WLAN無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及優(yōu)化技術(shù)研究

摘 要： 針對(duì)WLAN無線接入網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃方法，分別從傳播預(yù)測(cè)及覆蓋設(shè)計(jì)方面研究覆蓋規(guī)劃、分析研究基于DCF協(xié)議的容量規(guī)劃以及干擾分析和信道優(yōu)化配置等。其中容量規(guī)劃部分采用已有退避窗口機(jī)制（BEB）的二維馬爾可夫模型，對(duì)基于CSMA/CA協(xié)議的DCF性能進(jìn)行分析并改進(jìn)。提出了基于RTS/CTS機(jī)制改進(jìn)的退避算法，得出了飽和條件下系統(tǒng)歸一化吞吐率、丟包率、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等性能，以指導(dǎo)實(shí)際吞吐量的估算和網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃。經(jīng)過理論分析和OPNET仿真比較，所提出的新算法降低了數(shù)據(jù)包的碰撞概率，從而降低了時(shí)延，增加了系統(tǒng)吞吐率，進(jìn)而增加了網(wǎng)絡(luò)容量。

關(guān)鍵詞： WLAN網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃； 覆蓋規(guī)劃； 容量規(guī)劃； 系統(tǒng)吞吐量

中圖分類號(hào)： TN925+.93?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）17?0045?04

0 引 言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的日益普及及無線局域網(wǎng)在技術(shù)上的成熟，產(chǎn)品種類不斷增加且成本下降，據(jù)統(tǒng)計(jì)，未來幾年內(nèi)，無線局域網(wǎng)在全世界將有較大的發(fā)展[1]。WLAN網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃對(duì)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。近年來，一些城市的重點(diǎn)地區(qū)建立“熱點(diǎn)”區(qū)域，為用戶提供良好的無線寬帶業(yè)務(wù)，無線局域網(wǎng)（WLAN）成為寬帶業(yè)務(wù)最主要的承載方式[2]。對(duì)電信運(yùn)營(yíng)商而言，甚至成為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)不可或缺的網(wǎng)絡(luò)形式，是TD?SCDMA等3G業(yè)務(wù)的有效補(bǔ)充，成為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)“最后一公里”技術(shù)的最主要無線通信實(shí)現(xiàn)形式。然而，WLAN建設(shè)的關(guān)鍵是WLAN網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃[3]，目前無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案并不是很系統(tǒng)，某些網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法中覆蓋與容量估算過程考慮因素少，并且簡(jiǎn)單粗糙。因此，成功地規(guī)劃能很好地平衡網(wǎng)絡(luò)覆蓋、容量、質(zhì)量及建網(wǎng)成本，對(duì)滿足用戶移動(dòng)性要求和網(wǎng)絡(luò)無所不在的要求起到了至關(guān)重要的作用。

1 無線局域網(wǎng)的覆蓋規(guī)劃

目前大多數(shù)無線局域網(wǎng)局限在一個(gè)很小的室內(nèi)空間里，沒有普遍實(shí)現(xiàn)大面積的覆蓋和鏈接，WLAN無線局域網(wǎng)大都在使用2.4 GHz頻段，穿透性與衍射能力很差，而且現(xiàn)代建筑質(zhì)量也對(duì)室內(nèi)形成了較強(qiáng)的屏蔽[4]。這些都導(dǎo)致無線局域網(wǎng)覆蓋面積十分有限，因此需要多個(gè)AP進(jìn)行無縫覆蓋，統(tǒng)一規(guī)劃。了解WLAN網(wǎng)絡(luò)的覆蓋方式，采用室內(nèi)還是室外覆蓋，然后再根據(jù)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行鏈路預(yù)算，這樣就可以初步確定需要布放的AP數(shù)量和位置。

對(duì)于WLAN通信距離的計(jì)算，可以先根據(jù)設(shè)備的性能指標(biāo)或者依據(jù)設(shè)備的測(cè)試結(jié)果確定發(fā)射機(jī)的功率輸出、接收機(jī)靈敏度和天線增益等參數(shù)。根據(jù)具體的信道環(huán)境，選擇合適的信道模型，建立信號(hào)的路徑損耗模型。根據(jù)鏈路預(yù)算方程計(jì)算通信距離。

假定使用的是全向天線，無線信號(hào)的傳播不受建筑物的影響，那么此時(shí)AP的覆蓋范圍大約是半徑為[R]的圓，半徑[R]表示接入點(diǎn)與站點(diǎn)間達(dá)到指定通信質(zhì)量的最大通信距離。而AP發(fā)射基站的功率受限，也就是說單個(gè)AP的覆蓋區(qū)域有限。有必要部置若干個(gè)AP設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合覆蓋較大區(qū)域。而在一些特殊的覆蓋地域應(yīng)該綜合考慮用戶特征和建筑物類型，并可以采納[Z]因子方法計(jì)算AP數(shù)目。為了方便計(jì)算，首先將圓轉(zhuǎn)變成正方形，圓的半徑為[R，]并在其內(nèi)做一個(gè)內(nèi)接的正方形（邊長(zhǎng)是Z），半徑[R]與邊長(zhǎng)[Z]和面積[S]的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示（其中Z省去小數(shù)部分）。

表1 圓半徑[R]與正方形邊長(zhǎng)[Z]及面積[S]的對(duì)應(yīng)關(guān)系

[S=Z2 /m2＼R /m＼Z /m＼S=Z2 /m2＼R /m＼Z /m＼100＼7＼10＼2 000＼32＼45＼200＼10＼14＼2 500＼35＼50＼400＼14＼20＼3 000＼39＼55＼800＼20＼28＼3 500＼42＼59＼1 000＼22＼32＼4 000＼45＼63＼1 500＼27＼39＼4 500＼47＼67＼]

根據(jù)具體需求和場(chǎng)景選擇AP的布放位置，并要根據(jù)實(shí)地測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。確保布設(shè)的AP設(shè)備能夠覆蓋到所有的區(qū)域。AP的覆蓋區(qū)域需要根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度確定，首先設(shè)定好一個(gè)閾值，進(jìn)一步規(guī)定信號(hào)強(qiáng)度不低于這個(gè)閾值的區(qū)域確定為AP的覆蓋區(qū)域，生成AP的覆蓋區(qū)域圖，可根據(jù)定位原則調(diào)整AP位置，直到滿足所設(shè)的閾值條件為止。

2 無線局域網(wǎng)的容量規(guī)劃

本文重點(diǎn)研究應(yīng)用于WLAN中基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議，特別是IEEE 802.11DCF。如果WLAN內(nèi)站點(diǎn)的數(shù)量增多，那么站點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)包與數(shù)據(jù)包之間碰撞的概率將會(huì)升高，從而大幅度降低了系統(tǒng)的吞吐率，延遲時(shí)間也會(huì)增大。為了改善系統(tǒng)性能，競(jìng)爭(zhēng)周期中產(chǎn)生的空閑信道浪費(fèi)問題以及數(shù)據(jù)幀在傳輸過程中發(fā)生的碰撞問題都亟待解決[5]。

MACAW協(xié)議中介紹了一種新的退避算法MILD算法，但是當(dāng)單元內(nèi)某一節(jié)點(diǎn)離線，容易增大接入點(diǎn)的退避值，從而導(dǎo)致空閑信道浪費(fèi)和增大延遲?；贐EB算法改進(jìn)的EIED算法，在吞吐量和延時(shí)方面優(yōu)于BEB算法，但當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)大于60時(shí)，MILD比EIED的吞吐量大。本文提出了基于RTS/CTS機(jī)制改進(jìn)的退避算法，由于BEB算法中，上一次成功傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)比其他節(jié)點(diǎn)更容易獲得信道。該算法中讓發(fā)送成功的節(jié)點(diǎn)與發(fā)送失敗的節(jié)點(diǎn)的退避窗口改變的慢一些，非發(fā)送站點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)窗根據(jù)上次數(shù)據(jù)包的傳輸結(jié)果而改變。為了大大降低數(shù)據(jù)包的碰撞概率，改變了RTS，CTS，ACK包的幀格式，增加退避值與退避窗等字段，使得要競(jìng)爭(zhēng)信道的節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)偵聽到的其他站點(diǎn)的退避值與退避窗信息選擇合適的退避值。從而增加系統(tǒng)吞吐量、減小網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。

為了解決上述BEB算法存在的問題，使節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送后競(jìng)爭(zhēng)窗縮減為[12，]以防止因節(jié)點(diǎn)每次成功發(fā)送后都將CW重置為CWmin，引起更多的數(shù)據(jù)沖突，碰撞增加。鑒于在MACAW協(xié)議中，每個(gè)站點(diǎn)的退避時(shí)間量將反映對(duì)應(yīng)站點(diǎn)周圍的碰撞情況，一個(gè)成功傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)的退避值與本地爭(zhēng)奪層次相關(guān)，此值能正確反映此時(shí)信道中的競(jìng)爭(zhēng)狀況。因此使其他偵聽到成功傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)將當(dāng)前退避值設(shè)置為自己的競(jìng)爭(zhēng)窗，從而可以更好地接入信道。

3 無線局域網(wǎng)的頻率規(guī)劃

用2.4 GHz的ISM頻段應(yīng)用于IEEE 802.11b/g設(shè)備，其工作頻率是2 400～2 483.5 MHz頻段，可使用帶寬為83.5 MHz，分13個(gè)信道，每個(gè)信道帶寬[6]為22 MHz。該設(shè)備使用的13個(gè)信道的中心頻率均以5 MHz間隔進(jìn)行分布，其使用的頻段中具有3個(gè)互不交迭的信道。單AP設(shè)備性能由于同頻干擾而下降，為了確保在增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋的同時(shí)增加AP能同比的增加網(wǎng)絡(luò)容量。因此在規(guī)劃時(shí)，盡量把頻率不相交迭的信道設(shè)置為兩個(gè)相鄰AP的頻點(diǎn)。當(dāng)室內(nèi)有分布不規(guī)則的隔斷時(shí)，那么覆蓋區(qū)域的劃分應(yīng)依靠隔斷物，可以通過合理地規(guī)劃頻率減少同頻干擾。

在2.4 GHz信道帶寬下，WLAN主要使用1，6，11三個(gè)信道，因?yàn)檫@三個(gè)信道互不交迭。為了擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍同時(shí)降低干擾，使用信道復(fù)用技術(shù)?？梢圆捎靡韵略瓌t選擇可用頻點(diǎn)。

（1） 一般以1，6與11號(hào)頻點(diǎn)進(jìn)行信道復(fù)用，若設(shè)備AP雜散指標(biāo)不佳時(shí)，也可使用1，7和13頻點(diǎn)進(jìn)行信道復(fù)用；

（2） 網(wǎng)絡(luò)容量需求高，頻率復(fù)用難度高時(shí)，也可以采用1，5，9和13頻點(diǎn)進(jìn)行信道的復(fù)用；

（3） 某些特定應(yīng)用場(chǎng)合中，AP設(shè)備都配置在同一頻點(diǎn)，因而把設(shè)備當(dāng)做無線中繼應(yīng)用時(shí)，覆蓋范圍可以擴(kuò)大。

對(duì)于中小型無遮擋的開闊空間，在滿足需求時(shí)最多布放3個(gè)AP，每個(gè)AP可以配置1，6，11之中的任意一個(gè)頻點(diǎn)。對(duì)于超大型無遮擋的開闊空間，需使用3個(gè)以上的AP。為了避免同頻干擾現(xiàn)象，必須嚴(yán)格控制好AP的信號(hào)覆蓋[7]；在IEEE 802.11b/g中，可以通過交替使用不同的信道，并規(guī)劃地排列蜂窩。為了擴(kuò)大覆蓋范圍并減小干擾，可以使用互不交迭的信道1，6和11信道有規(guī)劃地排列蜂窩，提升覆蓋范圍和系統(tǒng)容量，如圖1所示。圖中顯示使用信道1的客戶移動(dòng)時(shí)，必須從一個(gè)信道切換到另一個(gè)信道。交替使用信道從而避免干擾，這就是常說的信道復(fù)用，重復(fù)使用如圖1所示的信道復(fù)用模式，可以實(shí)現(xiàn)更大區(qū)域的覆蓋，如圖2所示。

在有遮擋物的熱點(diǎn)區(qū)域中，應(yīng)該利用熱點(diǎn)區(qū)域的阻擋物達(dá)到重復(fù)使用信道的目的。對(duì)于多層大樓的覆蓋區(qū)域，環(huán)境相對(duì)封閉，為了使WLAN頻率合理地復(fù)用，可以通過利用樓層的墻體損耗和其他阻擋損耗實(shí)現(xiàn)。對(duì)于全向天線，RF信號(hào)的輻射圖是一個(gè)以天線為中心的圓環(huán)。RF信號(hào)也會(huì)向下和向上傳播，這樣相鄰樓層中的無線信號(hào)傳播也會(huì)受到影響。如圖3所示的二維信道布局應(yīng)用在兩層樓中的其中一層，但是需要交替地使用信道頻段在建筑物樓層的平面內(nèi)和樓層之間。

規(guī)劃WLAN網(wǎng)絡(luò)需要將AP蜂窩區(qū)域的大小，天線的發(fā)射功率以及使用的頻點(diǎn)進(jìn)行合理的協(xié)調(diào)。對(duì)于部分地點(diǎn)容量需求較大的情況，為了避免樓道內(nèi)的天線密度過高，盡量采用天線進(jìn)入房間的方式。AP密度過高，可以采用降低AP發(fā)射功率和使用定向吸頂天線取代全向天線的方式控制AP的覆蓋范圍。

4 試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果與分析

通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量、平均時(shí)延、重傳次數(shù)和丟包率性能進(jìn)行OPNET仿真，對(duì)所提新算法與傳統(tǒng)DCF算法進(jìn)行分析比較。主要針對(duì)10，20，30，40，50節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景進(jìn)行仿真。對(duì)改進(jìn)的CSMA/CA方案進(jìn)行仿真平臺(tái)的建立，主要對(duì)網(wǎng)絡(luò)層、節(jié)點(diǎn)層和進(jìn)程層三層進(jìn)行仿真模型的建立，網(wǎng)絡(luò)層主要通過子網(wǎng)、節(jié)點(diǎn)、鏈路和地理信息描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，在網(wǎng)絡(luò)層中共配置了30個(gè)節(jié)點(diǎn)。因?yàn)榇罱ǖ木W(wǎng)絡(luò)是無中心節(jié)點(diǎn)的，所以網(wǎng)內(nèi)的站點(diǎn)在通信過程中基于DCF競(jìng)爭(zhēng)信道。節(jié)點(diǎn)層模型用來定義各個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)象（節(jié)點(diǎn)）的行為。節(jié)點(diǎn)模型由多個(gè)模塊和連接線組成，本文主要分析MAC接入的性能。

為了進(jìn)行比較全面的分析，針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載條件，分別仿真吞吐量、延時(shí)性能等。仿真中所用參數(shù)如表2所示。

如圖4所示給出了在飽和狀態(tài)下，仿真場(chǎng)景分別是20，30，40，50節(jié)點(diǎn)的包重傳次數(shù)，可以看出：隨著站點(diǎn)數(shù)的增加，包重傳次數(shù)增加，這是因?yàn)楦嗟恼军c(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道試圖發(fā)送導(dǎo)致更多的碰撞，從而使包重傳；改進(jìn)算法的包重傳次數(shù)明顯小于傳統(tǒng)算法，表明了改進(jìn)算法的先進(jìn)性。

圖5給出了站點(diǎn)數(shù)分別為10，20，30不同場(chǎng)景下，歸一化吞吐率隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化情況?？梢钥闯觯赫军c(diǎn)數(shù)多的網(wǎng)絡(luò)，隨著負(fù)載的增加，相對(duì)于站點(diǎn)數(shù)少的網(wǎng)絡(luò)吞吐率更易趨向飽和；網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)，站點(diǎn)數(shù)的多少對(duì)吞吐量影響不大，但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載達(dá)到一定程度時(shí)，站點(diǎn)越多，吞吐量越小。如圖5所示，站點(diǎn)數(shù)為20，30時(shí)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載<0.6時(shí)，吞吐率基本沒有差別，但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載超過此值時(shí)，30個(gè)站點(diǎn)的吞吐率明顯小于網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景為20個(gè)站點(diǎn)的吞吐率。這是因?yàn)楦嗟恼军c(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道試圖發(fā)送導(dǎo)致更多的碰撞，從而使吞吐率下降。

通過仿真低負(fù)載和高負(fù)載的不同網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下，網(wǎng)絡(luò)平均延時(shí)隨站點(diǎn)數(shù)的變化情況。仿真結(jié)果如圖6所示，可以看出：無論算法有無改進(jìn)，站點(diǎn)數(shù)越多，延時(shí)就越大。這是因?yàn)橛懈嗟恼军c(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道從而引起更多沖突，新算法的延時(shí)比原有算法小。當(dāng)站點(diǎn)較多或網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時(shí)，時(shí)延有較大的改善；但是當(dāng)站點(diǎn)數(shù)小或是負(fù)載較輕時(shí)，新算法改進(jìn)的并不明顯。這也說明了在網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭(zhēng)激烈時(shí)，此算法可以在很大程度上減小碰撞。

對(duì)在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為0.8，站點(diǎn)數(shù)分別為40，50時(shí)的丟包率進(jìn)行仿真，從圖7中可以看出文中提出的新算法在丟包率方面明顯小于原算法。這也是因?yàn)樾滤惴梢源蟠蠼档蛿?shù)據(jù)包的碰撞概率，從而減小了由于數(shù)據(jù)包達(dá)到重傳極限而引起的丟包情況。

5 結(jié) 論

本文在對(duì)室內(nèi)和室外無線傳播環(huán)境和WLAN無線鏈路預(yù)算方法進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了合理可行的無線網(wǎng)絡(luò)布局，使成本最小化且保證了WLAN網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。對(duì)IEEE 802.11系統(tǒng)吞吐量、延時(shí)等性能進(jìn)行分析及OPNET仿真研究，實(shí)現(xiàn)了既定規(guī)模下網(wǎng)絡(luò)容量的最大化。有效地防止了接入用戶過多以及數(shù)據(jù)傳輸量超過設(shè)備AP最大承載這種情況的發(fā)生。對(duì)可用頻段2.4 GHz和頻點(diǎn)劃分進(jìn)行研究，提出了二維信道配置方案，完成了WLAN頻率規(guī)劃。在課題研究過程中，覆蓋規(guī)劃中考慮的因素有限，下一步將針對(duì)具體情況進(jìn)行實(shí)地勘察并深入論證。

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