WLAN網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線射頻資源的自動(dòng)管理策略

王新峰　劉霜霜

1(吉首大學(xué)軟件服務(wù)外包學(xué)院　湖南 張家界 427000)2(湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院　湖南 長(zhǎng)沙 410208)

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WLAN網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線射頻資源的自動(dòng)管理策略

王新峰1劉霜霜2

1(吉首大學(xué)軟件服務(wù)外包學(xué)院湖南 張家界 427000)2(湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院湖南 長(zhǎng)沙 410208)

針對(duì)WLAN網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線射頻資源之間會(huì)相互干擾，尤其在大規(guī)模部署時(shí)，需要花費(fèi)大量的人力和時(shí)間成本去調(diào)整網(wǎng)絡(luò)配置等問(wèn)題，給出一個(gè)自動(dòng)無(wú)線資源的管理策略。該策略分為4大塊功能：射頻分組、信道自動(dòng)調(diào)整、功率自動(dòng)調(diào)整、盲區(qū)探測(cè)和修復(fù)，每個(gè)功能解決一個(gè)特定問(wèn)題。該自動(dòng)調(diào)整策略綜合了設(shè)計(jì)時(shí)間、人力成本、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、用戶體驗(yàn)等，經(jīng)測(cè)試確認(rèn)可行有效。

WLAN無(wú)線資源功率調(diào)整信道調(diào)整

0　引　言

在手機(jī)、PAD、智能手表等智能設(shè)備普及的今天，隨時(shí)隨地接入網(wǎng)絡(luò)是一件很普通的事情，而這背后是無(wú)線局域網(wǎng)WLAN的功勞。WLAN是20世紀(jì)90年代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物, 它提供了一種使用無(wú)線多址信道的通信方式?，F(xiàn)在流行的WLAN系統(tǒng)一般由接入控制器AC和無(wú)線接入點(diǎn)AP組成， AP的設(shè)置都由AC發(fā)出，如圖1所示。STA(Station無(wú)線客戶端)如：手機(jī)、電腦等通過(guò)AP接入網(wǎng)絡(luò)。

圖1　典型WLAN結(jié)構(gòu)

1　大范圍部署WLAN存在的問(wèn)題

WLAN的初衷是針對(duì)家庭、小辦公室應(yīng)用，這時(shí)單個(gè)AP的工作信道和發(fā)射功率的配置是不需要特別關(guān)注的。隨著WLAN技術(shù)被越來(lái)越廣泛地使用在學(xué)校、銀行、企業(yè)、商場(chǎng)等，高密度WLAN已經(jīng)成為常見(jiàn)部署，此時(shí)WLAN的部署難題也就逐漸凸現(xiàn)出來(lái)。WLAN部署面臨以下幾個(gè)問(wèn)題：

1) 無(wú)干擾信道少

802.11b國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中只有三個(gè)(1，6，11)不重疊的信道，如圖2所示。

圖2　802.11b只有三個(gè)不重疊的信道

2) 無(wú)線功率易損耗，AP覆蓋范圍難確定

AP的覆蓋范圍和其提供的接入速率是緊密相關(guān)的，STA距離AP越遠(yuǎn)，AP提供的接入速率越低，如圖3所示。無(wú)線電波具有穿越介質(zhì)后能量易損耗的自然特性，功率設(shè)置太高會(huì)造成不同AP之干擾，設(shè)置太低可能會(huì)被障礙物損耗影響覆蓋范圍及速率。

圖3　距離與接入速度關(guān)系圖

3) 外界射頻環(huán)境不斷變化

在人人都能搭建WLAN的大環(huán)境里，即使經(jīng)過(guò)充分的調(diào)查，當(dāng)前的信道和功率設(shè)置是最優(yōu)的，下一時(shí)刻也可能就會(huì)惡化。

因此在AP高密度覆蓋的場(chǎng)合，管理員需要持續(xù)不斷地花費(fèi)大量的精力進(jìn)行AP的配置，且稍微配置不當(dāng)，反而可能由于干擾或其它原因使系統(tǒng)性能降低。

2　RRAM自動(dòng)分配策略

2.1RRAM策略的目標(biāo)及應(yīng)用場(chǎng)景

針對(duì)WLAN的大規(guī)模部署存在的問(wèn)題，本文給出一個(gè)無(wú)線射頻資源自動(dòng)管理策略RRAM(Radio Resource Auto-Management)。該策略合理地利用和部署無(wú)線射頻資源如信道、功率、負(fù)載均衡、準(zhǔn)入控制等，在保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境穩(wěn)定的前提下，提供更多接入和更高速度的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。RRAM策略總共分4大塊，如表1所示。

表1　RRAM功能表

RRAM管理策略能夠解決如下四種常見(jiàn)的實(shí)際用戶場(chǎng)景：

場(chǎng)景一AP覆蓋范圍過(guò)度重疊的信道功率選擇

對(duì)于一個(gè)AC或者多個(gè)AC在同網(wǎng)絡(luò)中存在AP覆蓋范圍重疊的情況如圖4、圖5所示，可以運(yùn)用RRAM策略進(jìn)行調(diào)整。

圖4　單AC下信道過(guò)度重疊場(chǎng)景

圖5　多AC下信道過(guò)度重疊場(chǎng)景

場(chǎng)景二AP上線時(shí)的信道動(dòng)態(tài)選擇(AP重疊區(qū)域內(nèi)依然有未使用的不重疊信道)

AP1處于1信道和AP2處于6信道是原有已部署好的，突然加入AP3強(qiáng)行位于1信道(友商或私人的不可改)，如圖6所示。這時(shí)發(fā)現(xiàn)AP1還有可選不重復(fù)的11信道，此時(shí)應(yīng)調(diào)整AP1切換到11信道。

圖6　AP上線動(dòng)態(tài)選擇信道場(chǎng)景

場(chǎng)景三功率動(dòng)態(tài)調(diào)整(覆蓋范圍內(nèi)某AP離線時(shí)，提升同頻AP功率以填補(bǔ)覆蓋，如圖7所示)

圖7　AP動(dòng)態(tài)修改功率場(chǎng)景

場(chǎng)景四盲區(qū)探測(cè)和修復(fù)

無(wú)線用戶處于AP3的覆蓋范圍之外或邊緣處，如圖8所示，導(dǎo)致無(wú)線用戶連接不穩(wěn)定。在這種情況下，AP3應(yīng)該可以檢測(cè)到覆蓋盲區(qū)，并自動(dòng)調(diào)高發(fā)射功率，將無(wú)線用戶納入覆蓋范圍。〗

圖8　AP覆蓋存在盲區(qū)場(chǎng)景

2.2RRAM各功能實(shí)現(xiàn)原理

2.2.1射頻分組

在有限的資源內(nèi)不同AC獨(dú)立控制自己的AP，做不到統(tǒng)籌安排。如圖9所示場(chǎng)景，圓圈代表AP，里面的數(shù)字是信道號(hào)(注：有的AP有雙天線，這里假設(shè)每個(gè)AP只有一個(gè)射頻天線，只需為每個(gè)AP分配一個(gè)信道)。在這種場(chǎng)景下，AC1不管分配什么信道都會(huì)造成干擾。

圖9　多AC場(chǎng)景

為了統(tǒng)一考慮需要將射頻覆蓋區(qū)域相重疊的AP組成一個(gè)射頻組(RF Group)，選舉出一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)AC。射頻組內(nèi)AP的信道分配、發(fā)射功率選擇統(tǒng)一由領(lǐng)導(dǎo)AC集中決策。

射頻組建立的前提必須是在具備RRAM功能的AC上，且不同AC之間網(wǎng)絡(luò)互通。其次，每個(gè)AP都會(huì)以最大功率和最小速率發(fā)送一個(gè)鄰居信息報(bào)文，報(bào)文包含AP的鄰居列表和AC信息。其他AP接收到鄰居信息報(bào)文之后交給AC，AC依據(jù)鄰居的鄰居是自己鄰居的方法跟其他AC通信確認(rèn)射頻組。

領(lǐng)導(dǎo)AC的選舉有兩種方式：

① 手動(dòng)給每個(gè)AC的設(shè)置一個(gè)優(yōu)先級(jí)，AC之間通信時(shí)比較優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的作領(lǐng)導(dǎo)。

② 自動(dòng)選舉， AC之間通信時(shí)比較MAC地址， MAC地址小的作領(lǐng)導(dǎo)。

為了應(yīng)對(duì)現(xiàn)有領(lǐng)導(dǎo)AC下線或有新AC加入導(dǎo)致格局改變，AC之間需要定時(shí)通信確保及時(shí)選舉新的領(lǐng)導(dǎo)。

2.2.2信道自動(dòng)調(diào)整

信道自動(dòng)調(diào)整算法，簡(jiǎn)稱DCA算法。DCA算法在射頻組領(lǐng)導(dǎo)AC上運(yùn)行，默認(rèn)周期20分鐘，基于每個(gè)RF Group，為所有的AP制定最優(yōu)化的工作信道配置。DCA算法只考慮為數(shù)不多的幾個(gè)度量：

? 信號(hào)強(qiáng)度——每臺(tái)AP在所有工作信道監(jiān)聽(tīng)到的鄰居信息的RSSI值；

? 干擾——AP報(bào)告的802.11數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)被干擾的時(shí)間百分比；

? 噪聲——AP在每個(gè)工作信道上監(jiān)測(cè)到的噪聲值。

其中，主要的依據(jù)是信號(hào)強(qiáng)度，其他參數(shù)是可選的。

信道切換過(guò)程中會(huì)引起AP上的STA掉線，用戶體驗(yàn)很糟糕，應(yīng)盡量避免頻繁的信道切換。DCA算法運(yùn)行分為兩種模式：大面積部署和正常調(diào)整。

1) 大面積部署

該模式應(yīng)用在：當(dāng)一個(gè)場(chǎng)景在初次部署了大量AP時(shí)需要給每個(gè)AP設(shè)置一個(gè)合理的信道，當(dāng)場(chǎng)景里無(wú)線AP信道隨著時(shí)間變化而調(diào)整了一段時(shí)間需要恢復(fù)到初始信道時(shí)。在這種模式下DCA算法執(zhí)行流程如下：

首先，將所有AP的信道都設(shè)置為相同信道，這樣就知道誰(shuí)所受干擾最大。

其次，組領(lǐng)導(dǎo)先將組中的AP成員按照工作信道上的干擾從大到小的順序排序。優(yōu)先處理干擾比較大的AP，因?yàn)橄忍幚淼腁P的信道更容易被調(diào)整，排序算法使用插入排序。

最后，再按照以下步驟進(jìn)行調(diào)整(類(lèi)似于地圖涂色算法)。

① 按照信號(hào)強(qiáng)度從強(qiáng)到弱的順序處理每一個(gè)AP：先在可用信道列表中除去掉已修改過(guò)的鄰居工作信道，挑選出未受干擾的可用信道。

② 如果可用信道列表中有2個(gè)以上信道，按從小到大挑選一個(gè)可用信道。

③ 如果沒(méi)有可用信道，則挑選一個(gè)干擾最少的信道。

以下舉個(gè)簡(jiǎn)單示例說(shuō)明DCA的運(yùn)行流程。如圖10所示場(chǎng)景，圖中每個(gè)圓圈代表一個(gè)AP，圈中A—1表示為這個(gè)AP名字是A所用信道為1。

圖10　未執(zhí)行DCA算法前AP信道

大面積部署時(shí)將所有AP信道都置為1，然后根據(jù)干擾進(jìn)行排序，所受干擾從大到小為： A>F>E>B>C>D。

① A沒(méi)有已修改鄰居AP，所以A就直接先用1信道。

② 到F時(shí)，F(xiàn)鄰居中有A，此時(shí)1不可用，選用6信道。

③ 到E時(shí)，由于鄰居中A、F占用了1、6信道，只能選用11信道。

同理，B、C、D選取信道分別為11、6、6信道。

執(zhí)行完DCA算法后，最終AP信道設(shè)置如圖11所示，所有AP都分配到一個(gè)合理可用信道。

圖11　執(zhí)行DCA算法后信道AP信道分配

2) 正常調(diào)整

正常調(diào)整場(chǎng)景中AP是先后上線的，此時(shí)調(diào)整的只是剛上線的單個(gè)AP，不能調(diào)整其他AP，否則遇到惡意AP頻繁上下線，會(huì)導(dǎo)致本場(chǎng)景中其他AP震蕩影響用戶正常使用。AP上線時(shí)挑選信道依照以下步驟：

① 按照信號(hào)強(qiáng)度從強(qiáng)到弱的順序處理每一個(gè)鄰居：先在可用信道列表中除去鄰居工作信道；

② 直到處理完所有鄰居或者可用信道列表中只剩下一個(gè)可用信道。

③ 如果可用信道列表中只有一個(gè)可用信道就直接選??；如果有多個(gè)信道且包含了AP的當(dāng)前工作信道則保存當(dāng)前信道，否則按從小到大順序選取信息，算法結(jié)束。

2.2.3功率自動(dòng)調(diào)整

功率自動(dòng)調(diào)整算法，簡(jiǎn)稱TPC算法。組領(lǐng)導(dǎo)使用該算法將每個(gè)帶寬的發(fā)射功率調(diào)低，限制過(guò)度的區(qū)域覆蓋和相同信道的干擾。

每個(gè)AP報(bào)告的鄰居列表按照RSSI從高到低排序，如果AP具有三個(gè)以上的鄰居，那么RF Group Leader基于每個(gè)帶寬、每個(gè)AP應(yīng)用TPC算法調(diào)低AP的發(fā)射功率，直到RSSI第三高的AP被監(jiān)聽(tīng)到的信號(hào)強(qiáng)度低于TPC門(mén)限(典型值-65 dBm)而且滿足TPC的滯后條件。TPC通過(guò)以下流程決定是否需要調(diào)低發(fā)射功率：

1) 確定是否存在RSSI第三高的鄰居，其RSSI是否高于TPC門(mén)限。

2) 使用公式確定其發(fā)射功率：

AP最大發(fā)射功率+(TPC門(mén)限-RSSI第三高的鄰居的RSSI)

(1)

3) 比較當(dāng)前的發(fā)射功率和第2)步的計(jì)算結(jié)果(求其差)，確認(rèn)是否超過(guò)TPC滯后量：

? 如果大于6 dB，那么發(fā)射功率應(yīng)該調(diào)低一級(jí)(3 dB)。

? 如果小于-3 dB，那么發(fā)射功率應(yīng)該調(diào)高一級(jí)(3 dB)。

功率級(jí)別與功率對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2　功率級(jí)別與功率對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2.4盲區(qū)探測(cè)和修復(fù)

盲區(qū)探測(cè)和修復(fù)算法——Coverage Hole Detection and Correction Algorithm。該算法是基于無(wú)線用戶的信號(hào)質(zhì)量確定覆蓋盲區(qū)，再增加用戶所連接AP的發(fā)射功率。

當(dāng)用戶的SNR(信噪比)低于一個(gè)給定的門(mén)限時(shí)，算法確定存在一個(gè)覆蓋盲區(qū)。SNR門(mén)限基于單個(gè)AP，并且主要依賴于AP的發(fā)射功率。發(fā)射功率越高，用戶能容忍的噪聲也會(huì)越大。

覆蓋盲區(qū)的SNR門(mén)限基于兩個(gè)值：AP的發(fā)射功率和AC的Coverage profile(根據(jù)場(chǎng)景可設(shè)置)值。計(jì)算公式如下：

SNR門(mén)限(|dB|)=|AP發(fā)射功率(dBm)-常數(shù)(17 dBm)-

Coverage Profile(dB)|

(2)

在上述式(2)中，因?yàn)榇蠖鄶?shù)國(guó)家和地區(qū)規(guī)定AP發(fā)射功率上限20 dBm，同時(shí)Coverage Profile又不會(huì)小于3 dB，所以計(jì)算式等價(jià)于：

SNR門(mén)限(dB)=Coverage Profile(Db)+常數(shù)(17 dBm)-

AP發(fā)射功率(dBm)

(3)

根據(jù)式(3)容易看出SNR門(mén)限與AP發(fā)射功率的函數(shù)關(guān)系，即增加AP的發(fā)射功率相當(dāng)于降低SNR門(mén)限。一旦有一定數(shù)目的用戶的SNR低于SNR門(mén)限超過(guò)一定時(shí)間，這些用戶所連接的AP的發(fā)射功率就會(huì)增加(相當(dāng)于降低SNR門(mén)限)以修復(fù)覆蓋盲區(qū)。為了闡述該算法的決策流程，這里給出一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)例。不妨假設(shè)一臺(tái)AP上的相關(guān)數(shù)據(jù)如下：

? 一個(gè)無(wú)線用戶的SNR為13 dB

? 該AP配置的發(fā)射功率配置成11 dBm(功率級(jí)別4)(參見(jiàn)表2)

? AP所連接的AC配置的Coverage profile為12 dB

算法將按照以下步驟做出決策：

① 計(jì)算SNR門(mén)限：|11 dBm-17 dBm-12 dB|=|-18 dB|= 18 dB。

② 因?yàn)闊o(wú)線用戶的SNR(13 dB)小于SNR門(mén)限(18 dB)，所以應(yīng)該提高AP的發(fā)射功率。

③ 將無(wú)線用戶的SNR作為SNR門(mén)限，使用式(3)求出AP發(fā)射功率：

AP發(fā)射功率(dBm)=Coverage Profile(dB)-SNR門(mén)限(dB)+常數(shù)(17 dBm)=12 dB-13 dB+17 dBm=16 dBm。

④ 對(duì)上一步的結(jié)果按照功率級(jí)別向上取整，可得17 dBm(功率級(jí)別2)，這個(gè)功率即需要配置到AP上的發(fā)射功率。顯然，按照這個(gè)發(fā)射功率，計(jì)算出來(lái)的SNR門(mén)限為12 dBm，已經(jīng)小于無(wú)線用戶的SNR(13 dB)了。

3　結(jié)　語(yǔ)

本文給出的自動(dòng)無(wú)線資源的管理策略已使用在銳捷網(wǎng)絡(luò)的WLAN設(shè)備之中，經(jīng)在高校和商場(chǎng)使用驗(yàn)證該策略運(yùn)行良好。當(dāng)然自動(dòng)調(diào)整策略也存在問(wèn)題，比如有人惡意干擾情況下，自動(dòng)調(diào)整策略會(huì)頻繁調(diào)整功率和信道，為了應(yīng)對(duì)這種特殊情況，可以手動(dòng)設(shè)置AP信道，配置禁止自動(dòng)修改。

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RADIO FREQUENCY RESOURCE AUTO-MANAGEMENT STRATEGY IN WLAN

Wang Xinfeng1Liu Shuangshuang2

1(School of Software and Service Outsourcing,Jishou University,Zhangjiajie 427000,Hunan,China)2(HunanIndustryPolytechnic,Changsha410208,Hunan,China)

Radio frequency resources will interfere with each other in WLAN, especially in large-scale deployment, and it needs to spend a lot of manpower and time costs to adjust the network configuration. Aiming at the issue, this paper proposes a radio frequency resource auto-management strategy, which is divided into four functions: RF grouping, dynamic channel assignment, transmit power control and coverage hole detection and correction, and each function can solve a specific problem. The auto-management strategy proposed in this paper combines the design time, manpower cost, network stability, user experience, etc. This strategy is confirmed by the test is feasible and effective.

WLANRadio resourceTransmit power controlDynamic channel assignment

2016-04-08。王新峰，助教，主研領(lǐng)域：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。劉霜霜，講師。

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2016.09.031