CN104955069B - 一种基于sdn的异信道部署wlan系统及其无缝切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SDN的异信道部署WLAN系统及其无缝切换方法，该WLAN系统包括物理接入点AP和控制器，物理AP是一个或多个，每个物理AP能够工作在不同的信道，每个物理AP承载着多个虚拟AP，每个用户终端对应一个虚拟AP，物理AP在特定信道上进行信号传输时能够对不同信道上的用户终端信号进行监测，并将检测到的信号实时上传至控制器；控制器对物理AP上传的信号强度进行切换判决，并如果需要切换则发出指令让用户终端切换到目的物理AP的信道，同时虚拟AP切换至目的AP。

Description

一种基于SDN的异信道部署WLAN系统及其无缝切换方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于SDN的异信道部署WLAN系统及其无缝切换方法。

背景技术

随着智能终端和无线业务的发展，用户对无线接入的带宽和质量有了更高的需求，基于802.11的无线局域网(WLAN)也有了更广泛的应用。然而随着WLAN网络的部署越来越密集，用户在不同接入点间的切换也更加频繁，频繁的切换会对网络QoS指标带来严重的影响，比如增加时延和丢包率等。但是无线局域网并非为移动而设计，传统的WLAN网络没有实现无缝切换的机制，因此很多业务比如VoIP、实时音视频业务等在WLAN网络下效果并不是很理想，特别是在用户移动和跨接入点切换时，对传输的服务质量影响更大。为了支持WLAN网络接入点间的移动性，从目前的技术和文献来看，主要包括硬切换、平滑切换、基于组播的切换以及基于虚拟接入点的无缝切换方式。

硬切换是当满足切换条件时，移动节点需要先和原接入节点断开，然后再和新接入点连接，由于该切换方法的简便性，已经被广泛应用于目前的WLAN网络中，但是该方法没有对数据进行任何的重传和恢复，因此会带来严重的丢包甚至业务中断。

平滑切换是指当移动节点将要切换至新的节点时，原节点需要通知新节点做好切换准备，并将移动节点的相关数据信息缓存至新的接入点。这种方法可以降低切换时的丢包率，但是其他的数据包要等到旧AP转发完毕之后，才能继续传递，间接的增加了切换时延，这对于实时应用是很不利的。对于基于组播的切换方式则需要扩充AP的功能，并要求邻近的AP也加入多播组，该切换方式可以降低切换时延、丢包率；但是由于该切换方式中多播树的维护开销很大，限制了它的使用。

公开号是CN104023364A的专利文献提出了一种基于虚拟接入点的切换方式，该切换方法通过在物理接入点(AP)上构建虚拟接入点(VAP)，并为每个连接用户分配一个唯一的VAP。当用户在不同的物理接入点间移动时，将用户所对应的VAP迁移到相应的物理AP上，与用户维持了同一个连接，对用户来说相当于没有发生切换。因此可以实现接入节点间的无缝切换，然而为了实现这种无线切换技术，不同的接入点间需要采用相同的信道进行部署，由于基于802.11的WLAN网络采用CSMA/CA的方式进行信道的使用，同信道部署会大大降低WLAN网络的总体容量，导致重叠区域内用户的连接速率下降。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种基于SDN的异信道部署WLAN系统及其无缝切换方法，该系统一方面可以实现WLAN的无缝切换，另一方面也可以消除重叠区域内连接至不同节点的用户间的竞争和碰撞，消除同频部署对网络性能带来的降低。

(二)技术方案

本发明提出了一种基于SDN的异信道部署的WLAN网络的系统和无缝切换方法。该系统通过使用SDN技术，实现了对WLAN网络控制与数据转发面的分离。使WLAN的控制功能集中于控制器上实现，并使用软件的方式实现WLAN接入点功能，同时在传统的物理AP上引入虚拟AP概念，每个物理AP维护一个虚拟AP池。

虚拟AP是运行在物理AP之上的软件实例，物理AP功能为完成射频信号、基带信号及协议处理等。而虚拟AP不具备真实的信号处理和协议处理功能，需要依赖于物理AP来实现这些功能；虚拟AP的主要功能是处理已连接用户终端的状态信息、路由信息等，虚拟AP唯一性由SSID，BSSID，MAC地址和IP地址来标志。当用户连接至物理AP时，物理AP会为用户分配一个唯一的虚拟AP，维持其连接，当用户从物理AP离开时，物理AP将在控制器的协助下移除该虚拟AP。

传统的WLAN接入点运行于工作状态时，只能工作于一个特定的工作频段，这是因为信号传输时射频装置只能工作于一个信道。信号监测和信号传输共用一个射频装置，因此信号监测装置无法侦测其他信道上用户情况，无法为异频信道接入点间切换提供支持。该发明为接入点引入了独立的信号监测装置，使得AP的信号监测和信号传输功能分离，从而使得AP可以在信号传输的同时对所有信道进行用户终端监测。

在本系统中，AP会将已连接和以检测到的用户终端信息上传至控制器，控制器对网络接入点和用户有全局的状态信息视图，因此控制器可以做出更智能和优化的用户切换方案。本发明中，由于每个已连接用户均对应一个虚拟AP，该虚拟AP负责维护保持用户的连接信息，因此当用户终端需要进行切换时，假设由M->N，在控制器的控制下将用户所对应的虚拟AP由M切换至N，同时用户终端变更到相应的工作信道即可实现无缝切换，避免了传统AP间切换所带来的二层和三层之间的切换。

(三)有益效果

利用本发明的方法，在WLAN接入点上引入了虚拟接入点，每个用户对一个唯一的虚拟接入点，并在接入点设备上引入了信号监测装置，从而具有以下优点：可以使得接入点在传送数据的同时可以在不同的信道上进行信号测量；该测量数据可以作为虚拟接入点的迁移判决的依据；不同接入点可以采用不同的信道进行部署，并且实现接入点间的无缝切换。

附图说明

图1是WLAN接入点的结构图；

图2是根据本发明的基于SDN的异信道部署WLAN系统无缝切换方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提出了一种基于SDN的异信道部署的WLAN系统，该系统的基本原理是基于SDN技术使用软件在通用处理器和射频设备实现无线接入点的功能，传统的单个物理接入点(AP)将可以承载多个由软件构成的虚拟接入点，网络中每个用户终端将对应一个虚拟AP，WLAN组网中虚拟AP由集中的控制器进行统一的控制。同时，该系统在每个物理接入点上引入信号检测装置，使得信号检测与信号传输在硬件上分离，从而可以使得AP在特定信道传输数据时还可以对不同的信道上的无线设备进行扫描和发现。物理AP会将信号检测装置检测到的移动终端设备的信号传输至控制器，控制器会根据不同AP传输来的终端的信号强度判断是否已经达到切换条件，当达到切换条件时，控制器会通过原附着AP向需要切换的终端设备发送切换指令，使得终端设备切换至目的AP的工作频段，同时将终端所附着的虚拟AP切换至目的物理AP，从而可以实现WLAN网络中的无缝切换。

根据本发明的基于SDN的异信道部署的WLAN系统包括WLAN接入点AP、用户设备和控制器。

图1为所述WLAN接入点的结构图。参照图1，

该WLAN接入点包括：射频设备、基带设备和网络设备，其中射频设备又进一步包括信号监测装置1和信号传输装置2，基带设备进一步包括基带信号处理装置3、协议处理装置4、虚拟AP池5(虚拟AP池包括虚拟AP1、虚拟AP2等一系列虚拟AP)，网络设备进一步包括网络传输装置6。

虚拟AP是运行在物理AP之上的软件实例，物理AP功能为完成射频信号、基带信号及协议处理等。而虚拟AP不具备真实的信号处理和协议处理功能，需要依赖于物理AP来实现这些功能；虚拟AP的主要功能是处理已连接用户终端的状态信息、路由信息等，虚拟AP唯一性由SSID，BSSID，MAC地址和IP地址来标志。当用户连接至物理AP时，物理AP会为用户分配一个唯一的虚拟AP，维持其连接，当用户从物理AP离开时，物理AP将在控制器的协助下移除该虚拟AP。

信号监测装置1用于在不同的信道循环监测是否存在用户设备。802.11协议将划分了11个或13个频谱信道(不同的国家不一样)，由于传统的物理AP信号监测和信号传输使用同一个射频模块，当物理AP处于信号传输时只能工作于某一特定信道，此时物理AP也只能在该信道进行信号检测，因此无法发现其他信道的用户。本发明中物理AP具有独立的信号监测装置1，其工作信道不受信号传输所使用信道的影响。因此在信号传输时，信号监测装置1可以周期地调整其工作信道，例如每个信道工作10ms，然后切换至下一个信道，在每个信道上监测用户的Probe帧，以确定是否有用户终端存在，并收集用户终端的MAC地址和信号强度。

信号传输装置2用于无线数据的收发，当物理AP工作时，信号传输装置2只工作于一个特定的信道。物理AP通过信号传输装置2与用户终端进行数据的交互。

基带信号处理装置3用于完成基带信号的调制解调。

协议处理装置4用于实现802.11协议的解析与封装。

虚拟AP池5负责维护物理AP上所运行的虚拟AP。

网络传输装置6负责与控制器进行控制信息的交互。

在物理AP的运行过程中，信号传输装置2同时也具有信号监测功能，但是其只能在该信号传输装置2所工作的信道上进行信号监测，因此它可以监测到已连接到该物理AP的用户终端的信号强度信息，物理AP的网络传输装置2会将已连接用户的信号强度信息、MAC地址、IP地址等信息实时发送到网络控制器。

同时，信号监测装置1在周期的调整其工作信道，循环工作在不同信道上，当工作在特定信道时，信号监测装置1会监测工作在该信道的用户终端的信号强度，并从该用户终端所发送的Probe帧中获取用户的设备信息(包括MAC地址等)。

当信号监测装置1监测到用户终端之后，需要通过网络传输装置6向控制器发送该用户终端的MAC地址、信号强度，以及物理AP的信号传输装置2的工作信道Chn。

控制器会将已连接至网络的用户终端MAC地址存储在数据库中，当控制器接收到物理接入点{AP₀，AP₁...AP_n}n≥0(意味着有一个或多个AP监测到终端信号)上传来的用户终端MAC地址后，会根据该MAC地址判断该用户终端是否已经连接至网络，如果该用户终端尚未连接至任何接入点，则为该用户终端在该物理接入点集合{AP₀，AP₁...AP_n}中选取监测到终端信号最强的AP_k，并在AP_k为用户终端分配虚拟接入点VAP，包含SSID,BSSID,MAC地址和MAC地址；如果该用户终端已经连接至其他物理接入点AP_x上，这意味着已经有一个虚拟接入点VAP_x为其服务，根据前面所述，这时控制器同时具有从{AP₀，AP₁...AP_n}和AP_x发来的该用户终端的信号强度{S₀，S₁...S_n}和S_x，控制器会选取{S₀，S₁...S_n}中的最大信号强度S_k，并将其与S_x比较，当S_k-S_x≥τ时(τ为系统预设的切换门限)，则控制器需要保存VAP_x各项信息，然后从AP_x上删除VAP_x，再在AP_k上生成与VAP_x信息一致的VAP_k；同时控制器向用户终端设备原连接的物理接入点AP_x发送切换命令，包括AP_k信号传输装置的工作信道Chn等。物理接入点AP_x通过Action帧向用户设备发出工作频段信道命令，工作信道切换至Chn，至此完成无缝切换操作。

本发明还提出一种在上述的WLAN系统中实现的基于SDN的无缝切换方法，图2为该方法的流程图。如图2所示，该方法包括以下各步骤：

步骤1，WLAN系统中个物理接入点将所连接用户终端的信号强度实时上传至控制器。

步骤2，WLAN系统中的各个物理的信号监测装置对不同的信道进行测量，监测是否有用户终端。

步骤3，当监测到用户终端时，向控制器报告该接入点工作信道，用户终端MAC及用户信号强度。

步骤4，控制器可能会受到多个物理AP传来的同一个用户终端的信息，控制器会根据用户终端MAC判断该终端是否已经接入网络，如果该终端已经接入到网络，则进入步骤5。如果未接入网络，则需要从多个物理AP中选取监测到终端信号最强的物理AP，并在该物理AP为用户终端分配虚拟接入点VAP。

步骤5，设该用户终端原物理接入点为AP_x，所对应的虚拟接入点为VAP_x，所对应的终端信号强度为S_x；共有多个AP{AP₀，AP₁...AP_n}监测到了该用户终端信号，其所对应信号强度为{S₀，S₁...S_n}。控制器会选取{S₀，S₁...S_n}中的最大信号强度S_k，并将其与S_x比较，判断S_k-S_x≥τ是否满足(τ为系统预设的切换门限)，如果不满足，切换判决流程结束，不执行切换。否则进入步骤6。

步骤6，控制器向AP_x发送切换信息，包括用户终端信息，目的接入点工作信道。同时控制器需要保存VAP_x各项信息。

步骤7，原物理接入点AP_x向用户终端发送切换信令，通知用户终端切换至目的工作信道。

步骤8，原物理接入点AP_x移除VAP_x信息，并在AP_k上生成与VAP_x相同信息的VAP_k。

步骤9，用户终端与目的物理接入点建立连接，完成无缝切换。

综上，根据本发明，在WLAN网络节点上引入了信号监测装置，使得信号监测和传输分离，从而不同的网络节点可以异频部署，一方面可以实现WLAN的无缝切换，另一方面也可以消除重叠区域内连接至不同节点的用户间的竞争和碰撞，消除同频部署对网络性能带来的降低。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于SDN的异信道部署WLAN系统，该WLAN系统包括物理接入点AP和控制器，物理AP是一个或多个，每个物理AP能够工作在不同的信道，每个物理AP承载着多个虚拟AP，每个用户终端对应一个虚拟AP，物理AP在特定信道上进行信号传输时能够对不同信道上的用户终端信号进行监测，并将检测到的信号实时上传至控制器；控制器对物理AP上传的信号强度进行切换判决，并如果需要切换则发出指令让用户终端切换到目的物理AP的信道，同时虚拟AP切换至目的AP，其特征在于，所述物理接入点AP的射频设备进一步包括信号监测装置和信号传输装置，信号监测装置周期地调整其工作信道，在每个信道上监测用户终端的Probe帧，以确定是否有用户终端存在，并收集用户终端的MAC地址和信号强度，信号监测装置监测到用户终端之后，通过网络传输装置向控制器发送该用户终端的MAC地址、信号强度，以及物理AP的信号传输装置的工作信道Chn，信号传输装置用于无线数据的收发，当物理AP工作时，信号传输装置只工作于一个特定的信道，物理AP通过信号传输装置与用户终端进行数据的交互，信号传输装置同时也具有信号监测功能，在该信号传输装置所工作的信道上进行信号监测，即能够监测到已连接到该物理AP的用户终端的信号强度信息，该物理AP的网络传输装置会将已连接的用户终端的信息实时发送到网络控制器，控制器将已连接至网络的用户终端的MAC地址存储在数据库中，当控制器接收到第一物理接入点AP上传来的用户终端MAC地址后，会根据该MAC地址判断该用户终端是否已经连接至网络，如果该用户终端尚未连接至任何接入点，则为该用户终端在该第一物理接入点AP为其分配第一虚拟接入点VAP，包含SSID,BSSID,MAC地址和MAC地址；如果该用户终端已经连接至第二物理接入点AP上，即已经有一个第二虚拟接入点VAP为其服务，这时控制器同时具有从第一AP和第二AP发来的该用户终端的第一信号强度和第二信号强度，控制器根据该第一信号强度和第二信号强度判断如果用户终端需要切换到第一AP，则控制器需要保存第二虚拟接入点VAP的各项信息，然后从第二AP上删除第二VAP，再在第一AP上生成第二VAP，同时控制器向用户终端设备原连接的第二物理接入点AP发送切换命令，包括第一AP的信号传输装置的工作信道Chn，第二物理接入点AP通过Action帧向用户设备发出工作频段信道命令，工作信道切换至Chn，至此完成无缝切换操作。

2.一种在上述的WLAN系统中实现的基于SDN的无缝切换方法，该方法包括步骤：

步骤1，WLAN系统中一个和多个物理接入点AP将所连接用户终端的信号强度实时上传至控制器，所述物理接入点AP的射频设备进一步包括信号监测装置和信号传输装置，信号监测装置用于周期地调整其工作信道，在每个信道上监测用户终端的Probe帧，以确定是否有用户终端存在，并收集用户终端的MAC地址和信号强度，信号监测装置监测到用户终端之后，通过网络传输装置向控制器发送该用户终端的MAC地址、信号强度，以及物理AP的信号传输装置的工作信道Chn，信号传输装置用于无线数据的收发，当物理AP工作时，信号传输装置只工作于一个特定的信道，物理AP通过信号传输装置与用户终端进行数据的交互，信号传输装置同时也具有信号监测功能，在该信号传输装置所工作的信道上进行信号监测，即能够监测到已连接到该物理AP的用户终端的信号强度信息，该物理AP的网络传输装置会将已连接的用户终端的信息实时发送到网络控制器；

步骤2，WLAN系统中的各个物理AP的信号监测装置对不同的信道进行测量，监测是否有用户终端，信号监测装置周期地调整其工作信道，在每个信道上监测用户终端的Probe帧，以确定是否有用户终端存在，并收集用户终端的MAC地址和信号强度，信号传输装置也具有信号监测功能，在该信号传输装置所工作的信道上进行信号监测，即能够监测到已连接到该物理AP的用户终端的信号强度信息，该物理AP的网络传输装置会将已连接的用户终端的信息实时发送到网络控制器；

步骤3，当监测到用户终端时，信号监测装置和/或信号传输装置向控制器报告该接入点工作信道，用户终端MAC及用户信号强度；

步骤4，控制器可能会受到多个物理AP传来的同一个用户终端的信息，控制器会根据用户终端MAC判断该终端是否已经接入网络，如果该终端已经接入到网络，则进入步骤5，如果未接入网络，则需要从多个物理AP中选取监测到终端信号最强的物理AP，并在该物理AP为用户终端分配虚拟接入点VAP；

步骤5，设该用户终端原物理接入点为AP_x，所对应的虚拟接入点为VAP_x，所对应的终端信号强度为S_x；共有n个AP{AP₀，AP₁...AP_n}监测到了该用户终端信号，其所对应信号强度为{S₀，S₁...S_n}，n是大于等于1的整数，控制器会选取{S₀，S₁...S_n}中的最大信号强度S_k，并将其与S_x比较，判断S_k-S_x≥τ是否满足，τ为系统预设的切换门限，如果不满足，切换判决流程结束，不执行切换，否则进入步骤6，

步骤6，控制器向AP_x发送切换信息，包括用户终端信息，目的接入点工作信道，同时控制器需要保存VAP_x各项信息，

步骤7，原物理接入点AP_x向用户终端发送切换信令，通知用户终端切换至目的工作信道，

步骤8，原物理接入点AP_x移除VAP_x信息，并在AP_k上生成与VAP_x相同信息的VAP_k，

步骤9，用户终端与目的物理接入点建立连接，完成无缝切换。