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1、上海交通大学硕士学位论文WiFi网络切换技术的研究与实现姓名：周洲申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：徐昌庆20081201申请上海交通大学工学硕士学位论文 摘要 I WiFi网络切换技术的研究与实现 摘 要 近年来，无线局域网技术得到了迅速的发展和成功的应用，普及程度不断提高。以 WiFi 为代表的 IEEE802.11 系列标准为人们提供了快捷、高效以及低成本的无线局域网接入服务。通过 WiFi 网络接入Internet 可以为用户提供各种服务，比如 VoIP、多媒体和数据传输等等。对于这些应用和服务而言，持续稳定的网络接入成为必然的要求。然而，由于 WiFi 网络接入点（Ac
2、cess Point，AP）的覆盖能力有限，通常只有 50-300 米，使得对用户移动性的支持十分有限。移动用户在不同 AP 小区间漫游时，将会频繁地导致切换（Handoff）发生。如果由此带来的切换时延过大，将显著地影响诸如 VoIP 之类的实时性服务的质量。因此，切换技术一直是 WiFi 网络中的一项重要而富有挑战性的议题。本文主要研究 WiFi 网络的切换技术，并且注重切换方案的应用实现。文章首先论述了 WiFi 网络切换技术的研究意义以及国内外的研究现状，然后详细分析了传统 IEEE802.11 网络切换的过程和性能。在此基础上提出了一种基于背景扫描的快速切换方案，通过背景扫描获取并储
3、存 AP 信息，降低了扫描时延。同时引入扫描门限和切换门限来保证切换决策的可靠性。在目标 AP 选择上，以当前信号的实时强度为主要指标，同时考虑安全性、稳定性和用户需求。最后，我们申请上海交通大学工学硕士学位论文 摘要 II 按照 NDIS 的规范要求，在 Windows 平台上实现了切换方案，实验结果表明，本文的切换方案引入的切换时延小，能够满足诸如 VoIP、视频流传输等实时应用。关键词：无线局域网，WiFi，切换 申请上海交通大学工学硕士学位论文 摘要 III RESEARCH AND IMPLEMENTATION ON HANDOFF TECHNIQUE FOR WIFI NETWOR
4、KS ABSTRACT In recent years，Wireless Local Area Networks（WLAN）have developed rapidly and gained common acceptance,with numerous successful deployments in local network environments.The IEEE 802.11 standard(WiFi)has enabled fast,effective and low-cost WLAN services.Wireless networks offer access to t
5、he Internet for delivery of various services such as VoIP,multimedia,and data transmission.Continuous network connectivity is highly desirable for most services.However,the coverage of a WiFi access point(AP)is normally 50 to 300 meters and the small coverage can only support users with low mobility
6、.Handoff happens frequently when the mobile station is roaming between different APs.The handoff latency significantly influences the qualities of real-time applications such as VoIP.Thus,handoff had always been a critical and challenging issue in related areas.This paper focuses on handoff techniqu
7、es research and its implementation in WiFi networks.First of all,the significance and current status of WiFi handoff research are presented.Then the procedure of IEEE802.11 handoff is introduced in detail including its 申请上海交通大学工学硕士学位论文 摘要 IV performance analysis.Moreover，we propose a fast handoff sc
8、heme based on background scanning,which helps the mobile station to acquire the information of the APs around and reduces the scanning latency at the same time.Otherwise,scan threshold and handoff threshold are introduced to make the handoff decision efficient and reliable.When selecting the target
9、AP,we choose the RSSI as a dominant factor as well as security,stability and customer demands.At last，we implement handoff scheme on Windows platform,according to the NDIS standard.Experiments result very low handoff latency which should satisfy the requirement of real-time applications such as VoIP
10、 and video streaming transmission.KEY WORDS：WLAN，WiFi，Handoff申请上海交通大学工学硕士学位论文 目录 V 英文缩略语表 ACK Acknowledgment 应答 AP Access Point 访问点 BPSK Binary Phase Shifting Keying 二进制相移键控 BSS Basic Service Set 基本服务集 BSSID Basic Service Set Identification 基本服务集标识 CCK Complementary Code Keying 补充编码键控 CF Contention
11、Free 无竞争 CRC Cyclic Redundancy Code 循环冗余码 CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance 载波监听多路访问/冲突避免 CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection 载波监听多路访问/冲突检测 DSS Distribution System Service 分发系统服务 DSSS Direct Sequence Spread Spectrum 直接序列扩频 ESS Extended Service
12、Set 扩展服务集 ESSID Extended Service Set Identification 扩展服务集标识 FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum 跳频扩频 IAPP Inter Access Point Protocol 接入点间协议 IBSS Independent Basic Service Set 独立基本服务集 LAN Local Area Network 局域网 LLC Logical Link Control 逻辑链路控制 MAC Medium Access Control 媒介访问控制 MIB Management Inform
13、ation Base 管理信息库 MLME MAC Layer Management Entity MAC 层管理实体 PCF Point Coordination Function 集中协调功能 PLME Physical-layer Management Entity 物理层管理实体 申请上海交通大学工学硕士学位论文 英文缩略语表 VI POTS Plain Old Telephone Service 普通老式电话服务 PSTN Public Switched Telephone Network 公共交换电话网络 QPSK Quadrature Phase Shifting Keying
14、正交相移键控 RSSI Received Signal Strength Indication 接收信号强度指示 SME System Management Entity 系统管理实体 SSID Service Set Identification 服务集标识 TIM Traffic Indication Map 传输指示图 VoIP Voice over Internet Protocol 网络电话 申请上海交通大学工学硕士学位论文 撰写和发表的论文 57 申请上海交通大学工学硕士学位论文 撰写和发表的论文 58 申请上海交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 毫无疑问，因
15、特网是二十世纪最伟大的发明之一，它彻底改变了人们获取信息的方式，对人们的生活产生了深远的影响，已经成为人们生活中不可缺少的工具。近年来，随着信息技术的飞速发展，人们对网络通信的需求不断提高，希望不论在任何地方、任何时间，与任何人都能够进行包括数据、语音、图像等多种内容形式的通信，并能实现工作站在网络中的漫游。这种移动数据业务需求为无线局域网技术的发展提供了广阔的舞台。无线局域网技术是计算机网络技术与无线通信技术相结合的产物，它使用无线信道支持计算机之间的通信，是实现个人通信的主要技术之一。目前，无线局域网发展迅速，用户数量正以几何级数增长。虽然当前国内的用户基数较小，但是迅猛的增长速度意味着无
16、线网络有着巨大的潜力和爆发力。因此，无线局域网这个市场成为了通信厂商和运营商的竞相追捧的目标。1.1 IEEE802.11 系列协议标准 作为全球公认的局域网权威，IEEE 802 工作组建立的标准在过去二十年内在局域网领域独领风骚。这些协议包括了802.3 Ethernet协议、802.5 Token Ring协议、802.3z100BASET 快速以太网协议。在 1997 年，经过了 7 年的工作以后，IEEE 发布了 802.11 协议，这也是在无线局域网领域内的第一个国际上被认可的协议。在 1999 年 9 月，他们又提出了 802.11b 协议1，这就是著名的 Wireless Fi
17、delity，简称 WiFi，用来对 802.11 协议进行补充。WiFi 在 802.11 的 1Mbps和 2Mbps 速率下又增加了 5.5Mbps 和 11Mbps 两个新的网络吞吐速率。利用 WiFi，移动用户能够获得同 Ethernet 一样的性能、网络吞吐率和可用性。这个基于标准的技术使得管理员可以根据环境选择合适的局域网技术来构造自己的网络，满足商业用户和其他用户的需求。802.11 系列协议主要工作在 ISO 协议的最低两层上，并在物理层上进行了一些改动，加入了高速数字传输的特性和连接的稳定性。图 1-1 显示了IEEE802.11 系列标准的协议体系结构2。申请上海交通大学
18、工学硕士学位论文 第一章 绪论 2 图 1-1 IEEE802.11 协议体系结构 Figure 1-1 IEEE802.11 architecture 1.1.1IEEE802.11工作方式 IEEE802.11 定义了两种类型的设备，一种是无线工作站（Station,STA），通常是通过一台 PC 机器加上一块无线网络接口卡构成的，另一个称为无线接入点(AP)，它的作用是提供无线和有线网络之间的桥接。一个无线接入点通常由一个无线输出口和一个有线的网络接口(802.3 接口)构成，桥接软件符合 802.1d桥接协议。接入点就像是无线网络的一个无线基站，将多个无线的接入站聚合到有线的网络上。无
19、线的终端可以是 802.11PCMCIA 卡、PCI 接口、ISA 接口的，或者是在非计算机终端上的嵌入式设备(例如 802.11 手机)。从组网方式而言，IEEE802.11 有两种组网方式，独立型网络和基础结构型网络3。独立型网络，如图 1-2 所示，也称对等网络或 Ad-hoc 网络，它覆盖的服务区称为独立基本服务集（Independent BSS，IBSS）。对等网络用于一台无线工作站和另一台或多台其他无线工作站的直接通讯，该网络无法接入有线网络中，只能独立使用。这也是最简单的无线局域网结构。一个对等网络由一组有无线接口的计算机组成。这些计算机要有相同的工作组名、扩展服务集标识（Ext
20、ended Service Set Identification,ESSID）和密码。对等网络组网灵活，任何时间，只要两个或更多的无线接口互相都在彼此的范围之内，它们就可以建立一个独立的网络。这些根据要求建立起来的典型网络在管理和预先调协方面没有任何要求，因此对等网络只能用于少数用户的组网环境，并且他们离得足够近。基础结构型网络，如图 1-3 所示，是由无线接入点（AP）、无线工作站（STA）以及分发系统服务（Distribution System Service,DSS）构成，覆盖的区域分基本服务集（Basic Service Set,BSS）和扩展服务集（Extended Service
21、Set，ESS）。无线访问点申请上海交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论 3 也称无线 AP 或无线 Hub，用于在无线工作站和有线网络之间接收、缓存和转发数据。无线 AP 通常能够覆盖几十至几百用户，覆盖半径达上百米。BSS 由一个无线访问点以及与其关联的无线工作站构成，在任何时候，任何无线工作站都与该无线访问点关联。换句话说，一个无线访问点所覆盖的微蜂窝区域就是一个基本服务集。无线工作站与无线访问点关联采用 AP 的基本服务集标识（Basic Service Set Identification，BSSID），在 IEEE802.11 中，BSSID 是 AP 的 MAC地址。图 1-4
22、3给出了 ESS 和 BSS 的结构示意图。1.1.2IEEE802.11分层协议 1.物理层 在 IEEE802.11 最初定义的三个物理层包括了两个扩散频谱技术和一个红外传播规范，无线传输的频道定义在 2.4GHz 的 ISM 波段内，这个频段，在各个国际无线管理机构中几乎都是非注册使用频段。这样，使用 IEEE802.11 网络的客户端设备就不需要任何无线许可。扩散频谱技术保证了 IEEE802.11 的设备在这个频段上的可用性和可靠的吞吐量，这项技术还可以保证同其他使用同一频段的设备不互相影响。图 1-2 独立型网络 Figure 1-2 Independent network IEE
23、E802.11 无线标准定义的传输速率是 1Mbps 和 2Mbps，可以使用跳频扩频FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)和直接扩频 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)技术，需要指出的是，FHSS 和 DSSS 技术在运行机制上是完全申请上海交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论 4 不同的，所以采用这两种技术的设备之间没有互操作性。图 1-3 基础型网络 Figure 1-3 Infrastructure network 图 1-4 BSS 和 ESS 结构示意图 Figure 1-4 BSS and ESS
24、architecture 2.802.11b 的增强物理层 802.11b 在无线局域网协议中最大的贡献就在于它在 IEEE802.11 协议的物理层增加了两个新的速度：5.5Mbps 和 11Mbps。为了实现这个目标，DSSS 被选作该标准的唯一的物理层传输技术，这个决定使得 802.11b 可以和 1Mbps 和 2M 申请上海交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论 5 bps 的 802.11 DSSS 系统互操作。最初 802.11 的 DSSS 标准使用 11 位的 chippingBarker 序列来将数据编码并发送，每一个 11 位的码片代表一个一位的数字信号 1 或者 0，这
25、个序列被转化成波形，称为一个符号（Symbol)，然后在空气中传播。这些符号以 1MSps(每秒 1M 的 symbols)的速度进行传送，传送的机制为BPSK(Binary Phase Shifting Keying)，在 2Mbps 的传送速率中，使用了一种更加复杂的传送方式称为 QPSK(Quadrature Phase Shifting Keying)，QPSK 中的数据传输率是 BPSK 的两倍，因此提高了无线传输的带宽。在 802.11b 标准中，一种更先进的编码技术被采用了，在这个编码技术中，抛弃了原有的 11 位 Barker 序列技术，而采用了补充编码键控（Complemen
26、tary Code Keying，CCK）4技术，它的核心编码中有一个 64 个 8 位编码组成的集合，在这个集合中的数据有特殊的数学特性使得他们能够在经过干扰或者由于反射造成的多方接受问题后还能够被正确地互相区分。5.5Mbps 使用 CCK 串来携带 4位的数字信息，而 11Mbps 的速率使用 CCK 串来携带 8 位的数字信息。两个速率的传送都利用 QPSK 作为调制的手段，不过信号的调制速率为 1.375MSps，这也是 802.11b 获得高速的机理。为了支持在有噪音的环境下能够获得较好的传输速率，802.11b 采用了动态速率调节技术，允许用户在不同的环境下自动使用不同的连接速度
27、来补充环境的不利影响。在理想状态下，用户以 11Mbps 的全速运行，然而，当用户移出理想的 11Mbps 速率传送的位置或者距离时，或者潜在地受到了干扰的话，则把速度自动按序降低为 5.5Mbps、2Mbps、1Mbps。同样，当用户回到理想环境的话，连接速度也会以反向增加直至 11Mbps。速率调节机制是在物理层自动实现而不会对用户和其它上层协议产生任何影响。3.802.11 数据链路层 802.11 的 MAC 和 802.3 协议的 MAC 非常相似，都是在一个共享媒体之上支持多个用户共享资源，由发送者在发送数据前先进行网络的可用性探测。在802.3 协议中，是由一种称为载波监听多路访
28、问/冲突检测(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD)的协议5来完成调节，而在 802.11 无线局域网协议中，冲突的检测存在一定的问题，如果要检测冲突，设备必须能够一边接收数据信号一边传送数据信号，而这在无线系统中是无法办申请上海交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论 6 到的。鉴于这个差异，在 802.11 中对 CSMA/CD 进行了一些调整，采用了新的载波监听多路访问/冲突避免(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA
29、)协议或者分布式协调功能(Distributed Coordination Function，DCF)。CSMA/CA 协议中利用应答（Acknowledgment，ACK）信号来避免冲突的发生，也就是说，只有当客户端收到网络上返回的 ACK 信号后才确认送出的数据已经正确到达目的地。CSMA/CA 通过这种方式来提供无线信道的共享访问，这种显式的 ACK 机制在处理无线问题时非常有效。然而，不管是对于 802.11还是 802.3 来说，这种方式都增加了额外的负担，所以 802.11 网络和类似的Ethernet 网比较总是在性能上稍逊一筹。另一个的无线 MAC 层问题是隐藏节点（Hidde
30、n Node）问题。两个工作站利用一个中心接入点进行连接，这两个工作站都能够“听”到中心接入点的存在，而互相之间则可能由于障碍或者距离原因无法感知到对方的存在。为了解决这个问题，802.11 在 MAC 层上引入了一个新的 RTS/CTS(Request to Send/Clear to Send)机制，当这个选项打开后，一个发送工作站传送一个 RTS 信号，随后等待访问接入点回送 RTS 信号，由于所有的网络中的工作站能够“听”到访问接入点发出的信号，所以 CTS 能够让他们停止传送数据，这样发送端就可以发送数据和接收 ACK 信号而不会造成数据的冲突，这就间接解决了“hidden node
31、”问题。由于 RTS/CTS 需要占用网络资源而增加了额外的网络负担，一般只是在那些大数据报上采用(重传大数据报会耗费较大)。802.11MAC 子层提供了另两个强壮的功能，CRC 校验和包分片。在 802.11协议中，每一个在无线网络中传输的数据报都被附加上了校验位以保证它在传送的时候没有出现错误，这和 Ethernet 中通过上层 TCP/IP 协议来对数据进行校验有所不同。包分片的功能允许大的数据报在传送的时候被分成较小的部分分批传送。这在网络十分拥挤或者存在干扰的情况下(大数据报在这种环境下传送非常容易遭到破坏)是一个非常有用的特性。这项技术大大减少了许多情况下数据报被重传的概率，从而
32、提高了无线网络的整体性能。MAC 子层负责将收到的被分片的大数据报进行重新组装，对于上层协议这个分片的过程是完全透明的。802.11 MAC 子层还负责解决客户端工作站和访问接入点之间的连接。当一个 802.11 客户端进入一个或者多个接入点的覆盖范围时，它会根据信号的强弱以及包错误率申请上海交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论 7 来自动选择一个接入点来进行连接，一旦被一个接入点接受，客户端就会将发送接受信号的频道切换为接入点的频段。这种重新协商通常发生在无线工作站移出了它原连接的接入点的服务范围，信号衰减之后。其他的情况还发生在建筑物造成的信号的变化或者仅仅由于原有接入点中的拥塞。在拥塞
33、的情况下，这种重新协商实现负载平衡的功能，它将能够使得整个无线网络的利用率达到最高。802.11 的 DSSS 中一共存在着相互覆盖的 14 个频道，在这 14 个频道中，仅有三个频道是完全不覆盖的，利用这些频道来作为多蜂窝覆盖是最合适的。如果两个接入点的覆盖范围互相影响，同时他们使用了互相覆盖的频段，这会造成他们在信号传输时的互相干扰，从而降低了他们各自网络的性能和效率。1.1.3WiFi 网络技术特点 WiFi 是具有完全兼容性的 IEEE802.11 标准子集，因此关于 WiFi 的研究与应用都是建立在IEEE802.11标准上的。它对IEEE802.11标准进行了修改和补充，其中最重要
34、的就是在 IEEE802.11 的基础上增加了两种更高的通信速率 5.5Mb/s和 11Mb/s。因此有了 IEEE802.11b 标准后，移动用户可以得到以太网级的网络性能、速率和可用性，管理者也可以无缝地将多种 LAN 技术集成起来，形成一种能够最大限度满足用户需求的网络。IEEE802.11b 的基本结构、特性和服务仍然由最初的 IEEE802.11 标准定义。IEEE802.11b 技术规范只影响 IEEE802.11 物理层，它提供了更高的数据传输速率和更牢固的连接性。相比与其他的无线接入技术，WiFi 具有以下几点突出的优势：其一，无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非
35、常小，半径大约只有 50 英尺左右，约合 15 米6，而 WiFi的半径则可达 300 英尺左右，约合 100 米，办公室自不用说，就是在整栋大楼中也可使用。其二，虽然由 WiFi 技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性能比蓝牙差一些，传输质量也有待改进，但传输速度非常快，可以达到 11Mbps，符合个人和社会信息化的需求。其三，厂商进入该领域的门槛比较低。厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”并通过高速线路将因特网接入上述场所。这样，由于“热点”所发射出的电波可以达到距接入点半径数十米至 100 米的地方，用户只要将支持无线 LAN 的笔记本电脑或 PDA拿到
36、该区域内，即可高速接入因特网。也就是说，厂商不用耗费资金来进行网络申请上海交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论 8 布线接入，从而节省了大量的成本。与有线网络相比，WiFi 最主要的优势在于不需要布线，可以不受布线条件的限制，因此非常适合移动办公用户的需要，具有广阔市场前景。目前它已经从传统的医疗保健、库存控制和管理服务等特殊行业向更多行业拓展开去，甚至开始进入家庭以及教育机构等领域。同时，它也是健康安全的无线接入技术，IEEE802.11 规定的发射功率不可超过 100 毫瓦，实际发射功率约 6070 毫瓦1，相比与手机的发射功率 2001000 毫瓦7，手持式对讲机高达 5 瓦的发射功率
37、，是绝对安全的。随着各种便携式通信终端如手机、PDA、笔记本电脑等的日益普及，人们在日常生活和商务活动中，越发渴望以任意的移动方式更加灵活、快速地接入互联网。WiFi 无线网络简单的组建方式使得它成为那些随时需要进行网络连接用户的必然之选。一般架设无线网络的基本配备就是无线网卡及一台 AP，如此便能以无线的模式，配合既有的有线架构来分享网络资源，架设费用和复杂程度远远低于传统的有线网络。如果只是几台电脑的对等网，也可不要 AP，只需要每台电脑配备无线网卡。AP 主要在媒体存取控制层 MAC 中扮演无线工作站及有线局域网络的桥梁，使得无线工作站可以快速且轻易地与网络相连。特别是对于宽带的使用，W
38、iFi 更显优势，有线宽带网络（ADSL、小区 LAN 等）到户后，连接到一个 AP，然后在电脑中安装一块无线网卡即可。普通的家庭有一个 AP 已经足够，甚至用户的邻里得到授权后，则无需增加端口，也能以共享的方式上网。这两年内，无线 AP 的数量迅猛增长，无线网络的方便与高效使其能够得到迅速的普及。当然，无线局域网技术的商用目前也碰到了许多不可否认的困难。从市场的角度而言，WiFi 的赢利模式不明确，如果将 WiFi 作为单一网络来经营，商业用户的不足会使网络建设的投资收益比较低，影响电信运营商的积极性。因此一些运营商将 WiFi 定位在作为高速有线接入技术的补充，将来逐渐也会成为蜂窝移动通信
39、的补充。从技术角度而言，WiFi 技术自身尚有诸多问题，比如其漫游性、安全性和如何计费等都还没有得到妥善的解决，这些都成为 WiFi 发展的障碍。1.2VoIP 技术 VoIP(Voice over Internet Protocol)8是指将模拟的声音讯号经过压缩与封包之后，以数据封包的形式在 IP 网络的环境进行语音讯号的传输，通俗来说申请上海交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论 9 也就是互联网电话、网络电话或者简称 IP 电话的意思。VoIP 的基本原理是：通过语音的压缩算法对语音数据编码进行压缩处理，然后把这些语音数据按 TCP/IP 标准进行打包，经过 IP 网络把数据包送至接收
40、地，再把这些语音数据包串起来，经过解压处理后，恢复成原来的语音信号，从而达到由互联网传送语音的目的。VoIP 是一种以 IP 电话为主，并推出相应的增值业务的技术。它的最大的优势是能广泛地采用 Internet 和全球 IP 互连的环境，提供比传统业务更多、更好的服务。VoIP 可以在 IP 网络上便宜的传送语音、传真、视频、和数据等业务，如统一消息、虚拟电话、虚拟语音/传真邮箱、查号业务、Internet 呼叫中心、Internet 呼叫管理、电视会议、电子商务、传真存储转发和各种信息的存储转发等。使用 VoIP 的主要优点：?把 VoIP 集成到集中器中，企业将进入一个充满机遇的新世界。如
41、果该企业是服务提供商或传输服务提供商，则能够向用户提供附加业务。如果是远程用户，则访问过程将明显简化。?增加利润，造就机遇企业不再单纯依靠从用户的按时计费应用或主机使用中获取利润。服务提供商和传输服务提供商现在可以在传统业务基础上提供话音、传真、多媒体业务。由于这些企业长期通过企业局域网和 PSTN 建立连接，这一连接关系可以随着业务的增长而继续。例如，有了 VoIP，接入业务提供 商，包 括 互 联 网 服 务 提 供 商(ISP)和 传 输 服 务 者 可 以 实 现Points-of-Presence(POPs)和 上 下 驿 站 网 关 服 务。VoIP 网 关 功 能 支 持PC-t
42、o-Phone 和 Phone-to-PC 业务，可通过基于 IP 的网络进行实时通信，造就新的商业机会。?企业节省开支和接入的优点对于依靠 PSTN 使用话音和传真业务的企业，节约的开支是十分可观的。VoIP 通过绕过 PSTN 的方式，最终减少计费。用市话的价格，用户可以在任何时间向全球任何地方发送传真或拨打电话。另外，新的 HiPer 接入的 VoIP 功能将使用户可以通过在 POTS 线上建立的连接，接入企业内部网络、检查电子邮件、使用互联网和收听话音邮件。而且，话音邮件或电子邮件经过检查后，远程用户就可以接通从 PC 机上接入的电话了。这申请上海交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论
43、 10 一功能节约的费用和增加的就业机会将使该企业更具竞争力。?对于个人用户而言，VoIP 可以使得人们更加自由方便，低成本地进行交流。由于优势明显，VoIP 技术是目前互联网应用领域的一个热门话题，成为全球互联网与电子商务趋势之一9。1.3 课题来源及研究意义 本课题是国家 863 项目“支持新一代自组织、泛在与异构网络终端的切换技术研究”（2007AA01Z224）项目中的部分研究内容。随着 WLAN 的普及和 VoIP 技术的迅速发展，人们越发关注将两者结合起来，可以在单一的终端设备随时随地上网和随时随地通话。这就是 VoWLAN(Voice over WLAN)在 IP 上实现移动的语
44、音和数据连接。它可以利用现有的 WLAN网络实现无线的 VoIP 通话能力，人们通过 VoWLAN 可在随时访问语音、E-mail和其他已连的网络资源，这样提高了网络资源的利用率并降低了每次电话呼叫的成本。VoWLAN 技术的最大潜在市场在于把其整合到移动设备中，打造出可以无缝地接入现有的宽带数据网络和 IP 电话网络，支持语音和数据业务的综合数字终端。然而，目前的 VoWLAN 的解决方案都是不可靠而且不够完善的。这很大程度上是由于 IEEE802.11 网络自身的不足所造成的。当前主流的 IEEE802.11 标准WiFi 对于语音的 QoS、安全性和漫游并没有很好的支持。尤其在工作站在
45、AP间跨区切换方面，由于语音信号对传输延时要求极高，较高的切换时延对语音业务的 QoS 造成了一定的影响。本文就针对基于 IEEE802.11 协议的无线局域网，以 WiFi 作为典型代表，对于网络中 AP 间切换的问题，在传统的数据链路层切换方案上进行研究，提出了一种快速的切换方案，并且在移动终端上实现了该方案。1.4 论文的内容与结构 本文的主要贡献在以下几个方面：1.系统地分析了 IEEE802.11 网络切换产生的原因和切换过程对无线局域网的意义。详细解析了切换过程中的关键步骤，针对 VoIP 为代表的实时性业务对切换的要求，从时延的角度分析切换过程各步骤对总体切换性能的影响。申请上海
46、交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论 11 2.总结当前对于切换研究的现状和成果，分析了不同切换方案的优缺点，在此基础上结合本文的研究背景探讨可行的改进方向。3.针对传统 IEEE802.11 切换中“先断后连”思想的不足以及切换中扫描过程耗时巨大的特点，提出了基于背景扫描的方案，并且设计了独特的带有切换门限和扫描门限切换决策算法，保证切换决策的可靠性和切换过程的有效性。4.面向实用在 Windows 平台上利用 NDIS 网络驱动程序编程实现本文的切换方案，不同于以往研究以仿真方法测试切换方案的性能，而是直接在实用环境中以语音通话的效果检验方案性能，并且借助网络数据包分析工具对切换性能进行
47、详细分析，证明了本文的方案能有效降低切换时延，保证实时性业务的服务质量。论文的其余部分组织如下：第二章主要分析了 IEEE802.11 网络切换的过程以及各步骤对整体切换性能的影响，介绍了现有的几种改进方向；第三章主要提出了基于背景扫描的切换方案，详细给出了切换决策和 AP 选择算法；第四章详细给出了切换方案的实现要素，包括实验平台和实验网络环境，并且对实验结果进行了分析。本文的总结与展望在第五章给出。申请上海交通大学工学硕士学位论文 第二章 IEEE802.11切换过程及性能分析 12 第二章 IEEE802.11 切换过程及性能分析 作为当今主流的无线局域网，WiFi 必须保证对用户移动性
48、的足够支持，在用户移动过程中，切换过程几乎不可避免。而不同的服务对切换性能的要求各不相同，以 VoIP 为代表的实时性业务的迅速发展对 WiFi 网络切换性能提出了更高的要求，因此，在了解业务要求的基础上，有针对性地分析 WiFi 网络切换的过程成为设计并实现 WiFi 网络切换的首要要求。2.1VoIP 服务要求 因特网的发展，使得越来越多的应用加到 IP 网络上。现今的 IP 网络是“尽力而为”的质量保证方式，不能满足已出现的各种服务和市场要求。在语音方面，习惯了PSTN的高质量语音的人们对IP网上语音传输质量提出了更高的要求。改善 VoIP 的语音质量，成为全行业范围内的研究热点。一般来
49、说，现有的网络（Internet）对于 IP 电话和传真的服务质量的影响大致有以下几点11：（1）实时带宽：IP 网络当初的设计并不为语音的实时传输保证应有的带宽，虽然实时语音的传输带宽需求很低，但它却需要一个恒定的或直接可用的带宽。（2）延时：端到端的延时包括编、解码造成的延时，打包与解包的延时及网络传送延时。（3）包丢失：IP 网上数据的完整性是依靠 TCP 的重发机制来实现的，IP网上语音包的传输采用 UDP 的方式，不能保证包的的完整性。而且对于实时的话音通信而言，数据包的重传没有意义，因此允许一定的包丢失，但为保证通话质量，一般要求包丢失率应在 5%以下。（4）非线性语音编码:非线性
50、语音压缩编码方案并不能保留所有频谱的信息。通常在局域网中采用分类和队列管理这样的机制来保证语音的 QoS，在一个LAN 环境中，为了保护语音通信不受数据通信影响，就采用通信分类的方法。局域网中对第二层的以太网帧头加入了优先级字段，以区分不同的优先级。根据某申请上海交通大学工学硕士学位论文 第二章 IEEE802.11切换过程及性能分析 13 些特定规则对帧进行分类后，对重要数据进行排队，以便优先传输这些重要数据来提供的。目前的有线局域网以以太网（传统的交换式 10Mb/s 以太网、快速以太网或千兆位以太网）为基础，这样的构成对于 IP 网络电话服务而言，延迟的影响不会成为问题，而无线局域网由于