Wi-Fi網絡資源管理分析與研究

彭 程，霍中杰

（中國信息通信研究院，北京 100191）

1 引言

近年來，Wi-Fi網絡快速發(fā)展。越來越多的公共場所例如大型商場、飛機場、火車站、體育場等都部署了大量的無線接入點。人們在享受Wi-Fi網絡所帶來的便利同時也對Wi-Fi的網絡質量提出了更高的要求。在一些特殊情況例如人員密集場景下，Wi-Fi的用戶體驗會出現斷崖式下降。例如頻段接入用戶過多導致網絡擁塞、無線接入點負載過大導致系統(tǒng)崩潰，僵尸設備過多導致網絡效率下降等。近年來，增強Wi-Fi網絡資源管理，以及提升網絡效率及用戶滿意度已成為設備廠商及運營商的發(fā)展目標。同時，Wi-Fi聯(lián)盟基于802.11k，v，r標準推出了Multiband Operations-Optimized Connectivity（簡稱MBO）項目來技術來提升網絡質量。其主要聚焦于動態(tài)的網絡監(jiān)控，智能化的網絡控制以及快速的網絡漫游。

2 動態(tài)網絡監(jiān)測

動態(tài)網絡監(jiān)測指無線接入點與客戶端能夠在當前環(huán)境中動態(tài)交互網絡信息。在MBO中，無線終端可以告知無線AP其不愿接入的信道。例如由于一些硬件或者法規(guī)的限制，避免接入的信道或者一些外部干擾過于嚴重需要躲避的信道。此信息可以包含在關聯(lián)或重關聯(lián)的管理幀中。無線接入點不會引導無線終端接入其最新更新的非首選信道。同時，MBO使用了802.11k中的beacon request/report機制。此機制主要分為三種模式。主動模式下，終端在所有信道發(fā)送probe request，并設置時鐘計時器（通常為20-50ms）。從計時器開始計時到結束時，收集所有AP回復的probe response。此段時間內，將所有接收到的關于無線接入點的信息例如SSID，信號強度，BSSID等編制到beacon report中。在被動模式下，終端在時鐘計時器內監(jiān)聽指定信道的Beacon，probe response幀，并將其編制到Beacon report中。在列表模式中，終端只存儲其關注的Beacon及BSSID的信息，客戶端測量Beacon信息并返回報告。不再執(zhí)行任何額外的測量。所有模式下，客戶端都需要返回每個檢測到的AP的信道，基本服務標識（BSSID）以及幀的信號強度。在主動和被動模式下，AP也可以要求客戶端告知其特有信息如服務集標識符，移動域，MBO字段以及其他元素。

3 鄰居報告

客戶端可以請求802.11k鄰居報告。該報告中包含所有已知AP的優(yōu)先列表。在MBO中，鄰居報告主要以802.11u的ANQP協(xié)議以及802.11v的BTM協(xié)議實現?；贏NQP的鄰居報告允許客戶端在關聯(lián)AP之前，發(fā)送ANQP請求獲取鄰居信息，以便幫助客戶端選擇最佳的AP。在MBO中，對ANQP鄰居報告進行了擴展，加入了每個AP的首選值（255位最高，0為最低）?；贐TM協(xié)議的鄰居請求允許客戶端設備從其服務AP請求鄰居報告信息，同時能夠幫助客戶端在漫游時選擇最佳AP。通常情況下客戶端發(fā)送BTM查詢，請求得到鄰居報告。AP通過BTM request將鄰居報告發(fā)送給客戶端?？蛻舳艘訠TM response回復。

4 智能網絡控制

MBO能夠使得客戶端在任意時刻能夠選擇最佳的頻段、信道以及無線接入點接入網絡。當AP與客戶端交換信息時，雙方都能夠了解到當前的網絡狀況，從而能夠幫助網絡管理員提升網絡質量。BTM協(xié)議用于Wi-Fi網絡間的調度，能夠為客戶端提供相應指導。通常情況下，AP會在以下三種情況下自動發(fā)送BTM request告知客戶端調度請求。第一種情況下，AP發(fā)現網絡情況不佳例如頻段內用戶過多導致網絡擁塞，或者AP接入用戶過多導致CPU使用率過高，設備過熱等情況。第二種情況為AP發(fā)現過多僵尸終端。例如客戶端已經遠離服務范圍但仍然保有不必要的連接。第三種情況為AP所提供的網絡服務會暫時中斷，例如設備需要重新啟動，頻段信道將會切換等。需要客戶端跳轉至其他網絡設備繼續(xù)享有服務。在以上三種情況下，客戶端會收到AP發(fā)出的BTM request指出其網絡連接將會中斷?？蛻舳烁鶕笆盏降泥従訄蟾鏇Q定后續(xù)的動作。如果鄰居報告中推薦同一網絡的某一AP，則客戶端在計時器規(guī)定時間內中斷與原有AP的連接，之后跳轉至網絡中的其他無線路由器。如果客戶端收到的鄰居報告中顯示同一網絡中其他無其他AP，鄰居報告提示需要跳轉至其他網絡或切換至蜂窩網絡?？蛻舳藭盏浇ㄗh信息，最終由用戶決定后續(xù)操作。

5 快速漫游

為了提高用戶在移動過程中的上網體驗，MBO中使用了802.11r快速漫游機制，使其能夠加快在WPA2安全機制下的身份驗證速度?？蛻舳嗽跀U展服務集內的某一AP漫游到另一AP時，不需要通過Radius服務器進行重新認證。此功能能夠加快連接速度從而極大地提升了用戶體驗。FT特性添加了一種新的安全密鑰派生方法，客戶端在完成初始連接后，可以與ESS中的其他AP交換新的安全元素。在完成802.11身份驗證和重新關聯(lián)步驟后，就能夠完成與新AP的連接，從而避免了傳統(tǒng)802.11x完整EAP過程導致的網絡延遲，提升來了客戶端漫游的速度。

6 結束語

智能化的資源管理是未來Wi-Fi網絡發(fā)展的重要方向。在其核心領域包括頻譜資源的合理應用，自適應化的負載均衡，覆蓋區(qū)域間的快速漫游等。同時利用現有IEEE標準802.11k，802.11v和802.11r標準的MBO技術正在將這個設想變?yōu)楝F實。相信未來Wi-Fi網絡一定能夠帶給人們更佳優(yōu)異的用戶體驗，成為移動互聯(lián)網中不可或缺的組成部分。