专利名称：基于802.11网络的快速切换方法
技术领域：
本发明涉及无线IP快速切换技术，更具体的，本发明涉及一种基于802. 11网络的 快速切换方法。应用本发明所描述的快速切换技术，可以降低移动节点在802. 11网络中的 MAC层切换时延。
背景技术：
在802. 11网络中，移动节点通过接入点AP实现Internet的接入，AP相当于移动 通信系统中的基站，不同的是，在一个AP服务区内，多个移动节点通过竞争的CSMA/CA方式 而不是预分配信道的TDMA方式接入。在802. 11无线局域网中，BSS是基本组成部分。它 由服从共同协调机制的多个移动节点组成。在集中式分布的802. 11网络中，BSS也可看成 是一个AP的覆盖区域。多个这样的覆盖区综合本地局域网组成一个扩展服务区ESS。多个 AP覆盖区域通过一个接入路由器(AR)连接到Internet。接入路由器AR处于接入网的边 缘，为移动节点提供无线IP连接。移动节点在不同AP间移动时，每次都会产生链路层的切 换。
根据IEEE802. 11协议规范，链路层切换主要分为三个阶段发现AP(Probe)阶段、 认证(Authenticate)阶段和重连接(Re-Associate)阶段。在发现AP阶段，为了发现一个新的潜在的AP，并与之建立连接，站点必须先通过 扫描(scan)机制得到可用AP的相关信息。扫描机制分为主动扫描和被动扫描。在扫描阶 段，站点通过主动扫描发送请求帧(Probe)或被动搜索周围AP发出的信标帧(Beacon)信 号。如果同时收到多个AP发来的Probe应答帧或信标帧，选择其中无线链路质量最好的AP 进行下一阶段。在认证阶段，站点和AP之间交互认证信息，只有通过认证的站点才可以使用网络 资源。在重连接阶段，站点向AP发出建立连接请求，若AP接收连接请求，就会向站点做 出连接响应，于是站点就可以通过这个建立了连接的AP进行通信，连接建立完毕，至此链 路层切换完成。对这三个阶段详细的状态转换图，参见Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications[S]. IEEE Standerd 802.11, 1999。由于802. 11协议中丽在AP间的切换时延值比较高，无法满足现有的实时业务的 需求，所以很多相关研究都对协议的切换过程提出了改进方案。在文献"Fast Inter-AP Handoff using Predictive-Authentication Scheme in Public Wireless LAN", Networks 2002，Aug 2002.，Sangheon Pack 等人提出了一种提前 认证的(Pre-Authenticate)快速切换模型来缩短切换时的认证时间，进而降低切换时延， 但是这种方法不是很通用；文献 “Fast and Scalable WirelessHandoff in Support of Mobile Internet Audio[J] · Mobile Networks and Applications”，1998，3 :351_363.，提出了一种数据转发的切换算法，降低切换时的丢包率。但由于新旧AP之间的信息交换和处理需要一定时间，切换延迟并没有降低；在文献“Fast Handoff Scheme in Wireless LAN for real-time System[C] the ThirdIEEE WLAN Workshop. 2001.，Choyi, V Kumar 等人 提出了一种基于XCAST切换模式[3]，进一步降低切换延迟和丢包率，但是这种方法必须要 有一个XCAST路由器，而且缺乏一种安全的用户认证机制。^t i； ^"An Empirical Analysis of the IEEE 802. 11 MAC Layer Handoff Process. ACM SlGCOMMComputer Communication Review,33(2) :93_102，Apirl 2003.中， A. Mishra等人给出了各部分延迟大小的实验结果，实验证实扫描延迟占MAC层切换总延迟 的90%以上。本发明基于802. 11网络的快速切换方法这是应用了这一结论。由于扫描延 迟占MAC层切换总延迟的90%以上，因此改变该部分的延迟会显著改变整个切换过程的性 能。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于802. 11网络的快速切换方法，它提供了一个全新 的移动节点在WLAN中快速切换的解决方案。按照本发明的一种基于802. 11网络的快速切换方法，其中，所述802. 11网络是基 于有中心(中心节点是无线AP)的网络结构，且AP之间的覆盖区域是相互重叠的，其特征 在于所述快速切换方法包括如下步骤1)移动站点丽根据当前AP的最新的信噪比(SNR)与上次从该AP接收的old_SNR 相比较如果当前SNR值大于邻居图门限值(NC Threshold)且大于old_SNR值，丽不进 行信道扫描。如果当前SNR值小于old_SNR且小于邻居图门限值，就启动信道扫描，生成邻 居图(NC)；2)当丽检测到当前AP的SNR值小于小区发现门限(Cell Search Threshold)值 时，启动选择性信道扫描算法进行扫描；3)丽检测到AP列表中的最优的AP的SNR值大于小区发现门限值，并且该AP的 SNR值与当前AP的SNR值之差超过切换差值(Delta SNR)后，丽断开与当前AP的连接，与 新AP进行认证，重连接。按照上述的基于802. 11的快速切换方法，其特征在于所述步骤1)中切换策略如 下移动站点丽根据当前AP的最新的信噪比(SNR)与上次从该AP接收的old_SNR相比 较如果当前SNR值大于邻居图门限值(NC Threshold)，且大于old_SNR值，表明丽与 当前AP连接正常，且MN向靠近当前AP的方向移动，此时不进行信道扫描操作。如果当前 SNR值小于old_SNR，则表明丽向远离当前AP的方向移动，MN有可能要发生切换。如果此 时的SNR值一旦小于邻居图门限值，丽就启动信道扫描，生成邻居图NC。按照上述的基于802. 11的快速切换方法，其特征在于丽需要额外的维护邻居 图，当丽和当前AP正常连接的同时，如果当前AP的SNR值小于邻居图门限值时，丽会在 空闲的时候进行信道扫描，通过接收临近APs发出的信标帧(Beacon)，获取临近APs的的 BSSID极其所在的信道，生成邻居图NC= {Cn，Ci2，…，CiJ。按照上述的的基于802. 11的快速切换方法，其特征在于所述步骤2)中选择性信 道扫描算法的步骤如下
1.1)当前AP的SNR值一旦小于小区切换门限值，丽查询邻居图NC{Cn，Ci2，…， CiJ，如果NC不为空，执行步骤1. 2)，否则设置AP列表为空，启动标准802. 11切换扫描算法。1. 2)设置AP列表为空，执行步骤1. 3)。1. 3)设置初始化信道Cinit为Ck (Ck为MN当前所连接的信道)。1.4)判断在NC中是否存在一个没有扫描过的的信道Cij，并且ICij-CinitI彡5，若 存在，则执行步骤1. 5)；如不存在满足条件的信道，则看AP列表是否为空。若AP列表为空， 执行步骤1. 9)；若AP列表不为空，结束选择性信道扫描过程。1.5)判断ICij-CkI彡5是否成立，若成立则执行步骤1.6)；否则，将信道Cij信道 状态设置为已扫描，然后执行步骤1. 4)。1. 6)扫描信道Cij，执行步骤1. 7)。1. 7)如果在信道Cij上找到有AP的SNR值大于当前AP的SNR，则将信道CijJij上 扫描到的AP及该AP对应的SNR记录到AP列表中，执行步骤1. 8)。否则执行步骤1. 4)。1. 8)设置 Cinit 为 Cij，执行步骤 1. 4)。1. 9)依次扫描NC中所有未扫描过的信道，如果存在有AP的SNR大于当前AP的 SNR值，则将所有满足条件的AP、每个AP所对应的SNR及其所在的信道号分条记录到AP列 表中，然后结束扫描过程；如果没有AP的SNR值大于当前AP的SNR，则退出选择性信道扫 描过程，执行标准802. 11切换扫描算法。按照上述的基于802. 11的快速切换方法，其特征在于所述步骤3)中切换策略如 下MN会定期的向最优的AP发出Probe Request，AP返回的Probe Response使MN可以判 断临近最优的AP的信噪比情况，它的信噪比不断与当前连接AP的信噪比进行比较，这两个 AP的信噪比的差值超过切换差值(Delta SNR)后，进行认证过程(Authenticate)，通过认 证后，MN与新AP进行重连接(Re-associate)过程。关键参数说明 小区发现门限(Cell Search Threshold 本发明中我们将其取值为IOdB)丽检测所连接的AP的信标帧中的SNR，若SNR变弱低于某一门限制时，就开始进 行选择性信道扫描过程来进AP间的切换，我们称这个切换门限值为小区发现门限(Cell SearchThreshold) 10dB。当前AP的信噪比SNR低于该值时丽开始进行选择性信道扫描过 程，扫描过程结束后，MN就在他自身维护的AP列表中记录了相关邻居AP的参数，并根据这 些参数选择最优的AP进行切换。 切换差值(Delta SNR 本发明中我们将其取值为6dB)MN会定期的向最优的AP发出Probe Request，AP返回的Probe Response使MN可 以判断临近最优的AP的信噪比情况，丽将该信噪比不断与当前连接AP的信噪比进行比较， 当两个AP的信噪比的差值超过切换差值(Delta SNR) 6dB后，丽断开与当前AP的连接，开 始发起和新AP间的认证过程(Authenticate)，通过认证后，重连接Re-associate将被发 出。图1显示了切换判断时SNR的变化过程。 邻居图门限(NC Threshold 本发明中我们将其取值为12dB)在我们的发明中，MN需要额外的维护邻居图，当MN和当前AP正常连接的同时，如 果当前AP的SNR值小于邻居图门限值(NC Threshold) 12dB, MN会在空闲的时候进行信道扫描，如果检测到相邻AP的存在就记录它的BSSID及其所在的信道，生成邻居图NC。 移出范围门限值(Out of Range Threshold 本发明中我们将其取值为2dB)如果丽扫描到的所有新AP的SNR值都无法满足和当前AP的SNR值相差Delta SNR(6dB)这一条件，但是当前AP的SNR值急剧恶化小于移出范围门限值(Out of Range Threshold) 2dB时，丽将中断与当前AP的连接，选取周围SNR值最大的AP进行认证和重连 接。
图1是按照本发明的一种基于802. 11网络的快速切换方法的由SNR变化判断切 换示意2是按照本发明的一种基于802. 11网络的快速切换方法的邻居图NC数据结构 3是按照本发明的一种基于802. 11网络的快速切换方法的选择性信道扫描算 法流程4是按照本发明的一种基于802. 11网络的快速切换方法的AP列表数据结构图
具体实施例方式由于802. 11网络中接入点AP的覆盖范围有限，因此移动节点在不同AP间移动 时，每次都会产生链路层的切换。设计一种快速可靠的切换算法是保证802. 11无线局域网 中无缝切换通讯业务的一个关键因素。本发明的算法是通过获取邻居图NC及采用选择性 信道扫描算法，减少扫描信道的数量，大大降低了切换过程中耗时最多的MAC层扫描时延， 从而显著降低了切换时延。下面就将结合附图对本发明的各种实施例进行详细描述。图1是按照本发明的一种基于802. 11网络的快速切换方法的SNR变化判断切换 示意图。在IEEE802. 11网络中，决定移动站点(MN)从一个AP向另一个AP切换的核心参 数是测量当前关联的AP所能提供的信噪比(SNR)，SNR的值同时代表了物理信道的可用信 号质量和噪音幅度。丽从AP每秒发送10次的信标(beacon)帧中获取SNR的值。移动站点丽根据当前AP的最新的信噪比(SNR)与上次从该AP接收的old_SNR 相比较如果当前SNR值大于邻居图门限值(NC Threshold)(在本发明实例中我们将其设 置为12dB)，且大于old_SNR值，表明丽与当前AP连接正常，且丽向靠近当前AP的方向移 动，此时不进行信道扫描操作。如果当前SNR值小于old_SNR，则表明丽向远离当前AP的 方向移动，MN有可能要发生切换。如果此时的SNR值一旦小于邻居图门限值(12dB)，MN就 启动信道扫描，生成邻居图NC。丽检测所连接的AP的信标帧中的SNR，若SNR变弱低于某一门限制时，就开始进 行选择性信道扫描过程来进AP间的切换，我们称这个切换门限值为小区发现门限(Cell Search Threshold)(在本发明实例中我们将其设置为IOdB)。当前AP的信噪比SNR低于 该值时MN开始进行选择性信道扫描过程，扫描过程结束后，MN就在他自身维护的AP列表 中记录了相关邻居AP的参数，并根据这些参数选择最优的AP进行切换。MN会定期的向最优的AP发出Probe Request，AP返回的Probe Response使MN可以判断临近最优的AP的信噪比情况，丽将该信噪比不断与当前连接AP的信噪比进行比 较，当两个AP的信噪比的差值超过切换差值(Delta SNR)(在本发明实例中我们将其设置 为6dB)，丽断开与当前AP的连接，开始发起和新AP间的认证过程(Authenticate)，通过 认证后，，MN与新AP进行重连接(Re-associate)过程。如果丽扫描到的所有新AP的SNR值都无法满足和当前AP的SNR值相差Delta SNR (6dB)这一条件，但是当前AP的SNR值急剧恶化小于移出范围门限值(Out of Range Threshold)(在本发明实例中我们将其取为2dB)，丽将中断与当前AP的连接，选取周围 SNR值最大的AP进行认证和重连接。图2是按照本发明的一种基于802. 11网络的快速切换方法的邻居图NC数据 结构 图。按照本发明的一种基于802. 11网络的快速切换方法，MN需要额外的维护邻居图，当MN 和当前AP正常连接的同时，如果当前AP的SNR值小于邻居图门限值时，丽会在空闲的时 候进行信道扫描，通过接收临近APs发出的信标帧(Beacon)，获取临近APs的的BSSID极其 所在的信道，生成邻居图NC= {Cn，Ci2，…，CJ，其中1彡m彡14。图3是按照本发明的一种选择性信道扫描算法流程图。选择性信道扫描算法的核 心思想当MN发生切换时，会跟据当前AP所在信道的编号优先扫描与当前信道在频域上完 全不重叠的信道(这些信道彼此间的信道编号差大于等于5)，例如1，6，11或者2，7，12，或 者3，8，13等等这样互不重叠的信道，当这些信道上的AP的SNR的值都不满足条件时，再扫 描其他的信道。步骤101，102，当前AP的SNR值一旦小于小区切换门限值，丽查询邻居图NC {Cn， Ci2，…，CJ，如果NC不为空，执行步骤104，否则执行步骤103。步骤103，设置AP列表为空，启动标准802. 11切换扫描算法。。步骤104，105，设置AP列表为空，设置初始化信道Cinit为Ck。步骤106，判断在NC中是否存在一个没有扫描过的的信道Cij，并且ICij-CinitI彡5， 如果存在则执行步骤107，否则执行步骤108。步骤107，判断ICij-CkI彡5是否成立，若成立则执行步骤110(扫描信道Cij，然后 执行步骤113)；否则，执行步骤109。步骤108，判断AP列表是否为空，若AP列表为空，执行步骤111 ；若AP列表不为 空，执行步骤112(结束选择性信道扫描，退出)。步骤109，将信道Cu信道状态设置为己扫描，然后执行步骤106。步骤111，114，依次扫描NC中所有未扫描过的信道，判断是否有AP的SNR大于当 前AP的SNR值，如果有，执行步骤116 ；否则，执行步骤117 (执行标准802. 11切换扫描算 法)。步骤113，判断信道Cij上是否有AP的SNR值大于当前AP的SNR，若有此AP存在， 则执行步骤115 ；否则执行步骤106。步骤115，118，将此满足条件的AP及其SNR值记录到AP列表中，同时记录信道Cij， 然后设置Cinit为Cij，转向执行步骤106。步骤116，119，将此AP、该AP所对应的SNR及其所在的信道号记录到AP列表中， 然后结束选择性信道扫描过程。选择性扫描过程举例
比如说是信道一开始是信道7。(Cinit = Ck = 7)1)先扫描信道1上的AP (如果信道1包含在邻居图NC中)，如果信道1上有满足条件的AP则将其记录到AP列表中，直接执行步骤118 ；2)如果信道1没有包含在邻居图NC中，或者信道1中没有满足条件的AP，此时转 向执行步骤106 ；看信道2是否包含在邻居图NC中。如果此时信道2在邻居图NC中，则扫 描信道2上的AP，如果信道2上有满足条件的AP则将其记录到AP列表中，然后执行步骤 118。3)接着丽将扫描的信道是其编号既和第1步或第2步扫描得到的信道(信道1 或者信道2)相差5，又和初始信道(信道7)相差5的信道。满足该条件的编号最小的信道 是信道12 (假设信道12在NC中)，如果信道12上有满足条件的AP则将其记录到AP列表 中，然后执行步骤118，106，108，112，这时选择性信道扫描结束。4)如果信道12没有包含在邻居图NC中，或者信道12中没有满足条件的AP，就继 续扫描信道13 (假设信道13在NC中)，如果信道13上有满足条件的AP则将其记录到AP 列表中，然后执行步骤118，106，108，112，这时选择性信道扫描结束5)如果信道13没有包含在邻居图NC中，或者信道13中没有满足条件的AP，就继 续扫描信道14 (假设信道14在NC中)，如果信道14上有满足条件的AP则将其记录到AP 列表中，然后执行步骤118，106，108，112，这时选择性信道扫描结束本发明的选择性信道扫描方法优先先扫描与当前信道在频域上完全不重叠的信 道(这些信道彼此间的信道编号差大于等于5)，如果在这些信道中找到满足条件的AP，选 择性信道扫描过程很快就结束；如果没有满足此条件的AP，才扫描NC中剩余的信道。如果 还没有找到满足条件的AP，才执行标准802. 11切换扫描算法。本选择性信道扫描方法可以大大减少扫描的时间，算法根据初始信道的不同而选 择相应的信道来扫描，优先扫描与当前信道在频域上完全不重叠的信道(这些信道彼此间 的信道编号之差大于等于5)，使得此扫描算法有了很大的灵活性。采用此发明方法，可以大 大减少扫描信道的数量，降低了切换过程中耗时最多的MAC层扫描时延，从而显著降低了 切换时延。图4是按照本发明的一种基于802. 11网络的快速切换方法的AP列表数据结构 图。AP列表是在选择性扫描过程结束后记录的SNR值高于当前AP的SNR值的可用AP 列表。不但记录了新AP的MAC地址，SNR值，还记录了其所在的信道号，其中1彡m彡14。
权利要求
一种基于802.11网络的快速切换方法，其中，所述802.11网络是基于有中心(中心节点是无线AP)的网络结构，且AP之间的覆盖区域是相互重叠的。其特征在于所述快速切换方法包括如下步骤1)移动站点MN根据当前AP的最新的信噪比(SNR)与上次从该AP接收的old_SNR相比较；如果当前SNR值大于邻居图门限值(NC Threshold)且大于old_SNR值，MN不进行信道扫描。如果当前SNR值小于old_SNR且小于邻居图门限值，就启动信道扫描，生成邻居图(NCNeighbor Chart)；2)当MN检测到当前AP的SNR值小于小区发现门限(Cell Search Threshold)值时，启动选择性信道扫描算法进行扫描；3)MN检测到AP列表中的最优的AP的SNR值大于小区发现门限值，并且该AP的SNR值与当前AP的SNR值之差超过切换差值(Delta SNR)后，MN断开与当前AP的连接，与新AP进行认证，重连接。
2.按照权利要求1的基于802.11的快速切换方法，其特征在于所述步骤1)中AP提 供的信噪比SNR是决定丽从一个AP向另一个AP切换的核心参数，同时SNR值代表了物理 信道的可用信号质量和噪音幅度。SNR的值存在于AP每秒发送10次的信标帧(Beacon) 中。
3.按照权利要求1的基于802.11的快速切换方法，其特征在于所述步骤1)中切换 策略如下丽每次根据当前AP发送信标(Beacon)帧中包含的SNR值与上次接收的old_ SNR相比较如果当前SNR值大于邻居图门限值(NC Threshold)，且大于old_SNR值，表明 MN与当前AP连接正常，且MN向靠近当前AP的方向移动，此时不进行信道扫描操作。如果 当前SNR值小于old_SNR，则表明丽向远离当前AP的方向移动，丽有可能要发生切换。如 果此时的SNR值一旦小于邻居图门限值，MN就启动信道扫描，生成邻居图NC。
4.按照权利要求1的基于802.11的快速切换方法，其特征在于MN需要额外的维护邻 居图，当丽和当前AP正常连接的同时，如果当前AP的SNR值小于邻居图门限值时，丽会 在空闲的时候进行信道扫描，通过接收临近APs发出的信标帧(Beacon)，获取临近APs的 BSSID及其所在的信道，生成邻居图NC= {Cn，Ci2，…，CinJ。
5.按照权利要求1的基于802.11的快速切换方法，其特征在于所述步骤2)中选择 性信道扫描算法的步骤如下`1. 1)当前AP的SNR值一旦小于小区切换门限值，丽查询邻居图NC = {Cn，Ci2，…， CiJ，如果NC不为空，执行步骤1. 2)；否则设置AP列表为空，启动标准802. 11切换扫描算 法。`1. 2)设置AP列表为空，执行步骤1. 3)。`1. 3)设置初始化信道Cinit为Ck(Ck为MN当前所连接的信道)。`1.4)判断在NC中是否存在一个没有扫描过的的信道Cu，并且|Cu-Cinit|彡5，若存在， 则执行步骤1.5)。如不存在满足条件的信道，则看AP列表是否为空。若AP列表为空，执行 步骤1. 9)；若AP列表不为空，则结束选择性信道扫描过程。`1.5)判断ICij-CkI彡5是否成立，若成立，则执行步骤1.6)；否则，将信道Cij信道状态 设置为已扫描，然后执行步骤1. 4)。`1.6)扫描信道Cu，执行步骤1.7)。·1. 7)如果在信道Cij上找到有AP的SNR值大于当前AP的SNR，则将信道Cu、Cij上扫 描到的AP及该AP对应的SNR记录到AP列表中，执行步骤1. 8)。否则执行步骤1. 4)。 1. 8)设置Cinit为Cij，执行步骤1. 4)。·1. 9)依次扫描NC中所有未扫描过的信道，如果存在有AP的SNR大于当前AP的SNR 值，则将所有满足条件的AP、每个AP所对应的SNR及其所在的信道号分条记录到AP列表 中，然后结束扫描过程；如果没有AP的SNR值大于当前AP的SNR，则退出选择性信道扫描 过程，执行标准802. 11切换扫描算法。
6.按照权利要求1的基于802. 11的快速切换方法，其特征在于所述步骤3)中切换 策略如下MN会定期的向最优的AP发出Probe Request，AP返回的Probe Response使MN 可以判断临近最优的AP的信噪比情况，它的信噪比不断与当前连接AP的信噪比进行比较， 这两个AP的信噪比的差值超过切换差值(DeltaSNR)后，进行认证过程(Authenticate)，通 过认证后，MN与新AP进行重连接(Re-associate)过程。
全文摘要
本发明提供一种基于802.11网络的快速切换方法，包括如下步骤1)移动站点MN根据当前AP的最新的信噪比(SNR)与上次从该AP接收的old_SNR相比较如果当前SNR值大于邻居图门限值(NC Threshold)且大于old_SNR值，MN不进行信道扫描。如果当前SNR值小于old_SNR且小于邻居图门限值，就启动信道扫描，生成邻居图NC；2)当MN检测到当前AP的SNR值小于小区发现门限(Cell Search Threshold)值时，启动选择性信道扫描算法进行扫描；3)MN检测到AP列表中的最优的AP的SNR值大于小区发现门限值，并且该AP的SNR值与当前AP的SNR值之差超过切换差值(Delta SNR)后，MN断开与当前AP的连接，与新AP进行认证，重连接。本发明解决了无线移动站点在802.11网络中越区切换时MAC层切换时延过长的技术问题。
文档编号H04W48/16GK101827409SQ20091002138
公开日2010年9月8日 申请日期2009年3月5日 优先权日2009年3月5日
发明者刘乃安, 王学俭, 赵欣 申请人:赵欣