专利名称：基于ap协作的wlan中用户终端在接入点之间的切换方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，特别涉及无线局域网中用户终端在接入点之间切换的方法，可用于无线局域网网络侧和用户侧通信质量的优化。
背景技术：
近年来，无线局域网技术得到了迅速的发展和成功的运用，普及程度不断提高。无线局域网WLAN为人们提供了快捷、高效以及低成本的无线局域网接入服务。通过WLAN网络接入Internet可以为用户提供各种服务，比如VoIP、多媒体和数据传输等等。对于这些应用和服务而言，持续稳定的网络接入成为必然的要求。在WLAN中用户终端STA是通过接入点AP接入网络的，也就是说，STA必须通过AP才能接入网络与其他STA进行通行。由于WLAN网络接入点AP的覆盖能力有限，为了扩大WLAN的覆盖范围，会布置比较多的AP而方 便STA的接入。当STA由于移动而远离当前所连接的AP，或者当前AP所连接STA太多通信量太大等等这些原因，导致STA的通信质量下降到一定程度时，STA会寻找周围的其他AP接入以保持良好的通信质量，这就是WLAN中的切换技术。切换技术简单的说就是STA通过一系列步骤，断开与当前AP的连接，选择一个最佳的AP与之连接通信，STA切换过程中会暂停当前的通信，切换完成后会继续原来的通信。切换过程在逻辑上可以分为三个阶段扫描发现阶段、认证阶段、重新关联阶段，其中第一步扫描阶段扫描阶段的作用就是STA寻找自己周围有哪些可以为自己提供服务的AP，并获知该AP与自己的连接质量，然后从这些AP中选择一个最佳的AP作为切换目标。扫描方式有被动扫描和主动扫描两种方式。802. 11协议规定AP按IOOms的周期性在本身工作的信道上广播具有自身信息的信标帧，被动扫描是通过STA被动接受AP信标帧来获知自己周围AP的RSSI。STA在进行被动扫描时，需要在扫描信道上等待一定的时间以确保接收到AP的信标帧。在我国802. llb/g的可用信道数为11,802. Ila为13。如果STA对每一个信道进行扫描，并且在每一个信道上停留100ms，则扫描时延将长达1100ms，根本无法满足实时业务的要求。主动扫描是由STA主动发起的，STA依次在每个信道上发送探询的Probe Request中贞，AP接受到Probe Request巾贞则回复Probe Response。STA通过接收该信道上的AP返回的Probe Response帧，获知周围AP的RSSI。在主动扫描中，定义了两个值最小信道时间和最大信道时间。如果STA在最小信道时间内接收到有AP发送的Probe Response中贞，则STA继续在该信道上等待直到最大信道时间，以确保收到该信道上所有的AP的回应。如果STA在最小信道时间内没有接收到任何AP的响应，则认为周围没有AP工作在该信道上，STA立即进行下一个信道的扫描。第二步认证阶段STA成功发现一些新的AP后，并从中选择一个最优AP进行通信时，必须通过AP的认证，才能与该AP进行通信，才能接入网络。无论是何种认证方式，必要的步骤是STA向AP发送认证请求信息,AP经过认证后向站点发送认证成功或失败的响应,认证方式越安全，时延越大。第三步重关联阶段完成上面两个步骤后，STA向新连接AP发送重关联的请求帧，AP向站点发送回重关联的响应帧。这样STA和新AP完成了关联过程，STA才可以在网络间进行数据的传输。重关联过程的时延是重关联帧的交换过程，站点收到成功认证的消息后，向AP发送重关联的请求消息，接收到AP的重关联相应帧后就完成了切换。切换过程中会出现很多问题，其中切换时延和找到最佳AP是最为重要的。切换时延过大将显著地影响到诸如VoIP之类的实时性服务的通信质量。切换时延主要由以上三个阶段的时延组成扫描时延，认证时延和重连接时延。通过大量的研究，扫描时延占了切换时延的90%以上，认证时延和重连接时延比较短，因此扫描过程也是切换过程中优化的重点。如果切换到的AP不是最佳AP有可能导致多次切换，也容易造成用户终端通信质量 的下降。针对WLAN中用户终端切换过程中出现的问题，近年来出现了很多相关的解决办法，但这些方法都存在着一定的不足。比如基于调整最小信道时间和最大信道时间的Tuning算法，该方法将这两个值设置的特别小，这在减少切换时延上取得了效果，但是容易导致扫描失败，也就是信道上可能存在AP但是由于最小信道时间和最大信道时间设置的过小，STA在信道上待的时间太短而导致无法接受AP的响应。同时该算法仅仅是从STA端考虑，也就是切换仅仅从STA触发，而没有考虑到网络侧的因素，容易造成终端切换到非最佳AP而出现重复切换的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于AP协作的WLAN中用户终端在接入点之间的切换方法，以减小切换时延，提高用户终端在切换过程中通信的连续性，并保证STA切换到最佳AP，避免重复切换。为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤(I)当前接入点APa与邻居接入点APb定期进行信息互换，使当前接入点APa获得邻居接入点APb的信息，该信息包括邻居接入点APb的工作信道号和负载；(2)当前接入点APa将获得的邻居接入点APb信息，通过信标帧的方式下发给与当前接入点APa连接的用户终端STA ；(3)用户终端STA收到当前接入点APa下发的邻居接入点APb的信息后，查看当前的接受信号强度RSSI，如果当前RSSI小于设定的被动切换门限Ta=75dB，则执行步骤(4)启动被动切换，否则执行步骤(5);(4)用户终端STA向当前接入点APa发送被动切换请求，开始被动切换；4a)用户终端STA利用当前接入点APa下发的信息确定扫描集合，即将出现在信息中的邻居接入点APb确定为扫描集合；4b)用户终端STA分别计算自己与扫描集合中各个邻居接入点APb的距离，根据距离确定优先级，距离越近优先级越高；4c)用户终端STA从扫描集合里选择信道，如果扫描集合里有信道号为1、6、11这三个信道，则优先选择这三个信道，否则，选择优先级最高且没有被扫描过的信道；4d)用户终端STA切换到选择的信道，并且在扫描信道上发送探测请求帧ProbeRequest,最小信道时间MinT和最大信道时间MaxT的初值分别为IOms和20ms ；4e)用户终端STA根据在最小信道时间MinT内是否收到探测响应帧ProbeResponse确定执行步骤，如果用户终端STA在最小信道时间MinT内收到探测响应帧ProbeResponse,则执行步骤(4f)，否则,执行步骤(4g)；4f)用户终端STA在扫描信道上停留最大信道时间MaxT后，选择下一个信道，并减少最小信道时间MinT和最大信道时间MaxT的值各5ms，重复步骤(4c)到(4e)，直到扫描完所有信道；4g)用户终端STA在扫描信道上停留最小信道时间MinT后，选择下一个信道，并增大最小信道时间MinT和最大信道时间MaxT的值各5ms，重复步骤(4c)到(4e)，直到扫描 完所有信道；4h)用户终端STA根据接受信号强度RSSI，从扫描结果中选择接受信号强度RSSI最大者为最佳接入点AP进行切换，完成被动切换；(5)当前接入点APa查看自身是否超载，并查看是否收到用户终端STA发来的被动切换请求，如果当前接入点APa超载并且没有收到用户终端STA发来的被动切换请求，则当前接入点APa启动主动切换，执行步骤(6)，否则，当前接入点APa循环查看自身状态；(6)当前接入点APa启动主动切换，并向与当前接入点APa连接的用户终端STA下发主动切换帧。所述的主动切换，按如下步骤进行6a)收到主动切换帧的用户终端STA查看当前接受信号强度RSSI是否小于主动切换门限Tb=SOdB,如果用户终端STA的接受信号强度RSSI小于主动切换门限Tb，则执行步骤(6b)，否则，用户终端STA正常通信；6b)用户终端STA动态扫描所有邻居接入点APb,并将接受信号强度RSSI大于主动切换门限Tb的扫描结果记入扫描结果表中，用户终端STA扫描结束后将该扫描结果表反馈给当前接入点APa ；6c)当前接入点APa利用各个用户终端STA反馈的扫描结果，计算信号强度负载值=RLij=RSSIijXfi(I)其中fi⑴=exp (-Ic1 X I)+k2表不中间变量，I是候选接入点APi的负载，Ic1是平衡因子数I用来调整负载I的权重，k2是平衡因子数2用来调整接受信号强度RSSIu的权重，接受信号强度RSSIij是候选接入点APi和候选用户终端STAj之间的信号质量好坏度量值；6d)当前接入点APa将信号强度负载值RLij由大到小排序，形成信号强度负载列表RL ；6e)当前接入点APa从信号强度负载列表RL中选择排在最前面，且没有被选择过的候选接入点APi和候选用户终端STAj,并且向候选接入点APi发送切换请求和候选用户终端STAj的负载信息，候选接入点APi收到当前接入点APa发来的切换请求和候选用户终端STAj的负载信息后会查看当前负载加上候选用户终端STAj的负载是否超载，如果没有超载候选接入点APi向当前接入点APa反馈切换确认；6f)当前接入点APa查看是否收到候选接入点APi发来的切换确认，如果收到则执行步骤(6g)，否则执行步骤(6e)；6g)当前接入点APa向候选用户终端STA^发送切换信息帧；6h)候选用户终端STAj收到当前接入点APa的切换信息帧后，切换到候选接入点APi,完成主动切换。本发明与现有技术相比，具有如下优点I)本发明提出的主动切换和被动切换相结合的切换方法解决了单侧启动切换问题，既提高了网络侧的增益，又提高了用户终端STA侧的增益。2)本发明中的动态扫描技术通过对要扫描的信道进行优先级排序，然后对最小信道时间和最大信道时间进行动态变化，既减少了切换时延，又对扫描成功率进行了保障。
图I是本发明的总流程图；图2是本发明中的被动切换子流程图；图3是本发明中的主动切换子流程图；图4是本发明中的动态扫描子流程图。
具体实施例方式参照图I，本发明的实现步骤如下步骤I :当前接入点APa与邻居接入点APb定期进行信息互换，使当前接入点APa获得邻居接入点APb的信息，该信息包括邻居接入点APb的工作信道号和负载，其中负载为当前吞吐量与信道带宽的比值。步骤2 当前接入点APa将获得的邻居接入点APb信息，通过信标帧的方式下发给与当前接入点APa连接的用户终端STA，所述的信标帧的方式是利用802. 11标准中的信标帧beacon，在信标帧beacon中增加邻居接入点APb信息，再将邻居接入点APb信息随信标中贞beacon 一起发送给用户终端STA。步骤3 :用户终端STA收到当前接入点APa下发的邻居接入点APb的信息后，查看当前的接收信号强度RSSI，该接收信号强度RSSI是用户终端STA和接入点AP之间信号好坏的度量值，如果当前接收信号强度RSSI小于被动切换门限Ta，则执行步骤(4)启动被动切换，否则执行步骤(5)启动主动切换。步骤4 :用户终端STA向当前接入点APa发送被动切换请求，开始被动切换参照图2，本步骤的具体实现如下4a)用户终端STA利用当前接入点APa下发的信息确定扫描集合，即将出现在信息中的邻居接入点APb的信道确定为扫描集合；4b)对扫描集合中的信道进行动态扫描参照图4，动态扫描的具体实现如下4bl)用户终端STA分别计算自己与扫描集合中各个邻居接入点APb的距离，根据距离确定信道优先级，距离越近优先级越高；4b2)用户终端STA从扫描集合里选择信道，如果扫描集合里有信道号为1、6、11这三个信道，则优先选择这三个信道，否则，选择优先级最高且没有被扫描过的信道；
4b3)用户终端STA切换到选择的信道，并且在扫描信道上发送探测请求帧ProbeRequest,扫描信道上的邻居接入点APb收到探测请求巾贞Probe Request后会反馈探测响应中贞Probe Response,最小信道时间MinT和最大信道时间MaxT的初值分别为IOms和20ms ；4b4 )用户终端STA根据在最小信道时间MinT内是否收到探测响应帧ProbeResponse确定执行步骤，如果用户终端STA在最小信道时间MinT内收到探测响应帧ProbeResponse,则根据探测响应巾贞Probe Response记录接收信号强度RSSI,并执行步骤(4b5),否则，执行步骤(4b6);4b5)用户终端STA在扫描信道上停留最大信道时间MaxT，在停留时间内记录下收到的每一个探测响应巾贞Probe Response,停留时间结束后选择下一个信道,并减少最小信道时间MinT和最大信道时间MaxT的值各5ms，重复步骤(4b2)到(4b4)，直到扫描完所有信道；4b6)用户终端STA在扫描信道上停留最小信道时间MinT后，选择下一个信道，并 增大最小信道时间MinT和最大信道时间MaxT的值各5ms，重复步骤(4b2)到(4b4)，直到扫描完所有信道；4c)用户终端STA根据接受信号强度RSSI，从扫描结果中选择接受信号强度RSSI最大者为最佳接入点AP进行切换，完成被动切换。步骤5，当前接入点APa查看自身是否超载，并查看是否收到用户终端STA发来的被动切换请求，在这里超载是指当前接入点APa的吞吐量达到带宽的55%以上，如果当前接入点APa超载并且没有收到用户终端STA发来的被动切换请求，则当前接入点APa启动主动切换，执行步骤(6)，否则，当前接入点八匕循环查看自身状态并更新邻居接入点APb的信息。步骤6，当前接入点APa启动主动切换，并向与当前接入点APa连接的用户终端STA下发主动切换帧。参照图3，本步骤的具体实现如下6a)收到主动切换帧的用户终端STA查看当前接受信号强度RSSI是否小于主动切换门限Tb，如果用户终端STA的接受信号强度RSSI小于主动切换门限Tb，则用户终端STA利用当前接入点APa下发的信息确定扫描集合并执行步骤(6b)，否则，用户终端STA正常通f目;6b)用户终端STA对扫描集合中的信道进行动态扫描参照图4，动态扫描的具体实现如下6bl)用户终端STA分别计算自己与扫描集合中各个邻居接入点APb的距离，根据距离确定信道优先级，距离越近优先级越高；6b2)用户终端STA从扫描集合里选择信道，如果扫描集合里有信道号为1、6、11这三个信道，则优先选择这三个信道，否则，选择优先级最高且没有被扫描过的信道；6b3)用户终端STA切换到选择的信道，并且在扫描信道上发送探测请求帧ProbeRequest,扫描信道上的邻居接入点APb收到探测请求巾贞Probe Request后会反馈探测响应中贞Probe Response,最小信道时间MinT和最大信道时间MaxT的初值分别为IOms和20ms ；
6b4 )用户终端STA根据在最小信道时间MinT内是否收到探测响应帧ProbeResponse确定执行步骤，如果用户终端STA在最小信道时间MinT内收到探测响应帧ProbeResponse,则根据探测响应巾贞Probe Response记录接收信号强度RSSI,并执行步骤(6b5),否则，执行步骤(6b6)；6b5)用户终端STA在扫描信道上停留最大信道时间MaxT，在停留时间内记录下收到的每一个探测响应巾贞Probe Response,停留时间结束后选择下一个信道,并减少最小信道时间MinT和最大信道时间MaxT的值各5ms，重复步骤(6b2)到(6b4)，直到扫描完所有信道；6b6)用户终端STA在扫描信道上停留最小信道时间MinT后，选择下一个信道，并增大最小信道时间MinT和最大信道时间MaxT的值各5ms，重复步骤(6b2)到(6b4)，直到扫描完所有信道；6c)用户终端STA扫描完所有邻居接入点APb后，将接受信号强度RSSI大于主动切换门限Tb的扫描结果记入扫描结果表中，用户终端STA将该扫描结果表反馈给当前接入点APa; 6d)当前接入点APa利用各个用户终端STA反馈的扫描结果，计算信号强度负载值 -RLij=RSSIijXfi(I),其中A(I) Zexpf^k1Xlhk2表示中间变量，I是候选接入点APi的负载，Ic1是平衡因子数I用来调整负载I的权重，k2是平衡因子数2用来调整接受信号强度RSSIu的权重，接受信号强度RSSIij是候选接入点APi和候选用户终端STAj之间的信号质量好坏度量值；6e)当前接入点APa将信号强度负载值RLij由大到小排序，形成信号强度负载列表RL ；6f)当前接入点APa从信号强度负载列表RL中选择排在最前面，且没有被选择过的候选接入点APi和候选用户终端STAj,并且向候选接入点APi发送切换请求和候选用户终端STAj的负载信息，候选接入点APi收到当前接入点APa发来的切换请求和候选用户终端STAj的负载信息后，如果候选接入点APi的当前负载加上候选用户终端STAj的负载没有超载则向当前接入点APa反馈切换确认；6g)当前接入点APa查看是否收到候选接入点APi发来的切换确认,如果收到则执行步骤(6f)，否则执行步骤(6h)；6h)当前接入点APa向候选用户终端STA^发送切换信息帧；6i)候选用户终端STAj收到当前接入点APa的切换信息帧后，切换到候选接入点APi,完成主动切换。术语解释WLAN ffireless Local Area Network ;无线局域网络；AP -.Access Point ;接入点；STA Station ;用户；MinT MinChannelTime :最小信道时间；MaxT MaxChannelTime :最大信道时间；Probe Request :探测请求；Probe Response :探测响应；RSSI Received Signal Strength Indication :接受信号强度指不。
权利要求
1.一种基于AP协作的WLAN中用户终端在接入点之间的切换方法，包括如下步骤 (1)当前接入点APa与邻居接入点APb定期进行信息互换，使当前接入点APa获得邻居接入点APb的信息，该信息包括邻居接入点APb的工作信道号和负载； (2)当前接入点APa将获得的邻居接入点APb信息，通过信标帧的方式下发给与当前接入点APa连接的用户终端STA ； (3)用户终端STA收到当前接入点APa下发的邻居接入点APb的信息后，查看当前的接受信号强度RSSI，如果当前RSSI小于设定的被动切换门限Ta，则执行步骤(4)启动被动切换，否则执行步骤(5); (4)用户终端STA向当前接入点APa发送被动切换请求，开始被动切换； 4a)用户终端STA利用当前接入点APa下发的信息确定扫描集合，即将出现在信息中的 邻居接入点APb的信道确定为扫描集合； 4b)用户终端STA分别计算自己与扫描集合中各个邻居接入点APb的距离，根据距离确定信道优先级，距离越近优先级越高； 4c)用户终端STA从扫描集合里选择信道，如果扫描集合里有信道号为1、6、11这三个信道，则优先选择这三个信道，否则，选择优先级最高且没有被扫描过的信道； 4d)用户终端STA切换到选择的信道，并且在扫描信道上发送探测请求帧ProbeRequest,最小信道时间MinT和最大信道时间MaxT的初值分别为IOms和20ms ； 4e)用户终端STA根据在最小信道时间MinT内是否收到探测响应巾贞Probe Response确定执行步骤，如果用户终端STA在最小信道时间MinT内收到探测响应帧Probe Response,则执行步骤(4f)，否则，执行步骤(4g); 4f)用户终端STA在扫描信道上停留最大信道时间MaxT后，选择下一个信道，并减少最小信道时间MinT和最大信道时间MaxT的值各5ms，重复步骤(4c)到(4e)，直到扫描完所有信道； 4g)用户终端STA在扫描信道上停留最小信道时间MinT后，选择下一个信道，并增大最小信道时间MinT和最大信道时间MaxT的值各5ms，重复步骤(4c)到(4e)，直到扫描完所有信道； 4h)用户终端STA根据接受信号强度RSSI，从扫描结果中选择接受信号强度RSSI最大者为最佳接入点AP进行切换，完成被动切换； (5)当前接入点APa查看自身是否超载，并查看是否收到用户终端STA发来的被动切换请求，如果当前接入点APa超载并且没有收到用户终端STA发来的被动切换请求，则当前接入点APa启动主动切换，执行步骤(6)，否则，当前接入点APa循环查看自身状态； (6)当前接入点APa启动主动切换，并向与当前接入点APa连接的用户终端STA下发主动切换帧。
2.根据权利要求I的所述的切换方法，其中步骤(2)所述的通过信标帧方式下发信息，是指用802. 11标准中的信标巾贞beacon,在信标巾贞beacon中增加邻居接入点APb信息,再将邻居接入点APb信息随信标帧beacon —起发送给用户终端STA。
3.根据权利要求I所述的切换方法，其中所述步骤(6)中的主动切换，包括如下步骤 6a)收到主动切换帧的用户终端STA查看当前接受信号强度RSSI是否小于主动切换门限Tb，如果用户终端STA的接受信号强度RSSI小于主动切换门限Tb，则执行步骤(6b)，否贝U，用户终端STA正常通信； 6b)用户终端STA利用动态扫描扫描所有邻居接入点APb后，并将接受信号强度RSSI大于主动切换门限Tb的扫描结果记入扫描结果表中，用户终端STA将该扫描结果表反馈给当前接入点APa ； 6c)当前接入点APa利用各个用户终端STA反馈的扫描结果，计算信号强度负载值RLij=RSSIijXfi(I) 其中fi (I) Zexpf^k1Xlhk2表示中间变量，I是候选接入点APi的负载，Ic1是平衡因子数I用来调整负载I的权重，k2是平衡因子数2用来调整接受信号强度RSSIu的权重，接受信号强度RSSIij是候选接入点APi和候选用户终端STAj之间的信号质量好坏度量值； 6d)当前接入点APa将信号强度负载值RLij由大到小排序，形成信号强度负载列表RL ； 6e)当前接入点APa从信号强度负载列表RL中选择排在最前面，且没有被选择过的候选接入点APi和候选用户终端STAj,并且向候选接入点APi发送切换请求和候选用户终端STAj的负载信息，候选接入点APi收到当前接入点APa发来的切换请求和候选用户终端STAj的负载信息后会查看当前负载加上候选用户终端STA^的负载是否超载，如果没有超载候选接入点APi向当前接入点APa反馈切换确认； 6f)当前接入点APa查看是否收到候选接入点APi发来的切换确认，如果收到则执行步骤(6g)，否则执行步骤(6e)； 6g)当前接入点APa向候选用户终端STAj发送切换信息帧； 6h)候选用户终端STAj收到当前接入点APa的切换信息帧后，切换到候选接入点APi,完成主动切换。
全文摘要
本发明提出一种基于AP协作的WLAN中用户终端在接入点之间的切换方法，主要用于解决现有技术切换时延过长及切换方式单一的问题。其技术特点是采用主动切换或被动切换两种选择该方式，即主动切换主要是从网络侧进行切换，对于当前AP负载超载的情况，则接入点AP启动主动切换，从当前所连接的用户终端STA集合中选则一个用户终端STA切换到邻居接入点AP；当用户终端STA通信质量变差，用户终端STA则自动启动被动切换，切换到最佳接入点AP；主动切换和被动切换都要对扫描的信道进行优先级排序，并动态调整扫描每一个信道的时间。本发明具有切换时延少扫描成功率高的优点，可用于分布式、有基础网络支持的无线局域网。
文档编号H04W48/16GK102752823SQ20121022976
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月4日 优先权日2012年7月4日
发明者史明伟, 史琰, 宿文强, 常树敏, 杨敏, 盛敏 申请人:西安电子科技大学