大規(guī)模校園無線局域網(wǎng)性能優(yōu)化技術(shù)研究

殷冬冬

摘 要：文章通過研究大規(guī)模校園無線局域網(wǎng)自身特點(diǎn)和面臨的問題，為系統(tǒng)性的無線局域網(wǎng)性能優(yōu)化提供了研究基礎(chǔ)。文章通過對基于用戶流量的比例公平網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法的研究，在不改變現(xiàn)有IEEE 802.11協(xié)議的前提下，充分利用貧瘠的無線頻譜資源，提升網(wǎng)絡(luò)性能。

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

1 無線局域網(wǎng)

IEEE 802家族是由一系列局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)格所組成，802.11屬于其中成員之一。隨著IEEE802.11的提出，無線局域網(wǎng)的概念正式被提出。IEEE802.11b的提出促進(jìn)了無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks，WLAN）的初步發(fā)展，也使得人們看到了WLAN的前景。而數(shù)據(jù)傳輸能力較高的802.11a/g是WLAN保持競爭力的重要優(yōu)勢。自從2006年被提出后，采用802.11n標(biāo)準(zhǔn)的WLAN吞吐量可達(dá)600 Mbps。為了適應(yīng)高清視頻傳輸?shù)葘拵?shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展，并繼續(xù)保持WLAN的競爭優(yōu)勢，IEEE于2008年年底啟動了吞吐量可達(dá)千兆的新一代WLAN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（802.11ac和802.11ad）的研制工作。

2 大規(guī)模校園無線局域網(wǎng)存在的問題

2.1 容量規(guī)劃問題

在無線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，整個網(wǎng)絡(luò)的容量對系統(tǒng)性能的影響比無線局域網(wǎng)的覆蓋范圍對系統(tǒng)性能的影響更大。為了防止單個用戶接入使得整個小區(qū)的傳輸速率下降，首先需要發(fā)現(xiàn)問題所在，然后通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，保證小區(qū)內(nèi)的每個用戶都有較理想的傳輸速率。

2.2 射頻干擾問題

射頻干擾是對無線局域網(wǎng)性能影響最大的問題，在大規(guī)模校園無線局域網(wǎng)中更加突出。大規(guī)模校園無線局域網(wǎng)，特別是運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，由于布設(shè)的接入點(diǎn)數(shù)量多、用戶數(shù)量大、信號覆蓋重疊區(qū)域大，使得其中的干擾問題相當(dāng)嚴(yán)重。干擾不僅影響無線局域網(wǎng)的覆蓋范圍和通信容量，而且伴隨著同一個地理空間內(nèi)多個無線網(wǎng)絡(luò)的共存更加吸引人們的關(guān)注。

2.3 頻率資源分配問題

目前最常用的IEEE 802.11g/n協(xié)議都運(yùn)行在2.4 GHz頻段，總頻寬為83.5 MHz，每個信道占用22 MHz頻寬，劃分為13個信道。可見WLAN能夠使用的頻譜資源非常緊張，加上在實(shí)際使用中這點(diǎn)有效的頻譜資源往往還得不到合理的分配，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的進(jìn)一步下降。大規(guī)模校園無線局域網(wǎng)中接入點(diǎn)數(shù)量多、用戶密度大，但是可分配資源卻很少。因此解決頻率資源分配問題主要有兩種手段，一是在現(xiàn)有協(xié)議框架下通過研究有效的頻率分配方法，使有限的頻率資源得到充分的利用；另一種手段是通過協(xié)議的改進(jìn)，進(jìn)行頻段的擴(kuò)展，如IEEE 802.11a/ac協(xié)議工作在同為工業(yè)科學(xué)醫(yī)學(xué)頻段但外部設(shè)備干擾相對較少的5 GHz頻段；而更加先進(jìn)的IEEE 802.11ad則工作在60 GHz頻段提供125 MHz的單信道帶寬。

2.4 隱藏節(jié)點(diǎn)與暴露節(jié)點(diǎn)問題

隱藏終端問題是指在無線通信中，兩個無線站都能感知接入點(diǎn)的存在，但由于某種原因如地理分布，這兩個無線站無法感知對方的存在。這樣，就使得兩個無線站相對于對方都是隱藏終端。雖然IEEE 802.11協(xié)議定義了分布式協(xié)調(diào)功能來避免沖突的產(chǎn)生，但是隱藏終端問題才是無線局域網(wǎng)中產(chǎn)生大量沖突錯誤的主要原因。在無線網(wǎng)絡(luò)中，由隱藏節(jié)點(diǎn)所導(dǎo)致的碰撞難以被監(jiān)聽，因?yàn)闊o線收發(fā)器通常是半雙工工作模式，即無法同時收發(fā)數(shù)據(jù)。為了防止碰撞發(fā)生，802.11允許工作站使用請求發(fā)送（Ready to Send，RTS）和允許發(fā)送（Clear to Send，CTS）幀來清空傳送區(qū)域。但是RTS-CTS機(jī)制會大大降低無線信道的利用效率，使得網(wǎng)絡(luò)性能下降。

暴露終端問題是指即使發(fā)射機(jī)無法同時利用無線傳輸介質(zhì)時，在這種情況下發(fā)射機(jī)不會發(fā)送數(shù)據(jù)。在這種情況下，發(fā)送器可以在不影響對方情況下發(fā)送數(shù)據(jù)，但不這樣做是因?yàn)榭梢愿兄酵ǖ罓顩r較為繁忙。因此，這些發(fā)射器成為對方的暴露終端。

3 基于用戶流量的比例公平網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法

3.1 基于用戶流量的比例公平算法與其他方法的比較

如圖1所示，在此例子中，有兩個訪問接入點(diǎn)（Access Point，AP）：a，b及兩個用戶u，v，它們間的傳輸速率分別為rua=10，rub=0，rva=2，rvb=1。

圖1 優(yōu)化方法說明示意

首先說明本方法與傳統(tǒng)比例公平算法的優(yōu)勢。如果用戶關(guān)聯(lián)基于最強(qiáng)的信號能量，則u和v都會關(guān)聯(lián)到AP a。如果系統(tǒng)只在AP a采用傳統(tǒng)的比例公平調(diào)度算法，則u的帶寬分配為5，而v的帶寬分配為1。但是，如果系統(tǒng)采用比例公平聯(lián)合用戶關(guān)聯(lián)與信道選擇算法調(diào)整，使得AP a與b處于正交信道，并且v關(guān)聯(lián)到AP b。這樣使得u的帶寬為10，而v的帶寬為1。這是一個相對于單純的比例公平更好的結(jié)果，并且也保證了公平性。而且單純的比例公平的分配結(jié)果5，1相對于聯(lián)合比例公平的10，1來說并不是帕累托最優(yōu)解。帕累托最優(yōu)是指資源分配的一種理想狀態(tài)，即假定固有的一群人和可分配的資源，從一種分配狀態(tài)到另一種狀態(tài)的變化中，在沒有使任何人境況變壞的前提下，也不可能再使某些人的處境變好。換句話說，就是不可能再改善某些人的境況，而不使任何其他人受損。

其次，說明本方法與max-min fairness方法的優(yōu)勢。由于max-min fairness算法保證各用戶的絕對公平而不考慮系統(tǒng)性能。于是上例中u，v依然關(guān)聯(lián)與AP a，并且它們分配的帶寬均為10/6。而本方法的帶寬分配分別為10，1。

3.2 用戶速率對網(wǎng)絡(luò)性能的影響

定理1：同一個信道內(nèi)不同速率用戶的吞吐量由發(fā)送速率最低的那個用戶決定。

證明：考慮以下情況，一個無線局域網(wǎng)中有N個不同發(fā)送速率的用戶競爭同一個無線信道。其中N-1個用戶采用高發(fā)送速率R（例如：IEEE 802.11g 54 Mbps），只有一個用戶使用低發(fā)送速率r（如1，2，5.5 Mbps）。則它們的幀傳輸時間分別為：ttr=Sd/R和ttr=Sd/r，其中，Sd為發(fā)送數(shù)據(jù)幀的長度。同樣的，MAC層ACK幀也以不同用戶對應(yīng)的速率從AP發(fā)回該用戶。不同速率用戶的關(guān)聯(lián)開銷時間分別定義為tROV和trOV。endprint

Tf表示發(fā)送速率為R的高速率用戶的傳輸時間：

同樣的，發(fā)送速率為r的低速率用戶相應(yīng)的傳輸時間Ts為：

于是，高速率用戶的信道利用率表示如下：

其中，tjam為碰撞消耗的平均時間。考慮到N-1個高速率用戶和1個低速率用戶兩兩都會發(fā)生碰撞，則tjam可以表示為一下形式：

N-1個高速率用戶的MAC層吞吐量為：

其中，，于是得到：

同樣的，可以得到低速率用戶的信道利用率為：

于是低速率用戶的MAC層吞吐量為：

其中，。于是得到：

說明同一個信道內(nèi)發(fā)送速率更高的高速率用戶的吞吐量與低速率用戶的吞吐量相同。

802.11中的CSMA/CA機(jī)制為了給不同速率的用戶提供平等的接入機(jī)會，導(dǎo)致了負(fù)載長度相同的情況下，低速率用戶相較于高速率用戶占用信道的時間更長，從而導(dǎo)致了整個信道吞吐量的下降。

3.3 基于用戶流量的比例公平

基于負(fù)載的比例公平的效用函數(shù)其實(shí)就是以分配帶寬b為底，負(fù)載d為指數(shù)的指數(shù)函數(shù)。于是有4種用戶出現(xiàn)，低流量低速率用戶，大流量高速率用戶，低流量高速率用戶及大流量高速率用戶。低速率用戶是影響網(wǎng)絡(luò)性能的最主要原因。首先，本方法的設(shè)計(jì)思路就是在保證公平性的前提下，通過將負(fù)載少并且速率低的用戶集中分配到同一個基站子系統(tǒng)（Base Station Subsystem，BSS）中，這樣就可以防止這些用戶的影響降低網(wǎng)絡(luò)的性能。其次，保證大負(fù)載量、速率高的用戶可以得到盡量多的信道占用時間，并減少其他用戶對其的干擾，這樣可以大幅增加網(wǎng)絡(luò)性能。然后，考慮其他兩種用戶的分配問題。指數(shù)函數(shù)增長更快，說明指數(shù)變量即負(fù)載d的增長對于效用函數(shù)U增長貢獻(xiàn)更大。于是，大流量低速率用戶會分配在獨(dú)立BSS內(nèi)，而更多的低流量高速率用戶會被集中在同一個BSS中。低流量高速率用戶占用時間少而效率高，所以分配在同一個BSS內(nèi)也不會降低它們的性能。所以在四種情況下，基于負(fù)載的比例公平算法都可以提高網(wǎng)絡(luò)性能。

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