*郭猷敏,肖根福,鄭大騰,陳華倫
(1. 井岡山大學(xué),江西,吉安 343009;2. 銳捷網(wǎng)絡(luò)股份有限公司,福建,福州350000)
目前,WLAN(Wireless Local Area Networks,無線局域網(wǎng))大范圍組網(wǎng)普遍使用的是“微蜂窩架構(gòu)”,即一個(gè)場所由多臺AP 覆蓋。每臺AP 覆蓋的范圍為一個(gè)“微蜂窩”,多個(gè)“微蜂窩”構(gòu)成整個(gè)WLAN 網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)中包含多臺AP,每臺AP 能夠獨(dú)立收發(fā)數(shù)據(jù)包,同時(shí),這些AP 一般由一臺或多臺AC(Access Control,無線控制器)控制。為了降低AP 之間的同頻干擾,相鄰AP 使用不同信道進(jìn)行錯(cuò)頻部署,例如2.4G 網(wǎng)絡(luò)普遍使用1、6、11 信道錯(cuò)頻部署。在這種組網(wǎng)方式中,一方面,當(dāng)STA(Station,無線工作站)發(fā)生移動(dòng)從一臺AP的覆蓋范圍移動(dòng)到另一臺AP 的覆蓋范圍時(shí),終端一般將發(fā)生漫游(WLAN 中的漫游是指在由兩個(gè)或多個(gè)AP 組成的網(wǎng)絡(luò)中,STA 移動(dòng)到兩個(gè)或多個(gè)AP覆蓋范圍的交疊區(qū)域時(shí),STA 與新的AP 進(jìn)行關(guān)聯(lián)并與原有AP 斷開關(guān)聯(lián)的過程[1]),漫游時(shí)STA 存在重關(guān)聯(lián),可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信時(shí)延變大和丟包斷流[2],以及可能出現(xiàn)終端掉線情況[3];另一方面,漫游過程由STA 主導(dǎo),部分廠商的STA 在信號很弱時(shí)才發(fā)生漫游,甚至不主動(dòng)發(fā)送關(guān)聯(lián)報(bào)文或重關(guān)聯(lián)報(bào)文發(fā)生漫游,當(dāng)STA 不能及時(shí)發(fā)生漫游時(shí),隨著STA的移動(dòng),STA 和關(guān)聯(lián)AP 距離變大,無線信號變?nèi)?,較弱的無線信號增加了通信丟包的概率,進(jìn)一步導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信時(shí)延變大和丟包斷流[4]。漫游存在的這些問題,使得“微蜂窩架構(gòu)”組網(wǎng)方式難以滿足醫(yī)療監(jiān)護(hù)和倉儲物流等應(yīng)用場景[5]。網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性要求高的環(huán)境迫切需要一種能滿足移動(dòng)終端低時(shí)延漫游或者無漫游的WLAN 網(wǎng)絡(luò)。IEEE802.11F-2003追加了IAPP(Inter-Access Point Protocol,接入點(diǎn)互操作協(xié)議),該協(xié)議試圖解決漫游過程中切換延時(shí)過長的問題[6]。2008 年,IEEE 工作組推出了IEEE 802.11r 標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)可以讓終端在AP 之間快速漫游,保證VOIP(Voice over Internet Protocol,模擬信號數(shù)字化)設(shè)備在切換WLAN 接入點(diǎn)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)掉線狀況[7]。但是這兩個(gè)協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)備要求較高,終端也未普遍支持[8]。國外各大WLAN 通信設(shè)備廠商對漫游技術(shù)研究較早,但是所發(fā)布解決方案通用性較差,且無適用于國內(nèi)市場解決方案。國內(nèi)銳捷網(wǎng)絡(luò)推出的“零漫游”解決方案,本質(zhì)上是通過智分單元和美化天線擴(kuò)大單個(gè)AP 的覆蓋范圍以實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的“零漫游”,但在AP 信號交疊區(qū)域依然存在漫游[9]。本文提出了一種無漫游同頻組網(wǎng)方案,可以改善微蜂窩架構(gòu)下漫游過程中網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。
本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的無漫游組網(wǎng)方案中每個(gè)同頻組內(nèi)的所有AP 都工作在同一頻段,因此該技術(shù)又稱之為同頻組網(wǎng)(SFN,Same Frequency Net)。同頻組網(wǎng)是一種通過軟件定義實(shí)現(xiàn)的無漫游組網(wǎng)方式,旨在解決上述移動(dòng)STA 不主動(dòng)漫游、漫游時(shí)通信時(shí)延大和通信中斷等問題,滿足醫(yī)療和物流等行業(yè)低時(shí)延和實(shí)時(shí)性要求高等場景的應(yīng)用需求。同頻組網(wǎng)也適用在終端快速移動(dòng)的場合,解決終端在快速移動(dòng)中漫游丟包等問題。下文將從組網(wǎng)方式、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、終端接入、終端切換AP 以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)方面介紹同頻組網(wǎng)的設(shè)計(jì)原理和工作過程,并給出終端在同頻組網(wǎng)和非同頻組網(wǎng)移動(dòng)場景下對比測試數(shù)據(jù),體現(xiàn)同頻組網(wǎng)在終端移動(dòng)場景下的無漫游優(yōu)勢。
同頻組網(wǎng)把網(wǎng)絡(luò)中的多臺AP 通過軟件定義的方式,虛擬成一臺大的“虛擬AP”。從STA 端看,多臺AP 組成的一個(gè)同頻組是“一臺大AP”,從而STA 在移動(dòng)過程中認(rèn)為自己一直關(guān)聯(lián)在同一臺AP上,無需進(jìn)行漫游,達(dá)到無漫游的效果;而STA 實(shí)際關(guān)聯(lián)在哪臺物理AP 上,由AC 根據(jù)工作在混雜模式的各AP 監(jiān)聽到的STA 的RSSI (接受信號強(qiáng)度指示,Received Signal Strength Indication)[10]和AP網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等因素決策。STA 從一臺AP 切換關(guān)聯(lián)到另一臺AP 過程中,STA 無感知,數(shù)據(jù)通信不受影響。同頻組網(wǎng)是一種典型應(yīng)用拓?fù)洌ㄈ鐖D1 所示)。在該拓?fù)渲?,AP1 和AP2 在一個(gè)同頻組網(wǎng)組內(nèi),在AC 的控制下發(fā)出相同的網(wǎng)絡(luò),兩臺AP 虛擬成一臺“大AP”,終端STA 從AP1 覆蓋范圍移動(dòng)到AP2 覆蓋范圍過程中,一直關(guān)聯(lián)在這臺“大AP”上,不發(fā)生重新關(guān)聯(lián)行為,即不發(fā)生漫游。但由于終端移動(dòng)過程中和不同AP 之間RSSI 的強(qiáng)弱變化,STA關(guān)聯(lián)在AP2 上已明顯優(yōu)于關(guān)聯(lián)在AP1 上,于是,在AC 控制下終端實(shí)際物理關(guān)聯(lián)由AP1 切換到AP2,而這個(gè)切換過程終端STA 自身并不感知,從而數(shù)據(jù)通信不中斷,實(shí)現(xiàn)了無漫游。
圖1 同頻組網(wǎng)典型拓?fù)浼癝TA 切換AP 過程 Fig.1 Typical topology of same frequency network and process of STA switching AP
同頻組網(wǎng)下,為了讓STA 不發(fā)生漫游,必須使得一個(gè)同頻組內(nèi)的不同AP 發(fā)出對STA“相同的網(wǎng)絡(luò)”,而在WLAN 中標(biāo)識一個(gè)AP 發(fā)出的網(wǎng)絡(luò)的唯一標(biāo)識是BSSID(Basic Service SetIdentifier,基礎(chǔ)服務(wù)集標(biāo)識,長度為48 位的二進(jìn)制標(biāo)識符,用于識別不同的BSS(Basic Service Set,基礎(chǔ)服務(wù)集)),因此,在一個(gè)同頻組網(wǎng)組內(nèi),不同AP 發(fā)出的同頻同名網(wǎng)絡(luò)必須具備相同的BSSID,BSSID 在AC 端通過軟件統(tǒng)一管理設(shè)置;除此之外,同頻組網(wǎng)下不同AP 發(fā)出的同頻同名網(wǎng)絡(luò)需要具有相同的其它網(wǎng)絡(luò)屬性,否則網(wǎng)絡(luò)將被終端認(rèn)為不穩(wěn)定而拒絕接入或無法正常通信。這些屬性包括信道、beacon 周期、網(wǎng)絡(luò)能力等,即同頻組網(wǎng)下不同AP 發(fā)出的同頻同名網(wǎng)絡(luò)beacon 幀內(nèi)容必須相同。 beacon 幀是無線網(wǎng)絡(luò)的信標(biāo)幀,用于向環(huán)境廣播WLAN 網(wǎng)絡(luò),當(dāng)終端接收到AP 發(fā)出的beacon 幀時(shí),終端可以根據(jù)beacon 幀的內(nèi)容解析得到網(wǎng)絡(luò)的屬性和能力。分析beacon 幀攜帶的信息字段,可分為三種:
? 表示AP 默認(rèn)支持的射頻能力等信息,該部分信息不可配置,由AP 硬件決定。
? 表示AP 支持的射頻能力等信息,這部分信息可配置修改,如速率集等。
? 前后報(bào)文會(huì)自動(dòng)變化的信息,如TIM、Timestamp 等。
針對第一種,部署時(shí)限制要求一個(gè)同頻組網(wǎng)下所有AP 產(chǎn)品支持的無線能力一致,其中最主要的是流模式一致,即一臺雙流AP 只能跟另一臺雙流AP 在同個(gè)同頻組網(wǎng)下,不能跟一臺三流或單流AP進(jìn)行同頻組網(wǎng)。在實(shí)際組網(wǎng)中,一般使用同一型號的AP 進(jìn)行同頻組網(wǎng)。
針對第二種,同頻組網(wǎng)提供統(tǒng)一配置同頻組網(wǎng)下所有AP 射頻屬性的服務(wù),讓一個(gè)同頻組內(nèi)的AP的射頻屬性相同。
針對第三種,同頻組網(wǎng)實(shí)時(shí)同步同頻組下所有AP 發(fā)出的信標(biāo)幀的TIM 及Timestamp 字段。同頻組網(wǎng)通過軟件定義和控制這些beacon 幀內(nèi)容,使同頻組網(wǎng)內(nèi)不同AP 發(fā)出相同內(nèi)容的beacon 幀,實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)。
同頻組網(wǎng)的接入過程遵循IEEE802.11 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,接入過程包含掃描、認(rèn)證和關(guān)聯(lián)三個(gè)階段報(bào)文交互。掃描又分為被動(dòng)掃描和主動(dòng)掃描,被動(dòng)掃描是指AP 周期發(fā)送beacon 報(bào)文,在AP 覆蓋范圍內(nèi)廣播該AP 上可接入的WLAN 的行為;在“微蜂窩架構(gòu)”網(wǎng)絡(luò)中,各AP 上相同SSID(Service Set Identifier,服務(wù)集標(biāo)識)的WLAN 發(fā)送的beacon報(bào)文內(nèi)容不同,各AP 各自成一個(gè)“微蜂窩”。同頻組網(wǎng)方式下,在一個(gè)同頻組內(nèi)各AP,相同SSID 的WLAN 可以發(fā)出相同的beacon 報(bào)文,多臺AP 構(gòu)成一個(gè)大的“虛擬AP”,即對于一個(gè)SSID 在一個(gè)頻段,STA 只會(huì)收到一種beacon 報(bào)文,因此從STA角度看,環(huán)境中只有一臺AP。
主動(dòng)掃描是指STA 發(fā)送probe request 報(bào)文探測環(huán)境中的無線網(wǎng)絡(luò)的行為,AP 收到probe request報(bào)文將回應(yīng)probe response 報(bào)文告知STA 該AP 上可接入的WLAN 及WLAN 的屬性,probe response報(bào)文和beacon 報(bào)文攜帶的WLAN 屬性相同。同頻組網(wǎng)內(nèi)的多臺AP 都將可能回復(fù)probe response 給STA,且這些probe response 報(bào)文內(nèi)容相同,當(dāng)一臺AP 檢測到其它AP 更適合STA 接入時(shí),這臺AP將不再回復(fù)本次probe request 掃描請求。檢測的方法為,AP 在probe response 報(bào)文中增加私有元素?cái)y帶本AP 收到的probe request 報(bào)文信號強(qiáng)度RSSI,其它AP 接收并解析probe response報(bào)文中的信號強(qiáng)度信息,將獲取到的信號強(qiáng)度與本AP 自身收到的該終端的probe request 報(bào)文信號強(qiáng)度對比,當(dāng)發(fā)現(xiàn)其它AP 收到終端報(bào)文的信號強(qiáng)度更強(qiáng)時(shí),本AP不回復(fù)此次probe request,否則以probe response 報(bào)文回復(fù)終端。
圖2 STA 接入過程 Fig.2 STA access process
“微蜂窩”網(wǎng)絡(luò)中,STA 發(fā)出的認(rèn)證請求報(bào)文一般只有一臺AP 處理和應(yīng)答,并完成認(rèn)證過程;在同頻組網(wǎng)中,一個(gè)同頻組內(nèi)的多臺AP 都可能收到STA 發(fā)出的認(rèn)證報(bào)文,此時(shí)將在AC 上作過濾和選擇,選擇接收終端信號強(qiáng)度最強(qiáng)的AP 應(yīng)答STA,STA 在信號最強(qiáng)的AP 完成認(rèn)證和關(guān)聯(lián),如圖2 所示。經(jīng)過相應(yīng)處理,同頻組網(wǎng)可支持802.1x、Web等多種加密、認(rèn)證方式。
STA 成功接入之后,STA 接入的AP 與其進(jìn)行報(bào)文通信,同頻組內(nèi)其它AP 將持續(xù)采集STA 在各自AP 上的RSSI 并在AC 建立數(shù)據(jù)庫,用于STA最適合關(guān)聯(lián)AP 的決策。當(dāng)AC 發(fā)現(xiàn)另一臺AP 可以為該STA 提供更好的服務(wù)時(shí), AC 將觸發(fā)切換AP 動(dòng)作,把STA 從當(dāng)前關(guān)聯(lián)AP 切換到另一臺AP關(guān)聯(lián),并由切換后的AP 提供數(shù)據(jù)服務(wù),簡化后的切換過程如圖3 所示。
圖3 同頻組網(wǎng)STA 切換AP 流程圖 Fig.3 Flow chart of STA switching AP in the same frequency network
相較于“微蜂窩架構(gòu)”網(wǎng)絡(luò)的漫游方式,同頻組網(wǎng)STA 切換AP 存在如下優(yōu)勢:
? STA 關(guān)聯(lián)到AP2 后可以立即通信,無需進(jìn)行重關(guān)聯(lián)操作和后續(xù)的重認(rèn)證握手報(bào)文交互,減少了STA 的漫游時(shí)間;
? STA 關(guān)聯(lián)到哪臺AP 是由AC 控制,受外部因素影響較小,避免了不同廠商的STA 對漫游支持存在差異的問題;
? AP 的切換過程中,AC 端會(huì)提前把STA 結(jié)點(diǎn)信息通告給AP2,AP2 復(fù)制該STA 狀態(tài)并使STA 加入AP2,整個(gè)切換過程中STA 不感知,可以保證STA 不丟包。
由于一個(gè)同頻組內(nèi)同WLAN 下不同AP 的BSSID 相同,因而STA 發(fā)送的報(bào)文會(huì)被多個(gè)物理AP 射頻口收到,如果每臺AP 都處理并回復(fù),會(huì)導(dǎo)致STA 關(guān)聯(lián)難、丟包等問題,因此要求設(shè)備在同一時(shí)間內(nèi)只處理一份來自STA 的不重復(fù)報(bào)文,正確合理處理上行及下行重復(fù)報(bào)文成為維持同頻組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的關(guān)鍵。
1.5.1 上行重復(fù)報(bào)文處理
上行重復(fù)報(bào)文主要包括以下幾類報(bào)文:
探測(probe request)、認(rèn)證、關(guān)聯(lián)、重關(guān)聯(lián)、解認(rèn)證和解關(guān)聯(lián)等終端接入過程報(bào)文,這類報(bào)文處理方法在前文終端接入過程已經(jīng)介紹,這里不再贅述。
PS-Poll 幀,該類報(bào)文主要用于終端節(jié)電管理,終端能夠正常地進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)和被喚醒是STA 不丟包的一大保障,同頻組網(wǎng)的處理方法是,非關(guān)聯(lián)AP 不處理并丟棄PS-Poll 幀,只由終端所關(guān)聯(lián)的物理AP 處理和轉(zhuǎn)發(fā),從而保證只處理一份報(bào)文。
數(shù)據(jù)報(bào)文,數(shù)據(jù)報(bào)文的處理方法也是在終端所關(guān)聯(lián)的物理AP 和AC 處理和轉(zhuǎn)發(fā),但是對于EAPOL 報(bào)文需進(jìn)行特殊處理,EAPOL 報(bào)文是802.1x 認(rèn)證過程中的交互報(bào)文,由于EAPOL 報(bào)文存在于用戶接入階段,為提高認(rèn)證的速度和可靠性,EAPOL 類型報(bào)文在非關(guān)聯(lián)AP 上也送到AC 端,由AC 進(jìn)行過濾決策。
1.5.2 下行重復(fù)報(bào)文處理
下行主要是多臺AP 硬件回復(fù)ACK、BA、CTS等問題。同頻組網(wǎng)下STA 發(fā)送的報(bào)文,多臺AP 一起回復(fù)ACK 或BA,一方面會(huì)增加沖突的概率,另一方面STA 發(fā)出的報(bào)文可能被非關(guān)聯(lián)AP 所收到并確認(rèn)掉,而關(guān)聯(lián)AP 卻未收到報(bào)文,最終導(dǎo)致丟包。ACK,BA 重復(fù)回復(fù)的問題,通過設(shè)置寄存器來解決,設(shè)置寄存器使硬件支持在沒有STA 密鑰緩存時(shí)不回復(fù)ACK,BA 報(bào)文,具體做法是:在AP 加入同頻組時(shí)設(shè)置相應(yīng)寄存器在加密網(wǎng)絡(luò)下對加密幀不回復(fù)ACK、BA 給未關(guān)聯(lián)STA。同頻組網(wǎng)下STA發(fā)送的RTS,可能存在多臺AP 一起回復(fù)CTS,有可能沖突,導(dǎo)致STA 一直重傳RTS,RTS 重復(fù)問題通過為每個(gè)STA 創(chuàng)建專屬VAP 方式解決。
同頻組網(wǎng)下數(shù)據(jù)報(bào)文由于保證了只在終端所關(guān)聯(lián)的物理AP 處理和轉(zhuǎn)發(fā),以及支持在不同階段對報(bào)文進(jìn)行過濾,使得同頻組網(wǎng)能完整支持集中轉(zhuǎn)發(fā)、本地轉(zhuǎn)發(fā)和Split 轉(zhuǎn)發(fā)方式。
在福建省某三甲醫(yī)院的住院部,選定一個(gè)樓層部署4 臺AP 進(jìn)行測試,AP 型號選用RG-AP320-I,AC 使用RG-WS5708 無線控制器,AP 和AC 之間通過一臺RG-S2910-H 交換機(jī)連接,交換機(jī)為AC和AP 之間提供網(wǎng)絡(luò)連接,同時(shí)為AP 供電。將測試樓層的4 臺AP 分別開啟同頻組網(wǎng)和關(guān)閉同頻組網(wǎng)功能,在相同設(shè)備上相同射頻參數(shù)情況下進(jìn)行多次性能對比測試,測試內(nèi)容包括終端(筆記本電腦)移動(dòng)過程中使用FTP(File Transfer Protocol,文件傳輸協(xié)議)進(jìn)行文件傳輸和終端移動(dòng)過程中使用IxChariot 打流,對比測試中保持兩種組網(wǎng)方式下終端移動(dòng)速度和路線一致,并模擬醫(yī)護(hù)人員使用醫(yī)療終端查房的行進(jìn)路線和行進(jìn)速度。
FTP 是基于TCP 的一種文件傳輸協(xié)議,在文件傳輸過程中需要建立TCP 連接,如果文件傳輸過程中通信出現(xiàn)丟包或斷流,將對文件傳輸產(chǎn)生較大影響,從而較大影響傳輸速度,使用FTP 進(jìn)行文件傳輸測試可以了解網(wǎng)絡(luò)的性能和穩(wěn)定性。具體測試方法是,使用FTP 軟件在同頻組網(wǎng)和非同頻組網(wǎng)下分別下載局域網(wǎng)內(nèi)同一個(gè)1.25 G 大小的文件,比較下載速度和耗時(shí)。進(jìn)行三組測試,結(jié)果如表1 所示,非同頻組網(wǎng)下載平均速率為4.31 MB/s,同頻組網(wǎng)下載速率為4.93 MB/s,后者下載速度比前者平均快了0.62 MB/s,高出約14.43%。
表1 FTP 文件傳輸對比測試結(jié)果 Table 1 Comparison test results of FTP file transfer
IxChario 是一種網(wǎng)絡(luò)測試工具,是目前在應(yīng)用層性能測試領(lǐng)域得到業(yè)界廣泛認(rèn)可的測試系統(tǒng),IxChario 能夠評估網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的性能和容量,了解網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、時(shí)延、丟包、反應(yīng)時(shí)間等性能參數(shù)。終端移動(dòng)過程中使用IxChario 打流的測試方法為,使用IxChario 軟件在同頻組網(wǎng)和非同頻組網(wǎng)下分別設(shè)置10 條流進(jìn)行打流,打流的源地址為關(guān)聯(lián)在網(wǎng)絡(luò)的筆記本1,目的地址為關(guān)聯(lián)在網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)筆記本2,打流時(shí)筆記本2 靜止不動(dòng),測試人員以步行速度(約1.5 m/s)拿著筆記本1 在住院部樓道和病房走動(dòng),兩次測試中行走路線相同,終端移動(dòng)過程中經(jīng)過四臺AP。圖4 給出了多次測試中的一次測試結(jié)果,同頻組網(wǎng)下發(fā)生了三次切換,非同頻組網(wǎng)下發(fā)生了三次漫游,其中一次漫游不及時(shí),可以看到非同頻組網(wǎng)下出現(xiàn)了明顯的因漫游不及時(shí)引起的“打流掉坑”現(xiàn)象,而同頻組網(wǎng)下未出現(xiàn);非同頻組網(wǎng)下的打流平均速度是76.564 Mbps,而同頻組網(wǎng)下的打流平均速度是82.059 Mbps,即同頻組網(wǎng)不僅打流更平穩(wěn),打流速度也優(yōu)于非同頻組網(wǎng)。因此,可以得出結(jié)論,在終端移動(dòng)過程中,同頻組網(wǎng)性能優(yōu)于非同頻組網(wǎng)。
圖4 IxChario 打流對比測試結(jié)果 Fig.4 Comparison results of IxChario test
本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種WLAN 無漫游同頻組網(wǎng)方案,終端在AP 間使用無縫切換代替?zhèn)鹘y(tǒng)漫游,維持了數(shù)據(jù)通信的連續(xù)性,克服了傳統(tǒng)“微蜂窩架構(gòu)”WLAN 網(wǎng)絡(luò)漫游時(shí)存在時(shí)延增大、丟包和斷流等問題,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在同頻組網(wǎng)下終端切換AP時(shí)比傳統(tǒng)漫游方式具有更好的性能。