分布式多频带无线网络系统中的客户端漫游的制作方法

相关申请交叉引用

本申请要求于2016年10月10日提交的美国临时专利申请序列号62/406,325的优先权，并且是2016年10月6日提交的美国专利申请序列号15/287,706，2016年10月6日提交序列号15/287,711，和2016年9月21日提交的序列号15/271,912的部分继续申请，各申请通过引用整体并入本文。

本发明涉及一种分布式多频带无线网络系统。更具体地，本发明涉及分布式多频带无线联网系统中的客户端漫游。

背景技术：

在诸如大房子或办公室的室内环境中，单个接入点(ap)通常可能不能覆盖整个室内区域。

解决该问题的一个直接尝试是增加发射功率。然而，完全依赖于增加ap上的传输功率将是一个不良的解决方案。除了限制ap的发射功率的监管机构之外，通常ap和客户端之间的无线局域网(wlan)通信链路是高度不对称的，即，客户端的发射功率通常低于ap的发射功率。客户端的天线效率通常也低于ap。此外，便携式客户端，例如，移动电话，通常由用户手持，并且由于人体的信号吸收和中断，来自这种便携式客户端的信号可以以甚至更低的功率到达ap。然而，许多常用的wlan协议要求链路的每一侧接收针对所发送的分组，例如，在下行链路方向上，的确认(ack)。如果wlan链路的一侧不能从链路的另一侧接收，则不能将分组发送到链路的另一侧。

代替一个ap具有高发射功率和高性能天线，有吸引力的替代方案是使用以分散的、分布式方式部署在环境中的多个更小的ap。这些较小的ap形成无线网状网络，因此也被称为“网格点”。当客户端设备与网格点之一建立连接时，网格点可以将业务转发到连接到网关的网格点，其继而将业务传送到外部世界，例如，广域网(wan)和/或因特网。然而，还存在与实现这些无线网状网络相关联的许多挑战，特别是在家庭环境中，其中外行用户可能参与安装和配置这些网格点。

一般来说，如上所述，对具有大传输功率的接入点(ap)的更好的替代是具有以散布的分布式方式部署在环境中的多个更小ap的无线网状网络。这些较小的ap(或网格点)通常作为所谓的“范围扩展器”或“中继器”推向市场。范围扩展器通常通过将其自身与用户的主ap相关联并从主ap接收互联网连接来工作。然后，诸如移动电话、膝上型计算机和台式计算机以及智能设备的客户端可以与范围扩展器相关联。

在许多这些设置中，由连接客户端决定无线网状网络中发生什么，例如，当发生某种类型的问题例如不良接收时，采取什么动作或反应，这可能不利地影响这种网络的效率和稳定性。例如，主ap和中继器之间的漫游可能是常见的问题，其中客户端可能在与主ap或中继器网格点连接中被卡住，并且可能不漫游到可以向客户端提供最佳吞吐量的网格点。经常，在多个范围扩展器和主ap之间漫游可能不如设计的那样起作用，并且对于不同类型的客户端可能需要不同的漫游方法。

通常被称为wi-fi的ieee802.11被广泛用于无线通信。许多部署的实施方案的有效范围只有几百米。为了保持通信，使用它的运动中的装置必须从一个接入点切换到另一个接入点。

已经在现有标准下支持切换。用于切换的基本架构对于具有和不具有802.11r的802.11是相同的，即移动设备完全负责决定何时切换以及希望切换到哪个接入点。

802.11i中的密钥协商协议规定，对于基于802.1x的认证，客户端需要在每次切换时与radius或其他支持可扩展认证协议(eap)的认证服务器重新协商其密钥。这是一个耗时的过程。

802.11工作组标准k、r和v让客户在同一网络内从ap到ap无缝漫游。ieee802.11k和802.11r是在wlan环境中实现无缝基本服务集(bss)转换的行业标准。802.11k标准提供了发现最佳可用接入点的信息。

802.11k标准帮助设备加快搜索附近的可用作漫游目标的ap，方法是创建一个优化的信道列表。当当前ap的信号强度减弱时，设备从该列表中扫描目标ap。

802.11k旨在改进网络中业务的分配方式。在无线lan中，每个设备通常连接到提供最强信号的ap。根据用户的数量和地理位置，这种安排有时可能导致对一个ap的过度需求以及其他ap的使用不足，导致整体网络性能下降。在符合802.11k的网络中，如果具有最强信号的ap被加载到其全部容量，则将无线设备连接到未充分利用的ap之一。尽管信号可能较弱，但由于更有效地利用网络资源，因此总体吞吐量更大。

在802.11k中，在切换到新的接入点之前执行以下步骤：接入点确定客户端正在远离接入点，接入点通知客户端应准备切换到新的接入点，客户端请求附近接入点的列表，接入点向客户端提供站点报告，客户端根据报告移动到最佳接入点。

因此，在802.11k中，从ap到ap的漫游是以客户为中心的。

技术实现要素：

本发明的实施例将客户端漫游的漫游技术，例如但不限于802.11k中所述的技术，扩展到分布式多频带无线网络系统中的基于ap的客户端漫游。特别地，本发明的实施例提供了一系列用于比较信号并在ap上决定什么时候在分布式多频带无线网络系统中将客户端从一个ap切换到另一个ap的算法。本发明利用了ap可以经由专用回程相互通信的事实。

附图说明

图1是示出根据本发明的网状网络中在两个网格点之间建立的回程链路的框图示意图；

图2是示出根据本发明的漫游决定过程的流程图；

图3是示出根据本发明的使用校准过程作为漫游决定过程的一部分的流程图；

图4是示出根据本发明的与漫游决定有关的监控模式的使用的流程图；

图5是示出根据本发明的在中间模式中触发的监控模式的框图示意图；

图6是示出根据本发明的与快速信道切换相关的监控模式的使用的流程图；

图7是示出根据本发明的在802.11k测量完成之后使用802.11vbtm来指导客户端移动的过程流程图；和

图8是示出以计算机系统的示例形式的机器的框图，其中用于使机器执行本文所讨论的一种或多种方法的指令集可以被执行。

具体实施例

本发明的实施例有利地利用了多频带，例如，三频无线网络系统。在一些实施例中，多频带无线网络系统包括多个无线网络设备。至少一个无线网络设备连接到互联网并用作路由器。剩余的无线网络设备用作经由无线信道(频带)无线连接到路由器的卫星，其专用于无线网络设备之间的通信，即专用回程。路由器和卫星都提供无线网络连接，例如wi-fi连接，诸如台式计算机、膝上型计算机、平板电脑、，移动电话、可穿戴智能设备、游戏机、智能家居设备等客户端设备。路由器和卫星一起提供具有广泛覆盖的单个无线网络到客户端设备。多频带无线网络系统动态优化客户端设备的无线连接，无需重新连接。多频带无线网络系统的一个例子是系统。这样的系统在2016年10月6日提交的美国专利申请序列号15/287,711和2016年9月21日提交的序列号15/271,912中被例示，各申请的全部内容通过引用并入本文。

在一些实施例中，系统的无线网络设备包括用于三个无线频带的无线电组件，例如2.5ghz频带、5ghz低频带和5ghz高频带。其中一个频带可以专用于系统的无线网络设备之间的无线通信。系统的无线网络设备之间的这种无线通信在本文中被称为回程通信。另外两个频带可用于系统的无线网络设备和客户端设备之间的无线通信。系统的无线网络设备和客户端设备之间的无线通信在这里被称为前向通信。

在一些实施例中，系统默认使用5ghz高频带进行回程通信，并且使用2.4ghz频带和5ghz低频带进行前向通信。例如，当2.4ghz频带用于前进通信时，系统的每个单元可以在2.4ghz频段的不同信道上工作。频带可以包括多个信道。

本发明的实施例将漫游技术，例如但不限于802.11k中所述的技术，扩展到分布式多频带无线网络系统中的基于ap的客户端漫游。特别地，本发明的实施例提供了一系列用于比较信号并在ap上决定什么时候在分布式多频带无线网络系统中将客户端从一个ap切换到另一个ap的算法。本发明利用了ap可以经由专用回程相互通信的事实。

图1是示出在网状网络中的两个网格点之间建立的回程链路的框示意图。本领域技术人员将理解，本发明容易用于任何类型的网络配置，例如，网格，星形等。在图1中，两个ap10a、10b分别各自包括三个无线电18a-20a和18b-20b。ap使用无线电与各种客户端14-17进行通信。本领域技术人员将理解，无线电的数量可以变化。本发明的一个实施例的关键是在每个ap中使用一个无线电作为建立专用回程11的信道。回程可以用于执行这样的控制和管理功能，例如作为与其他ap协调的控制实体进行漫游决定，并指示客户端执行漫游决定。

除了常规的wlan服务，例如由在图1中的网状网络向客户端设备提供的转发至网关和因特网以及来自网关和因特网的数据分组，在多个实现中，网状网络中的网格点本身可以使用一个或多个电信电路来形成在网格点中的一个或更多的专用回程链接。这样的回程链路也可以用于执行控制和管理功能，例如，作为指示网格点对客户端执行漫游决定的控制实体。另外，或作为替代，这样的回程链路可以用于提供更多的吞吐量和/或为网状网络提供容错，例如，提供冗余以防止暂时干扰等。

每个单元最佳信道的决定可以基于各种因素做出，如网络拓扑、每个单元的每个信信道上的干扰ap数量、每个单元的每个信道的噪声、每个单元的干扰持续时间的时间百分比、每个单元支持的网络业务的类型等。提供自动网格点测量和辅助无线网状网络的安装和配置的引导安装的技术在2016年10月6日提交的美国专利申请序列号15/287,706中描述，该申请通过引用整体并入本文。

这样的技术包括漫游，其中多设备无线网状网络可以具有可以集中或分布的网络控制系统，并且当客户端应当漫游时，网络控制器可以例如决定每个客户端应该关联哪个网格点等等。在本发明的实施例中，在多个ap之间实现漫游，例如，ap1和ap2，其中每个ap具有在不同信道上的三个信道，即三个无线电(参见图1)。

本发明的实施例使用ap的能力通过专用回程进行通信以实现无线电资源管理(rrm)的能力，即无线通信系统中的同信道干扰、无线电资源和其他无线电传输特性的系统级管理，例如蜂窝网络，无线局域网和无线传感器系统。rrm涉及用于控制参数的策略和算法，例如发射功率、用户分配、波束成形、数据速率、切换标准、调制方案、错误编码方案等。rrm的一个目标是使用有限的射频频谱资源和无线电网络基础设施尽可能高效。

图2是示出根据本发明的漫游决定过程的流程图。关于本发明的实施例，电信中的接收信号强度指示符(rssi)是接收到的无线电信号中存在的功率的测量。本发明的实施例如当不同的ap在不同的信道上进行漫游时，进行802.11krssi测量。然而，许多客户端无法利用802.11k，例如具有多个信道请求。在本发明的实施例中，ap请求客户端在当前信道上执行802.11k响应(200)并进行上行链路/下行链路校准(202)。之后，系统使用校准来基于上行链路功率估计下行链路功率(204)。

在本发明的实施例中，ap每次接收到分组时，测量客户端正在发送的分组的接收信号强度。响应802.11k报告在客户端侧的ap信号的信号强度。因此，在ap处的客户端的信号强度和在客户端的ap的信号强度之间的差值可以被测量和平均，以考虑到衰落和系统的不准确性。

系统在候选ap(单元)上执行802.11k(206)，并且基于服务ap上的最后接收到的分组来推断802.11k测量(208)。在本发明的实施例中，可以跳过当前信道上的802.11k测量，因为上行链路和下行链路节点之间的增量是已知的。最后接收的分组可以用于测量ap侧的客户端的接收信号，并且可以从该信号推断客户端在ap侧的信号强度。因此，在执行潜在目的地信道上的802.11k之后，如客户端所见，新信道上的信号强度与当前信道之间的增量是已知的。

使用用于ap之间的通信的回程的本发明的实施例将另一ap上的下行链路测量与当前ap上的估计的下行链路功率进行比较(210)。然后，决定客户是否应该被指示漫游(212)。

在本发明的实施例中，系统查看在当前信道上的客户端的rssi和在另一个信道上的客户端的rssi。如果另一个信道的rssi更好一定的余量，并且在该信道上有足够的空闲时间可以为客户端业务提供服务，则客户端被移动到新的信道。系统还检查客户端业务类型，确保目标信道上的服务质量得到满足。

如上所述，本发明的实施例使用802.11k进行上行链路/下行链路校准。图3是示出根据本发明的校准过程作为漫游决定过程的一部分的使用的流程图。当客户端支持802.11k时，系统执行802.11k测量以确定功率的差异(300)。之后，系统可以使用该信息，如果其他ap在其他信道上，则不需要在服务ap上要求802.11k测量。系统要求当前信道的测量报告并接收802.11k报告(302)。该系统将802.11k报告中提到的下行链路功率与802.11k报告分组的rssi进行比较(304)，并确定增量测量(306)。可以进行若干测量，使得功率差异可以在多个测量上进行平均，因此测量更准确。当增量测量移动到某一点时，例如，当候选信道比服务信道优xdb，例如5db或10db时，系统还检查候选信道上的信道负载，系统确定是时候开始查看其他信道(308)，然后系统告诉客户端查看其他信道(310)。

本发明的一个关键特征是可以在ap使用802.11k进行测量，而不需要客户端在服务信道上漫游，因为客户端不必从ap看到rssi报告，且客户端不会必须按照802.11k进行漫游决定。因此，关于本发明，几乎不影响客户的工作。客户端空闲，空闲时可以从任何ap接收信号。

如上所述，客户端向ap发送802.11k报告，指示在客户端接收到ap信号的良好情况。ap负责确定客户何时需要漫游。ap根据客户端在发送回ap的802.11k分组中告诉ap的信号来查看信号。当客户端指示信号越来越弱时，ap告诉客户端开始查看其他信道，例如，找到更好的ap。由于ap通过专用回程与其他ap持续通信，因此ap可以协调此过程，并为客户做出关于改变信道的决定，以访问相对于客户端的更强大(robust)的ap。根据802.11k，客户端不必从ap列表中选择一个新的ap，因为这个决定由ap为其做出。

该系统还可以帮助速率控制。由于到ap的客户端链路和到客户端的ap链路之间的差异是已知的，所以系统可以使用ap上的从客户端接收到的分组作为可以在下行链路上工作的速率的度量。换句话说，客户端ap通信链路是高度不对称的，并且由于不可能测量非对称链路而难以实现速率控制。因此，本发明的实施例使用802.11k交换来估计不对称性。

本发明的实施例在监控模式或rfmon(射频监控)模式下操作，其允许具有无线网络接口控制器(wnic)的计算机即ap与监视从无线网络接收的所有业务。不同于混杂模式，也用于分组嗅探，监控模式允许捕获分组，而不必首先与接入点或自组织网络相关联。

分组分析器也称为网络分析器、协议分析器或分组嗅探器，或者对于特定类型的网络，以太网嗅探器或无线嗅探器，是计算机程序或计算机硬件的一部分，其可以拦截和记录通过数字网络或网络的业务。随着数据流流经网络，嗅探器捕获每个分组，并且如果需要，对数据包的原始数据进行解码，显示数据包中各个字段的值，并根据相应的rfc或其他规范对其内容进行分析。

图4是示出根据本发明的与漫游决定有关的监控模式的使用的流程图。本发明的实施例在具有同一信道上的ap的传统客户端以监控模式工作(400)。使用监控模式，其他ap可以进入嗅探模式来检测客户端(402)。ap通过专用回程协调其操作(404)。数量有限的客户可以嗅到。如果另一个ap更适合以一定余量处理客户端，则可以触发漫游(406)。一旦另一个ap被认为更好，系统就可以使用不同的漫游机制进行漫游(408)。

本发明的实施例向客户端发送de认证分组，并在当前信道上断开客户端。然后，客户端尝试通过发送探测请求来查找ap。系统在当前信道上不响应，然后客户端在所有其他信道上查找ap。系统会对客户端所指向的信道进行响应。客户端可能会偶尔使用这种技术，因为客户端可能会将ap列入黑名单。因此，根据客户端类型和从字段学到的内容来调整此技术的时序。

如上所述，本发明的实施例监控客户端选择。具有小于预定值x的rssi的传统客户端可以是监控模式候选者。802.11k请求失败的客户端可以作为漫游的候选者。可以使用802.11k测量不准确的客户端。当802.11k测量具有大于期望水平的延迟时，客户端可以是监控模式的候选者。监控模式可用于校准发送和接收功率差异。

图5是示出根据本发明在中间模式下触发监控模式的框图。在图5中，三个ap50-52通过专用回程协调其操作。每个ap产生可以在客户端接收的信号。对于每个ap，通过同心圆显示关于客户端的信号的强度，其中示出了当前ap具有填充圆，表示信号强度。然而，如客户端从位置54a移动到54b至54c所示，客户端正在移动。在位置54b，客户端在三个ap的中间。此时，可以触发监控模式，使客户端从ap50漫游到另一、更接近ap，如ap52。

系统监控模式可以使用快速信道切换。在这种情况下，ap必须跳到另一个信道进行测量。需要为ap进行协调，以便跳到另一个信道并跳回。ap需要确保何时跳转到其他信道而当前客户端不将ap视为断开连接。

ap只能偶尔离开信道。如果最近已经离开了一个信道，则可能需要延迟下一个移动一定的时间间隔x。ap还可以发送保留传输时间的分组，但不进行传输。这可以通过发送cts2self分组或伪造rts/cts来完成。

图6是示出根据本发明的与快速信道切换相关的监控模式的使用的流程图。监控模式可以在不同的信道上。重要的是，可以通过专用回程执行信道切换协调。系统要求非服务ap进入服务ap的信道(600)，进行测量(602)，然后返回当前信道(604)，并将测量数据通过专用回程发送回服务ap(606)。ap在其信道上发送指示它处于离线状态一定时间段的控制分组(608)。在这种情况下，测量上行rssi并在不同信道上的不同ap之间进行比较(610)，并进行漫游决定(612)。

ap被校准，使得rssi测量比客户端更准确。在本发明的实施例中，例如，可以在生产线中对ap进行校准，从而在不同的信道上发送的信号是一致且非常可靠的。如果客户端使用802.11操作，则最好不要使用监控模式。然而，如果ap被校准，监控模式比802.11k更准确。本发明的实施例确定具有802.11k的客户端何时应该使用802.11k以及何时应该使用监控模式。

一些ap具有有限的时隙来监控客户端。如果时隙有限并且某些客户端正在被监控，那么802.11k客户端可能会对使用监控模式采取较低的优先级。ap可以通过比较来自客户端的多个测量来确定客户端rssi测量是否不准确。如果客户端支持802.11k并且rssi的准确性较差，则客户端可以获得比具有更精确测量的802.11k客户端更高的监控模式优先级。另外，有些客户端对802.11k的响应也很慢。在这种情况下，监控模式可能有助于加快进程，这可以为对客户端给予优先级提供另一个参数。

802.11vbtm

图7是示出了在根据本发明进行802.11k测量之后使用802.11vbss过渡管理(btm)来指导客户端移动的过程流程图。在图7中，接入点(ap)70与客户端71通信。关于btm，ap向客户端发送bss过渡管理请求帧(702)提供mlme-btm指示(704)。客户端进行sta漫游评估并作出决定(706)并发送mlme-btm响应(708)，其可选地向ap提供bss过渡管理响应帧(710)。此后，客户端通过sta重新关联或快速bss转换(712)并且sta重新关联完成(714)。

在本发明的实施例中，bss过渡管理使得ap能够请求非apsta转换到特定ap，或者由于网络负载平衡或bss终止，向非apsta指示一组优选ap。因此，bss过渡管理允许网络的控制层通过向其提供附近接入点的负载信息来影响客户端漫游行为。在本发明的实施例中，如果系统决定引导客户端，则btm用于指导客户端从一个ap转到另一个ap。对于具有802.11k能力的客户端，客户端管理框架使用由客户端生成的实际信标报告来响应由ap发送的信标报告请求。该信标报告替代该客户端的虚拟信标报告。对于具有802.11v能力的客户端，控制器使用802.11vbss过渡消息来在从ap接收到客户转向触发时将客户端引导到所需的ap。btm仅在客户端支持时使用。

计算机实施例

图8是计算机系统的框图，其可以用于实施本发明的一些实施例的某些特征。电脑系统可以是服务器计算机、客户端计算机、个人计算机(pc)、用户设备、平板电脑、膝上型计算机、个人数字助理(pda)、蜂窝电话、iphone、ipad、黑莓、处理器、电话、网络设备、网络路由器、交换机或网桥、控制台、手持设备控制台、(手持)游戏设备、音乐播放器、任何便携式、移动的、手持设备、可穿戴设备或能够顺序或以其他方式执行指定将被机器采取的操作的一组指令的任何机器。

计算系统80可包括一个或多个中央处理单元(“处理器”)85、存储器81、输入/输出设备84，例如键盘和指点设备、触摸屏设备、显示设备、存储设备82例如磁盘驱动器，以及网络适配器83例如网络接口，所有这些都经由互连86连接。

在图8中，互连被示为代表任何一种或多种的独立的物理总线、点对点连接，或通过适当的连接桥梁、适配器或控制器连接的二者。因此，互连可以包括例如系统总线、pci(peripheralcomponentinterconnect，周边设备互联)总线或pci-express总线，超传输或行业标准架构(isa)总线，小型计算机系统接口(scsi)总线、通用串行总线(usb)、集成电路(i2c)总线或电气和电子工程师协会(ieee)标准1394总线，也称为火线。

内存81和存储设备82是计算机可读存储介质，可以存储实现本发明的实施例的至少部分的指令。另外，数据结构和消息结构可以经由数据传输介质存储和传输，例如在通信链路上的信号。可以使用各种通信链路，例如，互联网、局域网、广域网或点对点拨号连接。因此，计算机可读介质可以包括计算机可读存储介质，例如非瞬态介质和计算机可读传输介质。

存储在存储器81中的指令可以被实现为编程一个或多个处理器以执行上述动作的软件和/或固件。在本发明的某些实施例中，这些的软件或固件可以通过从远程系统经过计算系统，例如网络适配器83下载从而初始配置到处理系统80。

在此介绍的本发明的各种实施例可以通过例如软件和/或固件编程的可编程电路，例如一个或多个微处理器，专用硬连线，即非可编程电路，或这些形式的组合。专用的硬连线电路可以通过下列形式实现，例如，一个或多个asic、pld、fpga等等。

尽管在此参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将容易理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，其它应用可以替代本文所阐述的那些。因此，本发明仅由下述权利要求限定。