WLAN中電磁波傳播模型及AP信道分配算法研究

陸增青，李　筠

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

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WLAN中電磁波傳播模型及AP信道分配算法研究

陸增青，李筠

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

摘要針對(duì)室內(nèi)環(huán)境下WLAN網(wǎng)絡(luò)中選點(diǎn)不合理、AP干擾大等問題進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究。總結(jié)了幾種常見的室內(nèi)電磁波傳播模型，研究了信道分配算法—遺傳算法，并在遺傳算法的選擇操作步驟中引入精英機(jī)制，仿真結(jié)果表明，其收斂速度更快，可提高智能計(jì)算速度。采用精英機(jī)制可比傳統(tǒng)的輪盤法提高79.3%的速度。

關(guān)鍵詞無線局域網(wǎng)；無線訪問節(jié)點(diǎn)；信道分配；遺傳算法；精英機(jī)制

無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network，WLAN)，是指以無線信道作為傳輸媒介的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)。其采用無線傳送方式提供傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)的所有功能，從而使網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和終端的移動(dòng)更加靈活。WLAN網(wǎng)絡(luò)主要有WLAN終端設(shè)備、無線訪問節(jié)點(diǎn)(Access Point，AP)、無線控制器(Access Controller，AC)、Portal服務(wù)器、RADIUS認(rèn)證服務(wù)器、用戶認(rèn)證信息數(shù)據(jù)庫(kù)、BOSS系統(tǒng)組成。無線局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩種，即中心拓?fù)浜蛯?duì)等式拓?fù)鋄1-2]。

WLAN的主要標(biāo)準(zhǔn)有IEEE802.11b/a/g/n和藍(lán)牙、HomeRF等標(biāo)準(zhǔn)。雖標(biāo)準(zhǔn)眾多，但基本可分為兩大發(fā)展方向：以IEEE802.11a，802.11b為標(biāo)準(zhǔn)的高速率傳輸應(yīng)用。以藍(lán)牙、HomeRF為代表的低速率短距離的應(yīng)用。隨著用戶對(duì)高速數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)的需求日益迫切，WLAN網(wǎng)絡(luò)中的問題也不斷凸顯，如選點(diǎn)不合理、AP鋪設(shè)過多、干擾大等。為了對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，有必要對(duì)電傳播模型和信道分配算法進(jìn)行研究[3]。

1電磁波傳播模型

電傳播模型是AP場(chǎng)強(qiáng)衰減計(jì)算、AP定位的基礎(chǔ)，精確且適用性強(qiáng)的電波傳播模型對(duì)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)較為關(guān)鍵。

1.1擴(kuò)展單斜率模型

擴(kuò)展單斜率模型的頻率差異主要體現(xiàn)在L0的取值不同，在單斜率模型的基礎(chǔ)上考慮了同層房屋間隔信息。下面公式為擴(kuò)展單斜率模型

L=L0+10×(2+fp(N))×log10(d)

(1)

式中，L0為離發(fā)射天線1 m處的自由空間損耗；N為發(fā)射端到接收端(Tx～Rx)直射路徑上穿透墻壁的數(shù)目；d為發(fā)射端與接收端之間的距離。其中fp(N)取值與墻體厚度、材料有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用模型時(shí)需要實(shí)際測(cè)得。

1.2Chan傳播模型

Chan模型適用于室內(nèi)微蜂窩區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)，該模型認(rèn)為電播在室內(nèi)傳播時(shí)的路徑損耗L近似于自由空間直接傳播時(shí)的路徑損耗Lp加上室內(nèi)墻壁的穿透損耗Lw，其中Lw與工作頻率以及墻體材料有關(guān)。其公式如下

L=Lp+Lw=32.4+20×log(f)+20×log(d)+Lw

(2)

式中，Lp為自由空間傳播時(shí)的路徑損耗；Lw為室內(nèi)墻壁的穿透損耗；f為工作頻率；d為發(fā)射端與接收端距離，其中Lw與工作頻率以及墻體材料有關(guān)。

1.3衰減因子模型

建筑物內(nèi)傳播模型包括，建筑物類型影響以及阻擋物引起的變化，這一模型靈活性強(qiáng)，預(yù)測(cè)路徑損耗與測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差約為4 dB，而對(duì)數(shù)距離模型的偏差達(dá)到13 dB。

衰減因子模型為

(3)

式中，nsf表示同層測(cè)試的指數(shù)值；FAF表示樓層衰減因子。如果對(duì)同層存在很好的估計(jì)，則不同路徑損耗可通過附加FAF值獲得。

1.4Keenan-Motley模型

室內(nèi)傳播模型路徑損耗公式

(4)

式中，d是傳播距離，單位m；Nwj、NFi分別表示信號(hào)穿透不同類型的墻和地板的數(shù)量；Lwj、LFi則為對(duì)應(yīng)的損耗因子，單位dB。J和I分別表示墻和地板的類型，一般LFi=20 dB(對(duì)所有地板)，Lwj=3 dB(對(duì)所有墻體)。

1.5修正的K-M模型

為了能更好地?cái)M合數(shù)據(jù)，對(duì)K-M模型進(jìn)行修正，路徑損耗可表示為

(5)

式中，Lc為常數(shù)；Lwj為穿過首發(fā)天線之間j類墻體的衰減；Kwj為收發(fā)天線之間j類墻體數(shù)目；Lf表示穿透相鄰地板的衰減；Kf表示樓層數(shù)目，即穿透地板數(shù)目。

典型參考值為：Lf=18.3 dB，軟隔墻的損耗Lw1=3.4 dB，硬隔墻的損耗Lw2=6.9 dB。文獻(xiàn)[4]提出了一種適用于機(jī)場(chǎng)、車站、寫字樓等場(chǎng)景的修正模型。在這種特定的場(chǎng)景中，為便于工程上實(shí)現(xiàn)，將涉及地板衰減的那一項(xiàng)去掉，模型變?yōu)?/p>

(6)

對(duì)以上的4個(gè)模型可看出，在建立模型時(shí)，對(duì)信號(hào)的衰減均基于以下兩方面考慮：自由空間電磁波的衰減和墻體對(duì)電磁波的衰減。

2AP信道分配算法研究

在WLAN 系統(tǒng)中，如何科學(xué)合理的設(shè)置各AP 的信道，使得各AP 間的整體干擾最小是重要的內(nèi)容[5]。在2.4 GHz頻段，每個(gè)AP 可用的信道有1，6和11共3個(gè)，這3個(gè)信道互不干擾，相互正交。每個(gè)AP 信道可任意分配這3個(gè)信道中的一個(gè)，假如有N個(gè)AP，若采用遍歷的方法，則AP 的分配方案有3N種可能。若要在這3N種可能中找到干擾最小的方案，需要龐大的計(jì)算量，而一般的計(jì)算機(jī)無法滿足這樣的計(jì)算要求?；谶@種情況，文獻(xiàn)[6～7]采用遺傳算法可快速完成對(duì)AP 的信道進(jìn)行分配。遺傳算法是一個(gè)局部最優(yōu)解，并不是全局最優(yōu)解。使用遺傳算法特別適應(yīng)于AP 數(shù)量比較多的情況。

2.1遺傳算法簡(jiǎn)介

2.2遺傳算法

2.2.1編碼

假設(shè)某一參數(shù)的取值范圍是[Xmin,Xmax]，用長(zhǎng)度為L(zhǎng)的二進(jìn)制編碼符號(hào)串來表示該參數(shù)，則其總共能產(chǎn)生2L種不同的編碼，參數(shù)編碼時(shí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下

其中，δ為二進(jìn)制編碼的編碼精度，其公式為

(7)

在WLAN系統(tǒng)中，工作在2.4 GHz頻段上的AP只有1，6和11這3個(gè)正交的信道。其間干擾最小，利用二進(jìn)制給這3個(gè)信道進(jìn)行編碼，00代表1信道，01代表6信道，10代表11信道。假設(shè)場(chǎng)所中AP數(shù)量為n，則每個(gè)個(gè)體的染色體為2n位的二進(jìn)制編碼，每個(gè)個(gè)體代表了一種信道分配方案。

2.2.2初始化染色體種群

在解集U中，隨機(jī)產(chǎn)生N個(gè)個(gè)體，將它們分別表示為s1，s2，…sN，并且滿足條件si∈U(i為1～N之間任意整數(shù)) 。這些個(gè)體即為初始化染色體的種群s1={s1,s2,…,sn},設(shè)T為代數(shù)計(jì)數(shù)器，初始化為1。

在本程序中，設(shè)種群大小為pop_size，每個(gè)染色體或個(gè)體的長(zhǎng)度為chromo_size，種群的大小決定了種群的多樣性，而染色體的長(zhǎng)度則由上述編碼過程決定。一般隨機(jī)生成初始種群，但若了解種群的實(shí)際分布，也可按照此分布來生成初始種群。假設(shè)生成的初始種群為(v1,v2, …,vpop_size)。初始化程序如下：

國(guó)家提出的“互聯(lián)網(wǎng)+”及“大數(shù)據(jù)”發(fā)展戰(zhàn)略，使得傳統(tǒng)的包裝及印刷行業(yè)主動(dòng)或被動(dòng)地融入其中，為這個(gè)古老的加工產(chǎn)業(yè)帶來了生機(jī)與希望。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在遙遠(yuǎn)的距離被拉近，且囊括了整個(gè)加工行業(yè)的方方面面。當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+”及“大數(shù)據(jù)”戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)平臺(tái)之一就是網(wǎng)絡(luò)搜索引擎的應(yīng)用。

function initilize(pop_size, chromo_size)

global pop;

for i=1:pop_size

for j=1:chromo_size

pop(i,j) = round(rand);

end

end

2.2.3計(jì)算個(gè)體適應(yīng)度

由AP的功率、現(xiàn)場(chǎng)的墻體環(huán)境，利用電波傳播模型可得到該AP的覆蓋情況。若工作在同一信道的AP1和AP2覆蓋范圍有重疊時(shí)，可通過計(jì)算得到該重疊區(qū)域的面積。所有本網(wǎng)AP之間，本網(wǎng)AP和已知的異網(wǎng)AP之間均可能存在重疊區(qū)域，將這些重疊區(qū)域面積的加和定為適度函數(shù)f。已確定適度函數(shù)后，計(jì)算第一代種群中各個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度f(wàn)(si)。

2.2.4根據(jù)適應(yīng)度賦值

得到個(gè)體的適應(yīng)度f(wàn)(si)，通過這N個(gè)個(gè)體的賦值，計(jì)算出種群S1中每個(gè)個(gè)體的選擇概率。

選擇概率的表達(dá)式如下

(8)

選擇操作即從前代種群中選擇個(gè)體到下一代種群的過程。一般根據(jù)個(gè)體適應(yīng)度的分布來選擇個(gè)體。一般適應(yīng)度可按照解碼的過程進(jìn)行計(jì)算，以輪盤的方式選擇個(gè)體。隨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一下輪盤，當(dāng)輪盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，若指針指向某個(gè)個(gè)體，則該個(gè)體被選中。明顯，具有較高適應(yīng)度的個(gè)體比具有較低適應(yīng)度的個(gè)體更有機(jī)會(huì)被選中。但這種選擇具有隨機(jī)性，在選擇的過程中可能會(huì)丟失掉比較好的個(gè)體，所以可使用精英機(jī)制，將前代最優(yōu)個(gè)體直接選到下一代中。

2.2.5交叉和變異

由以上方法得到包含N個(gè)染色體的種群，按預(yù)設(shè)定的交叉概率Pc，選擇進(jìn)行交叉操作的染色體。這些染色體進(jìn)行交叉運(yùn)算，即染色體最后四位交換，然后生成包含N個(gè)染色體的中區(qū)[9-10]。設(shè)定變異概率pm，種群中的部分染色體基因參加變異操作，即對(duì)某一個(gè)基因進(jìn)行操作，比如互換任意兩位編碼的位置等。最后得到一個(gè)新的染色體。

2.2.6迭代計(jì)算

染色體經(jīng)過選擇復(fù)制、交叉和變異這3種操作后，便可得到新一代包含N個(gè)個(gè)體的種群，新一代種群中可能會(huì)出現(xiàn)新的染色體，某個(gè)個(gè)體可能具有較高的適應(yīng)度，同時(shí)迭代器T加1。循環(huán)進(jìn)行以上過程，直到達(dá)到終止條件。由于適應(yīng)度函數(shù)f可能永遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)定要求，可將T定為1 000。

2.2.7解碼

找出種群中適應(yīng)度最高的那個(gè)個(gè)體的染色體，利用編碼規(guī)則進(jìn)行解碼，即可得到各個(gè)AP被分配的信道。這就是最佳的信道分配方案。解碼公式為

(9)

2.3仿真

仿真時(shí)，參數(shù)設(shè)計(jì)如下：種群大小為20；染色體大小為16；迭代次數(shù)200；交叉概率0.6；變異概率0.1。然后選擇操作中分別使用輪盤法和引入精英機(jī)制。采用遺傳算法，仿真結(jié)果如圖1所示。若在在選擇操作中可引入精英機(jī)制，仿真結(jié)果如圖2所示。明顯，輪盤法具有較高適應(yīng)度的個(gè)體比具有較低適應(yīng)度的個(gè)體更有機(jī)會(huì)被選中。但這種選擇具有隨機(jī)性，在選擇的過程中可能會(huì)丟失掉較好的個(gè)體，所以可使用精英機(jī)制，將前代最優(yōu)個(gè)體直接選到下一代中，這樣效果會(huì)更好。很明顯，精英機(jī)制的收斂速度更快，仿真結(jié)果顯示精英機(jī)制的最優(yōu)適應(yīng)度為4.000 0，得到最優(yōu)結(jié)果的迭代次數(shù)為59，而輪盤法的迭代次數(shù)為162次。

圖1　輪盤法

圖2　引入精英機(jī)制

再次修改仿真參數(shù)：其他參數(shù)保持不變，修改迭代次數(shù)為2 000，分別采用傳統(tǒng)的輪盤法和精英機(jī)制進(jìn)行仿真，得到結(jié)果如圖3和圖4所示，明顯可看出精英機(jī)制的迭代效果要好于輪盤法。

仿真計(jì)算的結(jié)果如圖3和圖4所示，采用輪盤法迭代了1 083次得到最后結(jié)果，采用精英機(jī)制迭代了224次得到結(jié)果。相比之下，精英機(jī)制比輪盤法提高計(jì)算效率達(dá)79.3%。

圖3　輪盤法仿真結(jié)果

圖4　精英機(jī)制仿真結(jié)果

3結(jié)束語(yǔ)

本文主要針對(duì)WLAN 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題進(jìn)行研究，總結(jié)了電磁波的各種傳播模型，并對(duì)AP 信道分配算法進(jìn)行了研究。電磁傳播模型可分析AP 信號(hào)強(qiáng)弱，從而更好的布設(shè)AP。信道分配是為了使各AP 間的整體干擾最小。本文中信道分配采用遺傳算法，在選擇操作中可引入精英機(jī)制，將前代最優(yōu)的個(gè)體直接引入后代，通過仿真可看出其收斂速度更快，這對(duì)于智能計(jì)算比較有幫助。此外，關(guān)于WLAN 優(yōu)化仍有諸多方面可以研究，例如直放型AP 和合路型AP 優(yōu)化方案等。

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Research on Electromagnetic Propagation Model and AP Channel Assignment Algorithm in WLAN

LU Zengqing, LI Yun

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,

Shanghai 200093, China)

AbstractThe optimization of WLAN network is proposed to solve the problem of the unreasonable point selection of strong interference in indoor environment. This paper summarizes several common propagation models in WLAN network and presents the genetic algorithm in channel allocation, respectively. Then this paper gives a simulation of the algorithm and introduces the elite mechanism during the operation steps, which is capable of faster convergence and intelligent computing. The use of elite mechanism improves the speed by 79.3% over the traditional roulette method.

KeywordsWLAN; AP; channel allocation; genetic algorithm; elite mechanism

收稿日期:2015- 11- 5

基金項(xiàng)目:全國(guó)大學(xué)生科技創(chuàng)新重點(diǎn)資助基金項(xiàng)目(N201310252012)；江蘇省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(201310292020)

作者簡(jiǎn)介:陸增青(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用等。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.07.003

中圖分類號(hào)TN926+.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)07-008-04