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CN101141782A - 接入点辅助快速越区切换方法、设备和系统 - Google Patents

接入点辅助快速越区切换方法、设备和系统 Download PDF

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CN101141782A CNA2006101261907A CN200610126190A CN101141782A CN 101141782 A CN101141782 A CN 101141782A CN A2006101261907 A CNA2006101261907 A CN A2006101261907A CN 200610126190 A CN200610126190 A CN 200610126190A CN 101141782 A CN101141782 A CN 101141782A
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Abstract

一种接入点辅助快速越区切换方法、设备和系统。无线局域网中的每个接入点有主接口和副接口，主接口执行与用户终端的正常通信，并在其工作信道上广播标准信标帧，副接口依次在邻居接入点的工作信道上广播扩展信标帧。扩展信标帧包含其所在接入点的主接口的基本服务集标识符、服务集标识符和工作信道等信息。用户终端在其工作信道上可接收分别来自于正在与之通信的服务接入点的标准信标和邻居接入点的扩展信标，根据两类信标，终端可估算出当前位置与服务接入点的主接口的信号质量以及与邻居接入点的主接口的信号质量。通过最优邻居接入点与服务接入点的信号质量比较算法，终端可以以最小的代价，准确快速的确定是否执行越区切换。

Description

接入点辅助快速越区切换方法、设备和系统
技术领域
本发明一般地涉及无线通信技术，更具体地，涉及用于快速执行链路层越区切换，以使得当用户终端(STA)远离其当前相关联的接入点(AP)而移动到另一邻近的AP时出现的通信中断时段最小化的方法、设备和系统。
背景技术
IEEE 802.11标准定义了两种工作模式：ad hoc模式和结构化模式(infrastructure mode)。在ad hoc模式中，两个或更多个STA可以彼此识别，并建立点对点通信，而无需AP。在结构化模式中，至少有一个AP。AP与其支持的一个或多个STA被称为基本服务集(Basic Service Set，BSS)，大致对应蜂窝网络环境中的一个小区。STA利用AP来访问有线网络的资源，并与同一BSS内的其他STA通信。依赖于AP的位置，有线网络可以是组织的内网或者因特网。一组通过分布系统(DB)连接的两个或更多个BSS形成了扩展服务集(Extended Service Set，ESS)，其通过服务集标识符(Service Set Identifier，SSID)来标识。如果两个AP的无线电覆盖范围重叠，则当STA从一个AP的覆盖范围移出并进入另一个AP的覆盖范围时，发生越区切换。
越区切换过程涉及SAT与邻居AP交换的一系列动作和消息，结果使得STA连接从服务AP转移到新的AP。在该时段期间，STA与服务AP之间的通信链路被断开，STA不能发送或接收任何数据分组，直到建立了与新AP的新链路，因此，存在通信中断时段(如图1所示)，该时段从现有通信链路被断开时开始，直到新链路被建立时为止。当STA检测到与服务AP的链路质量已经恶化到特定阈值以下时，STA启动越区切换过程。
根据图1，通信中断时段包括扫描过程(也被称为发现过程)以及验证和重关联过程。在扫描过程中，STA需要切换到每个无线电频率(信道)来发现是否有任何AP正工作在该信道上。该扫描过程可能耗时达几百毫秒，并占整个越区切换延时的90％以上。验证和重关联过程仅用几毫秒来完成。
信道扫描过程可以在被动或主动模式中完成。利用被动扫描，STA切换到每个候选信道，并收听来自AP的周期性的信标(beacon)。AP使用信标来通告其存在、其工作信道、其基本服务集标识符(BSSID)以及用于STA接入的其他参数。AP周期性地(一般是每100ms)广播其信标。因此，为了得到关于某个信道中所有AP的信息，STA必须在该信道中停留至少一个信标周期。与此相比，利用主动扫描，STA在每个候选信道中广播探测请求(Probe Request)，并等待来自工作在该信道上的邻居AP的探测响应(Probe Response)。AP在接收探测请求之后，向STA发送单播探测响应。探测响应帧携带与信标帧中的参数相同的参数。在两种情况中，在扫描所有候选信道之后，STA根据记录选择最优的AP，来执行第二个过程——验证和重关联。
由于BSS的覆盖范围有限，所以移动用户停留在一个小区中的时间可能在几分钟或者几秒钟的量级上，这依赖于用户的移动速度。实时交互式应用具有严格的质量要求。例如，VoIP要求其端到端延迟低于250ms，延迟变化或抖动低于50ms，并且分组丢失率小于1％。但是，利用标准的802.11协议，越区切换过程不能满足实时交互式应用的要求，这是由于由于以下两个原因：
(1)通信中断时段过长(大约500ms)；
(2)长的通信中断导致分组丢失。
对于VoIP以及类似视频会议等的其他实时服务来说，提供实时越区切换是一个关键的要求。如何在WLAN中提供快速的链路层越区切换是一个研究热点，已经有一些相关的发明来降低越区切换的延时。由于扫描过程在越区切换的通信中断时段中占主导，所以几乎所有这些发明都试图缩短该过程。根据扫描过程的所述两种模式，这些发明被分为两类：1)主动扫描；和2)被动扫描。
根据被扫描的信道的数量，主动扫描被进一步分类为完全扫描和选择性扫描。完全扫描是一种强力方案，其探测所有的合法信道(例如，802.11b的全部11个信道)。另一方面，选择性扫描将扫描限定在合法信道的一个子集中。主动扫描的延时受到两个参数的显著影响：探测数和探测等候时间。利用主动扫描的大多数发明意图在于降低探测数。一个示例是参考文献1(Zhong等的题为“System and Method for Performing a FastHandoff in a Wireless Local Area Network”的PCT国际申请公布WO2004/054283 A2)，其公开了一种系统和方法，该系统和方法使用预配置的最近邻居AP的表格来在通信中断时段中执行区分优先级的扫描。在参考文献2(S.Shin，A.Forte等，Improving the Latency of 802.11 HandoffLatency in IEEE 802.11 Wireless LANs，Proceedings of the SecondInternational Workshop on Mobility Management and Wireless AccessProtocols，Philadelphia，USA，2004)中，使用了选择性扫描和“AP缓存”，AP缓存记录最近的扫描的扫描结果，以实现链路层的快速越区切换。在参考文献3(M.Shin，A.Mishra和W.Arbaugh，Improving theLatency of 802.11 Handoffs using Neighbor Graphs，Proceedings of the ACMMobiSys Conference，Boston，MA，USA，June 2004)中，通过使用邻居图和不重叠图，来降低探测数和探测等候时间。邻居图结构和探测方法也出现在参考文献4(美国专利No.2006/0092883)中。参考文献5(题为“Minimizing Handoffs and Handoff Times in Wireless Local Area Networks”的美国专利No.2006/0072507)提供了一种方法，其中通过跟踪过去用户在WLAN内的移动，来减少在越区切换期间被扫描的信道的数量。
一些发明致力于改善被动扫描的性能。参考文献6(Ishwar Ramani和Stefan Savage，SyncScan：Practical Fast Handoff for 802.11 InfrastructureNetworks，Proceedings of the IEEE Infocom Conference 2005，Miami，FL，March 2005)中的SyncScan将STA处的短收听时段与来自所有AP的规则的周期性信标发送相同步。利用关于在某个信道上的AP将广播它们的信标的时间的知识，STA可以在特定时刻切换到该信道，并获得来自这些AP的所有广播信标，而不用等待整个信标周期。由于使用了很短的时间来扫描信道，STA可以在断开与其服务AP的当前连接之前，执行扫描过程。越区切换延时因此被极大地缩短。在参考文献7(Richard L.Bennett的题为“Passive Probing for Handoffin a Local Area Network”的美国专利No.2005/0047371 A1)中，服务AP负责发送探测请求到其邻居AP，并将这些邻居AP发送它们的探测响应的限定的时刻和响应间隔通知给它们。服务AP通知还将STA可以从其一个邻居AP收听到探测响应的限定的时刻、响应间隔和限定的信道通知给STA。利用探测响应，STA可以判断何时进行越区切换以及切换到哪个邻居AP。在参考文献8(Vivek Mhatre和Konstantina Papagiannaki，Using Smart Triggers for Improved UserPerformance in 802.11 Wireless Networks，Processing of the ACM MobiSysConference，Uppsala，Sweden，June 2006)中，利用了一种机制，通过该机制，STA可以在与其当前信道相同或者重叠的信道上，收听到来自其邻居AP的信标，以使得STA能够从其邻居AP接收信标，同时保持与其服务AP的通信。然后，利用补充方案，STA可以正确判断哪个邻居AP能够提供更好的链路质量。
参考文献9(V.Brik，A.Mishra和S.Banerjee，Eliminating handofflatencies in 802.11 WLANs using multiple radios：Applications，experience，andevaluation，ACM/USENIX Internet Measurement Conference(IMC)，Oakland，CA，October 2005)提供了一种被称为MultiScan的方法，该方法依靠每个STA中的双接口来实现无缝越区切换。MultiScan节点使用它们的(可能空闲的)第二无线接口来机会性地进行扫描，与替换的AP相关联，并最终对正在进行的连接进行无缝越区切换，而其第一接口保持与其服务AP通信。
参考文献10(J.Ok，S.Komorita，A.Darmawan，H.Morikawa和T.Aoyama，Design and Implementation of Real-time Channel ScanningMechanism using Shared Beacon Channel in IEEE 802.11 Wireless LAN，電子情報通信学会技術研究報告，情報ネツトワ一ク研究会(IN2005-208)，pp.305-310，March 2006)提供了一种实时信道扫描机制。在该方案中，被称为信标信道(Beacon-Channel)的共享信道(在该方案中使用信道14)被用来消除耗时的信道扫描。每个AP经由额外的接口在信标信道中周期性地发送被称为eBeacon的扩展格式的信标。只要STA具有被调谐到信标信道的额外的接收机，它就可以保持更新eBeacon，并跟踪邻居AP的信号质量。
在上述所有的主动扫描方法中，扫描过程是在通信中断时段中发生的，也就是说，这些方法仍然是按照图1所示的模式。信道扫描过程虽然被缩短，但是对于中断时段，它仍带来了主要的延时。此外，利用这些方法，STA不能连续监视邻近AP的信号质量，因此，它可能仅当与服务AP的信号已经恶化到阈值以下时，才启动扫描，这时连接不得不中断或者忍受不良和无法维持的性能，即使存在具有较好链路质量的邻近AP。因此，STA不能总是选择到最优的AP来与其相关联。在扫描之后，AP仅根据一次性采样结果来选择最优AP，因此，信号的暂时波动可能对AP选择的正确性带来影响。
SyncScan和参考文献7中的方法可以使得STA能够连续监视邻近AP的质量，因此，STA可以基于平均信号质量来评价AP的质量，并且即使在当前链路变到不良或者无法维持的性能之前，也能选择出最优AP。但是，两种方法都要求精确的同步机制来使得邻居AP能够在正确的时刻发送出信标或者探测响应，并使得STA能够正好在邻居AP发送信标或探测响应时收听到信标或探测响应。如果STA、服务AP和邻近AP彼此不同步，则来自邻近AP的信标将被STA错过，这将对越区切换性能带来不利影响，并妨碍了STA及时地找到最优的邻近AP。在大规模无线网络中，使全部AP和STA高时间精度地同步是非常困难的。此外，为了防止在扫描过程中丢失分组，STA必须实现对数据进行缓存的机制，并周期性地向AP发送PSM数据。这导致STA的功耗明显增大。
为了降低同信道干扰，人们力图使用不重叠的信道来覆盖某个区域，例如802.11b的信道1、6和11。这与参考文献8中的假设完全不同。参考文献8假设总是存在在与服务AP重叠的信道中工作的多个邻居AP。因此，如果没有工作在该重叠信道中的邻居AP，则STA无法找到可用的AP来与其连接。例如，如果STA在信道1中与其服务AP通信，并且邻居AP工作在信道6和11中，则STA将使用标准802.11越区切换过程。另一方面，由于STA只能得到关于在相同或重叠信道上的其邻居AP的信息，所以即使在重叠信道中存在某些邻居AP，STA也经常不能找到最优AP来连接。
如参考文献9所提出的STA中的两个接口可以使得越区切换过程完全无缝，但是这多添加了一个装置。并且，当前的现实是大多数便携式终端都只配备了一个接口。STA中的两个接口可能使得功耗比单接口的STA更大，并且具有两个接口的STA的内核需要被修改，以选择哪个接口应当被用于上层流量。
参考文献10中提出的方案也要求STA配备两个接口。上面已经强调了STA上两个接口的局限性。此外，利用信道14作为必须的信标信道与现有的802.11系统不完全兼容。而且，由于信道14仅在日本是被允许用于IEEE 802.11b的信道，因此该方法可以使用的地区是受限制的。
发明内容
综上所述，虽然一些被提出的方案已经降低了越区切换的延时，但是在这些方法可用于当今使用的802.11无线系统之前，还存在明显的部署障碍。实际上，考虑大量不可控的STA和对这些STA进行升级的成本，更可行的方案不应当要求对终端的过多改动。这些改动例如包括在STA上安装两个接口、复杂的缓存和耗费功率的扫描机制等。与现有方案不同，本发明提供了一种用于执行快速链路层越区切换的新的方法和系统，利用该方法和系统，STA能够总是选择最优质量的AP来连接，并且越区切换期间的延时和分组丢失被最小化。同时，本发明的方法和系统对STA的改动最小，并且还可以消除STA在扫描过程中的功耗。
在本发明的方案中，通过在AP上添加另外的无线接口，大多数越区切换工作被设置在接入点中，该另外的无线接口负责在邻居AP工作的信道上交替地广播扩展信标帧。因此，每个AP配备有两个无线接口：一个被称为主接口(PI)，另一个被称为副接口(SI)。主接口保持执行标准802.11接入点的正常功能。副接口工作为同一AP中的主接口的公告代理(announcing agent)。副接口的功能为仅周期性地广播扩展信标帧。
简而言之，本发明的技术方案具有以下特征：
(1)利用副接口，每个AP根据邻居列表周期性地切换信道并广播扩展信标。
(2)通过连续地监视来自其服务AP以及邻居AP的扩展信标，STA可以进行精确的越区切换判断。对于STA，不需要额外的接口和复杂的扫描机制。
当STA远离其服务AP时，STA可以收听到来自其服务AP以及邻居AP的信标，而不用改变其工作信道，并且不用中断其正在进行的通信。由于AP的主接口和副接口的位置足够接近，因此由副接口发送的扩展信标经历与由主接口发送的信标几乎相同的路径衰减。接收到一个邻居AP的扩展信标，STA可以计算该邻居AP的主接口的信号质量。此外，STA还可以得知该邻居AP的主接口的BSSID和工作信道等信息。当STA决定进行越区切换时，实际的越区切换过程仅包括信道切换以及“验证和重关联”过程，并且可以仅在十几毫秒中执行。
与标准方法相比，本发明的方案将越区切换延迟降低了一个数量级以上。这种降低对于保持交互式语音应用所需的连续感来说是足够的。此外，本发明的方案和系统更易于部署。另外，本发明还具有下列积极效果：
(1)连续监视的实现可以使终端更准确执行越区切换，在相关联的接入点的信号恶化到最低阈值以下之前，STA可以总是连接到其周围的最优AP。
(2)不需要在扫描期间中对入站(inbound)和出站(outbound)的数据进行缓存。
(3)使用被动扫描，STA不需要发送任何分组，因此可以最小化便携式终端的由于扫描过程带来的功耗。
(4)由于大多数越区切换任务是由接入点执行的，因此对STA的极少量的修改是简单且开放的。因此，消减了STA频繁的软件更新的成本。
附图说明
当结合附图阅读时，从下面的描述，可以更充分地理解本发明的上述以及其他目的、特征和优点，附图中类似的参考标号指示类似的部分，其中：
图1是示出了传统802.11越区切换引起的通信中断的示图；
图2是示意性地示出了两个接入点的重叠的覆盖范围的示图；
图3是标准802.11信标帧的示图；
图4是示意性地示出了根据本发明的利用接入点辅助断开前扫描的无线通信系统的一个示例的示图；
图5是示出了根据本发明扩展信标的一个示例的示图；
图6是示意性地示出了根据本发明一个实施例的接入点的配置的框图；
图7是示意性地示出了根据本发明一个实施例的用户终端的配置的框图；
图8是示意性地示出了根据本发明一个实施例的用户终端的操作的流程图；
图9是邻居列表的一个示例；
图10是示意性地示出了根据本发明一个实施例的接入点的配置的框图；以及
图11是示出了根据本发明一个实施例的接入点的操作的流程图。
具体实施方式
本发明提供了用于在无线网络的接入点之间对无线服务进行快速越区切换的方法、设备和系统。
总的来说，本发明涉及无线通信设备或单元以及无线通信系统。前者经常被称为客户端台站或用户终端(STA)，例如膝上型计算机、PDA、配备有WLAN接口的智能电话等等。后者经常被称为接入点(AP)以及它们之后的网络，网络向STA提供诸如视频、音频和数据通信之类的服务。更具体地说，本发明的各种发明性的概念体现在STA和接入点以及其中的方法中，它们用于提供通过基于AP的断开前扫描(AP-based pre-break scanning)，在无线网络的接入点之间对视频、音频和数据通信服务的越区切换。基于AP的断开前扫描被定义为这样的手段：通过该手段，配备有两个无线接口的AP周期性地使用其副接口来在邻居AP工作的信道上广播扩展信标帧，并且STA可以监视这些信标而保持与其服务AP的通信。
尤其受到关注的通信系统和STA是可以提供或者促进短距离通信能力的那些通信系统和STA，该能力通常被称为WLAN能力，例如IEEE802.11、蓝牙或者高性能无线局域网(HiperLAN)等，它们优选地利用正交频分复用(OFDM)、码分多址(CDMA)、跳频(frequencyhopping)接入技术。
在这样的系统中，为了在有限的频谱中提供高的用户容量，需要多个接入点来提供许多低功率的小区，每个仅覆盖服务区的一小部分。由于每个小区的覆盖范围有限，STA经常在一个会话正在进行的时候移动到另外的小区，因此需要越区切换过程来识别下一个AP，并转移正在进行的会话。为了使得STA能够从服务AP的覆盖范围越区切换到另一AP的覆盖范围，两个AP的覆盖范围必须重叠(如图2所示)。这意味着在两个AP的覆盖范围之间必须有公共区域，在该公共区域中，STA可以有选择地与两个AP中的某一个建立连接并与其通信。在本发明中，如果两个AP重叠，则我们将其中一个AP称为另一个AP的邻居，反之亦然。
现今的越区切换机制的基本问题可以归咎于如下事实：STA在丧失连接性或者性能不良或无法维持时，触发越区切换事件，并且扫描过程占用了通信中断时段的大部分时间。当STA将要进行越区切换时，它在断开当前连接之前已经经历了不良的性能，并且在断开当前连接之后，STA需要扫描所有可能的信道，以搜集关于邻居AP的信息。如图2所示，当STA移动离开服务AP时，服务AP的RSSI(接收信号强度指标)逐渐下降。当服务AP的RSSI变到低于阈值Thresbreak(STA可以保持与服务AP通信的最低RSSI值)时，STA触发越区切换，断开正在进行的连接，并开始扫描邻居AP。Thresbreak还指示AP覆盖范围的边界。
在根据本发明的方法中，建议STA不应等到它们丧失连接性或者经历不良性能时才搜寻替换的AP。换句话说，STA应当对不良性能提前预备，而不是根据不良性能而反应。在断开当前连接之前就应当完成信道扫描、扫描结果评估以及最优AP的选择。因此，如果存在与服务AP相比能够提供更好链路质量的邻居AP，则STA总是能够在STA的当前链路质量下降到很差状态之前，发现该邻居AP并与其连接。在STA找到较好的AP时，越区切换仅包括从服务AP分离(即断开)、切换信道、进行与新AP的验证和重关联，因此越区切换可以被最小化。
在标准802.11结构化网络中，接入点负责发送信标帧。存在信标帧的区域定义了基本服务区。在结构化网络中的所有通信都通过接入点进行，因此网络上的STA必须足够接近以收听到信标。信标以规则的间隔被广播，以使得STA可以找到并识别基本服务区。图3示出了标准802.11信标帧。通常，接入点只有一个无线接口，所有数据、控制和管理帧(包括信标帧)都经由该接口被发送或者接收，因此信标帧中的BSSID就是接入点中的该无线接口所用的MAC地址，并且DS参数字段中所包括的当前信道就是该无线接口的工作信道。
图4示出了根据本发明的利用接入点辅助断开前扫描的系统的一个示例。如图所示，在该系统中，所有AP(AP1、AP2、AP3、AP4)都具有两个接口：主接口(PI)和副接口(SI)。AP使用其主接口PI来建立BSS，并且主接口执行标准802.11接入点的正常功能，包括标准信标广播、验证和重关联的管理、以及桥接数据流量。而副接口SI除了通过周期性地广播信标来工作为同一AP中的主接口的公告代理之外，并不用于桥接数据流量和其他管理功能。除了信标之外的任何数据帧和管理帧都不能经由副接口被发送或接收。副接口作为主接口的公告代理，并不广播关于其自身的信息，而是广播其主接口的信息，例如主接口的BSSID、容量信息、SSID和工作信道，因此，来自副接口的信标帧被修改为如图5所示。
图5示出了根据本发明一个实施例的来自副接口的扩展信标帧。标准802.11信标帧中的BSSID、容量信息和SSID字段分别被主接口的MAC地址、主接口支持的数据率以及主接口用来标识其自身BSS的SSID填充。对于DS参数字段，添加了新的子字段(主信道)，该子字段表示主接口的工作信道。相应地，DS参数字段的长度值从1变到2。注意，可用于本发明的扩展信标并不限于图5所示的具体示例。可以根据需要，设计合适的扩展信标，只要能从其获得与主接口相关的必要信息。
返回参考图4，AP的副接口在不同的信道上例如周期性地广播扩展信标，而不是在不变的信道上进行广播，以便使得正与邻居AP相关联并位于该AP和其他AP的重叠区域中的STA能够收听到该扩展信标。主接口以规则的频率(默认情况是100ms信标周期)保持广播标准802.11信标。
例如，如图4所示，接入点AP1～AP4的工作信道(主接口的工作信道)分别是CH1～CH4。AP1的主接口PI在AP1的工作信道CH1上广播标准信标，而副接口SI依次在相邻的接入点AP2、AP3和AP4的工作信道CH2、CH3和CH4上广播扩展信标。注意，虽然示出了四个接入点，但是根据本发明的系统可以包括任意数量的接入点，并且任意两个接入点的工作信道可以彼此不同也可以互相重叠。
如果STA移动进入其服务AP和邻居AP的共同的重叠区域，则该STA不仅能够收听到来自其服务AP的主接口的标准信标，还能够收听到来自邻居AP的副接口的扩展信标。例如，如图4所示，正在与AP1通信的STA在AP1的工作信道上，既可以接收到来自AP1的主接口的标准信标，也可以接收到来自AP2、AP3副接口的扩展信标。
对于一个AP的彼此足够靠近的副接口和主接口，由副接口发送出的扩展信标经历了几乎与由主接口发送出的信标相同的路径衰减，因此，在接收到来自邻居AP的副接口的扩展信标之后，STA可以判断同一邻居AP的主接口的信号质量。从扩展信标帧，STA还可以得知该邻居AP的主接口的BSSID、SSID、容量信息和工作信道。
根据从其服务AP发出的标准信标，STA可以采样其服务AP的RSSI，并且利用足够多的样本，可以计算出其服务AP的滑动平均(moving average)RSSI值(RSSIcurr)。类似地，STA可以根据从其邻居AP发出的扩展信标，采样并计算每个邻居AP的滑动平均RSSI值。
当服务AP的信号质量变差到有必要准备越区切换时，STA使用上述计算结果选择候选AP并判断是否进行越区切换。具体地说，当服务AP的信号质量降到预定阈值(该阈值大于上述的Thresbreak)以下时，STA通过比较邻居AP的平均RSSI，可以选择最优邻居AP(其平均RSSI是RSSIbest)。利用采样和平均的结果，如果邻居AP和服务AP的RSSI满足如下条件(其中Δ是余量，用来当STA被不同的接入点以等同的良好程度服务时，避免可能产生“乒乓”效应的不必要的越区切换操作)：
RSSIbest-RSSIcurr＞Δ       (1)
则STA选择最优AP作为要连接的候选AP。基于所选择的候选AP，STA断开与服务AP的连接，并与最优AP进行验证和重关联，因此越区切换过程的总延时(thandoff)仅包括三个部分：信道切换和发送(CS&T)、验证(tauth)和重关联(tassoc)。
thandoff＝CS&T+tauth+tassoc   (2)
CS&T是WLAN卡的固有值(大约5～7ms)。为了使STA使用特定接入点的权力有效，要求进行验证，并且利用开放系统，验证(tauth)大约用3～5ms来完成。tassoc是STA用来重新建立与新AP的关联关系的时间，并且大约用3～5ms。因此，利用该方法，总的越区切换延时可以被缩减到小于20ms。
图6示出了根据本发明一个实施例的接入点的配置。AP 600主要包括主接口601、副接口602、标准信标帧生成单元603以及扩展信标帧生成单元604。标准信标帧生成单元603和扩展信标帧生成单元604分别用于生成标准信标帧和扩展信标帧。AP 600通过主接口601与覆盖范围内的STA执行正常通信，并通过主接口601在工作信道上广播标准信标。在不断开主接口的通信的情况下，AP 600利用副接口602依次在邻居AP的工作信道上广播扩展信标。虽然未示出，但是AP 600还可以包括其他用于接入点的已知组件，例如用于存储数据的存储器、用于控制各部分工作的控制器等等。
图7示出了根据本发明一个实施例的用户终端的配置。如图7所示，STA 700主要包括信标帧接收单元701、服务AP质量计算单元704、邻居AP质量计算单元705、越区切换单元706和扩展信标帧参数提取单元707。
图8示出了根据本发明一个实施例的用户终端的操作的流程图。在STA与服务AP通信(步骤S801)期间，STA的信标帧接收单元701在STA 700的服务AP的工作信道上接收信标帧(步骤S802)。接收的信标帧既包括来自服务AP主接口的标准信标帧，也包括来自邻居AP的副接口的扩展信标帧。标准信标帧被信标帧接收单元701中的标准信标帧获取部分702获取，扩展信标帧被信标帧接收单元701中的扩展信标帧获取部分703获取。然后，服务AP质量计算单元704从获取的标准信标帧，计算服务AP的信号质量，并且邻居AP质量计算单元705从获取的扩展信标帧，计算邻居AP的信号质量(步骤S803)。越区切换单元706对服务AP的信号质量进行监视(步骤S804)。如果服务AP的信号质量保持良好(步骤S804中的“否”)，则STA保持与服务AP的通信，而不进行越区切换，并且过程返回步骤S802。如果服务AP的信号质量降低到阈值以下(步骤S804中的“是”)，则越区切换单元706根据邻居AP质量计算单元705的计算结果，选择最优邻居AP(步骤S805)。然后，越区切换单元706判断最优邻居AP与服务AP的信号质量是否满足预定关系，例如最优邻居AP的信号质量好于服务AP的信号质量的量超过预定余量(步骤S806)。如果满足条件，则越区切换单元706执行从当前服务AP到最优邻居AP的越区切换(步骤S807)。如果否，则STA保持与服务AP的通信，并且过程返回步骤S802。
为了使式(1)合理，STA最好以相同的间隔接收来自其服务AP的标准信标和来自其邻居AP的扩展信标。主接口以固定频率(默认情况是100ms信标间隔)保持广播标准信标，而副接口应以更高的频率广播扩展信标，因为副接口必须依次在多个信道上广播。优选地是，在每个邻居AP的标准信标帧的一个周期内，服务AP的副接口在该邻居AP的工作信道上发送一个扩展信标帧。
如果整个网络是基于802.11b/g技术的，并且只有不重叠信道(1、6和11)被用于提供覆盖，则AP只需要在与其主接口的工作信道不同的两个信道上发送扩展信标帧。但是，如果802.11b/g的全部信道都被使用，或者网络是基于802.11a技术的，则副接口以与标准信标相同的间隔来在特定信道上广播扩展信标是困难的。以很短的间隔发送扩展信标还对AP的CPU带来大的开销。如果能够预先得到关于邻居AP工作在哪个信道上的知识，则扩展信标的广播间隔可以被降低。
根据本发明的一个改进的实施例，使用邻居列表来降低副接口在其上广播扩展信标的信道数量，并自适应地调整扩展信标的发送间隔。
图6示出了邻居列表的一个示例。一个AP的邻居列表保持了其邻居AP的记录，每个记录至少包括标识邻居AP的第一字段(该邻居AP的BSSID，即主接口的MAC地址)，以及标识该邻居AP的工作信道的第二字段(即，主接口的信道)。邻居列表还可以包括邻居AP的其他信息，例如标准信标周期等等。图6所示的示例中，存在三个邻居AP，分别工作在信道2、6和9上。邻居列表可以由服务AP建立或者由服务AP后的骨干基础设施(例如以太网交换器、特定服务器等)建立。建立邻居列表的方法包括手工预配置、记录STA的过去移动和越区切换历史以及未来的协议标准-802.11k等等。
利用邻居列表，AP可以确认其邻居AP在其上工作的一组信道。AP将其副接口依次切换到其邻居列表中的主接口工作信道中，并在该信道上广播扩展信标。根据参考文献8，使用关于邻居AP的信息，需要被探测的邻居的数目可以降到平均3.15，最大是6，而平均邻居信道数是2.25。因此，副接口需要在其上广播扩展信标的信道的平均数量远小于802.11标准中的可用信道数量。
根据本发明一个实施例的接入点可以被配置为根据邻居AP的标准信标的周期和全部邻居AP的工作信道的数量，自适应地调整扩展信标帧的发送间隔。即，在每个邻居AP的标准信标帧的一个周期内，服务AP的副接口在该邻居AP的工作信道上发送一个扩展信标帧。例如，如果来自所有邻居AP的主接口的标准信标的间隔是T(默认情况是大约100ms)，并且通过建立邻居列表，得知邻居AP工作在M个信道上，则服务AP的副接口的扩展信标的间隔可以被计算为T/M。在邻居AP的主接口标准信标周期不同的情况下，也可以通过适当地计算，使得副接口在每个邻居AP的标准信标帧的一个周期内在该邻居AP的工作信道上发送了一个扩展信标帧。
图10示出了根据本发明一个实施例的利用了邻居列表的接入点的配置。图10中，与图6类似的部分使用相同的标号表示。图10的AP 1000添加了与副接口602相耦合的用于存储邻居列表的邻居列表存储单元1001和用于调整扩展信标帧广播间隔的广播间隔设置单元1002。
图11示出了AP 1000的操作的流程图。如图所示，启动后，AP 1000从邻居列表存储单元1001读取邻居列表(步骤S1101)。然后，副接口602根据邻居列表得到邻居AP的工作信道(步骤S1102)。广播间隔设置单元606根据邻居AP的工作信道的数目和标准信标帧周期，计算扩展信标的广播间隔(步骤S1103)。在通过标准信标帧生成单元603和扩展信标帧生成单元604生成标准和扩展信标帧(步骤S1104)之后，AP 1000通过主接口601与STA通信以及在自身工作信道上广播标准信标帧，并通过副接口602，根据广播间隔设置单元所确定间隔，依次在根据邻居列表确定的邻居AP工作信道上广播扩展信标帧(步骤S1105)。
综上所述，根据本发明，获得了如下效果：
通过被安装的另一无线接口，接入点可以连续地在不同的信道上广播其信标，并且STA可以监听来自其服务AP及其邻居AP的信标，而不用改变其通信信道，因此，越区切换过程中耗时的扫描过程可以在STA断开其当前连接之前实现，并且越区切换延时可以降到20毫秒以下。
越区切换的主要任务被移入接入点，对客户终端仅需要最少量的修改。这使得系统更易部署。
提议了新格式的信标，利用该信标，副接口可以广播其主接口的信息，例如主接口的BSSID、容量信息、SSID和工作信道。
利用邻居列表的辅助，副接口需要在其上广播扩展信标的信道的数量被减少，这可以降低接入点的CPU的开销。
STA使用被动模式(通过监听来自其服务AP和邻居AP的信标)来实现扫描过程，这可以使得由越区切换引起的功耗最小化。
本发明可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合，并且可以用在它们的系统、子系统、部件或者子部件中。当以软件方式实现时，本发明包含用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
虽然已经结合具体的实施例描述了本发明，但是本发明并不限于上述实施例和附图中的具体结构。例如，所示出的多个部件可以彼此合并为一个部件，或者一个部件可以分为多个子部件，或者可以添加任何其他已知的部件。操作的流程也不限于所示出的例子。例如，图10所示的步骤S1104可以在步骤S1101之前进行。本领域的技术人员应当认识到，在不脱离本发明的精神和本质特征的前提下，可以以其他的具体形式实现本发明。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。

Claims (40)

1.一种用于辅助无线通信网络中用户终端快速切换的接入点的方法，包括：
通过主接口执行与在所述接入点的覆盖范围内的用户终端的通信；
通过主接口在所述接入点的工作信道上广播标准信标帧；以及
通过副接口在所述接入点的一个或多个邻居接入点的工作信道上广播扩展信标帧。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述扩展信标帧至少包括所述主接口的基本服务集标识符、服务集标识符和工作信道的信息。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述广播扩展信标帧的步骤还包括根据邻居列表确定所述一个或多个邻居接入点的工作信道，并依次切换到所述确定出的一个或多个邻居接入点的工作信道，以广播所述扩展信标帧。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述邻居列表中的每个记录至少包括标识邻居接入点的第一字段，以及标识该邻居接入点的工作信道的第二字段。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，广播所述扩展信标帧的频率高于广播所述标准信标帧的频率。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括根据所述一个或多个邻居接入点的工作信道数目和所述一个或多个邻居接入点的标准信标间隔，调整所述扩展信标帧的广播间隔，以使得在每个邻居接入点的标准信标帧的一个周期内在该邻居接入点的工作信道上发送一个扩展信标帧。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述无线通信网络是基于802.11标准的无线局域网络。
8.一种在无线通信网络中使用的接入点，包括：
标准信标帧生成单元，用于生成标准信标帧；
扩展信标帧生成单元，用于生成扩展信标帧；
与所述标准信标帧生成单元耦合的主接口，所述主接口执行与所述接入点的覆盖范围内的用户终端的通信，并且在所述接入点的工作信道上广播所述标准信标帧；以及
与所述扩展信标帧生成单元耦合的副接口，所述副接口在所述接入点的一个或多个邻居接入点的工作信道上广播所述扩展信标帧。
9.根据权利要求8所述的接入点，其中，所述扩展信标帧至少包括所述主接口的基本服务集标识符、服务集标识符和工作信道的信息。
10.根据权利要求8所述的接入点，还包括与所述副接口耦合的邻居列表存储单元，所述邻居列表存储单元存储所述接入点的邻居列表，并且其中，所述副接口根据所述邻居列表确定所述一个或多个邻居接入点的工作信道，并依次切换到所述确定出的一个或多个邻居接入点的工作信道，以广播所述扩展信标帧。
11.根据权利要求10所述的接入点，其中，所述邻居列表中的每个记录至少包括标识邻居接入点的第一字段，以及标识该邻居接入点的工作信道的第二字段。
12.根据权利要求8所述的接入点，其中，所述副接口广播所述扩展信标帧的频率高于所述主接口广播所述标准信标帧的频率。
13.根据权利要求8所述的接入点，还包括与所述副接口耦合的广播间隔设置单元，所述广播间隔设置单元根据所述一个或多个邻居接入点的工作信道数目以及所述一个或多个邻居接入点的标准信标帧间隔，调整广播扩展信标帧的广播间隔频率，以使得在每个邻居接入点的标准信标帧的一个周期内在该邻居接入点的工作信道上发送一个扩展信标帧。
14.根据权利要求8所述的接入点，其中，所述接入点是基于802.11标准的无线局域网络的接入点。
15.一种用于无线通信网络中的用户终端的越区切换的方法，所述方法包括：
在服务接入点的工作信道上接收来自服务接入点的主接口的标准信标帧；
在服务接入点的工作信道上接收来自一个或多个邻居接入点的副接口的扩展信标帧；
根据接收到的所述标准信标帧，计算所述服务接入点的信号质量；
根据接收到的所述扩展信标帧，计算所述一个或多个邻居接入点的信号质量；以及
根据所述服务接入点和所述一个或多个邻居接入点的信号质量的计算结果，有选择地进行越区切换。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括从所述扩展信标帧中的任何一个至少获得相对应的邻居接入点的主接口的基本服务集标识符、服务集标识符和工作信道。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述计算服务接入点的信号质量包括根据多个标准信标帧，计算所述服务接入点的接收信号强度指标的滑动平均。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述计算一个或多个邻居接入点的信号质量包括根据与一个邻居接入点相对应的多个扩展信标帧，计算该邻居接入点的接收信号强度指标的滑动平均。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述有选择地进行越区切换包括：
当所述服务接入点的信号质量低于预定阈值时，根据所述一个或多个邻居接入点的信号质量，选择最优邻居接入点；以及
当所述最优邻居接入点的信号质量比所述服务接入点的信号质量的高出预定余量时，执行从所述服务接入点到所述最优邻居接入点的越区切换。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，使用同一接口进行所述标准信标帧和扩展信标帧的接收。
21.根据权利要求15所述的方法，其中，所述无线通信网络是基于802.11标准的无线局域网络。
22.一种在无线通信网络中使用的终端，包括：
信标帧接收单元，其在所述终端的服务接入点的工作信道上接收信标帧，所述信标帧接收单元包括：
标准信标帧获取部分，其从所述接收的信标帧中获取来自所述服务接入点的主接口的标准信标帧；以及
扩展信标帧获取单元，其从所述接收的信标帧中获取来自一个或多个邻居接入点的副接口的扩展信标帧；
与所述标准信标帧获取部分耦合的服务接入点质量计算单元，其根据所述获取的标准信标帧，计算所述服务接入点的信号质量；
与所述扩展信标帧获取部分耦合的邻居接入点质量计算单元，其根据所述获取的扩展信标帧，计算所述一个或多个邻居接入点的信号质量；以及
与所述服务接入点质量计算单元和所述邻居接入点质量计算单元耦合的越区切换单元，其根据由所述服务接入点质量计算单元和所述邻居接入点质量计算单元计算的所述服务接入点和所述一个或多个邻居接入点的信号质量，有选择地进行越区切换。
23.根据权利要求22所述的终端，还包括与所述扩展信标帧获取部分和所述越区切换单元耦合的扩展信标帧参数提取单元，用于从所述扩展信标帧中的任何一个至少提取相对应的邻居接入点的主接口的基本服务集标识符、服务集标识符和工作信道。
24.根据权利要求22所述的终端，其中，所述服务接入点质量计算单元根据多个标准信标帧，计算所述服务接入点的接收信号强度指标的滑动平均。
25.根据权利要求22所述的终端，其中，所述邻居接入点质量计算单元根据与一个邻居接入点相对应的多个扩展信标帧，计算该邻居接入点的接收信号强度指标的滑动平均。
26.根据权利要求22所述的终端，其中，所述越区切换单元当所述服务接入点的信号质量低于预定阈值时，根据所述一个或多个邻居接入点的信号质量，选择最优邻居接入点，并且当所述最优邻居接入点的信号质量比所述服务接入点的信号质量的高了预定余量时，执行从所述服务接入点到所述最优邻居接入点的越区切换。
27.根据权利要求22所述的终端，其中，所述信标帧接收单元使用同一接口接收所述标准信标帧和扩展信标帧。
28.根据权利要求22所述的终端，其中，所述终端是用于基于802.11标准的无线局域网络的用户终端。
29.一种用于无线通信系统的方法，所述通信系统包括多个接入点和至少一个用户终端，所述多个接入点中的每一个包括主接口和副接口，所述方法包括：
所述用户终端当前连接的服务接入点通过其主接口执行与所述用户终端的通信；
所述服务接入点使用其主接口在所述服务接入点的工作信道上广播标准信标帧；
所述服务接入点的一个或多个邻居接入点通过所述一个或多个邻居接入点的副接口在所述服务接入点的工作信道上广播扩展信标帧；
所述用户终端在所述服务接入点的工作信道上接收来自所述服务接入点的标准信标帧；
所述用户终端在所述服务接入点的工作信道上接收来自所述一个或多个邻居接入点的扩展信标帧；
所述用户终端根据接收到的所述标准信标帧，计算所述服务接入点的信号质量；
所述用户终端根据接收到的所述扩展信标帧，计算所述一个或多个邻居接入点的信号质量；以及
所述用户终端根据所述服务接入点和所述一个或多个邻居接入点的信号质量的计算结果，有选择地进行越区切换。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述扩展信标帧至少包括所述主接口的基本服务集标识符、服务集标识符和工作信道的信息。
31.根据权利要求29所述的方法，其中，所述广播扩展信标帧的步骤还包括根据邻居列表确定所述一个或多个邻居接入点的工作信道，并依次切换到所述确定出的一个或多个邻居接入点的工作信道，以广播所述扩展信标帧。
32.根据权利要求29所述的方法，还包括所述服务接入点根据所述一个或多个邻居接入点的工作信道数目和所述一个或多个邻居接入点的标准信标间隔，调整所述扩展信标帧的广播间隔，以使得在每个邻居接入点的标准信标帧的一个周期内在该邻居接入点的工作信道上发送一个扩展信标帧。
33.根据权利要求29所述的接入点，其中，所述方法用于基于802.11标准的无线局域网络。
34.一种无线通信系统，包括：
多个接入点和至少一个用户终端，其中
所述多个接入点中的每一个包括：
主接口，所述主接口执行与该接入点的覆盖范围内的用户终端的通信，并且在所述接入点的工作信道上广播标准信标帧；以及
副接口，所述副接口在所述接入点的一个或多个邻居接入点的工作信道上广播扩展信标帧，并且
所述用户终端与所述多个接入点中的服务接入点无线耦合，并且包括：
信标帧接收单元，其在所述服务接入点的工作信道上接收来自所述服务接入点的主接口的标准信标帧和来自所述服务接入点的一个或多个邻居接入点的副接口的扩展信标帧；
服务接入点质量计算单元，其根据所述标准信标帧，计算所述服务接入点的信号质量；
邻居接入点质量计算单元，其根据所述扩展信标帧，计算所述一个或多个邻居接入点的信号质量；以及
越区切换单元，其根据由所述服务接入点和所述一个或多个邻居接入点的信号质量，有选择地进行越区切换。
35.根据权利要求34所述的系统，其中，所述扩展信标帧至少包括相应的接入点的主接口的基本服务集标识符、服务集标识符和工作信道的信息。
36.根据权利要求34所述的系统，其中，所述多个接入点中的每一个还包括邻居列表存储单元，所述邻居列表存储单元存储所述接入点的邻居列表，并且其中，所述副接口根据所述邻居列表确定所述一个或多个邻居接入点的工作信道，并依次切换到所述确定出的一个或多个邻居接入点的工作信道，以广播所述扩展信标帧。
37.根据权利要求34所述的方法，其中，所述多个接入点中的每一个还包括广播间隔设置单元，所述广播间隔设置单元根据所述一个或多个邻居接入点的工作信道数目以及所述一个或多个邻居接入点的标准信标帧间隔，调整扩展信标帧的广播间隔，以使得在每个邻居接入点的标准信标帧的一个周期内在该邻居接入点的工作信道上发送一个扩展信标帧。
38.根据权利要求34所述的接入点，其中，所述系统使用802.11标准进行无线通信。
39.一种具有机器可读介质的制品，所述机器可读介质上存储有指令，所述指令当被无线通信网络中的接入点执行时，使得所述接入点：
通过主接口执行与在所述接入点的覆盖范围内的用户终端的通信；
通过主接口在所述接入点的工作信道上广播标准信标帧；以及
通过副接口在所述接入点的一个或多个邻居接入点的工作信道上广播扩展信标帧。
40.一种具有机器可读介质的制品，所述机器可读介质上存储有指令，所述指令当被无线通信网络中的用户终端执行时，使得所述用户终端：
在服务接入点的工作信道上接收来自服务接入点的主接口的标准信标帧；
在服务接入点的工作信道上接收来自一个或多个邻居接入点的副接口的扩展信标帧；
根据接收到的所述标准信标帧，计算所述服务接入点的信号质量；
根据接收到的所述扩展信标帧，计算所述一个或多个邻居接入点的信号质量；以及
根据所述服务接入点和所述一个或多个邻居接入点的信号质量的计算结果，有选择地进行越区切换。
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