CN101557618A - 在802.11无线局域网中实现无缝切换的方法和接入点 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在802.11无线局域网中实现无缝切换的方法和接入点。根据本发明的方法包括以下步骤：当新站点进入802.11无线局域网时，该新站点首先向接入点发送认证请求；每个接入点调用随机确认功能来判定针对该认证请求是否返回确认；所有接入点向接入控制器报告接收到认证请求；接入控制器为该新站点选择服务接入点；该服务接入点更新服务列表，从而保存该新站点的信息。根据本发明的接入点包括用于保存接入点所服务的站点的信息并且在接收到帧时查询接收到的帧的源地址的服务列表装置和基于确认策略来判定针对接收到的帧是否返回确认的随机确认装置。因此，利用本发明的方法，在没有修改站点和协议的情况下也能实现无缝切换。

Description

在802.11无线局域网中实现无缝切换的方法和接入点

技术领域

本发明通常涉及站点在802.11无线局域网(如WiFi)中进行漫游的方法，并且特别是涉及一种用于在802.11无线局域网中实现无缝切换的方法以及用于此方法中的接入点(AP：Access Point)。

背景技术

近年来，IEEE 802.11无线网络已得到快速发展并且越来越流行。无线网络提供对因特网的接入，用于输送诸如VoIP(IP语音)、多媒体或者数据传输等的各种服务。因此，支持用户和设备移动性是关键问题，因为对于大多数服务来说，连续的网络连接性是非常期望的。然而，IEEE 802.11采取硬切换方法，这意味着，在站点(STA：station)连接到新接入点之前，该站点必须断开其与当前相关联的接入点的连接。这可能导致长的切换等待时间，并且对于实时应用来说是不可接受的。等待时间包括信道扫描、关联和扩展认证协议(EAP)认证握手的时间。例如，利用诺基亚手机进行试验，最短的切换要花费大约800ms，同时VoIP中断2秒。

理想的802.11无线局域网应为在其服务区域中的站点提供连续的无线电信号覆盖。由于移动性，站点可能移出其当前接入点的覆盖范围。在这种情况下，站点所得到的接收到的信号强度和信噪比(SNR)将显著降低，并且站点将丢失其与当前接入点的连接性。因此，站点需要发起切换。为了容许现有站点的多样性，还应在网络侧完成修改，而不是改变站点的特性，并且不应修改现有协议。如果站点在网络内移动，且接收到的信号强度没有降低，则不会触发切换过程。因此，接入点间的切换将导致零等待时间的移动性，并且对于802.11无线局域网能实现“始终连接的”语音。

一种解决方案是让站点完全不检测其正在改变接入点。这需要网络中的所有接入点伪装成相同的接入点，并且这些接入点必须在接入控制器的集中控制下协作。这种网络被称为无缝切换协作接入点系统。在图1中示出了这种网络的拓扑结构。

为了实现上述无缝切换，802.11无线局域网必须遵循以下列出的一些前提：

1.所有接入点工作在相同的信道上。

2.接入点在网络服务区域中提供连续的无线电信号覆盖。

3.所有接入点可以在接入阶段通过使用相同的介质访问控制(MAC)地址从而对于站点伪装成唯一的接入点。但是，这些接入点必须利用不同的MAC地址与接入控制器进行通信。

注意：1.如果想要增加接入容量，则可以敷设多个覆盖区域重叠的协作接入点网络，每个接入点网络分别地例如工作在信道1、信道6和信道11上。但是无缝切换仅在相同的网络中进行，也就是在相同的信道中进行。

2.当新的站点进入网络中时，该站点首先扫描信道，然后确定最佳信道。在正常通信过程中，只有连续传输失败才触发站点的重新信道扫描，并且进行信道切换。一旦触发了信道扫描，将不能再实行无缝切换。因此，覆盖盲区将引起站点的完全重新连接过程。

根据802.11MAC层规范，当单播数据或管理帧被发送时，目的地必须立即返回确认(ACK)帧，以表示成功传输(唯一的例外是块确认或者没有确认的情形，如802.11e所规定的那样)。如图2中所示，所发送的帧与相应的ACK帧之间的间隔是短帧间间隔(SIFS)。SIFS的长度取决于物理层类型。SIFS的典型值是10微秒。如果没有及时接收到ACK帧，则发送方将推断，帧的传输已失败。然后该发送方将重新传输该帧，直到及时返回ACK，或者达到最大重试极限，并且放弃传输。最大重试极限指的是在帧被放弃传输并且向较高层协议指示失败之前没有接收到ACK的情况下发送帧的次数。最大重试极限的缺省值是7。

然而，在无缝切换协作接入点系统中，作为一个前提，所有接入点都对站点显示相同的MAC地址。当数个接入点同时接收到上行链路帧时，接入控制器必须分配一个接入点来向站点应答ACK，如图3中所示。否则，如果数个接入点同时返回ACK，则将引起信道冲突，如图4中所示。然而，这出现以下问题：如果新的站点进入网络并且发送认证请求帧，则哪个接入点将应答ACK？认证请求(类型为“认证”的帧并且认证事务处理序列号为1。为了简化起见，在以下说明中，这种帧被称为“认证请求”)是当新的站点想要进入网络时发送到网络的第一单播帧。尤其是当站点没有进行过任何主动探查(主动探查意指广播探查请求并且然后等待探查响应)，此时接入控制器并不知道该站点的存在，因此接入控制器还没有给新站点分配服务接入点。一旦接收到认证请求，接入控制器就开始分配最好的接入点来服务于那个站点。然而，问题是ACK对于时间是敏感的，它要求必须在完成这个分配之前返回ACK。

注意：对于802.11i安全规范，开放系统认证算法是第一个认证步骤。在这样的环境中，站点所发送的认证类型帧总是具有等于1的认证事物处理序列号。因此，该站点所发送的认证类型帧被称为认证请求。在此，可以不必识别认证事物处理序列号。

美国专利20070025293“Method and mobile device forperforming fast hand-over in WLAN and method of switchingservices using GPS information”描述了一种在WLAN环境中漫游的站点的快速切换方法。该方法包括：接收GPS信息；基于接收到的站点的位置信息，搜索一个或多个接入点；通过扫描搜索到的接入点来确定新接入点；并且与确定的新接入点重新相关联。根据该方法，当站点在WLAN环境中漫游时，该站点通过使用GPS信息来计算移动路径，并且然后通过仅仅扫描属于被分配给与移动方向相关的区域的信道的接入点，站点能减少切换周期，并且因此，能连续提供保证QoS的服务。然而，该方法必须使用GPS系统，而且站点也必须具有GPS功能。

“Syncscan：Practical Fast Handoff for 802.11Infrastructure Networks”(IEEE INFOCOM会议，2005年3月)论证了，当站点监控接入点的信号质量并使用快速扫描机制来监听范围中的所有接入点以选择最好的接入点时，在802.11网络上能够进行快速切换。Syncscan系统已实现短至5ms的切换。然而，在这种系统中，快速扫描是通过修改站点的网络适配器来实现的。

“Fast Handoff for Seamless Wireless Mesh Networks”(ACMMobiSys会议，2006年6月，也可在www.smesh.org获得)说明了：当802.11站点被配置成基础设施模式时，这些站点固有地自己扫描较好的接入点。为了避免这种行为并且将切换的主动权控制在接入点侧，Smesh将接入点和站点都配置为自组织模式。快速切换通过确保每个站点在任何时候都由至少一个接入点来服务而实现。然而，在应用802.11i安全规范的自组织模式下，每个站点将需要包括IEEE 802.1X认证器和认证服务器，并且每个站点必须执行其自己的安全策略。因此，该模式无法使用统一的后端认证服务器。而对于不仅向各种站点开放而且还向统一的ISP的认证服务器开放的802.11无线局域网来说，该方案不可行。

因此，需要一种既不需要修改现有站点又不需要修改协议的简单且快速的无缝切换方法。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种用于在802.11无线局域网中实现无缝切换的方法和用于该方法的接入点，以克服在上述背景技术中提及的问题。

根据本发明的一方面，提供一种用于在802.11无线局域网中实现无缝切换的方法。该方法包括以下步骤：当新站点进入802.11无线局域网时，该新站点首先向接入点发送认证请求；每个接入点调用随机(opportunistic)确认功能来判定针对该认证请求是否返回确认；所有接入点向接入控制器报告接收到认证请求；接入控制器为该新站点选择服务接入点；该服务接入点更新服务列表，以便保存该新站点的信息。

在本发明的方法中，随机确认功能基于确认策略来判定是否返回确认。该确认策略是基于密度的方案、时间交错的确认方案或者其它确认策略。

在基于密度的方案中，接入点返回确认的概率是根据网络中的接入点密度而被预先设置的。

在时间交错的确认方案中，每个接收到认证请求的接入点等待随机化的重新传输次数来避免确认冲突。该随机化等待的重新传输次数基于一个或多个参数的分布得出。这些参数为信号强度、负荷平衡、密度或者其它参数。

所述接入控制器基于信号强度、负荷平衡和/或与站点和接入点相关的特性来为新站点选择服务接入点。

所述服务接入点通过将站点的介质访问控制地址置于服务列表中来更新服务列表。

当多于一个的接入点应答确认或者没有接入点应答确认时，站点将立即重新传输认证请求，直至随机确认返回成功或者达到最大重试极限。

如果接入点成功接收到帧，则接入点首先检查，源地址是否在该接入点的服务列表中。如果源地址在服务列表中，则明确返回确认并且继续进行帧处理；如果源地址不在服务列表中，则接入点检查帧类型字段，从而判断帧类型是否是认证请求。如果帧类型不是认证请求，则接入点将直接删除该帧并且不作为；如果帧类型是认证请求，则接入点知道新的站点试图进入网络中，从而调用随机确认功能。

在本发明的方法中，可以采用所有802.11协议族，诸如采用802.11i、802.11e等等。因此，本发明方法使用没有修改的802.11站点。

根据本发明的另一方面，还提供一种用于在802.11无线局域网中实现无缝切换的接入点。该接入点包括：服务列表装置，用于保存接入点所服务的站点的信息并且在接收到帧时查询接收到的帧的源地址；随机确认装置，用于当接收到的帧的源地址没有被包含在服务列表装置中并且接收到的帧是认证请求帧时，基于确认策略来判定针对接收到的帧是否返回确认。所述站点的信息例如是站点的介质访问控制地址。

附图说明

下面结合附图更详细地说明本发明，其中：

图1示出无缝切换协作接入点系统的网络拓扑；

图2示出针对单播帧的MAC层确认过程；

图3示出服务接入点分配过程；

图4示出在被动扫描之后新的站点进入网络时遇到的问题；

图5示出成功ACK返回的概率与传输次数的之间的关系曲线；

图6示出根据本发明实施例的新的站点在被动扫描之后进入802.11无线局域网的过程；以及

图7示出根据本发明实施例的接入点的服务列表在接入点切换期间的更新过程。

具体实施方式

考虑到开头所述的无缝切换协作接入点系统并且站点通常需要返回确认，本发明方法在接入点AP中添加服务列表，从而保存由接入控制器AC所分配的其所服务的站点STA。通过这种方式，接入点AP能识别，站点STA是否在其服务范围中并且是否及时返回ACK。对于新分配的站点STA，在接入点AP中引入ACK功能，以基于某些ACK策略来判定返回ACK。

为了应用ACK功能，首先在接入点AP中添加服务列表，并且然后将认证请求帧设置为特殊的帧类型。也就是，无论何时成功接收到帧，接入点AP首先检查，源地址是否在其服务列表中。如果源地址在其服务列表中，则明确返回ACK并且继续进行帧处理。如果源地址不在其服务列表中，则接入点AP检查帧类型字段，从而判断帧类型是否是认证请求。如果帧类型不是认证请求，则接入点AP将直接删除该帧并且不作为。如果帧类型是认证请求，则接入点AP知道新的站点STA试图进入网络中。然后，接入点AP调用ACK功能，从而基于某种ACK策略来返回ACK。在调用ACK功能之后，接入点AP将向接入控制器AC报告新的站点STA的到来。因为数个接入点AP可以接收到认证请求并且报告给接入控制器AC，所以接入控制器AC将在这些接入点AP之间为新的站点STA选择最合适的服务接入点AP。接入控制器AC中的服务接入点AP选择算法应考虑接收信号强度、负荷平衡或其它因素。然后，所选的服务接入点AP将通过在其中添加新的站点STA的信息(其中最重要的项是站点STA的MAC地址)来更新其服务列表。

与接入点AP仅检查目的地地址来确定其MAC地址是否匹配目的地地址的传统接入点AP相比，根据本发明的一个实施例，通过在接入点AP中添加服务列表，目的地地址和源地址是否分别与接入点AP的MAC地址和其服务列表匹配是确定正确的目的地接入点AP的专有方式，因为当多个接入点共享相同的MAC地址时，仅仅目的地地址不能确定目的地接入点AP是正确的接入点。

根据本发明的另一实施例，通过识别新的站点STA并且在接入点AP引入ACK功能，接入点AP能在接入控制器AC分配服务接入点AP之前很好地服务于新的站点STA。ACK功能判定基于某些ACK策略来返回ACK。

一种ACK策略是基于密度的方案。通过这种方案，接入点AP以任意方式返回ACK。接入点AP返回ACK的概率是根据网络中的接入点AP密度而被预先设置的。例如，在站点STA能同时与三个接入点AP进行通信的网络环境中，合适的概率会是1/3。最可能的是，三个接入点中的一个接入点向站点STA应答ACK(概率是3*1/3*2/3*2/3＝4/9)。如果随机ACK返回失败(没有接入点AP返回ACK或者多于一个的接入点AP返回ACK)，则站点STA没有接收到ACK。因此，站点STA将重新传输认证请求。n次传输之后的成功的ACK返回概率是1-[1-4/9]^n。在802.11规范之内，缺省的最大重试极限是1-[1-4/9]^7＝98.4％。如果所有7次传输都失败，则站点STA将再次扫描信道，并且开始新的注册请求。站点STA在两次注册请求之内成功进入网络的概率是99.97％。图5示出传输次数与在一次注册请求中成功的ACK返回的概率之间的关系。当有两个接入点AP或者四个接入点AP能同时与站点STA进行通信时，也可以推断出该情形。对于两个接入点AP，在一次传输时，站点STA成功接收到ACK的概率是1/2。站点STA在一次注册请求中成功进入网络的概率是99.2％。对于四个接入点，一次传输时成功接收到ACK的概率是27/64，一次注册请求中成功的概率是97.8％。

另一可替换的ACK策略是时间交错的ACK方案。通过这种方案，每个接收到请求的接入点AP等待随机化的重新传输次数来避免ACK冲突。随机化等待的重新传输次数基于诸如信号强度、负荷平衡、密度等的这些参数中的一个或多个的分布得出，使得统计意义上优选的接入点将首先应答。每个接入点也监听其它ACK，使得如果一个接入点已经确认，则该接入点不再确认。例如，每个接入点可以针对接收到的信号强度设置一组阈值(小于6个阈值)。如果一个接入点AP中的请求的接收到的信号强度超过最大阈值，则该接入点AP将立即返回ACK。否则，如果接收到的信号强度在最大阈值与第二最大阈值之间，则该接入点AP不返回ACK，直至接收到一次重新传输请求，以此类推。

其它ACK策略也是可能的，并且本领域技术人员能够提出类似的随机方式来判定接入点是否应应答或者不应答注册请求。

图6示出本发明实施方案的实例。

当新的站点STA决定进入802.11无线局域网时，该站点STA首先向接入点AP发送认证请求。因为所有接入点在接入阶段使用相同的MAC地址，所以数个接入点会同时接收到该认证请求。

每个接入点调用随机ACK功能来在本地判定针对这个认证请求是否返回ACK。

然后，如图6所示，所有这些接入点AP向接入控制器AC报告接收到认证请求。该报告包括这个接收到的帧的信号强度。接入控制器AC基于信号强度、负荷平衡和/或与站点和接入点相关的特性来为新的站点STA选择服务接入点AP。

如果随机ACK返回失败(如果多于一个的接入点AP应答ACK或者没有接入点AP应答ACK)，则站点STA将立即重新传输认证请求。重新传输将继续，直至随机ACK返回成功或者达到最大重试极限。

当数个接入点AP接收到重新传输时，这些接入点AP将再次调用随机ACK功能。

在接入控制器AC为那个站点STA选择服务接入点AP之后，该服务接入点AP将通过将站点STA的MAC地址置于其服务列表中来更新其服务列表。

无论何时接入点AP成功接收到帧，接入点AP都检查其服务列表。如果该帧的源MAC地址在其服务列表中，则该接入点AP返回ACK。然后，继续进行帧处理。

一旦接入点AP注意到接收信号强度低于阈值，则该接入点AP就将低信号报告给接入控制器AC。作为集中式监控器，接入控制器AC将要求附近的接入点报告来自该站点STA的信号强度。

一旦接入控制器AC找到更合适的服务接入点AP，该接入控制器AC就将开始切换过程。如图7中所示，站点STA将数据发送给接入点AP1、AP2/AP3。此时，该站点STA的服务接入点AP1向站点STA返回ACK。当接入点AP1注意到接收信号强度变弱时，该接入点AP1向接入控制器AC报告接收信号强度。然后，接入控制器通知AP2和AP3报告来自该站点STA的信号强度，并从中选择新的服务接入点，如由接入点AP1变成接入点AP2/AP3。接入控制器AC随即将切换结果通知给AP1和AP2。接着，接入点AP1将站点STA的MAC地址从其服务列表中删除，而接入点AP2将该站点STA的MAC地址添加到其服务列表中。站点STA继续传输数据，此时，由接入点AP2返回ACK。

本发明的一个方面是本发明并不要求对现有站点进行任何修改。任何802.11站点都是兼容的。无缝切换能通过各种802.11站点来实现。

本发明的另一方面在于，本发明能利用现有系统良好工作。本发明并不要求修改协议，而仅仅是对现有接入点进行最小的配置改变。

本发明的又一方面在于，本发明方法适用于所有802.11协议族，诸如802.11i、802.11e等等。

应理解，本发明可以用各种形式的硬件、软件或其组合来实现。

尽管已参考优选实施例详细描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不偏离随附权利要求书中所阐述的本发明的精神和范围的情况下可以对其进行各种修改和替换。

Claims (20)

1.一种用于在802.11无线局域网中实现无缝切换的方法，其包括以下步骤：

当新站点进入802.11无线局域网时，该新站点首先向接入点发送认证请求；

每个接入点调用随机确认功能来判定针对该认证请求是否返回确认；

所有接入点向接入控制器报告接收到认证请求；

接入控制器为该新站点选择服务接入点AP；

该服务接入点更新服务列表，以便保存该新站点的信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，随机确认功能基于确认策略来判定是否返回确认。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确认策略是基于密度的方案或者时间交错的确认方案。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在基于密度的方案中，接入点返回确认的概率是根据网络中的接入点密度而被预先设置的。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在时间交错的确认方案中，每个接收到认证请求的接入点等待随机化的重新传输次数来避免确认冲突。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，随机化等待的重新传输次数基于一个或多个参数的分布得出。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述参数为信号强度、负荷平衡或者密度。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接入控制器基于信号强度、负荷平衡和/或与站点和接入点相关的特性来为新站点选择服务接入点。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述服务接入点通过将站点的介质访间控制地址置于服务列表中来更新服务列表。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果接入点成功接收到帧，则接入点首先检查，源地址是否在该接入点的服务列表中。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，如果源地址在服务列表中，则返回确认并且继续进行帧处理；如果源地址不在服务列表中，则接入点检查帧类型字段，以便判断帧类型是否是认证请求。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，如果帧类型不是认证请求，则接入点将直接删除该帧并且不作为；如果帧类型是认证请求，则接入点知道新的站点试图进入802.11无线局域网中，并且调用随机确认功能。

13.根据权利要求1-12之一所述的方法，其特征在于，该方法适用于所有802.11协议族。

14.一种用于在802.11无线局域网中实现无缝切换的接入点，其包括：

服务列表装置，用于保存接入点所服务的站点的信息并且在接收到帧时查询接收到的帧的源地址；

随机确认装置，用于当接收到的帧的源地址没有被包含在服务列表装置中并且接收到的帧是认证请求帧时，基于确认策略来判定针对接收到的帧是否返回确认。

15.根据权利要求14所述的接入点，其特征在于，所述站点的信息是站点的介质访间控制地址。

16.根据权利要求15所述的接入点，其特征在于，确认策略是基于密度的方案或者时间交错的确认方案。

17.根据权利要求16所述的接入点，其特征在于，在基于密度的方案中，接入点返回确认的概率是根据网络中的接入点密度而被预先设置的。

18.根据权利要求16所述的接入点，其特征在于，在时间交错的确认方案中，每个接收到认证请求的接入点等待随机化的重新传输次数来避免确认冲突。

19.根据权利要求18所述的接入点，其特征在于，随机化等待的重新传输次数基于一个或多个参数的分布得出。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述参数为信号强度、负荷平衡或者密度。

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