Optimierung von Roaming in IEEE 802.11 Wireless Netzwerken

Abstract

Die Anzahl an mobilen Geräten wie Laptops, Smartphones und Tablets nimmt immer mehr zu. Neben dem Einsatz im privaten Bereich steigt auch die Nutzung solcher Geräte in der Arbeitswelt und im industriellen Umfeld. Für eine ununterbrochene Datenverbindung sorgen in einer lokalen Umgebung zumeist WLAN (Wireless Local Area Network) und Standards der Familie IEEE 802.11. Reicht im privaten Umfeld meist ein einzelner Access Point um für eine ausreichende Funkverbindung zu sorgen, so ist im Bürobetrieb oder in der industriellen Automation eine ganze Infrastruktur an Zugangspunkten nötig. Dies bietet den Vorteil, dass immer ein bestmöglicher Empfang gewährleistet werden kann, auch wenn sich ein Client in Bewegung befindet. Problematisch bei diesem Szenario ist jedoch, dass beim Verlassen der Reichweite eines Access Points die Verbindung zu einem anderen Access Point umgeschaltet werden muss. Dieser Vorgang wird als Roaming bezeichnet. Von einem solchen Roaming-Vorgang wird grundlegend gefordert, dass dieser möglichst kurz dauert, um den Einfluss auf eine laufende Datenverbindung so gering wie möglich zu halten. Darüber hinaus muss ein Roaming transparent für höhere Schichten ablaufen. Das heißt am Client laufende Applikationen dürfen vom Wechsel zu einem anderen Access Point keine Notiz nehmen. Momentan wird bei der Verbindungsumschaltung meist kein richtiges Roaming durchgeführt. Vielmehr passiert ein Abbruch gefolgt von einem Neuaufbau der Verbindung. Dies führt unweigerlich dazu, dass laufende Applikationen ebenfalls unterbrochen werden. Die Aufgabe dieser Arbeit besteht darin, zu untersuchen, ob und wie ein solcher Roaming-Prozess unter der Verwendung des Standards IEEE 802.11 realisiert werden kann. Dazu wurde ein Algorithmus entwickelt, der ein effizientes aber vor allem transparentes Roaming im Bezug auf Applikationen ermöglicht. Zum Test der Funktion und Leistung des Verfahrens kam ein eigens entworfener Aufbau, bestehend aus zwei Access Points und einem Client zum Einsatz. Es konnte erreicht werden, dass der entworfene Roaming-Algorithmus unter der Verwendung der Standard-Erweiterungen IEEE 802.11k und IEEE 802.11r proaktive und transparente Roaming-Abläufe mit einer Dauer im Bereich von \SI

The number of mobile devices like laptops, smartphones and tablets increases steadily. Not only on the consumer market but in office and industrial applications more and more mobile devices are used. For a continuous data connection in local areas Wi-Fi and the standards of the IEEE 802.11 familiy are widely-used. In private areas usally a single access point (AP) provides a radio signal sufficiently that all mobile devices can be handled. In office or industrial areas a complex infrastructur consisting of many APs is needed to cover the whole area with Wi-Fi. The advantage of this setup is that in the whole area an adequate signal can be received even if a client is moving. But problems can occur in this scenario if a client leaves the range of one AP. The existing connection has to be switched to another AP. This process is called roaming. The basic requirement of a roaming procedure is that the duration of the switch has to be as short as possible to guarantee that ongoing data transmissions are not influenced. An other requirement is that roaming should happen transparently to upper layers. This means running applications must not recognize that the connection has changed to an other AP. In current available solutions there are no real roaming procedures but a loss of the old and an establishment of a new connection. This results in abruption of running applications. The focus of this work is to identify if the required roaming process is possible in IEEE 802.11 networks. Therefore an algorithm was developed which supports efficient roaming regarded to applications. For testing purposes an setup consisting of two APs and one client was built. Measurements proofed that under the use of the developed algorithm combined with the IEEE 802.11 amandments IEEE 802.11k and IEEE 802.11r proactive and seamless roaming procedures without the nessecity of scanning radio frequencies are possible. The overall performance of handovers was improved significantly and handovers with a duration of approximately \SI