CN102905349A

CN102905349A - 无线接入点关联决策增强方法

Info

Publication number: CN102905349A
Application number: CN2012103763829A
Authority: CN
Inventors: 任丰原; 许士博; 徐寅生
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-09-29
Filing date: 2012-09-29
Publication date: 2013-01-30

Abstract

本发明公开了一种无线接入点关联决策增强方法，该方法包括以下步骤：S1采集影响无线接入点关联决策的参考信息；S2对参考信息进行归纳编码；S3将参考信息编码与信标帧组装发送给终端，所述终端从所述信标帧中提取参考信息;S4根据所述参考信息选择无线接入点，发送关联请求帧；S5对接收的关联请求帧信息进行验证和处理，并将验证和处理的结果发送给终端。该方法为无线局域网络中无线接入点的选择提供一种高实用、低开销、易部署的无线接入点关联决策增强方法，该方法能采集更多更有效的参考信息，并将这些信息传递到各终端，终端用户根据所得参考信息能做出合理的选择。

Description

无线接入点关联决策增强方法

技术领域

本发明涉及无线网络接入领域，特别涉及一种增强无线接入点关联决策的方法。

背景技术

无线局域网络（WLAN：Wireless Local Area Network）中共包括两类设备，即无线接入点（AP：Access Point）和终端（各类用户设备，如笔记本、平板电脑，智能手机）。所有终端在上网前必须选择并关联到某个AP上，传输的所有数据都通过AP进行转发。随着WLAN技术的发展和应用的拓广，WLAN的数量在迅猛增长，覆盖的范围也在迅速增大。在城市内，在同一个地点往往能同时找到多个无线接入点。因它们所处的环境的差异，不同的无线接入点提供的带宽也不同，因此，对于无线用户来说，无线接入点的选择是决定其网络性能的关键。

在WLAN中，无线接入点的选择方法是基于接收信号强度（RSSI：Received Signal Strength Indicator）的，即用户或终端将选择信号强度最高的AP。信号强度是信道质量的一个重要指标，但不能反映无线接入点的负载情况。因此，该方法将导致网络负载的不均衡、用户体验和网络利用率的下降。关于无线接入点的选择，已有一些相关的研究，但都偏重于无线接入点负载的估算和可用带宽的测量。估算无线接入点的负载主要是通过分析无线接入点发送的某些帧的间隔实现的，比如信标（Beacon）帧，间隔越大说明无线接入点的负载越重。测量可用带宽主要是通过向网络中注入一定的报文序列，并利用它们的响应时间计算而得的。因为无线接入点的选择是由终端方发起的，所以，无论是无线接入点负载的估算，还是可用带宽的测量，也都是由终端方发起的。前者会消耗终端的计算资源，后者则会占用一定的网络带宽，同时还会有一定的时间开销，而且以上方法都需要对终端进行升级改造。

另外，RSSI是由各终端探测到的，对于同一个无线接入点，不同的终端探测到的RSSI也是不同的。也就是说，AP没有告知终端或用户任何信息，以帮助其进行更合理的选择。无线接入点处于WLAN的中心位置，掌握着整个WLAN的负载、速率、流量等详细信息，通过大量的实验我们发现，这些参考信息都对无线接入点的可用带宽有着很大的影响。因此，将哪些信息、以何种方式传递到各终端是两个关键问题。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：

无线局域网络中，终端选择AP的缺省方法是基于RSSI的，其存在很多弊端，若要进一步了解网络的负载或可用带宽信息，需要进行估算和测量，将有一定的开销。虽然无线接入点掌握着整个无线局域网络的负载、速率、流量等详细信息，但没有告知终端或用户任何信息，以帮助其进行更合理的选择。所以存在两个需要解决的技术问题：如何采集以及采集哪些信息，如何将这些信息传递到各终端。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种无线接入点关联决策增强方法，其特征在于，该方法包括步骤：

S1采集影响无线接入点关联决策的参考信息；

S2对参考信息进行归纳编码；

S3将参考信息编码与信标帧组装发送给终端，所述终端从所述信标帧中提取参考信息；

S4根据所述参考信息选择无线接入点，发送关联请求帧；

S5对接收的关联请求帧信息进行验证和处理，并将验证和处理的结果发送给终端。

所述步骤S3还包括步骤:

S3’将参考信息编码与探测响应帧组装发送给终端，所述终端从所述探测响应帧中提取参考信息。

所述方法还包括步骤：

S6在终端更换无线接入点时,对终端发出的重新关联请求帧信息进行验证和处理，并将验证和处理的结果发送给终端。

所述方法还包括步骤：

S7终端在接收到含有参考信息编码的信标帧和探测响应帧后对参考信息编码进行提取和分析，通过分析对无线接入点进行自动的选择或切换，或由用户进行选择或切换。

所述参考信息包括活跃终端数、速率信息、负载、流量分布信息、速率变化信息、队列长度、上行信道质量信息中的至少一种。

所述采集影响无线接入点关联决策的参考信息针对活跃终端数和速率信息包括步骤：

S11根据终端是否发送或接收数据计算活跃终端数，根据各终端发送和接收的各数据帧的速率计算平均最小速率；

S12设定单位时间窗口，根据当前活跃终端数计算滑动时间窗口，若活跃终端数为0，则用缺省值代替；

S13以一个滑动时间窗口时长为一轮，计算该轮中的活跃终端数和每个终端的平均传输速率，记录本轮中的活跃终端数和最小平均传输速率；

S14若完成的轮数达到了预定限额，则对活跃终端数和最小平均传输速率进行滑动平均处理，即每完成预定轮数做一次滑动平均，将所得的平均活跃终端数和平均最小速率作为参考值传递到终端。

S15从步骤S12循环执行。

所述参考信息编码与信标帧或探测响应帧的组装为将参考信息编码的字符串追加到信标帧或探测响应帧的SSID字段中，参考信息编码字符串与初始SSID通过分隔符隔离，从而形成一个新的SSID。

所述关联请求信息或重新关联请求信息的验证和处理方法为，从所述新的SSID中搜索分隔符并提取分隔符前面的初始的SSID字段，若搜索失败或提取的初始的SSID字段与本地SSID不相符，则验证失败，否则通过验证。

（三）有益效果

为WLAN中无线接入点的选择提供一种高实用、低开销、易部署的无线接入点关联决策增强方法，该方法能采集更多更有效的参考信息，并将这些信息传递到各终端，终端用户根据所得参考信息能做出合理的选择，从而提升用户的性能和网络的利用率。

附图说明

图1为本发明无线接入点关联决策增强方法流程示意图。

图2为本发明参考信息采集流程图。

图3为本发明参考信息传递流程图。

图4为本发明的实地测验场景图。

图5为实验结果FTP平均下载数据量对比柱状图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提出了一种无线接入点关联决策增强方法，该方法如图1所示

1.采集影响无线接入点关联决策的参考信息：在AP接收或发送数据时，采集各个终端的帧数和传输速率，并进行统计处理。

2.对参考信息进行归纳编码：对用户关心的参考信息行抽象和编码，使其能用一可打印、易理解的字符串表示，将该字符串存放在某个共享变量中，如AP_Metric。

3.将参考信息编码与信标帧组装发送给终端：在AP周期性地广播信标帧时，按指定格式将存放在AP_Metric中的字符串追加到信标帧的SSID字段中。

4.将参考信息编码与探测响应帧组装发送给终端：在AP收到来自终端的探测请求帧后，在发送探测响应帧时，按指定格式将存放在AP_Metric中的字符串追加到探测响应帧的SSID字段中。

5.对接收的关联请求信息进行验证和处理：在AP接收到终端的关联请求后，在原有处理流程中增加SSID验证功能，若关联请求中SSID的前缀与本地SSID一致，则验证通过，否则不通过。

6.对接收的重新关联请求信息进行验证和处理：在AP接收到终端的重新关联请求后，在原有处理流程中增加SSID验证功能，若重新关联请求中SSID的前缀与本地SSID一致，则验证通过，否则不通过。

终端在接收到含有参考信息编码的信标帧和探测响应帧后从信标帧和探测响应帧的SSID字段中提取参考信息，比较各AP的参考信息，自动选择或切换到最佳或满足需求的AP或由用户自行选择或切换。

该方法主要分为两方面内容，即参考信息的采集和参考信息的传递。

1参考信息采集

影响网络性能的指标有很多，包括活跃终端数、速率信息、负载、流量分布、速率变化、队列长度、上行信道质量等。

通过大量分析和实验，参与竞争的终端数（即活跃终端数）不仅能反应AP的负载，还能反应聚合流量的差异，因此能够表征可用带宽。对一个终端而言，其占用信道的时间取决于所传输的帧的大小和传输速率，通过实验我们发现，帧的大小仅在传输速率很低的情况下影响网络性能，因此传输速率是我们考虑的重点。所以，我们将活跃终端数和最低传输速率作为两个重要的参考信息，其他参考信息在需要时可进行扩充。在一个较短的时间内，若某个终端发送或接收了数据，则认为其是活跃的，否则认为其是静默的。采集影响无线接入点关联决策的参考信息针对活跃终端数和速率信息的流程如下（如图2所示）：

1：设定一较小的单位时间窗口（Unit_Wnd），用于计算滑动时间窗口。

2：根据当前活跃终端数（Active_Stations）计算滑动时间窗口（Time_Wnd）:Time_Wnd=Active_Stations*Unit_Wnd，若活跃终端数为0，则用缺省值代替。

3：根据滑动时间窗口设定一个统计定时器，将所有终端的统计值清零，包括收发的帧数（Frames）、速率和（SumRate）等。

4：每发送或接收到一个数据帧，将对应终端的Frames加1，该帧的传输速率增加到SumRate中。

5：当定时器超时时，即完成了一轮（一个滑动时间窗口长）的统计；计算该轮中的活跃终端（Frames>0）数和每个终端的平均传输速率（SumRate/Frames）。

6：记录本轮中的活跃终端数和最小平均传输速率。

7：若完成的轮数达到了预定限额（Round_Bound），则对活跃终端数和最小平均传输速率进行滑动平均处理，即每Round_Bound轮做一次滑动平均，将所得的平均激活终端数和平均最小速率作为参考值传递到终端。

8：从步骤（2）开始循环执行。

活跃终端数和传输速率都是在剧烈变化的信息，为便于统计，我们引入了滑动时间窗口，在一个时间窗口内对活跃终端数和速率进行统计，在累计完成若干次统计后，再进行一次滑动平均，滑动平均后的值作为参考信息。为适应活跃终端数的变化，滑动时间窗口的大小是可变的，与活跃终端数成正比。不同的终端，以及发送和接收的不同帧的传输速率是不同的，因此，在一个滑动时间窗口内，用某终端发送和接收的所有帧的平均速率来代表其真实的速率，各活跃终端平均速率的最小值即为该窗口内的最低速率。

2参考信息传递

在WLAN中，终端获得AP信息的途径有主动和被动两种方式。在主动方式下，终端广播一个探测请求帧，收到该请求的各AP回送一个探测响应帧（如图3所示）。在被动方式下，终端接收AP周期性广播的信标帧。探测响应帧和信标帧中包含了对应AP的各项配置信息，其中服务集标识符SSID（Service Set IDentifier）是唯一用户可见的要素。SSID是一个最大长度为32字节的字符串，而在实际应用中，SSID的长度不超过20个字节，即，至少有10个字节可用来传递特定的参考信息。将采集到的关联参考信息传递到终端，该传递方法的流程如下：

1：将AP采集到的各种参考信息进行归纳和编码，转换为易于理解和使用的字符串（如XYZ），将其存储在一变量中（如AP_Metric）。

2：在AP定期广播信标帧时，将（1）中的参考信息字符串追加到SSID字段中，形成一个新的SSID。新SSID的组成为“初始SSID+分隔符+参考信息字符串”，分隔符由一个或多个特殊字符组成，若初始SSID为“MySSID”，分隔符为“=>”，则新SSID为“MySSID=>XYZ”。

3：在AP接收到探测请求帧（Probe Request）、组装探测响应帧时，按（2）中的方法将（1）中的参考信息字符串追加到SSID字段中。

4：终端接收到信标帧或探测响应帧后，根据SSID中包含的参考信息进行自动的选择或切换，或者按正常方式将SSID展示给用户，再由用户进行选择或切换。

5：终端或用户在选择某个AP时发送关联请求帧（AssociationRequest），在切换到某个AP时发送重新关联请求帧（ReassociationRequest），其中的SSID字段中包含的是新SSID。

6：AP接收到终端的关联请求帧或重新关联请求帧后，从SSID中搜索分隔符并提取分隔符前面的初始SSID，若搜索失败或提取的初始SSID与本地SSID不符，则验证失败，否则通过验证。

为保证参考信息的有效性和实用性，各项参考信息应实时采集并做平滑处理，即使这样，最终编入SSID中的度量信息也是动态变化的，因此需要传递和处理的新SSID也是动态变化的，但对同一个AP来讲，它们具有共同的前缀（分隔符前面部分），且与该AP的初始SSID一致。

对终端而言，在成功关联到某个AP后，所有传递的报文都是依据MAC地址进行验证的，SSID的动态变化不会影响已关联的终端。对AP而言，在终端关联到AP的过程中，AP将对终端的关联请求进行验证，若其提供的SSID与本AP不符，AP将拒绝该请求。所以，为接受动态SSID，需调整AP中关联请求处理模块。因动态SSID的前缀与初始SSID相同，因此，AP能够很容易判别该请求是否是有效的。同理，AP也需按以上方式对重新关联请求进行处理。

用户可直接从SSID中得知各AP的参考信息，从而能够做出合理的选择。若用户不进行任何操作，则终端将按缺省模式工作。若用户允许安装一个客户端软件，则该软件能够自动地进行选择和切换。

3实验情况

为了验证该方法的可行性及有效性，我们在一个可编程的无线路由器（Buffalo WZR-HP-G300NH）平台上实现了该方法，并设计了一套选择策略。AP从已有的状态信息中提取活跃终端数和最低速率信息，编码到SSID中后发送到各终端，用户根据所观察到的参考信息选择较好的AP。为了比较该方法与传统的基于RSSI的AP选择方法，我们在如图4所示的场景下进行了实验。

6个人坐在一个会议室上通过无线网络上网，分别进行FTP下载、观看在线直播（100KB/s）和网页浏览（每5秒浏览一个500KB的网页）操作，每种操作均有2人执行。他们依次按不同的选择方式入网，即传统的基于信号强度的方式（RSSI based scheme）和基于本发明的关联决策方式（Proposed scheme）。本房间内的AP（AP1）信号较强（-30dBm），隔壁房间的AP（AP2）信号较弱（-55dBm），所有AP和终端都工作在802.11g模式。在1分钟内，FTP下载的平均数据量比较如图5所示。实验结果表明，该方法能采集更多更有效的参考信息，并将这些信息传递到各终端，终端用户根据所得参考信息能做出合理的选择。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种无线接入点关联决策增强方法，其特征在于，该方法包括步骤：

S1采集影响无线接入点关联决策的参考信息；

S2对参考信息进行归纳编码；

S3将参考信息编码与信标帧组装发送给终端，所述终端从所述信标帧中提取参考信息;

S4根据所述参考信息选择无线接入点，发送关联请求帧；

2.权利要求1所述的一种无线接入点关联决策增强方法，其特征在于，所述步骤S3还包括步骤:

3.权利要求1所述的一种无线接入点关联决策增强方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：

4.权利要求1所述的一种无线接入点关联决策增强方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：

5.权利要求1所述的一种无线接入点关联决策增强方法，其特征在于，所述参考信息包括活跃终端数、速率信息、负载、流量分布信息、速率变化信息、队列长度、上行信道质量信息中的至少一种。

6.权利要求1所述的一种无线接入点关联决策增强方法，其特征在于，所述采集影响无线接入点关联决策的参考信息针对活跃终端数和速率信息包括步骤：

S15从步骤S12循环执行。

7.权利要求1所述的一种无线接入点关联决策增强方法，其特征在于，所述参考信息编码与信标帧或探测响应帧的组装为将参考信息编码的字符串追加到信标帧或探测响应帧的SSID字段中，参考信息编码字符串与初始SSID通过分隔符隔离，从而形成一个新的SSID。

8.权利要求7所述的一种无线接入点关联决策增强方法，其特征在于，所述关联请求信息或重新关联请求信息的验证和处理方法为，从所述新的SSID中搜索分隔符并提取分隔符前面的初始的SSID字段，若搜索失败或提取的初始的SSID字段与本地SSID不相符，则验证失败，否则通过验证。