軟件定義無線局域網(wǎng)的切換接入機(jī)制

王明芬

（福建師范大學(xué)協(xié)和學(xué)院信息技術(shù)系，福州 350117）

0 引言

傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN）中采用的無線接入控制器（Access Point Controller，AC）+無線訪問接入點(diǎn)（Access Point，AP）的組網(wǎng)方式，采用無線接入點(diǎn)的控制和配置協(xié)議（Control And Provisioning of Wireless Access Points protocol specification，CAPWAP）來支持AC 對(duì)眾多無線接入點(diǎn)AP進(jìn)行管理，但因?yàn)椴煌瑥S商設(shè)備的技術(shù)私有性，所以無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備管理并不具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這給網(wǎng)絡(luò)的后期維護(hù)和未來擴(kuò)展都帶來困難。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）架構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)控制面和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面分開，控制面南向提供開放的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制基礎(chǔ)設(shè)備，北向提供應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API）用于定義網(wǎng)絡(luò)功能模塊，SDN 實(shí)現(xiàn)了開放、軟硬分離、通用化平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)［1］，目前在數(shù)據(jù)中心得到廣泛應(yīng)用。SDN 核心思想同樣可以應(yīng)用到無線網(wǎng)絡(luò)接入管控，并提出了軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Wireless Network，SDWN）的一種解決方案［2-3］。

在傳統(tǒng)的接入機(jī)制中，終端站（STAtion，STA）在漫游的過程中會(huì)選擇信號(hào)最強(qiáng)AP 接入，而不關(guān)心網(wǎng)絡(luò)的其他狀態(tài)。這種切換接入往往容易導(dǎo)來回頻繁切換的“乒乓效應(yīng)”、切換延時(shí)、切換吞吐率降低等問題，也可能導(dǎo)致在AP 下關(guān)聯(lián)STA負(fù)載比較重的區(qū)域，小區(qū)邊緣的STA 可能由于信道質(zhì)量原因而掉線。因此切換接入策略是一個(gè)比較重要的研究方向，但是目前研究的切換算法多數(shù)是基于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在軟件定義WLAN中的接入策略研究目前還比較少。

國外，Nahida 等［4］在基于SDN 的基礎(chǔ)上提出了WLAN 的AP 負(fù)載均衡切換算法，SDN 控制器獲取各AP 的負(fù)載狀態(tài)信息，從而選擇負(fù)載最小的AP為接入點(diǎn)；但是該方案僅憑AP側(cè)的吞吐量來對(duì)接入點(diǎn)性能優(yōu)劣進(jìn)行判斷，這不能全面地反映網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的整體性能，特別是對(duì)于復(fù)雜場景下的WLAN而言，接入AP的選擇未必最優(yōu)。Dely等［5］提出基于OpenFlow協(xié)議的Mesh網(wǎng)的邏輯控制通道，設(shè)計(jì)代理模塊收集AP側(cè)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量選出STA應(yīng)該接入的AP，減少切換時(shí)吞吐量的降低，但并未考慮復(fù)雜場景下的切換“乒乓效應(yīng)”。

國內(nèi)，趙國鋒等［6］以O(shè)din為基礎(chǔ)構(gòu)建SDWN 切換系統(tǒng)，通過代理模塊收集AP側(cè)的負(fù)載和STA接收信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算AP接入權(quán)值并擇優(yōu)接入，減少網(wǎng)絡(luò)的頻繁切換，但其并未考慮AP部署密集的環(huán)境中的其他的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的影響。Wang 等［7］提出LiveSec 的有線和無線網(wǎng)絡(luò)綜合安全管理架構(gòu)，在無線部分該架構(gòu)將WLAN的交換機(jī)按細(xì)粒度的交互式策略分為接入層和核心層。控制器在核心層通過OpenFlow協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有的交換機(jī)進(jìn)行負(fù)載均衡管理，主要根據(jù)接收和處理的包的數(shù)量來判斷負(fù)載，但是未考慮移動(dòng)終側(cè)的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)質(zhì)量水平。開彩紅等［8］提出虛擬無線訪問接入點(diǎn)（Virtual Access Point，VAP）云的概念，在SDWN 中將VAP、控制器和虛擬交換機(jī)（Open Virtual Switch，OVS）集成在一臺(tái)計(jì)算機(jī)中來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的核心功能整合，可以減少切換的時(shí)延，但并沒有涉及到切換策略。

本文在SDWN架構(gòu)基礎(chǔ)上提出了基于懲罰因子的全局關(guān)聯(lián)記憶保留的接入控制的方法。首先擴(kuò)展OpenFlow 協(xié)議的報(bào)文消息，關(guān)于AP 和STA 的相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)文封裝在Packet-IN和Packet-OUT 報(bào)文消息的data 字段中［9-10］；其次控制器根據(jù)報(bào)文收集網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量、負(fù)載、吞吐量以及利用率等指標(biāo)構(gòu)建AP 的接入權(quán)值；接著引入變異系數(shù)法確定網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的系數(shù)；最后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)短時(shí)間內(nèi)來回切換發(fā)生的“乒乓效應(yīng)”提出懲罰因子，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的懲罰因子調(diào)整AP 的接入權(quán)值和發(fā)射功率。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的懲罰因子具有記憶關(guān)聯(lián)特性，即一定的時(shí)間階段只能初始化一次，后面的懲罰代價(jià)只會(huì)不斷增大，接入權(quán)值會(huì)不斷減小，直到終端再也不選擇它為切換目標(biāo)。

通過實(shí)驗(yàn)表明，在STA漫游在AP密集部署的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，能有效地降低切換次數(shù)和減弱“乒乓效應(yīng)”，并通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表明，在切換成功率和切換時(shí)延等整體網(wǎng)絡(luò)性能上有了較好的提升?；趹土P因子的全局關(guān)聯(lián)記憶保留的接入控制的方法減少了網(wǎng)絡(luò)不必要的切換動(dòng)蕩，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)接入性能的穩(wěn)定性。

1 SDWN架構(gòu)

SDWN 架構(gòu)采用基于SDN 的三層模型，利用應(yīng)用面、控制面與數(shù)據(jù)面分離的技術(shù)構(gòu)建WLAN。如圖1所示。

圖1 SDWN架構(gòu)Fig.1 Architecture of SDWN

本系統(tǒng)SDWN架構(gòu)的特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：

1）使用了主流的Floodlight 控制器來管控AP。由于OVS不支持無線保護(hù)訪問（Wi-Fi Protected Access，WPA）模式，因此把OVS 安裝在AP 上，從而使AP 不僅支持WPA 或WPA2 加密而且支持OpenFlow協(xié)議。

2）擴(kuò)展認(rèn)證服務(wù)Hostapd功能，不僅使得STA可以通過認(rèn)證接入到到AP 上，而且可以通過OpenFlow 協(xié)議傳輸AP 參數(shù)及STA 的參數(shù)到控制器。Hostapd 上可以設(shè)置需要的擴(kuò)展AP參數(shù)，比如數(shù)據(jù)包傳輸速率、允許最大STA數(shù)、發(fā)射功率區(qū)間、錯(cuò)誤率等；也可以收集STA 的信息，比如STA 的MAC 地址、IP地址、信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）等。

1.1 OpenFlow協(xié)議擴(kuò)展

AP 與控制器之間通過隧道連接建立通信。隧道是利用Open Flow 交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)功能和Open Flow 協(xié)議中的Packet-In和Packet-Out 消息來建立的。本文擴(kuò)展了OpenFlow協(xié)議的消息報(bào)文，關(guān)于AP 和STA 的相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)文封裝在Packet-IN 和Packet-OUT 的data 字段中。OpenFlow 消息作為AP 控制與管理協(xié)議（AP Control And Management Protocol，ACAMP）［9-10］的載體。OpenFlow1.3協(xié)議消息的報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Packet-IN報(bào)文的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of Packet-IN message

在本文用到的AP 的擴(kuò)展數(shù)據(jù)和STA 的擴(kuò)展數(shù)據(jù)以及其他一些參考數(shù)據(jù)等都在Message Elements 消息報(bào)文中可以自定義設(shè)置和擴(kuò)展。這個(gè)字段長度可選，ACAMP 的報(bào)文格式如圖3所示，對(duì)網(wǎng)絡(luò)策略有用的參數(shù)在Elements字段里面。

圖3 ACAMP報(bào)文的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of ACAMP message

1.2 系統(tǒng)消息匹配

OpenFlow1.3 協(xié)議有很多新的特性和消息，流表項(xiàng)如圖4［11］所示。簡單介紹一下比較重要的幾個(gè)表項(xiàng)Match Fields匹配域又叫作包頭域，包括入端口和數(shù)據(jù)包頭等。Counters 進(jìn)行數(shù)據(jù)包更新統(tǒng)計(jì)、流量統(tǒng)計(jì)和差錯(cuò)統(tǒng)計(jì)等。Instructions 指令集可以是一個(gè)Action集，修改指令或者按流表處理。

圖4 OpenFlow1.3協(xié)議的流表項(xiàng)Fig.4 Flow table entries of OpenFlow1.3 protocol

OpenFlow 交換機(jī)的流表匹配都是從0編號(hào)開始匹配。如果數(shù)據(jù)包的包頭解析與第一個(gè)流表項(xiàng)Match Fields 匹配，則數(shù)據(jù)包按流表項(xiàng)的指令集Instructions 執(zhí)行，這些Instructions 指令可以指導(dǎo)數(shù)據(jù)包的傳遞到另外一個(gè)表號(hào)比自己大的流表，也可以按自己的流表執(zhí)行Action 指令。如果都沒有匹配到，則可以執(zhí)行報(bào)告控制器或者丟棄指令［12］，如圖5所示。

圖5 消息匹配過程Fig.5 Message matching process

2 接入控制

無線最大的作用是擺脫了有線的束縛，而網(wǎng)絡(luò)支持無縫自主切換才是真正實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)改變生活。SDWN 架構(gòu)采用統(tǒng)一的集中控制器管理AP，由控制中心統(tǒng)一管理協(xié)調(diào)管理配置AP 和STA 的參數(shù)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)符合網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)管理的要求。本文將研究SDWN 架構(gòu)下的切換接入控制技術(shù)，減少網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)延和減弱“乒乓效應(yīng)”。

2.1 系統(tǒng)參數(shù)分析

SDWN 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以獲得更多用戶設(shè)定的參數(shù)來決策網(wǎng)絡(luò)行為，其中比較重要的是：AP的發(fā)射功率、信道利用率和負(fù)載STA 數(shù)目，STA 的接收信號(hào)強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI），STA 的接收信號(hào)的信噪比（SNR），STA的吞吐率等。

STAi從APj接收的SNRij可以表示為：

其中：PAPj表示APj的發(fā)射功率，Gi，j表示STAi從APj獲得的信道增益，N0表示背景噪聲功率。

根據(jù)文獻(xiàn)IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)APj的信道利用率Bj可以定義成T時(shí)間內(nèi)信道的有效傳輸時(shí)長，表示為：

其中：pai，j表示STAi和APj之間的傳輸數(shù)據(jù)包，rai，j表示傳輸比特速率，這個(gè)計(jì)算中統(tǒng)計(jì)了小區(qū)內(nèi)所有的STA 的有效傳輸時(shí)長。信道利用率Bj可以分為上行利用率和下行利用率，分別對(duì)應(yīng)的是上下行的數(shù)據(jù)包傳輸。由于STA 的發(fā)射功率較小，網(wǎng)絡(luò)一般是上行受限，因此取信道上行利用率。OpenFlow1.3的流表中的Counters表項(xiàng)可以提取數(shù)據(jù)包傳輸錯(cuò)誤率Ei。

2.2 接入策略

本文根據(jù)上述的參數(shù)，設(shè)計(jì)出權(quán)值和全局懲罰因子融合的接入策略。終端STAi移動(dòng)中把檢測到信號(hào)強(qiáng)度大于閾值的AP 按從大到小排序APlist=｛AP1，AP2，…，APm｝，然后對(duì)APlist里每個(gè)AP計(jì)算STAi的歸一化接收信號(hào)：

在軟件定義WLAN 中，控制器獲得以上3 個(gè)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。如果每個(gè)參數(shù)差異越大，這樣的參數(shù)在接入權(quán)值指標(biāo)里越重要。因此本文引入了變異系數(shù)法來確定參數(shù)系數(shù)k。

變異系數(shù)法是直接利用各項(xiàng)指標(biāo)所包含的信息，通過計(jì)算得到指標(biāo)的權(quán)重，是一種客觀賦權(quán)的方法。各項(xiàng)參數(shù)的變異系數(shù)公式如下：

其中：Vi是第i項(xiàng)參數(shù)的變異系數(shù)，σi為第i項(xiàng)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，第i項(xiàng)參數(shù)的均值。

按照式（4）計(jì)算每個(gè)APn覆蓋范圍內(nèi)STA 的信道利用率Bn、傳輸錯(cuò)誤率En、接收信號(hào)RSn的變異系數(shù)，然后計(jì)算出系數(shù)值如下：

其中：Nn為AP 已負(fù)載的STA 數(shù)，Bn為信道利用率，En為傳輸錯(cuò)誤率，RSn為接收信號(hào)的歸一化參數(shù)。

漫游過程中STAi可接入的AP 集合按Ci，n值從大到小排序，STAi根據(jù)APlist圍內(nèi)的Ci，n的最大值選擇對(duì)應(yīng)的AP 接入，表示為：

2.3 全局懲罰因子算法

在WLAN中，頻繁來回切換稱為“乒乓效應(yīng)”，特別容易引起網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)蕩，導(dǎo)致用戶感知非常差。為了解決這樣的網(wǎng)絡(luò)問題，本文在上述接入控制策略的基礎(chǔ)上引入了懲罰因子pu。在多AP 重疊區(qū)域，短時(shí)間內(nèi)當(dāng)要即將切換的目標(biāo)AP 和最近切換過的AP相同時(shí)，多加一個(gè)懲罰值降低切換的權(quán)重值。

假設(shè)原來的接入值為C1，則新的接入值C2如下：

C2相當(dāng)于是C1的一個(gè)滯后值，時(shí)間T取值是一個(gè)Beacon的幀間隔周期，默認(rèn)值為100 ms。滯后時(shí)間t的取值在文中初始值為2 ms。STA 在切換時(shí)如果目標(biāo)是最近歷史重選小區(qū)則降低該AP接入權(quán)值和發(fā)射功率。

pu初始值為1，如果發(fā)生來回切換則增加懲罰因子值，即pu=pu+1，同時(shí)記錄網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)AP 的懲罰因子的關(guān)聯(lián)記憶pulist={puAP1，puAP2，…，puAPn}，在下一次網(wǎng)絡(luò)“乒乓效應(yīng)”中不會(huì)初始化pu值，系統(tǒng)繼續(xù)加大懲罰。當(dāng)AP的懲罰因子pu大于3時(shí)則上報(bào)控制器減小該AP的發(fā)射功率，然后重新初始化其pu為1。

在AP部署密集中，STA接入控制算法偽代碼如下：

算法1 接入控制算法。

輸入：控制器收集到擴(kuò)展報(bào)文攜帶的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；

算法首先把終端STA 能接收到的信號(hào)大于切換閾值的AP 按強(qiáng)度大小順序更新到AP 列表中，如果要接入的AP 已經(jīng)超載則從列表里刪除。然后依次計(jì)算列表中每個(gè)AP 的接入權(quán)值，選擇權(quán)值最大的AP接入，并記錄準(zhǔn)備接入的AP號(hào)。如果發(fā)現(xiàn)即將進(jìn)入切換的AP 與近兩次切換的AP 一樣時(shí)，則增加懲罰因子重新計(jì)算接入權(quán)值。判斷該AP 的全局懲罰次數(shù)是否超過2 次，超過則上報(bào)控制器調(diào)整該AP 的發(fā)射功率，縮小覆蓋范圍以減小干擾。最后如果終端STA 可切換的AP 列表為空，則切換失敗。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

Mininet-wifi 是Mininet的擴(kuò)展版本，是一個(gè)輕量級(jí)軟件定義網(wǎng)絡(luò)和測試平臺(tái)。它是SDN 系統(tǒng)中的一種基于進(jìn)程虛擬化平臺(tái)，支持OpenFlow、OVS 等各種協(xié)議，也可以模擬一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)，主機(jī)、鏈接和交換機(jī)在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上模擬有助于互動(dòng)開發(fā)、測試和演示，尤其是那些使用OpenFlow 和SDN 技術(shù)，該平臺(tái)支持代碼遷移到真實(shí)的環(huán)境中［13］。

Mininet-wifi 內(nèi)部操作接口如圖6 所示。nl80211 是新的802.11 netlink 接口公共頭文件，它配合cfg80211 用來實(shí)現(xiàn)無線擴(kuò)展功能。iw 是一款基于nl80211 的新型無線設(shè)備CLI 配置實(shí)用程序；wpa_supplicant適用于各種異構(gòu)操作系統(tǒng)的WPA請(qǐng)求，支持WPA和WPA2密碼認(rèn)證；hostapd 是用于AP和認(rèn)證服務(wù)器的守護(hù)進(jìn)程。

控制器與Mininet-wifi的網(wǎng)絡(luò)采用TCP協(xié)議連接。網(wǎng)絡(luò)控制器采用具有全局的網(wǎng)絡(luò)視圖的Floodlight 控制器，首先通過南向OpenFlow 協(xié)議從AP 中獲取網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息和STA 信息；其次它根據(jù)收集的信息設(shè)計(jì)各種網(wǎng)絡(luò)管理操作，比如漫游切換、負(fù)載均衡等功能模塊；最后再通過控制器的南向協(xié)議指導(dǎo)終端操作。Floodlight Provider 是核心模塊?？刂破魇紫葐?dòng)Floodlight Provider，然后其他模塊通過向Floodlight Provider 注冊(cè)成為一個(gè)服務(wù)，即可以處理事件［14］。

圖6 Mininet-wifi接口Fig.6 Interface of Mininet-wifi

3.2 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)

SDWN 首先通過net.addController（）添加控制器，設(shè)置為TCP協(xié)議，端口為6653。接著通過net.addAccessPoint（），設(shè)置AP 的基本參數(shù)，包括AP 的ID 號(hào)、服務(wù)集標(biāo)識(shí)（Service Set Identifier，SSID）、信道號(hào)Chanel、認(rèn)證模式為WPA2 等。然后調(diào)用net.addStation（）增加終端信息。最后AP.start（）函數(shù)確定AP 和控制器的連接間用net.addLink（）實(shí)現(xiàn)設(shè)備的關(guān)聯(lián)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D7所示。

圖7 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.7 Topology of network

圖7所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲杏?個(gè)AP相鄰部署，每個(gè)AP下都已關(guān)聯(lián)了相應(yīng)的STA，由Floodlight 控制器統(tǒng)一下發(fā)接入控制策略。對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)視圖在Mininet-wifi 中的仿真圖如圖8 所示，每條連線代表目前每個(gè)AP下已關(guān)聯(lián)的STA數(shù)。

圖8 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞抡鎴DFig.8 Simulation diagram of network topology

3.3 移動(dòng)切換效果

網(wǎng)絡(luò)中有6個(gè)AP相鄰部署，由Floodlight控制器統(tǒng)一下發(fā)接入控制策略。sta00 和sta01 從AP1 移動(dòng)到AP3 的路徑如圖9所示，為了簡潔顯示，仿真中不顯示已關(guān)聯(lián)但未移動(dòng)的STA。sta00 和sta01 在網(wǎng)絡(luò)初始階段都是和AP1 關(guān)聯(lián)。sta00 移動(dòng)過程中依次經(jīng)過了AP6 和AP2 的覆蓋區(qū)域，最后和AP3 關(guān)聯(lián)。sta01移動(dòng)過程中依次經(jīng)過了AP5、AP2和AP4的覆蓋區(qū)域，最后和AP3 關(guān)聯(lián)。STA 經(jīng)過的路徑主要是在多小區(qū)重疊的AP部署密集區(qū)域。這些區(qū)域信號(hào)重疊復(fù)雜，是網(wǎng)絡(luò)中最容易發(fā)生切換、掉話、接入失敗的區(qū)域。

圖9 STA移動(dòng)路徑圖和信號(hào)覆蓋對(duì)比Fig.9 Comparison of STA moving path and signal coverage

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用信號(hào)最強(qiáng)接入算法，sta01 在圖9（a）的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中移動(dòng)過的切換軌跡如圖10 所示。從圖10 可以看出，sta01 的切換記錄是5 次，且在AP2、AP4 和AP5 信號(hào)重疊區(qū)域處，sta00 先是從AP2 切換到AP4，然后又從AP4 切換回AP2，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生來回切換的“乒乓效應(yīng)”情況明顯，這是因?yàn)锳P2 處的位置干擾到了周圍的AP。

圖10 傳統(tǒng)信號(hào)最強(qiáng)接入算法切換軌跡Fig.10 Handover track of traditional signal strongest access algorithm

采用本文的接入算法后，sta00在圖9（b）的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中切換軌跡如圖11 所示。在發(fā)生“乒乓切換”后，系統(tǒng)的懲罰因子發(fā)揮作用，控制器動(dòng)態(tài)調(diào)整了AP2的信號(hào)覆蓋范圍，接入控制方法后的切換次數(shù)是3，STA 切換關(guān)聯(lián)的AP 數(shù)明顯減少且消除了來回切換的“乒乓效應(yīng)”。

圖11 本文算法切換軌跡Fig.11 Handover track of the algorithm in this paper

3.4 系統(tǒng)性能比較

系統(tǒng)設(shè)置sta01 從AP1 移動(dòng)到AP3，本文使用iperf 工具來統(tǒng)計(jì)切換時(shí)TCP 下行吞吐率，通過ping 命令來統(tǒng)計(jì)切換時(shí)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。

本文算法和傳統(tǒng)信號(hào)最強(qiáng)接入算法［15］、傳統(tǒng)負(fù)載均衡算法［16］以及文獻(xiàn)［6］采用負(fù)載感知的切換算法的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)比結(jié)果如圖12所示。

圖12 切換時(shí)延對(duì)比Fig.12 Comparison of handover delay

如圖12 所示，sta01 在移動(dòng)過程中，發(fā)生切換時(shí)不同的算法發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延不同。傳統(tǒng)負(fù)載均衡接入算法觸發(fā)了3 次切換引起的時(shí)延，因?yàn)樵趖=3 s 處，即終端sta01 剛進(jìn)入AP1 與AP6 的重疊區(qū)域時(shí)便執(zhí)行切換，原因是對(duì)于終端而言AP6 的負(fù)載小，接著在t=7 s 處接入AP2，隨后在t=13 s 接入AP3，均是因?yàn)樵贏P負(fù)載較輕而優(yōu)先接入。文獻(xiàn)［6］算法是基于負(fù)載感知的AP 權(quán)值計(jì)算方法，在AP 部署密集區(qū)域的環(huán)境中并沒有很明顯地減少切換次數(shù)，且由于采用代理模塊的開銷，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延較高。而本文的切換次數(shù)是2，因?yàn)榭刂破鞲鶕?jù)懲罰因子調(diào)整了AP2 的發(fā)射功率，讓終端在切換過程中沒有接入到AP2而是接入到AP6，最后接入到AP3。

本文的系統(tǒng)架構(gòu)將OVS 的功能集成到AP 中，讓AP 具有更大的權(quán)限，而不需要另外再加一層接入交換機(jī)。由于控制器直接控制AP，使得網(wǎng)絡(luò)扁平化，因此STA 切換時(shí)延較小。同時(shí)因?yàn)閼土P因子的作用，本文算法在系統(tǒng)中的切換次數(shù)也減少了。

為了進(jìn)一步分析網(wǎng)絡(luò)的切換性能，系統(tǒng)隨機(jī)設(shè)置一些終端在圖8 所示的網(wǎng)絡(luò)中隨意移動(dòng)。統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)切換優(yōu)化前后的切換請(qǐng)求次數(shù)，優(yōu)化前指的是傳統(tǒng)信號(hào)最強(qiáng)接入算法和傳統(tǒng)負(fù)載均衡算法，優(yōu)化后指的是增加懲罰因子的本文算法。網(wǎng)絡(luò)性能統(tǒng)計(jì)比較如圖13所示。從圖13可以看出：在切換頻繁的復(fù)雜區(qū)域，本文算法的切換請(qǐng)求次數(shù)優(yōu)于比較的算法；但是在普通切換區(qū)域，本文算法的請(qǐng)求次數(shù)并發(fā)揮出很大的優(yōu)勢。這是因?yàn)閼土P因子只針對(duì)復(fù)雜頻繁切換區(qū)域才有作用。

圖13 切換次數(shù)統(tǒng)計(jì)比較Fig.13 Statistics and comparison of handover times

在WLAN 中，用戶既希望切換的次數(shù)少，切換的時(shí)延短，同時(shí)又希望接入的成功率高。在本文的系統(tǒng)環(huán)境中，統(tǒng)計(jì)不同算法的網(wǎng)絡(luò)性能，比較結(jié)果如表1所示。

表1 不同切換接入算法的網(wǎng)絡(luò)性能比較Tab.1 Network performance comparison of different handover access algorithms

如表1 所示，與傳統(tǒng)的信號(hào)最強(qiáng)接入法相比，本文算法的切換請(qǐng)求次數(shù)減少了21.7%；與傳統(tǒng)的負(fù)載均衡接入法相比，本文算法的切換次數(shù)減少了12.3%；與文獻(xiàn)［6］算法相比，本文算法的切換次數(shù)減少了6.6%。另外從表1 的統(tǒng)計(jì)信息可以看出傳統(tǒng)的信號(hào)最強(qiáng)接入平均切換時(shí)延最小，但是這種簡單粗暴的方法也導(dǎo)致了切換次數(shù)多且成功率不高的問題。由于本文系統(tǒng)采用扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和基于懲罰因子的接入權(quán)值算法，在切換時(shí)延和切換次數(shù)上效果較優(yōu)。

4 結(jié)語

WLAN 和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)形成一個(gè)互補(bǔ)的趨勢共同發(fā)展。針對(duì)傳統(tǒng)WLAN 組網(wǎng)中遇到的網(wǎng)絡(luò)部署和升級(jí)困難、異產(chǎn)商設(shè)備不兼容、設(shè)備參數(shù)無法統(tǒng)一利用開發(fā)等問題，本文梳理了軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)的主流架構(gòu)，利用南向OpenFlow 協(xié)議的可擴(kuò)展性定義了系統(tǒng)需要的參數(shù)，同時(shí)引入變異系數(shù)確定不同參數(shù)的權(quán)重，接著計(jì)算AP接入控制權(quán)值。提出了在SDWM架構(gòu)下，基于全局懲罰因子的接入權(quán)值策略。通過實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)可以有效地減弱AP 部署密集環(huán)境下的頻繁切換的“乒乓效應(yīng)”，減少切換時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)切換發(fā)生次數(shù)。