基于移动方向预测的SDWN无缝切换方案.pdf

第36卷第2期2023年6月Vol.36 No.2Jun.2023闽南师范大学学报（自然科学版）Journal of Minnan Normal University（Natural Science）基于移动方向预测的SDWN无缝切换方案林嘉燕（福建信息职业技术学院,福建 福州 350003）摘要：针对软件定义无线网络(SDWN)中接入点密集部署场景中的切换问题，从用户侧角度提出基于移动方向预测的SDWN无缝切换方案.该方案引入路径向量，综合考量信号强度值、接入点负载和路径向量等参数在切换中的作用，重新构造SDWN网络中切换权重因子，为用户选择最优的无线接入点.通过开源平台Mininet-WiFi仿真对比，证明该方案可以有效减少不必要的切换，提升用户体验.关键词：软件定义无线网络；移动方向；切换；路径向量；权重因子中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：2095-7122（2023）02-0078-07SDWN seamless handover scheme based on moving direction predictionLIN Jiayan(Department of Software Engineering,Fujian Polytechnic of Information Technology,Fuzhou,Fujian 350003,China)Abstract:Aiming at the handover problem in the dense deployment scenario of access points in software defined wireless networking(SDWN),a seamless handover solution based on moving direction prediction SDWN is proposed,which considers much more users sake.Based on the comprehensive consideration of signal strength value,access point load and path vector and other parameters,this solution reconstructs SDWN the handoff weight factor to select the optimal wireless access point for users.Through the simulation and comparison of the Mininet-WiFi,it is proved that the scheme can effectively reduce unnecessary switching and improve users experience.Key words:software defined wireless network;moving direction;handover;path vector;weight factor无线网络利用无线技术在空中传输数据，是有线网络的延伸，又与有线网络大不相同.在给人们带来随时随地联网便利的同时，其固有的切换导致网络中断问题也一直困扰着用户.在无线网络中，移动终端通过关联接入点（access point，AP）接入网络；当移动终端从一个AP覆盖范围移动到另一个AP覆盖范围时，需要进行AP切换才能保持网络连接.AP切换需要经历扫描、认证、重关联三个阶段，涉及到链路层、网络层和应用层的切换，必定会造成网络的临时性中断，影响实时性应用的服务质量.因此，如何解决移动切换带来的临时性通信中断问题一直是一个研究热点.1 研究背景随着网络规模不断扩大、应用种类多样化、智能化管理需求激增，基于TCP/IP体系结构的传统网络中存在的协议复杂、扩展性差、智能运维困难、基础设施难以创新演进等难题亟待解决1.2009年，斯坦福大学 Clean Slate 课题研究组提出了新型网络创新架构软件定义网络（software defined networking，SDN）2.SDN技术将网络设备的数据转发和控制管理解耦，集中控制网络状态，可通过编程实现网络业务收稿日期：2023-02-21基金项目：福建省中青年教师教育科研项目（JAT201087）作者简介：林嘉燕（1984），女，福建莆田人，讲师.林嘉燕：基于移动方向预测的SDWN无缝切换方案第2期的灵活部署，使网络智能化，为网络及应用的创新提供了良好的平台.于是，学者们将无线网络与SDN技术相结合，提出了软件定义无线网络（software defined wireless networking，SDWN）3.SDWN沿用传统无线网络的AP切换算法，使用接收信号的强度指示（received signal strength indication，RSSI）作为AP切换的唯一指标.这种方法简单易用，但是没有考虑各个AP的负载情况和用户的移动路径；容易造成部分AP负载过重、个别用户频繁切换，影响总体通信质量.图1所示是一个典型的AP密集部署切换场景.STA1与AP1关联，STA2和STA3与AP2关联.STA1从西往东做直线运动，当STA1移动到A点时，检测到AP1的RSSI值低于阈值时，开始扫描可连接的AP，对比AP2和AP3的信号强度发现AP2的RSSI大于AP3，于是STA1从AP1切换到AP2；当STA1继续移动到B点时又切换到AP3.纵观整个过程，不难看出，STA1移动到A点时，选择RSSI强度稍大的AP2看似可以获得更好的用户体验，但从整体看，AP2上已经关联两个站点，而AP3上没有关联任何站点，选择AP2会拉低STA1、STA2和STA3的整体速率并且让STA1多做一次AP切换.学术界在 SDWN 基础上对 AP 无缝切换展开了一系列的研究.赵国峰等4提出一种基于 SDN 的WLAN负载感知切换算法来平衡AP间负载和缓解乒乓效应的影响，该方案通过监测RSSI值变化情况判断站点是否远离该AP，综合考量RSSI值和各AP负载情况选择新的接入AP.池亚平等5提出一种基于SDWN的负载感知终端多点关联方案，该方案通过监测AP负载情况，主动为负载过重AP的关联终端提供一个或多个虚拟接入点进行动态分流，实现负载均衡.这两种方案均从整网负载均衡的角度统筹最优的用户切换方案，但并没有从用户侧考虑，为站点选择最佳切换方案.王明芬6提出基于惩罚因子的全局关联记忆保留的接入控制的方法，该方法通过加大惩罚因子和降低重叠区域AP发射功率来减少切换.虽然降低发射功率能在一定程度上减轻当前站点的乒乓效应，但是，一旦降低AP发射功率势必影响该AP所关联其他终端的通信质量.彭大川7提出了一种基于双网络通道互备的解决方案，该方案为站点增加备用网络通道，通过主备通道的“先连后断”实现软切换以确保实时性应用服务通信的连续性，可以很好地改善由于切换引起的通信中断问题，但是，会造成额外的网络通道开销.这两种方案虽然都从用户侧进行了切换优化，但是，忽略了终端的移动路径.从用户侧出发，提出一种基于移动方向预测的SDWN无缝切换方案.该方案针对AP密集部署切换场景，引入路径向量DIST预测站点的移动方向，结合AP信号强度RSSI和负载情况重新构造AP切换权重因子W，为用户选择最优的接入AP，最大程度减少切换，提升用户体验.各方案对比分析如表1所示.图1 AP密集部署切换场景Fig.1 AP dense deployment handover scenario792023年闽南师范大学学报（自然科学版）2 基于移动方向预测的SDWN无缝切换方案2.1 权重因子设计在无线网络的实际部署中，距离、自然环境、建筑物、人群密度等因素均会影响AP信号强度，因此，信号强度并不能准确反映出站点相对于AP的移动方向.选择站点与AP的距离增量累计值作为移动方向预测指标，相关计算公式为DIS=1 d00 d=0-1 d0.（1）DIST=k=1n-1DIS.（2）如图2所示，当站点STA从AP的位置P1移动到到位置P2，站点STA与AP之间的距离必定发生变化.式（1）中，DIS表示站点STA距离增量抽象值，移动前后距离增量d大于0表示站点STA正在靠近该AP，则DIS等于1；d等于0表示站点STA位置不变，则DIS等于0；d小于0表示站点STA正在远离该AP，则DIS等于-1.路径向量DIST为一段时间内的DIS累计值，可通过式（2）计算得出.表1 各方案对比分析Tab.1 Comparative analysis of schemes方案文献4文献5文献6文献7本方案切换触发因素RSSI增量AP负载信噪比信噪比RSSI值切换因素RSSI值AP关联终端数AP信道利用率RSSI值AP负载RSSI值AP负载AP关联终端数RSSI值AP负载/带宽AP关联终端数路径向量RSSI值AP负载出发点全局负载均衡用户侧最优解要点综合考量切换因素,减少整体乒乓切换,实现全局负载均衡为负载过重AP的终端增加虚拟接入点进行动态分流,实现负载均衡加大惩罚因子、降低AP发射功率以减少乒乓切换增加备用网络通道提升实时用户QoS引入路径向量减少不必要的切换图2 站点移动方向预测模型Fig.2 Station moving direct prediction model为了测量AP的负载，Rangisetti8从包传输的角度提出使用流量强度（traffic intensity,TI）指标对AP负载进行定义.由Tamma9给出的流量强度的定义公式为80林嘉燕：基于移动方向预测的SDWN无缝切换方案第2期TI=i=1ntiT.（3）假设在时间T内，信道中有n个数据帧在传输，ti指的是第i个数据帧的传输时间，可由数据帧长度和数据传输速率计算得出.综合考虑各个AP的RSSI大小、路径向量和负载，重新定义了切换的权重因子Wij，其计算公式如下为Wij=|RSSIij|1+TIjQ+DISTij(1-Q).（4）其中:Q为小于1的有理数，RSSIij为STAi接收到的APj的信号强度，通常以负值形式体现，因此，计算的时候取绝对值；DISTij为STAi与APj的路径向量；TIj为APj的负载情况.当环境中没有通信流量时，将信号强度和路径向量作为指标；当距离向量和信号强度值相同时，负载越大，TI值越大，权值越小.对于Q的取值可以根据AP信号重叠情况做调整，信号重叠度越高，取值越小.2.2 AP无缝切换流程设计AP无缝切换流程图如图3所示.图3 AP无缝切换流程图Fig.3 Flow chart of AP seamless handover开始获取参数,周期性计算得到AP负载值TI、路径向量DIST当前RSSIWik切换结束812023年闽南师范大学学报（自然科学版）具体描述如下：1)控制器获取各个站点及AP的相关参数，并周期性计算各AP的负载值TI和路径向量DIST；2)站点周期性监测当前关联AP的信号强度指标RSSI，当RSSI大于阈值保持当前连接，当RSSI小于阈值触发切换流程；3)控制器计算当前AP的权重因子Wik，并扫描获取可连接的AP列表APlist；4)控制器计算APlist中各个AP的权重因子Wij并选出最大的权重因子Wmax；5)比较最大权重因子Wmax和当前管理AP的权重因子Wik.如果WmaxWik，则保持当前连接不切换，避免出现乒乓切换；反之，则将关联AP切换到最大权重因子对应的AP.2.3 基于移动方向预测的SDWN无缝切换算法虽然TI可以真实地反映AP的负载情况，但是，具体测量比较复杂.在实验过程中简化模型，将所有接入站点视为不存在流量差异的对等点.此时，各个AP的TI值等同于STA占比数LOAD，LOADj=UjUsum，（5）其中：Uj为APj上的STA数，Usum为整个网络中的STA总数.因此，实验中的切换权重因子简化为Wij=|RSSIij|1+LOADjQ+DISTij(1-Q)，（6）其中：Q为小于1的有理数.在此基础上设计了基于方向预测的SDWN无缝切换算法，伪代码如下.输入：有理数Q，当前关联AP的RSSI，信号强度阈值RTHR，APlist及其RSSIij、负载值LOADj和方向向量DISTij输出：即将切换的AP1 while RSSIWik7 k=j8 end if9 end for10 if m=k11 no handover12 else13 handover14 end while3 实验验证分析3.1 实验场景搭建软件定义无线网络的实验平台有Mininet-WiFi、OpenNet、Odin等.选用由Mininet拓展而来的轻量级82林嘉燕：基于移动方向预测的SDWN无缝切换方案第2期3.2 SDWN切换分析本实验中，共10个站点，sta1、sta2、sta3-4和sta7、sta5-6、sta8、sta9、sta10分别与ap3、ap2、ap1、ap6、ap7、ap5、ap4关联.实验模拟人直线走路穿越多个AP信号重叠区域场景，设置站点sta1从第5秒开始以1m/s的速度向东做直线运动，第125秒停止.通过“iw dev sta1-wlan0 link”输出sta1链路情况，观察sta1的RX参数变化情况.使用传统信号最强切换算法和基于移动方向预测的SDWN切换无缝切换算法（RSSI、LOAD and DIST，记为RLD）结果对比如图6所示.aa图5 Mininet-WiFi仿真图Fig.5 Simulation diagram on Mininet-WiFi构建Mininet-WiFi和RYU仿真环境，编写Python脚本实现图5实验仿真拓扑，以可视化形式运行显示，结果如图5所示.图4 实验场景仿真拓扑Fig.4 Simulation topology of experiment scenario虚拟化平台Mininet-WiFi作为实验仿真平台.Mininet-WiFi基于Linux内核模块mac80211_hwsim实现AP和STA的虚拟化，其中AP是扩展的OVS交换机，采用OpenFlow协议与控制器通信.此外，Mininet-WiFi还支持无线网络配置工具iw/hostapd/wpa_supplicant等的使用，可用于SDWN的仿真与测量.因为Mininet-WiFi是用Python开发的；所以，实验环境所采用的控制器选用了同为Python开发的RYU控制器.实验场景仿真拓扑由7台AP构成，拓扑结构呈蜂窝状分布，实现信号全覆盖；每个AP可关联不同数量的STA，并由RYU控制器统一下发控制策略管理，具体如图4所示.aa832023年闽南师范大学学报（自然科学版）3 结束语分析软件定义无线网络中AP密集部署场景中尚且存在的用户侧切换问题的基础上，重新设计了AP切换权重因子，提出一种基于移动方向预测的SDWN无缝切换方案；并在Mininet-WiFi平台上仿真，与传统基于信号强度值的方案进行了站点切换次数对比，验证了方案的有效性.参考文献：1 赵会,吕光宏,杨洋,等.SDN故障分析研究综述J.计算机应用研究,2020,37(10):2895-2901.2 张朝昆,崔勇,唐翯祎,等.软件定义网络(SDN)研究进展J.软件学报,2015,26(1):62-81.3 HAN Y N,YANG K.An adaptive mobility manager for software defined enterprise WLANsC/International Conference on Ubiquitous and Future Networks.Piscataway IEEE Press,2016:888-893.4 赵国峰,黎军,王新恒,等.基于SDN的WLAN负载感知切换方案实现J.计算机应用研究,2019,36(5):1454-1458.5 池亚平,李晓,许萍,等.基于SDWN的负载感知终端多点关联方案研究J.计算机应用研究,2019,3(7):2116-2119.6 王明芬.软件定义无线局域网的切换接入机制J.计算机应用,2020,40(9):2706-2711.7 彭大川,杨喜敏,唐菀,等.软件定义无线网络中双网络通道互备无线接入点切换方案J.计算机科学,2021,48(6):427-431,437.8 RANGISETTI A K,BALDANIYA H B,KUMAR P,et al.Load-aware hand-offs in software defined wireless LANsC/IEEE 10th International Conference on Wireless and Mobile Computing,Networking and Communications.Larnaca:IEEE Press,2014:685-690.9 TAMMA B R,BALDO S N,MANOJ B S,et al.Multi-channel wireless traffic sensing and characterization for cognitive networkingC/IEEE International Conference on Communications.Dresden:IEEE,2009:1-5.责任编辑:钟国翔表2 AP权重因子统计表Tab.2 Statistics of AP weighting factor时间/s3384AP名称ap1ap4ap2ap5RSSI值-82-85-82-83LOAD值0.30.10.10.1DIST值23277179权重因子43.0452.1372.7777.23从图6中可以看出，使用传统信号最强切换算法，sta1在120 s的移动过程中做了4次切换,使用RLD切换算法，sta1只切换了2次.在33 s时，sta1链路RSSI值达到阈值，触发切换.此时，sta1扫描到可连接的AP有ap1和ap4，分别计算其权重因子如表1所示.可以看到虽然ap1的RSSI值大于ap4，但因为ap1负载比 ap4大并且路径向量小于 ap4；所以，根据权重因子计算公式得出 ap4权重值大于 ap1，sta1关联到了ap4，避免关联到负载较重的ap1.84 s时，sta1即将离开ap4的覆盖范围再次触发切换.此时，sta1扫描到ap2和ap5的无线信号，从表2可以看到虽然ap2的RSSI值稍大于ap4，但ap2路径向量小于ap5；因此，sta1最终关联到了ap4，避免了二次切换.图6 切换统计对比图Fig.6 Handover statistics comparison chartt/s信号最强RLD0 20 40 60 80 100 12040 00030 00020 00010 0000Handover-Staticssta1-RX/bytes84