CN109600811A - 基于位置感知的wlan无缝切换方法及设备 - Google Patents

基于位置感知的wlan无缝切换方法及设备 Download PDF

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王新恒
赵国锋
徐川
李亚明
韩珍珍
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Abstract

本发明提供一种基于位置感知的WLAN无缝切换方法及设备,通过控制器为每一个接入网络中的终端提供一对一的虚拟AP,完成用户接入;虚拟AP在与STA通信过程中,提取数据帧中的RSSI值,并且将所述RSSI值传送给控制器;控制器根据RSSI值计算STA的位置,结合查询邻接映射集合的结果,决策与当前AP相关联的STA是否需要跨信道切换,以及判断需要切换到的目标信道;控制器利用当前AP所关联的虚拟AP通知STA快速切换至目标信道,同时将虚拟AP移植到所述目标信道上的AP;本发明解决了现有技术中难以有效解决乒乓效应问题,极大的提升了无线网络的服务及性能。

Description

基于位置感知的WLAN无缝切换方法及设备
技术领域
本发明涉及无线通信领域,具体涉及一种基于位置感知的WLAN无缝切换方法及设备。
背景技术
根据IEEE802.11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(Basic Service Set,BSS),在基本服务集中,移动终端必须与接入点建立关联后,才能与其他节点进行通讯,即移动终端与其他节点的数据传输都必须经过接入点进行转发。由于在一个基本服务集,接入点的网络覆盖范围非常有限,通常在200米以内。这样小的接入点传输距离限制了移动终端的移动范围。对此,一般是通过增加网络中接入点的个数来实现。
上述方法,是现在比较流行的做法,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,从一个接入点覆盖区域移动到另一个接入点覆盖区域时,移动终端需要和新的接入点重新关联,当移动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。由于无线信号的不稳定,导致乒乓效应没有有效的解决。
目前针对多接入点WIFI网络间无缝漫游的研究大部分是软切换,且WIFI网络为同频网络,但同频网络在其节点的覆盖重叠区域将不可避免的遇见较大干扰,因此构建WIFI异频网络是十分有必要的。
根据IEEE802.11规范,移动终端对于信道的扫描是从当前信道开始探测,若无合适接入点,则进入下一个信道扫描,若扫描到最后一个信道依然无合适接入点,则依次返回到上一个信道重新探测,该过程被称为被动扫描探测。研究结果表明,移动终端在传统异频网络的接入点间切换时延非常大,且80%以上的切换时延来自于对逐个信道的探测过程。
发明内容
本发明针对现有WIFI技术中缺乏终端在由WIFI构成的异频网络中实现快速漫游的方法,提供了基于位置感知的WLAN无缝切换方法及设备,通过缩短被动探测过程,令STA主动探测某个信道,可以明显地减小STA在WIFI异频接入点网络异频接入点之间切换的时延。
根据本发明的一个方面,提供一种基于位置感知的无线局域网WLAN无缝切换方法,包括四个步骤:
步骤1,控制器Controller为每一个接入网络中的终端(STA)提供一对一的虚拟接入点(Virtual Access Point,简称VAP或者虚拟AP),完成用户接入,其中所述虚拟AP能在接入点AP之间复制或移植;
步骤2,所述虚拟AP在与STA通信过程中,提取数据帧中的接收信号强度指示(RSSI)值,并且将所述RSSI值传送给控制器Controller;
步骤3,控制器Controller根据RSSI值计算STA的位置,结合查询邻接映射集合的结果,决策与当前AP相关联的STA是否需要跨信道切换,以及判断需要切换到的目标信道;
步骤4,控制器Controller利用当前AP所关联的虚拟AP通知STA快速切换至目标信道,同时将虚拟AP移植到所述目标信道上的AP。
根据本发明的一个方面,提供一种基于位置感知的无线局域网WLAN无缝切换设备,包括:
控制器Controller模块,用于为每一个接入网络中的STA提供一对一的虚拟AP,完成用户接入,其中所述虚拟AP能在AP之间复制或移植;根据RSSI值计算STA的位置,结合查询邻接映射集合的结果,决策与当前AP相关联的STA是否需要跨信道切换,以及判断需要切换到的目标信道;利用当前AP所关联的虚拟AP通知STA快速切换至目标信道,同时将虚拟AP移植到所述目标信道上的AP;
接入点AP模块,用于虚拟AP与STA通信,且在虚拟AP与STA通信过程中,提取数据帧中的RSSI值,并且将所述RSSI值传送给控制器Controller。
本发明的有益效果在于,提出的一种基于位置感知的WLAN无缝切换方法及设备,利用虚拟化技术,以及对于802.11协议中信道通告元素的具体运用,不需要对STA进行任何修改,就可以完成STA在由WIFI构成的异频多接入点网络中快速高效的跨信道切换,实现在由WIFI构成的异频多接入点网络中快速漫游,从而避免现有技术中难以跨信道漫游,同频漫游干扰过大的问题,极大的提高了用户使用体验。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于位置感知的无线局域网WLAN无缝切换方法流程图;
图2是本发明实施例提供的一种基于位置感知的无线局域网WLAN无缝切换方法的虚拟化过程的流程图;
图3是本发明实施例提供的一种基于位置感知的无线局域网WLAN无缝切换方法的邻接关系映射表;
图4是本发明实施例提供的一种基于位置感知的无线局域网WLAN无缝切换方法的决策模块的流程图;
图5是本发明另一实施例提供的一种基于位置感知的无线局域网WLAN无缝切换方法流程图;
图6是本发明实施例提供的一种基于位置感知的无线局域网WLAN无缝切换设备的结构图。
具体实施方式
下面本发明具体的实施方式进行阐述,来进一步说明本发明的出发点以及相应的技术方案。
图1是本发明实施例提供的一种基于位置感知的WLAN无缝切换方法流程图,所述方法包括四个步骤:
步骤1,控制器Controller为每一个接入网络中的终端(STA)提供一对一的虚拟接入点(Virtual Access Point,简称VAP或者虚拟AP),完成用户接入,其中所述虚拟AP能在接入点AP之间复制或移植;
步骤2,所述虚拟AP在与STA通信过程中,提取数据帧中的接收信号强度指示(RSSI)值,并且将所述RSSI值传送给控制器Controller;
步骤3,控制器Controller根据RSSI值计算STA的位置,结合查询邻接映射集合的结果,决策与当前AP相关联的STA是否需要跨信道切换,以及判断需要切换到的目标信道;
步骤4,控制器Controller利用当前AP所关联的虚拟AP通知STA快速切换至目标信道,同时将虚拟AP移植到所述目标信道上的AP。
为了更好的实现无缝切换,进一步的,控制器Controller利用当前AP所关联的虚拟AP通知STA快速切换至目标信道,同时将虚拟AP移植到所述目标信道上的AP之后还包括:
步骤5,控制器Controller通过流表控制,向STA切换前所关联的AP下发降落(drop)流表,禁止数据流从所述AP通过。
图2本发明实施例提供的一种基于位置感知的无线局域网WLAN无缝切换方法的虚拟化过程的流程图。如图2所述,优选的,步骤1所述控制器Controller为每一个接入网络中的STA提供一对一的虚拟AP包括:
步骤101,STA发送广播的探测帧,AP禁止无线协议栈任何处理,通过Socket通信方式将探测帧交由Controller处理;
步骤102,Controller构造针对所述STA的唯一的虚拟的基本服务集标识符(BasicService Set Identifier,简称BSSID),作为核心组成部分构造虚拟AP的探索响应帧,将所述虚拟AP的探索响应帧交给AP,由AP利用虚拟AP的探测响应帧对STA进行回复;
步骤103,STA接收到来自AP的探测响应之后,向AP进行认证关联请求,所述认证关联的对象为AP中的虚拟AP;
步骤104,当认证关联结束后,AP通过DHCP服务器为STA分配一个IP地址,并将其写入虚拟AP中,用于虚拟AP与STA的通信。
图3是本发明实施例提供的一种基于位置感知的无线局域网WLAN无缝切换方法的邻接关系映射表。优选的,步骤3,控制器Controller结合查询邻接映射集合的结果,决策与当前AP相关联的STA是否需要跨信道切换,以及判断需要切换到的目标信道包括:
当控制器启动后,通过读取配置文件,可以获得部署AP的邻接关系,并且建立邻接关系的映射集合,该邻接AP映射集合应至少能包含有邻接AP所处信道这一信息,如图所示,当通过索引AP-1时,能够得知AP-1附近的AP为AP1和AP2,且能得知AP1和AP2所处信道及其他信息,这些信息则可交由决策程序进行决策。
图4是本发明实施例提供的一种基于位置感知的无线局域网WLAN无缝切换方法的决策模块的流程图。如图4所述,优选的,步骤3,控制器Controller结合查询邻接映射集合的结果,决策与当前AP相关联的STA是否需要跨信道切换,以及判断需要切换到的目标信道,包括:
Controller通过接收模块接收当前AP传来的所述RSSI值,判断RSSI值是否低于阈值,若低于阈值,则判断为需要切换,否则,保持连接;
当需要切换时,Controller读取邻接映射表,查询当前AP的邻接AP及邻接AP所处的信道,判断是否需要进行跨信道切换,若需要,则进行跨信道切换,若不需要,则同频切换。
优选的,步骤4,所述的利用当前AP所关联的虚拟AP通知STA快速切换至目标信道包括:
所述虚拟AP向STA发送一系列含有信道通告机制(Channel SwitchAnnouncement,简称CSA)字段的信标(Beacon)帧,STA在接收到特定数量个含有所述CSA字段的Beacon帧后进行信道切换;且在保证所述一系列含有CSA字段的Beacon帧正常发送的条件下,使用最小的发送时间间隔来发送Beacon帧。
Controller告诉AP向STA发送一系列含CSA的Beacon帧,该CSA字段为Beacon帧中Information Element中的一个元素,在802.11h协议中被定义,它们被STA理解为倒计时,即在接收到n个含该CSA字段的Beacon帧后就进行信道切换。
图5是本发明另一实施例提供的一种基于位置感知的无线局域网WLAN无缝切换方法流程图,所述方法包括:
步骤a,虚拟化过程:
本步骤的目的是为了为每一个接入网络中的STA提供一对一的虚拟AP,完成用户接入,并通过将该虚拟AP在AP之间的复制或移植,来完成STA从当前AP到另一个AP的漫游。其中采用的AP虚拟化方法可以是以虚拟BSSID为核心构建虚拟软接入点。
步骤b,信号强度提取过程:
本步骤中,除了保证STA与AP之间的正常通信之外,还需完成以下目的:
在AP与STA的通信、数据交互过程中,AP还需要提取数据包中的一些能够用于反映STA与AP在数据交互过程中的传输质量的值,也可以通过对多种值进行计算而得出,记为信号强度表征值,用RSSI表示,并且将该值传送给Controller,可用于Controller进行切换决策。
步骤c,漫游处理决策过程:
在本步骤中,需要决策与当前AP相关联的STA是否需要跨信道切换,以及如果需要信道切换,则进一步得知需要切换到哪个信道。
当控制器启动后,通过读取配置文件,可以获得部署AP的邻接关系,并且建立邻接关系的映射集合,该邻接AP映射集合应至少能包含有邻接AP所处信道这一信息,如图所示,当通过索引AP-1时,能够得知AP-1附近的AP为AP1和AP2,且能得知AP1和AP2所处信道及其他信息,这些信息则可交由决策程序进行决策。
控制器决策与当前AP相关联的STA是否需要跨信道切换,以及如果需要信道切换,则进一步得知需要切换到的目标信道和目标AP。
步骤d,通知STA执信道切换过程:
控制器Controller利用当前AP所关联的虚拟AP通知STA快速切换至目标信道,同时将虚拟AP移植到所述目标信道上的AP。其中所述虚拟AP向STA发送一系列含有CSA字段的Beacon帧,STA在接收到特定数量个含有所述CSA字段的Beacon帧后进行信道切换;且在保证所述一系列含有CSA字段的Beacon帧正常发送的条件下,使用最小的发送时间间隔来发送Beacon帧。
图6是本发明实施例提供的一种基于位置感知的无线局域网WLAN无缝切换设备结构图,所述设备包括:
控制器Controller模块1,用于为每一个接入网络中的终端(STA)提供一对一的虚拟接入点(Virtual Access Point,简称VAP),完成用户接入,其中所述虚拟AP能在AP之间复制或移植;根据RSSI值计算STA的位置,结合查询邻接映射集合的结果,决策与当前AP相关联的STA是否需要跨信道切换,以及判断需要切换到的目标信道;利用当前AP所关联的虚拟AP通知STA快速切换至目标信道,同时将虚拟AP移植到所述目标信道上的AP;
接入点AP模块2,用于虚拟AP与STA通信,且在虚拟AP与STA通信过程中,提取数据帧中的接收信号强度指示(RSSI)值,并且将所述RSSI值传送给控制器Controller。
优选的,控制器Controller模块,用于为每一个接入网络中的STA提供一对一的虚拟AP,完成用户接入包括:
Controller接收探测帧,所述探测帧为AP接收STA广播的探测帧后,禁止无线协议栈任何处理,且通过Socket通信方式转交给Controller的;
Controller构造针对所述STA的唯一的虚拟的基本服务集标识符(Basic ServiceSet Identifier,简称BSSID),作为核心组成部分构造虚拟AP的探索响应帧,将所述虚拟AP的探索响应帧交给AP,由AP利用虚拟AP的探测响应帧对STA进行回复;
STA接收到来自AP的探测响应之后,向AP进行认证关联请求,所述认证关联的对象为AP中的虚拟AP;
当认证关联结束后,AP通过DHCP服务器为STA分配一个IP地址,并将其写入虚拟AP中,用于虚拟AP与STA的通信。
优选的,所述控制器Controller根据RSSI值计算STA的位置,结合查询邻接映射集合的结果,决策与当前AP相关联的STA是否需要跨信道切换,以及判断需要切换到的信道包括:
Controller通过接收模块接收当前AP传来的所述RSSI值,判断RSSI值是否低于阈值,若低于阈值,则判断为需要切换,否则,保持连接;
当需要切换时,Controller读取邻接映射表,查询当前AP的邻接AP及邻接AP所处的信道,判断是否需要进行跨信道切换,若需要,则进行跨信道切换,若不需要,则同频切换。
优选的,所述控制器Controller利用当前AP所关联的虚拟AP通知STA快速切换至目标信道包括:
所述控制器Controller利用当前AP所关联的虚拟AP向STA发送一系列含有信道通告机制(Channel Switch Announcement,简称CSA)字段的信标(Beacon)帧,STA在接收到特定数量个含有所述CSA字段的Beacon帧后进行信道切换;且在保证所述一系列含有CSA字段的Beacon帧正常发送的条件下,使用最小的发送时间间隔来发送Beacon帧。
为了更好的实现无缝切换,进一步的,所述控制器Controller用于:
通过流表控制,向STA切换前所关联的AP下发降落(drop)流表,禁止数据流从所述AP通过。
以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理,若依本发明的构想所作的改变,其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时,仍应属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于位置感知的无线局域网WLAN无缝切换方法,其特征在于,包括:
步骤1,控制器Controller为每一个接入网络中的终端STA提供一对一的虚拟接入点VAP,完成用户接入,其中所述虚拟AP能在接入点AP之间复制或移植;
步骤2,所述虚拟AP在与STA通信过程中,提取数据帧中的接收信号强度指示RSSI值,并且将所述RSSI值传送给控制器Controller;
步骤3,控制器Controller根据RSSI值计算STA的位置,结合查询邻接映射集合的结果,决策与当前AP相关联的STA是否需要跨信道切换,以及判断需要切换到的目标信道;
步骤4,控制器Controller利用当前AP所关联的虚拟AP通知STA快速切换至目标信道,同时将虚拟AP移植到所述目标信道上的AP。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤1所述控制器Controller为每一个接入网络中的STA提供一对一的虚拟AP包括:
步骤101、STA发送广播的探测帧,AP禁止无线协议栈任何处理,通过Socket通信方式将探测帧交由Controller处理;
步骤102、Controller构造针对所述STA的唯一的虚拟的基本服务集标识符BSSID,作为核心组成部分构造虚拟AP的探索响应帧,将所述虚拟AP的探索响应帧交给AP,由AP利用虚拟AP的探测响应帧对STA进行回复;
步骤103,STA接收到来自AP的探测响应之后,向AP进行认证关联请求,所述认证关联的对象为AP中的虚拟AP;
步骤104,当认证关联结束后,AP通过DHCP服务器为STA分配一个IP地址,并将其写入虚拟AP中,用于虚拟AP与STA的通信。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤3所述控制器Controller根据RSSI值计算STA的位置,结合查询邻接映射集合的结果,决策与当前AP相关联的STA是否需要跨信道切换,以及判断需要切换到的信道包括:
Controller通过接收模块接收当前AP传来的所述RSSI值,判断RSSI值是否低于阈值,若低于阈值,则判断为需要切换,否则,保持连接;
当需要切换时,Controller读取邻接映射表,查询当前AP的邻接AP及邻接AP所处的信道,判断是否需要进行跨信道切换,若需要,则进行跨信道切换,若不需要,则同频切换。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤4所述的利用当前AP所关联的虚拟AP通知STA快速切换至目标信道包括:
所述虚拟AP向STA发送一系列含有信道通告机制CSA字段的信标Beacon帧,STA在接收到特定数量个含有所述CSA字段的Beacon帧后进行信道切换;且在保证所述一系列含有CSA字段的Beacon帧正常发送的条件下,使用最小的发送时间间隔来发送Beacon帧。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,进一步包括:
步骤5,控制器Controller通过流表控制,向STA切换前所关联的AP下发降落drop流表,禁止数据流从所述AP通过。
6.一种基于位置感知的无线局域网WLAN无缝切换设备,其特征在于,包括:
控制器Controller模块(1),用于为每一个接入网络中的终端STA提供一对一的虚拟接入点VAP,完成用户接入,其中所述虚拟AP能在AP之间复制或移植;根据RSSI值计算STA的位置,结合查询邻接映射集合的结果,决策与当前AP相关联的STA是否需要跨信道切换,以及判断需要切换到的目标信道;利用当前AP所关联的虚拟AP通知STA快速切换至目标信道,同时将虚拟AP移植到所述目标信道上的AP;
接入点AP模块(2),用于虚拟AP与STA通信,且在虚拟AP与STA通信过程中,提取数据帧中的接收信号强度指示RSSI值,并且将所述RSSI值传送给控制器Controller。
7.根据权利要求6所述的设备,其特征在于,控制器Controller模块,用于为每一个接入网络中的STA提供一对一的虚拟AP,完成用户接入包括:
Controller接收探测帧,所述探测帧为AP接收STA广播的探测帧后,禁止无线协议栈任何处理,且通过Socket通信方式转交给Controller的;
Controller构造针对所述STA的唯一的虚拟的基本服务集标识符BSSID,作为核心组成部分构造虚拟AP的探索响应帧,将所述虚拟AP的探索响应帧交给AP,由AP利用虚拟AP的探测响应帧对STA进行回复;
STA接收到来自AP的探测响应之后,向AP进行认证关联请求,所述认证关联的对象为AP中的虚拟AP;
当认证关联结束后,AP通过DHCP服务器为STA分配一个IP地址,并将其写入虚拟AP中,用于虚拟AP与STA的通信。
8.根据权利要求6所述的设备,其特征在于,所述控制器Controller根据RSSI值计算STA的位置,结合查询邻接映射集合的结果,决策与当前AP相关联的STA是否需要跨信道切换,以及判断需要切换到的信道包括:
Controller通过接收模块接收当前AP传来的所述RSSI值,判断RSSI值是否低于阈值,若低于阈值,则判断为需要切换,否则,保持连接;
当需要切换时,Controller读取邻接映射表,查询当前AP的邻接AP及邻接AP所处的信道,判断是否需要进行跨信道切换,若需要,则进行跨信道切换,若不需要,则同频切换。
9.根据权利要求6所述的设备,其特征在于,所述控制器Controller利用当前AP所关联的虚拟AP通知STA快速切换至目标信道包括:
所述控制器Controller利用当前AP所关联的虚拟AP向STA发送一系列含有信道通告机制CSA字段的信标Beacon帧,STA在接收到特定数量个含有所述CSA字段的Beacon帧后进行信道切换;且在保证所述一系列含有CSA字段的Beacon帧正常发送的条件下,使用最小的发送时间间隔来发送Beacon帧。
10.根据权利要求6所述的设备,其特征在于,所述控制器Controller进一步用于:
控制器Controller通过流表控制,向STA切换前所关联的AP下发降落drop流表,禁止数据流从所述AP通过。
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