CN101141335A - 基于用户终端的快速越区切换的方法和设备 - Google Patents

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CN101141335A CNA2006101261911A CN200610126191A CN101141335A CN 101141335 A CN101141335 A CN 101141335A CN A2006101261911 A CNA2006101261911 A CN A2006101261911A CN 200610126191 A CN200610126191 A CN 200610126191A CN 101141335 A CN101141335 A CN 101141335A
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Abstract

一种基于用户终端的快速越区切换的方法和设备。用户终端建立邻居组列表，其中可能的邻居接入点被分为一个或多个组。需要准备越区切换时，用户终端在不断开与当前服务接入点的连接情况下，根据邻居组列表，间歇性地执行多个断开前探测子阶段。在每个断开前探测子阶段中，通过主动探测的方式探测一个组内的邻居接入点的信号质量。用户终端根据探测到的邻居接入点的信号质量，有选择地执行越区切换。用户终端可以基于利用重叠信道扫描获得的邻居接入点信息或者从服务接入点接收的邻居接入点信息来建立邻居组列表。属于同一组的邻居接入点工作在相同信道上，并且在每个断开前探测子阶段中，可以利用单播探测请求探测一组邻居接入点。

Description

基于用户终端的快速越区切换的方法和设备
技术领域
本发明一般地涉及无线通信技术，更具体地，涉及用于快速执行链路层越区切换，以使得当用户终端(STA)远离其当前相关联的接入点(AP)而移动到另一邻近的AP时出现的通信中断时段最小化的方法和设备。
背景技术
IEEE 802.11标准定义了两种工作模式：ad hoc模式和结构化模式(infrastructure mode)。在ad hoc模式中，无需AP，两个或更多个STA可以彼此识别，并建立点对点通信。在结构化模式中，至少有一个AP。AP与其支持的一个或多个STA被称为基本服务集(Basic Service Set，BSS)，大致对应蜂窝网络环境中的一个小区。STA利用AP来访问有线网络的资源，并与同一BSS内的其他STA通信。依赖于AP的位置，有线网络可以是组织的内网或者因特网。一组通过分布系统(DS)连接的两个或更多个BSS形成了扩展服务集(Extended Service Set，ESS)，其通过服务集标识符(Service Set Identifier，SSID)来标识。如果两个AP的无线电覆盖范围重叠，则当STA从一个AP的覆盖范围移出并进入另一个AP的覆盖范围时，发生越区切换。
越区切换过程涉及SAT与邻居AP交换的一系列动作和消息，结果使得STA连接从服务AP转移到新的AP。在该时段期间，STA与服务AP之间的通信链路被断开，STA不能发送或接收任何数据分组，直到建立了与新AP的新链路，因此，存在通信中断时段(如图1所示)，该时段从现有通信链路被断开时开始，直到新链路被建立时为止。当STA检测到与服务AP的链路质量已经恶化到特定阈值以下时，STA启动越区切换过程。
根据图1，通信中断时段包括扫描过程(也被称为发现过程)以及验证和重关联过程。在扫描过程中，STA需要切换到每个无线电频率(信道)来发现是否有任何AP正工作在该信道上。该扫描过程可能耗时达几百毫秒，并占整个越区切换延时的90％以上。验证和重关联过程仅用几毫秒来完成。
信道扫描过程可以在被动或主动模式中完成。利用被动扫描，STA切换到每个候选信道，并收听来自AP的周期性的信标(beacon)。AP使用信标来通告其存在、其工作信道、其基本服务集标识符(BSSID)以及用于STA接入的其他参数。AP周期性地(一般是每100ms)广播其信标。因此，为了得到关于某个信道中所有AP的信息，STA必须在该信道中停留至少一个信标周期。与此相比，利用主动扫描，STA在每个候选信道中广播探测请求(Probe Request)，并等待来自工作在该信道上的邻居AP的探测响应(Probe Response)。AP在接收探测请求之后，向STA发送单播探测响应。探测响应帧携带与信标帧中的参数相同的参数。在两种情况中，在扫描所有候选信道之后，STA根据记录选择最优的AP，来执行第二个过程——验证和重关联。
由于BSS的覆盖范围有限，所以移动用户停留在一个小区中的时间可能在几分钟或者几秒钟的量级上，这依赖于用户的移动速度。实时交互式应用具有严格的质量要求。例如，VoIP要求其端到端延迟低于250ms，延迟变化或抖动低于50ms，并且分组丢失率小于1％。但是，利用标准的802.11协议，越区切换过程不能满足实时交互式应用的要求，这是由于由于以下两个原因：
(1)通信中断时段过长(大约500ms)；
(2)长的通信中断导致分组丢失。
对于VoIP以及类似视频会议等的其他实时服务来说，提供实时越区切换是一个关键的要求。如何在WLAN中提供快速的链路层越区切换是一个研究热点，已经有一些相关的发明来降低越区切换的延时。由于扫描过程在越区切换的通信中断时段中占主导，所以几乎所有这些发明都试图缩短该过程。根据扫描过程的所述两种模式，这些发明被分为两类：1)主动扫描；和2)被动扫描。
根据被扫描的信道的数量，主动扫描被进一步分类为完全扫描和选择性扫描。完全扫描是这样的方案：其探测所有的合法信道(例如，802.11b的全部11个信道)。另一方面，选择性扫描将扫描限定在合法信道的一个子集中。主动扫描的延时受到两个参数的显著影响：探测数和探测等候时间。利用主动扫描的大多数发明意图在于降低探测数。一个示例是参考文献1(Zhong等的题为“System and Method for Performing a Fast Handoffin a Wireless Local Area Network”的PCT国际申请公布WO 2004/054283A2)，其公开了一种系统和方法，该系统和方法使用预配置的最近邻居AP的列表来在通信中断时段中执行区分优先级的扫描。在参考文献2(S.Shin，A.Forte等，Improving the Latency of 802.11 Handoff Latency in IEEE802.11 Wireless LANs，Proceedings of the Second International Workshop onMobility Management and Wireless Access Protocols，Philadelphia，USA，2004)中，使用了选择性扫描和“AP缓存”，AP缓存记录最近的扫描结果，以实现链路层的快速越区切换。在参考文献3(M.Shin，A.Mishra和W.Arbaugh，Improving the Latency of 802.11 Handoffs using Neighbor Graphs，Proceedings of the ACM MobiSys Conference，Boston，MA，USA，June 2004)中，通过使用邻居图和不重叠图，来降低探测数和探测等候时间。邻居图结构和探测方法也出现在参考文献4(美国专利No.2006/0092883)中。参考文献5(题为“Minimizing Handoffs and Handoff Times in WirelessLocal Area Networks”的美国专利No.2006/0072507)提供了一种方法，其中通过跟踪过去用户在WLAN内的移动，来减少在越区切换期间被扫描的信道的数量。
一些发明致力于改善被动扫描的性能。参考文献6(Ishwar Ramani和Stefan Savage，SyncScan：Practical Fast Handoff for 802.11 InfrastructureNetworks，Proceedings of the IEEE Infocom Conference 2005，Miami，FL，March 2005)中的SyncScan将STA处的监听时段与来自所有AP的周期性信标发送相同步。利用关于在某个信道上的AP将广播它们的信标的时间的知识，STA可以在特定时刻切换到该信道，并获得来自这些AP的所有广播信标，而不用等待整个信标周期。由于使用了很短的时间来扫描信道，STA可以在断开与其服务AP的当前连接之前，执行扫描过程。越区切换延时因此被极大地缩短。在参考文献7(Richard L.Bennett的题为“Passive Probing for Handoff in a Local Area Network”的美国专利No.2005/0047371A1)中，服务AP负责发送探测请求到其邻居AP，并通知这些邻居AP发送探测响应的限定的时刻和响应间隔。服务AP还将通知STA可以从其一个邻居AP收听到探测响应的限定的时刻、响应间隔和信道。利用探测响应，STA可以判断何时进行越区切换以及切换到哪个邻居AP。在参考文献8(Vivek Mhatre和Konstantina Papagiannaki，Using SmartTriggers for Improved User Performance in 802.11 Wireless Networks，Processing of the ACM MobiSys Conference，Uppsala，Sweden，June 2006)中，利用了一种机制，通过该机制，STA可以在与其当前信道相同或者重叠的信道上，收听到来自其邻居AP的信标。然后，利用一种补偿算法，STA可以正确判断哪个邻居AP能够提供更好的链路质量。
在上述所有的主动扫描方法中，扫描过程仍然是在通信中断时段中完成的，也就是说，这些方法仍然是按照图1所示的模式，虽然信道扫描过程被缩短，但是它仍导致了主要的通信中断时间。此外，利用这些方法，STA不能连续监视邻居AP的信号质量，因此，它可能仅当与服务AP的信号已经恶化到阈值以下时，才启动扫描，即使存在具有较好链路质量的邻居AP，连接也不得不忍受不良和无法维持的性能。因此，STA不能总是选择到最优的AP来与其相关联。在扫描之后，AP仅根据一次性采样结果来选择最优AP，因此，信号的暂时波动可能对AP选择的正确性带来影响。所有这些方法都要求对AP和终端两者进行修改。
为了降低同信道干扰，人们力图使用不重叠的信道来覆盖某个区域，例如802.11b的信道1、6和11。这与参考文献8中的假设完全不同。参考文献8假设总是存在在与服务AP重叠的信道中工作的多个邻居AP。因此，如果没有工作在该重叠信道中的邻居AP，则STA无法找到可用的AP来与其连接。例如，如果STA在信道1中与其服务AP通信，并且邻居AP工作在信道6和11中，则STA将使用标准802.11越区切换过程。另一方面，由于STA只能得到关于在相同或重叠信道上的其邻居AP的信息，所以即使在重叠信道中存在某些邻居AP，STA也经常不能找到最优AP(最优AP可能工作在另外的某个不重叠信道上)来与其连接。
SyncScan和参考文献7可以使得STA能够连续监视邻居AP的质量，因此，从通信中断时段中消除了耗时的扫描过程，但是两者都要求精确的同步机制来使得邻居AP能够在特定的时刻发送出信标或者探测响应。为了监听到高度同步的信标，终端也需要被同步。因此，为了实现这两种方法，对AP和用户终端都需要作出修改。在大规模无线网络中，使全部AP和STA高精度地同步是困难的。
发明内容
鉴于上述问题，作出了本发明。
本发明使用主动探测来执行扫描过程。如SyncScan一样，本发明也从通信中断时段中消除了耗时的扫描过程。在本发明中，所有的扫描和越区切换动作都由STA自身执行，而不用修改AP和AP后的网络。
在本发明中，发生在通信中断时段中的耗时的扫描过程根据邻居信息，被分为多个探测子阶段，这些探测子阶段在STA断开与服务AP的通信之前被执行。每个探测子阶段仅用很少时间，并且在两个探测子阶段之间，仍然存在可用于数据流量的间隔。即，STA在保持其与服务AP的通信的同时，执行这些探测子阶段。利用这些子阶段的探测结果，在断开与其服务AP通信之前，STA可以判断是否需要进行越区切换、何时进行越区切换以及哪个邻居AP是进行关联的最优候选者。当STA决定进行越区切换时，实际的越区切换过程仅包括“验证和重关联”过程，并且可以在仅几毫秒的时间中被执行。
完成根据本发明一个实施例的基于客户端的快速越区切换所需的步骤总结如下：
(1)在与服务AP相关联或重关联之后，STA建立其当前服务AP的邻居组列表，其中当前服务AP的邻居AP被编组。一个组中的AP工作在相同信道中，并且一个组中的AP的数量可以由最大组大小限制。AP可以利用关于以前的STA移动和越区切换历史的数据得到邻居AP信息或者建立邻居组列表，然后STA可以从服务AP获得关于邻居AP的信息。STA也可以利用重叠信道扫描方法来获得邻居AP的信息，这样，不需要修改AP和AP后的网络。
(2)STA周期性地测量服务AP的信号质量(接收信号强度指标，RSSI)，以判断何时执行断开前探测(pre-break probing，PBP)操作。在服务AP的RSSI下降到特定信号质量值以下时，STA进入PBP状态。
(4)在PBP状态中，利用多个PBP子阶段完成信道扫描，并且在每个PBP子阶段中，根据编组的结果，只有一组邻居AP被探测。
(5)在执行每个PBP子阶段之前，STA通知其服务AP利用省电(PSM)模式缓存到STA的入站(inbound)流量，并且STA自己还开始缓存出站(outbound)流量，因此在PBP子阶段期间，不会发生分组丢失。
(6)根据特定AP的信号质量，自适应地调节对该特定AP的探测频率，以降低CPU的负担和功耗。
(7)在两个相邻的PBP子阶段之间的间隔期间，STA利用服务AP发送和接收数据流量。
(8)在得到足够的探测结果之后，STA计算全部邻居AP的RSSI的滑动平均(moving average)，并选择最优的邻居AP。通过将最优AP的RSSI与服务AP的RSSI相比较，STA判断是否需要进行越区切换。
(9)如果需要执行越区切换，则STA断开与服务AP的连接，切换其信道并与所选的最优AP进行验证和重关联。
与现有方法相比，根据本发明的方法将越区切换延时降低了一个数量级以上。实际的越区切换仅发生几毫秒，而不是使用标准802.11实现方式而带来的几百毫秒的切换延时。
在探测子阶段中，在PSM模式中，AP缓存对于STA的入站流量，并且STA自己缓存出站流量，因此在探测子阶段中没有导致分组丢失。
即使在相关联的接入点的信号恶化到必须断开连接的阈值以下之前，连续的扫描实现也可以发现具有较强SNR(信噪比)的接入点的存在。从而，该越区切换方法在存在较好性能AP的情况下，改善了客户端的连接性能。
根据本发明的方法可以整个实现在客户终端中，并且不需要对接入点以及接入点之后的网络的同步或其他修改。
附图说明
当结合附图阅读时，从下面的描述，可以更充分地理解本发明的上述以及其他目的、特征和优点，附图中类似的参考标号指示类似的部分，其中：
图1是示出了传统802.11越区切换引起的通信中断的示图；
图2是示意性地示出了两个接入点的重叠的覆盖范围的示图；
图3是示意性地示出根据本发明一个实施例的用户终端配置的框图；
图4是示出了邻居组列表的一个示例的示图；
图5是示出了根据本发明一个实施例的用户终端的操作的流程图；
图6是示意性地示出了根据本发明的PBP过程的序列图；
图7是示意性地示出了根据本发明的PBP过程中的信道占用时间的序列图；
图8是示意性地示出了根据本发明另一个实施例的用户终端的配置的框图；以及
图9是示意性地示出了根据本发明一个实施例的PBP子阶段的操作的序列图。
具体实施方式
本发明提供了用于在无线网络的接入点之间对无线服务进行快速越区切换的方法、设备和系统。
总的来说，本发明涉及无线通信设备或单元以及无线通信系统。前者经常被称为客户端台站(STA)，例如膝上型计算机、PDA、配备有WLAN接口的智能电话。后者经常被称为接入点(AP)以及它们之后的网络，网络向STA提供诸如视频、音频和数据通信之类的服务。更具体地说，本发明的各种发明性的概念体现在STA和接入点以及其中的方法中，其提供了通过邻居组列表辅助的断开前探测(neighbor group list assistedpre-break probing)，在无线网络的接入点之间对视频、音频和数据通信服务的越区切换。邻居组列表辅助的断开前探测被定义为这样一种手段：通过邻居组列表辅助的断开前探测，STA可以使用邻居组列表的信息来将耗时的扫描过程分为多个探测子阶段，在每个子阶段中通过主动探测的方式探测一组邻居AP，而同时保持正在进行的通信。
尤其受到关注的通信系统和STA是可以提供或者促进短距离通信能力的那些通信系统和STA，该能力通常被称为WLAN能力，例如IEEE802.11、蓝牙或者高性能无线局域网(HiperLAN)等，它们优选地利用正交频分复用(OFDM)、码分多址(CDMA)、跳频(frequencyhopping)接入技术。
在这样的系统中，为了在有限的频谱中提供高的用户容量，需要多个接入点来提供许多低功率的小区，每个仅覆盖服务区的一小部分。由于每个小区的覆盖范围有限，STA经常在一个会话正在进行的时候移动到另外的小区，因此需要越区切换过程来识别下一个AP，并转移正在进行的会话。为了使得STA能够从服务AP的覆盖范围越区切换到另一AP的覆盖范围，两个AP的覆盖范围必须重叠(如图2所示)。这意味着在两个AP的覆盖范围之间必须有公共区域，在该公共区域中，STA可以有选择地与两个AP中的某一个建立连接并与其通信。在本发明中，如果两个AP重叠，则我们将其中一个AP称为另一个AP的邻居，反之亦然。
现今的越区切换机制的基本问题可以归咎于如下事实：STA在丧失连接性或者性能不良或无法维持时，触发越区切换事件，并且扫描过程占用了通信中断时段的大部分时间。当STA将要进行越区切换时，它在断开当前连接之前已经经历了不良的性能，并且在断开当前连接之后，STA需要扫描所有可能的信道，以搜集关于邻居AP的信息。如图2所示，当STA移动离开服务AP时，服务AP的RSSI逐渐下降。当服务AP的RSSI变到低于阈值Thresbreak(STA可以保持通信的最低RSSI值)时，STA触发越区切换，断开正在进行的连接，并开始扫描邻居AP。Thresbreak还指示AP覆盖范围的边界。
在根据本发明的方法中，建议STA不应等到它们丧失连接性或者经历不良性能时才搜寻替换的AP。换句话说，STA应当对不良性能提前预备，而不是根据不良性能而反应。在断开当前连接之前就应当完成信道扫描、扫描结果评估以及最优AP的选择。因此，如果存在与服务AP相比能够提供更好链路质量的邻居AP，则STA总是能够在STA的当前链路质量下降到很差状态之前，发现该邻居AP并与其连接。这样，当STA决定进行越区切换时，越区切换仅包括断开当前连接、切换信道、进行与新AP的验证和重关联，因此越区切换被最小化。
为了达到上述目的，本发明提供了一种新的越区切换方法和终端，称为邻居组列表辅助的断开前探测越区切换。该方法用多个断开前探测(PBP)子阶段来代替耗时的信道扫描阶段，并执行这些PBP子阶段，而不断开当前连接。通过邻居组列表辅助、单播探测、STA和服务AP中的缓存，由每个PBP子阶段对当前数据流量带来的影响被最小化。
图3示出了根据本发明一个实施例的用户终端的配置。STA 300主要包括服务AP测量单元301、断开前探测单元302、邻居组列表单元303以及越区切换单元304。
服务AP测量单元301用于测量STA 300当前的服务AP的信号质量。邻居组列表单元303用于建立邻居组列表。在邻居组列表中，可能的邻居AP被划分为一个或多个组。同一组中的邻居AP工作在相同信道上。邻居组列表单元303可以根据情况设定最大组大小(Max_group)，使得邻居组列表中每组中邻居AP的数目不超过该预定值。
图4示出了根据本发明一个实施例的用户终端所使用的邻居组列表的示例。在该示例中，最大组大小Max_group被设定为3。其中，6个邻居AP(AP1～AP6)被分为三个组。第一组包括工作在信道2上的AP1～AP3，第二组包括工作在信道2上的AP4和AP5，第三组包括工作在信道6上的AP6。另外，邻居组列表还包括每个邻居AP的BSSID。注意，邻居组列表的结构并不限于图4所示的示例。例如，邻居组列表还可以包括邻居AP的其他信息，例如SSID等。
STA可以利用通过各种方式获得的邻居AP的信息来建立邻居组列表。例如，STA可以进行重叠信道扫描来获得邻居AP的信息。这种情况下，邻居组列表单元303可以包括用于进行重叠信道扫描来获得邻居AP信息的装置(未示出)。AP可以记录过去的STA移动和越区切换历史，根据这样的历史数据来获得邻居AP信息或建立邻居组列表，然后STA可以从服务AP接收关于邻居AP的信息。这种情况下，邻居组列表单元可以包括用于从服务AP接收邻居AP信息的装置(未示出)。在一个实施例中，从服务AP接收的邻居AP信息可以是至少包括邻居AP的工作信道和BSSID的列表。
返回参考图3，在需要准备越区切换的情况下，STA的断开前探测单元302在不断开与当前服务AP的连接情况下，根据邻居组列表，间歇性地执行多个PBP子阶段。在每个PBP子阶段中，断开前探测单元302通过主动探测的方式探测一个组内的邻居AP的信号质量。根据邻居组列表提供的信息，断开前探测单元302在每个PBP子阶段中可以使用单播探测请求代替多播探测请求来扫描相应的邻居AP。
然后，根据由服务AP测量单元和断开前探测单元获得的服务AP和邻居AP的信号质量，越区切换单元304有选择地执行越区切换。
应当理解，虽然未示出，但是STA还可以包括任何其他已知的部件。例如，诸如液晶显示器的用于显示信息的显示装置，诸如键盘、按钮、麦克风等的用户输入装置，诸如WLANL卡等的接口装置等等。这里省略对它们的详细描述。
图5示出了根据本发明一个实施例的STA的操作的流程图。
首先，STA启动与一个AP的连接并与其相关联(步骤S501)。在与该AP关联或重关联之后，STA获得当前服务AP的可能的邻居AP的信息，并根据信道和预定的最大组大小，对可能的邻居AP进行编组以建立邻居组列表(步骤S502)。然后，STA周期性地测量服务AP的信号质量(RSSI)(步骤S503)，以判断何时执行PBP操作(步骤S504)。在服务AP的RSSI降到低于预定阈值Thresprobe(如图2所示)之后，STA进入PBP状态(步骤S505)。在PBP状态中，利用多个PBP子阶段来完成信道扫描。在每个PBP子阶段中，只根据邻居组列表，探测一组邻居AP。同时，在两个相邻PBP子阶段之间的间隔期间，STA发送和接收与服务AP之间的数据流量，并记录服务AP的RSSI。在得到了足够的探测结果(步骤S506)之后，STA计算所有邻居AP的RSSI的滑动平均，并选择最优的一个(步骤S507)。通过将最优AP的RSSI与服务AP的RSSI相比较，STA判断是否需要执行越区切换(步骤S508)。如果需要执行越区切换，则STA断开与服务AP的当前连接，切换其信道，并与所选择的最优AP进行验证和重关联(步骤S509)。
在STA与一个AP关联或者重关联之后，它连续地采样服务AP的RSSI，并计算其滑动平均值(RSSIcurr)。STA可以总是利用PBP寻找最优的邻居AP。但是优选地，仅当有必要准备越区切换时，即服务AP的RSSIcurr降到Thresprobe以下，STA才开始执行PBP操作。作为新的RSSI阈值的Thresprobe(图2中由虚线表示)必须高出Thresbreak一些，使得STA可以保持与服务AP的通信能力，并同时执行PBP阶段。如果Thresprobe太高，则即使在STA与服务AP的连接质量保持足够好时，也会执行PBP，这将对数据流量带来不利影响。因此，优选地，Thresprobe被选择为引起STA的数据率变化(例如从5.5Mbps到2Mbps)的临界RSSI值。
在PBP状态中，因为STA不知道邻居AP的确切的信标时间，所以STA仍然使用主动发现过程--探测以扫描AP。图6示意性地示出了PBP过程的序列图。如图6所示，STA周期性地利用短时间间隔来进行探测，大多数时间仍然留给数据流量。当STA已经探测了所有邻居AP足够次数时，它开始计算每个邻居AP的RSSI的滑动平均。通过比较邻居AP的平均RSSI，可以选择最优邻居AP，其平均RSSI是RSSIbest。在PBP状态开始时，STA总是已经采样了服务AP的RSSI，因此也可以计算服务AP的RSSI的滑动平均。利用采样和平均的结果，如果邻居AP和服务AP的RSSI满足如下条件(其中Δ是余量，用来当STA被不同的接入点以等同的良好程度服务时，避免可能产生“乒乓”效应的不必要的越区切换操作)：
RSSIbest-RSSIcurr＞Δ      (1)
则STA选择最优AP作为要连接的候选AP。基于所选择的候选AP，STA断开与服务AP的连接，并与最优AP进行验证和重关联，因此越区切换过程的总延时(thandoff)仅包括三个部分：信道切换和发送(CS&T)、验证(tauth)和重关联(tassoc)。
thandoff＝CS&T+tauth+tassoc    (2)
CS&T是WLAN卡的固有值(大约5～7ms)。为了使STA使用特定接入点的权力有效，要求进行验证，对于开放系统，验证(tauth)大约用3～5ms来完成。tassoc是STA用来重新建立与新AP的关联关系的时间，并且大约用3～5ms。因此，利用PBP方案，总的越区切换延时可以被缩减到小于20ms。
在每个PBP子阶段中，STA必须暂停其与服务AP的当前通信，切换信道，执行探测任务，然后再切换回来。PBP子阶段所用的时间(PBP_delay)是：
PBP_delay＝2×CS&T+Probe_time    (3)
Probe_time是STA用来发送探测请求和等待探测响应的时间。
为了减少信号的短期衰落(short term fading)效应，必须对同一AP进行多个周期的探测，然后通过计算RSSI样本的平均值，可以选择最优AP。如果一个AP的n个RSSI样本的滑动平均可以提供该AP的信号质量的可靠和稳定的估计，并且STA需要m个PBP子阶段来完成对于所有邻居的完全探测，则STA在计算和选择要连接的最优AP之前，将完成至少n×m个PBP子阶段。图7是示意性地示出了PBP过程中的信道占用时间的序列图。如图7所示，STA在时刻tbegin进入PBP状态。从tbegin到tselect，STA完成了n个邻居完全扫描周期，在每个邻居完全扫描周期期间，STA通过m个PBP子阶段对全部邻居AP进行了一次探测。在tselect，移动主机利用足够的采样结果，开始计算和选择最优AP。因此，从tbegin到tselect，用于信道扫描的PBP所用的总时间为：
PBP_time＝n×m×PBP_delay    (4)
两个相继的PBP子阶段之间的数据流量的间隔是data_int，则从tbegin到tselect，用于数据流量的总时间为：
traffice_time＝n×m×data_int＝(tbegin-tselect)-PBP_time    (5)
从图6和图7可以看出，过多的PBP子阶段和过长的PBP子阶段都会导致数据流量性能不良，可能的影响包括：
(1)降低了当STA在PBP模式中时的数据吞吐量；
(2)对在PBP子阶段中到达的数据流量增加了延迟抖动；
(3)导致在PBP子阶段中到达的UDP流量的分组丢失；以及
(4)由于过多的PBP子阶段，增大了CPU负担。
因此，在根据本发明的方法中使用邻居组列表来减少要探测的邻居AP的数量，因此可以减少m。另外，利用邻居组列表，对每个组，可以使用单播探测请求来缩短PBP_delay。
将信道扫描阶段划分为多个PBP子阶段的最简单的方法是在每个子阶段中扫描一个或几个信道。在每个子阶段中，STA将其自身切换到被探测信道，发送广播探测请求，用特定时间间隔等待探测响应，然后切换回来。但是这样的方法表现出如下缺点：
(1)扫描全部的邻居AP需要过多的PBP子阶段，例如对于802.11b/g的11个子阶段，对于802.11a的超过20个子阶段；
(2)即使在某个信道中没有任何邻居AP的情况中，STA仍然需要用一个PBP子阶段来扫描该信道；以及
(3)利用广播探测请求，STA必须在信道中等待最大信道时间(MaxChannelTime)，即使在该信道中只有一个邻居AP。
在根据本发明的方法中，使用了服务AP的邻居组列表来减少必要的PBP子阶段的数目以及每个PBP子阶段的等候时间。一个AP的邻居组列表保持了其邻居AP的记录，每个记录至少包括标识邻居AP的第一字段(通常是AP的MAC地址或者BSSID)，以及标识该邻居AP的工作信道的第二字段。邻居AP信息可以由服务AP建立，由服务AP后的骨干基础设施(例如以太网交换器、特定服务器等)建立，甚至是由STA自己建立。获得邻居AP信息或者建立邻居组列表的方法包括手工预配置、记录STA的过去移动和越区切换历史、由STA扫描以及未来的协议标准——802.11k等等。
利用邻居组列表，STA可以在PBP阶段之前获得其上有邻居AP工作的信道的集合以及在这些信道的每一个上的邻居AP的集合。根据参考文献8，使用关于邻居AP的信息，需要被探测的邻居的数目可以降到平均3.15，最大是6，而平均邻居信道数是2.25。因此，STA仅需要探测这些信道和AP。
为了消除对AP以及AP后的网络的修改的需要，使用一种新的方法——重叠信道检测，来由STA自己获得邻居AP信息并建立邻居组列表。在与一个AP关联之后，STA执行若干邻居AP检测子阶段。在这些子阶段的每一个中，STA选择一个信道来广播探测请求。利用探测请求，在相同信道和重叠信道中的AP将发送回探测响应。虽然STA不能知道在重叠信道中的AP的正确信道质量，但是STA仍然可以得到关于该AP的信息，例如BSSID和工作信道。该信息可以被STA用于建立其服务AP的邻居组列表。例如，如果STA在信道3中广播探测请求，则它可以得到关于工作在信道1、2、3、4和5中的AP的信息。因此，使用3个子阶段，STA可以获得全部邻居AP的BSSID和工作信道。两个邻居AP检测子阶段之间的间隔仍然保留用于数据流量。
在获得邻居AP信息之后，STA根据邻居AP的工作信道对邻居AP进行编组，以建立邻居组列表。另外，如果在同一信道中存在多个邻居AP，则每组中的邻居AP的数量还受到最大组大小(Max_group)的限制。编组和最大组大小被用来保证每个PBP子阶段都不会花费太多的时间，并且为数据流量保留了足够的时间。
利用邻居组列表，PBP状态中的STA可以清楚地得知每个组中的AP的确切身份和信道，因此STA可以使用单播探测请求代替多播探测请求来扫描相应的邻居AP。利用单播探测请求，来自被探测的AP的探测响应将不会由于其他AP的响应而被推迟，并且STA不用必须在每个PBP子阶段中等候最大信道时间MaxChannelTime。
需要注意的是，在每个PBP子阶段期间，虽然STA不能保持与其AP通信，但是仍然存在来自服务AP的入站流量和来自上层应用的出站流量。如果在服务AP和STA中没有进行缓存，则PBP子阶段可能引起分组丢失。尤其是，在PBP子阶段期间的出站流量的分组丢失可能引起随后的数据间隔的数据率下降。为了避免这些情形，在根据本发明的一个实施例中，提供了数据缓存机制。
图8示出了根据本发明另一个实施例的用户终端的配置，其中，与图3类似的部分使用相同的标号表示。在STA 800中，添加了出站流量缓存单元801和入站流量缓存请求单元802。出站流量缓存单元801在每个PBP子阶段中，缓存STA 800的出站流量。入站流量缓存请求单元802在每个断开前探测子阶段中，指示服务AP缓存发往STA 800的入站流量。利用这样的缓存机制，消除了数据丢失。服务AP可以利用省电模式(PSM)机制来缓存在PBP子阶段中对于STA的入站流量。如果PBP子阶段足够短，则在服务AP中缓存的数据量并不大，并且在STA返回数据间隔之后，缓存器可以很快地腾空。
利用这些措施，PBP子阶段可以如图9所示。在切换信道以进入PBP子阶段之前，STA发送PSM位被置位的NULL数据帧，来向服务AP通知其将进入PSM状态，然后，服务AP返回ACK分组，并开始缓存对于STA的入站流量。在接收到ACK之后，STA切换回原来的信道，然后发送PSM位被清除的另一NULL数据帧，以向其服务AP通知其已经准备好接收被缓存的流量。同时，STA开始发送被缓存的出站流量。
利用编组和单播探测请求，一个PBP子阶段所占用的时间是：
PBP_delay＝2×CS&T+Max_group×Uni_Probe_time    (3)
其中，Uni_Probe_time是发送单播探测请求与接收探测响应之间的时间。试验中，Uni_Probe_time大约是5ms，并且Max_group被设置为2，因此，一个PBP子阶段所用时间小于20ms。如果PBP子阶段的周期被设置为100ms，则在每100ms中，80ms被用来发送数据流量，这对于数据分组的吞吐量和延时没有多少影响。
根据本发明的方法，可以使用较高的阈值(由Thresprobe表示)来触发PBP阶段，以保证STA在由于信号恶化而断开当前连接之前，有足够的时间来完成整个PBP阶段。但是，较高的阈值会引起较多的PBP子阶段，这可能影响数据流量的性能，并增加CPU的负担。为了减少该影响，在根据本发明的另一个实施例中，STA采用新的信号阈值Thresfast(Thresfast＜Thresprobe)和自适应算法，来根据信号质量动态地调节邻居AP的探测频率。这种情况下，STA的断开前探测单元可以包括扫描频率调整装置。
具体地说，如果在PBP子阶段中，一个邻居AP的RSSI(RSSInei)和服务AP的RSSI(RSSIcurr)满足如下条件：
RSSIcurr-RSSInei＞Thresfast    (7)
则STA执行对邻居AP的慢速探测，否则，STA执行对邻居AP的快速探测。
慢速探测的相邻PBP子阶段之间的间隔比快速探测的长，因此，进一步减少了不必要的PBP子阶段。
综上所述，根据本发明，标准802.11越区切换过程中耗时的信道扫描过程被多个PBP子阶段代替，并且这些子阶段在当前连接被断开之前被执行。利用该方法，802.11协议的越区切换延时可以被缩减到小于20毫秒。
另外，通过使用邻居组列表辅助、单播请求以及缓存机制(服务AP中的PSM模式以及STA中的缓存)，PBP子阶段对数据流量的影响被最小化。因此消除了PBP子阶段中的分组丢失，PBP子阶段中被添加到数据流量上的延时抖动也被最小化到小于20ms。
本发明可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合，并且可以用在它们的系统、子系统、部件或者子部件中。当以软件方式实现时，本发明包含用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
虽然已经结合具体的实施例描述了本发明，但是本发明并不限于上述实施例和附图中的具体结构。例如，所示出的多个部件可以彼此合并为一个部件，或者一个部件可以分为多个子部件，或者可以添加任何其他已知的部件。操作的流程也不限于所示出的例子。本领域的技术人员应当认识到，在不脱离本发明的精神和本质特征的前提下，可以以其他的具体形式实现本发明。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。

Claims (33)

1.一种用于无线通信网络中的用户终端的越区切换的方法，所述方法包括：
测量当前服务接入点的信号质量；
建立邻居组列表，在所述邻居组列表中，可能的邻居接入点被划分为一个或多个组；
在不断开与所述服务接入点的连接情况下，根据所述邻居组列表，间歇性地执行多个断开前探测子阶段，其中，在每个所述断开前探测子阶段中，通过主动探测的方式探测一个组内的邻居接入点的信号质量；以及
根据所述探测到的邻居接入点的信号质量，有选择地执行越区切换。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述邻居组列表中，属于同一组的邻居接入点工作在相同信道上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述邻居组列表中，属于同一组的邻居接入点的数目不超过预定的最大组大小。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，在每个所述断开前探测子阶段中，利用单播探测请求探测所述一组邻居接入点。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述建立邻居组列表包括利用重叠信道扫描来获得邻居接入点信息。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述建立邻居组列表包括从所述服务接入点接收邻居接入点信息。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述每个断开前探测子阶段中，缓存所述用户终端的出站流量。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述每个断开前探测子阶段中，指示所述服务接入点缓存对所述用户终端的入站流量。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，利用省电模式指示所述服务接入点缓存所述入站流量。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括：
利用相邻的探测子阶段之间的间隔来经由所述服务接入点发送和接收数据流量；以及
在开始执行所述多个探测子阶段之前以及在所述相邻的探测子阶段之间的间隔中，测量所述服务接入点的信号质量。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，
所述探测邻居接入点的信号质量包括多次采样所述邻居接入点，并计算所述邻居接入点中的每一个的接收信号强度指标的滑动平均；并且
所述测量服务接入点的信号质量包括多次采样所述服务接入点，并计算所述服务接入点的接收信号强度指标的滑动平均。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述探测邻居接入点的信号质量还包括根据每个邻居接入点的信号质量，动态调整对该邻居接入点的扫描频率。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述有选择地执行越区切换包括根据所述探测到的邻居接入点的信号质量，选择最优邻居接入点，并且当所述最优邻居接入点的信号质量比所述服务接入点的信号质量高出预定余量时，执行从所述服务接入点到所述最优邻居接入点的越区切换。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，执行所述越区切换包括断开与所述服务接入点的连接，切换信道，并与所述最优邻居接入点进行验证和重关联，并且在所述越区切换期间不执行信道扫描。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述服务接入点的信号质量降到预定阈值以下时，执行所述断开前探测子阶段。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述无线通信网络是基于802.11标准的无线局域网络。
17.一种在无线通信网络中使用的终端，包括：
用于测量当前服务接入点的信号质量的服务接入点测量单元；
用于建立邻居组列表的邻居组列表单元，在所述邻居组列表中，可能的邻居接入点被划分为一个或多个组；
与所述邻居组列表单元耦合的断开前探测单元，所述断开前探测单元在不断开与当前服务接入点的连接情况下，根据所述邻居组列表，间歇性地执行多个断开前探测子阶段，其中，在每个所述断开前探测子阶段中，通过主动探测的方式探测一个组内的邻居接入点的信号质量；以及
与所述服务接入点测量单元和所述断开前探测单元耦合的越区切换单元，所述越区切换单元根据所述探测到的邻居接入点的信号质量，有选择地执行越区切换。
18.根据权利要求17所述的终端，其中，在所述邻居组列表中，属于同一组的邻居接入点工作在相同信道上。
19.根据权利要求17所述的终端，其中，在所述邻居组列表中，属于同一组的邻居接入点的数目不超过预定的最大组大小。
20.根据权利要求18所述的终端，其中，所述断开前探测单元在每个所述断开前探测子阶段中，利用单播探测请求探测所述一组邻居接入点。
21.根据权利要求17所述的终端，其中，所述邻居组列表单元包括用于利用重叠信道扫描来获得邻居接入点信息的装置。
22.根据权利要求17所述的终端，其中，所述邻居组列表单元包括用于从所述服务接入点接收邻居接入点信息的装置。
23.根据权利要求17所述的终端，还包括出站流量缓存单元，所述流量缓存单元在所述每个断开前探测子阶段中，缓存所述终端的出站流量。
24.根据权利要求17所述的终端，还包括入站流量缓存请求单元，所述入站流量缓存请求单元在所述每个断开前探测子阶段中，指示所述服务接入点缓存对所述终端的入站流量。
25.根据权利要求24所述的终端，其中，所述入站流量缓存请求单元利用省电模式指示所述服务接入点缓存所述入站流量。
26.根据权利要求17所述的终端，其中，
相邻的所述探测子阶段之间的间隔被用于经由所述服务接入点发送和接收数据流量；并且
所述服务接入点测量单元在所述断开前探测单元执行所述多个探测子阶段之前以及在所述相邻的探测子阶段之间的间隔中，测量所述服务接入点的信号质量。
27.根据权利要求26所述的终端，其中，
所述断开前探测单元多次采样所述邻居接入点，并计算所述邻居接入点中的每一个的接收信号强度指标的滑动平均；并且
所述服务接入点测量单元多次采样所述服务接入点，并计算所述服务接入点的接收信号强度指标的滑动平均。
28.根据权利要求17所述的终端，其中，所述断开前探测单元包括扫描频率调整装置，所述扫描频率调整装置根据每个邻居接入点的信号质量，动态调整对该邻居接入点的扫描频率。
29.根据权利要求17所述的终端，其中，所述越区切换单元根据所述探测到的邻居接入点的信号质量，选择最优邻居接入点，并且当所述最优邻居接入点的信号质量比所述服务接入点的信号质量高出预定余量时，执行从所述服务接入点到所述最优邻居接入点的越区切换。
30.根据权利要求29所述的终端，其中，所述越区切换单元在所述越区切换期间，断开与所述服务接入点的连接，切换信道，并与所述最优邻居接入点进行验证和重关联，并且不执行信道扫描。
31.根据权利要求17所述的终端，其中，所述断开前探测单元当所述服务接入点的信号质量降到预定阈值以下时，执行所述断开前探测子阶段。
32.根据权利要求17所述的终端，其中，所述终端是用于基于802.11标准的无线局域网络的用户终端。
33.一种具有机器可读介质的制品，所述机器可读介质上存储有指令，所述指令当被无线通信网络中的用户终端执行时，使得所述用户终端：
建立邻居组列表，在所述邻居组列表中，可能的邻居接入点被划分为一个或多个组；
在不断开与当前服务接入点的连接情况下，根据所述邻居组列表，间歇性地执行多个断开前探测子阶段，其中，在每个所述断开前探测子阶段中，通过主动探测的方式探测一个组内的邻居接入点的信号质量；以及
根据所述探测到的邻居接入点的信号质量，有选择地执行越区切换。
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