IEEE 802.11 무선랜 환경에서 끊김없는 핸드오프를 위한 효율적인 채널 스캐닝 기법

Abstract

IEEE 802.11 wireless local area networks (WLANs) have been widely deployed in a variety of locations such as homes, airports, office buildings, and universities to provide low-cost and high-speed wireless Internet access. In addition, recently widespread smartphones have accelerated the deployment of WLANs. In WLANs, due to the inherently limited coverage of each access point (AP), when a mobile station moves beyond the coverage of its serving AP, time-consuming handoff process is initiated. Since the mobile station cannot communicate with its serving AP during the handoff process, long handoff delay results in service delays and disruptions. Handoff is the process of changing point of attachment of a mobile station from one AP to another, and it can be divided into three phases: scanning, authentication, and re-association. Scanning phase is the process that a mobile station probes neighboring APs to newly associate with, and it takes the majority of the total handoff delay. Thus, it is important to devise an e cient channel scanning scheme for seamless handoff. In this dissertation, we propose two e cient channel scanning schemes for IEEE 802.11 WLANs to reduce the handoff delay. First, we propose a novel seamless passive scanning (SPS) scheme. SPS is fundamentally different from existing channel scanning schemes in that APs, not mobile stations, switch channels. Specifically, each AP is equipped with dual wireless network interfaces, one of which is used for normal AP operations and the other is dedicated to the channel scanning assistance. In this circumstance, mobile stations do not perform active scans and stay on their operating channel, while APs switch channels and broadcast beacon frames by using the additional interface. Thus, mobile stations can maintain up-to-date information about neighboring APs without scanning other channels. Consequently, the service disruption during the channel scanning phase is eliminated and the quality of ongoing data communication is not degraded. Second, we propose a dual-interface based seamless handoff (DISH) scheme which is designed for enterprise WLANs (EWLANs). EWLAN is a special case of WLANs where central controller collects information of the network and controls it according to the collected information to maximize the network performance. In DISH, to minimize service disruptions during the channel scanning phase, a mobile station does not switch its operating channel when it scans neighboring APs. Instead, it requests neighboring APs to switch their channels through the central controller. When receiving the request, the neighboring APs switch one of their dual interfaces to the mobile station’s operating channel. Then, the station broadcasts probe request frame, and the neighboring APs reply by transmitting probe response frames on the operating channel of the station. Through this, the station can collect information of neighboring APs without switching channels, thereby eliminating service disruption during the scanning phase. We evaluate the performance of SPS and DISH via extensive OPNET simulations. The simulation results show that the proposed schemes outperform the existing handoff schemes by eliminating channel scanning delay and minimizing service disruption time.

최근 스마트폰, 태블릿PC 등 스마트 디바이스들의 보급이 늘어남에 따라 이들 장비에 빠른 전송속도와 값싼 무선 서비스를 제공하기 위한 무선 AP의 보급이 늘어나고 있다. 이러한 AP들을 설치할 때, 서로간의 간섭을 줄이기 위해 인접한 AP 는 서로 다른 채널을 사용하는 것이 일반적이다. 하지만 이로 인해서 단말이 현재 접속중인 AP에서 멀어져서 새로 접속할 AP를 찾는 채널 스캐닝 과정에서 단말은 모든 채널들을 이동하면서 각 채널에 AP가 존재하는지 확인을 하여야 한다. 이 과정은 아주 오랜시간을 소모하여, VoIP, 실시간 비디오 스트리밍과 같이 끊김에 민감한 응용프로그램들에 대한 서비스의 질을 떨어뜨리는 문제가 발생한다. 이에, 모든 채널이 아니라 선택된 일부의 채널을 선택적으로 스캐닝 하여 핸드오프 시간 을 줄이는 방법들이 제안되었으나 여전히 많은 수의 채널을 스캐닝 하여야 하거나, 단말에 다중인터페이스를 설치해야하는 등의 문제점이 존재한다. 본 논문에는 이러한 핸드오프 과정에서 발생하는 긴 지연시간을 줄이기 위한 두 가지 기법을 제안한다. 먼저, 패시브 스캐닝 기법에 기반한 SPS 기법을 제안한다. SPS는 각 AP에 추가 인터페이스를 장착하고, 그 인터페이스가 인접 AP가 사용하 는 채널에 비콘 프레임을 전송함으로써 단말이 채널을 이동하지 않고도 인접 AP의 정보를 획득할 수 있는 방법을 취하고 있다. 즉, 단말은 인접하는 AP들이 존재하는 채널들을 스캐닝 하는 것이 아니라 현재 단말이 사용하는 채널에서 접속중인 AP 와통신을하는중에인접AP들로부터관련정보를수신할수있다. 또한,SPS 에서는 기존 AP에 SPS 기반의 인터페이스를 장착하는 방식으로 기존 AP 자체의 동작 방식을 수정하지 않고 쉽게 설치가 가능하다는 장점이 있다. OPNET 기반 의 시뮬레이션을 통하여 SPS가 기존의 핸드오프 기법들에 비해서 우수하다는 점을 보였다. 또한, SPS 기법에 더하여 엔터프라이즈 무선랜 환경에서 핸드오프 지연시간을 최소화하는 DISH 기법을 제안한다. DISH는 SPS와 같이 추가 인터페이스를 사용 하며, 엔터프라이즈 무선랜의 중앙 컨트롤러를 사용하여 핸드오프 시간을 줄이고 있다. SPS는 설치가 용이하다는 장점이 있는 반면, 인접 AP가 사용하는 채널에 비콘 프레임을 전송함으로써 추가적인 오버헤드가 발생하는 단점이 존재한다. 반 면에, DISH는 중앙 컨트롤러를 통하여 단말이 핸드오프를 수행해야 할때만 인접 AP들이 추가 인터페이스를 통하여 Probe Response 프레임을 보냄으로써 오버헤 드 측면에서 좀더 효율적으로 동작할 수 있다. OPNET을 통한 시뮬레이션을 통해 DISH가 기존의 기법들에 비해 우수한 핸드오프 성능을 보인다는것을 입증하였다. 본 논문에서 제안하는 SPS와 DISH는 설치의 용의성, 중앙 컨트롤러가 필요없 다는 점에서는 SPS가 우수하며, 추가 비콘 프레임 전송을 통한 오버헤드가 없다는 점은 DISH가 우수하다고 할 수 있다. 이 두 가지 기법은 필요에 따라서, 네트워크의 특성에 맞게 선택적으로 설치 및 사용될 수 있다.