论文研究-无线局域网下一种基于预处理的切换模式.pdf

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针对移动节点(mobile node,MN)在无线局域网中切换时,产生的切换延迟会严重影响实时应用的性能和丢包率问题,提出了一种基于预处理的切换模式。该模式是在满足预处理条件下,启动一种预先信道扫描算法,实施数据包的预转移和预恢复操作。这种切换模式不仅消除了切换过程中的信道扫描,而且实现了提前将发往MN的数据包转发到目的AP,从而解决了MN与对端主机建立路径所造成的丢包率过大的问题。实验结果表明,该切换模式降低了对实时应用的影响,达到了降低丢包率、减小切换延迟的目的。
第3期 王新建,等;无线局域网下一种基于预处理的切换模式 1131 d)当前AP确定目的APs的通知帧以后,首先会将确定目PS成员的MAC地址,由此 AP DEST也中止预恢复过程。 的AP的通知帧转发给AP_ DESTS的所有成员;然后会将向待下一个时间段内收到MN发出的发现新的AP的通知帧时 AP DESTS所有成员转发的数据包的序列号范围以组播的形重新启动预转发和预恢复过程。 式告知目的APs;最后会将发住MN的数据包以组播的形式向1.3基于预处理的切换过程 日的APs转发 MN提前信道扫描完毕之后APs表中含有目的APs的相 号的范围,是为了当前AP向日的AB通告发住MN的数据包关信息。下面对提出的基于处理的切换过程进行详细描述。 的流向;b)更浙转发的数据包的序列号范围的原则是将向AP DEST1转发的数据包的序列号的最大值修改为向AP_DEST 当MN收到当前AP的信号强度为切换的门限值时,开始切 转发的数据包的序列号的最大值;)进行MAC地址转发的目换。基于顶处理的切换过程如下 的是便于 AP DEST1对AP1的成员进行数据包预恢复操作。 a)当信号强度低于 Th New AP而高于 Th handoff时,MN 1.2.3数据包的预恢复过程 触发后台的基于信道掩码的预先信道扫描程序。 数据预恢复采用了push技术。所谓psh技术是一种基 b)完成步骤a)后将得到一个APs表,将该列表放入缓存。 于客户服务器机制,由服务器主动地将信息发往客户端的技 c)完成扫描后,MN检测收到的信号强度,决定是继续进 术。在puh应用中,在服务器发送内容给客户机之前,没有明行扫描还是进行切换。 显的客户机请求,也就是说,push事务是由服务器发起的。 d)如果信号强度低于 Th handoff,切换过程开始,M丶读取 数据预恢复是在预测到MN可能会发生切换以及切换过级存中AP表的信息,否则返回a)。 程中所涉及到的AP之间的数据包交换,即W\可能会重新连 e)MN向APs表中的AP进行连接。如果连接成功,转 接的AP在从当前AP获取缓存数据包之前,提前从附近的间g。 f)当MN与APs表中第一个AP未连接成功时,尝试与第 AP上恢复一些将要从当前AP迁移出的数据包。这里指的是 AP DEST通过组播技术向APSA的成员或者 AP DESTS向目 二个AP连接。依此类推,如果所有AP都未能连接成功,启动 的APs转发发往MN的数据包的过程。由于目的AP与AP 选择性扫描算法。将MN与AP1-AP3连接成功分别称为缓 DESTS是一对多的关系,加快了数据的恢复速度。 存查询1-5次命中。如果所有AP都未能迕接成功,启动选 数据预恢复的过程描述如下 择性信道扫描算法。 g)与目的AP连接以后,将新的AP所在信道的信道掩码 a)(i≥2)时间段内, AP DEST1将接到的数据包以组描设置为0.旧的AP所在信道的信道掩码设置为1,以保证下 的形式向APS转发。 次切换时预先信道扫描会扫描到新的AP所在的信道。 b)目的APs查看当前AP向各个 AP DEST转发的数据包 的序列号范围,根据自己的需要向 AP DESTS的某些成员索取2实验和评估 发往MN的数据包 值得说明的是,步骤b)中日的APs在向AP_ DESTS索取 本实验的目的是验证基于预处理的切换模式在VoP等实 数据包的原则是先索取序列号大的数据包,这是由于当预处理时应用上的性能优于其他切换模式。切换时的丢包率、切换延 的时间比较长时,预先存储在 AP DESTS中的数据包可能是迟是评价VoP等实时应用性能的主要参数。因此,本实验从 MN与旧AP连接时已经接收过的。先索取序列号大的数据包切换时的丢包率和切换延迟上与其他的切换模式进行比较。 可以避免这种情况的发生 2.1仿真实验场景设置 1.2.4对预处理过程的控制 MN在z2区域并向远离当前AP的方向移动时,会启动预 仿真模型是由通信对端主机CN和六个AP以有线方式与 先信道扫描算法,并将扫措的结果送入缓你;与此同时,当前 以太网交换机 switch相连,如图3所示。有线带宽为100Mhs, AP会根据MN提供的发现新的AP的信息进行数据包的预转无线802.1分的带宽为11Mp。所有有线链路采用全双工 移和预恢复操作。这种方法虽然可以根据MN探测到的新的的工作方式,移动节点MN作为数据包的接收端,通信对端主机 AP作为数据包的转发目标,但是数据包转发如果不考虑MN CN作为数据的发送端,包的大小为1024Bte,AP缓存队列大 相对于当前AP的位置或者移动方式,数据包转发所造成的网小为10个包。N按图4的轨迹以2m/s的速度进行移动,将 络开销将是很大的,可能会产生不必要的数据包转发。如MN当前AP确定预转移和预恢复对象的时间段取值为0.5s,Th 在静止或者向当前AP移动时,就不必进行数据包的预转移和 ewAP取值为-72dBm, Th handof取值为-82dBm。 预恢复操作。预处理过程的控制步骤如下: a)MN进行预先信道扫描后,定期计算收到当前AP的信 switch 号强度 RSSI new,并根据上次收到的信号强度RSSI_old,计算 信号强度之差△RSS,即 ARSSI= RSSI new-RSSI old 如果△N<0,则MN向当前AP发送发现新的AP的通知帧; 图3网络拓扑 图4MN移动轨迹 否则,不向当前AP发送发现新的AP的通知帧。 b)当前AP在T时间段内未收到MN发出的发现新的A 2.2实验结果分析 的通知帧时,中止预转发过程,并且不向AP_DFST转发 按照上面的场景布置,本文先后对三种切换方案,即基于 ·1132 计算机应用研究 第27卷 AP的预先转发切换、基预先信道扫描切换和文中提出的基充分发挥两种方法的优点。基于预处理的切换模式已纤在无 于预处理的切换在同样的条件下进行仿真。 线局域网中得到应用,特别是对于移动VoP的切换过程,其有 三种切换模式在两种不同的情况下的丢包率的对照结果很好的应用价值。本文的后续工作将对MN根据接收到的信 如图5所示。在MN与CN建立路径的过程中,基丁预先信道号强度进行切换时,可能会导致各个AP之间的负载出现不平 扫描切换模式的丢包率最人,如图5所示,这是由于预先信道衡,使网络的整体性能下降,造成无线资源浪费的问题进行 扫描切换在路径建立之前,目的AP没有预先存储发往MN的研究。 数据包,因此路径建立过程中产生的数据包就可能丢失;而后参考文献 两种切换模式都是提前将发往MN的数据包向目的AP转发 [1] MISHRA A, SHIN M, ARBAUGH W. An empirical analysis of the 使得目的AP可以在与WN建立连接以后,立即将数据包向 IEEE 802. 11 MAC layer handoff process J. ACM SIGCOMM MN转发,因此,两者在这个过程中的丢包率比较小。然而,在 Computer Communications Review( ACM CCR), 2003, 33(2) 整个切换过程中,基于预处理切换模式的丢包率最小,基于AP 93-10 的预先转发切换模式丢包率最大,这是山于后者仅仅铰好地解21CHAB,E0sH, CHOIY M,cta. Mobile-velocity adaptive vertic 决了MN与CN建立路径过程中的丢包率,但是由于它的切换 handoff in integrated WLAN and WiBro networks[C//Proc of Infor mation and Automation for Sustainability. 2008. 384-389 延迟比较大;整个过程中的丢包率还是比较大,前者不但解31D: CLEYN P, WIJNGAERT N, CERDA I,…a.Aml 决∫建立路径过稈中的丟包率,而且由于其切换延迟也比较 handoff scheme using IEEE 802. 1 l triggers- design and implementa 小,因此整个过程中的丢包率也比较小。基丁预先信道扫描切 tion[J]. Computer Networks, 2004, 45(3): 345-361 换模式由于切换延迟要小于某于AP预先转发的切换模式的[4]杨仁忠,侯紫峰,基于AP预先转发的802.11元线局网切换机 切换延迟,它在整个切换过程中的丢包率也要小于基于AP的 制研究[冂].计算机研究与发展,2004,4(8):1376-1381 预先转发模式的丢包率。 [5 IEEE Str 802. 11r. Partl 1: Wireless medium access control( MAC) nd physical layer specifications: amendment 8: Fast BSs transition 基于预先信道扫描和基于预处理的切换模式的切换延迟 LS. New York: Institute for Electrical and Electronic Engineers Inc 均较小,基于AP的预先转发切换模式的切换延迟最大,如图6 所示,这是由于前两者都提前进行了信道扫描,进而消除了切61 SHIN M, MISHRA A, ARBAUGH W. Improving the latency of802.1l 换过程中的信道扫描延迟,两者的切换延迟均较小。而基于 handoffs using neighbor graphs[ C]//Proc of the 2nd International AP预先转发切换模式,由于没有提前进行信道扫描,其切换廷 onference on Mobile Systems Applications and Services. New York: EEE Press,2004:70-83 迟要远远大于其他两种切换模式。 [7] RAMANI I, SAVAGE S. Sync: Scan: pracLieal fast handoff for 802.11 frastructure networks[ C]//Proc of IEEE IN FOCOM 2005. New York. IEEE Press. 2005: 675-684. 于AP预转发 于先信道扫 [8 SHIN S, RA WAT A S, SCHULZRINNE H Reducing MAC layer hand off latency in IEEE 802 1 1 wireless LANs[C]//Prac of ACM Mobi Wac 04. New York. ACM Press. 2004:19-26 律立路径丢包切换总的丢包 基于AP基于预先基于 图5三种切换模式在两种 预先转发信道扫描预处理 [9 MUSTAFA N, MAHMOOD W, AHSAN A, et al. Pre-scanning and d 不同的情况下的丢包率 图6三种切换模式的切换延迟 namie caching for fast handoff at MAC layer in IEEE 802.lI wireless LANs C//Proc of IEFF International Conference on Mobile Ad hoc 3结束语 and Sensor Systems. Washington DC: IEEE Computer Society, 2005 预转移和预恢复都可以缩短数据包迁移的时间,提高服务「10李如玮.鲍长春.VlP丢包处理技术的研究进展「J.通信学报 切换质量。预转移的效果在丁对MN的会发生切换的目的 2007,28(6):103-110 AP的准确预测程度,而预恢复是利用数据包在进行迁移同步11 CHOI C H,KIMMⅡ,KMTJ,eal. Adaptive bandwidth reservation 时的空隙,在大多数情况下都可以提高部分服务切换质量。预 mechanism using mobility probability in mobile multimedia computing environnent[ Cl//Prue of the 25 th Annual IEEE Conference on Local 恢复可以得益于预转移,因为预转移使得预恢复时可以从邻居 Computer Networks. Washington DC: IEEE Computer Society, 2000 AP得更多的数据包,所以结合使用预转移和预恢复,可以 76-85 上接第1128页) [6 ALSINDI N, PAHLAVAN K. Indoor cooperative localization bounds 1 3 GUVENC I, SAHINOGLU Z. TOA estimation for IR-UWB systems for ultra-wideband wireless sensor networks[ J. EURASIP Journal with different transceiver Types[J]. IEEE Journal of Selected on Advances in Signal Processing, 2008, 2008: 1-13 Topics in Signal Processing, 2007, 1(3): 100-103 [7] SIWIAK K, GABIG J. IEEE 802. 15. 4IG a informal call for application [4 GUVENC I, SAHINOG LU Z Threshold-based TOA estimation for im responsecontribution#ilEb/oL1.(2003-07).http://www ieee802. org/15/ puh/TC4 a html pulse radio UWB systems[ C//Proc of IEEE International Conference [8]王金龙.无线超宽带(UWB)通信原理与应用[M].北京:人民邮 on Ultra- wideband. 2005. 420-425 电出版社,2005 [5 STOICA L, RABBACHIN A, OPPERMANN I, et aL. A low-complexity [9] YU K, OPPERMANN I UWB pOsiTioning for wireless embedded ueL non-coherent IR-UWb transceiver architecture with toa estim ation works[ C//Proc of IEEE RAWCON. 2004: 459-462 [JJ. IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques, 2006, 10 SHEN Xue-min. Ultra-wide band wireless communications and net 54(4):1637-1646 works[ M]. Chichester: Wiley, 2006

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