CN101931954B

CN101931954B - 一种基于业务区分改进无线局域网中实时业务QoS的方法

Info

Publication number: CN101931954B
Application number: CN200910152306.8A
Authority: CN
Inventors: 魏元
Original assignee: ZTE Corp; Nanjing ZTE New Software Co Ltd
Current assignee: ZTE Corp; Nanjing ZTE New Software Co Ltd
Priority date: 2009-06-22
Filing date: 2009-06-22
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2029-06-22
Also published as: CN101931954A

Abstract

本发明为一种基于业务区分改进无线局域网中实时业务QoS的方法和系统，该方法包括：在一个接入点(AP)上创建多个虚拟接点，为每个虚拟接口配置不同的服务集合标识(SSID)，所述SSID与业务类别对应，AP上还配置了业务类别与认证方式的对应关系信息；移动终端关联和/或重关联到AP时，先从该AP获取其配置的各个SSID，在认证请求中携带与该移动终端当前应用的业务类别对应的SSID；该AP根据收到的SSID对应的业务类别，选择对应的认证方式进行认证，其中对实时业务的认证快于非实时业务的认证。本发明方法基于业务类别的区分优先保证了实时业务的QoS。

Description

一种基于业务区分改进无线局域网中实时业务QoS的方法

技术领域

本发明属于无线局域网(WLAN)技术，主要涉及一种改进无线局域网中实时业务服务质量(QoS)的方法。

背景技术

首先对本说明书中用到的缩略词进行定义：

WLAN(Wireless Local Area Network)：无线局域网；

AP(Access Point)：基站、无线基站、接入点，为移动终端提供无线网络的接入服务；

Station：移动终端，WLAN中的终端用户，通过AP接入WLAN，访问网络；

SSID(Service Set ID)：服务集合标识，它是WLAN的网络名称，在Station和AP关联的过程中需要交互SSID信息；

QoS(Quality of Service)：服务质量，在本发明中主要关注“时延”这一QoS指标；

EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)：增强的分布式信道访问，是IEEE802.11e的基本应用模式；

TC(Traffic Class)：业务流分类，由IEEE 802.11e标准规定，有语音、视频、尽力而为和背景这四种分类；

CSMA/CA：带冲突避免的载波侦听多址接入，是IEEE802.11规定的无线信道访问协议；

RADIUS服务器：认证服务器，用于验证移动终端的身份

随着无线传输技术的发展，基于IEEE 802.11协议的WLAN得到了广泛的部署。WLAN的各种应用特别是实时性较强的多媒体应用得到迅速发展。实时应用对传输时延比较敏感，必须尽量采取措施减小传输时延，以保障实时业务的QoS。

WLAN有两种组网模式(基础设施模式和自组网模式)，本发明主要针对基础设施模式，该模式下的WLAN主要有两个部分构成：Station和AP，如图1，Station必须和某一AP关联(Association)才能进行网络通信。由于AP的无线信号发射和覆盖范围有限，当Station在WLAN内移动时，会移出当前关联AP的覆盖范围而进入另一个AP的覆盖范围，从而引发切换--Station和当前关联的AP断开，和新AP关联。

该模式下实时业务的QoS在越区切换及数据传输这两个环节均可能受到影响。

IEEE 802.11协议规定的AP间的切换过程包括三个阶段，如下：

1)Station扫描(Scan)发现新的可提供服务的AP；

2)Station向新AP进行认证(Authentication)；

3)Station和新AP进行关联，关联成功后AP间切换过程结束。

上述三个阶段时延的总和就是AP间切换的总时延，如图2所示。其中扫描时延一般为上百到几百毫秒；认证时延因认证方式而异，如果采用802.1X等复杂认证方式，认证时延会以秒为数量级，若采用Open或者Sharedkey等较为简单的认证方式，认证时延为几毫秒；关联时延为几毫秒。AP间切换所产生的切换时延会造成传输时延的增加、数据包的丢失和抖动，这严重影响了实时应用的性能。优化AP间切换过程，减小切换时延也是实时应用在WLAN环境下得以大规模部署的重要前提。本发明主要关注了切换过程中的认证时延。

Station在和AP关联时，需要用到服务集合标识(SSID)。SSID是由网络管理员设定的用户可见的WLAN标识。接入网络时需要发起关联或者重关联，并利用SSID区分不同的网络。AP通过信标(Beacon)帧广播或者探寻应答(Probe Response)帧向Station发送SSID，不同用户可以选择不同的SSID向AP发起关联以连入不同的网络，SSID信息在关联的过程中会在AP和Station之间进行交互。以分别运行语音和数据两种业务的用户通过两种不同方式获得两种不同的SSID为例，交互过程如图3A和图3B所示(认证过程略去)。

在IEEE 802.11协议中，基于信道竞争的分布式协调功能(DCF)是访问信道的基本应用模式。在该模式下，无线网络提供了“尽力而为”的服务，实时应用和非实时应用通过CSMA/CA公平地竞争信道，在网络中参与竞争信道的移动终端增多的情况下，网络负载变大，报文的冲突重传增多，有可能产生不可预期的延迟，无法对实时应用的QOS进行保障。为此IEEE标准委员会的802.11e工作组2005年11月正式确定了802.11e标准，提出了基于无线链路MAC子层的一些QoS控制和保障机制，基于信道竞争的增强的分布式信道访问(EDCA)作为DCF的增强，与DCF后向兼容。EDCA在网络中每个AP中设置了四个业务流分类(TC)，不同的TC优先级不同，其中实时业务被分配了较高的优先级，这些TC独立地竞争发送机会，如图4所示。IEEE 802.11e中有很多性能参数，可以通过为各个TC设置不同的参数来保证高优先级的实时业务的QoS，减小实时业务的传输时延。

目前，WLAN中的实时业务的QoS主要还存在以下问题：

1)实时应用和一般数据应用在AP间切换时采用相同的认证机制。由于数据应用对安全性要求较高，所以切换时二层认证应采用较为复杂的方式，如基于IEEE 802.1X协议的认证等。但是复杂认证方式的认证时延是很大的，这对于实时应用来讲并不可行，而且，实时应用关注的重点在于实时性而非安全性，因此在数据应用和实时应用不作区分的情况下，实时应用的切换时延会很大，严重影响了其性能。

2)未能够综合考虑实时应用在AP间切换和数据传输过程中的QoS，往往只是对两者中的某一方面进行考虑和优化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于业务区分改进无线局域网中实时业务QoS的方法，优先保证实时业务的QoS。

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于业务区分改进无线局域网中实时业务QoS的方法，包括：

在一个接入点(AP)上创建多个虚拟接点，为每个虚拟接口配置不同的服务集合标识(SSID)，所述SSID与业务类别对应，AP上还配置了业务类别与认证方式的对应关系信息；

移动终端关联和/或重关联到AP时，先从该AP获取其配置的各个SSID，在认证请求中携带与该移动终端当前应用的业务类别对应的SSID；该AP根据收到的SSID对应的业务类别，选择对应的认证方式进行认证，其中对实时业务的认证快于非实时业务的认证。

进一步地，通过在AP上创建的多个虚拟接口在AP上实现多个虚拟AP，多个虚拟AP上SSID相同的虚拟接口构成一个虚拟的无线局域网(VLAN)；

所述移动终端选择具有与其当前应用的业务类别对应的SSID的虚拟无线局域网接入。

进一步地，移动终端是通过以下方式从AP获取其配置的多个SSID的：移动终端向AP发送探寻请求帧，从该AP返回的探寻应答帧中得到该AP配置的多个SSID；或者，移动终端通过AP周期性广播的信标帧中获得该AP配置的多个SSID。

进一步地，SSID中包含有该SSID对应的业务类别的信息，移动终端根据SSID中包含的业务类别信息确定其当前应用的业务类别对应的SSID。

进一步地，所述AP对实时业务，使用开放式(Open)或者共享密钥式(Shared Key)的认证方式；对非实时业务，使用基于第三方认证服务器的认证方式。

进一步地，在AP上对移动终端发送的不同业务流，基于增强的分布式信道访问(EDCA)模式实现竞争信道的优先级区分，实时业务分配高优先级，在竞争信道时得到优先处理。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种基于业务区分改进无线局域网中实时业务QoS的系统，包括移动终端和接入点(AP)，其特征在于：

所述AP包括：配置模块，用于创建多个虚拟接口，为每个虚拟接口配置一包含业务类别信息的服务集合标识(SSID)，并配置业务类别与认证方式的对应关系信息；认证模块，用于根据收到的SSID对应的业务类别，选择对应的认证方式进行认证，其中对实时业务的认证快于非实时业务的认证；

所述移动终端用于在关联到AP时，先从该AP获取其配置的各个SSID，并在认证请求中携带与该移动终端当前应用的业务类别对应的SSID。

进一步地，所述AP通过创建多个虚拟接口实现多个虚拟AP，多个虚拟AP上SSID相同的虚拟接口构成一个虚拟的无线局域网(VLAN)；

进一步地，所述AP还包括：通知模块，用于在收到移动终端发送的探寻请求帧后，在返回的探寻应答帧中携带本AP配置的多个SSID，或者，在周期性广播的信标帧中携带本AP配置的多个SSID。

所述认证模块，对对实时业务，使用开放式(Open)或者共享密钥式(Shared Key)的认证方式；对非实时业务，使用基于第三方认证服务器的认证方式。

进一步地，所述AP还包括：信道竞争控制模块，用于对移动终端发送的不同业务流，基于增强的分布式信道访问(EDCA)模式实现竞争信道的优先级区分，实时业务分配高优先级，在竞争信道时优先处理。

本发明针对无线局域网的实时应用，提出了一种基于业务区分的QoS保障机制。此机制在认证方式上将数据应用和实时应用对应到两个不同的虚拟WLAN，二者采用不同的认证方式，以保证实时应用在切换时对时延的要求和数据应用对通信安全的要求；进一步地，还可以将通过虚拟接口实现不同业务认证方式的区分这一方法与EDCA相结合，实现不同应用在访问网络的多个环节中的业务区分。在切换时，实时业务可以使用简单的认证方式，切换时延得到了很大程度的降低；数据传输时，实时业务在竞争信道时有更大的几率接入信道并发送数据，QoS得到优先保证。

附图说明

图1是基础设设施模式的WLAN的网络结构图；

图2是802.11协议规定的使用主动探寻的一般切换流程图；

图3A是SSID在语音终端与AP关联中的作用的示意图；

图3B是SSID在数据终端与AP关联中的作用的示意图；

图4是IEEE 802.11e EDCA信道访问机制的示意图；

图5是本发明实施例在一个物理AP上实现多个虚拟AP的示意图；

图6是本发明实施例基于SSID的业务区分示意图；

图7是本发明实施例不同SSID的虚拟AP构成多个虚拟WLAN的示意图；

图8是本发明实施例区分业务的移动终端在AP间切换的过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述：

本实施例中，在单个物理AP上配置多个虚拟AP，虚拟AP可以通过在AP上创建多个虚拟接口来实现，如图5所示。虚拟接口是通过工具wlanconfig创建和销毁的。为每个虚拟接口设置一个SSID，多个AP上SSID相同的虚拟接口构成一个虚拟的WLAN，这样可以将一个物理的WLAN虚拟成多个WLAN。对于同一AP，可以使其服务于多个SSID，用户只需要根据不同的业务来选择不同的SSID即可连接到相应的虚拟AP。

此外，AP上还配置了业务类别与认证方式的对应关系信息，该对应关系信息可以是SSID与认证方式的对应关系，因为业务类别总是对应到一个SSID，因此也可以确定业务类别对应的认证方式。

本发明实施例方法的具体步骤如下：

步骤一，AP广播的信标帧或者发送的探寻应答帧中含有SSID信息，该SSID须包含业务类别的信息，Station通过主动探寻或者是AP的周期性广播Beacon帧获得可探测到的AP的SSID，如图6所示。

AP同时广播多种含有不同SSID的信标帧(以两种为例)，如图6所示，SSID号为“VoIP”的对应实时应用，SSID号为“Data”的对应数据应用，每种信标帧各占一定的比例，例如，二者可以各占所广播信标帧总数的50％。

或者当AP接收到Station发来的探寻请求帧时，返回两种含有不同SSID的探寻应答帧，其中每种SSID对应的探寻应答帧各占一定的比例，例如二者可以各占探寻应答帧总数的一半。

由于一块物理网卡同一时间只能在一个固定频段上工作，因此需保证同一网卡上的所有虚拟AP工作在同一个信道上。所以AP虽然服务于不同SSID对应的多个虚拟WLAN，如图7所示，但是于同一AP，所有虚拟WLAN使用相同的信道。

步骤二，Station收到应答帧或信标帧后根据自己当前应用的业务选择具有对应SSID的虚拟WLAN接入，向相应的AP发送认证请求，在认证请求中携带该SSID；

步骤三，AP根据SSID来获知Station当前应用的业务类别，选择对应的认证方式进行认证，并返回认证应答；

对于实时应用对应的虚拟WLAN，如图6中的“VoIP”使用开放式(Open)或者共享密钥式(Shared Key)的认证方式；对于数据应用对应的虚拟WLAN，如图6中的“Data”使用基于第三方认证服务器的认证方式。

步骤四，认证完成后，Station向AP发送关联请求，AP进行关联应答，完成网络接入；

通过以上步骤，实现了在Station接入网络过程中的基于SSID的业务区分。

步骤五，接入网络后，Station可以发送数据，不同Station上的业务类别可以不同，不同业务流在AP上基于EDCA模式实现竞争信道的优先级区分，实时业务分配高优先级，在竞争信道时得到优先处理；

数据传输时，通过EDCA机制实现4个优先级的TC，在竞争窗口、帧间间隔以及回退机制的设计上进行区分，不同业务的数据有相应的MAC帧头，并进入不同的发送队列，有不同的竞争信道并发送数据的机会。实时应用的数据帧在帧头被标以高优先级的标识，竞争信道时进入高优先级的传输队列。在竞争信道时可以得到优先处理，获得比较高的QoS。

步骤六，Station移动出当前关联AP的信号覆盖范围，进入另一AP的信号覆盖范围，发生切换。切换时，Station根据当前的SSID向新的AP即目标AP发起重关联，重关联过程和之前的关联过程相似，Station根据当前应用的业务选择相应的虚拟WLAN接入，在认证时将SSID通知目标AP，目标AP根据SSID选择相应的认证方式对Station进行认证，实时业务快速认证，非实时业务复杂认证，完成重关联后对不同业务流同样基于EDCA模式实现竞争信道的优先级区分。

通过以上步骤，切换认证业务区分和数据传输业务区分结合，使两方面业务区分机制同时实现，如图8所示，在Station接入网络、发送数据、切换认证过程均实现了业务区分，并优先保证实时业务的QoS(简单快速的认证方式、更大的竞争信道的机会等)。

在上述实施例中，基于SSID的业务区分机制，在AP上实现多虚拟接口，并设置多SSID，不同业务可根据不同SSID接入不同网络，使得实时应用和非实时应用对应不同的虚拟WLAN和不同的认证方式，以实现切换时不同业务具有不同的认证时延；数据传输利用802.11e的EDCA协议，实现数据传输过程中信道竞争的业务区分。通过设置虚拟接口以及EDCA的结合，实现WLAN接入、认证以及数据传输过程的业务区分，减小实时业务的认证时延，优先保证实时业务的QoS。

相应地，本实施例基于业务区分改进无线局域网中实时业务QoS的系统，包括移动终端和接入点(AP)，其中：

移动终端用于在关联和重关联到AP时，先从该AP获取其配置的各个SSID，并在认证请求中携带与该移动终端当前应用的业务类别对应的SSID。

AP包括：

配置模块，用于创建多个虚拟接口，为每个虚拟接口配置一包含业务类别信息的服务集合标识(SSID)，并配置业务类别与认证方式的对应关系信息。

认证模块，用于根据收到的SSID对应的业务类别，选择对应的认证方式进行认证，其中对实时业务的认证快于非实时业务的认证。例如，对对实时业务，使用开放式(Open)或者共享密钥式(Shared Key)的认证方式；对非实时业务，使用基于第三方认证服务器的认证方式。

通知模块，用于在收到移动终端发送的探寻请求帧后，在返回的探寻应答帧中携带本AP配置的多个SSID，或者，在周期性广播的信标帧中携带本AP配置的多个SSID。

信道竞争控制模块，用于对移动终端发送的不同业务流，基于增强的分布式信道访问(EDCA)模式实现竞争信道的优先级区分，实时业务分配高优先级，在竞争信道时优先处理。

AP通过创建多个虚拟接口实现多个虚拟AP，多个虚拟AP上SSID相同的虚拟接口构成一个虚拟的无线局域网(VLAN)。移动终端选择具有与其当前应用的业务类别对应的SSID的虚拟无线局域网接入。

本发明还可有其他多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种基于业务区分改进无线局域网中实时业务QoS的方法，包括：

在一个接入点AP上创建多个虚拟接口，为每个虚拟接口配置不同的服务集合标识SSID，所述SSID与业务类别对应，AP上还配置了业务类别与认证方式的对应关系信息；

移动终端关联或重关联到AP时，先从该AP获取其配置的各个SSID，在认证请求中携带与该移动终端当前应用的业务类别对应的SSID；该AP根据收到的SSID对应的业务类别，选择对应的认证方式进行认证，其中对实时业务的认证快于非实时业务的认证。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

通过在AP上创建的多个虚拟接口在AP上实现多个虚拟AP，多个虚拟AP上SSID相同的虚拟接口构成一个虚拟无线局域网(VLAN)；

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

移动终端是通过以下方式从AP获取其配置的多个SSID的：移动终端向AP发送探寻请求帧，从该AP返回的探寻应答帧中得到该AP配置的多个SSID；或者，移动终端通过AP周期性广播的信标帧中获得该AP配置的多个SSID。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

SSID中包含有该SSID对应的业务类别的信息，移动终端根据SSID中包含的业务类别信息确定其当前应用的业务类别对应的SSID。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述AP对实时业务，使用开放式(Open)或者共享密钥式(Shared Key)的认证方式；对非实时业务，使用基于第三方认证服务器的认证方式。

6.如权利要求1或2或4或5所述的方法，其特征在于：

在AP上对移动终端发送的不同业务流，基于增强的分布式信道访问EDCA模式实现竞争信道的优先级区分，实时业务分配高优先级，在竞争信道时得到优先处理。

7.一种基于业务区分改进无线局域网中实时业务QoS的系统，包括移动终端和接入点AP，其特征在于：

所述AP包括：配置模块，用于创建多个虚拟接口，为每个虚拟接口配置一包含业务类别信息的服务集合标识SSID，并配置业务类别与认证方式的对应关系信息；认证模块，用于根据收到的SSID对应的业务类别，选择对应的认证方式进行认证，其中对实时业务的认证快于非实时业务的认证；

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于：

所述AP通过创建多个虚拟接口实现多个虚拟AP，多个虚拟AP上SSID相同的虚拟接口构成一个虚拟无线局域网(VLAN)；

9.如权利要求7或8所述的系统，其特征在于：

所述AP还包括：通知模块，用于在收到移动终端发送的探寻请求帧后，在返回的探寻应答帧中携带本AP配置的多个SSID，或者，在周期性广播的信标帧中携带本AP配置的多个SSID；

所述认证模块，对实时业务，使用开放式(Open)或者共享密钥式(SharedKey)的认证方式；对非实时业务，使用基于第三方认证服务器的认证方式。

10.如权利要求7或8所述的系统，其特征在于：

所述AP还包括：信道竞争控制模块，用于对移动终端发送的不同业务流，基于增强的分布式信道访问EDCA模式实现竞争信道的优先级区分，实时业务分配高优先级，在竞争信道时优先处理。