一種基于sdn的wlan集中式的ap選擇機制的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于SDN的WLAN集中式的AP選擇機制，利用SDN集中控制的優(yōu)勢，掌握整個網(wǎng)絡的信息；數(shù)據(jù)運算和信息處理的任務放在控制器上；根據(jù)AP的負載程度和終端的活躍度按順序進行選擇。本發(fā)明利用SDN集中控制的優(yōu)勢，能夠掌握整個網(wǎng)絡的信息，因而選擇更準確；數(shù)據(jù)運算和信息處理的任務主要放在了控制器上，終端只需承擔極少的任務，大大節(jié)約了終端的電能；根據(jù)AP的負載程度和終端的活躍度按順序進行選擇，故效率更高。本發(fā)明對該AP選擇機制進行了仿真驗證，仿真結果顯示，能夠有效提升吞吐量，同時相比于其他AP選擇算法，能夠提高選擇成功率，減少切換次數(shù)。
【專利說明】
-種基于SDN的WLAN集中式的AP選擇機制
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于無線局域網(wǎng)技術領域，尤其設及一種基于SDN的WLAN集中式的AP選擇 機制。
【背景技術】
[0002] 無線局域網(wǎng)經(jīng)過20多年的發(fā)展，因其成熟、穩(wěn)定、易于擴展、管理方便的特點，在生 產(chǎn)生活中得到廣泛應用。I邸E 802.11協(xié)議族作為無線局域網(wǎng)的標準，已經(jīng)成為人們使用最 多的網(wǎng)絡協(xié)議之一。I邸E 802.11的傳統(tǒng)方法中只使用接收信號強度作為AP選擇的依據(jù)，沒 有考慮到各個AP的負載情況，運種方法在多AP共存的網(wǎng)絡中將導致AP間的負載不均衡問 題，使得網(wǎng)絡性能、網(wǎng)絡資源利用率的下降。SDN(SDN Software Defined化twork，軟件定 義網(wǎng)絡)是當前網(wǎng)絡技術的前沿，SDN創(chuàng)新之處在于將網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)平面和控制平面分離， 從而實現(xiàn)對網(wǎng)絡集中化的控制。SDN被提出的準確時間目前已經(jīng)難W考證，運是因為在網(wǎng)絡 通信領域一直都存在著類似的研究和嘗試，正是運些研究最終促成了 SDN的誕生。在SDN中， 網(wǎng)絡設備的區(qū)分僅僅在于控制器對其發(fā)送的控制邏輯的不同，因而SDN中將所有用于數(shù)據(jù) 轉發(fā)的設備統(tǒng)稱為交換機，不再區(qū)別交換機、路由器等設備?？刂破飨騍DN交換機發(fā)送一定 的控制指令，運些指令便是交換機的數(shù)據(jù)轉發(fā)規(guī)則。而南向接口正是控制器用來向SDN交換 機發(fā)送指令的通道。目前，OpenFlow協(xié)議是SDN業(yè)界唯一認可的南向接口協(xié)議，在SDN的產(chǎn)業(yè) 化過程中扮演不可或缺的角色。由于化enFlow協(xié)議的唯一性，SDN交換機又稱為化enFlow交 換機。OpenFlow交換機都有維護有一條流管道，流管道中保存了多個流表，一個流表中又有 數(shù)個流表項。管道的處理過程決定了包與流表的交互過程。OpenFlow交換機至少要有一個 流表，它是化enFlow交換機中最重要的部件之一，用于數(shù)據(jù)包的查找及轉發(fā)。交換機可W使 用安全通道(OpenFlow化annel)連接到控制器，該通道中發(fā)送的信息使用化enFlow協(xié)議。 控制器利用化enFlow協(xié)議對流表進行添加、更新、刪除操作。交換機只負責在本地進行數(shù)據(jù) 的轉發(fā)，而控制的功能由控制器負責。本地交換機轉發(fā)的邏輯依據(jù)正是化enFlow流表項。 SDN控制器通過管理流表來控制交換機的數(shù)據(jù)轉發(fā)行為。SDN誕生于有線網(wǎng)絡，不過在無線 網(wǎng)絡應用極為廣泛的今天，SDN的標準和應用也開始向無線網(wǎng)絡延伸。由于在企業(yè)級的WLAN 中，存在著多種挑戰(zhàn)。首先IEEE 802.11協(xié)議讓STA根據(jù)自身得到的信息做出AP選擇，網(wǎng)絡設 備對于運種選擇無法控制。其次，AP關聯(lián)狀態(tài)機、時變的廣播信道的信息都需要實時地追 蹤。最后，所有互相干擾的IE邸802.11設備都應該得到管理。故而現(xiàn)有的邸E 802.11的方 法在多AP共存的網(wǎng)絡中將導致AP間的負載不均衡問題，使得網(wǎng)絡性能、網(wǎng)絡資源利用率的 下降；在大規(guī)模WLAN中，由于STA數(shù)量太大，使用DCF機制將導致傳輸效率的急劇下降。利用 SDN的優(yōu)點，一種基于SDN的WLAN集中式的AP選擇機制成為了一種新的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于SDN的WLAN集中式的AP選擇機制，旨在解決現(xiàn)有 的EEE 802.11的方法在多AP共存的網(wǎng)絡中將導致AP間的負載不均衡問題，使得網(wǎng)絡性能、 網(wǎng)絡資源利用率的下降;在大規(guī)模WLAN中，由于STA數(shù)量太大，使用DCF機制將導致傳輸效率 的急劇下降的問題。
[0004] 本發(fā)明是運樣實現(xiàn)的，一種基于SDN的WLAN集中式的AP選擇機制，所述AP選擇機制 方法利用SDN集中控制的優(yōu)勢，掌握整個網(wǎng)絡的信息;數(shù)據(jù)運算和信息處理的任務放在控制 器上;根據(jù)AP的負載程度和終端的活躍度按順序進行選擇。
[0005] 進一步，所述AP選擇機制方法具體包括W下步驟：
[0006] 衡量參數(shù)的選擇，確定吞吐量T，測量AP的負載值，丟包率P_drop，接收信號強度 RSSI，STA活躍度；
[0007] 參數(shù)信息的采集，包括:吞吐量、丟包率、接收信號強度RSSI、STA活躍度；
[0008] AP質量的計算，將吞吐量和丟包率相結合，使用公式衡量AP的通信質量；
[0009] STA首次入網(wǎng)時的AP選擇，STA在使用網(wǎng)絡之前，先要通過掃描操作發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡。掃描 操作分為被動掃描和主動掃描；
[0010] STA入網(wǎng)后的動態(tài)AP選擇。
[0011] 講一張，所沐巧日+畳T,巧式表示：
[0012]
[0013] 丟包率P_drop，丟包率和誤碼率、MAC帖碰撞概率的關系表示為：
[0014] P_dr〇p = I-(I-WR)X(I-Pc);
[0015] 其中陽R表示誤包率，Pc表示碰撞概率；
[0016] 丟包率是指無重傳機制的丟包率，亦即單次傳輸?shù)膩G包率，無重傳的丟包率有別 于重傳機制下的丟包率，令后者表示為?_化〇9'，若最大重傳次數(shù)為M，則兩者關系是：
[0017] P_drop' =P_dropM+i;
[001引 STA活躍度a,定義為，某個STA的吞吐量占所在AP的總吞吐量的比例。
[0019] 進一步，所述AP質量的計算將吞吐量和丟包率相結合，使用公式來衡量AP的通信 質量，式中P_h〇Pi、Ti分別表示第i個AP的丟包率和吞吐量。通過將兩個參量結合，不同情況 的網(wǎng)絡狀況都能夠得到反映；
[0020] Q(P_d;ropi,Ti) = (l-P-dropi) X (I-Ti);
[00別]令RSSIi,徒示STA浪收到的APi的信號強度。在加入RSSI后，將AP擁于STAj的質量 定義為下式，其中化J越大表示該APiJ對于當前STAj的質量越高；當需要調整STA關聯(lián)的AP 時，將選擇QiJ最大的那個AP:
[0022] Qi,j = (l-P_dr〇pi) X(I-Ti)XRSSIiJ;
[0023] 活躍度并沒有直接放入上式中。
[0024] 進一步，所述STA首次入網(wǎng)時的AP選擇，STA在使用網(wǎng)絡之前，先要通過掃描操作發(fā) 現(xiàn)網(wǎng)絡。掃描操作分為被動掃描和主動掃描，在首次入網(wǎng)時，STA和AP都無法判斷對方的位 置信息，此時將公式QiJ= (l-P_h〇Pi) X (I-Ti) XRSSIi,沖RSSI的意義調整為AP收至化TA的 Probe_Req帖的接收信號強度，值反映 STA與AP的距離，距離越小，RSSI越大，具體步驟如下： [00巧]步驟一、STA主動掃描網(wǎng)絡，在各個信道上發(fā)送Probe_Req請求(SSID = NuII);
[00%] 步驟二、各AP接收到Probe_Req帖后匹配流表項，匹配后根據(jù)動作要求將該MAC帖 發(fā)送至SDN控制器，阻止AP進一步處理該信息，防止AP向STA發(fā)送P;robe_Response;
[0027] 步驟S、AP計算接收到的STA的Probe_Req帖的RSSI，將該RSSI發(fā)送至控制器；
[002引步驟四、SDN控制器判斷收到Probe_Req的AP的數(shù)量，如果只有一個AP收到，則選擇 過程停止，控制器將Pr0be_Req匹配流表項的動作域修改為Normal，并將P;robe_Req帖返回 至該唯一收到請求的AP;
[0029] 步驟五、如果多個AP收到請求。控制器根據(jù)公式QiJ = (l-P_dropi) X (I-Ti) X RSSIiJ計算，為STAj選擇質量Qi, j最大的APi，即為AP_best;
[0030] 步驟六、對于AP_best，控制器將其P;robe_Req匹配流表項的動作域修改為normal， 并將其發(fā)送來的Probe_Req帖返回，而對于其他AP，控制器將Probe_Req帖刪除；
[0031 ] 步驟屯、對于收到控制器返回的P;robe_Req帖的AP_best，由于P;robe_Req匹配流表 項的動作域已經(jīng)設為Normal，該AP可按照正常過程回復P;robe_Response，緊接著STA與該AP 進行關聯(lián)。其他AP不再處理STA的P;robe_Req帖。
[0032] 進一步，所述STA入網(wǎng)后的動態(tài)AP選擇具體包括：
[0033] 步驟一、測量吞吐量T、丟包率t化op、接收信號強度RSSI、STA活躍度a,并將運些 參數(shù)定期發(fā)送至控制器；
[0034] 步驟二、控制器根據(jù)每個AP下總的丟包率P_hopi，對AP按進行排序，按P_hopi從 高到低的順序進行輪詢；
[0035] 步驟S、設定一個無重傳丟包率闊值，？_化〇口_1:虹6311〇1(1 = 0.3，對于4?1，若
[0036] P_hopi>P_化op_threshold，則表明無線網(wǎng)絡內(nèi)的沖突率大，負載過重，需要進 行負載均衡，因而對與其關聯(lián)的STA進行新的AP選擇;若丟包率較小，則返回步驟一，查看下 一個 AP;
[0037] 步驟四、將AP下的STA按照活躍度a進行排序，并按活躍度從大到小輪詢STA;選擇 當前AP中未被調整過的且活躍度最高STA進行調整；
[003引步驟五、計算AP質量化,j，為STAj選擇質量最大的APi;
[0039] 步驟六、重新選擇的AP若是原AP，則不作調整，返回步驟如果重新選擇的AP與 原AP不同，進入步驟屯；
[0040] 步驟屯、SDN控制器向AP發(fā)送指令，AP執(zhí)行操作將STA關聯(lián)至新的AP。返回步驟S。
[0041] 本發(fā)明提供的基于SDN的集中式AP選擇機制，能夠提升網(wǎng)絡資源利用率、增加吞吐 量、節(jié)約終端電量;本發(fā)明的機制有如下特點，第一，利用SDN集中控制的優(yōu)勢，能夠掌握整 個網(wǎng)絡的信息，因而選擇更準確;第二，數(shù)據(jù)運算和信息處理的任務主要放在了控制器上， 終端只需承擔極少的任務，大大節(jié)約了終端的電能。第=，本發(fā)明的方法根據(jù)AP的負載程度 和終端的活躍度按順序進行選擇，故效率更高。本發(fā)明對該AP選擇機制進行了仿真驗證，仿 真結果顯示，該方法能夠有效提升吞吐量，同時相比于其他AP選擇算法，該方法能夠提高選 擇成功率，減少切換次數(shù)。
[0042] 本發(fā)明使用多個參數(shù)衡量AP的衡量標準，早期的AP選擇算法多采用單個參數(shù)，而 隨著網(wǎng)絡日漸復雜，多參數(shù)日益成為主流選擇。具體地，本發(fā)明使用吞吐量、丟包率和RSSI 值作為衡量參數(shù)。使用多個參數(shù)能夠為AP的通信質量提供多維的衡量標準，克服單個參數(shù) 的不足，因而可W為STA選擇質量最高的APdSTA的信息采集任務較低。與常見的AP中STA需 要采集、計算大量的數(shù)據(jù)不同的是，本發(fā)明提出的機制中，信息采集的任務由網(wǎng)絡轉發(fā)設備 和控制器承擔，STA只需按周期發(fā)送AP的RSSI值信息。與其他選擇機制相比，STA的采集任務 有一定的降低，因而有利于節(jié)約電量和工程實現(xiàn)。由SDN控制器進行AP選擇的集中控制;本 機制中的所有參數(shù)信息將發(fā)送至控制器，由控制器進行信息的處理工作，并由控制器做出 AP選擇的決策。由于控制器掌握了整個網(wǎng)絡的信息，因而能夠達到更好的負載均衡效果。根 據(jù)AP的負載程度和STA的活躍度進行有序的選擇。顯然，為了達到最有效的負載均衡效果， 網(wǎng)絡中負載最高、通信質量最低的AP應首先進行調整，所W本發(fā)明的方法將首先為丟包率 最高的AP下的STA進行選擇。同時，一個吞吐量高的STA對網(wǎng)絡性能更大，本發(fā)明的方法首先 為吞吐量較高的STA進行AP的調整。
【附圖說明】
[0043] 圖1是本發(fā)明實施例提供的基于SDN的WLAN集中式的AP選擇機制流程圖。
[0044] 圖2是本發(fā)明實施例提供的基于SND的WLAN系統(tǒng)結構示意圖。
[0045] 圖3是本發(fā)明實施例提供的MAC化ader的Frame Control域示意圖。
[0046] 圖4是本發(fā)明實施例提供的被動掃描示意圖。
[0047] 圖5是本發(fā)明實施例提供的主動掃描示意圖。
[0048] 圖6是本發(fā)明實施例提供的STA首次入網(wǎng)AP選擇過程示意圖。
[0049] 圖7是本發(fā)明實施例提供的STA入網(wǎng)后的動態(tài)AP選擇示意圖。
[0050] 圖8是本發(fā)明實施例提供的吞吐量與STA數(shù)量的關系示意圖。
[0051 ]圖9是本發(fā)明實施例提供的帖平均時延與STA數(shù)量關系示意圖。
[0052] 圖10是本發(fā)明實施例提供的平均重傳次數(shù)和STA數(shù)量關系示意圖。
[0053] 圖11是本發(fā)明實施例提供的平均切換次數(shù)與STA數(shù)量的關系示意圖。
【具體實施方式】
[0054] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，W下結合實施例，對本發(fā)明 進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并不用于 限定本發(fā)明。
[0055] 本發(fā)明基于中屯、控制的思想，充分發(fā)揮了 SDN控制器能夠掌握全網(wǎng)信息的優(yōu)勢，從 而AP選擇的正確性更高。將化enFlow協(xié)議應用在AP設備中，利用化enFlow協(xié)議進行WLAN參 數(shù)的采集，將信息處理的任務放在控制器上，STA只要發(fā)送極少的信息，無需參與信息處理， 減少了 STA的負擔，從而減低了 STA的開銷和能量消耗，同時選擇的效率更高;通過仿真結果 可知，本發(fā)明提出的方法能夠提升多AP聯(lián)合布網(wǎng)的WLAN系統(tǒng)中的吞吐量并減少在AP選擇中 STA的切換次數(shù)。
[0056] 下面結合附圖對本發(fā)明的應用原理作詳細的描述。
[0057] 如圖1所示，本發(fā)明實施例的基于SDN的WLAN集中式的AP選擇機制包括W下步驟： [005引Sioi:衡量參數(shù)的選擇，確定吞吐量T，測量AP的負載值，丟包率P_hop，接收信號 強度RSSI，STA活躍度；
[0059] S102:參數(shù)信息的采集，包括:吞吐量、丟包率、接收信號強度RSSI、STA活躍度；
[0060] S103:AP質量的計算，將吞吐量和丟包率相結合，使用公式衡量AP的通信質量；
[0061] S104: STA首次入網(wǎng)時的AP選擇，STA在使用網(wǎng)絡之前，先要通過掃描操作發(fā)現(xiàn)網(wǎng) 絡。掃描操作分為被動掃描和主動掃描；
[0062] S105: STA入網(wǎng)后的動態(tài)AP選擇。
[0063] 下面結合附圖對本發(fā)明的應用原理作進一步的說明。
[0064] 本發(fā)明實施例基于軟件定義網(wǎng)絡(SDN)的WLAN結構如圖2所示，運里的網(wǎng)絡拓撲分 為4個部分，從上至下依次為:控制器，交換機，接入點(AP)，終端(STA) "STA與AP進行關聯(lián)， 運里的AP支持化enFlow協(xié)議，能夠根據(jù)控制器發(fā)送的流表規(guī)則進行數(shù)據(jù)轉發(fā)，能夠在轉發(fā) 信息的同時根據(jù)流表匹配的情況記錄流量、請求等信息，并實時地將運些信息發(fā)送給控制 器。控制器處于最上層，負責下發(fā)流表，控制網(wǎng)絡設備的轉發(fā)性為。同時控制器對AP發(fā)送上 來的信息進行處理，根據(jù)信息處理的結果做出決策，并將決策信息發(fā)送至AP，執(zhí)行最終的AP 選擇。
[0(?日]本發(fā)明的方法簡稱為TpR(Iliroug)Iput，P_hop ,RSSI )AP選擇法。下面詳述參數(shù)的 選擇、計算和AP選擇的過程。
[0066] -、衡量參數(shù)的選擇
[0067] 1、吞吐量 T。
[0068] 當STA數(shù)量確定，負載在很大程度上決定了系統(tǒng)的效率。然而，要準確測量AP的負 載值，必須使用昂貴的無線抓包設備對各個信道進行不間斷抓包計算，運在成本W(wǎng)及復雜 度上是不現(xiàn)實的。所W只能估算或者用其他參數(shù)去衡量負載。首先選擇的衡量參數(shù)是吞吐 量。當然，吞吐量并不能完全反應AP的負載，因為只有在低負載時運兩者才近似相同，一旦 負載升高，負載和吞吐量的關系并不確定。不過由于使用的是多參量的方法，一個參量不能 全面反映負載，還會使用其他參量，將在下面解析。
[0069] 本發(fā)明認為使用歸一化吞吐量而非絕對吞吐量更合適，因為絕對吞吐量相同，最 大吞吐量的不同會導致AP表現(xiàn)各異。本發(fā)明中吞吐量用式(3-1)表示。
[0070]
巧 4'}
[0071] 2，丟包率?_化〇口。
[0072] 丟包率與負載、吞吐量有著密切關系，當負載增加而吞吐量不變甚至下降時，個中 原因就是大量的MAC帖碰撞導致的丟包率的上升。當然丟包率還受到誤碼率的影響。總之， 丟包率是衡量MAC層通信質量的重要標志。丟包率和誤碼率、MAC帖碰撞概率的關系可W表 示為：
[0073] P_dr〇p = I-(I-WR)X(I-Pc) (3-2)
[0074] 其中陽R表示誤包率，Pc表示碰撞概率。
[0075] 需要注意的是，本發(fā)明所指的丟包率是指無重傳機制的丟包率，亦即單次傳輸?shù)?丟包率。無重傳的丟包率有別于重傳機制下的丟包率，令后者表示為P_h〇p'，若最大重傳 次數(shù)為M，則兩者關系是(假設每次傳輸P邸和P。不變）：
[0076] P_drop!=P_dropM+i U-])
[0077] 3,接收信號強度RSSI。
[0078] 將RSSI作為選擇AP的唯一標準會導致網(wǎng)絡性能下降、網(wǎng)絡資源利用率降低等問 題。但是，信號強度是衡量通信質量時絕對不能忽略的因素，一旦RSSI降低，速率，帶寬，時 延，誤碼率，功耗等性能都會變差。所W本發(fā)明選擇將RSSI與其他參數(shù)結合，共同來衡量AP 質量，克服了單一參數(shù)的弊端。
[00巧]4, STA活躍度a。
[0080] STA活躍度定義為，某個STA的吞吐量占所在AP的總吞吐量的比例。在諸多文獻提 出的AP選擇方法中，關聯(lián)STA數(shù)量都被作為重要參數(shù)。但是在現(xiàn)實的WLAN系統(tǒng)中，不同STA的 業(yè)務性質差別較大，繁忙程度不同，數(shù)據(jù)量不同，蘇醒、休眠的狀態(tài)也可能不同，因而不同時 段內(nèi)AP的性能差別極大，而關聯(lián)STA數(shù)運個值顯得一刀切，不能動態(tài)反映當前STA的實時表 現(xiàn)W及對網(wǎng)絡性能的影響。使用活躍度，就可W描述在一段時間內(nèi)STA和AP的吞吐量分布情 況，如活躍的STA數(shù)量，流量是否集中等。
[0081] 二、參數(shù)信息的采集
[0082] 1，吞吐量。AP支持的最高吞吐量化ourghput_max在AP布設時是可W確定的，可W 讀取該值。而當前吞吐量化OU曲put_cu;r可W通過統(tǒng)計單位時間內(nèi)AP成功發(fā)送和接收的所 有MC帖來計算，即包括了所有的控制帖、管理帖、數(shù)據(jù)帖。
[0083] 2,丟包率。在IE邸802.11中，當某個帖丟失時會得到重傳，因而單次傳輸丟包率 可W根據(jù)重傳帖占總帖數(shù)量的比例計算。下行數(shù)據(jù)中，AP可W統(tǒng)計本身發(fā)送的總帖數(shù)和重 傳的帖數(shù)。上行數(shù)據(jù)中，在IE邸802.11帖頭的化ame Control域中，bitll為RetiT位，當 Re try為1時，表明該帖為重傳帖，如圖3所示。AP檢查接收帖的Re化y位，即可得知該帖是否 為重傳的MAC帖。在化enF 1OW擴展流表中，添加匹配RetiT位的流表項，即可使用流表項中的 計數(shù)器統(tǒng)計上行的重傳帖數(shù)。
[0084] 3,接收信號強度RSSI。運是獲取的所有參量中唯一一個需要STA參與獲取的。需要 STA在工作過程中定期打開接收機，并被動地掃描所有WLAN信道，得到附近各個AP的RSSI， 并將其發(fā)送至APdRSSI是影響通信質量最重要的因素之一，所W設定了一個闊值RSSLIow = -75dBm，只有高于運個值的AP信號才會予W發(fā)送，其余一律拋棄。RSSI值信息包含了STA 能夠重新關聯(lián)的候選AP，控制器將從運些候選AP中進行AP選擇。
[0085] 4，STA活躍度。在SDN中計算各STA的數(shù)據(jù)量是極為方便的，通過流表項來匹配STA 的MAC地址即可，流表項中的計數(shù)器將自動為匹配成功的數(shù)據(jù)包進行計數(shù)工作。如下的結構 體即為化enFlow協(xié)議中的匹配結構體，下劃線部分即可用來統(tǒng)計單個STA的吞吐量W計算 活躍度。
[0086]
[00871
[0088] S、AP質量的計算
[0089] W上即為TPR選擇方法中使用的4個參數(shù)，運4個參數(shù)的使用方式如下。
[0090] 考慮到吞吐量只能在較低值時衡量負載的情況，而相反，丟包率只在高負載時是 一個較好的衡量標準，在低負載情況下其區(qū)分度并不明顯。比如，有的AP下負載低時丟包率 較低，但即使有的AP下負載高，由于STA數(shù)量較小，丟包率同樣較低。所W吞吐量和丟包率單 獨使用時，并不能有效衡量負載情況。因而將吞吐量和丟包率相結合，使用公式(3-4)來衡 量AP的通信質量，式中P_hopi、Ti分別表示第i個AP的丟包率和吞吐量。通過將兩個參量結 合，不同情況的網(wǎng)絡狀況都能夠得到反映。
[0091] Q(P_dropi，Ti) = (l-P_dropi) X (I-Ti) (3-4)
[OOW] 令RSSIi,徒示STA浪收到的APi的信號強度。在加入RSSI后，將AP擁于STAj的質量 定義為(3-5 )，其中化,j越大表示該APi, j對于當前STAj的質量越高。當需要調整STA關聯(lián)的AP 時，將選擇Qi J最大的那個AP。
[0093] Qi'j = (l-P_dr〇pi) X (I-Ti) XRSSIiJ (3-5)
[0094] 活躍度并沒有直接放入式(3-5)中，它的作用在于影響AP選擇的順序。一個STA的 活躍度越高，則占用的資源越多，對于AP性能的影響越大，應先進行AP選擇。
[0095] 四、STA首次入網(wǎng)時的AP選擇
[0096] STA在使用網(wǎng)絡之前，先要通過掃描操作發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡。掃描操作分為被動掃描和主動 掃描。
[0097] 被動掃描時，STA只需開啟接收機，無需發(fā)送信息。為了使STA獲知BSS(Base Service Set,基本服務集）的信息，AP會周期性發(fā)送Beacon帖，被動掃描時STA在WLAN規(guī)定 的各個信道間切換并等待Beacon帖的到來，根據(jù)Beacon帖分析各AP信息從而選擇最優(yōu)AP進 行關聯(lián)，如圖4所示。
[0098] 主動掃描時，STA扮演積極的角色，需要主動發(fā)送Probe_Req帖W尋找周圍的網(wǎng)絡。 根據(jù)Pr〇be_Req帖中是否攜帶明確的SSID(Service Set Identifier,服務集標識)值，主動 掃描可W分為兩類。
[0099] 如果STA發(fā)送的Probe_Req帖中的SSID域為特定SSID值時，當該SSID對應的AP收到 ?1'〇66_1?69帖后，回復?1'〇66_1?63口〇]136帖，而其他4?收到?1'〇66_1?69帖后不會回復，如圖5(日） 所示。運種方式適用于STA需要關聯(lián)到指定AP的情況。
[0100] 如果STA發(fā)送的Probe_Req帖中的SSID域為空，貝化TA需要在各個信道上廣播此帖， 表明STA意圖加入周圍的網(wǎng)絡。所有收到該P;robe_Req帖的AP都將回復P;robe_Response帖。 STA根據(jù)P;robe_Response判斷AP的情況，進而選擇最優(yōu)AP進行關聯(lián)，如圖5(b)所示。運種方 法適用于STA通過主動掃描選擇AP的情況。
[0101] STA首次入網(wǎng)的AP選擇方法是，STA使用主動掃描(Probe_Req帖中的SSID值為空） 發(fā)現(xiàn)周圍網(wǎng)絡，AP接收至化robe_Req帖后并不會馬上回復，而是將其轉發(fā)至控制器?？刂破?從接收到Probe_Req帖的AP中選擇一個最優(yōu)者AP_best。最后SDN控制器向Atbest發(fā)送指 令，允許其處理Probe_Req帖，AP_best即可向STA回復P;robe_Response帖，并與STA關聯(lián)。而 對于其他接收到Probe_Req帖的AP，SDN控制器將不予回復，運些AP口將不會向STA發(fā)送 P;robe_Response，從而保證STA只會與AP_bes t關聯(lián)。如圖6所示。
[0102] 由于對化enFlow流表匹配域進行了擴展，流表項可W匹配帖類型，將在每個AP中 下發(fā)一個特殊的流表項，即Pr〇be_Req帖匹配流表項。該流表項基于MAC帖頭化ame Con化〇1 域的Type和Subtype字段，使得AP可W識別出P;robe_Req帖，進行匹配。同時將該流表項的動 作域設置為打包發(fā)送至控制器，進而控制器可W對STA的探測請求作出處理。在首次入網(wǎng) 時，STA和AP都無法判斷對方的位置信息，此時將公式(3-5)中RSSI的意義調整為AP收到STA 的Probe_Req帖的接收信號強度，該值可W反映 STA與AP的距離，距離越小，RSSI越大。具體 步驟如下：
[0103] 1、STA主動掃描網(wǎng)絡，在各個信道上發(fā)送Probe_Req請求(SSID = Nul 1)。
[0104] 2、各AP接收到Probe_Req帖后匹配流表項，匹配后根據(jù)動作要求將該MAC帖發(fā)送至 控制器，阻止AP進一步處理該信息，防止AP向STA發(fā)送P;robe_Response。
[0105] 3、AP計算接收到的STA的Probe_Req帖的RSSI，將該RSSI發(fā)送至控制器。
[0106] 4、SDN判斷收至化robe_Req的AP的數(shù)量，如果只有一個AP收到，則選擇過程停止?？?制器將Pr〇be_Req匹配流表項的動作域修改為Normal，并將P;robe_Req帖返回至該唯一收到 請求的AP。
[0107] 5、如果多個AP收到請求?？刂破鞲鶕?jù)公式(3-5)計算，為STAj選擇質量Qi, j最大的 APi,即為AP_best。
[0108] 6、對于AP_best，控制器將其Probe_Req匹配流表項的動作域修改為normal,并將 其發(fā)送來的Probe_Req帖返回，而對于其他AP，控制器將Probe_Req帖刪除。
[0109] 7、對于收到控制器返回的P;robe_Req帖的AP_best，由于P;robe_Req匹配流表項的 動作域已經(jīng)設為Normal，該AP可按照正常過程回復P;robe_Response，緊接著STA與該AP進行 關聯(lián)。其他AP不再處理STA的Probe_Req帖。
[0110] 五、STA入網(wǎng)后的動態(tài)AP選擇
[0111] STA入網(wǎng)后的動態(tài)AP選擇，如圖7所示。
[0112] 1、4?按照3.4.2節(jié)的方法測量吞吐量1\丟包率?_化〇9、接收信號強度1?551、51八活 躍度a，并將運些參數(shù)定期發(fā)送至控制器。
[011引2、控制器根據(jù)每個AP下總的丟包率t化OPi，對AP按進行排序，按P_hopi從高到低 的順序進行輪詢。
[0114] 3、設定一個無重傳丟包率闊值，P_hop_tbesho Id = 0.3，對于APi，若
[0115] P_hopi>P_化op_threshold，則表明無線網(wǎng)絡內(nèi)的沖突率大，負載過重，需要進 行負載均衡，因而對與其關聯(lián)的STA進行新的AP選擇。若丟包率較小，則返回步驟1，查看下 一個 AP O
[0116] 4、將AP下的STA按照活躍度a進行排序，并按活躍度從大到小輪詢STA。選擇當前AP 中未被調整過的且活躍度最高STA進行調整。
[0117] 5、計算AP質量化,j，為STAj選擇質量最大的APi。
[0118] 6、重新選擇的AP若是原AP，則不作調整，返回步驟3。如果重新選擇的AP與原AP不 同，進入步驟7。
[0119] 7、SDN控制器向AP發(fā)送指令，AP執(zhí)行操作將STA關聯(lián)至新的AP。返回步驟3。
[0120] 下面結合仿真對本發(fā)明的應用效果作詳細的說明。
[0121] 將TPR選擇方法和傳統(tǒng)的RSSI選擇法及MTO方法進行了對比。仿真參數(shù)見表1，仿真 結果見圖8~圖11。
[0122] 本發(fā)明中用OP肥T14.5軟件對本發(fā)明中提出的基于SDN的AP選擇機制進行仿真分 析，仿真場景為l〇〇*l〇〇m的辦公網(wǎng)絡，具體的仿真拓撲圖中由上至下分別為控制器節(jié)點、普 通交換機節(jié)點、AP節(jié)點、STA節(jié)點，普通交換機只負責則二層數(shù)據(jù)的傳輸。由于目前OP肥T不 支持，并非直接使用化enFlow協(xié)議。采用的方法是，讓STA定期將各AP的RSSI值發(fā)送至AP;AP 自身統(tǒng)計了吞吐量、丟包率、STA活躍度W及STA發(fā)送的RSSI值后，直接將運些數(shù)據(jù)發(fā)送至控 審IJ器節(jié)點;控制器對運些信息作相應處理，將選擇結果發(fā)送至AP;控制器中添加了本發(fā)明中 的機制的計算程序，根據(jù)AP發(fā)送的數(shù)據(jù)進行計算，同時AP中添加了關聯(lián)請求處理邏輯，根據(jù) 控制器的結果處理STA的關聯(lián)請求。在STA首次入網(wǎng)時，只有最優(yōu)AP回復STA，W實現(xiàn)STA關聯(lián) 最優(yōu)AP;入網(wǎng)后，當控制器為STA選擇了新的AP時，原AP與STA取消關聯(lián)，然后其他AP根據(jù)控 制器的選擇結果執(zhí)行與STA首次入網(wǎng)時相同的動作，即只有最優(yōu)AP回復STAW實現(xiàn)重新關 聯(lián)?？紤]到控制器與AP之間是控制通道，其信息發(fā)送不受數(shù)據(jù)通道影響，且有線的控制通道 帶寬較大，因而處理的時間消耗可W忽略，運與實際網(wǎng)絡比較符合。
[0123] 表1仿真參數(shù) rni94i
L0125J 如閣8為小問AP選掙萬巧之間的奮吐量對比閣。STA數(shù)量從20變化劍100,奮吐量義 用歸一化值，即實際吞吐量占網(wǎng)絡中最大吞吐量的比例。
[0126]從圖中看到，=條曲線的共同特點是，隨著終端數(shù)量的增加，網(wǎng)絡負載隨之增加， 但是吞吐量的增加幅度越來越小。運一點符合上文的分析，即在采用DCF競爭機制的無線局 域網(wǎng)中，隨著負載的增加吞吐量將逐漸保持恒定甚至減少。S條吞吐量曲線中，通過RSSI進 行AP選擇的方法的吞吐量最低，MTO算法對應的吞吐量相比于RSSI有了明顯的提升，而本發(fā) 明提出的WR在MPD的基礎上又有了一定的增長。RSSI方法只能根據(jù)單個參數(shù)信息選擇AP， 難免會造成某些AP下的STA比較集中，因而碰撞相對嚴重，影響了網(wǎng)絡吞吐量的提升;并且 RSSI方式在選擇AP之后，如果不是節(jié)點移動或者AP故障導致RSSI值過低，STA并不會重新選 擇AP，沒有均衡的結果就是，RSSI機制下的吞吐量只達到最大吞吐量的40%左右。MPD算法 通過發(fā)送一定數(shù)量的探測帖并計算回復時延對AP的負載做了估計，因而能夠選擇負載較低 的的AP，運使得網(wǎng)絡的沖突減少，吞吐量有了明顯的提升。本發(fā)明提出的TPR機制，綜合考慮 了吞吐量、丟包率和RSSI，因而STA在選擇輕負載AP的同時兼顧RSSI，一定程度上保證了傳 輸速率;更重要的是，TPR方法發(fā)揮了SDN集中控制的優(yōu)勢，不僅能在STA初次接入網(wǎng)絡時讓 其關聯(lián)至最優(yōu)AP，在網(wǎng)絡的運行過程中，一旦某個AP的負載過大，控制器將主動為其選擇新 的AP，從而網(wǎng)絡的負載量一直處于動態(tài)的均衡之中，波動較小，自然吞吐量值會有上升。 [0127]圖9為帖平均時延對比圖。帖時延是指從STA開始信道競爭到AP成功接收帖的時 延。一般情況下帖時延為發(fā)送時延、傳播時延、處理時延、排隊時延之和。圖中顯示，隨著STA 數(shù)量的增加，帖平均時延不斷上升，=種方法皆是如此。帖平均時延的與吞吐量方面，不同 方法產(chǎn)生差異的原因相似，可W發(fā)現(xiàn)Mro和ITR都比RSSI的時延要小，S者中TPR的表現(xiàn)最 佳。
[012引圖10為平均重傳次數(shù)的對比圖。可W發(fā)現(xiàn)，隨著STA數(shù)目的增加，TPR和MH)算法的 重傳次數(shù)上升較幅度小，與RSSI的差距逐漸拉大。TPR的平均重傳次數(shù)較RSSI和MPD分別減 少了 40%和30%。從不同偵曬反映出TPR機制在多AP環(huán)境下的負載均衡的優(yōu)越性。
[0129] 圖11表示平均切換次數(shù)與STA數(shù)量的關系圖，平均切換次數(shù)表示，在仿真時間內(nèi)所 有終端的平均切換次數(shù)。
[0130] MPD-5、MPD-10分別表示使用5次和10次Probe_Req帖的MPD算法。從圖中可W看到， 在STA數(shù)量少、負載較低時，S者的差別并不明顯，數(shù)量、負載增加時，差距亦加大。MPD-5的 平均切換次數(shù)最多，在100個終端時全網(wǎng)有多達33次的切換，MPD-IO的切換次數(shù)相比MPD-5 明顯減少;運主要由于MPD-IO比MPD-5發(fā)送了更多次數(shù)的Probe_Req帖，因而能夠更準確的 估計出AP下的負載情況，切換的成功率更高，因而切換次數(shù)得W減少。同時本發(fā)明提出的 TPR機制對比MPD-IO，切換次數(shù)亦大幅減少;該效果主要得益于TPR方法能夠根據(jù)STA的活躍 度安排切換的順序，即由于活躍度較高的STA對于AP的負載貢獻最大，產(chǎn)生的W及受到的影 響也最大，所WlTR優(yōu)先安排切換，如此一來只要切換相對少的STA就能夠均衡AP之間的負 載情況，而MH)方法中STA獨立決定切換，經(jīng)常發(fā)生的情況的是，許多活躍度較低的STA進行 切換，增加了切換次數(shù);不可忽視的是，由于SDN控制器主導了調度的過程，制定了切換的順 序，當某一部分網(wǎng)絡的負載過大時，STA將有秩序的進行AP的切換，成功率幾乎為1，不需要 往返的切換；反觀MPD，由于STA獨立決定切換且沒有順序，多個STA可能同時切換到另一個 AP，運樣一個AP的負載快速降低但是另一個AP的負載又會上升，部分STA需要重新切換，增 加了無謂的切換次數(shù)。
[0131] W上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用W限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1. 一種基于SDN的WLAN集中式的AP選擇機制，其特征在于，所述AP選擇機制方法利用 SDN集中控制的優(yōu)勢，掌握整個網(wǎng)絡的信息;數(shù)據(jù)運算和信息處理的任務放在控制器上;根 據(jù)AP的負載程度和終端的活躍度按順序進行選擇。2. 如權利要求1所述的基于SDN的WLAN集中式的AP選擇機制，其特征在于，所述AP選擇 機制方法具體包括以下步驟： 衡量參數(shù)的選擇，確定吞吐量T，測量AP的負載值，丟包率?_扣〇?，接收信號強度RSSI， STA活躍度； 參數(shù)信息的采集，包括:吞吐量、丟包率、接收信號強度RSSI、STA活躍度； AP質量的計算，將吞吐量和丟包率相結合，使用公式衡量AP的通信質量； STA首次入網(wǎng)時的AP選擇，STA在使用網(wǎng)絡之前，先要通過掃描操作發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡，掃描操作 分為被動掃描和主動掃描； STA入網(wǎng)后的動態(tài)AP選擇。3. 如權利要求2所述的基于SDN的WLAN集中式的AP選擇機制，其特征在于，所述吞吐量 T，用式表示：丟包率P_drop，丟包率和誤碼率、MAC幀碰撞概率的關系表示為： P_drop= 1-( 1-PER) X (Ι-P。）； 其中PER表示誤包率，Pc表示碰撞概率； 丟包率是指無重傳機制的丟包率，亦即單次傳輸?shù)膩G包率，無重傳的丟包率有別于重 傳機制下的丟包率，令后者表示SP_drop'，若最大重傳次數(shù)為M，則兩者關系是： P_drop' =P_dropM+1 ； STA活躍度α，定義為，某個STA的吞吐量占所在AP的總吞吐量的比例。4. 如權利要求2所述的基于SDN的WLAN集中式的AP選擇機制，其特征在于，所述AP質量 的計算將吞吐量和丟包率相結合，使用公式來衡量AP的通信質量，式中P_dropi、Ti分別表示 第i個AP的丟包率和吞吐量，通過將兩個參量結合，不同情況的網(wǎng)絡狀況都能夠得到反映； Q(P_dropi，Ti) = (l-P_dropi) X (Ι-Ti); 令RSSIi,j表示STAj接收到的APi的信號強度，在加入RSSI后，將APi對于STAj的質量定義 為下式，其中Qi,j越大表示該APi,j對于當前STAj的質量越高；當需要調整STA關聯(lián)的AP時，將 選擇Qi, j最大的那個AP: Qij=(l-P_dropi) X (1-Ti) XRSSIij； 活躍度并沒有直接放入上式中。5. 如權利要求2所述的基于SDN的WLAN集中式的AP選擇機制，其特征在于，所述STA首次 入網(wǎng)時的AP選擇，STA在使用網(wǎng)絡之前，先要通過掃描操作發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡，掃描操作分為被動掃 描和主動掃描，在首次入網(wǎng)時，STA和AP都無法判斷對方的位置信息，此時將公式&,」=(1_ P_dropi) X (1-Ti) XRSSIi,j中RSSI的意義調整為AP收到STA的Probe_Req幀的接收信號強 度，值反映 STA與AP的距離，距離越小，RSSI越大，具體步驟如下： 步驟一、STA主動掃描網(wǎng)絡，在各個信道上發(fā)送Probe_Req請求(SSID = Null); 步驟二、各AP接收到Pr〇be_Req幀后匹配流表項，匹配后根據(jù)動作要求將該MAC幀發(fā)送 至控制器，阻止AP進一步處理該信息，防止AP向STA發(fā)送Probe_Response; 步驟三、AP計算接收到的STA的Pr〇be_Req幀的RSSI，將該RSSI發(fā)送至控制器； 步驟四、SDN判斷收到Probe_Req的AP的數(shù)量，如果只有一個AP收到，則選擇過程停止， 控制器將Probe_Req匹配流表項的動作域修改為Normal，并將Probe_Req幀返回至該唯一收 到請求的AP; 步驟五、如果多個AP收到請求，控制器根據(jù)公式Qi,j = (l-P_dropi) X (1-Ti) XRSSIi,j計 算，為STAj選擇質量Qi, j最大的APi，即為AP_best; 步驟六、對于AP_best，控制器將其Probe_Req匹配流表項的動作域修改為normal，并將 其發(fā)送來的Probe_Req幀返回，而對于其他AP，控制器將Probe_Req幀刪除； 步驟七、對于收到控制器返回的Probe_Req幀的AP_best，由于Probe_Req匹配流表項的 動作域已經(jīng)設為Normal，該AP可按照正常過程回復Probe_Response，緊接著STA與該AP進行 關聯(lián)，其他AP不再處理STA的Probe_Req幀。6.如權利要求2所述的基于SDN的WLAN集中式的AP選擇機制，其特征在于，所述STA入網(wǎng) 后的動態(tài)AP選擇具體包括： 步驟一、測量吞吐量T、丟包率P_drop、接收信號強度RSSI、STA活躍度α，并將這些參數(shù) 定期發(fā)送至控制器； 步驟二、控制器根據(jù)每個ΑΡ下總的丟包率P_dropi，對ΑΡ按進行排序，按P_dropi從高到 低的順序進行輪詢； 步驟三、設定一個無重傳丟包率閾值，P_drop_thr e sho 1 d = 0.3，對于APi，若 P_dropi > P_drop_thresho 1 d，貝lj表明無線網(wǎng)絡內(nèi)的沖突率大，負載過重，需要進行負載 均衡，因而對與其關聯(lián)的STA進行新的AP選擇;若丟包率較小，則返回步驟一，查看下一個 AP; 步驟四、將AP下的STA按照活躍度α進行排序，并按活躍度從大到小輪詢STA;選擇當前 ΑΡ中未被調整過的且活躍度最高STA進行調整； 步驟五、計算ΑΡ質量Qi, j，為STAj選擇質量最大的APi; 步驟六、重新選擇的AP若是原AP，則不作調整，返回步驟三；如果重新選擇的AP與原AP 不同，進入步驟七； 步驟七、SDN控制器向AP發(fā)送指令，AP執(zhí)行操作將STA關聯(lián)至新的AP，返回步驟三。
【文檔編號】H04W48/20GK105828385SQ201610140150
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月11日
【發(fā)明人】陳晨, 劉紅運, 趙力強, 李紅艷, 侯蓉暉, 劉勤, 張順, 馬英紅
【申請人】西安電子科技大學