紧急情况下Wi-Fi直连（WFD）自主连接维护方案

可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectICTExpress 9（2023）39www.elsevier.com/locate/icte自主Wi-Fi Direct连接维护方案Mingyu Jooa，Haneul Kob，Yeunwoong Kyungc，康耐视深度学习实验室康耐视，韩国首尔b大韩民国世宗高丽大学计算机和信息科学系c大韩民国乌山韩信大学计算机工程学院接收日期：2021年8月29日;接受日期：2022年2022年3月23日在线提供摘要在紧急情况下，Wi-Fi直连（WFD）可以在组所有者（GO）和组成员（GM）之间提供基于组的通信。然而，当GO自愿或非自愿地消失时，组连接被终止。对于重新连接，需要包括设备发现、GO协商、Wi-Fi保护设置（WPS）和地址配置的组重新形成过程，这消耗了很多时间。此外，当前的WFD需要用户干预来发起组重组。为了解决这个问题， 本文提出了一种AWS：一种自治的WFD连接维护方案。在AWS中，GO预先确定候选GO（CGO），并将包括地址和凭证的GO信息发送到CGO。当GO消失时，基于GO信息，CGO激活可以与消失的GO完全相同地操作的虚拟GO（VGO）（例如，具有相同的地址和操作信道）。仿真结果验证了AWS的有效性，并显示了AWS在组中断时间方面的性能© 2022作者（S）。由爱思唯尔公司出版代表韩国通信和信息科学研究所这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：Wi-Fi Direct;设备到设备;移动性;虚拟化;连接性1. 介绍当突发事件发生时，用户之间的通信对公共安全起着至关重要的作用，可以共享安全和救援信息。紧急情况的范围可以从人为灾害（例如，建筑火灾）到自然灾害（例如，地震）。在这些情况下，关键任务服务需要一种有效的方式来保持用户之间的连接，因为与基础设施的连接可能会丢失或损坏[1，2]。此外，由于用户可以移动，拓扑结构可以改变，因此稳定可靠的连接维护对于防止服务中断也很重要[3]。Wi-Fi Direct（WFD）作为用于公共安全的无基础设施连接解决方案的一种手段，由于在智能手机和物联网设备中的广泛普及以及简单高效的配置而备受关注[4WFD使得能够在其中一个WFD设备扮演接入点（AP）角色（即，组*通讯作者。电子邮件地址：mingyu. cognex.com（M.Joo），heko@korea.ac.kr（H.Ko），ywkyung@hs.ac.kr（Y.Kyung）。同行审议由韩国通信研究所负责教育与信息科学（KICS）。https://doi.org/10.1016/j.icte.2022.03.004所有者（GO））和其他（即，组成员（GM））通过GO进行通信[8]。与传统Wi-Fi网络中的静态AP相比，GO可以终止其角色或自由移动，这会导致组连接立即中断。因此 ， 需 要 包 括 设 备 发 现 、 GO 协 商 、 Wi-Fi 保 护 建 立（WPS）和地址配置的组重新形成过程。此过程需要超过数十秒的时间，并带有大量信令消息，这不适合关键任务服务[9]。此外，在当前WFD操作中，该过程由用户的干预触发，而不是自主地触发。尽管先前已经努力增强群重组程序[9-为了缓解这个问题，本文提出了一个自主的WFD连接维护计划，命名为AWS。在AWS中，GO预先选择候选GO（CGO），并将包括地址和凭证的GO信息发送到CGO。当GO消失时，基于GO信息，CGO激活可以与消失的GO完全相同地操作的虚拟GO（VGO）具有相同2405-9595/© 2022作者。 由Elsevier B.V.代表韩国通信和信息科学研究所出版。这是一CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。M. 朱，H。Ko和Y.KyungICT Express 9（2023）3940地址和操作通道）。因此，GM无法识别GO的消失，这表明AWS可以提供无缝的组连接。本文的其余部分组织如下。在第二节回顾了相关工作之后，第三节介绍了AWS。模拟结果见第4节。最后，在第5节中给出了结论和未来的工作。2. 相关工作为了提高基于WFD的网络中的组性能，在文献[9这些可以分类为：（1）群体改造[9请注意，AWS可以归类为组改革。Demir等人[9]提出了一种冗余GO配置方法，用于在主GO断开连接后保持连接。Zhang等人[10]通过意图值计算和传播来增强GO协商过程，以帮助协调GO选择。此外，Sun et al.[11]提出了一种侦听信道随机化方法，用于更快地发现WFD设备，当他们试图等待其他人的探测请求时，可以利用任意的社会信道，这可以避免统计上高度干扰的信道。Li等人[12]通过利用模糊逻辑提供了基于剩余功率和GM数量的GO切换机制。Chaki等人[13]提出了一种主动紧急GO选择方案，该方案缩短了设备发现和GO协商阶段。类似地，Demir等人[14]根据网络情况的先验知识提供了Casetti等人[15]提出了一种基于可用资源级别、邻居列表和当前拓扑状态的角色选择算法，以增强连接性和设备资源利用率。Khan等人[16]公式化了GO选择问题，以基于链路容量最大化整体网络吞吐量。Menegato等人。[17]回顾了基于意图值，基于距离和基于移动性的GO选举算法。Sadio等人[18]提出了一种考虑信号强度、车辆速度、角度和通信成本的GO选择方案，以增加总网络容量。Jung等人。[19]考虑了GO选择的邻居数量，以提高连通性。Laha等人。[20]提供了节能的GO选择方法来提高WFD网络的生命周期。然而，以前没有工作让GM在服务期间不识别GO的消失，这可以导致没有服务中断。3. 自治WFD连接维护方案（AWS）为了避免GO变化造成的连通性丢失和重组延迟，提出了利用VGO操作实现GO消失时组间无缝连通Fig. 1. AWS的系统描述。(a)GO之前的WFD拓扑消失。（b）GO之后的WFD拓扑消失。作为虚拟AP概念的扩展[21，22]，VGO是具有其自身固有特征（例如地址）的逻辑函数（例如，服务集标识符（SSID）、基本服务集标识符（BSSID）、组ID和IP地址）、WPS信息和GM列表。由于虚拟AP是动态分配给物理AP的[22]，因此也可以激活VGO在物理上不同的WFD设备中。此外，当VGO移动时（即，在物理上不同的WFD设备之间，它可以被示为从GM的角度来看的仅一个独立的GO。例如，即使VGO的物理WFD设备不断变化，VGO也会在信标和组ID中维护BSSID。这允许GM体验到始终存在与GO的有效且连续的连接（即，GO的逻辑功能; VGO），而不识别用于VGO的物理WFD设备的改变为了利用如上所述的VGO的好处，AWS包括两个主要操作：VGO激活的准备（即，在GO消失之前）和CGO处的VGO激活（即，在GO消失之后）。在GO消失之前，AWS会提前确定CGO，为GO的消失做好准备。然后，GO将GO信息发送到CGO，CGO将用于激活VGO。基于接收到的GO信息，在GO消失之后，CGO分配虚拟网络接口卡（NIC）并在其上激活VGO。具有相同的地址和操作信道），GM不能识别GO的消失。有关每个操作的更详细的解释在以下小节中描述3.1. VGO激活如图1（a），在基于WFD协议[8]的初始组形成之后，GM通过GO（即，橙色节点）。在组操作期间，GO确定CGO（即，蓝色节点）。可以存在根据服务要求选择CGO的各种标准（例如，连接性[15，19]，吞吐量[16]，移动性[18]和网络寿命[20]）。为M. 朱，H。Ko和Y.KyungICT Express 9（2023）3941简单起见，本文考虑邻居的数量来选择CGO，目的是保持连通性。请注意，其他标准也可以应用于AWS，这意味着AWS是GO选择方法的补充接收全球机制信息（即，相邻成员的数目），本文假设如果对于每个数据传输使用WFD信息元素格式[8]中的属性字段，存在与先前信息的改变，则GM将其信息传递到GO。每当GO接收到信息时，它可以根据需要更新当前CGO。当确定新的CGO时，GO传递将用于激活VGO的GO信息。如果它与以前提供的信息有变化，则与CGO共享如上所述，GO信息包括GO的固有特征，诸如地址（例如，BSSID和组ID）、WPS信息和GM列表。由于WFD协议完全在传统Wi-Fi上的软件中实现[23]，并且基于IEEE 802.11 [24]中的供应商特定动作帧格式进行操作，因此可以在没有高开销的情况下配置WFD信息元素[8]内的修改以包括特定信息[16]。3.2. 虚拟GO激活GO消失后，CGO根据GO信息分配一个虚拟网卡，并激活其上的VGO，如图所示。1（b）.由于VGO具有相同的地址（例如，BSSID和组ID）和信道（即，物理操作信道）的情况下，GM可以持续地体验有效的连接性并且不能识别原始GO的消失，这导致服务连续性而没有中断。例如，GM可以在GO消失之前从GO以及在GO消失之后从VGO接收相同的信标和组ID。然而，如果CGO在GO消失后太晚激活VGO，则组连接将被终止，因为GM识别到GO的消失另一方面，如果VGO在GO仍然存在时被激活，GM可以经历两个异常操作（即，原始GO和VGO）。因此，应及时启动VGO。为了实现GO的及时激活，我们将GO失踪案件分类为（1）自愿和（2）非自愿失踪案件，并为每个案件定义GO激活程序，这是VGO激活的先决条件。在两种情况下，自愿失踪案件意味着GO可以向CGO通知其角色终止（例如，GO设备用户通过关闭WFD接口来终止GO角色）。另一方面，非自愿失踪的情况下，表示GO不能通知它的角色终止CGO，因为突然的变化，如更换电池的GO设备或系统错误。图2（a）示出了GO自愿消失情况下的VGO激活过程。当GO（即，图2（a）中的设备1）主动终止其角色（例如，当GO设备用户关闭WFD接口时），它可以向CGO发送GO角色终止消息（即，图2（a）中的装置2），其图二. VGO激活程序。(a)自愿失踪案(b)非自愿失踪案这是事先确定的。CGO收到消息后，激活VGO并向GO发送ACK。因此，总干事办公室同时发挥总干事和总经理的作用这意味着CGO通过同一物理NIC上的不同虚拟网卡操作VGO和GM [21，22]。注意，对于先前的GO装置（即，图2（a）中的设备1）终止GO角色并开始GM角色（例如，为了节省电池[20]）。在这种情况下，为了防止与当前GO重复的地址（即，VGO），则设备1将可以执行与当前GO的关联过程的虚拟NIC指派为GM。另一方面，图2（b）描述了用于GO的非自愿失踪情况的VGO激活过程。由于GO不能发送GO角色终止消息，因此CGO应自行检测GO的消失。在关联超时到期后，GM识别到GO的消失，这导致组断开[22]。关联超时的阈值被设置为来自GO的α换句话说，如果在α信标间隔期间没有信标因此，为了防止GM组断开，CGO以较低的阈值激活VGO（即，α/K）M. 朱，H。Ko和Y.KyungICT Express 9（2023）3942表1模拟参数。参数值PHY规范802.11n传播损耗模型对数距离传播延迟模型恒定速度速率控制算法ARF（自动速率回退）GO操作通道1、6、11信标周期102.4 msGO和GM之间的最大距离175 m10个丢失信标数量的默认阈值α常数值K2具有比关联超时的常数K。第4.2节分析了阈值的影响。在VGO被激活之后，来自VGO的信标使GM能够在不中断服务的情况下维持组连接4. 性能分析为了展示AWS的性能，我们进行了使用NS3进行模拟[25]。 表1总结了模拟中使用的参数。我们将AWS与以下两种方案进行了比较：（1）通过使用持久化配置缩短设备发现和WPS交换的EASEND [13];以及（2）基于WFD协议执行基本操作的BASIC [8我们使用中断时间和中断检测时间作为性能指标。在BASIC和DHCP END中，中断时间可以定义为从GO发送取消认证消息到所有GM完成DHCP 4路握手过程的时间[8]。另一方面，在AWS中，由于检测GO消失的方法不同，因此自愿和非自愿失踪案件的中断时间有不同的定义两种情况是不同的。因此，在AWS中，自愿失踪和非自愿失踪情况的中断时间分别被定义为从GO发送GO角色终止消息直到VGO被激活的时间以及从GO设备所有者终止GO角色直到VGO被激活的时间。此外，在AWS中，中断检测时间是指从GO消失到CGO检测到GO4.1. 自愿失踪案图图3示出了在不同数量的WFD设备下GO的自发消失的组中断时间。请注意，AWS的中断时间最短（即，零），因为VGO在CGO接收到GO角色终止消息之后立即被激活，这导致无缝组连接。由于BASIC在GO消失后执行设备发现、关联、WPS交换和DHCP 4次握手，因此其中断时间最长。BACK- END的中断时间比BASIC大约少一秒，因为它通过使用持久配置缩短了设备发现和WPS交换。图3.第三章。G O 的 自 愿 消 失 的 组中断时间。此外，由于WFD设备的数量增加（即，GO和GM）导致它们之间的组重组的更多信令消息，根据WFD设备的数量的增加，中断时间在BASIC和CSEND中增加。4.2. 非自愿失踪案图图4（在下一页的顶部）示出了根据WFD设备的数量的组中断时间、中断检测时间和GO的非自愿消失的中断检测时间的累积分布函数（CDF）。在图4（a）中，由于在如上所述识别出GO的消失之后，CELEND和BASIC需要它们自己的组重组过程，因此它们需要比AWS更高的中断时间，并且中断时间根据WFD设备的数量的增加而增加。另一方面，AWS具有较低的中断时间，其由丢失信标的数量的阈值α和如上所述的常数值K如表1所示，由于我们将α和K分别设置为10和2，因此AWS的中断时间约为5个信标间隔。此外，AWS中的中断时间随着WFD设备数量的增加而减少。这是因为更多数量的WFD设备导致CGO在GO消失的时间附近不能接收信标的概率更高，这可以导致从CGOWFD设备的数量对中断检测时间的影响可以在图4（b）中描述。从图4（b）中可以看出，中断检测时间随着α的增加而增加，因为CGO对GO消失的判断更不敏感。此外，图4（c）显示了中断检测时间的CDF。对于图中的（N），4（c），N表示设备数量注意，随着WFD设备的数量例如，当α=10时，（15）的方差（即，0.0055）比（7）的方差大约大三倍（即，0.0018）。这是因为CGO不能接收信标的概率根据WFD设备的增加的数量而变得更高。M. 朱，H。Ko和Y.KyungICT Express 9（2023）3943图四、（ a）群体中断时间，（b）中断检测时间，以及（c）GO 自愿失踪案件中断检测时间的CDF 。5. 结论本文提出了一种自治的WFD连接维护方案（AWS），其中虚拟GO被激活响应于GO消失，这提供了无缝的组连接而没有服务中断。AWS可以通过在自愿GO消失情况下使用GO终止消息以及在非自愿GO消失情况下使用来自GO的丢失信标的数量来检测GO消失，然后在预定CGO设备中激活VGO以防止GM识别GO的消失。评估结果表明，AWS减少了GO自愿和非自愿消失时的组中断时间。为了以后的工作，我们将在Android移动平台上验证AWS的效果CRediT作者贡献声明Mingyu Joo：方法学，软件，验证. 高汉仁：方法论，写作永雄京：概念化，写作-评论编辑，超视角.竞合利益作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作致谢这项工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的支持 ， 该 基 金 由 韩 国 政 府 （ MSIT ） 资 助 （ 编 号 ：2020R1G1A1100493）。引用[1] R. 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