Wi-Fi網絡資源管理分析與研究

彭 程，霍中杰

（中國信息通信研究院，北京 100191）

1 引言

近年來，Wi-Fi網絡快速發展。越來越多的公共場所例如大型商場、飛機場、火車站、體育場等都部署了大量的無線接入點。人們在享受Wi-Fi網絡所帶來的便利同時也對Wi-Fi的網絡質量提出了更高的要求。在一些特殊情況例如人員密集場景下，Wi-Fi的用戶體驗會出現斷崖式下降。例如頻段接入用戶過多導致網絡擁塞、無線接入點負載過大導致系統崩潰，僵尸設備過多導致網絡效率下降等。近年來，增強Wi-Fi網絡資源管理，以及提升網絡效率及用戶滿意度已成為設備廠商及運營商的發展目標。同時，Wi-Fi聯盟基于802.11k，v，r標準推出了Multiband Operations-Optimized Connectivity（簡稱MBO）項目來技術來提升網絡質量。其主要聚焦于動態的網絡監控，智能化的網絡控制以及快速的網絡漫游。

2 動態網絡監測

動態網絡監測指無線接入點與客戶端能夠在當前環境中動態交互網絡信息。在MBO中，無線終端可以告知無線AP其不愿接入的信道。例如由于一些硬件或者法規的限制，避免接入的信道或者一些外部干擾過于嚴重需要躲避的信道。此信息可以包含在關聯或重關聯的管理幀中。無線接入點不會引導無線終端接入其最新更新的非首選信道。同時，MBO使用了802.11k中的beacon request/report機制。此機制主要分為三種模式。主動模式下，終端在所有信道發送probe request，并設置時鐘計時器（通常為20-50ms）。從計時器開始計時到結束時，收集所有AP回復的probe response。此段時間內，將所有接收到的關于無線接入點的信息例如SSID，信號強度，BSSID等編制到beacon report中。在被動模式下，終端在時鐘計時器內監聽指定信道的Beacon，probe response幀，并將其編制到Beacon report中。在列表模式中，終端只存儲其關注的Beacon及BSSID的信息，客戶端測量Beacon信息并返回報告。不再執行任何額外的測量。所有模式下，客戶端都需要返回每個檢測到的AP的信道，基本服務標識（BSSID）以及幀的信號強度。在主動和被動模式下，AP也可以要求客戶端告知其特有信息如服務集標識符，移動域，MBO字段以及其他元素。

3 鄰居報告

客戶端可以請求802.11k鄰居報告。該報告中包含所有已知AP的優先列表。在MBO中，鄰居報告主要以802.11u的ANQP協議以及802.11v的BTM協議實現。基于ANQP的鄰居報告允許客戶端在關聯AP之前，發送ANQP請求獲取鄰居信息，以便幫助客戶端選擇最佳的AP。在MBO中，對ANQP鄰居報告進行了擴展，加入了每個AP的首選值（255位最高，0為最低）。基于BTM協議的鄰居請求允許客戶端設備從其服務AP請求鄰居報告信息，同時能夠幫助客戶端在漫游時選擇最佳AP。通常情況下客戶端發送BTM查詢，請求得到鄰居報告。AP通過BTM request將鄰居報告發送給客戶端。客戶端以BTM response回復。

4 智能網絡控制

MBO能夠使得客戶端在任意時刻能夠選擇最佳的頻段、信道以及無線接入點接入網絡。當AP與客戶端交換信息時，雙方都能夠了解到當前的網絡狀況，從而能夠幫助網絡管理員提升網絡質量。BTM協議用于Wi-Fi網絡間的調度，能夠為客戶端提供相應指導。通常情況下，AP會在以下三種情況下自動發送BTM request告知客戶端調度請求。第一種情況下，AP發現網絡情況不佳例如頻段內用戶過多導致網絡擁塞，或者AP接入用戶過多導致CPU使用率過高，設備過熱等情況。第二種情況為AP發現過多僵尸終端。例如客戶端已經遠離服務范圍但仍然保有不必要的連接。第三種情況為AP所提供的網絡服務會暫時中斷，例如設備需要重新啟動，頻段信道將會切換等。需要客戶端跳轉至其他網絡設備繼續享有服務。在以上三種情況下，客戶端會收到AP發出的BTM request指出其網絡連接將會中斷。客戶端根據之前收到的鄰居報告決定后續的動作。如果鄰居報告中推薦同一網絡的某一AP，則客戶端在計時器規定時間內中斷與原有AP的連接，之后跳轉至網絡中的其他無線路由器。如果客戶端收到的鄰居報告中顯示同一網絡中其他無其他AP，鄰居報告提示需要跳轉至其他網絡或切換至蜂窩網絡。客戶端會收到建議信息，最終由用戶決定后續操作。

5 快速漫游

為了提高用戶在移動過程中的上網體驗，MBO中使用了802.11r快速漫游機制，使其能夠加快在WPA2安全機制下的身份驗證速度。客戶端在擴展服務集內的某一AP漫游到另一AP時，不需要通過Radius服務器進行重新認證。此功能能夠加快連接速度從而極大地提升了用戶體驗。FT特性添加了一種新的安全密鑰派生方法，客戶端在完成初始連接后，可以與ESS中的其他AP交換新的安全元素。在完成802.11身份驗證和重新關聯步驟后，就能夠完成與新AP的連接，從而避免了傳統802.11x完整EAP過程導致的網絡延遲，提升來了客戶端漫游的速度。

6 結束語

智能化的資源管理是未來Wi-Fi網絡發展的重要方向。在其核心領域包括頻譜資源的合理應用，自適應化的負載均衡，覆蓋區域間的快速漫游等。同時利用現有IEEE標準802.11k，802.11v和802.11r標準的MBO技術正在將這個設想變為現實。相信未來Wi-Fi網絡一定能夠帶給人們更佳優異的用戶體驗，成為移動互聯網中不可或缺的組成部分。