CN108235395B - 一种实现无线终端在wlan中跨信道漫游切换的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明请求保护一种实现无线终端在WLAN中跨信道漫游切换的方法，所述WLAN网络至少由1个SDN控制器和多个可编程AP组成，相邻AP工作在不同信道上，每个AP有两个同频无线网卡。当无线终端远离原始AP时，控制器首先调整其邻居AP的辅助无线网卡信道至无线终端工作信道，获得无线终端的信号强度值；然后通过切换策略，选择一个邻居AP作为切换目标AP，将虚拟AP转移到目标AP上；最后命令原始AP下发信道切换通告。无线终端接收到信道切换通告后，切换信道至目标AP信道。切换信道后，无线终端即可直接与新AP传输用户数据。整个切换过程无线终端只需要切换信道，时间在几毫秒以内，实现了无线终端在WLAN中快速跨信道漫游切换的目的。

Description

一种实现无线终端在WLAN中跨信道漫游切换的方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体而言，尤其涉及一种实现无线终端在WLAN中漫游切换的方法。
背景技术
根据IEEE 802.11规范，工作在基础设施模式下的终端(STA)和其关联的接入点(Access Point,AP)共同构成一个基本服务集(BSS)，在基本服务集中，无线终端必须与AP建立关联后，才能与其他节点进行通讯，即无线终端与其他节点的数据传输都必须经过AP进行转发。由于在一个基本服务集，AP的网络覆盖范围非常有限，通常在200米以内。这样小的传输距离限制了无线终端的移动范围。
对此，一般是通过增加网络中AP的个数来扩展网络的覆盖范围。把多个AP连接在一起，构成一个扩展服务集,在一个扩展服务集中，无线终端从一个AP覆盖区域移动到另一个AP覆盖区域时，终端需要和新的AP重新关联。当无线终端朝着远离当前接入点方向移动时，它从当前接入点收到的信号强度(通常用RSSI值来表示)会逐渐变低。如果RSSI值低于一定门限值，那么移动终端便开始搜索信号强度比较好的接入点进行重新关联，从而触发切换过程。
但是，传统的切换过程需要非常大的切换时间，往往导致无线终端的网络业务的中断。IEEE 802.11标准对切换策略做出了巨大改进。如802.11i定义了预认证；802.11r定义了快速BSS过渡；802.16e定义切换过程优化；802.1af正在定义端口访问控制(修订的802.1X)。这些都是通过对当前接入点的下一个目标接入点进行预认证来减少切换时间。
但现行标准有几个主要问题：一个是实现快速切换的两个AP需要在相同信道上，同信道的AP相互间干扰较大，而且在相邻AP的重叠区域，可能产生乒乓效应，即无线终端在AP间不停地切换，不仅影响终端业务，而且严重消耗AP的性能。第二个问题是，基于802.11r标准修改的最快切换时间仅限于理论上的50ms，这对于某些实时的多媒体业务是不够的。第三个问题是，这些切换决策都是由无线终端做出，但是由于无线终端的多样性，有些终端并不支持相关802.11的切换协议，这使得WLAN网络想对所有无线终端提供统一服务变得更加复杂。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种实现了无线终端在WLAN中快速跨信道漫游切换的目的的实现无线终端在WLAN中跨信道漫游切换的方法。本发明的技术方案如下：
一种实现无线终端在WLAN中跨信道漫游切换的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、无线终端在初始WIFI连接时，SDN控制器在物理无线接入点AP上为所述无线终端创建一个唯一的虚拟AP，所述无线终端与虚拟AP完成认证、关联过程；
B、当SDN控制器检测到无线终端的信号强度值小于阈值时，控制器向所述无线终端连接的物理AP的邻居AP发送扫描请求命令，邻居AP接收到扫描请求命令后，将自身的辅助无线网卡切换到无线终端的信道，监听无线终端发送的数据，在监听成功后，向SDN控制器发送扫描响应消息；
C、所述SDN控制器在接收到所有邻居AP的扫描响应消息后，选取一个邻居AP作为切换目标AP，将所述无线终端对应的虚拟AP从原AP转移到切换目标AP；
D、所述SDN控制器命令原AP向所述无线终端发送信道切换通告，无线终端在接收到信道切换通告后，将自身的信道切换至目标AP的信道上。
进一步的，所述步骤A的虚拟AP有唯一的bssid(Basic Service Set Identifier，基本服务集标识符)，虚拟AP将发送给无线终端的帧的MAC头部的bssid设置为虚拟AP的bssid，所述虚拟AP还包括与无线终端连接时的会话状态信息和安全认证信息。
进一步的，所述步骤A在无线终端与虚拟AP完成连接过程中的每一步时，Agent软件就会将相关信息上传给SDN控制器，相关信息包括安全认证信息和会话状态信息，控制器将安全认证信息和会话状态信息保存在对应虚拟AP记录上，在无线终端关联完成后，虚拟AP将定时构造无线终端的beacon帧，由物理AP通过主无线网卡发送给无线终端。
进一步的，当无线终端接入完成后，虚拟AP通过Agent代理软件定时上传无线终端的状态信息，这些状态信息包括无线终端的信号强度值、信噪比、收发包数量。
进一步的，所述步骤B物理AP与邻居AP两者处于不同的信道上，物理AP与邻居AP均有两个无线网卡，分为一个主网卡和一个辅助网卡，主网卡用于与无线终端通信，辅助网卡用于跨信道切换时侦听无线终端的信号。
进一步的，所述步骤B的扫描响应消息含有侦听到的无线终端的信号强度值，还包括AP上关联的终端数量和带宽使用情况，控制器对信号强度值、AP用户负载、AP可用带宽进行归一化处理，计算目标函数最大的AP，选择该AP作为切换目标点。所述目标函数为：
Figure BDA0001544079270000031
上式中，ULTAPi为用户负载阈值，ULAPi为用户负载，RSSIAPi为无线终端的信号强度值，SSIT为信号强度阈值，Bandlast为可用带宽，Bandall为总带宽。
进一步的，当选择好最佳切换目标AP后，SDN控制器首先将存储的无线终端所对应的虚拟AP记录发送给目标AP，目标AP根据该虚拟AP的记录信息，在本机上创建一个虚拟AP，包括添加虚拟bssid，添加终端的安全认证信息，添加终端的会话状态信息，定时向终端发送单播beacon帧。同时，SDN控制器向原始AP发送命令，让原始AP在定时发送给目标无线终端的beacon帧中添加CSA信道切换通告字段信息。无线终端接收到含有此CSA字段的beacon帧后，就会按照CSA的信息切换信道。
进一步的，所述CSA字段信息含有信道切换模式，此位设定为1，让无线终端就会停止发送帧；新信道编号,此位设定为切换目标AP所在的信道编号；信道切换计时，此位设定为0，表示信道切换可以立刻进行。
进一步的，所述物理AP上安装了一个支持openflow流表的虚拟交换机，AP上的数据都会经过虚拟交换机，所述虚拟交换机根据SDN控制器下发的流表，处理和转发数据。
进一步的，无线终端在切换信道的短时间内，SDN控制器向原AP的虚拟交换机下发流表，流表内容是，将目的地址是所述无线终端的数据流发送给控制器。控制器将上传的数据流缓存，在所述终端切换信道完成后，控制器将数据流重新下发给终端。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明的创新主要是在多AP多信道的WLAN网络中，在每一个AP上设置两个同频无线网卡，一个用于数据传输，一个用于信道环境检测，最终实现无线终端的快速跨信道漫游切换。
本发明的有益效果是，在多AP的WLAN网络中，通过将AP设置在不同信道上，可最大化减少干扰，提升无线频谱利用率，提高无线网络整体的吞吐率。本发明解决了无线终端在不同信道的AP间漫游切换的问题，而且提出的切换方法主要是在AP端完成，对无线终端没有特殊要求。所以，本发明可实际应用在多AP的企业网络或家庭网络中，将相邻AP设置在不同信道上，可以为用户提供更高质量而且无缝漫游的wifi服务。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例无线终端连接wifi流程图，包括无线终端对应的虚拟AP的生成过程。
图2无线终端跨信道切换整体示例图；
图3系统的总体模块图，总体分为SDN控制器和可编程AP两部分，控制器和AP有两条逻辑链路，一条是无线控制通道，一条是openflow流表通道。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
一种实现无线终端在WLAN中跨信道漫游切换的方法，所述WLAN网络由1个SDN控制器和多个可编程AP组成，相邻AP工作在不同信道上。
所述AP有两个同频无线网卡，一个为主无线网卡，用于数据传输，主无线网卡的信道作为AP的信道；一个为辅助无线网卡，可以动态调整信道，用于监听跨信道切换的无线终端的信号强度。
一种实现无线终端在WLAN中跨信道漫游切换的方法，其包括以下步骤：
A.无线终端在初始WIFI连接时，控制器在物理AP上为所述无线终端创建一个唯一的虚拟AP(VirtualAccess Point)，所述无线终端与虚拟AP完成认证、关联过程。
B.控制器检测到无线终端的信号强度值小于阈值，控制器向所述无线终端连接的物理AP的邻居AP发送扫描请求命令，邻居AP接收到命令后，将自身的辅助无线网卡切换到无线终端的信道，监听无线终端发送的数据，在监听成功后，向控制器发送扫描响应消息。
C.所述控制器在接收到所有邻居AP的扫描响应消息后，选取一个邻居AP作为切换目标AP，将所述无线终端对应的虚拟AP从原AP转移到目标AP。
D.所述控制器命令原AP向所述无线终端发送信道切换通告，无线终端在接收到信道切换通告后，将切换自身的信道至目标AP的信道上。
所述虚拟AP有唯一的bssid，虚拟AP将发送给无线终端的帧的MAC头部的bssid设置为虚拟AP的bssid。所述虚拟AP还包括有与无线终端连接时的会话状态信息和安全认证信息。
无线终端的信号强度值由无线终端的关联AP定时上传给控制器。
扫描响应消息包括，监听到的无线终端的信号强度值，当前AP所在信道的干扰大小。控制器选取切换的目标AP，由AP扫描到的所述无线终端的信号强度值与AP的所在信道的干扰大小两个因素决定。
所述信道切换通告是使用802.11系列标准协议中的CSA(Channel SwitchAnnouncement)，虚拟AP在向无线终端发送的beacon帧中添加所述CSA字段。
所述无线终端在调整信道的短时间内，还包括，所述SDN控制器向原AP的虚拟交换机下发流表，将目的地址是无线终端的数据流发送给控制器，由控制器缓存，在所述终端切换信道完成后，控制器将数据流重新下发给终端。
进一步地，所述物理AP上安装了一个支持openflow流表的虚拟交换机，AP上的数据都会经过虚拟交换机，所述虚拟交换机根据SDN控制器下发的流表处理和转发数据。
如图1所示为无线终端在连接WIFI时，系统为无线终端添加虚拟AP(图中显示为VAP)的流程图。物理AP端通过主无线网卡接收到无线终端发送的探测帧，通过AP上的代理软件Agent进行解析，根据终端的MAC地址查询AP上是否有这个终端的虚拟AP，如果有则agent忽略此消息，如果没有，将无线终端的探测信息发送给sdn控制器的无线管理模块，该模块将为无线终端分配ssid以及一个独一无二的虚拟bssid，构造一个虚拟AP记录，并将虚拟AP的信息下发给物理AP上的代理软件Agent。Agent根据这些信息在物理AP上建立一个虚拟AP，虚拟AP将管理无线终端的认证、关联过程。在无线终端与虚拟AP完成连接过程中的每一步时，Agent软件就会将相关信息上传给控制器，包括安全认证信息和会话状态信息，控制器将信息保存在对应虚拟AP记录上。在无线终端关联完成后，虚拟AP将定时构造无线终端的beacon帧，由物理AP通过主无线网卡发送给无线终端。
当无线终端接入完成后，虚拟AP通过Agent代理软件定时上传无线终端的状态信息，这些信息包括无线终端的信号强度值，信噪比，收发包数量等。当控制器接收到AP上传的无线终端信号强度值小于设定的切换阈值时，将启动终端切换程序。
如图2所示，相邻AP处于不同的信道上。每个AP有两个无线网卡，深色的为主网卡，浅色的为辅助网卡，主网卡用于与无线终端通信，辅助网卡用于跨信道切换时侦听无线终端的信号。
在A点，无线终端与处于信道1的AP1稳定关联，当无线终端从A点移动到B点后，AP1接收到的信号强度值低于控制器所设定的切换阈值。控制器向AP1的所有邻居AP发送扫描请求消息，接收到该消息后，邻居AP将辅助接口的信道切换到AP1所在的信道，侦听该无线终端的数据，计算侦听到的数据的信号强度值。在侦听成功后，将辅助接口的信道又切换回原信道。同时，向控制器发送扫描响应消息，消息含有侦听到的无线终端的信号强度值，还包括AP上关联的终端数量和带宽使用情况。控制器从对上述消息参数进行归一化处理，计算目标函数最大的AP接入点，选择该AP作为切换选择点。
所述目标函数为：
Figure BDA0001544079270000071
上式中，ULTAPi为用户负载阈值，ULAPi为用户负载，RSSIAPi为无线终端的信号强度值，SSIT为信号强度阈值，Bandlast为可用带宽，Bandall为总带宽。此处将负载阈值看作最大接入用户数，用户负载看作接入用户数，总带宽为当前AP所能支持的最大可用带宽，已用带宽通过SDN控制器流表项的计数器统计在该时间段内对应订阅终端的流量大小，可用带宽为总带宽减去各个接入终端用户的已用带宽。通过计算出各个AP的权值，选择权值最大的接入点作为备切换的接入点，得到最优化的目标解。
选择好最佳切换目标AP后，假设此AP为图2中的AP2，控制器首先将存储的无线终端所对应的虚拟AP记录发送给目标AP2，AP2根据该信息，创建一个虚拟AP，包括添加虚拟bssid，添加终端的安全认证信息，添加终端的会话状态信息，定时向终端发送单播beacon帧。同时，控制器向原AP1发送命令，让AP1在定时发送给目标无线终端的beacon帧中添加CSA(Channel Switch Announcement，信道切换通告)字段信息，并且控制器向AP1下发流表，流表内容为将目的地址是该终端的数据流发送给控制器。CSA字段信息含有元素Channel Switch Mode(信道切换模式)，此位设定为1，让无线终端就会停止发送帧，NewChannel Number(新信道编号),此位设定为AP2所在信道的编号；Channel Switch Count(信道切换计时)，此位设定为0，表示信道切换可以立刻进行。终端接收到含有此CSA字段的beacon帧后，就会根据通告切换信道。在终端切换信道的非常短时间内，AP1可能会接收到发往该无线终端的数据流，但是控制器已经给AP1下发了相应的流表，AP1内的虚拟交换机根据流表，将数据流发送给控制器，控制器将数据流暂时保存。当终端切换信道完成后，接收到AP2的虚拟AP发送的beacon帧，终端与AP2就可以直接通信，不用再进行认证、关联过程。然后AP2上报控制器该无线终端切换信道完成，控制器将保存的发往该终端的数据流发送给AP2，AP2再发送给无线终端，控制器然后下发命令给AP1，让AP1将无线终端的虚拟AP删除，停止对该无线终端发送beacon帧。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种实现无线终端在WLAN中跨信道漫游切换的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、无线终端在初始WIFI连接时，SDN控制器在物理无线接入点AP上为所述无线终端创建一个唯一的虚拟AP，所述无线终端与虚拟AP完成认证、关联过程；
B、当SDN控制器检测到无线终端的信号强度值小于阈值时，控制器向所述无线终端连接的物理AP的邻居AP发送扫描请求命令，邻居AP接收到扫描请求命令后，将自身的辅助无线网卡切换到无线终端的信道，监听无线终端发送的数据，在监听成功后，向SDN控制器发送扫描响应消息；
所述步骤B物理AP与邻居AP两者处于不同的信道上，物理AP与邻居AP均有两个无线网卡，分为一个主网卡和一个辅助网卡，主网卡用于与无线终端通信，辅助网卡用于侦听其他需要切换信道的无线终端的信号；
所述步骤B的扫描响应消息含有侦听到的无线终端的信号强度值，还包括AP上关联的终端数量和带宽使用情况，控制器对信号强度值、AP用户负载、AP可用带宽进行归一化处理，计算目标函数最大的AP，选择该AP作为切换目标点，所述目标函数为：
Figure FDA0002973290480000011
上式中，ULTAPi为用户负载阈值，ULAPi为用户负载，RSSIAPi为无线终端的信号强度值，SSIT为信号强度阈值，Bandlast为可用带宽，Bandall为总带宽；此处将负载阈值看作最大接入用户数，用户负载看作接入用户数，总带宽为当前AP所能支持的最大可用带宽，已用带宽通过SDN控制器流表项的计数器统计在本时间段内对应订阅终端的流量大小，可用带宽为总带宽减去各个接入终端用户的已用带宽，通过计算出各个AP的权值，选择权值最大的接入点作为备切换的接入点，得到最优化的目标解；
C、所述SDN控制器在接收到所有邻居AP的扫描响应消息后，选取一个邻居AP作为切换目标AP，将所述无线终端对应的虚拟AP从原AP转移到切换目标AP；
D、所述SDN控制器命令原AP向所述无线终端发送信道切换通告，无线终端在接收到信道切换通告后，将自身的信道切换至目标AP的信道上。
2.根据权利要求1所述的一种实现无线终端在WLAN中跨信道漫游切换的方法，其特征在于，所述步骤A的虚拟AP有唯一的bssid基本服务集标识符，虚拟AP将发送给无线终端的帧的MAC头部的bssid设置为虚拟AP的bssid，所述虚拟AP还包括与无线终端连接时的会话状态信息和安全认证信息。
3.根据权利要求1所述的一种实现无线终端在WLAN中跨信道漫游切换的方法，其特征在于，所述步骤A在无线终端与虚拟AP完成连接过程中的每一步时，Agent软件会将相关信息上传给SDN控制器，相关信息包括安全认证信息和会话状态信息，控制器将安全认证信息和会话状态信息保存在对应虚拟AP记录上，在无线终端关联完成后，虚拟AP将定时构造无线终端的beacon帧，由物理AP通过主无线网卡发送给无线终端。
4.根据权利要求3所述的一种实现无线终端在WLAN中跨信道漫游切换的方法，其特征在于，当无线终端接入完成后，虚拟AP通过Agent代理软件定时上传无线终端的状态信息，这些状态信息包括无线终端的信号强度值、信噪比及收发包数量。
5.根据权利要求1所述的一种实现无线终端在WLAN中跨信道漫游切换的方法，其特征在于，当选择好最佳切换目标AP后，SDN控制器首先将存储的无线终端所对应的虚拟AP记录发送给目标AP，目标AP根据该虚拟AP的记录信息，在本机上创建一个虚拟AP，包括添加虚拟bssid，添加终端的安全认证信息，添加终端的会话状态信息，定时向终端发送单播beacon帧；同时，SDN控制器向原始AP发送命令，让原始AP在定时发送给目标无线终端的beacon帧中添加CSA信道切换通告字段信息；无线终端接收到含有此CSA字段的beacon帧后，就会按照CSA的字段信息切换信道。
6.根据权利要求5所述的一种实现无线终端在WLAN中跨信道漫游切换的方法，其特征在于，所述CSA字段信息含有信道切换模式，此位设定为1，让无线终端就会停止发送帧；新信道编号,此位设定为切换目标AP所在的信道编号；信道切换计时，此位设定为0，表示信道切换可以立刻进行。
7.根据权利要求1-6之一所述的一种实现无线终端在WLAN中跨信道漫游切换的方法，其特征在于，所述物理AP上安装了一个支持openflow流表的虚拟交换机，AP上的数据都会经过虚拟交换机，所述虚拟交换机根据SDN控制器下发的流表，处理和转发数据。
8.根据权利要求7所述的一种实现无线终端在WLAN中跨信道漫游切换的方法，其特征在于，无线终端在切换信道的短时间内，SDN控制器向原AP的虚拟交换机下发流表，流表内容是，将目的地址是所述无线终端的数据流发送给控制器，控制器将上传的数据流缓存，在所述终端切换信道完成后，控制器将数据流重新下发给终端。
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