【摘要】文章分析了传统的IEEE802.11切换过程,在此基础上提出了一种基于背景扫描的快速切换方案,设计了带有切换门限和扫描门限的切换决策算法,保证切换决策的可靠性和切换过程的有效性,并且直接使用VoIP应用来测试切换方案的性能。实验结果表明,本方案能将实际的切换时延降至70ms左右,很好地保证了实时性服务的质量。
【关键词】WiFi IEEE802.11 切换 背景扫描 AP
1 引言
随着WLAN的普及和VoIP技术的迅速发展,人们越来越关注将两者结合起来,以便能在单一的终端设备上随时随地上网和通话。这就是VoWLAN(Voice over WLAN)——在IP上实现移动的语音和数据连接。它可以利用现有的WLAN网络实现无线的VoIP通话,人们通过它可以随时访问语音、E-mail和其他已连的网络资源,这样不仅提高了网络资源的利用率,而且降低了每次电话呼叫的成本。VoWLAN技术的最大潜在市场在于将其整合到移动设备中,打造出可以无缝地接入现有的宽带数据网络和IP电话网络、支持语音和数据业务的综合数字终端。
然而,目前的VoWLAN的解决方案都是不可靠、而且不够完善的。这在很大程度上是由于IEEE802.11网络自身的不足所造成的。当前主流的IEEE802.11标准——WiFi对于语音的QoS、安全性和漫游并没有很好的支持,尤其工作站在AP间跨区切换方面,语音信号对传输延时要求极高,而较高的切换时延对语音业务的QoS造成了一定的影响。
本文就针对基于IEEE802.11协议的无线局域网,以WiFi为代表,对于网络中AP间切换的问题,在传统的数据链路层切换方案上进行研究,提出了一种快速切换方案,并且在移动终端上实现了该方案。
2 解决方案
考虑到切换过程中由于扫描信道带来的巨大延时,结合VirtualWiFi和MultiRadios中的思想,在实现切换的时候,我们引入了背景扫描的思想,在此基础上可以对切换过程进行有效的改进——在工作站发起切换决策之前进行预扫描,将获取的AP信息缓存。同时在工作站正常通信的过程中,实时地监测当前AP的连接状况,根据切换算法做出判断,确保切换发起的必要性和可靠性。
2.1 背景扫描
传统的IEEE802.11网络切换策略的最显著的缺陷在于其采用的是“先断后连”的思想,即切换过程发起时,工作站先从当前AP断开,然后才开始正常切换的过程。大量研究表明,许多相关的工作可以在平时正常通信的时候进行。有鉴于此,本方案中采取了背景扫描的策略,在发起切换决策之前,利用网络的空闲做一个预扫描,将获取的AP信息缓存起来,从而避免在切换发起后扫描获取AP信息过程所带来的巨大延时;当工作站决定发起切换时,只需要从缓存中提取AP信息即可。
在扫描方式的选择上,采用了主动扫描和被动扫描相结合的方式。主动扫描方式由工作站发起请求信号,等待AP回应,一般情况下耗时小,但是需要工作站和AP之间的互动。如果网络状况不好,请求信号在信道上与别的信号发生碰撞,导致没有成功地被AP接收或是AP的回复信号由于各种原因没有能够及时地送达工作站,此时主动扫描就难以很好地获取AP信息,从而影响整个切换过程。被动扫描的情况恰好相反,在网络负荷轻的情况下,被动扫描没有优势;而在网络繁忙时,它不需要发送请求消息,也就没有信号碰撞的风险,同样能获得AP的信息。图1显示了切换状态的转换:
2.2 切换决策
扫描门限作为触发扫描的一个信号,其意义在于划分出保证服务质量的可靠范围,即若接收信号强度在扫描门限以上,可以认为用户的通信能得到很好的保障。扫描门限通常选取一个根据使用的网卡接口和具体的AP参数确定的经验值。对于单一门限的切换算法,扫描门限同时也是切换触发门限,这就意味着扫描门限的确定必须经过很好的权衡,过于宽松,则提供给用户的服务质量不能保证;过于敏感,则将可能导致频繁地触发切换,耗费系统的资源。在本文的方案中,因为有后续的切换决策算法的存在,扫描门限不能直接触发切换过程,所以避免了由于扫描门限设置不当或是具体硬件设施改变而频繁地触发切换过程。
首先预设最大扫描次数MaxScan_Number和决策触发次数Decision_Number,用于决策过程中的判定。然后进行预扫描过程获取工作站周围的AP信号强度(RSSI)的列表,对于信号强度特别微弱的AP(本文中设为小于-70dBm),认为基本不可用,从AP列表中剔除;对列表中剩余的AP计算出其信号强度均值RSSI_Average。结合扫描的次数,对每次扫描获得的AP信号强度均值再求均值,以此来作为判断当前AP接收信号强度优劣的门限值handoff_threshold。这一切换门限值代表当前环境中AP信号强度的一般水平,可以客观地反映当前工作站所在的无线环境的状况,作为对当前AP接收信号强度的基本要求。此外,由于工作站的移动,或者其他因素导致所处无线环境发生变化时,这个门限值能够实时地调整,保证对当前AP信号判断的准确性。
在本文的切换决策方案中,除了设定扫描门限和切换门限,还设置了两个计数器:扫描计数器和监视计数器。每次扫描都将触发扫描计数器计数,若当前AP信号强度低于切换门限,工作站并不立刻发起切换,而是启动计数器,间隔一段时间后再次监测AP信号强度。在预先设定的扫描次数MaxScan_Number内,若当前AP信号强度低于此门限值的次数达到预先设定的数值Decision_Number,可以认为当前AP的信号强度有较明显的持续衰弱趋势,此时工作站将发起切换。图2给出了整个切换决策的流程。
切换决策的算法描述如下:
(1)扫描,更新AP列表,扫描计数器scancount加1;
(2)排除AP列表中信号强度微弱的AP后,求出单次扫描AP列表的接收信号强度均值RSSI_Average,储存;
(3)根据扫描次数求出RSSI_Average的均值,设为handoff_threshold;
(4)判读当前信号强度RSSI_Current (5)当decisioncount=Decision_Number时,跳出扫描,执行切换过程;若不足则进行下一步; (6)判断扫描计数器scancount,若scancount=MaxScan_Number,清零,结束扫描,不执行切换;否则等待一定时间后转至1。 2.3 AP选取 通常在选择目标AP时,以信号强度作为最主要的依据。在切换决策的过程中,工作站已经保存了周围AP的相关信息。每次扫描计数器计数时,排序算法都会将周围AP的RSSI值进行优先级排序,排序的指标包括AP的RSSI均值、方差以及是否处于增长状态等等;同时考虑到尽量减小切换时延,对和当前AP在同一频道上的AP有优先选择权,因为选择同一个频道上的AP意味着可以省去频道切换的时间(大约5ms～10ms)。切换时将根据排序选取最优的AP作为目标AP。 本文的AP选择方案具有开放性,用户可以根据实际情况,综合考虑其它指标,包括传输速率、保密状况以及加密方式等等。 3 切换方案实现 3.1 实验需求 本文的切换方案实现中,首先需要IEEE802.11无线网络接入的相关设备,包括工作站上支持802.11网络的无线网卡;同时需要多个AP组成的网络,使得工作站在移动过程中能够进行切换。此外实验中还需要提供VoIP服务的实时语音通信软件,以及用于解析切换过程的网络数据包分析工具。 3.2 软硬件配置 本文设计的方案在Windows平台上实现,需要NDIS5.1或以上的版本支持。方案的实现和分析依赖两个重要软件AudioChat和WireShark。其中,AudioChat是香港城市大学AnyServer项目组开发的基于UDP的点对点即时通信软件。WireShark(又称Ethereal),是一个著名的网络数据包分析软件,它可以获取网络数据包,并尽可能显示出最为详细的网络包的数据。(Ethereal最初是在GNU GPL通用许可证的保障范围下开发出来的,使用者可以免费取得软件与其程序代码,并拥有针对其原始码修改及客制化的权利。) 为了能够完全获取工作站切换时的数据包,需要将运行WireShark的计算机的无线接口设为混杂模式。所谓混杂模式就是指网卡能接收所有通过它的数据流,而不管是何种格式或地址,具体的地址转发则是在接收到数据后由MAC层来进行。无线网卡设置为混杂模式后,可以截获无线环境下的数据包供WireShark分析。实验中采用的硬件如表1所示。 3.3 实验结果及分析 用户A工作站当前关联上AP1(IP地址为192.168.1.71),通过用户A与用户B的语音通话数据传输来测试切换服务的质量。首先用户A工作站从AP1向着AP2(IP地址为192.168.1.90)移动,根据切换算法,工作站将产生一次从AP1到AP2的切换。这个过程中,用户A始终与用户B进行语音通话。而用户C作为侦听者,利用设为混杂模式的无线网卡,结合WireShark软件获取整个过程中的数据包并进行分析。 整个切换过程发生在标号为458和462的数据帧之间,在458号帧前,用户A的语音数据通过连接NetgearA发送与接收,用户B接收到的语音数据包(UDP)的源端IP地址和MAC地址分别是192.168.1.71和00-1E-2A-6A-35-9A。而在462号帧后,用户A转为连接NetgearB继续与用户B进行语音通信,用户B接收到的语音数据帧的源端IP地址和MAC地址分别是192.168.1.71和00-1E-2A-6A-35-9A。从458号和462号数据帧到达时间可以看出,本次切换时间约为62ms,以通常20ms一个语音帧计算,有3个语音帧丢失,而实验的通话效果也证实了切换的时延在数十毫秒的数量级。 为了充分测试切换方案的性能,我们使工作站在AP1和AP2的覆盖范围之间来回移动,这将触发多次切换。一共触发20次切换,通过切换过程中数据帧的分析可知,平均切换时延为68ms。作为比较,我们实现了10次IEEE802.11传统切换,图3给出了两组数据的对比。可以看到,本文中的切换方案要明显优于传统的IEEE802.11切换方案。 参考文献 [1]IEEE Std 802.11b-1999. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications:Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band[S]. [2]刘乃安. 无线局域网(WLAN)——原理、技术与应用[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社,2004. [3]Matthew S.Gast. 802.11 Wireless Networks-The Definitive Guide[M]. O’Reilly,2002. [4]金纯,陈林星,杨吉云. IEEE802.11无线局域网[M]. 北京: 电子工业出版社,2004. [5]IEEE Std 802.3-2000. Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications[S]. [6]Timo Halonen, Javier Romero, Juan Melero. GSM,GPRS and EDGE Performance[M]. John Wiley&Sons Ltd,2003.★ 【作者简介】 顾正宜:工程师,上海交通大学电子与通信工程在读硕士。现任职于中铁上海设计院集团有限公司,从事城市轨道交通、铁路及各大通信运营商通信系统设计,主要为上海6、7、9、13、21号轨道交通线进行通信系统设计。
