兩種空中接口方法實(shí)現(xiàn)，即切換指示方法和切換申請(qǐng)方法，兩者的不同之處在于前者STA是通過無線空中接口環(huán)境信息(圖2中用(1)標(biāo)志該方法流程)將STA的相關(guān)信息，如基本服務(wù)區(qū)域標(biāo)識(shí)(BSSID)、媒體訪問控制(MAC)地址、認(rèn)證狀態(tài)、加密模式、密鑰等通知給AP。后者是通過切換申請(qǐng)(圖2中用(2)標(biāo)志該方法流程)將STA的相關(guān)信息通知給AP。切換判決可以在AP上進(jìn)行，也可以在更上層的AC上進(jìn)行，并將判決結(jié)果通知AP。AP得到切換判決結(jié)果后向STA回復(fù)一個(gè)切換申請(qǐng)響應(yīng)或者指示一個(gè)切換通知，STA根據(jù)該信息切換到目標(biāo)AP。

MFHO切換技術(shù)與STA主動(dòng)切換技術(shù)相比較，STA主動(dòng)切換技術(shù)時(shí)延包括同步、重連接過程和二層路由更新過程，時(shí)延較大；MFHO切換技術(shù)時(shí)延則由同步、STA信息移植和二層路由更新三者中的最大時(shí)延決定，并且MFHO利用預(yù)授權(quán)和授權(quán)依賴技術(shù)，在切換前進(jìn)行AP和AC間的互認(rèn)證，并將某個(gè)AP對(duì)STA的授權(quán)擴(kuò)展至其他可信任AP，從而減少在切換過程中的認(rèn)證延時(shí)。STA主動(dòng)切換技術(shù)不考慮目標(biāo)AP的負(fù)載情況，容易造成STA在多個(gè)AP間的頻繁切換，致使切換效率降低，而MFHO切換技術(shù)由AP根據(jù)ESS內(nèi)負(fù)載分布情況，結(jié)合各AP的負(fù)載策略進(jìn)行切換判決，大大提高了切換成功率，同時(shí)也提供了避免頻繁切換的機(jī)制。STA主動(dòng)切換技術(shù)不提供對(duì)切換的安全保證機(jī)制。盡管在IAPP中，提出了基于遠(yuǎn)程撥號(hào)用戶認(rèn)證(RADIUS)的安全切換過程，但是效率低下的切換過程仍存在著被拒絕服務(wù)攻擊(DoS)的潛在威脅。MFHO切換技術(shù)可以利用有線網(wǎng)中的安全策略保證AP、AC間的相互認(rèn)證和授權(quán)，并在AP控制下保證STA的切換安全。

1.3 MFHO技術(shù)在AP的實(shí)現(xiàn)

在保證STA端對(duì)MFHO技術(shù)的支持下，MFHO技術(shù)在AP的實(shí)現(xiàn)流程(如圖2所示)如下：

(1)STA與當(dāng)前AP建立連接。

(2)當(dāng)前AP存儲(chǔ)所連接的STA的相關(guān)信息，以及當(dāng)前AP自身的負(fù)載信息和整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載信息。

(3)STA發(fā)送空中狀態(tài)變更通知或切換申請(qǐng)請(qǐng)求。

(4)當(dāng)前AP根據(jù)STA上報(bào)的無線空中接口環(huán)境信息(或者切換申請(qǐng))和DS信息，判斷切換是否發(fā)生。AP根據(jù)STA發(fā)來的空口環(huán)境更新通知或者切換申請(qǐng)，檢查目標(biāo)AP是否合法，并根據(jù)AP自身的負(fù)載信息以及當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)載信息來判決STA是否需要進(jìn)行切換，以及切換到哪個(gè)目標(biāo)AP(如果有多個(gè)目標(biāo)AP)。若當(dāng)前AP不同意切換則轉(zhuǎn)(5)；若當(dāng)前AP要求進(jìn)行切換則轉(zhuǎn)(6)。

(5)當(dāng)前AP不做任何處理或者給STA發(fā)送拒絕的切換申請(qǐng)響應(yīng)，切換結(jié)束。

(6)當(dāng)前AP將STA信息通過DS上的安全通道拷貝到目標(biāo)AP。

(7)目標(biāo)AP更新STA狀態(tài)為切換狀態(tài)。若STA信息成功移交則轉(zhuǎn)(10)。若信息移交失敗，則轉(zhuǎn)(8)。

(8)目標(biāo)AP給當(dāng)前AP發(fā)送失敗的移植響應(yīng)。

(9)當(dāng)前AP中止當(dāng)前切換，轉(zhuǎn)(5)。

(10)目標(biāo)AP給當(dāng)前AP發(fā)送成功的移植響應(yīng)。

(11)當(dāng)前AP收到確認(rèn)給STA發(fā)送切換指示或者允許的切換申請(qǐng)響應(yīng)，通知STA切換至目標(biāo)AP。

(12)當(dāng)前AP更新本地二層轉(zhuǎn)交表，變更STA在DS上的路由，并刪除本地的STA信息。

(13)當(dāng)前AP在DS內(nèi)發(fā)布二層設(shè)備前轉(zhuǎn)表更新廣播。

(14)目標(biāo)AP更新本地二層轉(zhuǎn)交表，更新STA在本地的狀態(tài)為已切換狀態(tài)。

(15)STA發(fā)送重連接請(qǐng)求接入目標(biāo)AP。

1.4 實(shí)驗(yàn)及性能分析

在室溫條件下，實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備如下：支持MFHO的ZTE W500A AP 2塊、支持MFHO的ZTE W500C無線網(wǎng)卡1塊、普通ZTE W500C無線網(wǎng)卡1塊、臺(tái)式PC 2臺(tái)(后臺(tái)配置AP兼空中接口抓包)、測(cè)試筆記本2臺(tái)(均可安裝無線網(wǎng)卡，一臺(tái)移動(dòng)測(cè)試，一臺(tái)實(shí)現(xiàn)空中接口監(jiān)視)。

MFHO技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。

兩個(gè)實(shí)現(xiàn)MFHO技術(shù)的AP設(shè)置為相同的擴(kuò)展服務(wù)區(qū)域標(biāo)識(shí)(ESSID)，即在同一ESS下，通過通信終端對(duì)AP運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)通過測(cè)試軟件Airopeek對(duì)空中通信進(jìn)行監(jiān)測(cè)。而STA側(cè)的筆記本則在兩個(gè)AP間實(shí)現(xiàn)切換，并對(duì)切換相關(guān)的事件時(shí)間進(jìn)行記錄。

1.4.1 切換成功率

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表明，基于AP的切換指示方法和基于AP的切換請(qǐng)求方法的MFHO技術(shù)的切換成功率分別為100%和95%(測(cè)試總次數(shù)為50次)。這里切換成功率是指STA使用重連接請(qǐng)求從當(dāng)前AP切換到目標(biāo)AP的成功次數(shù)占總次數(shù)的百分比。而基于IAPP的切換技術(shù)的切換成功率為90%(測(cè)試總次數(shù)為50次)。因此可以得知，MFHO技術(shù)切換成功率略高于基于IAPP的切換技術(shù)，這是因?yàn)镸FHO技術(shù)在STA切換過程中不僅依靠STA側(cè)提供的網(wǎng)絡(luò)信息，同時(shí)還依賴于AP側(cè)提供的網(wǎng)絡(luò)信息，充分利用了AP的判決作用，使得STA在發(fā)起重連接進(jìn)行切換的時(shí)候具有針對(duì)性和有效性，保證了切換成功率。

1.4.2 性能分析

在對(duì)性能進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候，分別從STA側(cè)以及空中進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，這樣可以保證測(cè)試記錄的數(shù)據(jù)是全面和可靠的。性能分析結(jié)果通過將MFHO技術(shù)的測(cè)試記錄與原有基于IAPP的切換技術(shù)的測(cè)試記錄進(jìn)行比較得到。

STA側(cè)記錄的數(shù)據(jù)分為以下3種情況：

(1)基于切換指示的MFHO切換過程，記錄了4個(gè)事件的時(shí)間戳，分別是STA發(fā)出最后一個(gè)空中接口通知的時(shí)間、STA收到切換指示的時(shí)間、STA發(fā)送重連接請(qǐng)求的時(shí)間、STA接收到重連接響應(yīng)的時(shí)間

(2)基于切換請(qǐng)求的MFHO切換過程，記錄了4個(gè)事件的時(shí)間戳，分別是STA發(fā)出最后一個(gè)切換請(qǐng)求的時(shí)間、STA收到切換響應(yīng)的時(shí)間、STA發(fā)送重連接請(qǐng)求的時(shí)間、STA接收到重連接響應(yīng)的時(shí)間。

(3)基于IAPP的切換過程，記錄了3個(gè)事件的時(shí)間戳，分別是STA在背景掃描后發(fā)現(xiàn)信號(hào)更強(qiáng)的目標(biāo)AP并切斷當(dāng)前連接決定進(jìn)行切換的時(shí)間、STA發(fā)送重連接請(qǐng)求的時(shí)間、STA接收到重連接響應(yīng)的時(shí)間。

對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

由此可以得到以下結(jié)論：

(1)基于切換指示的MFHO技術(shù)比基于切換請(qǐng)求的MFHO技術(shù)切換前處理所用的時(shí)間要少，其中包括移植用戶信息的時(shí)間。

(2)由于信息移植在切換前已經(jīng)完成，因此從理論上分析無論哪種方式的MFHO技術(shù)其對(duì)重連接請(qǐng)求的處理都是一樣的，因此這部分的時(shí)間相差不大。在基于IAPP的切換過程中，目標(biāo)AP需要在切換后從當(dāng)前AP獲取用戶信息，因此切換處理延時(shí)應(yīng)較長。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。

(3)MFHO切換技術(shù)在基于切換指示和基于切換請(qǐng)求的方式下造成的平均切換延時(shí)分別為53.16 ms、56.40 ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于基于IAPP切換技術(shù)132.36 ms的切換延時(shí)。MFHO在切換性能方面同樣優(yōu)于基于IAPP的切換技術(shù)。這是由于MFHO在切換前就進(jìn)行了包括用戶信息移植在內(nèi)的大部分處理，降低了切換過程對(duì)業(yè)務(wù)的影響。這對(duì)于多媒體業(yè)務(wù)，如語音和實(shí)時(shí)圖像業(yè)務(wù)等非常有利。

2 結(jié)論與展望

通過實(shí)驗(yàn)可得到以下結(jié)論，MFHO技術(shù)在AP可實(shí)現(xiàn)，并且該技術(shù)斷開當(dāng)前連接到建立新的連接的時(shí)間比基于IAPP的切換技術(shù)所用時(shí)間少，保證業(yè)務(wù)連續(xù)性好，可靠性高。MFHO技術(shù)在發(fā)起新的連接前，已經(jīng)將用戶信息移植到目標(biāo)AP上，重連接過程不需要重新認(rèn)證(在測(cè)試中，STA未采用任何認(rèn)證方法)，因此，MFHO技術(shù)比基于IAPP的切換技術(shù)要快捷一些。若是在復(fù)雜認(rèn)證環(huán)境下，基于IAPP的切換技術(shù)在重連接過程中重新認(rèn)證花費(fèi)的時(shí)間將更長，而MFHO技術(shù)則不需要進(jìn)行重新認(rèn)證，使得MFHO技術(shù)在切換過程中體現(xiàn)出來的優(yōu)勢(shì)將更明顯^[3-5]。

MFHO技術(shù)在AP的實(shí)現(xiàn)還可以進(jìn)行以下改進(jìn)：對(duì)MFHO技術(shù)的AP側(cè)處理應(yīng)進(jìn)一步簡化，盡量減少處理時(shí)間；AP進(jìn)行切換時(shí)的判決策略需要進(jìn)一步優(yōu)化，并考慮基于AC的MFHO技術(shù)在AP實(shí)現(xiàn)的情況。

3 參考文獻(xiàn)

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[5] 王文博， 鄭侃. 寬帶無線通信OFDM技術(shù)[M]. 北京:人民郵電出版社， 2003.

收稿日期：2006-06-09

作 者 簡 介

高音，西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院畢業(yè)，碩士。現(xiàn)在中興通訊股份有限公司移動(dòng)事業(yè)部從事3G通信技術(shù)的研究。

李杰，西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院畢業(yè)，碩士。現(xiàn)在中興通訊股份有限公司移動(dòng)事業(yè)部從事無線局域網(wǎng)MAC技術(shù)的研究。