CN105657760A - 一种基于邻居图算法的WiFi无缝切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于邻居图算法的WiFi无缝切换方法，包括建邻居图、通过两级决策选定目标AP、切换到目标AP；邻居图中的信息主要包括AP标志、AP位置、工作信道、BSSID、负载、最大流量、Qos等级。第一级决策大大减少了扫描所需的时间，第二级决策则用于选定目标AP；在选定AP后，采用预先保留资源的方式进行快速切换。由于本发明的扫描过程利用了邻居图中已有的信息，减少了扫描信道的数量和扫描每个信道的时间，大大加快了扫描的速度，同时由于减少了探测响应帧的数量，减少了扫描所需的带宽，对网络性能的提升有很大的帮助。另一方面，本发明的技术方案与现有的802.11r协议紧密结合，易于部署实现。

Description

一种基于邻居图算法的WiFi无缝切换方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更具体地，涉及一种基于邻居图算法的WiFi无缝切换方法。

背景技术

近来，WiFi(WirelessFidelity)需求大幅提升，互联网巨头纷纷以WiFi应用平台的形式入局商业WiFi领域。商用WiFi通常由一个公司布置，所有相关的AP(AccessPoint)有相同的SSID(ServiceSetIdentifier)，即都属于同一个ESS(ExtendedService)，均可以进行WiFi切换，切换的速度则与用户体验切切相关。

WiFi的无缝切换包含了扫描、认证、重连三个过程；扫描与认证速度决定了WiFi切换的速度，就目前而言，扫描占了WiFi切换90％以上的时长，已成为影响用户漫游体验的主要因素。

现有技术中，IEEE802.11r协议提出的快速切换机制着眼于减少切换过程中认证所需的时间，在减少切换时延、提高Qos保障方面做出了有效的改进，但该协议所提出的快速切换机制并没有规定STA(Station)发现与选择目标AP的方式。

IEEE802.11f协议提出的邻居图算法是在ESS中设置一个邻居图服务器，将ESS中的邻居图信息存放在该服务器中，每当有STA进入该ESS，邻居图服务器便会向它们提供AP的邻居图信息。由于在邻居图中保存着附近AP的信息，AP可以提前与邻居进行信息交互，提前完成认证过程，减少认证所需时间；但STA需要将认证信息发给所有的AP，这大大增加了网络负载。

选择性的邻居缓存机制是在上述邻居图算法上的改进，该机制事先规定了转发门限，当STA需要向邻居AP转发上下文时，只转发给切换概率高于转发门限的AP；该机制下，当STA移动到切换概率低于转发门限的AP时，会发生缓存遗漏的问题，增加扫描时延。

现有技术中的扫描方法包括Tunning、ChannelMask、SyncScan、MultiScan、AFHA(AdaptiveFastHandoffAlgorithm)；这些方法在一定程度上提高了扫描速度，但因为没有利用现有的邻居图中的可以预先评估AP性能的性息，总会进行冗余的处理，增加了扫描时延。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于邻居图算法的WiFi无缝切换方法，其目的在于通过减少扫描信道数量以及减少扫描每个信道的时间，减少WiFi无缝切换过程中扫描所需的时间。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于邻居图算法的WiFi无缝切换方法，包括如下步骤：

(1)建立一张实时更新的邻居图；其中，邻居图中的信息包括AP标志、AP位置、工作信道、BSSID(BasicServiceSetIdentity，基本服务集标志)、负载、最大流量和Qos(QualityofService，服务质量)等级；

(2)当STA信号强度减弱到门限向AP发出切换请求时，通过一级决策筛选出候选AP，并获取候选AP的初始AP性能评估值顺序表；

向候选AP分发密钥，并通过当前AP将初始AP性能评估值顺序表发送到STA；其中，分发密钥过程可通过有线网进行；

(3)STA根据上述初始AP性能评估值顺序表，通过发送探测请求帧的方式对候选AP进行扫描；将扫描到的候选AP的RSSI(ReceviedSignalStrengthIndicator)和探测请求帧的响应时间发给当前AP；本步骤中，采用动态调整的扫描方式可降低带宽损耗；

(4)当前AP根据初始AP性能评估值和上述AP的RSSI和探测请求帧的响应时间进行二级决策，获取目标AP；待密钥分发完成后，将目标AP通知给STA，并将认证所需的PTK(pairwisetransientkey)发给当前STA；

(5)当前STA连接到目标AP。

优选地，上述步骤(2)中，将候选AP的信息发送到STA的过程与向候选AP分发密钥的过程同步。

优选地，上述步骤(3)与向候选AP分发密钥的过程同步。

优选地，一级决策的过程具体如下：

(i)根据邻居图中的信息获取初始AP性能评估值；

(ii)按照初始AP性能评估值从大到小的顺序，选中K个AP，作为候选AP；其中，K为预设的候选AP数量，可灵活调整；

(iii)将各候选AP的初始AP性能评估值排序，获得初始AP性能评估值顺序表；

本发明提供的这种基于邻居图算法的WiFi无缝切换方法，通过上述一级决策筛选出候选AP，减少了待扫描的AP数量，并且通过实时更新的邻居图知悉了待扫描的AP的工作信道及其BSSID值，极大地减少了扫描所需的时长。

优选地，二级决策的过程具体如下：

(I)从所有候选AP中获取扫描结果不为空的候选AP；

(II)对步骤(I)获得的候选AP，根据初始AP性能评估值和扫描所得的RSSI值和请求探测帧的响应时间，获取其AP性能评估值；

(III)将AP性能评估值最大的AP作为目标AP。

优选地，步骤(5)采用预先保留资源的方式进行STA与目标AP的快速连接，具体如下：

(a)STA与当前AP断开连接并向目标AP发送认证确认帧；

(b)目标AP向STA发送认证应答帧；

(c)STA向目标AP发送关联请求帧；

(d)目标AP向STA发送关联响应帧。

优选的，步骤(3)中采用的探测请求帧的帧结构包括：依次排列的帧控制位FrameControl、持续时间位Duration、目标地址DA、源地址SA、与STA相关的AP地址BSSID、帧序列控制位SequenceControl、网络名SSID、STA支持的速率supportedrates、STA期望支持的速率expectedsupportedrates、以及帧校验位FCS。

在现有技术中，探测请求帧的BSSID位为全1，因此不会被所有的AP过滤；在邻居图算法中，需要接收探测请求帧的AP的BSSID是已知的；本发明中，采用需要接受请求探测帧的AP的BSSID代替该广播BSSID，由此可以减少探测响应帧的数量，从而节省带宽。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的基于邻居图算法的WiFi无缝切换方法，其扫描过程利用了邻居图中已有的信息减少扫描信道的数量，并且采用动态调整扫描每个信道时间的方式减少扫描每个信道的平均时间，加快了扫描的速度；

(2)本发明提供的基于邻居图算法的WiFi无缝切换方法，以802.11r为基础，利用了802.11r协议里的事先认证方法，降低了认证所需的时间，减少了整体切换时间；

(3)本发明提供的基于邻居图算法的WiFi无缝切换方法，由于只与需要进行扫描的AP进行事先认证，减少了网络中带宽的使用，加快了认证的速度；

(4)本发明提供的基于邻居图算法的WiFi无缝切换方法，由于扫描信道个数减少，并且认证信息基本可采用有线网传输，故对无线带宽的损耗很低；同时，由于减少了探测响应帧的数量，减少了扫描所需的带宽，极大的提升了网络性能；

(5)本发明提供的基于邻居图算法的WiFi无缝切换方法，与802.11r协议紧密结合，可利用现有网络进行部署，成本低廉且具有可行性。

附图说明

图1是实施例提供的基于邻居图算法的WiFi无缝切换方法的流程图；

图2是IEEE802.11协议中探测请求帧的帧格式；

图3是实施例中的密钥分发过程示意图；

图4是实施例中对候选AP进行扫描的流程图；

图5是实施例中快速认证与重连过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例提供的基于邻居图算法的WiFi无缝切换方法的流程如图1所示，包括建邻居图、进行两级决策选定AP以及切换到目标AP的步骤，具体如下：

(1)建立一张实时更新的邻居图；其中，邻居图中的信息主要包括AP标志、AP位置、工作信道、BSSID、负载、最大流量和Qos等级，实施例中建立的邻居图的内容如下表1所示：

表1实施例中采用的邻居图

上述表1中，AP标志是整张邻居图的关键，可通过AP标志对实现对AP信息的快速查询和遍历。AP位置用于计算STA与各目标AP之间的距离，STA与AP的距离越近，无线信号越强；通过AP位置信息可以计算出STA与AP之间的距离，从而有助于选出合适的候选AP。工作信道用于给STA选择扫描信道，STA不需要扫描所有信道来获取相关AP的信息，只需要根据一级决策的结果扫描特定的信道。BSSID在一个BSS中就是AP的MAC地址，通过该信息，STA可以指定AP发出探测响应帧，而不需要该信道上所有AP都发出探测响应帧。

探测请求帧的帧格式如图2所示，其中FrameControl位为帧控制位，Duration位为持续时间位，DA为目标地址，SA为源地址，BSSID为与STA相关的AP地址，SequenceControl为帧序列控制位，SSID为网络名，supportedrates为STA支持的速率，expectedsupportedrates为STA期望支持的速率，FCS为帧校验位。

通过BSSID与工作信道将探测请求帧与探测响应帧的比例控制在1:1以下；与现有技术中，探测请求帧与探测响应帧1：m(m为接收到探测请求帧的AP数量，m≥1)的比例相比，可以最大化地减少媒介中探测响应帧的数量，有效地防止碰撞和网络拥塞。

负载是指与AP连接的STA数量，最大流量是指AP所能提供的最大流量，两者、决定STA所获得的平均最大流量；平均最大流量的值小，表明AP负担大，对AP设备有很大的损害；且在平均最大流量的值较小的情况下，即便STA与AP之间的信号较好，也得不到很好的服务；Qos等级越高，表明AP能够提供的服务质量更好，STA更倾向于与这样的AP相连。

(2)当STA信号减弱到门限向AP发出切换请求时，通过一级决策筛选出候选AP，并向候选AP分发密钥，并通过当前AP将候选AP的信息发送到STA；其中，一级决策的过程具体如下：

(i)根据邻居图中的信息计算出初始AP性能评估值；

(ii)按照初始AP性能评估值从大到小的顺序，选中K个AP，作为候选AP；其中，K为预设的候选AP数量，可根据切换时长与信号强度折衷考虑，灵活调整；

(iii)将各候选AP的初始AP性能评估值从大到小排序得到初始AP性能评估值顺序表；

实施例中，采用RSSI来的衡量SAT信号强度，当RSSI低于门限值-95dBm，向AP发出切换请求；

AP收到切换请求后根据邻居图计算出候选AP；实施例中，邻居图中的各参数的典型值如下表2所示：

表2实施例中邻居图算法中的参数典型值

指标名称	符号	常用取值范围
			服务质量	Qos	0——10
AP与STA的距离	△d	0——100(m)
			平均最大流量	flux/(load+1)	10——1000(Mbps)

考虑到各个指标的常用取值范围不同，将其范围都缩小到0-10，并且均改为指标越大性能越优良，故根据下式获取初始AP性能评估值InitialDecision：

$InitialDecision=Qos*a+(10-\frac{\mathrm{\Δ}d}{10})*+\frac{flux}{(load+1)*100}*c$

其中： $\mathrm{\Δ}d=\sqrt{{(x1-x2)}^2+{(y1-y2)}^2+{(z1-z2)}^2};$ (x1，y1，z1)为STA的坐标，(x2，y2，z2)为AP的坐标，△d为STA与AP的距离，坐标系可以根据具体情况拟定；a+b+c＝1，其中a为服务质量指标的权重，b为AP与STA的距离的权重，c为平均最大流量的权重；Qos，flux，load均为邻居图中信息，其中Qos为Qos等级，flux为最大流量，load为负载；InitialDecision值越大则表明AP越优良。

候选AP的数量太多会导致切换时间增加，太少则很有可能选择不到最优AP，本实例中，候选AP的数量K预设为3；并给用户留一个接口，用户可以采用该接口调整拟连接的AP。

挑出3个初始AP性能评估值最大的AP作为候选AP，将各候选AP的初始AP性能评估值从大到小排序得到初始AP性能评估值顺序表，该表中包括候选AP的扫描顺序、工作信道和BSSID。

当前AP与候选AP根据802.11r进行认证密钥分发，密钥分发过程如图3所示，当前AP存放着当前STA的一级密钥(PMK-R0)，选出3个候选AP后，从一级密钥生成各种不同的二级密钥(PMK-R1-n)并发往各候选AP，各候选AP根据PMK-R1-n算出各自的密钥PTKn；实施例中，n＝1、2、3；

当前AP将初始AP性能评估值顺序表发给STA，该操作可与分发密钥的操作同时进行；

(3)STA按照一级决策的初始AP性能评估值顺序表对候选AP进行扫描，并将扫描所得信息发给当前AP；

其中，扫描候选AP的过程如图4所示，具体步骤如下：

(a)选中初始AP性能评估值顺序表中下一个最优AP所在的信道；

(b)选中候选AP中与该候选AP在同一信道的候选AP；

(c)向选中的每个候选AP发送一个探测请求帧，并获取向信道最优AP发送探测请求帧的时间戳t1；

(d)在此信道上等待时间t，以接收探测响应帧(初次扫描时给定初始值，实施例中将初始值设为802.11协议中定义的MinChannelTime，等待时间t可动态调整)，获取收到信道最优AP发送的探测响应帧的时间戳t2；

(e)若收到AP返回的探测响应帧，则动态调整时间t＝(t2-t1)*k，否则直接进入步骤(f)；

(f)待扫描完所有候选AP，结束扫描。

在802.11协议中，在每个信道上等待的时间是固定的，为MinChannelTime或MaxChannelTime，而MinChannelTime往往比需要在此信道上等待的时间长，MaxChannelTime则更长，这会导致扫描时间大大增加。本发明中则根据等待前一个最优AP的时间来确定在下一个信道上等待的时间；由于在一级决策阶段已经基本确定了各AP的性能，先扫描的候选AP在一级决策中有着比后扫描的候选AP更优良的性能，因此，如果等待后扫描的候选AP发出探测响应帧的时间太长，则表明这个AP不可能成为最终的目标AP；这里的太长是相对于先扫描的候选AP等待探测响应帧的时间而言

(4)当前AP根据初始AP性能评估值与扫描所得信息进行二级决策；待密钥分发完成后，将拟切换的目标AP通知给STA，并将认证所需的PTK发给当前STA；

二级决策用于选定目标AP，其过程具体如下：

(I)从所有候选AP中获取扫描结果不为空的候选AP；

(II)对步骤(I)获得的候选AP，根据初始AP性能评估值和RSSI值和请求探测帧的响应时间获取其AP性能评估值；

(III)将AP性能评估值最大的AP作为目标AP。

实施例中，二级决策所需的数据和典型值如下表3所示：

表3实施例中二级决策所需的数据与典型值列表

指标名称	符号	常用取值范围
			初始AP性能评估值	InitialDecision	0——10
信号强度	RSSI	-110——-50(dBm)
			延时	t	10——50(ms)

同样的，考虑到各个指标的常用取值范围不同，将其范围都缩小到0-10，并且均改为指标越大性能越优良，故根据下式获取最终AP性能评估值FinalDecision：

$FinalDecision=InitialDecision*x+\frac{RSSI+110}{6}*y+(10-\frac{t}{5})*z$

其中：x+y+z＝1，x为初始AP性能评估值的权重，y为信号强度的权重，z为延时的权重，这三个值由用户自己定义；InitialDecision为初始AP性能评估值，RSSI为信号强度值，t为延时。

FinalDecision值最大的AP即为目标AP；确定目标AP后，则当前AP可立即计算出与目标AP相关的PTK并连同目标AP相关的信息发给STA。

(5)当前STA切换到目标AP：根据802.11r协议进行快速认证和重连，具体过程如图5所示，在STA没有与当前AP失去连接的情况下，STA先通过当前AP向目标AP发送认证请求帧，目标AP则通过当前AP向STA发送认证响应帧，然后STA与当前AP断开连接并直接向目标AP发送认证确认帧，目标AP直接向STA发送认证应答帧，STA直接向目标AP发送关联请求帧，目标AP直接向STA发送关联响应帧。其中的认证请求与认证响应阶段已经和STA扫描过程同时完成，在本步骤中，只需进行认证确认、认证应答、关联请求与关联响应。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于邻居图算法的WiFi无缝切换方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)建立实时更新的邻居图；所述邻居图中的信息包括AP标志、AP位置、工作信道、BSSID、负载、最大流量和Qos等级；

(2)当STA信号强度减弱到门限向AP发出切换请求时，通过一级决策筛选出候选AP，并获取候选AP的初始AP性能评估值顺序表；

向候选AP分发密钥，并通过当前AP将初始AP性能评估值顺序表发送到STA；

(3)STA根据上述初始AP性能评估值顺序表，通过发送探测请求帧的方式对候选AP进行扫描；将扫描到的候选AP的RSSI和探测请求帧的响应时间发给当前AP；

(4)当前AP根据初始AP性能评估值和上述AP的RSSI和探测请求帧的响应时间进行二级决策，获取目标AP；待密钥分发完成后，将目标AP通知给STA，并将认证所需的PTK发给当前STA；

(5)当前STA连接到目标AP。

2.如权利要求1所述的基于邻居图算法的WiFi无缝切换方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将候选AP的信息发送到STA的过程与向候选AP分发密钥的过程同步。

3.如权利要求1或2所述的基于邻居图算法的WiFi无缝切换方法，其特征在于，所述步骤(3)与向候选AP分发密钥的过程同步。

4.如权利要求1或2所述的基于邻居图算法的WiFi无缝切换方法，其特征在于，所述一级决策的过程具体如下：

(i)根据邻居图中的信息获取初始AP性能评估值；

(ii)按照初始AP性能评估值从大到小的顺序，选中K个AP，作为候选AP；其中，K为预设的候选AP数量；

(iii)将各候选AP的初始AP性能评估值排序，获得初始AP性能评估值顺序表。

5.如权利要求1或2所述的基于邻居图算法的WiFi无缝切换方法，其特征在于，所述二级决策的过程具体如下：

(I)从所有候选AP中获取扫描结果不为空的候选AP；

(II)对步骤(I)获得的候选AP，根据初始AP性能评估值和扫描所得的RSSI值和请求探测帧的响应时间，获取其AP性能评估值；

(III)将AP性能评估值最大的AP作为目标AP。

6.如权利要求1或2所述的基于邻居图算法的WiFi无缝切换方法，其特征在于，所述探测请求帧的帧结构为：依次排列的帧控制位、持续时间位、目标地址DA、源地址SA、与STA相关的AP地址、帧序列控制位、网络名SSID、STA支持的速率、STA期望支持的速率、以及帧校验位；其中目标地址DA的值为接收探测响应帧AP的BSSID。