無線局域網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題探討

摘要：在構(gòu)建大型無線局域網(wǎng)的時(shí)候，僅僅將設(shè)備連接起來，或者只考慮單個設(shè)備對于網(wǎng)絡(luò)性能的影響還是不夠的。通過以上所說的各種測試手段，獲得的各種數(shù)據(jù)，我們可以分析該無線局域網(wǎng)的性能是否滿足了用戶的需求。如不能，則要查明原因，找出影響無線局域網(wǎng)性能的原因。本文主要探討無線局域網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題。

關(guān)鍵詞：無線局域網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化；性能

中圖分類號：TN925.93 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9599 (2012) 10-0000-02

通常計(jì)算機(jī)組網(wǎng)的傳輸介質(zhì)主要是銅纜或光纜，以構(gòu)成有線局域網(wǎng)。但有線網(wǎng)絡(luò)有很多缺點(diǎn)，在某些場合要受到布線的限制，例如，布線、改線工作量大，線路容易損壞，網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點(diǎn)不可移動等。特別是在要把距離較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)連接起來時(shí)，敷設(shè)專用通信線路的布線施工難度大、費(fèi)用高、耗時(shí)長，對正在迅速擴(kuò)大的組網(wǎng)需求形成了嚴(yán)重的瓶頸阻塞。于是人們開發(fā)出無線局域網(wǎng)(wireless local area network，WLAN)，可以有效地解決這些問題。

一、無線局域網(wǎng)的發(fā)展

（一）無線局域網(wǎng)概述

無線局域網(wǎng)(MLAN)是利用無線信道，采用無線連接的方式所形成的局域網(wǎng)，是移動通信領(lǐng)域最具發(fā)展前景的方向之一，它既可以解決公用移動通信網(wǎng)傳輸速率低，又能避免固定傳輸網(wǎng)絡(luò)的不靈活性，因而在近幾年獲得了巨大的發(fā)展。這類研究計(jì)劃的突出特點(diǎn)是傳輸速率高，支持移動或多點(diǎn)接入，支持低速或者靜止用戶，在高度信息化的小區(qū)實(shí)現(xiàn)靈活的網(wǎng)絡(luò)配置。作為蜂窩技術(shù)的補(bǔ)充，它通過微蜂窩、微微蜂窩和極小蜂窩的結(jié)構(gòu)填補(bǔ)特殊的區(qū)域，完成人們對移動電話通信多層次的需要，并提高有限頻率譜的利用率。無線局域網(wǎng)的發(fā)展速度相當(dāng)快，往往只需幾年的時(shí)間，有線通信網(wǎng)的傳輸速度就能夠在無線局域網(wǎng)上得以實(shí)現(xiàn)。

（二）無線局域網(wǎng)的發(fā)展

目前，支持2Mbit/s以上用戶傳輸速率的系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)成熟；速率在40Mbit/s甚至80Mbit/s的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在加拿大、美國、歐洲、日本等國家的專門實(shí)驗(yàn)室展開。研究的范圍從無線電設(shè)計(jì)、物理層實(shí)現(xiàn)、媒體接入控制(Media Access Control，MAC)技術(shù)直至網(wǎng)絡(luò)對無線多媒體業(yè)務(wù)的支持。根據(jù)技術(shù)發(fā)展趨勢和研究情況，在未來10年左右的時(shí)間里，為用戶提供高達(dá)1Gbit/s速率的系統(tǒng)也是可能的(覆蓋區(qū)域可能很小或波束很窄)。正是這樣的發(fā)展速度刺激了今天無線網(wǎng)絡(luò)快速的發(fā)展和應(yīng)用。將來的高速M(fèi)LAN的應(yīng)用范圍就如同今天的有線局域網(wǎng)一樣相當(dāng)廣泛。然而無線網(wǎng)的靈活性是有線網(wǎng)所不能相比的；而且，有線LAN在升級和維護(hù)方面的費(fèi)用比起無線網(wǎng)來是驚人的高，一旦用戶需要在原網(wǎng)絡(luò)上添加、減少或者做任何改變，特別是涉及到重新布線的時(shí)候，用戶不光要付出經(jīng)濟(jì)上的代價(jià)，實(shí)施起來也相當(dāng)?shù)牟蝗菀?。因此，在鋼筋混凝土類建筑、寫字樓、博物館、制造場地、會議廳、許多短期網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用項(xiàng)目、流動工作支持項(xiàng)目等業(yè)務(wù)、地點(diǎn)和場所，都成為MLAN的重要應(yīng)用領(lǐng)域。目前，為支持無線高速局域網(wǎng)的發(fā)展，已經(jīng)有兩個標(biāo)準(zhǔn)在積極的制定和完善之中，它們是IEEE802.1l和HIPERLAN。我國作為移動電話通信應(yīng)用的大國，應(yīng)該有志于成為移動電話通信研究和設(shè)備制造的大國。為此目標(biāo)，建立自己的無線高速局域網(wǎng)(WGJ)的標(biāo)準(zhǔn)是非常重要的?？梢灶A(yù)計(jì)，無線高速局域網(wǎng)的市場價(jià)值有可能超過移動通信公眾網(wǎng)，并成為整個全球網(wǎng)的最重要的組成部分之一。

二、無線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的要求

無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)發(fā)展成為世界范圍內(nèi)人們?nèi)粘Ｉ钪凶钪匾耐ㄐ呕A(chǔ)設(shè)施。在過去的十幾年內(nèi)，蜂窩移動電話的使用獲得空前普及。在不少國家，移動電話的滲透率接近飽和。隨著各個管理部門在行業(yè)中強(qiáng)行引入競爭，無線服務(wù)成本大量下降，已經(jīng)成為了一種商品服務(wù)。當(dāng)前，由于電信運(yùn)營商需要提高每用戶平均收益(ARPU)，或者至少維持現(xiàn)有水平，廉價(jià)的無線通話時(shí)長穩(wěn)步增長。此外，新業(yè)務(wù)不斷引入，其中不少業(yè)務(wù)要求較高的吞吐量，這些都增加了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。雖然無線通信網(wǎng)絡(luò)越來越成熟，但是鑒于以下原因，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的工作量反而不一定減少：

持續(xù)地要求改善網(wǎng)絡(luò)性能的驅(qū)動力：隨著無線業(yè)務(wù)在多種場合不斷替代有線業(yè)務(wù)，用戶正期待獲得與有線業(yè)務(wù)一樣的覆蓋(尤其室內(nèi))和連接質(zhì)量。

用戶行為的改變：新業(yè)務(wù)的引入給電信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施帶來了額外的壓力，要求付出更多的優(yōu)化努力。

節(jié)約成本：通信價(jià)格的不斷下降迫使電信運(yùn)營商降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本(CAPEX)和運(yùn)維成本(OPEX)，這包括網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施投入和人工開支兩個方面。如此這樣，就可以理解為使用更少的優(yōu)化工程師或者更少的合格人才。

受規(guī)章制度和管理許可的影響：在大多數(shù)國家中，越來越限制蜂窩基站的站址位置和發(fā)射功率；通常，基站只能部署在城市的周邊，這就增加了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的復(fù)雜性，尤其是基于CDMA技術(shù)的無線通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

多種無線接入技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)：諸如UMTS/GSM/GPRS的多種無線接入技術(shù)網(wǎng)絡(luò)在很多地方已經(jīng)比較常見，這也增加了網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化的復(fù)雜度。在不遠(yuǎn)的將來，服務(wù)提供商也許會提供諸如WiFi、WiMAX等其他無線接入技術(shù)，這會進(jìn)一步增加優(yōu)化的復(fù)雜程度。

傳播環(huán)境的改變：與GSM網(wǎng)絡(luò)相比，UMTS網(wǎng)絡(luò)分配了更高的頻帶，這要求部署比2G網(wǎng)絡(luò)更多的基站，而且其中大多數(shù)都位于城區(qū)，這增加了小區(qū)間的干擾。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在越來越容易以合理的成本獲得計(jì)算機(jī)、軟件等高性能技術(shù)工具，例如，3D建模庫的成本在過去的幾年內(nèi)急劇下降，而同時(shí)精度不斷提高。此外，與2G網(wǎng)絡(luò)相比，3G網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度相對高得多；有非常多的參數(shù)需要優(yōu)化。這些參數(shù)不再僅受限于基本的RF要求，例如覆蓋要求，同時(shí)與數(shù)據(jù)傳輸性能以及其他新的網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)(Key Performance Indicator，KPI)互相作用和影響。這些因素綜合起來就導(dǎo)致對網(wǎng)絡(luò)自動優(yōu)化過程的需求不斷增加。另外，也包括來自市場對優(yōu)化產(chǎn)品的強(qiáng)烈需求，這些優(yōu)化產(chǎn)品力圖滿足網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化領(lǐng)域的商業(yè)公司和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的要求。

三、無線局域網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

一般來說，影響無線局域網(wǎng)性能的因素包括傳輸功率、天線類型和方向、噪聲和干擾、建筑物結(jié)構(gòu)和無線接入點(diǎn)AP擺放的位置。

（一）網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化

網(wǎng)絡(luò)性能包括傳輸速率和吞吐量。對于無線局域網(wǎng)的性能是基于許多因素的，無線局域網(wǎng)設(shè)備因?yàn)椴捎玫臉?biāo)準(zhǔn)不同、硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能不同，會具有不同的網(wǎng)絡(luò)性能。在相同的環(huán)境下，采用遵循802．119標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品構(gòu)建的無線局域網(wǎng)的性能肯定要好于遵循802．1lb標(biāo)準(zhǔn)?；蛘咴谝粋€802．11b的設(shè)備混合使用的環(huán)境下，數(shù)據(jù)的傳輸速率可能不會高于2Mbps，實(shí)際上吞吐量將更小——大約為1Mbps。如果額外的安全解決方案被實(shí)施，例如有線等效加密(WEP)，加密和解密數(shù)據(jù)的額外開銷也可能導(dǎo)致吞吐量的下降。使用VPN隧道對于一個應(yīng)用同樣也要增加無線局域網(wǎng)系統(tǒng)的額外開銷。其他無線局域網(wǎng)中影響網(wǎng)絡(luò)性能的因素包括數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議(CSMA/CA，RTS/CTS等)、分裂的使用(要求再次組裝數(shù)據(jù)包)和數(shù)據(jù)包的尺寸等。無線局域網(wǎng)構(gòu)建的結(jié)構(gòu)不同，也會影響網(wǎng)絡(luò)的性能，比如，在無線接入點(diǎn)AP和無線客戶端之間距離太大將導(dǎo)致吞吐量的下降，因?yàn)殄e誤數(shù)量的增加(誤碼率)將產(chǎn)生一個對于再次傳輸?shù)木薮笮枨蟆＿€是以802.1lb的環(huán)境為例。它支持速率的動態(tài)變化，在這樣的環(huán)境中，無線局域網(wǎng)設(shè)備被配制成為對于特定的數(shù)據(jù)傳輸速率不連續(xù)的跳躍，如果11Mbps不能被維持，那么將下降到5.5Mbps。由于一個無線局域網(wǎng)中的吞吐量大約是50%的數(shù)據(jù)速率，改變數(shù)據(jù)速率將明顯地影響吞吐量[3]。除了以上所說的問題能夠影響無線局域網(wǎng)的性能以外，在網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化過程中，還可能遇到的四個問題是：協(xié)調(diào)定位、遠(yuǎn)近效應(yīng)、隱蔽站點(diǎn)和網(wǎng)間漫游。這四類問題只有在大規(guī)模構(gòu)建無線局域網(wǎng)中才會遇到，對于一般的小型無線局域網(wǎng)(如家庭應(yīng)用)，雖然也會遇到這些問題，但根本不需要考慮如何去解決它。

（二）協(xié)調(diào)定位

協(xié)調(diào)定位是一個常用的無線局域網(wǎng)優(yōu)化實(shí)施技術(shù)，它能夠使我們有效合理地布建多個無線接入點(diǎn)的環(huán)境，為覆蓋區(qū)域的用戶提供更多的帶寬和吞吐量。協(xié)調(diào)定位的意義在于：一是保證無線局域網(wǎng)的傳輸速率和均衡負(fù)載；二是規(guī)避鄰近信道和相同信道的干擾。在這里介紹無線局域網(wǎng)中的協(xié)調(diào)定位問題主要是為了避免可能存在的鄰近信道和相同信道干擾。通過使用混合的802.11a和802.11b設(shè)備，更多的系統(tǒng)能夠被協(xié)調(diào)定位在同一個空間里，而不必?fù)?dān)心產(chǎn)生鄰近信道干擾。

（三）遠(yuǎn)近效應(yīng)

在無線局域網(wǎng)環(huán)境中經(jīng)常出現(xiàn)“遠(yuǎn)近效應(yīng)”問題。在各無線客戶端均以相同的功率發(fā)射信號時(shí)，無線接入點(diǎn)接收到的近處無線客戶端發(fā)射的信號功率將遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)處無線客戶端發(fā)射的信號功率，就是近處的信號強(qiáng)和遠(yuǎn)處的信號弱。遠(yuǎn)近效應(yīng)是指近處大功率信號對遠(yuǎn)處小功率信號產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾，或者說是信號強(qiáng)的設(shè)備抑制信號弱的設(shè)備，使之無法正常通信。遠(yuǎn)近效應(yīng)實(shí)際上類似于一群人所有的尖叫同時(shí)進(jìn)入麥克風(fēng)。當(dāng)一群人在麥克風(fēng)附近大聲尖叫時(shí)，遠(yuǎn)處的人的聲音將不能到達(dá)麥克風(fēng)。即使這個麥克風(fēng)足夠靈敏，能夠在靜默的環(huán)境下獲取極小的聲音。但是在高功率近距離的交談已經(jīng)有效地提高了噪聲底線，使這一點(diǎn)低振幅的輸入不被聽到。

解決遠(yuǎn)近效應(yīng)問題的下一步是通過無線接入點(diǎn)AP發(fā)現(xiàn)不被監(jiān)聽的無線客戶端問題的方法沿著AP周圍移動，尋找一個與無線接入點(diǎn)AP附近信號弱一點(diǎn)的無線客戶端。盡管遠(yuǎn)近效應(yīng)問題能夠衰減那些射頻信號掩沒的無線客戶端，但是遠(yuǎn)近效應(yīng)在絕大部分環(huán)境中還是容易克服的[4]。如果一個無線客戶端能夠聽到其他無線客戶端的傳輸，將停止自己的傳輸，遵循CSMA/CA的共享介質(zhì)的訪問規(guī)則。然而，如果由于任何原因，遠(yuǎn)近效應(yīng)問題仍然存在于無線局域網(wǎng)中。

（四）網(wǎng)間漫游

當(dāng)在建筑物中任何區(qū)域超過一個無線接入點(diǎn)的接收范圍，需要小區(qū)的重疊實(shí)現(xiàn)區(qū)域的覆蓋。重疊的覆蓋區(qū)域是無線局域網(wǎng)設(shè)置的重要屬性，因?yàn)樵谥丿B的區(qū)域之間能夠進(jìn)行無縫漫游。漫游允許用戶使用移動的無線客戶端在重疊的小區(qū)進(jìn)行自由移動，連續(xù)地保持他們的網(wǎng)絡(luò)連接。漫游是一個無線客戶端在沒有丟失網(wǎng)絡(luò)連接的情況下，從一個小區(qū)(或BBS)無縫地移動到另外一個區(qū)域，包括基本漫游和擴(kuò)展漫游?；韭问侵笩o線客戶端的移動僅局限在一個擴(kuò)展服務(wù)區(qū)內(nèi)部。擴(kuò)展漫游指無線客戶端從一個擴(kuò)展服務(wù)區(qū)中的一個基本服務(wù)集(BSS)移動到另一個擴(kuò)展服務(wù)區(qū)的一個基本服務(wù)集(BSS)，IEEE802.11并不保證這種漫游的上層連接，上層的協(xié)議技術(shù)常常用到的是采用移動IP(Mobile IP)或DHCP Server。通過這種對于無線客戶端來說是一種透明的方式，無線接入點(diǎn)使無線客戶端從一個區(qū)域到另一個區(qū)域，確保不中斷連接。無線客戶端1從無線接入點(diǎn)A的覆蓋區(qū)域漫游到無線接入點(diǎn)B的覆蓋區(qū)域。

802．11標(biāo)準(zhǔn)中沒有定義應(yīng)該如何執(zhí)行漫游，但是定義了與漫游相關(guān)的基本模塊。這些基本模塊包括主動和被動的掃描和一個重新關(guān)聯(lián)的過程。當(dāng)一個無線客戶端從一個無線接入點(diǎn)漫游到另外一個無線接入點(diǎn)時(shí)，重新關(guān)聯(lián)的過程發(fā)生，接入一個新的無線接入點(diǎn)。802．11標(biāo)準(zhǔn)允許一個無線客戶端工作在相同信道或不同信道的多個無線接入點(diǎn)之間進(jìn)行漫游。例如，每100ms一個無線接入點(diǎn)可能傳輸一個信標(biāo)，包括一個無線客戶端同步的時(shí)間標(biāo)志，一個通信的指示圖，一個被支持速率的標(biāo)識和其他參數(shù)。漫游的無線客戶端使用信息測量已經(jīng)存在連接的無線接入點(diǎn)的信號強(qiáng)度。如果連接是虛弱的，漫游的無線客戶端可能試圖接入到一個新的無線接入點(diǎn)。802.11標(biāo)準(zhǔn)必須有一個連接下降的容忍度和再次建立連接。這個標(biāo)準(zhǔn)試圖確保對數(shù)據(jù)傳輸最小的破壞。并且可以為在多個基本服務(wù)集(BSS)之間隱蔽和推進(jìn)信息提供一些功能[5]。因?yàn)闊o線客戶端已經(jīng)遠(yuǎn)離初始的無線接入點(diǎn)，導(dǎo)致信道變?nèi)?，關(guān)聯(lián)和重新關(guān)聯(lián)僅僅是應(yīng)用不同。一旦定位了新的無線接入點(diǎn)，工作站隨即發(fā)射重新連接請求給新的無線接入點(diǎn)，新的無線接入點(diǎn)將該工作站的重新連接請求通知分布式系統(tǒng)(DS)，DS隨即改變該工作站與無線接入點(diǎn)的映射關(guān)系，并通知原無線接入點(diǎn)，不再與該工作站關(guān)聯(lián)，新的無線接入點(diǎn)向工作站發(fā)射重新連接響應(yīng)，完成漫游過程。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫弋主編.短距離無線通信及組網(wǎng)技術(shù)[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2008.3

[2]劉晶璘主編.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概論[M].高等教育出版社，2008.10

[3]秦國主編；秦亞莉，韓彬霞編著. 現(xiàn)代通信網(wǎng)概論[M].人民郵電出版社，2008.11

[4]沈丹萍.校園無線局域網(wǎng)的優(yōu)化[J].中國科技信息，2010.05:106-108

[5]劉鳳純，周顥，趙保華.基于優(yōu)化BP算法的無線局域網(wǎng)入侵檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010.10:152-153