（通信与信息系统专业论文）wlan快速切换技术的研究.pdf

摘要 在诸如机场、旅馆、大学和购物中心这些公共场所i e e e 8 0 2 ，1 1 w l a n 已经得到了非常 成功的使用，人们在这些地方接入w l a n 时，对移动性的要求不断增加，同时使用多媒 体业务的要求也有所增加。这时对于w l a n 来说，为了保证业务质量，快速切换变得非 常重要。但是i e e e s 0 2 1 1 对此并没有明确的技术支持，切换所带来的延迟已经不能满足实 时多媒体业务的要求。因此，本文主要对快速切换算法进行了讨论。 本文首先对i e e e 8 0 2 11 w l a n 的移动性进行了详细的分析，i e e e 8 0 2 1i w l a n 的切 换延迟由探测延迟、认证延迟和关联，重新关联延迟组成，本文主要针对减少探测延迟和关 联重新关联延迟的算法和机制进行了研究和分析。 在减少探测延迟部分，分析了使用邻居图概念的快速探测算法n g ，以及加入无重叠 图概念对其进行改进的n gp r u n i n g 快速探测算法后，给出了一种加入g p s 信息的n g 算 法的改进算法g p sn g ，并且使用o p n e t l 0 0 对这三种算法进行了计算机仿真和性能比 较。证明了g p sn g 可以显著地降低探测延迟。 在减少关联重新关联延迟部分，本文分析修正了一种适用于多媒体业务的快速关联 重新关联机制，加入了w n 帧的发送周期( w d ) 的概念，修正了计算平均重传时问毛对， 需要额外加入重传时间的概率( r ) 的计算。通过数值计算对新机制和i e e e 8 0 2 1 l 的传 统关联重新关联机制的性能进行了分析比较，为多媒体业务在快速关联重新关联过程的 支持进行了有益的探讨。 关键词：i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网；切换；接入点；邻居图；关联，重新关联 第1 页 a b s t r a c t i np u b l i ca r e a ss u c ha sa i r p o r t s ，h o t e l s ，u n i v e r s i t i e sa n ds h o p p i n gc e n t e r s ，w i r e l e s sn e t w o r k s ， e s p e c i a l l yt h o s eb a s e do nt h ei e e e 8 0 2 1ls t a n d a r d ( w i - f i ) h a v ea l r e a d yb e e ns u c c e s s f u l l y d e p l o y e d w h e np e o p l ea r ew o r k i n gi nw l a n ( w i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r k ) ，t h ed e m a n d s o f m o b i l i t ya n dm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sa r ei n c r e a s i n g t h e r e f o r e ，f a s th a n d o f f sp l a ya ni m p o r t a n t r o l ei nw l a n st og u a r a n t e eq o s b u tw h i c ha r en o ts p e c i f i e di ni e e e 8 0 2 11 w l a n n l e l a t e n c yc a u s e db yh a n d o f fc a nn o ts a t i s f yt h ed e l a yr e q u i r e m e n to fr e a l t i m em u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n s i nt h i sp a p e r ，w ef o c u s o nt h er e s e a r c ho nf a s t h a n d o f f sa l g o r i t h m sa n ds c h e m e s f i r s t , w es t u d yt h em o b i l i t yo fi e e e 8 0 2 1 lw l a ni nd e t a i l s t h el a t e n c yc a u s e db y h a n d o f fc o n s i s t so ft h ef o l l o w i n gp a r t s ：p r o b el a t e n c y ，a u t h e n t i c a t i o nl a t e n c ya n d ( r e ) a s s o c i a t i o n l a t e n c y t h i sp a p e ri sd e v o t e dt ot h es t u d ya n da n a l y s i st h ea l g o r i t h m sa n ds c h e m e sf o rr e d u c i n g t h el a s tt w ol a t e n c i e s i nt h ep a r to fr e d u c i n gp r o b el a t e n c y ，p r e c i s e l yw ei n t r o d u c et h r e ef a s tp r o b ea l g o r i t h m s ，i e ， n g ，n g _ p r u n i n g ，a n dg p s n ga l g o r i t h m s n gp r u n i n ga l g o r i t h m i sa l l i m p r o v e dn g a l g o r i t h mw i t ht h ec o n c e p to fn o n o v e r l a pg r a p h s ，a n dg p s - n ga l g o r i t h mi sa n o t h e ri m p r o v e d o n ew i t hg p si n f o r m a t i o n f i n a l y ，w ec o m p a r e dt h e s et h r e ea l g o r i t h m sb ys i m u l a t i o n sw i t h o p n e t l 0 0s o f t w a r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tg p s n ga l g o r i t h mc a n r e m a r k a b l yr e d u c et h ep r o b el a t e n c y i nt e r m so fr e d u c i n gt h e ( r e ) a s s o c i a t i o nl m e n c y ，w ep r o p o s ean e wf a s t ( r e ) a s s o c i a t i o n s c h e m et h a ti ss u i t a b l ef o rm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s w ei n t r o d u c eac o n c e p to fw d ，t h a ti st h e t r a n s m i tp e r i o d so fw nf r a m e a l s o ，w em o d i f yt h ec a l c u l a t i o no f 匕，t h ep r o b a b i l i t yo ft h e a d d i t i o n a lr e t r a n s m i s s i o nt i m e w ec o m p a r et h i sn e ws c h e m ew i t hi e e e 8 0 2 1 1 ( r e ) a s s o c i a t i o n s c h e m et h r o u g hn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n s ，a n da l s op r o v i d es o m eh e l p f u ld i s c u s s i o n so nt h ef a s t ( r e ) a s s o c i a t i o no f m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s ， k e yw o r d s ：i e e e 8 0 2 1l w l a n ；h a n d o f f ；a c c e s sp o i n t ；n e i g h b o rg r a p h ；( r e ) a s s o c i a t i o n 第j j 页 信息t 挥大学硕十学付论文 表目录 表1 图7 的事件表 袭2 仿真中的相关参数的设置 1 0 3 0 第v 页 信息t 稃大学硕十学何论文 图目录 图1i e e e 8 0 2 1 1 的两种组网方式，3 图2 未来4 g 的多技术标准组织架构及8 0 2 1 i w l a n 在其中的位置3 图3b s s 移动6 图4e s s 移动6 图5 两个a p 之间的s n r 的变化7 图6i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网的探测过程8 图7 有预先认证与无预先认证的过程比较9 图8 基本关联过程1 0 图9 重新关联过程1 1 图1 0 认证和重新关联过程延迟1 z 图1 li a p p 协议结构1 3 图1 2 采用i a p p 的重新关联过程和缓存失败1 5 图1 3 采用i a p p 的重新关联过程和缓存成功1 5 图1 4 蜂窝概念和三个独立信道的优化分配1 7 图1 5 无线网络的物理拓扑及其邻居图1 8 图1 6n g 算法流程图2 2 图1 7n g _ p r u n i n g 算法流程图2 3 图1 8g p sn g 算法流程图2 4 图1 9o p n e t 工作流程图和三层建模机制2 5 图2 0o p n e t i o 0i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网m a c 有限状态机结构图2 7 图2 1w l a n 的参数2 8 图2 2w l a n 的统计量2 9 图2 3 加入动态扫描机制的w l a n 有限状念机结构图2 9 图2 4 三种邻居图算法的探测延迟仿真结果3 l 图2 5 不同算法的平均探测延迟统计3 2 图2 6 纯a l o t i a 系统的工作原理3 4 图2 7 时隙a l o h a 的工作原理3 5 图2 8p c f 期间的新关联机制3 7 图2 9c f p 阶段的时隙构造3 9 图3 0 不同情况下k 与d 的位置关系4 2 图3 1 总关联延迟公式示意图4 2 图3 2 包在i ) c f 阶段的排列4 3 第v l 页 信息t 稃大学硕十学何论文 图3 3 心的修正对关联延迟的影响4 6 图3 4r = 0 5 时不同站点速率下的关联延迟4 6 图3 5w d 的选择对关联延迟的影响4 7 图3 6w d 变化下8 0 2 1 1 机制与新机制的关联延迟对比4 7 图3 7r 不同时8 0 2 1 1 机制与新机制的关联延迟的对比4 8 第v i i 页 独创性声明 所提交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中杯注和致谢的相关内容外，论文中不包含其他个人或集体已经公开的研究成 果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文题目：垃盆应! 隧幽缝生之盛丝励宝。 学位论文作者签名：垄理 日期：名口口占年石月彭同 学位论文版权使用授权书 本人完全了解信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权信息工程大学 可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借 阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 涉密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目；垃厶4 业鹾逛翅趱援丕蚴红 学位论文作者签名：查理： 日期：上口口f 年月刀f i 作者指导教师签名： 4 皿生一 只期：7 砀年舌月0 同 信息1 ，样火学硕十学付论文 第一章绪论 1 1i e e e 8 0 2 1 l w l a n 概述 在众多的无线局域网标准中，影响最广的是i e e e ( 美国电子电气工程师协会) 8 0 2 1 l 系列，其它制定w l a n 标准的组织还有e t s i ( 欧洲电信标准化组织) 和h o m e r f 工作组， e t s i 提出的标准有h i p e r l a n 和h i p e r l a n 2 ，h o m e r f 工作组的两个标准是h o m e r f 和 h o m e r f 2 。在这三家组织所制定的标准中，i e e e 的8 0 2 1 1 杯准系列在业界一直得到最广 泛的支持，尤其在数据业务上。 从1 9 9 7 年6 月最初的1 e e e8 0 2 ，l l 标准被审定通过以来，为了不断满足实用中在传输 速率、数搦安全以及多媒体应用的需求，i e e e 8 0 2 ，1 l 工作组先后推出了一系列的w l a n 标准： ( 1 ) i e e e8 0 2 1 1 1 1 1 i e e e8 0 2 1 1 是i e e e 最初制定的一个无线局域网标准，该标准定义物理层和媒体访问 控制a c ) 规范。物理层定义了数据传输的信号特征和调制，定义了两个l 疆( r a d i o f r e q u e n c y ) 传输方法和一个红外线传输方法，r f 传输标准是跳频扩频和宜接序列扩频， 工作在2 4 0 0 0 2 4 8 3 5 g h z 频段。该标准主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用 户终端的无线接入，业务主要限于数据访问，速率最高只能达到2 m b p s 。由于它在速率和 传输距离上都不能满足人们的需要，所以i e e e8 0 2 1 1 标准被i e e e8 0 2 1 1 b 所取代了。 ( 2 ) i e e e8 0 2 1l b t 2 l 1 9 9 9 年9 月i e e e8 0 2 1 l b ( 也称为w i f i ) 被正式批准，该标准规定w l a n 工作频段在 2 4 2 4 8 3 5g h z ，数掘传输速率达到1 l m b p s ( 在8 0 2 1 1 b + 中可以达到2 2 m b p s ) ，传输距 离控制在5 0 1 5 0 英尺。该标准是对i e e e8 0 2 1l 的一个补充，采用补偿编码键控调制方式， 可以选用点对点模式和基本模式两种运作模式，在数据传输速率方面可以根据实际情况在 1 1m b p s 、5 5m b p s 、2 m b p s 、1m b p s 的不同速率问自动切换，它改变了w l a n 设计状况， 扩大了w l a n 的应用领域。 i e e e8 0 2 1l b 已成为当前主流的w l a n 标准，被多数厂商所采用，所推出的产品广泛 应用于办公室、家庭、宾馆、车站、机场等众多场合。 ( 3 ) i e e e8 0 2 1 l a 1 9 9 9 年，i e e e8 0 2 1 l a 标准制定完成，该标准规定w l a n 工作频段在5 1 5 8 8 2 5g h z ， 数掘传输速率达到5 4 m b p s 7 2 m b p s ( t u r b o ) ，传输距离控制在1 0 1 0 0 米。该标准也是i e e e 8 0 2 1 1 的一个补充，扩充了标准的物理层，采用正交频分复用( 0 f d m ) 的独特扩频技术 和四相移位键控( q f s k ) 调制方式，可提供2 5 m b p s 的无线a t m 按i s l 和1 0 m b p s 的以太 网无线帧结构接口，支持多种业务如话音、数掘和图像等，一个扇区可以接入多个用户， 第1 页 信息t 稃大学硕十学何论文 每个用户可带多个用户终端。 i e e e8 0 2 1i a 标准是i e e e8 0 2 1 l b 的后续标准，其设计初衷是取代8 0 2 11 b 标准，然 而，工作于2 4 g h z 频带是不需要执照的，该频段属于工业、教育、医疗等专用频段，是 公开的，工作于5 1 5 8 8 2 5g h z 频带需要执照。出于生产成本上的考虑，一些公司仍没有 表示对8 0 2 1 l a 标准的支持，而是更加看好最新混合标准8 0 2 1l g 。 ( 4 ) i e e e8 0 2 1l g 该标准提出拥有i e e e8 0 2 1 1 a 的传输速率，安全性较i e e e8 0 2 1 l b 好，采用2 种调制 方式，含8 0 2 1 1 a 中采用的o f d m 与i e e e 8 0 2 1 l b 中采用的c c k ，做到与8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 l b 兼容。 虽然8 0 2 1l a 较适用于企业，但w l a n 运营商为了兼顾现有8 0 2 1i b 设备投资，选用 8 0 2 1 l g 的可能性极大。 ( 5 ) i e e e8 0 2 1 l i i e e e8 0 2 1 l i 标准结合i e e e8 0 2 i x 中的用户端口身份验证和设备验证技术，对w l a n m a c 层进行修改与整合，定义了严格的加密格式和认证机制，以改善w l a n 的安全性。 i e e e8 0 2 ，1 1 j 新修订标准主要包括两项内容：“w i f i 保护访问”( w i _ f ip r o c e e da c c e s s ： w p a ) 技术和“强健安全网络”( r s n ) 。 i e e e8 0 2 1 l i 标准在w l a n 网络建设中是相当重要的，数掘的安全性是w l a n 设备 制造商和w l a n 网络运营商应该首先考虑的头等工作。 ( 6 ) i e e e8 0 2 1l e f h i e e e8 0 2 1 1 e 标准对w l a n m a c 层协议提出改进，以支持多媒体传输和所有w l a n 无线广播接口的服务质量。 i e e e8 0 2 1 l f ，定义访问节点之问的通讯，支持i e e e8 0 2 1 1 的接入点互操作协议 ( i a p p ) 。 i e e e8 0 2 1l h 用于8 0 2 1 l a 的频谱管理技术。 8 0 2 1 l 标准着重定义物理层和介质访问控制( m a c ) 子层。近年来8 0 2 1 1 标准扩展 出的8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 l a 、8 0 2 i l g 等系列，采用不同的物理层技术，使通信速率提高到1 1 m b p s 、 2 2 m b p s 至5 4 m b p s ，但它们对于m a c 层协议没有重大改变。因此不论使用哪种物理层规 范，符合i e e e8 0 2 1 1 标准的无线局域网在组网结构、站点工作过程等方面都是相同的。 i e e e8 0 2 1l 标准定义了两种组网结构：独立基本服务集i b s s ( i n d i v i d u a lb a s i cs e r v i c e s e t ) 和扩展服务集e s s 。独立基本服务集是一种对等网络形式，所有站点在网络中通信的 地位是平等的，也称为a dh o e 组网形式。扩展服务集由多个基本服务集( b s s ) 构成，每 个b s s 都有一个无线访问点a p ( a c c e s s p o i m ) 提供通信服务，类似于以太网中的集线器 ( h u b ) ，因此又被称为基础设施( i n f r a s t r u c t u r e ) 网络，简称为e s s 网络( e x t e n d e ds e r v i c e s e t ) 。不同b s s 通过a p 之问的分布系统d s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 互连，站点可以在多 第2 页 i 了蔼x ：臻i 键警- i 、一 、目b s s l 、i b s s 2 ， 基于i e e e 8 0 2 11 的w l a n 在最近几年得到了快速发展和应用，w l a n 设备越来越多 地集成到许多便携式电脑和掌上电脑上，并形成了如i n t e l 迅驰系列处理器等大规模集成芯 片。2 0 0 3 年后，国际上开始了未来第】四代移动通信系统( 4 g ) 的研究及协议制定，在未柬 的4 g 系统中，i e e e s 0 2 1 1 协议标准的增强无线局域网技术仍然占有非常重要的位置，图 2 是韩国e t r i 的相关资料。 图2 未来4 g 的多技术标准组织架构及8 0 2 1i w l a n 在其中的位置 事实上，w l a n 在诸如机场、旅馆、大学和购物中心这些公共场所已经得到了非常成 功的使用。为了在移动环境中实现蜂窝系统高速多媒体业务应用的需要，用户移动时发生 的切换过程所造成的延迟必须足够小，特别是对于话音业务，要求用户在2 个a p 服务区 第3 页 信息丁稃大学硕十学竹论文 的切换延迟小于l o o m s 。 为了给用户提供更高的通信带宽，在用户密集地区的无线局域网内，无线蜂窝的覆盖 范围越来越小。更高的通信带宽使得无线多媒体应用逐步成为可能，但蜂窝覆盖范围的缩 小意味着在不同的蜂窝间进行切换的频率将增加，如果延迟太大时会引起通信的延迟和间 断。本文主要考虑无线局域网中同一个e s s 中不同b s s 之间的切换，只涉及m a c 层，不 涉及i p 层。 切换过程中最主要的部分是确认新的最合适的a p 。当采用i p 连接时，l a y e r 3 的切换 过程也要完成。目前标准8 0 2 11 网络l a y e r - 2 的切换延迟的范围是从6 0 m s 到4 0 0 m s ，其 中探测阶段占了9 0 1 4 】。这远远不能满足无线局域网中语音业务和多媒体设备的使用，所 以加快切换速度就成了无线局域网亟待解决的问题。 1 3 课题研究内容及论文的章节安排 本课题主要对越区切换过程中的探测过程和关联重新关联过程进行了研究，在探测过 程中，主要重点放在对使用n g 的探测算法的研究，并对其进行了改进，对改进算法进行 了计算机仿真，并将其与原算法进行了性能比较。在关联重新关联过程中，讨论了一种适 用于多媒体业务的快速关联重新关联机制。论文结构是这样安排的： 第一章绪论：介绍了课题背景、主要研究工作及论文结构安排。 第二章是对i e e e 8 0 2 1 i w l a n 的移动性的分析，其中介绍了漫游和切换的概念，重点 介绍了i e e e 8 0 2 1 1 w l a n 的切换过程的各个阶段和延迟的形成。然后简单介绍了l a p p 协 议和其在w l a n 切换过程中的应用。 第三章是邻居图( n g ) 在w l a n 切换过程中的应用。介绍了邻居图的相关概念和生 成。重点分析了n g 算法，n g _ p r u n i n g 算法，给出了一种基于g p s 地理位置信息的快速 g p sn g 算法，并用o p n e t l 0 0 对其进行了计算机仿真和性能比较。 第四章分析并修正了一种适用于多媒体业务的关联重新关联机制。本章重点分析了一 种新的快速关联重新关联机制，修正了其关键的排队论分析公式，并将其和p c f 机制下 的8 0 2 1 1 w l a n 的关联重新关联机制进行了数值分析和性能比较。 结束语是对全文的总结和对未来工作的展望。 第4 页 堕：垦二堡奎竺堡竺生丝茎 第二章ie e e 8 0 2 11w l a n 移动性分析 2 1w l a n 的漫游和切换 2 1 1 漫游和切换 在w l a n 中，无线站点s t a 的移动行为分为两类：漫游和切换。漫游是指当s t a 处 予所属e s s 的不同b s s 覆盖区时，都能无线接入该b s s 。漫游提供一种随时随地接入网 络的能力。切换是指s t a 能够在保持网络层连接不中断的情况下，从一个b s s 移动到另 一个b s s 。当s t a 发生漫游或切换时，它不仅改变了与网络接入点a p 的连接关系，而且 还可能改变了它与有线网络中的网桥和路由器之i 日j 的位置关系，这将造成网桥和路由器不 能正确转发目的地地址为s t a 的报文，导致s t a 与网络通信的中断。 2 1 2 漫游和切换对m a 0 层通信的影晌” s t a 与新a p 建立8 0 2 11 m a c 层无线连接的操作步骤在漫游和切换情况下是不一样 的。 在切换情况下，s t a 的移动会产生如下几个问题： 1 ) 旧a p ( s t a 上次接入的a p ) 认为自己与s t a 还有8 0 2 1 1 m a c 层连接，当接收 到s t a 的报文时，它仍会在本地b s s 内发送该报文。这会导致无线资源的浪费和a p 资源 的占用。因此新a p ( 接收s t a 重新关联请求报文的a p ) 需要将s t a 的切换情况通知旧 a p ，让它释放掉与s t a 的单边连接。 2 ) s t a 在旧a p 上进行m a c 层认证或其他认证( 比如8 0 2 1 x 认证) 时，将会在旧 a p 上留下相应的用户信息，当s t a 切换到新a p 时，如果还要进行耗时的认证过程，将 导致切换效率不高。因此，当s t a 发生切换时，新a p 需要从旧a p 上获得s t a 的用户信 息，然后重建s t a 在旧a p 上的工作环境，以对s t a 进行j 下确的管理。 3 ) 由于s t a 在切换时只向新a p 提供旧a p 的m a c 地址( 即旧b s s i d ) 。要与旧 a p 通信，还需要知道它的i p 地址和通信端口号等信息，所以要求新a p 能够根据旧a p 的m a c 地址查询到它的m 地址信息。 4 ) 在与a p 连接的有线网络中可能存在诸如网桥等二层转发设备。当s t a 从网桥的 一个端口连接的网段移动到另一个端口的网段时，如果网桥的转发表不能得到更新，将导 致其他网络节点发送给s t a 的报文不能被诈确送达s t a 。虽然s t a 通过新a p 发送到网 络的数据帧会触发网桥中转发表的更新，但是s t a 何时向网络发送报文。不得而知。为了 解决此问题，可由新a p 在进行切换操作时通知这些二层设备更新转发表。 漫游情况下，如果s t a 在本地子网中曾经接入过其它a p ，有可能在旧a p 上仍有与 s t a 的单边连接，网络中的二层转发设备的转发表仍然指向旧a p 所在的端口，发往s t a 的报文将不会被j 下确转发到s t a 现在所处的新a p ，造成s t a 的报文丢失。因此，当a p 第5 页 信息t 稃大学硕十号何论文 接收到任何一个无线站点的连接请求时，它将： 1 ) 向本地子网发送有关s t a 的切换通知，接收到切换通知的a p 若有与s t a 的连 接关系，则将之释放。 2 ) 通知本子网内的二层设备更新转发表。 为了解决上述问题，需要使用到i a p p 协议。在本章下面的内容会简单介绍i a p p 协议。 2 2i e e e 8 0 2 1l w l a n 的切换过程 本论文讨论的切换过程是发生在e s s 网络中的，因为i e e e s 0 2 1 1 支持同一个e s s 中 不同b s s 之问的站点移动，但不支持不同e s s 之间的站点切换。当切换发生时，切换延 迟由探测延迟，认证延迟和关联重新关联延迟组成。 幽3b s s 移动 幽4e s s 移动 2 2 1 切换的触发 一个移动s t a 会因为自身移动、或信号强度的减弱而触发切换。但是这些都没有考虑 到更高层网络的要求，文献【6 】介绍了一种系统：s a b i n os y s t e m 。该系统是根掘各个小区的 业务负载的平衡束触发切换的。但是一般说来，8 0 2 1 1 w l a n 中都是根掘来自a p 的信号 的强度来触发切换的。 第6 页 信息- f ，稃大学硕十学付论文 圈5 两个a p 之间的s n r 弁尊变化 图5 描述的是两个邻近a p ，a p 。与j 4 只之间的s n r ( 信噪l k ) 的变化。g r a y a r e a 是 当前a p 与其它a p 的覆盖区发生重叠的高概率区。当一个移动s t a 从爿只的覆盖范围移 动进一只的覆盖范围时，来自_ 只的信号的s n r 降低，来自0 b 的信号的s n r 提高。s ( 力 表示在x 点a e , 的s n r 的值，最( 石) 表示在x 点爿最的s n r 的值。切换过程的触发基于两 个参数，切换门限瓦，滞后值，两者都是正值。在任一点x ，s t a 当前与之连接的a p 是a e , ，当且仅当下面的条件成立时，该s t a 发起从一只到一只的切换： is ( x ) ( 式1 ) 在图5 中，如果瓦= 正，s t a 在点x i 发起切换过程；如果瓦= t 2 ，s t a 在x ：发起切 换过程。切换门限可以避免不必要的切换发生，滞后值则可以避免切换的乒乓效应发生。 2 2 2 切换过程 当切换条件满足时s t a 就会发起切换( 切换还可以由网络发起，即a p 向相关的s t a 发送解除关联帧，本文不予讨论) 。一个完整的切换过程包括探测过程、认证过程和关联 厘：新关联过程。 1 ) 探测过程： 探测过程是为了寻找新的合适a p 。探测过程造成的探测延迟是切换延迟的主要组成 部分，大概占9 0 以上【4 j 。s t a 的探测是由m a c 层的扫描功能完成的。8 0 2 1l 标准定义 了两种扫描：动态扫描( a c t i v es c a n n i n g ) 和被动扫描( p a s s i v es c a n n i n g ) 。如果探测过程 采用被动扫描，s t a 依次在每个信道上监听来自a p 的信标帧，并记录有关该a p 的有关 信息。如果探测过程采用动态扫描，s t a 依次在每个信道上发送探测请求帧，然后等待该 信道上a p 的探测应答帧，并记录该a p 的有关信息。当所有的信道和a p 都被扫描完时， 第7 页 信息t 释大学硕十学侍论文 s t a 根掘接收信号强度指示( r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t i o n ) 或者链路质量束判断选 择新的a p 。 采用被动扫描时，每个信道上等待的时日j 不好控制。而采用动态扫描时，可以通过限 定探测时限：m i n c h a n n e l t i m e 和m a x c h a n n e l t i m e 来控制每个信道上的等待时间。在文献 f 7 】中它们的值分别是：1 0 2 4 i is 、1 0 m s ，所以经常采用动态扫描来完成探测过程。采用动 态扫描的探测过程如下图6 所示： i 璺| 6i e e e s 0 2 1 1 无线局域网的探测过程 在图6 中，n 是s t a 需要探测的信道的个数。如果n 代表的是所有的合法的信道个 数，那么该探测算法称为全扫描；如果n 代表的是观测到的信道数( 由先前的探测或被动 监测得到) ，也就是该e s s 中的b s s 工作的信道个数，则该探测算法称为观测扫描。一 旦知道了需要探测的信道有哪些，s t a 会一个接一个地在每个信道上广播一个探测请求 帧。图中c s 表示s t a 从一个信道转换到下一个信道的延迟，t 表示s t a 发送探测请求帧 的发送时问。图6 中箭头指向a p 表示探测请求帧在一个信道上广播。收到探测请求帧的 a p 会向s t a 回应以探测应答帧( 图6 中指向下的箭头) 。 s t a 在一个信道上广播发送探测请求帧后，如果该信道在m i n c h a n n e l t i m e 终止前一 直空闲，那么s t a 就不会再在这个信道上等待，而会转换到下一个信道。如果s t a 在 m i n c h a n n e l t i m e 时间内接收到了来自a p 的探测应答帧或其它的帧就会在这个信道上继续 等待直到m a x c h a n n e l t i m e 终止，然后再转换到下一个信道重复上述过程，直到所有的信 道都被探测完。 在探测过程中采用动态扫描，探测延迟的界限可以计算如下： 瓦f n 。正 ( 式2 ) 其中：n ：表示信道的总数：瓦表示：m i n c h a n n e l t i m e 的值；z 表示：m a x c h a n n e l t i m e 的值。 要减少探测延迟必须减少这三者的值。但是由于物理限制瓦和z 是不能减少的，而且 因为频繁区域要面临特殊地理的调整权限，n 在每个国家也是固定的。因此，如果知道了 某个场所的w l a n 使用的信道，s t a 就不用扫描该城市中所有允许的信道了，所以很多 第8 页 信息t 稃大学硕十宁俯论文 快速切换算法都是在解决如何减少s t a 需要探测的信道数。 2 ) 认证过程： 新的a p 找到后s t a 需要与该a p 进行认证，交换认证帧，这时产生的延迟称作认证 延迟。i e e e 8 0 2 1 1 b 定义了两类认证机制：开放系统认证机制和共享密钥认证机制。 前者实质上并不是真正意义上的认证。它是没有实现w e p 加密的s t a 默认的加密方 式。丌放系统认证允许认证帧交换结束后的结果一定为：“成功”。在此过程中没有相互 验证身份的过程。因此，当i e e e 8 0 2 1 1 b w l a n 中有任何对s t a 进行控制的需求时，都不 能使用这种认证机制。但是采用该认证机制时认证延迟只会稍微的超过l m s l 7 。 在共享密钥认证机制中，使用该机制的双方必须有一个公麸密钥，同时要求双方支持 w e p 加密，然后使用w e p 对测试文本进行加密和解密，以此来证明双方拥有相同密钥。 在这种机制下，s t a 向新a p 声明身份，然后新a p 将响应s t a 。在应答帧中新a p 向s t a 声明身份，并要求s t a 通过j 下确加密测试文本。s t a 在收到应答帧后用默认密钥或者密 钥影射表中的密钥对测试文本加密，然后将结果转发给新a p 。新a p 收到此帧后用合适的 密钥对其解密，然后将解密结果同原始的测试文本比较。如果一致，则返回认证成功；反 之，如果不一致，则返回认证不成功。 s t a 在与新a p 建立关联关系之前必须先与之进行认证，但是8 0 2 1 1 标准并没有规定 s t a 与新a p 的关联过程必须紧跟在认证过程之后，所以为了减少认证延迟可以采用预先 认证【8 i 。s t a 可以在扫描过程中与几个a p 预先进行认证，当需要认证时，认证过程已 经完成了。采用预先认证后，当站点移动进入这几个a p 的覆盖范围时，可以立刻与之进 行关联，不用再等到认证过程之后。这样就可以通过减少认证延迟来减少切换延迟。 图7 有预先认证与无预先认证的过稃比较 第9 页 信息1 = 程大学硕十学何论文 表l 图7 的事f j 表 图7a 是没有预先认证的认证过程。图7b 是预先认证过程，对站点的软件进行较小的 改进就可以使得它在探测到a p 的存在的同时进行预先认证。预先认证可以提供一个平滑 的切换过程。 3 ) 关联重新关联过程【1 0 1 ： 当s t a 与新a p 通过认证后，需要与其建立关联重新关联关系，以便获得在该b s s 中的资源分配。这个过程是由移动s t a 发送关联重新关联请求帧触发的，它造成的延迟 称为关联重新关联延迟。 关联过程 关联过程只有三种帧的交换，其中两种是管理帧。具体过程如下图所示： 图8 基本关联过程 a ) 一旦一个移动站点已经通过一个a p 的认证，它就会向该a p 发送一个关联请求 帧。 b ) a p 接收到关联请求后会对其进行处理，虽然8 0 2 1 1 没有明确规定怎样判断是否 拒绝和接受一个关联请求，但对于a p 来说是有明确标准的。一个普通的标准就是a p 根 掘信息缓存需要的总的缓存空j 、日j 柬判断。粗略的估计基于关联请求帧中的监听间隔。 第l o 页 p念 信息t 稃火学硕十学付论文 a 当关联请求被准许后，a p 将返回一个状态值为0 ( 成功) 的关联请求应答帧，同时 在关联请求应答帧中给该站点分配一个关联i d ( a i d ) 。a i d 是一种数字标识符，用来标 识缓存中的信息的目的站点。 b 不成功的关联请求应答只有个状态编码，然后关联过程结束。 c ) a p 与该站点建立关联关系。在普通产品中，分布式系统媒介是以太网。当一个 a p 接收到目的站点是该站点的帧后，这些帧可以通过以太网传送给无线媒介或者在该站 点处于省电状态时缓存在该a p 上。 重新关联过程 移动站点将关联关系由旧a p 转移到新a p 时就会触发重新关联过程。当移动站点由 一个a p 覆盖的小区移动到另一个a p 覆盖的小区时它会通过重新关联过程向8 0 2 1 l 网络 告知自己的新位置。像关联过程一样移动站点必须在完成与新a p 的成功认证后才可以开 始重新关联。重新关联过程如下图所示： 图9 重新天联过程 a ) 移动站点向已认证的新a p 发送重新关联请求帧。重新关联请求帧与关联请求帧 基本相似，唯一不同的是重新关联请求帧包含了旧a p 的地址域。新a p 必须与旧a p 进行 通信已确定先前的关联关系是否存在。( 在l a p p 协议出台以前a p 之间的通信协议都是各 个商家自己制定的，不统一。) 当新a p 不能核实旧a p 以前成功认证过该站点那么 幺新a p 会发送取消认证帧并且终 止此次重新关联过程。 b ) 该新a p 处理接收到的重新关联请求帧，与关联过程相似： 乱如果重新关联请求被准许，a p 将返回一个状态值为0 ( 成功) 的重新关联应答帧， 并在重新关联应答帧中给该站点分配一个a i d 。 b 如果重新关联没有成功，a p 将返回一个只有状态值1 ( 失败) 的重新关联应答帧。 c ) 新a p 与旧a p 连接，这种通信是l a p p 的一部分。 第1 i 页 信息t 稗大学硕十学付论文 d ) 旧a p 将它缓存的该站点的信息发送给新a p ，8 0 2 1 l 标准没有详细说明a p 之间 的通信机制，这在8 0 2 1 l f 标准的i a p p 协议中得到了解决。缓存信息传递的总结： a 在旧a p 中缓存的任何属于该站点的信息都传递给了新a p 。 b 旧a p 终止了与该站点的关联关系，移动站点一次只允许与一个a p 进行关联。 e ) 新a p 与该站点建立关联关系。 重新关联过程也可以发生在站点与同一个a p 之间，例如_ i 幺站点暂时离丌了原a p 的 覆盏范围然后又重新回到该范围内。 图1 0 认证帛i 重新失j i j 过榭延迟 2 3i a p p 协议简介 2 3 1i a p p 协议简介嘲 e s s 网络最大的优点是用户站点的移动性。d s 是e s s 网络的一个重要环节。移动s t a 发生越区切换时，需要由d s 实现在a p 之间转发m a c 帧，为移动s t a 的切换提供跨a p 的通信。但是，在8 0 2 “标准中，没有涉及到d s 的内容。种简单的方法是将所有的 a p 连接在一个以太网上，借助于以太网的通信实现了简单的d s ，而且还需要同一厂商的、 支持越区切换的a p 才能实现。i e e e 8 0 2 ，11 f 解决了不周厂商的a p 之间的互通问题，增强 了w l a n 的移动性。 i e e e 8 0 2 1l f 中的l a p p 协议是l e e e 8 0 2 1l 工作组制定的用于a p 闯通信的协议，它的 主要功能是支持d s 域的创