CN105828385A - 一种基于sdn的wlan集中式的ap选择机制 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于SDN的WLAN集中式的AP选择机制，利用SDN集中控制的优势，掌握整个网络的信息；数据运算和信息处理的任务放在控制器上；根据AP的负载程度和终端的活跃度按顺序进行选择。本发明利用SDN集中控制的优势，能够掌握整个网络的信息，因而选择更准确；数据运算和信息处理的任务主要放在了控制器上，终端只需承担极少的任务，大大节约了终端的电能；根据AP的负载程度和终端的活跃度按顺序进行选择，故效率更高。本发明对该AP选择机制进行了仿真验证，仿真结果显示，能够有效提升吞吐量，同时相比于其他AP选择算法，能够提高选择成功率，减少切换次数。

Description

一种基于SDN的WLAN集中式的AP选择机制
技术领域
本发明属于无线局域网技术领域，尤其涉及一种基于SDN的WLAN集中式的AP选择机制。
背景技术
无线局域网经过20多年的发展，因其成熟、稳定、易于扩展、管理方便的特点，在生产生活中得到广泛应用。IEEE802.11协议族作为无线局域网的标准，已经成为人们使用最多的网络协议之一。IEEE802.11的传统方法中只使用接收信号强度作为AP选择的依据，没有考虑到各个AP的负载情况，这种方法在多AP共存的网络中将导致AP间的负载不均衡问题，使得网络性能、网络资源利用率的下降。SDN(SDNSoftwareDefinedNetwork，软件定义网络)是当前网络技术的前沿，SDN创新之处在于将网络中的数据平面和控制平面分离，从而实现对网络集中化的控制。SDN被提出的准确时间目前已经难以考证，这是因为在网络通信领域一直都存在着类似的研究和尝试，正是这些研究最终促成了SDN的诞生。在SDN中，网络设备的区分仅仅在于控制器对其发送的控制逻辑的不同，因而SDN中将所有用于数据转发的设备统称为交换机，不再区别交换机、路由器等设备。控制器向SDN交换机发送一定的控制指令，这些指令便是交换机的数据转发规则。而南向接口正是控制器用来向SDN交换机发送指令的通道。目前，OpenFlow协议是SDN业界唯一认可的南向接口协议，在SDN的产业化过程中扮演不可或缺的角色。由于OpenFlow协议的唯一性，SDN交换机又称为OpenFlow交换机。OpenFlow交换机都有维护有一条流管道，流管道中保存了多个流表，一个流表中又有数个流表项。管道的处理过程决定了包与流表的交互过程。OpenFlow交换机至少要有一个流表，它是OpenFlow交换机中最重要的部件之一，用于数据包的查找及转发。交换机可以使用安全通道(OpenFlowChannel)连接到控制器，该通道中发送的信息使用OpenFlow协议。控制器利用OpenFlow协议对流表进行添加、更新、删除操作。交换机只负责在本地进行数据的转发，而控制的功能由控制器负责。本地交换机转发的逻辑依据正是OpenFlow流表项。SDN控制器通过管理流表来控制交换机的数据转发行为。SDN诞生于有线网络，不过在无线网络应用极为广泛的今天，SDN的标准和应用也开始向无线网络延伸。由于在企业级的WLAN中，存在着多种挑战。首先IEEE802.11协议让STA根据自身得到的信息做出AP选择，网络设备对于这种选择无法控制。其次，AP关联状态机、时变的广播信道的信息都需要实时地追踪。最后，所有互相干扰的IEEE802.11设备都应该得到管理。故而现有的EEE802.11的方法在多AP共存的网络中将导致AP间的负载不均衡问题，使得网络性能、网络资源利用率的下降；在大规模WLAN中，由于STA数量太大，使用DCF机制将导致传输效率的急剧下降。利用SDN的优点，一种基于SDN的WLAN集中式的AP选择机制成为了一种新的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于SDN的WLAN集中式的AP选择机制，旨在解决现有的EEE802.11的方法在多AP共存的网络中将导致AP间的负载不均衡问题，使得网络性能、网络资源利用率的下降；在大规模WLAN中，由于STA数量太大，使用DCF机制将导致传输效率的急剧下降的问题。
本发明是这样实现的，一种基于SDN的WLAN集中式的AP选择机制，所述AP选择机制方法利用SDN集中控制的优势，掌握整个网络的信息；数据运算和信息处理的任务放在控制器上；根据AP的负载程度和终端的活跃度按顺序进行选择。
进一步，所述AP选择机制方法具体包括以下步骤：
衡量参数的选择，确定吞吐量T，测量AP的负载值，丢包率P_drop，接收信号强度RSSI，STA活跃度；
参数信息的采集，包括：吞吐量、丢包率、接收信号强度RSSI、STA活跃度；
AP质量的计算，将吞吐量和丢包率相结合，使用公式衡量AP的通信质量；
STA首次入网时的AP选择，STA在使用网络之前，先要通过扫描操作发现网络。扫描操作分为被动扫描和主动扫描；
STA入网后的动态AP选择。
进一步，所述吞吐量T，用式表示：
T = T h r o u g h p u t _ c u r T h r o u g h p u t _ m a x ;
丢包率P_drop，丢包率和误码率、MAC帧碰撞概率的关系表示为：
P_drop＝1-(1-PER)×(1-Pc)；
其中PER表示误包率，Pc表示碰撞概率；
丢包率是指无重传机制的丢包率，亦即单次传输的丢包率，无重传的丢包率有别于重传机制下的丢包率，令后者表示为P_drop'，若最大重传次数为M，则两者关系是：
P_drop'＝P_dropM+1；
STA活跃度α，定义为，某个STA的吞吐量占所在AP的总吞吐量的比例。
进一步，所述AP质量的计算将吞吐量和丢包率相结合，使用公式来衡量AP的通信质量，式中P_dropi、Ti分别表示第i个AP的丢包率和吞吐量。通过将两个参量结合，不同情况的网络状况都能够得到反映；
Q(P_dropi,Ti)＝(1-P_dropi)×(1-Ti)；
令RSSIi,j表示STAj接收到的APi的信号强度。在加入RSSI后，将APi对于STAj的质量定义为下式，其中Qi,j越大表示该APi,j对于当前STAj的质量越高；当需要调整STA关联的AP时，将选择Qi,j最大的那个AP：
Qi,j＝(1-P_dropi)×(1-Ti)×RSSIi,j；
活跃度并没有直接放入上式中。
进一步，所述STA首次入网时的AP选择，STA在使用网络之前，先要通过扫描操作发现网络。扫描操作分为被动扫描和主动扫描，在首次入网时，STA和AP都无法判断对方的位置信息，此时将公式Qi,j＝(1-P_dropi)×(1-Ti)×RSSIi,j中RSSI的意义调整为AP收到STA的Probe_Req帧的接收信号强度，值反映STA与AP的距离，距离越小，RSSI越大，具体步骤如下：
步骤一、STA主动扫描网络，在各个信道上发送Probe_Req请求(SSID＝Null)；
步骤二、各AP接收到Probe_Req帧后匹配流表项，匹配后根据动作要求将该MAC帧发送至SDN控制器，阻止AP进一步处理该信息，防止AP向STA发送Probe_Response；
步骤三、AP计算接收到的STA的Probe_Req帧的RSSI，将该RSSI发送至控制器；
步骤四、SDN控制器判断收到Probe_Req的AP的数量，如果只有一个AP收到，则选择过程停止，控制器将Probe_Req匹配流表项的动作域修改为Normal，并将Probe_Req帧返回至该唯一收到请求的AP；
步骤五、如果多个AP收到请求。控制器根据公式Qi,j＝(1-P_dropi)×(1-Ti)×RSSIi,j计算，为STAj选择质量Qi,j最大的APi，即为AP_best；
步骤六、对于AP_best，控制器将其Probe_Req匹配流表项的动作域修改为normal，并将其发送来的Probe_Req帧返回，而对于其他AP，控制器将Probe_Req帧删除；
步骤七、对于收到控制器返回的Probe_Req帧的AP_best，由于Probe_Req匹配流表项的动作域已经设为Normal，该AP可按照正常过程回复Probe_Response，紧接着STA与该AP进行关联。其他AP不再处理STA的Probe_Req帧。
进一步，所述STA入网后的动态AP选择具体包括：
步骤一、测量吞吐量T、丢包率P_drop、接收信号强度RSSI、STA活跃度α，并将这些参数定期发送至控制器；
步骤二、控制器根据每个AP下总的丢包率P_dropi，对AP按进行排序，按P_dropi从高到低的顺序进行轮询；
步骤三、设定一个无重传丢包率阈值，P_drop_threshold＝0.3，对于APi，若
P_dropi＞P_drop_threshold，则表明无线网络内的冲突率大，负载过重，需要进行负载均衡，因而对与其关联的STA进行新的AP选择；若丢包率较小，则返回步骤一，查看下一个AP；
步骤四、将AP下的STA按照活跃度α进行排序，并按活跃度从大到小轮询STA；选择当前AP中未被调整过的且活跃度最高STA进行调整；
步骤五、计算AP质量Qi,j，为STAj选择质量最大的APi；
步骤六、重新选择的AP若是原AP，则不作调整，返回步骤三；如果重新选择的AP与原AP不同，进入步骤七；
步骤七、SDN控制器向AP发送指令，AP执行操作将STA关联至新的AP。返回步骤三。
本发明提供的基于SDN的集中式AP选择机制，能够提升网络资源利用率、增加吞吐量、节约终端电量；本发明的机制有如下特点，第一，利用SDN集中控制的优势，能够掌握整个网络的信息，因而选择更准确；第二，数据运算和信息处理的任务主要放在了控制器上，终端只需承担极少的任务，大大节约了终端的电能。第三，本发明的方法根据AP的负载程度和终端的活跃度按顺序进行选择，故效率更高。本发明对该AP选择机制进行了仿真验证，仿真结果显示，该方法能够有效提升吞吐量，同时相比于其他AP选择算法，该方法能够提高选择成功率，减少切换次数。
本发明使用多个参数衡量AP的衡量标准，早期的AP选择算法多采用单个参数，而随着网络日渐复杂，多参数日益成为主流选择。具体地，本发明使用吞吐量、丢包率和RSSI值作为衡量参数。使用多个参数能够为AP的通信质量提供多维的衡量标准，克服单个参数的不足，因而可以为STA选择质量最高的AP。STA的信息采集任务较低。与常见的AP中STA需要采集、计算大量的数据不同的是，本发明提出的机制中，信息采集的任务由网络转发设备和控制器承担，STA只需按周期发送AP的RSSI值信息。与其他选择机制相比，STA的采集任务有一定的降低，因而有利于节约电量和工程实现。由SDN控制器进行AP选择的集中控制；本机制中的所有参数信息将发送至控制器，由控制器进行信息的处理工作，并由控制器做出AP选择的决策。由于控制器掌握了整个网络的信息，因而能够达到更好的负载均衡效果。根据AP的负载程度和STA的活跃度进行有序的选择。显然，为了达到最有效的负载均衡效果，网络中负载最高、通信质量最低的AP应首先进行调整，所以本发明的方法将首先为丢包率最高的AP下的STA进行选择。同时，一个吞吐量高的STA对网络性能更大，本发明的方法首先为吞吐量较高的STA进行AP的调整。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于SDN的WLAN集中式的AP选择机制流程图。
图2是本发明实施例提供的基于SND的WLAN系统结构示意图。
图3是本发明实施例提供的MACHeader的FrameControl域示意图。
图4是本发明实施例提供的被动扫描示意图。
图5是本发明实施例提供的主动扫描示意图。
图6是本发明实施例提供的STA首次入网AP选择过程示意图。
图7是本发明实施例提供的STA入网后的动态AP选择示意图。
图8是本发明实施例提供的吞吐量与STA数量的关系示意图。
图9是本发明实施例提供的帧平均时延与STA数量关系示意图。
图10是本发明实施例提供的平均重传次数和STA数量关系示意图。
图11是本发明实施例提供的平均切换次数与STA数量的关系示意图。
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。
本发明基于中心控制的思想，充分发挥了SDN控制器能够掌握全网信息的优势，从而AP选择的正确性更高。将OpenFlow协议应用在AP设备中，利用OpenFlow协议进行WLAN参数的采集，将信息处理的任务放在控制器上，STA只要发送极少的信息，无需参与信息处理，减少了STA的负担，从而减低了STA的开销和能量消耗，同时选择的效率更高；通过仿真结果可知，本发明提出的方法能够提升多AP联合布网的WLAN系统中的吞吐量并减少在AP选择中STA的切换次数。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例的基于SDN的WLAN集中式的AP选择机制包括以下步骤：
S101：衡量参数的选择，确定吞吐量T，测量AP的负载值，丢包率P_drop，接收信号强度RSSI，STA活跃度；
S102：参数信息的采集，包括：吞吐量、丢包率、接收信号强度RSSI、STA活跃度；
S103：AP质量的计算，将吞吐量和丢包率相结合，使用公式衡量AP的通信质量；
S104：STA首次入网时的AP选择，STA在使用网络之前，先要通过扫描操作发现网络。扫描操作分为被动扫描和主动扫描；
S105：STA入网后的动态AP选择。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的说明。
本发明实施例基于软件定义网络(SDN)的WLAN结构如图2所示，这里的网络拓扑分为4个部分，从上至下依次为：控制器，交换机，接入点(AP)，终端(STA)。STA与AP进行关联，这里的AP支持OpenFlow协议，能够根据控制器发送的流表规则进行数据转发，能够在转发信息的同时根据流表匹配的情况记录流量、请求等信息，并实时地将这些信息发送给控制器。控制器处于最上层，负责下发流表，控制网络设备的转发性为。同时控制器对AP发送上来的信息进行处理，根据信息处理的结果做出决策，并将决策信息发送至AP，执行最终的AP选择。
本发明的方法简称为TPR(Throughput，P_drop，RSSI)AP选择法。下面详述参数的选择、计算和AP选择的过程。
一、衡量参数的选择
1、吞吐量T。
当STA数量确定，负载在很大程度上决定了系统的效率。然而，要准确测量AP的负载值，必须使用昂贵的无线抓包设备对各个信道进行不间断抓包计算，这在成本以及复杂度上是不现实的。所以只能估算或者用其他参数去衡量负载。首先选择的衡量参数是吞吐量。当然，吞吐量并不能完全反应AP的负载，因为只有在低负载时这两者才近似相同，一旦负载升高，负载和吞吐量的关系并不确定。不过由于使用的是多参量的方法，一个参量不能全面反映负载，还会使用其他参量，将在下面解析。
本发明认为使用归一化吞吐量而非绝对吞吐量更合适，因为绝对吞吐量相同，最大吞吐量的不同会导致AP表现各异。本发明中吞吐量用式(3-1)表示。
T = T h r o u g h p u t _ c u r T h r o u g h p u t _ m a x - - - ( 3 - 1 )
2，丢包率P_drop。
丢包率与负载、吞吐量有着密切关系，当负载增加而吞吐量不变甚至下降时，个中原因就是大量的MAC帧碰撞导致的丢包率的上升。当然丢包率还受到误码率的影响。总之，丢包率是衡量MAC层通信质量的重要标志。丢包率和误码率、MAC帧碰撞概率的关系可以表示为：
P_drop＝1-(1-PER)×(1-Pc)(3-2)
其中PER表示误包率，Pc表示碰撞概率。
需要注意的是，本发明所指的丢包率是指无重传机制的丢包率，亦即单次传输的丢包率。无重传的丢包率有别于重传机制下的丢包率，令后者表示为P_drop'，若最大重传次数为M，则两者关系是(假设每次传输PER和Pc不变)：
P_drop'＝P_dropM+1(3-3)
3，接收信号强度RSSI。
将RSSI作为选择AP的唯一标准会导致网络性能下降、网络资源利用率降低等问题。但是，信号强度是衡量通信质量时绝对不能忽略的因素，一旦RSSI降低，速率，带宽，时延，误码率，功耗等性能都会变差。所以本发明选择将RSSI与其他参数结合，共同来衡量AP质量，克服了单一参数的弊端。
4，STA活跃度α。
STA活跃度定义为，某个STA的吞吐量占所在AP的总吞吐量的比例。在诸多文献提出的AP选择方法中，关联STA数量都被作为重要参数。但是在现实的WLAN系统中，不同STA的业务性质差别较大，繁忙程度不同，数据量不同，苏醒、休眠的状态也可能不同，因而不同时段内AP的性能差别极大，而关联STA数这个值显得一刀切，不能动态反映当前STA的实时表现以及对网络性能的影响。使用活跃度，就可以描述在一段时间内STA和AP的吞吐量分布情况，如活跃的STA数量，流量是否集中等。
二、参数信息的采集
1，吞吐量。AP支持的最高吞吐量Thourghput_max在AP布设时是可以确定的，可以读取该值。而当前吞吐量Thoughput_cur可以通过统计单位时间内AP成功发送和接收的所有MAC帧来计算，即包括了所有的控制帧、管理帧、数据帧。
2，丢包率。在IEEE802.11中，当某个帧丢失时会得到重传，因而单次传输丢包率可以根据重传帧占总帧数量的比例计算。下行数据中，AP可以统计本身发送的总帧数和重传的帧数。上行数据中，在IEEE802.11帧头的FrameControl域中，bit11为Retry位，当Retry为1时，表明该帧为重传帧，如图3所示。AP检查接收帧的Retry位，即可得知该帧是否为重传的MAC帧。在OpenFlow扩展流表中，添加匹配Retry位的流表项，即可使用流表项中的计数器统计上行的重传帧数。
3，接收信号强度RSSI。这是获取的所有参量中唯一一个需要STA参与获取的。需要STA在工作过程中定期打开接收机，并被动地扫描所有WLAN信道，得到附近各个AP的RSSI，并将其发送至AP。RSSI是影响通信质量最重要的因素之一，所以设定了一个阈值RSSI_low＝-75dBm，只有高于这个值的AP信号才会予以发送，其余一律抛弃。RSSI值信息包含了STA能够重新关联的候选AP，控制器将从这些候选AP中进行AP选择。
4，STA活跃度。在SDN中计算各STA的数据量是极为方便的，通过流表项来匹配STA的MAC地址即可，流表项中的计数器将自动为匹配成功的数据包进行计数工作。如下的结构体即为OpenFlow协议中的匹配结构体，下划线部分即可用来统计单个STA的吞吐量以计算活跃度。
三、AP质量的计算
以上即为TPR选择方法中使用的4个参数，这4个参数的使用方式如下。
考虑到吞吐量只能在较低值时衡量负载的情况，而相反，丢包率只在高负载时是一个较好的衡量标准，在低负载情况下其区分度并不明显。比如，有的AP下负载低时丢包率较低，但即使有的AP下负载高，由于STA数量较小，丢包率同样较低。所以吞吐量和丢包率单独使用时，并不能有效衡量负载情况。因而将吞吐量和丢包率相结合，使用公式(3-4)来衡量AP的通信质量，式中P_dropi、Ti分别表示第i个AP的丢包率和吞吐量。通过将两个参量结合，不同情况的网络状况都能够得到反映。
Q(P_dropi,Ti)＝(1-P_dropi)×(1-Ti)(3-4)
令RSSIi,j表示STAj接收到的APi的信号强度。在加入RSSI后，将APi对于STAj的质量定义为(3-5)，其中Qi,j越大表示该APi,j对于当前STAj的质量越高。当需要调整STA关联的AP时，将选择Qi,j最大的那个AP。
Qi,j＝(1-P_dropi)×(1-Ti)×RSSIi,j(3-5)
活跃度并没有直接放入式(3-5)中，它的作用在于影响AP选择的顺序。一个STA的活跃度越高，则占用的资源越多，对于AP性能的影响越大，应先进行AP选择。
四、STA首次入网时的AP选择
STA在使用网络之前，先要通过扫描操作发现网络。扫描操作分为被动扫描和主动扫描。
被动扫描时，STA只需开启接收机，无需发送信息。为了使STA获知BSS(BaseServiceSet，基本服务集)的信息，AP会周期性发送Beacon帧，被动扫描时STA在WLAN规定的各个信道间切换并等待Beacon帧的到来，根据Beacon帧分析各AP信息从而选择最优AP进行关联，如图4所示。
主动扫描时，STA扮演积极的角色，需要主动发送Probe_Req帧以寻找周围的网络。根据Probe_Req帧中是否携带明确的SSID(ServiceSetIdentifier，服务集标识)值，主动扫描可以分为两类。
如果STA发送的Probe_Req帧中的SSID域为特定SSID值时，当该SSID对应的AP收到Probe_Req帧后，回复Probe_Response帧，而其他AP收到Probe_Req帧后不会回复，如图5(a)所示。这种方式适用于STA需要关联到指定AP的情况。
如果STA发送的Probe_Req帧中的SSID域为空，则STA需要在各个信道上广播此帧，表明STA意图加入周围的网络。所有收到该Probe_Req帧的AP都将回复Probe_Response帧。STA根据Probe_Response判断AP的情况，进而选择最优AP进行关联，如图5(b)所示。这种方法适用于STA通过主动扫描选择AP的情况。
STA首次入网的AP选择方法是，STA使用主动扫描(Probe_Req帧中的SSID值为空)发现周围网络，AP接收到Probe_Req帧后并不会马上回复，而是将其转发至控制器。控制器从接收到Probe_Req帧的AP中选择一个最优者AP_best。最后SDN控制器向AP_best发送指令，允许其处理Probe_Req帧，AP_best即可向STA回复Probe_Response帧，并与STA关联。而对于其他接收到Probe_Req帧的AP，SDN控制器将不予回复，这些AP门将不会向STA发送Probe_Response，从而保证STA只会与AP_best关联。如图6所示。
由于对OpenFlow流表匹配域进行了扩展，流表项可以匹配帧类型，将在每个AP中下发一个特殊的流表项，即Probe_Req帧匹配流表项。该流表项基于MAC帧头FrameControl域的Type和Subtype字段，使得AP可以识别出Probe_Req帧，进行匹配。同时将该流表项的动作域设置为打包发送至控制器，进而控制器可以对STA的探测请求作出处理。在首次入网时，STA和AP都无法判断对方的位置信息，此时将公式(3-5)中RSSI的意义调整为AP收到STA的Probe_Req帧的接收信号强度，该值可以反映STA与AP的距离，距离越小，RSSI越大。具体步骤如下：
1、STA主动扫描网络，在各个信道上发送Probe_Req请求(SSID＝Null)。
2、各AP接收到Probe_Req帧后匹配流表项，匹配后根据动作要求将该MAC帧发送至控制器，阻止AP进一步处理该信息，防止AP向STA发送Probe_Response。
3、AP计算接收到的STA的Probe_Req帧的RSSI，将该RSSI发送至控制器。
4、SDN判断收到Probe_Req的AP的数量，如果只有一个AP收到，则选择过程停止。控制器将Probe_Req匹配流表项的动作域修改为Normal，并将Probe_Req帧返回至该唯一收到请求的AP。
5、如果多个AP收到请求。控制器根据公式(3-5)计算，为STAj选择质量Qi,j最大的APi，即为AP_best。
6、对于AP_best，控制器将其Probe_Req匹配流表项的动作域修改为normal，并将其发送来的Probe_Req帧返回，而对于其他AP，控制器将Probe_Req帧删除。
7、对于收到控制器返回的Probe_Req帧的AP_best，由于Probe_Req匹配流表项的动作域已经设为Normal，该AP可按照正常过程回复Probe_Response，紧接着STA与该AP进行关联。其他AP不再处理STA的Probe_Req帧。
五、STA入网后的动态AP选择
STA入网后的动态AP选择，如图7所示。
1、AP按照3.4.2节的方法测量吞吐量T、丢包率P_drop、接收信号强度RSSI、STA活跃度α，并将这些参数定期发送至控制器。
2、控制器根据每个AP下总的丢包率P_dropi，对AP按进行排序，按P_dropi从高到低的顺序进行轮询。
3、设定一个无重传丢包率阈值，P_drop_threshold＝0.3，对于APi，若
P_dropi＞P_drop_threshold，则表明无线网络内的冲突率大，负载过重，需要进行负载均衡，因而对与其关联的STA进行新的AP选择。若丢包率较小，则返回步骤1，查看下一个AP。
4、将AP下的STA按照活跃度α进行排序，并按活跃度从大到小轮询STA。选择当前AP中未被调整过的且活跃度最高STA进行调整。
5、计算AP质量Qi,j，为STAj选择质量最大的APi。
6、重新选择的AP若是原AP，则不作调整，返回步骤3。如果重新选择的AP与原AP不同，进入步骤7。
7、SDN控制器向AP发送指令，AP执行操作将STA关联至新的AP。返回步骤3。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的说明。
将TPR选择方法和传统的RSSI选择法及MPD方法进行了对比。仿真参数见表1，仿真结果见图8～图11。
本发明中用OPNET14.5软件对本发明中提出的基于SDN的AP选择机制进行仿真分析，仿真场景为100*100m的办公网络，具体的仿真拓扑图中由上至下分别为控制器节点、普通交换机节点、AP节点、STA节点，普通交换机只负责则二层数据的传输。由于目前OPNET不支持，并非直接使用OpenFlow协议。采用的方法是，让STA定期将各AP的RSSI值发送至AP；AP自身统计了吞吐量、丢包率、STA活跃度以及STA发送的RSSI值后，直接将这些数据发送至控制器节点；控制器对这些信息作相应处理，将选择结果发送至AP；控制器中添加了本发明中的机制的计算程序，根据AP发送的数据进行计算，同时AP中添加了关联请求处理逻辑，根据控制器的结果处理STA的关联请求。在STA首次入网时，只有最优AP回复STA，以实现STA关联最优AP；入网后，当控制器为STA选择了新的AP时，原AP与STA取消关联，然后其他AP根据控制器的选择结果执行与STA首次入网时相同的动作，即只有最优AP回复STA以实现重新关联。考虑到控制器与AP之间是控制通道，其信息发送不受数据通道影响，且有线的控制通道带宽较大，因而处理的时间消耗可以忽略，这与实际网络比较符合。
表1仿真参数
参数 数值
AP个数 6
STA个数 20-100
单个AP信号范围 100m
单个AP带宽 54Mbps
STA业务 200Kbps-3Mbps
仿真时间 30min
如图8为不同AP选择方法之间的吞吐量对比图。STA数量从20变化到100，吞吐量采用归一化值，即实际吞吐量占网络中最大吞吐量的比例。
从图中看到，三条曲线的共同特点是，随着终端数量的增加，网络负载随之增加，但是吞吐量的增加幅度越来越小。这一点符合上文的分析，即在采用DCF竞争机制的无线局域网中，随着负载的增加吞吐量将逐渐保持恒定甚至减少。三条吞吐量曲线中，通过RSSI进行AP选择的方法的吞吐量最低，MPD算法对应的吞吐量相比于RSSI有了明显的提升，而本发明提出的TPR在MPD的基础上又有了一定的增长。RSSI方法只能根据单个参数信息选择AP，难免会造成某些AP下的STA比较集中，因而碰撞相对严重，影响了网络吞吐量的提升；并且RSSI方式在选择AP之后，如果不是节点移动或者AP故障导致RSSI值过低，STA并不会重新选择AP，没有均衡的结果就是，RSSI机制下的吞吐量只达到最大吞吐量的40％左右。MPD算法通过发送一定数量的探测帧并计算回复时延对AP的负载做了估计，因而能够选择负载较低的的AP，这使得网络的冲突减少，吞吐量有了明显的提升。本发明提出的TPR机制，综合考虑了吞吐量、丢包率和RSSI，因而STA在选择轻负载AP的同时兼顾RSSI，一定程度上保证了传输速率；更重要的是，TPR方法发挥了SDN集中控制的优势，不仅能在STA初次接入网络时让其关联至最优AP，在网络的运行过程中，一旦某个AP的负载过大，控制器将主动为其选择新的AP，从而网络的负载量一直处于动态的均衡之中，波动较小，自然吞吐量值会有上升。
图9为帧平均时延对比图。帧时延是指从STA开始信道竞争到AP成功接收帧的时延。一般情况下帧时延为发送时延、传播时延、处理时延、排队时延之和。图中显示，随着STA数量的增加，帧平均时延不断上升，三种方法皆是如此。帧平均时延的与吞吐量方面，不同方法产生差异的原因相似，可以发现MPD和TPR都比RSSI的时延要小，三者中TPR的表现最佳。
图10为平均重传次数的对比图。可以发现，随着STA数目的增加，TPR和MPD算法的重传次数上升较幅度小，与RSSI的差距逐渐拉大。TPR的平均重传次数较RSSI和MPD分别减少了40％和30％。从不同侧面反映出TPR机制在多AP环境下的负载均衡的优越性。
图11表示平均切换次数与STA数量的关系图，平均切换次数表示，在仿真时间内所有终端的平均切换次数。
MPD-5、MPD-10分别表示使用5次和10次Probe_Req帧的MPD算法。从图中可以看到，在STA数量少、负载较低时，三者的差别并不明显，数量、负载增加时，差距亦加大。MPD-5的平均切换次数最多，在100个终端时全网有多达33次的切换，MPD-10的切换次数相比MPD-5明显减少；这主要由于MPD-10比MPD-5发送了更多次数的Probe_Req帧，因而能够更准确的估计出AP下的负载情况，切换的成功率更高，因而切换次数得以减少。同时本发明提出的TPR机制对比MPD-10，切换次数亦大幅减少；该效果主要得益于TPR方法能够根据STA的活跃度安排切换的顺序，即由于活跃度较高的STA对于AP的负载贡献最大，产生的以及受到的影响也最大，所以TPR优先安排切换，如此一来只要切换相对少的STA就能够均衡AP之间的负载情况，而MPD方法中STA独立决定切换，经常发生的情况的是，许多活跃度较低的STA进行切换，增加了切换次数；不可忽视的是，由于SDN控制器主导了调度的过程，制定了切换的顺序，当某一部分网络的负载过大时，STA将有秩序的进行AP的切换，成功率几乎为1，不需要往返的切换；反观MPD，由于STA独立决定切换且没有顺序，多个STA可能同时切换到另一个AP，这样一个AP的负载快速降低但是另一个AP的负载又会上升，部分STA需要重新切换，增加了无谓的切换次数。
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SDN的WLAN集中式的AP选择机制，其特征在于，所述AP选择机制方法利用SDN集中控制的优势，掌握整个网络的信息；数据运算和信息处理的任务放在控制器上；根据AP的负载程度和终端的活跃度按顺序进行选择。
2.如权利要求1所述的基于SDN的WLAN集中式的AP选择机制，其特征在于，所述AP选择机制方法具体包括以下步骤：
衡量参数的选择，确定吞吐量T，测量AP的负载值，丢包率P_drop，接收信号强度RSSI，STA活跃度；
参数信息的采集，包括：吞吐量、丢包率、接收信号强度RSSI、STA活跃度；
AP质量的计算，将吞吐量和丢包率相结合，使用公式衡量AP的通信质量；
STA首次入网时的AP选择，STA在使用网络之前，先要通过扫描操作发现网络，扫描操作分为被动扫描和主动扫描；
STA入网后的动态AP选择。
3.如权利要求2所述的基于SDN的WLAN集中式的AP选择机制，其特征在于，所述吞吐量T，用式表示：
T = T h r o u g h p u t _ c u r T h r o u g h p u t _ m a x ;
丢包率P_drop，丢包率和误码率、MAC帧碰撞概率的关系表示为：
P_drop＝1-(1-PER)×(1-Pc)；
其中PER表示误包率，Pc表示碰撞概率；
丢包率是指无重传机制的丢包率，亦即单次传输的丢包率，无重传的丢包率有别于重传机制下的丢包率，令后者表示为P_drop'，若最大重传次数为M，则两者关系是：
P_drop'＝P_dropM+1；
STA活跃度α，定义为，某个STA的吞吐量占所在AP的总吞吐量的比例。
4.如权利要求2所述的基于SDN的WLAN集中式的AP选择机制，其特征在于，所述AP质量的计算将吞吐量和丢包率相结合，使用公式来衡量AP的通信质量，式中P_dropi、Ti分别表示第i个AP的丢包率和吞吐量，通过将两个参量结合，不同情况的网络状况都能够得到反映；
Q(P_dropi,Ti)＝(1-P_dropi)×(1-Ti)；
令RSSIi,j表示STAj接收到的APi的信号强度，在加入RSSI后，将APi对于STAj的质量定义为下式，其中Qi,j越大表示该APi,j对于当前STAj的质量越高；当需要调整STA关联的AP时，将选择Qi,j最大的那个AP：
Qi,j＝(1-P_dropi)×(1-Ti)×RSSIi,j；
活跃度并没有直接放入上式中。
5.如权利要求2所述的基于SDN的WLAN集中式的AP选择机制，其特征在于，所述STA首次入网时的AP选择，STA在使用网络之前，先要通过扫描操作发现网络，扫描操作分为被动扫描和主动扫描，在首次入网时，STA和AP都无法判断对方的位置信息，此时将公式Qi,j＝(1-P_dropi)×(1-Ti)×RSSIi,j中RSSI的意义调整为AP收到STA的Probe_Req帧的接收信号强度，值反映STA与AP的距离，距离越小，RSSI越大，具体步骤如下：
步骤一、STA主动扫描网络，在各个信道上发送Probe_Req请求(SSID＝Null)；
步骤二、各AP接收到Probe_Req帧后匹配流表项，匹配后根据动作要求将该MAC帧发送至控制器，阻止AP进一步处理该信息，防止AP向STA发送Probe_Response；
步骤三、AP计算接收到的STA的Probe_Req帧的RSSI，将该RSSI发送至控制器；
步骤四、SDN判断收到Probe_Req的AP的数量，如果只有一个AP收到，则选择过程停止，控制器将Probe_Req匹配流表项的动作域修改为Normal，并将Probe_Req帧返回至该唯一收到请求的AP；
步骤五、如果多个AP收到请求，控制器根据公式Qi,j＝(1-P_dropi)×(1-Ti)×RSSIi,j计算，为STAj选择质量Qi,j最大的APi，即为AP_best；
步骤六、对于AP_best，控制器将其Probe_Req匹配流表项的动作域修改为normal，并将其发送来的Probe_Req帧返回，而对于其他AP，控制器将Probe_Req帧删除；
步骤七、对于收到控制器返回的Probe_Req帧的AP_best，由于Probe_Req匹配流表项的动作域已经设为Normal，该AP可按照正常过程回复Probe_Response，紧接着STA与该AP进行关联，其他AP不再处理STA的Probe_Req帧。
6.如权利要求2所述的基于SDN的WLAN集中式的AP选择机制，其特征在于，所述STA入网后的动态AP选择具体包括：
步骤一、测量吞吐量T、丢包率P_drop、接收信号强度RSSI、STA活跃度α，并将这些参数定期发送至控制器；
步骤二、控制器根据每个AP下总的丢包率P_dropi，对AP按进行排序，按P_dropi从高到低的顺序进行轮询；
步骤三、设定一个无重传丢包率阈值，P_drop_threshold＝0.3，对于APi，若
P_dropi＞P_drop_threshold，则表明无线网络内的冲突率大，负载过重，需要进行负载均衡，因而对与其关联的STA进行新的AP选择；若丢包率较小，则返回步骤一，查看下一个AP；
步骤四、将AP下的STA按照活跃度α进行排序，并按活跃度从大到小轮询STA；选择当前AP中未被调整过的且活跃度最高STA进行调整；
步骤五、计算AP质量Qi,j，为STAj选择质量最大的APi；
步骤六、重新选择的AP若是原AP，则不作调整，返回步骤三；如果重新选择的AP与原AP不同，进入步骤七；
步骤七、SDN控制器向AP发送指令，AP执行操作将STA关联至新的AP，返回步骤三。
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