CN112770364B - 一种无线局域网的终端信道切换方法及系统 - Google Patents

一种无线局域网的终端信道切换方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线局域网的终端信道的切换方法及系统，该方法包括：接收所有其管理的无线访问接入点发送的上下文信息、终端运行时状态以及自身网络状态；判断终端信噪比是否大于预先设定的信噪比阈值，若判断是肯定的，则不需要切换该终端的信道，预先将其关联的无线访问接入点发送的终端上下文信息，同步至能够感应到该终端的无线访问接入点上；否则，从能够感应到该终端的无线访问接入点中，选择一个新无线访问接入点作为该终端信道的切换目标；为该终端当前关联的无线访问接入点发送一个单播CSA帧，通知该终端新无线访问接入点的信道；控制原无线访问接入点和新无线访问接入点分别对该终端的数据包进行缓存。

Description

一种无线局域网的终端信道切换方法及系统
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种无线局域网的终端信道切换方法及系统。
背景技术
作为使用最为广泛的非3GPP无线接入技术，WiFi为用户提供了一种廉价的网络接入服务。许多移动运营商通过部署WiFi热点来卸载流量以降低高密度地区基站的压力。从IEEE 802.11a/b/g/n到802.11ac甚至802.11ax(WiFi 6)，物理层传输速率的增强以及MAC层机制的改进不仅提升了用户体验，同时也刺激了服务需求的改变。移动性是无线网络最重要的一个目标，特别是随着越来越多的实时流媒体服务的出现，WiFi技术在保障高带宽传输的同时，如何保障这些服务在移动切换时数据传输的连续性对用户体验具有十分重要的意义。
相比于蜂窝网络既存在软切换也存在硬切换，802.11网络中的切换只有硬切换。由于两种空口技术物理层和媒体接入层相差巨大，因此两种网络中对无线资源的抽象以及通信上下文信息也不相同。另外，与蜂窝网络中通过基站井然有序地调度和分配无线资源不同，802.11网络中的无线资源通过抢占竞争来获取无线资源，无线用户很难获取全局的无线网络信息，因此现有的基于用户侧的切换往往不是一个较优的决策，特别是存在大量无线终端的情况下通常很难充分利用无线资源。另一方面，传统802.11中的切换本质上是重新关联，这涉及到认证、关联和密钥协商。这些握手交互对实时流媒体服务造成了不能忍受的中断时延。虽然802.11r协议简化了上述重新认证关联的步骤，让这些认证连接信息可以通过无线终端在不同AP间共享，但依旧存在通信开销、稳定性等问题。将切换决策放在网络侧往往可以得到更优的结果因为网络侧比端侧具有更多的全局视图。另一方面，mac层接入流程是为了协商建立连接和安全上下文信息，复用这些上下文信息来避免切换带来的握手交互可以极大地缩短切换时间。
发明内容
本发明的目的在于克服现有802.11无线局域网切换机制会造成较大中断时延的问题；结合Software-Defined Network的思想，提出一种无线局域网的终端信道切换方法及系统。
为实现上述目的，本发明提出了一种无线局域网的终端信道切换方法，所述方法包括：
接收所有其管理的无线访问接入点发送的上下文信息、终端运行时状态以及自身网络状态；
判断终端信噪比是否大于预先设定的信噪比阈值，若判断是肯定的，则不需要切换该终端的信道，预先将其关联的无线访问接入点发送的终端上下文信息，同步至能够感应到该终端的无线访问接入点上；否则，从能够感应到该终端的无线访问接入点中，选择一个新无线访问接入点作为该终端信道的切换目标；
为该终端当前关联的无线访问接入点发送一个单播CSA帧，通知该终端新无线访问接入点的信道；
控制原无线访问接入点和新无线访问接入点分别对该终端的数据包进行缓存。
作为上述方法的一种改进，所述从能够感应到该终端的无线访问接入点中，选择一个新无线访问接入点作为该终端信道的切换目标；具体包括：
若能够感应到该终端的无线访问接入点的数量为n个，计算第i个无线访问接入点的评分：
Figure BDA0002260729560000021
其中，1≤i≤n，
Figure BDA0002260729560000022
为接收到的第i个无线访问接入点发送的终端信道的平均接收信号强度，Bi为第i个无线访问接入点的主信道空闲情况；α和β为权重因子，分别为0.3和0.7；μ为归一化因子：
Figure BDA0002260729560000023
其中，θ为切换阈值；
选取评分最高的无线访问接入点作为切换目标。
本发明还提供了一种控制器，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法。
本发明提供了一种无线局域网的终端信道切换方法，所述方法包括：
当收到终端的认证关联时，接收终端发送的终端上下文信息，包括与该终端通信的连接上下文信息以及握手协商形成的安全上下文信息；
将终端上下文信息、终端运行时状态以及自身网络状态发送至控制器；
当与终端的信噪比低于设定信噪比阈值时，计算与终端之间信道的平均接收信号强度，并统计自身通信信道的空闲情况，将这些信息同步发送至控制器。
作为上述方法的一种改进，所述终端上下文信息包括：MAC地址、支持的速率、侦听间隔、关联ID、终端能力、加密密钥和加密套件。
作为上述方法的一种改进，所述计算与终端之间信道的平均接收信号强度，并统计自身通信信道的空闲情况，具体包括：
Figure BDA0002260729560000031
其中，
Figure BDA0002260729560000032
为平均接收信号强度，RSSIt、RSSIt-1和RSSIt-2分别为终端之间的第t时刻、第t-1时刻和第t-2时刻的接收信号强度；
主信道空闲情况的估计B为：
Figure BDA0002260729560000033
其中，T为时间，∑DCTS为T时间内的CTS帧的802.11首部Duration字段的统计值；∑Ddata为T时间内单播数据帧的统计值。
作为上述方法的一种改进，所述方法还包括：当接收到单播CSA帧的应答ACK帧时，或者收到控制器的控制消息时，将硬件发送队列中未发送的帧以及新到达的帧进行缓存，并转发至新无线访问接入点。
作为上述方法的一种改进，所述方法还包括：当被控制器告知作为某个终端的切换目标时，缓存发往该终端的数据包，直到接收到该终端的切换完成通告帧，然后将数据包发往终端。
本发明提供了一种无线交换机，包括两块无线网卡：主网卡和副网卡；
所述主网卡，用于接收终端发送的终端上下文信息，实时感知关联终端的信噪比；将终端上下文信息、终端运行时状态以及自身网络状态发送至控制器；
所述副网卡，用于当与终端的信噪比低于设定信噪比阈值时，计算与终端之间信道的平均接收信号强度，并统计主网卡通信信道的空闲情况，将这些信息同步发送至控制器。
本发明提供了一种无线局域网的终端信道切换系统，所述包括一个控制器和若干个无线交换机，一个控制器统一管理所有无线交换机，所有无线交换机设置相同的MAC地址。
本发明的优点在于：
1、本发明将切换信道的决策由传统的终端发起转移至控制器，在多终端多AP场景下具有更优的切换决策；
2、本发明的方法将CSA帧引入，使切换过程避免了信道扫描以及重新认证关联等握手交互，相比传统802.11切换甚至802.11r，具有更小的切换时延；
3、本发明的方法通过缓存队列来解决快速切换过程中存在的丢包、拥塞等问题，从而使得语音通话等中断敏感业务在切换时没有感官上的变化；防止先于无线链路建立成功而到达AP无线网卡的下行数据包因多次重传或者发送失败而造成无线链路拥塞、带宽收敛缓慢等问题。
附图说明
图1是本发明的的应用场景图；
图2是本发明的快速切换流程图。
具体实施方式
现结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
图1为本发明的应用场景图，本发明借助了SDN的思想，分离了控制面和转发面，所有AP(Wireless Access Point，无线访问接入点)通过一个管理网络接受控制器的管理。由于网络侧具有更多的全局无线环境的视图，切换的决策由传统的终端发起转移至网络侧控制器。所有AP会检测各个信道周围终端的信息(RSSI)以及自身的网络状况，并周期性通告控制器。控制器会实时检测，为需要切换的终端选择一个合适的AP并通过单播CSA帧通告其新AP的信道。另外，旧AP上的缓存队列会在控制器的调度下该终端缓存数据包，并转发至新AP。新AP上的缓存队列也会缓存数据包，防止先于无线链路建立成功而到达AP无线网卡的下行数据包因多次重传或者发送失败而造成无线链路拥塞、带宽收敛缓慢等问题。
实施例1
本发明的实施例1提供了一种无线局域网的终端信道切换系统，包括控制器和若干个AP。
控制器统一管理所有AP；AP不仅会将自身的网络状态实时上报给控制器，而且会检测其他信道上周边无线终端的平均接收信号强度
Figure BDA0002260729560000041
并周期性同步至控制器。控制器会记录下终端第一次接入系统时的上下文信息，并根据其信噪比(SNR)变化速率来预测切换，并根据需要将上下文信息同步至周边AP上。当切换发生时，控制器需要选择一个合适的AP并告知终端，并将所有与终端相关的包从正确的路径发送给终端。
所有AP均有两块无线网卡，一块是主网卡，另一块是副网卡。前者用于与关联终端进行通信，后者用于检测不同信道上终端的信号强度以及对主网卡信道进行空闲情况估计。AP会以特定的协议格式将上述信息同步至控制器。
控制器会控制各个AP来关联终端并记录下终端的上下文信息，通过信噪比速率变化来预测终端切换并提前将上下文信息发送给周围AP、配置其驱动。
当切换发生时，控制器通过综合考虑各个AP与终端平均接收信号强度以及主网卡信道空闲情况来选择一个最合适的AP，并用一个单播CSA来通知终端切换。
当切换发生时，控制器还会控制新AP和旧AP上的缓存队列来解决切换时的丢包问题。
主网卡工作于AP模式，副网卡工作于monitor模式。副网卡会在不同信道间不断切换，并停留一段时间以获得某个终端的
Figure BDA0002260729560000051
并且，会在主网卡信道上通过统计一段时间内单播数据帧的Duration字段来估计信道空闲情况。
终端上下文信息包括连接上下文以及安全上下文，是AP无线驱动与该终端通信所必须的参数信息，包括MAC地址、支持的速率、侦听间隔、关联ID、终端能力、加密秘钥、加密套件等。这些参数在终端首次接入系统时通过握手交互形成。
所有的AP的BSSID(一般为MAC地址)相同，信道不同。控制器通过一个权重模型统一考虑
Figure BDA0002260729560000052
以及信道空闲情况来为切换终端选取一个合适AP。单播的CSA帧是一个action帧，其中包含了新AP的信道编号，终端收到CSA帧直接切换信道并关联上新的AP，并向新AP发送一个切换完成通告帧。
每个AP会特别设置一个缓存队列。旧AP上的缓存队列会缓存切换发生时依旧从旧路径发往终端的数据包，并在控制器的调度下将数据包发往新AP。新AP上的缓存队列会缓存先于新无线链路建立而到达的数据包直到收到终端的切换完成通告帧。
实施例2
如图2所示，本发明的实施例2提供了一种无线局域网的终端信道切换方法，包括：
当收到终端的认证关联时，AP保存所有与该终端通信的连接上下文信息以及握手协商形成的安全上下文信息；
所述上下文信息包括：MAC地址、支持的速率、侦听间隔、关联ID、终端能力、加密密钥和加密套件。
将上下文信息、终端运行时状态以及自身网络状态发送至控制器；
当与终端的信噪比低于设定信噪比阈值时，计算与终端之间信道的平均接收信号强度，并统计自身通信信道的空闲情况，将这些信息同步发送至控制器。
所述计算与终端之间信道的平均接收信号强度，并统计自身通信信道的空闲情况，具体包括：
Figure BDA0002260729560000061
其中，
Figure BDA0002260729560000062
为平均接收信号强度，RSSIt、RSSIt-1和RSSIt-2分别为终端之间的第t时刻、第t-1时刻和第t-2时刻的接收信号强度；
主信道空闲情况的估计B为：
Figure BDA0002260729560000063
其中，T为时间，∑DCTS为T时间内的CTS帧的802.11首部Duration字段的统计值；∑Ddata为T时间内单播数据帧的统计值。
控制器接收所有其管理的无线访问接入点发送的上下文信息、终端运行时状态以及自身网络状态；
判断终端信噪比是否大于预先设定的信噪比阈值，若判断是肯定的，则不需要切换该终端的信道，预先将其关联的无线访问接入点发送的上下文信息，同步至能够感应到该终端的无线访问接入点上；否则，从能够感应到该终端的无线访问接入点中，为该终端选择一个新无线访问接入点作为切换目标；
若能够感应到该终端的无线访问接入点的数量为n个，计算第i个无线访问接入点的评分：
Figure BDA0002260729560000064
其中，1≤i≤n，
Figure BDA0002260729560000065
为接收到的第i个无线访问接入点发送的终端信道的平均接收信号强度，Bi为第i个无线访问接入点的主信道空闲情况；α和β为权重因子，分别为0.3和0.7；μ为归一化因子：
Figure BDA0002260729560000066
θ为切换阈值，一般参考为-70dbm：
选取评分最高的无线访问接入点作为切换目标。
为该终端当前关联的无线访问接入点发送一个单播CSA帧，通知该终端新无线访问接入点的信道；
控制器选取评分最高的AP作为终端切换目标，并通过终端当前关联AP向其发送一个CSA帧用以通告新AP的信道编号。终端接收到CSA帧会切换信道，由于新AP与旧AP有相同的BSSID，且新AP已经提前获取过终端上下文信息，因此终端在新信道上能够直接与AP通信不必要进行认证、关联以及密钥交换等操作。当终端无线信道切换完成时会在新信道上向新AP发送一个切换完成通告帧。
切换发生时，控制器还对将控制AP上的缓存队列：
对于旧AP来说缓存队列解决路径切换时的丢包问题，当收到终端对单播CSA帧的应答ACK帧时，或者收到控制器消息时，开始在缓存队列中缓存继续发往该终端的数据包并通过控制链路由控制器调度至新的AP(图1)。
对新AP来说缓存队列防止先于无线链路建立成功而到达AP无线网卡的下行数据包因多次重传或者发送失败而造成无线链路拥塞、带宽收敛缓慢等问题。当被控制器告知其作为某个终端的切换目标时，其缓存队列开始缓存发往该终端的数据包，直到新AP接收到该终端的切换完成通告帧(图1)。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种无线局域网的终端信道切换方法，所述方法包括：
接收所有其管理的无线访问接入点发送的上下文信息、终端运行时状态以及自身网络状态；
判断终端信噪比是否大于预先设定的信噪比阈值，若判断是肯定的，则不需要切换该终端的信道，预先将其关联的无线访问接入点发送的终端上下文信息，同步至能够感应到该终端的无线访问接入点上；否则，从能够感应到该终端的无线访问接入点中，选择一个新无线访问接入点作为该终端信道的切换目标；
为该终端当前关联的无线访问接入点发送一个单播CSA帧，通知该终端新无线访问接入点的信道；
控制原无线访问接入点和新无线访问接入点分别对该终端的数据包进行缓存；
所述从能够感应到该终端的无线访问接入点中，选择一个新无线访问接入点作为该终端信道的切换目标；具体包括：
若能够感应到该终端的无线访问接入点的数量为n个，计算第i个无线访问接入点的评分：
Figure FDA0003282652250000011
其中，1≤i≤n，
Figure FDA0003282652250000012
为接收到的第i个无线访问接入点发送的终端信道的平均接收信号强度，Bi为第i个无线访问接入点的主信道空闲情况；α和β为权重因子，分别为0.3和0.7；μ为归一化因子：
Figure FDA0003282652250000013
其中，θ为切换阈值；
选取评分最高的无线访问接入点作为切换目标；
主信道空闲情况的估计B为：
Figure FDA0003282652250000014
其中，T为时间，∑DCTS为T时间内的CTS帧的802.11首部Duration字段的统计值；∑Ddata为T时间内单播数据帧的统计值。
2.一种控制器，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1所述的方法。
3.一种无线局域网的终端信道切换方法，所述方法包括：
当收到终端的认证关联时，接收终端发送的终端上下文信息，包括与该终端通信的连接上下文信息以及握手协商形成的安全上下文信息；
将终端上下文信息、终端运行时状态以及自身网络状态发送至控制器；
当终端的信噪比低于设定信噪比阈值时，计算与终端之间信道的平均接收信号强度，并统计自身通信信道的空闲情况，将这些信息同步发送至控制器；
所述计算与终端之间信道的平均接收信号强度，并统计自身通信信道的空闲情况，具体包括：
Figure FDA0003282652250000021
其中，
Figure FDA0003282652250000022
为平均接收信号强度，RSSIt、RSSIt-1和RSSIt-2分别为终端之间的第t时刻、第t-1时刻和第t-2时刻的接收信号强度；
主信道空闲情况的估计B为：
Figure FDA0003282652250000023
其中，T为时间，∑DCTS为T时间内的CTS帧的802.11首部Duration字段的统计值；∑Ddata为T时间内单播数据帧的统计值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述终端上下文信息包括：MAC地址、支持的速率、侦听间隔、关联ID、终端能力、加密密钥和加密套件。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：当接收到单播CSA帧的应答ACK帧时，或者收到控制器的控制消息时，将硬件发送队列中未发送的帧以及新到达的帧进行缓存，并转发至新无线访问接入点。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：当被控制器告知作为某个终端的切换目标时，缓存发往该终端的数据包，直到接收到该终端的切换完成通告帧，然后将数据包发往终端。
7.一种无线交换机，其特征在于，包括两块无线网卡：主网卡和副网卡；
所述主网卡，用于接收终端发送的终端上下文信息，实时感知关联终端的信噪比；将终端上下文信息、终端运行时状态以及自身网络状态发送至控制器；
所述副网卡，用于当终端的信噪比低于设定信噪比阈值时，计算与终端之间信道的平均接收信号强度，并统计主网卡通信信道的空闲情况，将这些信息同步发送至控制器；
所述计算与终端之间信道的平均接收信号强度，并统计自身通信信道的空闲情况，具体包括：
Figure FDA0003282652250000031
其中，
Figure FDA0003282652250000032
为平均接收信号强度，RSSIt、RSSIt-1和RSSIt-2分别为终端之间的第t时刻、第t-1时刻和第t-2时刻的接收信号强度；
主信道空闲情况的估计B为：
Figure FDA0003282652250000033
其中，T为时间，∑DCTS为T时间内的CTS帧的802.11首部Duration字段的统计值；∑Ddata为T时间内单播数据帧的统计值。
8.一种无线局域网的终端信道切换系统，其特征在于，所述包括一个权利要求2的控制器和若干个权利要求7的无线交换机，一个控制器统一管理所有无线交换机，所有无线交换机设置相同的MAC地址。
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