基于聯(lián)合優(yōu)化的WLAN動態(tài)頻率選擇改進算法?

姜靜??，曾艷，孫長印，李超

（西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，西安710121）

基于聯(lián)合優(yōu)化的WLAN動態(tài)頻率選擇改進算法?

姜靜??，曾艷，孫長印，李超

（西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，西安710121）

現(xiàn)有的動態(tài)頻率選擇機制有效降低了網(wǎng)絡(luò)間的干擾，但僅考慮了物理層的干擾最小。無線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)密度越來越高，支持的業(yè)務(wù)越來越豐富，不同的業(yè)務(wù)傳輸所需要的帶寬、允許的時延均不相同。為了有效提升業(yè)務(wù)傳輸效率和網(wǎng)絡(luò)容量，提出了一種改進的動態(tài)頻率選擇算法。具體為：接入點將站點的信號接收質(zhì)量、載干比、占用信道時間系數(shù)和業(yè)務(wù)優(yōu)先級作為優(yōu)化問題的特征參數(shù)集，綜合考慮多個站點上報的信道測量報告，利用凸優(yōu)化理論以吞吐量最優(yōu)為目標(biāo)聯(lián)合進行優(yōu)化，選定接入點的工作信道。最后，結(jié)合實際的場景圖，仿真對比了動態(tài)頻率選擇改進算法和未采用動態(tài)頻率的性能，結(jié)果顯示改進算法使干擾區(qū)域的吞吐量增加了10倍，能明顯降低WLAN網(wǎng)絡(luò)的干擾，提升WLAN的業(yè)務(wù)傳輸效率，可廣泛應(yīng)用于WLAN的產(chǎn)品設(shè)計。

無線局域網(wǎng)；動態(tài)頻率選擇；干擾消除；聯(lián)合優(yōu)化

1 引言

隨著WLAN技術(shù)的成熟和市場的有力拓展，WLAN的終端設(shè)備不斷增多，用戶數(shù)量急劇上升。在一些用戶大量集中的地區(qū)，如寫字樓、會議室等人群密集、對數(shù)據(jù)傳輸要求比較高的地方，布署了大量的WLAN接入點。但WLAN使用的是非授權(quán)頻段，網(wǎng)絡(luò)提供方很難有效、合理地進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化，其干擾很難控制和管理，嚴(yán)重影響了WLAN網(wǎng)絡(luò)的性能。

IEEE802.11b／g的動態(tài)頻率選擇機制（簡稱為DFS）使接入點根據(jù)信道測量報告，選擇干擾最小、質(zhì)量最好的信道，來減小干擾對于WLAN網(wǎng)絡(luò)的影響。目前已經(jīng)有多個文獻(xiàn)提出了動態(tài)頻率選擇的算法過程，通常都依據(jù)接收信號的質(zhì)量和載干比（C／I）進行判斷。但動態(tài)頻率選擇過程中，WLAN網(wǎng)絡(luò)干擾情況是動態(tài)變化的，處于不同位置的STA上報的信道質(zhì)量信息會出現(xiàn)較大差異，因此需要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)中多種因素進行信道選擇算法的優(yōu)化和改進。文獻(xiàn)［1］提出了一種基于服務(wù)用戶和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的信道選擇算法，在信道掃描過程中聯(lián)合考慮了各個站點通話時間的影響。文獻(xiàn)［2］針對高密度WLAN網(wǎng)絡(luò)，提出了跨層優(yōu)化的信道選擇算法，不僅考慮了物理層的頻域干擾最小化，而是考慮了多個AP在時間上同時發(fā)送對MAC層傳輸效率的影響。文獻(xiàn)［3］提出的信道選擇算法，其優(yōu)化對象不局限于一個AP下的站點干擾，而是考慮了不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中多個AP信道選擇的聯(lián)合優(yōu)化。

本文在以上研究的基礎(chǔ)［1－10］上，針對現(xiàn)有的WLAN網(wǎng)絡(luò)密度高、支持的業(yè)務(wù)特性差異很大的特點，為保證業(yè)務(wù)量大或者業(yè)務(wù)優(yōu)先級高的STA能夠獲得更好質(zhì)量的信道，提出了一種基于聯(lián)合優(yōu)化的動態(tài)頻率選擇機制，將根據(jù)STA的活躍度和所需傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)量等因素作為聯(lián)合優(yōu)化參數(shù)，選擇最適合的信道，從而提高業(yè)務(wù)傳輸效率，改善用戶體驗。

2 動態(tài)頻率選擇機制

依照國標(biāo)GB 15629.11、GB 15629.1102和IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)，WLAN的無線設(shè)備工作頻段為2.4～2.483 5 GHz，可用帶寬為83.5 MHz，劃分為13個信道，每個信道帶寬為5 MHz，每個用戶占用的帶寬為22 MHz，2.4 GHz頻段其頻譜分布圖如圖1所示。

結(jié)合上述可用信道和IEEE 802.11b／g標(biāo)準(zhǔn)［4］規(guī)定的動態(tài)頻率選擇機制，下面說明動態(tài)頻率選擇的工作過程。

（1）STA在關(guān)聯(lián)或重關(guān)聯(lián)時，向AP上報STA可支持的信道列表。

如果AP發(fā)現(xiàn)STA的信道列表不在自己支持的范圍內(nèi)，可以拒絕該STA的關(guān)聯(lián)請求；如果AP可支持STA的信道列表，則AP掃描該集合中的所有信道，記錄接收到的干擾信號強度。干擾強度越低，表明該信道的干擾信號較弱。最終AP在信道集合內(nèi)選擇使用干擾最小的頻道，進入工作階段。

（2）AP利用廣播幀向所有STA通知工作信道和靜默周期，在靜默期內(nèi)，AP和STA都不發(fā)送任何信息，AP檢測該信道上是否有雷達(dá)信號干擾。

如果該信道上沒有雷達(dá)信號干擾，將保持在該信道上的工作；否則AP終止該信道的使用，重新選擇信道。

（3）為實時監(jiān)測信道的干擾情況，每經(jīng)過一個周期T后，AP要求指定的STA或者所有STA上報信道測量信息，該信息一般包括STA測量的AP發(fā)送有用信號的接收信號強度（RSSI）、載干比（C／I）。

（4）AP根據(jù)用戶上報信息判斷是否需要重選信道。目前常用的方法是：根據(jù)STA上報的信道信息，如果STA上報的C／I高于設(shè)定門限，則AP仍在此信道上工作；如果STA的RSSI和C／I同時小于設(shè)定門限，說明STA逐漸遠(yuǎn)離AP，STA重選AP進行關(guān)聯(lián)；如果C／I低于設(shè)定門限，RSSI高于設(shè)定門限，則說明STA受到了干擾，需要觸發(fā)信道重選，AP根據(jù)上報的信道測量報告選擇C／I最高的信道工作。

3 基于聯(lián)合優(yōu)化的動態(tài)頻率選擇算法

本節(jié)將結(jié)合動態(tài)頻率選擇機制，設(shè)計一種動態(tài)頻率選擇的聯(lián)合優(yōu)化算法。優(yōu)化問題的特征集是目標(biāo)函數(shù)的影響因素，本文算法中的特征集為接收信號強度、載干比、占用信道時間系數(shù)和業(yè)務(wù)優(yōu)先級級系數(shù)。對特征集的每個參數(shù)解釋如下。

（1）接收信號強度

將用戶i在信道j上的接收信號強度記為RSSIi，j，單位為dB；該取值根據(jù)每個用戶短訓(xùn)練序列的接收強度獲得，代表STA和AP之間的大尺度衰落。

（2）載干比

對用戶i在信道j上的載干比記為C／Ii，j，單位為dB，代表了該信道受到的干擾情況。

其中，PS是有用信號功率，PL是干擾信號功率。

其中，Ptx－obj為目標(biāo)AP的發(fā)射功率，Ploss－obj為目標(biāo)AP的路徑損耗功率［5］，Gt為發(fā)送機的處理增益，Gr為接收機的處理增益。

其中，n是與關(guān)聯(lián)AP有重疊頻段的信道號；WJ是載波因子，用來實現(xiàn)半重疊頻段的計算；Ptx－l（n）為干擾AP的發(fā)射功率；Ploss－l（n）為干擾AP的路徑損耗功率；H為AP到STA的信道矩陣。有的信道是部分重疊，在進行干擾計算的時候，通過WJ進行調(diào)整。

（3）信道占用時間系數(shù)

與AP關(guān)聯(lián)的STA具有不同的活躍度，對于長時間未發(fā)送業(yè)務(wù)的STA，改善其信道質(zhì)量對系統(tǒng)吞吐量的提高沒有明顯增益；對于業(yè)務(wù)發(fā)送頻繁，占用信道時間較長的STA，改善其信道質(zhì)量將會明顯改善系統(tǒng)吞吐量。因此本聯(lián)合優(yōu)化算法將信道占用時間作為特征集中的參數(shù)之一，占用時間系數(shù)記為βi。

其中，Ti是第i個用戶在上一個周期內(nèi)占用信道的時間，T是上一個周期的總時長，M是與AP關(guān)聯(lián)STA的總個數(shù)。

（4）業(yè)務(wù)優(yōu)先級級系數(shù)

不同的業(yè)務(wù)需要獲得所要求的QoS，對于信道的要求也是不同的。語音業(yè)務(wù)和系統(tǒng)消息所占用的傳輸帶寬要求遠(yuǎn)小于網(wǎng)頁瀏覽和視頻業(yè)務(wù)，為改善用戶體驗，針對不同業(yè)務(wù)傳輸對信道的要求，因此將業(yè)務(wù)等級也作為特征集的輸入?yún)?shù)。

對用戶i要發(fā)送的業(yè)務(wù)等級記為αi，如果該用戶沒有業(yè)務(wù)待發(fā)送，αi參考其上一段時間內(nèi)占用信道時間最多的業(yè)務(wù)類型選取，對于長時間沒有業(yè)務(wù)發(fā)送的STA該值為1，取值如表1所示。

表1 αi參考取值Table 1 Reference values ofαi

（5）求解

針對樣本G＝｛（RSSIi，j，CIRi，j，βi，αi），T｝n，其中RSSIi，j、C／Ii，j、βi、αi是輸入向量，T是AP所覆蓋區(qū)域的系統(tǒng)吞吐量，作為優(yōu)化的目標(biāo)參數(shù)，該優(yōu)化問題表達(dá)為

應(yīng)用凸優(yōu)化理論，可以解得

其中，F(xiàn)為AP選擇的工作信道，其結(jié)果為接收質(zhì)量、載干比、信道占用時間系數(shù)和不同STA的業(yè)務(wù)優(yōu)先級系數(shù)的聯(lián)合優(yōu)化值。

4 仿真結(jié)果及分析

本課題的實際場景圖如圖2所示，假設(shè)有12個AP，100個用戶。首先，計算每個AP到用戶需要穿透墻的個數(shù)，測出穿透損耗，結(jié)合路徑損耗計算得到來自目標(biāo)AP的接收信號強度；其次，計算其余11個AP至每個STA的接收信號強度，根據(jù)式（1）計算出每個STA的載干比。對于部分重疊的信道，在計算干擾時代入載波因子WJ，WJ在未重疊的子載波上取值為0，在重疊的子載波上取值為1，以實現(xiàn)信道部分重疊時的干擾計算；再次，對每個STA賦予不同的業(yè)務(wù)，并記錄STA在仿真時段內(nèi)的業(yè)務(wù)發(fā)送情況，確定業(yè)務(wù)優(yōu)先級系數(shù)和信道占用時間系數(shù)，根據(jù)本文的算法選定AP工作的信道；然后，統(tǒng)計在所選擇的信道上，每個STA每個子載波的SINR值，通過指數(shù)有效信噪比映射得到一個平均的SINR值，來完成吞吐量的計算；最后，計算每個用戶STA通過仿真來完成對系統(tǒng)性能的評估，仿真結(jié)果見圖3和圖4。

圖2 實際場景圖Fig.2 Actual scene

以上的仿真是在AP位置相同的條件下進行的，其中，圖3是沒有經(jīng)過DFS的仿真結(jié)果，圖4是經(jīng)過DFS后的仿真結(jié)果。由圖3可以看出：未經(jīng)DFS處理的仿真中，AP4處的載干比接近為－10 dB，對應(yīng)的吞吐量約為10 Mb／s；而在經(jīng)過DFS處理后的仿真圖4中，AP4處的載干比為10 dB，對應(yīng)的吞吐量為100 Mb／s。由此可以看出，相鄰AP重疊區(qū)域受到嚴(yán)重的干擾，嚴(yán)重影響了整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。也體現(xiàn)了本文的動態(tài)頻率選擇算法可以大幅提高系統(tǒng)吞吐量，改善WLAN性能。

圖3 未經(jīng)DFS的仿真結(jié)果圖Fig.3 Simulation results without DFS

圖4 經(jīng)過DFS后的仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results with DFS

5 結(jié)論

無線局域網(wǎng)的應(yīng)用越來越廣泛，應(yīng)根據(jù)多個用戶的干擾、活躍度和業(yè)務(wù)負(fù)載情況，選擇合理的信道使用。本文提出了一種基于聯(lián)合優(yōu)化的動態(tài)頻率選擇算法，綜合考慮了不同活躍度STA以及STA將要傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)情況，對最適合傳輸?shù)男诺肋M行動態(tài)選擇。仿真證明了該算法能提高系統(tǒng)吞吐量，有效改善WLAN網(wǎng)絡(luò)性能。未來應(yīng)結(jié)合多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對本文的研究成果進一步豐富和完善評估結(jié)果。

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JIANG Jing was born in Ankang，Shaanxi Province，in 1974.She received the Ph.D.degree from Northwestern Polytechnical University in 2010. She is now an associate professor.Her research concerns broadband wireless communication.

Email：jiangjing18＠foxmail.com

曾艷（1987—），女，陜西安康人，碩士研究生，主要研究方向為無線局域網(wǎng)；

ZENG Yan was born in Ankang，Shaanxi Province，in 1987. She is now a graduate student.Her research concerns wireless LAN.

孫長印（1963—），男，陜西扶風(fēng)人，2000年于西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號處理重點實驗室獲博士學(xué)位，2001－2009年在中興通信從事無線通信領(lǐng)域的研發(fā)和預(yù)研工作，現(xiàn)為西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院副教授，主要從事寬帶無線通信的研究；

SUN Chang-yin was born in in Fufeng，Shaanxi Province，in 1963.He received the Ph.D.degree from Xidian University in 2000.From 2001 to 2009.He was a senior engineer at ZTE Corporation.He is now an associate professor.His research concerns broadband wireless communication.

Email：changyin－sun＠163.com

李超（1988—），男，陜西人，2012年于西安郵電大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為神州數(shù)碼軟件開發(fā)工程師，主要從事保密通信方面的工作。

LI Chao was born in Shaanxi Province，in 1988.He received the B.S.degree from Xi′an University of Posts and Telecommunications in 2012.He is now a software development engineer in Digital China.He is engaged in secure communication.

An Improved Dynamic Frequency Selection Algorithm Based on Joint Optimization in WLAN

JIANG Jing，ZENG Yan，SUN Chang-yin，LI Chao
（School of Communication and Information Engineering，Xi′an University of Posts and Telecommunications，Xi′an 710121，China）

Existing dynamic frequency selection mechanism can eliminate interference between adjacent networks but only takes into account the minimum physical layer interference.Wireless Local Area Network（WLAN）has higher and higher density and supports increasing diverse services.To ultimately improve the user experience，an improved dynamic frequency selection algorithm is proposed.Access point sets the weighting factor for channel measurement reports according to the active time of the reporting station and the access category of its services to be transmitted.Aiming to optimal throughput，it is jointly optimized on the theory of convex optimization.Finally，simulations compare the performance with Dynamic Frequency Selection mechanism and without Dynamic Frequency Selection mechanism in the actual scene graph.Results show the improved algorithm can enhance the throughput 10 times in interference region，so the proposed algorithm can significantly eliminate the interference of the WLAN networks，effectively improve WLAN efficiency and user experience，and can be widely used in WLAN products.

WLAN；dynamic frequency selection；interference cancellation；joint optimization

The National Natural Science Foundation of China（No.61102047）；The National Science and Technology Major Project of the Ministry of Science and Technology of China（2012ZX03001025－004）；The Science Research Plan Project of Education Department of Shaanxi Province（11JK1016，11JK1021）

date：2013－02－07；Revised date：2013－05－06

國家自然科學(xué)基金資助項目（61102047）；國家科技重大專項（2012ZX03001025－004）；陜西省教育廳科研計劃專項項目（11JK1016，11JK1021）

??通訊作者：jiangjing18＠foxmail.comCorresponding author：jiangjing18＠foxmail.com

TN929.5

A

1001－893X（2013）07－0873－05

姜靜（1974—），女，陜西安康人，2010年于西北工業(yè)大學(xué)獲通信與信息系統(tǒng)專業(yè)博士學(xué)位，現(xiàn)為西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院副教授，主要從事寬帶無線通信的研究；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.07.010

2013－02－07；

2013－05－06