无线局域网切换算法的关键问题研究

摘　要：随着开放办公的流行和手持设备的普及，人们对移动性访问和存储信息的需求愈来愈多，无线局域网在办公、生产和家庭等领域获得广泛应用。本文从无线局域网的切换原理入手，对切换算法的延时性进行了分析，并介绍了一种基于替代扫描的快速切换算法。

关键词：WLAN；切换算法；STA
一、基于802.11协议的无线局域网切换原理

　　基于IEEE 802.11的无线局域网（WLAN）允许终端用户在AP的覆盖范围内自由移动。STA在移动中能保持正常通信的必要条件是接收到的信号强度（RSS）在可接受的范围内。但是由于AP覆盖范围的有限，所以STA可能移动到远离AP的地方，信道质量会降得很差以至于威胁到与当前AP的连接，那么此时，STA需要切换到其他AP。

　　切换发生在一个STA移动出AP的无线覆盖范围，并进入另外一个BSS的时刻。具体来说，分为以下两种情况：

　　1、散步方式或BSS转移方式，也称为越区切换方式。在这种方式中，STA从一个BSS转移到另一个BSS，但这两个BSS都在同一个ESS中。

　　2、漫游方式或ESS转移，即STA从一个BSS移动到另一个BSS，但这两个BSS不在同一个ESS范围内，在这种情况下高层的连接就中断了，这时就必须需要一个移动的IP继续保持连接。对于这种移动方式，不仅要考虑越区切换，而且要考虑IP层的移动性管理问题。

　　本文主要讨论第一种情况，也就是MAC层的切换。

　　为了实现MAC层的切换，STA必须首先决定何时切换，但是IEEE 802.11标准对此并没有明确定义。一般采用从当前AP接收到的RSS低于某个预定义的阈值作为触发切换的判断依据。仅仅使用当前AP的RSS（received signal strength）初始化切换可能导致STA总与信号最弱的AP连接而失去了与最佳AP连接的机会。增加切换阈值并不能解决这个问题，反而会导致STA频繁的切换。一旦STA决定切换，接下来便开始寻找最佳的邻居AP，并且进行重新连接。最后，STA需要改变它的IP连接。在实际中，STA需要找到一个新的访问路由器，新的地址绑定信息会同时在家乡代理和外地代理上更新。

二、切换延时性分析

　　扫描延时依赖于扫描方式的选择。一方面，被动扫描方式中的平均探测延时可以表示为信标间隔和扫描信道个数的乘积。例如，如果信标间隔为100毫秒，有11个信道的IEEE 802.11b和32个信道的IEEE 802.11a的平均探测延时分别为1100名毫秒和3200毫秒。需要说明的是，信道切换延时，大约40-150usec，是微不足道的。

　　另一方面，关于主动扫描方式的探测延时则由依赖于设备的参数minchanneltime和maxchanneltime决定。当前的主动扫描过程要求STA扫描所有可用的信道（即IEEE 802.11b的11个信道或IEEE 802.11a的32信道）。因此，主动扫描方式的探测延时TA可表示为

　　n ×minchanneltime ≤TA ≤n×maxchanneltime

　　式中，n是可用的信道数。

　　减少探测延时的最简单的方法，就是减少需要探测的信道数，也就是不扫描所有信道，而是选择性的扫描少量信道。另一种方法就是重新定义minchanneltime和maxchanneltime的值以减少每个信道的等待时间。基于这些基本思想的相关研究成果将稍后提出。

　　认证延时是由认证信息帧的交换引入的。一般来说，现存在两类认证方式。一种是开放式系统认证，这种方式下AP总是接受STA，而不需要任何认证过程。虽然MAC地址过滤可以选择是否应用在开放式系统认证中，但是这并不是IEEE802.11标准的一部分。另一种是基于WEP（wireless equivalent privacy）的共享密钥认证方式，这需要AP和STA双方实施WEP协议。该共享密钥认证需要交换4种信息，如下所示：

　　1、STA需要通过发送Challenge-Request信息，请求AP认证；

　　2、AP通过Challenge-Response信息发送一个随机数给STA；

　　3、STA使用WEP中的共享密钥签名一个随机数，然后发送一响应信息给APSTA；

　　4、AP通过计算签名，比对计算结果和接收到的签名，验证已签名的随机数的正确性，一旦正确，则通过发送一个接收信息给AH进行授权。

　　认证延时与AP和STA间的信息交换的数量成正比。因此，一个共享密钥认证比开放式认证导致更长的认证延时。此外，如果一个基于802.11协议的WLAN采用了增强的IEEE 802.11i标准描述的认证策略，那么将会需要更多的信息交流。因此，降低认证延时将可能成为未来的WLAN系统中一个更具有挑战性的问题。

　　重连接阶段是将连接从同一ESS中的旧AP连接转移到新AP的阶段。ESS是一个或多个互相连接的BSS的集合。重连接延时是由重连接帧的交换导致的。一个成功完成的认证过程，就是STA发送一个重连接帧给AP，并且接收到重连接响应帧，完成切换的过程。在无线介质上，重连接与连接过程差不多。但是在主干网上，AP可能会相互联系交换与重连接相关的帧。即，未来的实施也可能包括额外的AP间协议信息，这可能会进一步增加在重连接阶段的延时。

三、一种基于替代扫描的快速切换算法

　　3.1基本思想

　　SSBFH算法充分利用WLAN中的空闲STA，代替自己完成信道扫描的工作，既减少了需要切换STA的切换延时，又充分利用了整个网络的资源。为了便于说明，算法将需要切换的STA称为切换STA，而WLAN中的可以代替切换STA完成扫描工作的STA则称为替代STA。

　　具体来说，SSBFH算法在切换时一旦STA触发切换，随即发送替代请求给替代STA，把扫描的工作交给选择出的替代STA，而自己则继续进行数据传输工作，一直到替代STA完成了扫描工作并将扫描结果返回给切换STA，切换STA才终止数据服务，根据扫描结果进行认证重连接工作，顺利完成切换。

　　为了实现该算法，网络中的STA必须知道各自的替代STA信息，如果在切换时获得必然造成延时增加，因此考虑通过在各STA中维护替代STA表来实现。在STA进入网络之初，由于替代STA表为空，所以需要对其进行初始化工作，此阶段称为建立阶段。首先切换STA广播“替代寻找请求”，收到此请求的可替代的STA会分别做出“替代寻找响应”，然后切换STA根据收到的各替代STA的响应信息对替代STA表进行初始化工作。由于STA可以不断移动，所以初始化的替代STA表也需要随之不断变化，因此还需要对其进行维护工作。此工作可以借鉴信标帧的设计，由各STA周期性的发出自己的替代更新信息，各STA收到来自于其他STA的替代更新信息，并对替代STA表作出更新。

　　3.2基于替代扫描的快速切换算法

　　运用 SSBFH的切换包括作为请求STA角色和作为替代STA角色两类节点的算法执行设计。作为切换STA角色的节点通过评估得到Pris，最后选择得到合适的替代STA进行扫描工作，在替代STA完成扫描后返回扫描结果，切换STA根据替代STA返回的扫描结果选择最佳AP，进行认证重连接，最终完成切换。

参考文献：

陈辅平，陈继努，韦薇.WLAN标准及其最新进展.电信工程技术与标准化， 2005，4