共享WiFi系統中MAC層快速切換方案的研究與實現

邢毓華，余紅慶

(西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048 )

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共享WiFi系統中MAC層快速切換方案的研究與實現

邢毓華，余紅慶

(西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048 )

基于IEEE 802.11協議的無線局域網(WLAN)能夠為無線多媒體應用提供足夠的帶寬，由于無線接入點AP(Access Point)發射功率受限，其服務覆蓋范圍也因此受限，這使得終端在移動過程中需要在不同AP之間頻繁地切換，由此帶來的時延嚴重影響了無線多媒體應用的服務質量。因此，提出一種基于信道掩碼和優先級的選擇掃描策略和選擇性鄰居圖緩存算法，增大了命中緩存的概率，減少了掃描的信道數量和系統信令開銷。仿真結果表明，該切換方案可以有效降低移動節點MN(Mobile Node)在共享WiFi(Wireless Fidelity)系統中不同AP間的切換時延，滿足了無線多媒體業務(如VoIP)的傳輸要求。

無線局域網；切換時延；選擇性鄰居圖

0 引言

目前主流的無線通信接入技術中，基于IEEE 802.11的WiFi技術因其覆蓋范圍廣、傳輸速率快、架設簡便而成為事實上的近距離無線通信的通用標準。為了便于用戶隨時隨地訪問網絡和無縫漫游，本文提出了一種通過共享無線AP來組建共享WiFi系統的構思，進而解決MN在移動管理方面出現的切換延時問題。

1 系統方案介紹

圖1描述了基于IEEE 802.11協議的WLAN中WiFi移動切換的一般結構，該網絡由移動節點MN、無線接入點AP和分配系統(Distribution System，DS)組成。MN可以在不同的AP射頻區域之間移動，每個AP及其關聯的MN形成基本服務集(Basic Service Set，BSS)，BSS覆蓋范圍約為100～400 m，要滿足更大覆蓋范圍的要求則需要將AP通過DS(包括路由器、交換機等設備)連接形成擴展服務集(Extended Service Set，ESS)。雖然WiFi網絡能夠提供足夠高的帶寬，實際使用場景下AP服務范圍的限制會決定MN將在不同AP之間頻繁切換。有研究[1]表明AP間的切換時延可達到幾百毫秒，這無法滿足實時多媒體應用的性能要求，因此如何降低切換延時是移動端切換管理的熱點研究方向。

圖1 WLAN中移動切換的典型體系結構

在WLAN中，MN的移動形式有兩種：鏈路層移動和網絡層移動。前者只會改變MN的MAC地址，網絡前綴不變；后者會導致MAC地址和網絡前綴都發生變化。而無線AP又分為Fit AP和Fat AP，前者一般是運營商搭建的AP，功能相對單一，一般只能配合無線控制器使用，后者是用戶自己搭建的AP，它將WLAN的數據加密、用戶認證、漫游、服務質量等應用層功能集于一體。本方案中主要探討MN在同一個路由器下的不同Fat AP之間的鏈路層移動的軟切換延時問題。

在總結前人研究成果[2-4]的基礎之上，本文根據實際的共享WiFi場景對信道掃描過程進行優化，通過信道掩碼和優先級相結合的策略可有效減少掃描信道數，在此基礎上提出一種選擇性鄰居圖緩存算法，并對接收信號強度、用戶負載和歷史接入數據進行加權后，過濾掉一些鄰居信息，把精簡的鄰居圖信息緩存到MN，一旦緩存命中，即可進入認證和重關聯環節，明顯降低MAC層切換的時延。

2 MAC層切換機制分析

無線局域網中WiFi網絡的切換是指移動端MN從當前AP的射頻覆蓋范圍內離開并進入另一個AP服務區域的過程，即MN先斷開與舊AP的連接，再與新AP建立連接。此次過程包含了終端與所連接過AP之間的一系列掃描、認證和重關聯等信息的交換。目前IEEE802.11標準主要還是采用這種硬切換方式，而在一次硬切換過程中，除了MN與AP之間會交換相關管理信息外，在這期間的數據通信將被中斷，這個中斷時間就是切換時延。

IEEE 802.11中規定了兩種掃描方式:

(1) 被動掃描：AP定期廣播一個信標幀，MN監聽每個信道上的信標幀，通過信標幀來發現AP，并由信標幀的信息(如RSSI)決定切換AP，由于在每個信道上需要停留至少一個信標幀間隔時間，被動掃描時間為

Tscan=nTBeaconInterval+nTChannelSwitchTime

(1)

信標幀間隔時間TBeaconInterval默認為100 ms，在全掃描信道的情況下(n=13)需要花費至少1 300 ms的時間完成整個過程，顯然該模式不適合實時性要求較高的無線多媒體業務(ITU-T的G.114建議VoIP等實時語音業務單向時延在150 ms以內)。

(2) 主動掃描：MN廣播一個探測Probe幀，位于這個MN無線信號服務范圍內的任一個AP都會回應一個探尋Response幀，以此來獲取當前可用的APs。整個探測時間和掃描時間分別為

nTMinChannelTime≤Tprobe≤nTMaxChannelTime

(2)

Tscan=Tprobe+nTChannelSwitchTime

(3)

最小信道駐留時間TMinChannelTime取值一般為1～7 ms，最大信道駐留時間TMaxChannelTime的取值一般是11～20 ms， 信道切換時間TChannelSwitchTime一般為5 ms，當TMinChannelTime取5 ms，TMaxChannelTime取11 ms時，Tprobe取值在65～143 ms之間。整個主動掃描耗時Tscan為Tprobe與n個信道跳轉時間TChannelSwitchTime之和，約為100 ms～250 ms。相比之下被動掃描的切換時延更大，本系統中決定使用主動掃描方式。MN歷經掃描、認證和重關聯這三個階段之后即完成了MAC層切換，而掃描時延占據整個切換延時的絕大部分，因此國內外學者一直致力于解決如何有效降低該部分的時延。

2.1 掃描階段

當RSSI降低時，MN進入掃描狀態并廣播一個探測Probe幀，搜尋可用APs。若在MN歷時TMinChannelTime后沒有收到其他AP的應答幀，則切換下一個信道來掃描；反之，等待其他應答消息，直到TMaxChannelTime，掃描下一個信道，直到所有信道被掃描完為止。這個階段的時延約占整個MAC層切換時延的90%[1]。

2.2 認證階段

掃描搜尋AP結束后，MN根據算法從列表中選擇一個最優的AP進行切換，隨后進入認證環節。MN會發送相關認證請求幀給新的AP，新AP將信息上交給后臺服務器處理之后再將認證結果返回。該階段消耗的時間為認證時延，可忽略不計。

2.3 重關聯階段

MN經過認證以后就進入重關聯階段。先由MN發送重關聯請求幀到新AP，新AP收到此幀后與舊AP使用IAPP協議交換MN的狀態信息，然后向MN發送重關聯響應幀。該階段時延為重關聯時延，受IAPP協議的影響很大。

3 MAC層的切換算法研究

3.1 減少掃描信道數

由上節對MAC層切換機制的分析可知，減少掃描時延將會有效改善MAC層切換性能。由式(2)、式(3)可知，當信道切換時間忽略不計時，決定掃描時延的關鍵因素是掃描信道數和信道駐留時間。根據802.11b工作頻段的信道劃分特征，本文提出了一種基于信道掩碼和優先級相結合的選擇掃描信道方案，其步驟如下：

(1) MN準備接入WLAN時，搜索所有可能的信道，并對當前接入的信道和收到掃描響應幀的AP的信道標志位置1，其余為0；

(2) 當MN移動觸發掃描門限時，先掃描工作頻段中1、6、11三個優先級高的子信道，并把新掃描到的AP所在信道的標志位置1，離開MN服務區域的AP則清零；

(3) 當在這3個指定信道中沒有發現可用AP時，再掃描其他標志位為1的信道；

(4) 若仍沒有掃描到可用AP，就使用全信道掃描策略掃描所有信道。

經驗證，該方案中信道掩碼和信道優先級相結合的策略能明顯地減少掃描過程中的信道數，從搜尋結果中剔除掉沒有AP布置的信道，的確降低了切換過程第一個階段的時延，但僅僅依賴信道選擇性掃描算法仍不能明顯改善MN的切換性能。

3.2 鄰居圖緩存算法

共享WiFi系統中通過多個Fat AP的簡單拓撲模擬一般用戶使用的場景，其射頻區域總是有相互重疊的部分，系統中搭建一個后臺服務器，用于管理控制整個切換過程。具體方案如下：

(1) 系統中每個自建AP加入時，都會上傳信息到認證服務器上，包括：AP的MAC地址、發射功率、工作的信道、所在BSS的ID、IP地址以及其射頻覆蓋半徑R，當MN通過Android客戶端軟件接入該AP后，會把BSSID、接收信號強度RSSI、MAC地址和IP地址上傳給后臺服務器，同時也會把MN的定位信息等效為AP的位置信息進行上傳。

(2) 通過上傳的位置信息及覆蓋半徑，服務器可以生成系統的所有AP區域圖，共有AP1～AP7。服務器根據區域圖計算每一個關聯AP的鄰居圖，任意兩個有重疊覆蓋區域的AP就是鄰居，再根據AP的局域圖得到當前連接AP1的鄰居圖(AP4因為與AP1沒有重疊區域而被剔除，如圖2所示)。

圖2 AP鄰居圖

(3) 服務器根據MN上傳的信息，綜合信號強度RSSI、用戶負載UL和歷史切換數據N計算鄰居信息的權重W(λ，η，θ)，并從大到小進行排序，同時設置閾值δ，權重值小于δ的鄰居將被移除鄰居圖，AP5、AP6和AP7的接入權重小于閾值δ就不必掃描，MN只將選擇后的鄰居圖信息(鄰居AP的BSSID、所使用的信道等)保存在本地緩存中，即AP1、AP2和AP3。

(4) 當MN移動而觸發切換時，MN會從緩存在本地的鄰居圖中得到當前AP的周圍鄰居信息。此時MN根據這些鄰居的信道掩碼進行選擇性掃描，接入到新的AP。

(5) 接入新AP后MN將接入信息傳給后臺，服務器重新計算鄰居信息權重，MN再次獲得服務器返回的新AP的鄰居信息，該信息依然保存到本地，替代原有的鄰居信息。下一次MN再觸發時會依據新緩存的信息來掃描和切換。

由于選擇性鄰居圖緩存算法是在選擇性信道掃描算法的基礎上，根據鄰居的信息權重又做了一次優化，這樣可以保證MN在移動切換時的低信令開銷和低切換延時。

4 系統設計與測試

4.1 系統設計

本文WiFi共享系統基于C/S模式由移動終端MN、無線接入點APs和服務器三部分構成。MN客戶端軟件基于安卓平臺開發，開發環境為Eclipse，主要完成上傳信息、信道掃描和AP切換連接等功能；服務器端搭建在Tomcat上，數據庫采用MySQL，主要完成預認證、信道標識、鄰居圖選擇優化、下發連接消息等功能。

Android在無線網絡管理和控制方面直接使用了開源的wpa_supplicant，所有Framework層中與WiFi相關的操作都由wpa_supplicant實現。wpa_supplicant是一個工作站對無線網絡進行管理和控制的開源軟件項目[5]，完全支持WPA和WPA2，包括PMKSA緩存、預認證等功能。WiFi接入點的相關信息在MN注冊時會上傳給服務器，服務器根據上述信息將通過算法優化后的最終鄰居圖列表緩存到MN本地，MN掃描找到最優AP并完成接入。

4.2 系統測試

(1) 移動節點MN登錄客戶端并連接AP，打開PC啟動Wireshark實時過濾并抓包；

(2) 移動節點MN開啟實時性應用(如視頻聊天)進行通信，并從當前AP向鄰居AP緩慢移動進行切換，MN緩存處理后的鄰居圖信息；

(3) 在新舊AP切換前后對Wireshark的抓包記錄進行數據中斷分析，通過多次統計新AP上第一個包到達時間減去舊AP上最后一個包發出時間，切換時延可控制在50 ms以內。

5 結論

隨著無線網絡和多媒體實時應用的快速發展，如何解決在共享WiFi系統中MAC切換的時延問題具有重要的應用價值。基于上述需求本文分析了切換的機制和時延的成因，提出的信道掃描策略和選擇性鄰居圖緩存算法，減少了掃描信道數和系統信令開銷，增大了命中緩存的概率，有效縮短了切換時延，對實時應用的服務質量有明顯提升；但由于目前實驗的條件限制，沒有考慮到復雜業務、高網絡負荷等情況，故還需進一步研究。

[1] MISHRA A,SHIN M,ARBAUGH W. An empirical analysis of the IEEE802.11 MAC layer handoff process[J]. ACM Computer Communications Review, 2003, 33(2):93-102.

[2] MUSTAFA N, MAHMOOD W, CHAUDHRY A A, et al. Pre-scanning and dynamic caching for fast handoff at MAC layer in IEEE 802.11 wireless LANs[C]. MASS 2005 Workshop, 2005: 7-10.

[3] 王忠峰，董雯霞，陳慶春,等.一種減小IEEE 802.11b WLANs中MAC層切換時延的方法[C]. 第十二屆全國青年通信學術會議, 2007:783-788.

[4] SHIN M, MISHRA A, ARBAUGH W. Improving the latency of 802.11 handoffs using neighbor graphs[C]. Proceedings of ACM Mobile Systems, 2004:70-83.

[5] 鄧凡平. 深入理解Android-WiFi、NFC、GPS卷[M]. 北京：機械工業出版社，2014.

Research and implementation of the MAC layer fast handoff scheme in sharing WiFi system

Xing Yuhua, Yu Hongqing

(Faculty of Automation and Information Engineering, Xi'an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Wireless local area network (WLAN) based on IEEE 802.11 protocols can provide sufficient bandwidth for wireless multimedia applications, since the AP transmit power is limited, its service coverage also limited, which makes the terminal switch frequently between different APs, and the latency of handoff which is caused by the mobility of the MN affects the quality of service of wireless multimedia applications. Therefore, in this paper we propose the selective scan strategy and selective neighbor graph caching algorithm based on the channel mask and switching priority to increase the probability of hitting the cache and reduce the number of channels and system signaling overhead scanning. The simulation results indicate that the handoff mechanism can effectively reduce the handoff latency of mobile node between different APs in Sharing WiFi Platform, and meet the wireless multimedia services (such as VoIP) transmission requirements.

WLAN; handoff latency; selective neighbor graph

TP393.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.005

邢毓華，余紅慶.共享WiFi系統中MAC層快速切換方案的研究與實現[J].微型機與應用，2017,36(13)：13-15,18.

2017-02-07)

邢毓華(1966-)，男，碩士，副教授，主要研究方向：物聯網通信技術和分布式光伏發電系統理論與技術。

余紅慶(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向：物聯網通信技術和WiFi切換研究。