共享WiFi系统中MAC层快速切换方案的研究与实现

邢毓华，余红庆

(西安理工大学 自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048 )



共享WiFi系统中MAC层快速切换方案的研究与实现

邢毓华，余红庆

(西安理工大学 自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048 )

基于IEEE 802.11协议的无线局域网(WLAN)能够为无线多媒体应用提供足够的带宽，由于无线接入点AP(Access Point)发射功率受限，其服务覆盖范围也因此受限，这使得终端在移动过程中需要在不同AP之间频繁地切换，由此带来的时延严重影响了无线多媒体应用的服务质量。因此，提出一种基于信道掩码和优先级的选择扫描策略和选择性邻居图缓存算法，增大了命中缓存的概率，减少了扫描的信道数量和系统信令开销。仿真结果表明，该切换方案可以有效降低移动节点MN(Mobile Node)在共享WiFi(Wireless Fidelity)系统中不同AP间的切换时延，满足了无线多媒体业务(如VoIP)的传输要求。

无线局域网；切换时延；选择性邻居图

0 引言

目前主流的无线通信接入技术中，基于IEEE 802.11的WiFi技术因其覆盖范围广、传输速率快、架设简便而成为事实上的近距离无线通信的通用标准。为了便于用户随时随地访问网络和无缝漫游，本文提出了一种通过共享无线AP来组建共享WiFi系统的构思，进而解决MN在移动管理方面出现的切换延时问题。

1 系统方案介绍

图1描述了基于IEEE 802.11协议的WLAN中WiFi移动切换的一般结构，该网络由移动节点MN、无线接入点AP和分配系统(Distribution System，DS)组成。MN可以在不同的AP射频区域之间移动，每个AP及其关联的MN形成基本服务集(Basic Service Set，BSS)，BSS覆盖范围约为100～400 m，要满足更大覆盖范围的要求则需要将AP通过DS(包括路由器、交换机等设备)连接形成扩展服务集(Extended Service Set，ESS)。虽然WiFi网络能够提供足够高的带宽，实际使用场景下AP服务范围的限制会决定MN将在不同AP之间频繁切换。有研究[1]表明AP间的切换时延可达到几百毫秒，这无法满足实时多媒体应用的性能要求，因此如何降低切换延时是移动端切换管理的热点研究方向。

图1 WLAN中移动切换的典型体系结构

在WLAN中，MN的移动形式有两种：链路层移动和网络层移动。前者只会改变MN的MAC地址，网络前缀不变；后者会导致MAC地址和网络前缀都发生变化。而无线AP又分为Fit AP和Fat AP，前者一般是运营商搭建的AP，功能相对单一，一般只能配合无线控制器使用，后者是用户自己搭建的AP，它将WLAN的数据加密、用户认证、漫游、服务质量等应用层功能集于一体。本方案中主要探讨MN在同一个路由器下的不同Fat AP之间的链路层移动的软切换延时问题。

在总结前人研究成果[2-4]的基础之上，本文根据实际的共享WiFi场景对信道扫描过程进行优化，通过信道掩码和优先级相结合的策略可有效减少扫描信道数，在此基础上提出一种选择性邻居图缓存算法，并对接收信号强度、用户负载和历史接入数据进行加权后，过滤掉一些邻居信息，把精简的邻居图信息缓存到MN，一旦缓存命中，即可进入认证和重关联环节，明显降低MAC层切换的时延。

2 MAC层切换机制分析

无线局域网中WiFi网络的切换是指移动端MN从当前AP的射频覆盖范围内离开并进入另一个AP服务区域的过程，即MN先断开与旧AP的连接，再与新AP建立连接。此次过程包含了终端与所连接过AP之间的一系列扫描、认证和重关联等信息的交换。目前IEEE802.11标准主要还是采用这种硬切换方式，而在一次硬切换过程中，除了MN与AP之间会交换相关管理信息外，在这期间的数据通信将被中断，这个中断时间就是切换时延。

IEEE 802.11中规定了两种扫描方式:

(1) 被动扫描：AP定期广播一个信标帧，MN监听每个信道上的信标帧，通过信标帧来发现AP，并由信标帧的信息(如RSSI)决定切换AP，由于在每个信道上需要停留至少一个信标帧间隔时间，被动扫描时间为

Tscan=nTBeaconInterval+nTChannelSwitchTime

(1)

信标帧间隔时间TBeaconInterval默认为100 ms，在全扫描信道的情况下(n=13)需要花费至少1 300 ms的时间完成整个过程，显然该模式不适合实时性要求较高的无线多媒体业务(ITU-T的G.114建议VoIP等实时语音业务单向时延在150 ms以内)。

(2) 主动扫描：MN广播一个探测Probe帧，位于这个MN无线信号服务范围内的任一个AP都会回应一个探寻Response帧，以此来获取当前可用的APs。整个探测时间和扫描时间分别为

nTMinChannelTime≤Tprobe≤nTMaxChannelTime

(2)

Tscan=Tprobe+nTChannelSwitchTime

(3)

最小信道驻留时间TMinChannelTime取值一般为1～7 ms，最大信道驻留时间TMaxChannelTime的取值一般是11～20 ms， 信道切换时间TChannelSwitchTime一般为5 ms，当TMinChannelTime取5 ms，TMaxChannelTime取11 ms时，Tprobe取值在65～143 ms之间。整个主动扫描耗时Tscan为Tprobe与n个信道跳转时间TChannelSwitchTime之和，约为100 ms～250 ms。相比之下被动扫描的切换时延更大，本系统中决定使用主动扫描方式。MN历经扫描、认证和重关联这三个阶段之后即完成了MAC层切换，而扫描时延占据整个切换延时的绝大部分，因此国内外学者一直致力于解决如何有效降低该部分的时延。

2.1 扫描阶段

当RSSI降低时，MN进入扫描状态并广播一个探测Probe帧，搜寻可用APs。若在MN历时TMinChannelTime后没有收到其他AP的应答帧，则切换下一个信道来扫描；反之，等待其他应答消息，直到TMaxChannelTime，扫描下一个信道，直到所有信道被扫描完为止。这个阶段的时延约占整个MAC层切换时延的90%[1]。

2.2 认证阶段

扫描搜寻AP结束后，MN根据算法从列表中选择一个最优的AP进行切换，随后进入认证环节。MN会发送相关认证请求帧给新的AP，新AP将信息上交给后台服务器处理之后再将认证结果返回。该阶段消耗的时间为认证时延，可忽略不计。

2.3 重关联阶段

MN经过认证以后就进入重关联阶段。先由MN发送重关联请求帧到新AP，新AP收到此帧后与旧AP使用IAPP协议交换MN的状态信息，然后向MN发送重关联响应帧。该阶段时延为重关联时延，受IAPP协议的影响很大。

3 MAC层的切换算法研究

3.1 减少扫描信道数

由上节对MAC层切换机制的分析可知，减少扫描时延将会有效改善MAC层切换性能。由式(2)、式(3)可知，当信道切换时间忽略不计时，决定扫描时延的关键因素是扫描信道数和信道驻留时间。根据802.11b工作频段的信道划分特征，本文提出了一种基于信道掩码和优先级相结合的选择扫描信道方案，其步骤如下：

(1) MN准备接入WLAN时，搜索所有可能的信道，并对当前接入的信道和收到扫描响应帧的AP的信道标志位置1，其余为0；

(2) 当MN移动触发扫描门限时，先扫描工作频段中1、6、11三个优先级高的子信道，并把新扫描到的AP所在信道的标志位置1，离开MN服务区域的AP则清零；

(3) 当在这3个指定信道中没有发现可用AP时，再扫描其他标志位为1的信道；

(4) 若仍没有扫描到可用AP，就使用全信道扫描策略扫描所有信道。

经验证，该方案中信道掩码和信道优先级相结合的策略能明显地减少扫描过程中的信道数，从搜寻结果中剔除掉没有AP布置的信道，的确降低了切换过程第一个阶段的时延，但仅仅依赖信道选择性扫描算法仍不能明显改善MN的切换性能。

3.2 邻居图缓存算法

共享WiFi系统中通过多个Fat AP的简单拓扑模拟一般用户使用的场景，其射频区域总是有相互重叠的部分，系统中搭建一个后台服务器，用于管理控制整个切换过程。具体方案如下：

(1) 系统中每个自建AP加入时，都会上传信息到认证服务器上，包括：AP的MAC地址、发射功率、工作的信道、所在BSS的ID、IP地址以及其射频覆盖半径R，当MN通过Android客户端软件接入该AP后，会把BSSID、接收信号强度RSSI、MAC地址和IP地址上传给后台服务器，同时也会把MN的定位信息等效为AP的位置信息进行上传。

(2) 通过上传的位置信息及覆盖半径，服务器可以生成系统的所有AP区域图，共有AP1～AP7。服务器根据区域图计算每一个关联AP的邻居图，任意两个有重叠覆盖区域的AP就是邻居，再根据AP的局域图得到当前连接AP1的邻居图(AP4因为与AP1没有重叠区域而被剔除，如图2所示)。

图2 AP邻居图

(3) 服务器根据MN上传的信息，综合信号强度RSSI、用户负载UL和历史切换数据N计算邻居信息的权重W(λ，η，θ)，并从大到小进行排序，同时设置阈值δ，权重值小于δ的邻居将被移除邻居图，AP5、AP6和AP7的接入权重小于阈值δ就不必扫描，MN只将选择后的邻居图信息(邻居AP的BSSID、所使用的信道等)保存在本地缓存中，即AP1、AP2和AP3。

(4) 当MN移动而触发切换时，MN会从缓存在本地的邻居图中得到当前AP的周围邻居信息。此时MN根据这些邻居的信道掩码进行选择性扫描，接入到新的AP。

(5) 接入新AP后MN将接入信息传给后台，服务器重新计算邻居信息权重，MN再次获得服务器返回的新AP的邻居信息，该信息依然保存到本地，替代原有的邻居信息。下一次MN再触发时会依据新缓存的信息来扫描和切换。

由于选择性邻居图缓存算法是在选择性信道扫描算法的基础上，根据邻居的信息权重又做了一次优化，这样可以保证MN在移动切换时的低信令开销和低切换延时。

4 系统设计与测试

4.1 系统设计

本文WiFi共享系统基于C/S模式由移动终端MN、无线接入点APs和服务器三部分构成。MN客户端软件基于安卓平台开发，开发环境为Eclipse，主要完成上传信息、信道扫描和AP切换连接等功能；服务器端搭建在Tomcat上，数据库采用MySQL，主要完成预认证、信道标识、邻居图选择优化、下发连接消息等功能。

Android在无线网络管理和控制方面直接使用了开源的wpa_supplicant，所有Framework层中与WiFi相关的操作都由wpa_supplicant实现。wpa_supplicant是一个工作站对无线网络进行管理和控制的开源软件项目[5]，完全支持WPA和WPA2，包括PMKSA缓存、预认证等功能。WiFi接入点的相关信息在MN注册时会上传给服务器，服务器根据上述信息将通过算法优化后的最终邻居图列表缓存到MN本地，MN扫描找到最优AP并完成接入。

4.2 系统测试

(1) 移动节点MN登录客户端并连接AP，打开PC启动Wireshark实时过滤并抓包；

(2) 移动节点MN开启实时性应用(如视频聊天)进行通信，并从当前AP向邻居AP缓慢移动进行切换，MN缓存处理后的邻居图信息；

(3) 在新旧AP切换前后对Wireshark的抓包记录进行数据中断分析，通过多次统计新AP上第一个包到达时间减去旧AP上最后一个包发出时间，切换时延可控制在50 ms以内。

5 结论

随着无线网络和多媒体实时应用的快速发展，如何解决在共享WiFi系统中MAC切换的时延问题具有重要的应用价值。基于上述需求本文分析了切换的机制和时延的成因，提出的信道扫描策略和选择性邻居图缓存算法，减少了扫描信道数和系统信令开销，增大了命中缓存的概率，有效缩短了切换时延，对实时应用的服务质量有明显提升；但由于目前实验的条件限制，没有考虑到复杂业务、高网络负荷等情况，故还需进一步研究。

[1] MISHRA A,SHIN M,ARBAUGH W. An empirical analysis of the IEEE802.11 MAC layer handoff process[J]. ACM Computer Communications Review, 2003, 33(2):93-102.

[2] MUSTAFA N, MAHMOOD W, CHAUDHRY A A, et al. Pre-scanning and dynamic caching for fast handoff at MAC layer in IEEE 802.11 wireless LANs[C]. MASS 2005 Workshop, 2005: 7-10.

[3] 王忠峰，董雯霞，陈庆春,等.一种减小IEEE 802.11b WLANs中MAC层切换时延的方法[C]. 第十二届全国青年通信学术会议, 2007:783-788.

[4] SHIN M, MISHRA A, ARBAUGH W. Improving the latency of 802.11 handoffs using neighbor graphs[C]. Proceedings of ACM Mobile Systems, 2004:70-83.

[5] 邓凡平. 深入理解Android-WiFi、NFC、GPS卷[M]. 北京：机械工业出版社，2014.

Research and implementation of the MAC layer fast handoff scheme in sharing WiFi system

Xing Yuhua, Yu Hongqing

(Faculty of Automation and Information Engineering, Xi'an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Wireless local area network (WLAN) based on IEEE 802.11 protocols can provide sufficient bandwidth for wireless multimedia applications, since the AP transmit power is limited, its service coverage also limited, which makes the terminal switch frequently between different APs, and the latency of handoff which is caused by the mobility of the MN affects the quality of service of wireless multimedia applications. Therefore, in this paper we propose the selective scan strategy and selective neighbor graph caching algorithm based on the channel mask and switching priority to increase the probability of hitting the cache and reduce the number of channels and system signaling overhead scanning. The simulation results indicate that the handoff mechanism can effectively reduce the handoff latency of mobile node between different APs in Sharing WiFi Platform, and meet the wireless multimedia services (such as VoIP) transmission requirements.

WLAN; handoff latency; selective neighbor graph

TP393.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.005

邢毓华，余红庆.共享WiFi系统中MAC层快速切换方案的研究与实现[J].微型机与应用，2017,36(13)：13-15,18.

2017-02-07)

邢毓华(1966-)，男，硕士，副教授，主要研究方向：物联网通信技术和分布式光伏发电系统理论与技术。

余红庆(1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向：物联网通信技术和WiFi切换研究。