一种新的基于缓存的WLAN快速切换方案

第38卷增刊(I)东南大学学报(自然科学版)Vol.38Sup(I)2008年9月JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition)Sept.2008一种新的基于缓存的WLAN快速切换方案12徐伟杨怡夏勤陶军王萃寒（东南大学计算机科学与工程学院，南京210096）（东南大学计算机网络与信息集成教育部重点实验室，南京210096）摘要:通过分析移动终端切换的过程和现有的改进方案，提出了一种新的快速切换方案——基于分片Cache更新的WLAN快速切换方案．该改进方案由基于动态域值的Cache更新策略、AP负载均衡策略和分片信道扫描的Cache更新策略组成．实验表明：该方案有效的避免了移动终端在静止和AP信号较好的条件下的Cache更新；在保证Cache及时更新的同时降低每次更新Cache的开销且又能有效减小切换时延，同时在AP选择时很好的考虑了AP的负载均衡．因此该方案能够显著得提高移动终端在AP间切换得性能．关键词:无线局域网；快速切换；分片Cache；IEEE802.11中图分类号:U459.2文献标识码:A文章编号:1001-0505(2008)增刊(I)-0204-05NovelfasthandoffsolutionbasedonCacheupdateforWLANXuWeiYangYiXiaQinTaoJunWangCuihan（SchoolofComputerScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China）（KeyLaboratoryofComputerNetworkandInformationIntegration,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China）Abstract:Throughanalysisoftheprocessofhandoffandexistingimprovementprogram,anovelCacheupdatesolutionisproposed.ItiscomposedofsliceCacheupdatealgorithm,whichcontainsaCacheupdatetriggermechanismbasedondynamicdomainvalues,AP(accesspoint)loadbalancingandaCacheupdatestrategybasedonslicechannelscanning.ExperimentresultsshowthatthissolutioncaneffectivelyavoidCacheupdateswhenSTA(station)isstableandtheassociatedAP’ssignalisgood.WhileensuringthetimelyupdateoftheCacheitcanreducethecostofeachCacheupdateandthehandoffdelay.MeanwhiletheloadbalancingofeachAPcanbewellconsideredwhilechoosingtheAP.Therefore,thesolutionisabletosignificantlyimprovethemobileterminalshandoffperformancebetweenAP.Keywords:WLAN(wirelesslocalareanetwork);fasthandoff;sliceCache;IEEE802.11随着无线技术的快速发展，无线网络特别是基于IEEE802.11[1]协议标准的无线局域网（WLAN）由于其部署简单、方便等特点已经被广泛的部署和应用．基于WLAN的语音等实时应用也越来越受到人们的青睐，但是由于语音等实时应用对数据的延迟、抖动的要求都非常的高，因此当传输语音等实时业务的STA在WLAN中漫游时，其必须在AP之间进行无缝切换．然而当STA在AP之间切换时会中断数据的传输，从而导致传输的延迟、抖动以及数据包的丢失．在简单认证的条件下，不同产品的AP一般的切换时延为几百毫秒到几秒之间[2]，而VoIP等实时应用的切换时延需要小于50ms[2]，因此有必要对无线局域网内的切换进行优化，从而满足语音等实时业务的需要．现今对WLAN切换过程的优化也主要集中在对扫描阶段的优化，对扫描的优化主要是基于提前扫描的Cache缓存策略以及AP协助的方式等．基于DueceScan[3]的时空图方式，其需要网络时钟的同步；基于NeighborGraph[4-5]方式的AP域内信息传递，邻接图的建立需要大量的STA移动；基于信道选择方式的扫描策略[6-7]，其通过扫描1，6，11等常规WLAN的部署信道的方式来减少切换时的扫描时延，其适应性不强；基于信道选择和NeighborGraph方式的切换扫描策略；基于GPS[8]定位的方式则代价相对较高等．上述研究有基于AP的协助或者扩充802.11协议，这些方式对于已经大量部署的WLAN来说重新改造的难度很大，因此一般不被采用；有基于Cache机制的，缓存下可用的AP．基于Cache缓存的改进虽然在一1收稿日期：2008-06-16.基金项目：国家自然科学基金重大研究计划资助项目(90604003)、国家自然科学基金资助项目(60603067).2作者简介：徐伟(1983—)，男，硕士生；吴国新（联系人），男，博士，教授，博士生导师，[e-mail].增刊(I)徐伟,等:一种新的基于缓存的WLAN快速切换方案205定程度上降低了切换的时延但是也存在着缓存维护开销过大、Cache的无效维护、Cache失效等问题．1一种新的WLAN快速切换方案本文提出了一种基于STA的分片Cache更新的快速切换方案，该方案主要包括3个部分：基于动态域值触发的Cache更新机制，AP的负载均衡以及分片信道扫描的Cache更新策略．本文提出了分片的Cache更新算法，通过划分不同的信道集合来分片扫描信道更新Cache，这样就在保证Cache的命中率同时降低每次扫描的时延，保证每次Cache更新的时延在50ms以下．1.1动态RSSI值的Cache更新触发机制当STA在WLAN内移动时，相邻AP的信号及强度随时变化，会导致Cache缓存的有效性大大降低，为此现有研究方案通常采用定时维护Cache来提高AP的有效性．然而Cache的维护会带来一定的开销，如果Cache维护的频率太高则必然会降低自身的性能而影响到通信质量；反之如果Cache的维护频率太低则会导致Cache失效而重启扫描过程，那样切换时延则会大大增加，因此本文提出了一种基于动态RSSI值的扫描触发机制．当STA关联AP的RSSI值低于ScanThreshold1时，STA立即进行Cache更新，从而在AP信号继续下降时能够保证Cache的命中率；当AP的信号继续下降达到AP的切换域值时则STA从Cache中取出昀好的AP进行关联，此时调整STA的Cache更新触发域值到ScanThreshold2（ScanThreshold1ScanThreshold2），直到AP的RSSI信号大于STA和AP正常的通信的RSSI值时再将Cache更新的触发域值调整到ScanThreshold1．基于动态调整的域值切换机制的优点：1）在STA静止或者关联AP的RSSI值较好时，定时的Cache更新不但是无效的更新同时也会影响STA的正常通信；2）对于PDA等使用内置电池的手持设备而言，定时的不必要的Cache更新则会消耗更多的能量而加快电池的耗尽，从而使得其待机时间变短而影响用户的使用；3）当STA刚切换到新的AP时，新AP的RSSI值必然会比较低同时STA的位置变化不会很快，则Cache中的AP在此时也不会很快就失效，此时如果扫描域值过高则会导致STA在这个过渡区域的无效扫描，同时在STA刚切换时其链路状况还不是昀好，此时的扫描会导致数据的重传丢失增加，因此采用一个较低的RSSICache更新值．1.2AP的负载均衡WLAN环境中STA需要通过AP与其他站点通信，AP的服务能力及其链路状况会直接影响STA获得的网络性能．从AP负载均衡的角度出发，因此本文在扫描的过程中加入AP性能及反应能力的判断，选择昀好的AP进行缓存、关联．如果选择的AP已经存在很多网路用户，那么其链路状态必然趋于饱和，其获得的服务质量也必然会大幅下降．现今大多数的研究是利用AP的RSSI来选择关联AP的，因此会出现多数的STA集中在信号昀好的AP上而使得信号相对较差但是服务能力较好的AP空闲，从而导致用户感受到网络的吞吐量小、拥塞严重、延迟加大，如图3所示，STA2单纯的根据RSSI值选择AP时其选择了AP3作为其通信AP，然而虽然AP4的RSSI值稍弱但是其反而可以提供更好的服务．图1AP的覆盖范围图示图2IEEE802.11b/g使用的11个信道在STA扫描信道时，其发送出探询的广播报文之后等待AP返回的应答帧，因为无线信道通过CSMA/CA的方式进行信道竞争，AP应答帧的返回时延可以反应出该AP的信号值强度以及AP的负载情况．当AP的负载较大时，其链路上信号的冲突必然会增加，因此其反应时延也必然会增大；同时AP的RSSI较小时由于无线信道的不可靠性导致帧重传的概率增加，则反应时延也必然会增加．因此本文提出了一种基于APRSSI值和STA探询时延的AP负载均衡的选择机制，该方案综合考虑了AP信号强度和链路状况．STA的探询时延可以表示为delayrecvsendTTT=−．东南大学学报(自然科学版)第38卷206IEEE802.11对每个信道的探询机制，规定了MinChannelTime和MaxChannelTime，两个等待时延，在MaxChannelTime时间内如果有多个AP响应则通过它们的探询时延和RSSI来选择合适的AP进行缓存．基于STA探询时延和RSSI值的AP负载均衡策略，如下所示：1）在探询过程中将AP按照RSSI值从大到小存放，取出RSSI值昀大的1AP，设定AP之间的RSSI差值范围为rssiΔ，探询时延差值范围为delayTΔ，设定candidate1APAP=；2）取出集合中剩余AP中RSSI值昀大的APi和1AP进行比较，如果1AP.rssiAP.rssirssii−≤Δ则转3）；否则转4）；3）比较这两个AP的探询时延delayT，如果delay1delaydelayAP.AP.iTTT−Δ，那么candidateAPAPi=，1APAPi=，删除APi，转2)继续查看；否则，直接删除APi，转2)继续查看；4）将candidateAP放入Cache缓存，结束该信道的探询；该方案能在一定程度上避免STA在选择AP时过度集中在一个信号较好的AP上而导致AP负载过重的情况，如图1所示，STA1在Cache缓存时会选择AP2，因为其负载较轻．1.3信道扫描的分片Cache更新算法基于IEEE802.11b/g协议的无线局域网一般只使用11个频段，如图2所示，在1-11个频段中昀大只有1，6，11三个频段完全不重叠，其余频段都有部分重叠会彼此干扰，因此在HotspotWLAN的部署中大多选择1，6，11三个不交叉的信道．动态Cahce更新算法是在后台维护一个定时器，间隔相同的时间扫描一次信道集合中维护的所有信道，而在切换时不需要在进行扫描仅仅只需要重Cache中选择相应AP进行关联即可，只有当Cache全部失败时才进行扫描．虽然动态Cache算法在很大程度上降低了切换时延，但是定时的Cache维护则需要付出相当大的代价．本文提出了一种分片Cache更新算法：1）将所有的信道划分成三个集合，分别为：permanent_chan_set，dynamic_chan_set，other_chan_set．其中permanent_chan_set为