基于校園大數(shù)據(jù)的無線網(wǎng)絡(luò)AP布局優(yōu)化

肖 明，譚鳳霞，舒江波*，趙 亮，吳小平，張昭理

(1.華中師范大學(xué)信息化辦公室，武漢 430079；2.華中師范大學(xué)教育大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室，華中師范大學(xué)國家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心，武漢 430079)

隨著教育信息化的不斷發(fā)展，高校利用移動設(shè)備學(xué)習(xí)辦公越來越普及，高校移動學(xué)習(xí)辦公需要校園無線網(wǎng)絡(luò)的支持.校園無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能否滿足師生的需求，保障服務(wù)質(zhì)量，可以從三個方面衡量：1) 在當(dāng)前校園環(huán)境下，無線網(wǎng)絡(luò)AP能否實現(xiàn)校園基本覆蓋；2) 實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域是否能滿足用戶的上網(wǎng)需求；3) 覆蓋區(qū)域與區(qū)域之間的無線切換能否實現(xiàn)“無感知”切換，提高用戶體驗.當(dāng)前，高校校園內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)AP的布局大多由人工憑借經(jīng)驗進(jìn)行部署的，安裝在人流量聚集的教學(xué)樓、圖書館閱覽室、餐廳等大型公共場所.人工決策模式不能實時的監(jiān)控校園無線網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，其原因如下：第一，只有當(dāng)師生向?qū)W校反映，學(xué)校才會發(fā)現(xiàn)問題并加以解決；第二，師生并沒有太多主動反饋的意識和意愿，大多數(shù)都是被動接受現(xiàn)狀；第三，大部分高校也沒有設(shè)置專門的部門來接受校園無線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量反饋；第四、師生的反饋可能不全面、不專業(yè)、不精確.如何自動發(fā)現(xiàn)校園無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量問題并給出優(yōu)化實施方案是亟需解決的難點.

在無線網(wǎng)絡(luò)AP布局方面，已經(jīng)有很多學(xué)者開展了大量的研究.從靜態(tài)節(jié)點部署角度，文獻(xiàn)[1]考慮了二維無線區(qū)域中的泊松點過程，并提供了到個近鄰的距離的密度函數(shù)；文獻(xiàn)[2]提出了已知固定數(shù)目的節(jié)點均勻分布在給定區(qū)域中的網(wǎng)絡(luò)模型；針對二維網(wǎng)絡(luò)模型，有研究者提出了任意形狀下的網(wǎng)絡(luò)距離分布[3]；針對均勻分布的用戶，有研究者提出了一種能量效率度量方法，研究中繼位置的選取和覆蓋范圍的聯(lián)合優(yōu)化[4]；孫子文等人采用了一種基于泰森多邊形形心引力和節(jié)點安全連接引力的虛擬力的部署方案以提高節(jié)點覆蓋率[5]；針對關(guān)鍵區(qū)域的覆蓋問題，研究者提出一種關(guān)鍵區(qū)域啟發(fā)式優(yōu)化算法，該算法能夠形成具有最少數(shù)量的關(guān)鍵區(qū)域覆蓋格點集合，并以該集合中格點位置構(gòu)建覆蓋關(guān)鍵區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的傳感器放置位置[6]；還有的學(xué)者為了使系統(tǒng)最大化利用，研究了中繼站的最優(yōu)位置，并給出了中繼站數(shù)目對系統(tǒng)容量的影響[7].從動態(tài)節(jié)點部署的角度，張微微等在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，利用魚群算法不斷自適應(yīng)的調(diào)整自身游行狀態(tài)的特征對傳感器節(jié)點覆蓋優(yōu)化問題進(jìn)行求解，提高了節(jié)點覆蓋率[8]；向庭立等利用融入熱點區(qū)域信息改進(jìn)的布谷鳥算法位置更新方程并重構(gòu)目標(biāo)函數(shù)，最終實現(xiàn)區(qū)域覆蓋率的優(yōu)化[9]；向才輝設(shè)計了一種基于改進(jìn)遺傳算法的節(jié)點優(yōu)化覆蓋策略，降低了節(jié)點重復(fù)覆蓋比例，使節(jié)點部署更加合理[10].上述研究主要從覆蓋率方面考慮的節(jié)點優(yōu)化，而沒有考慮當(dāng)覆蓋率和節(jié)點數(shù)達(dá)到限值后，如何提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量以保障服務(wù)質(zhì)量.

鑒于此，本文以華中師范大學(xué)的校園無線網(wǎng)服務(wù)為研究對象，利用校園內(nèi)師生位置信息、師生上網(wǎng)行為信息、學(xué)校網(wǎng)絡(luò)設(shè)備監(jiān)控信息等構(gòu)成的校園大數(shù)據(jù)，構(gòu)建校園無線網(wǎng)絡(luò)AP布局動態(tài)優(yōu)化模型，實現(xiàn)校園無線AP服務(wù)動態(tài)監(jiān)測與反饋，達(dá)到預(yù)警網(wǎng)絡(luò)擁塞、提高校園無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的目的.

1 基于校園大數(shù)據(jù)的無線網(wǎng)絡(luò)AP布局動態(tài)優(yōu)化

1.1 優(yōu)化模型

基于校園大數(shù)據(jù)的無線網(wǎng)絡(luò)AP布局動態(tài)優(yōu)化的思路為：第一步，以校園無線網(wǎng)絡(luò)AP布局的當(dāng)前狀態(tài)為基點，以校內(nèi)各個教學(xué)、工作、學(xué)習(xí)、活動區(qū)域內(nèi)師生位置信息、師生上網(wǎng)信息、網(wǎng)絡(luò)接入點設(shè)備信息匯聚形成的校園大數(shù)據(jù)為分析對象，以長期積累的人均帶寬經(jīng)驗值為參考，通過聚類分析，計算出滿足無線網(wǎng)絡(luò)AP服務(wù)質(zhì)量保障所需的AP位置信息；第二步，將結(jié)果反饋給學(xué)校相關(guān)部門，學(xué)校相關(guān)部門獲得信息后，根據(jù)實際情況，進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)AP的位置調(diào)整以及設(shè)備管控；第三步，評估調(diào)整后的無線網(wǎng)絡(luò)AP服務(wù)質(zhì)量，直至人均帶寬能力達(dá)標(biāo)；第四步，以調(diào)整后達(dá)標(biāo)的無線網(wǎng)絡(luò)AP布局狀態(tài)為基點，重復(fù)執(zhí)行上述過程.

優(yōu)化模型如圖1所示.圖1中，×代表當(dāng)前區(qū)域內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)AP的位置.

圖1 優(yōu)化模型Fig.1 Optimization model

1.2 無線網(wǎng)絡(luò)AP流量表征

本文用四個指標(biāo)表征校園無線網(wǎng)絡(luò)AP的流量狀況，分別為：無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點覆蓋率、節(jié)點流量值、節(jié)點流量閾值、色值.

1) 節(jié)點覆蓋率

在無線網(wǎng)絡(luò)部署的區(qū)域中，AP節(jié)點部署后所覆蓋的區(qū)域面積占部署區(qū)域總面積的比值稱為節(jié)點覆蓋率，記為φ，計算公式如下.

(1)

2) 節(jié)點流量值Φ

某一時刻AP節(jié)點覆蓋人群產(chǎn)生的流量總和，記為Φ，

(2)

其中，Φi,t表示第i個人某時刻t下的流量值，N為當(dāng)前AP節(jié)點覆蓋區(qū)域人數(shù).

3) 節(jié)點流量閾值

AP節(jié)點能夠承受的最大的流量值，記為Φ′，計算公式如下.

Φ′=αΦmax，

(3)

其中，α為影響因子，Φmax為此設(shè)備能承受的最大流量值.

4) 色值

色值是指節(jié)點流量值與節(jié)點流量閾值的比值，記為α.α最大值為1，標(biāo)記為紅色，最小值為0，標(biāo)記為藍(lán)色.將0.45～0.75之間的色值定義為中間色值，其余為邊緣色值.

通過以上四個指標(biāo)，可以刻畫任意時刻下校園無線網(wǎng)絡(luò)AP的流量狀況圖，即數(shù)據(jù)流量地圖.圖2刻畫了華中師范大學(xué)某一天早上九點的無線網(wǎng)絡(luò)AP數(shù)據(jù)流量地圖，根據(jù)色值定義，當(dāng)色值越接近0.75，說明無線網(wǎng)絡(luò)AP利用率越高，節(jié)點呈現(xiàn)橘紅色；當(dāng)色值越接近1，無線網(wǎng)絡(luò)AP呈紅色報警狀態(tài).在圖2中，邊緣色值占據(jù)了所有無線網(wǎng)絡(luò)AP的大部分，說明在教學(xué)樓、學(xué)子餐廳等師生活動地點網(wǎng)絡(luò)擁堵；佑銘體育館和博雅廣場人流量較少的地點無線網(wǎng)絡(luò)AP利用率不高.

通過圖2可以看出，華中師范大學(xué)校園內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點基本全覆蓋，但由于校園內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，這個時間段在上課教學(xué)、食堂就餐以及室外文化體育活動等人流量高度集中的區(qū)域，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁堵，影響了師生的上網(wǎng)體驗.

校園無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋要滿足師生的需求，保障服務(wù)質(zhì)量，需要著重研究節(jié)點流量值、節(jié)點流量閾值這兩個指標(biāo).一般來說，節(jié)點流量閾值是一個無線網(wǎng)絡(luò)AP能夠承受的最大的流量值.節(jié)點流量值是指某一時刻一個無線網(wǎng)絡(luò)AP產(chǎn)生的流量值.一旦流量值逼近甚至超過閾值時，用戶體驗就會大大降低.因此，對節(jié)點流量值的監(jiān)控以及根據(jù)某時刻節(jié)點流量值調(diào)整無線網(wǎng)絡(luò)AP的布局，將會大大改善無線網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，提高用戶的體驗.

圖2 某校某時刻數(shù)據(jù)流量地圖Fig.2 Data traffic map at a certain time in a school

將校園內(nèi)師生位置信息按區(qū)域劃分，對該區(qū)域下師生上網(wǎng)行為信息進(jìn)行分析，計算當(dāng)前區(qū)域所需總流量.在一些情況下，用戶的流量信息沒能很好的記錄下來，這樣會對最終的流量統(tǒng)計造成影響.為此，本文引入人均帶寬需求的概念，用來填補這些空白數(shù)據(jù).假設(shè)每個人使用的平均帶寬相等，那么，人數(shù)越多的地方所需帶寬越高.為了代表各種網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的應(yīng)用情況，根據(jù)業(yè)務(wù)類型、帶寬需求、平均持續(xù)時間等把業(yè)務(wù)分成五個不同的應(yīng)用組，如表1所示.

表1 師生常用業(yè)務(wù)所需帶寬情況Tab.1 Bandwidth required by teachers and students

5) 人均帶寬需求

(4)

其中，Mi表示用戶在第i個業(yè)務(wù)應(yīng)用時的平均帶寬；ai表示第i項業(yè)務(wù)的權(quán)重；Ti,Tj表示用戶在第i/j個業(yè)務(wù)應(yīng)用時的平均持續(xù)時間；n表示業(yè)務(wù)應(yīng)用種類，本文取值5.引入業(yè)務(wù)權(quán)重參數(shù)，主要是由于校園環(huán)境是變化的，在學(xué)期的不同階段，用戶的行為習(xí)慣可能會發(fā)生改變.由此，可以通過調(diào)整各個業(yè)務(wù)的權(quán)重，盡可能的表現(xiàn)用戶真實的帶寬需求，進(jìn)而提升用戶體驗.

6)節(jié)點數(shù)

節(jié)點數(shù)是當(dāng)前區(qū)域范圍內(nèi)所需要的無線AP節(jié)點數(shù)，其計算公式如下.

(5)

1.3 無線網(wǎng)絡(luò)AP

根據(jù)所得節(jié)點數(shù)對該區(qū)域師生位置信息進(jìn)行聚類分析，聚類最終得到質(zhì)心的坐標(biāo)就是無線網(wǎng)絡(luò)AP應(yīng)該部署的位置.

無線網(wǎng)絡(luò)AP位置獲取算法的過程如表2所示.

表2 無線網(wǎng)絡(luò)AP位置獲取算法Tab.2 AP location acquisition algorithm for wireless network

2 實施效果

2.1 局部優(yōu)化

本文以華中師范大學(xué)學(xué)子餐廳、博雅廣場、佑銘體育館以及八號教學(xué)樓四個最具有特征性的區(qū)域作為實施觀測對象.為了對觀測結(jié)果進(jìn)行評價，本文采用熵評價方法.

每個聚類i的熵定義為：

(6)

其中，Pij表示聚類i中的成員屬于類j的概率；L表示類的個數(shù).

整個聚類劃分的熵為：

(7)

其中，K類的數(shù)目是整個聚類劃分所涉及到的成員個數(shù).通過節(jié)點流量閾值和人均所需帶寬，計算出當(dāng)前區(qū)域所需節(jié)點數(shù)，即k然后進(jìn)行聚類分析.

圖3展示了學(xué)子餐廳、博雅廣場、佑銘體育館、八號教學(xué)樓無線網(wǎng)絡(luò)AP布局調(diào)整前后的覆蓋范圍對比.圖3中□、△、☆、○表示人群分類，×代表無線網(wǎng)絡(luò)AP.

圖3 無線網(wǎng)絡(luò)AP布局調(diào)整前后覆蓋范圍對比Fig.3 Comparison of coverage before and after wireless network AP layout adjustment

圖3中(A-pre)、(B-pre)、(C-pre)、(D-pre)是優(yōu)化前人工決策的無線網(wǎng)絡(luò) AP對應(yīng)于人群的位置圖，圖3中(A-opt)、(B-opt、(C-opt)、(D-opt)是根據(jù)人群位置信息優(yōu)化后所得出的k個無線網(wǎng)絡(luò)AP位置圖，每個AP對應(yīng)各自的區(qū)域，通過形狀可以區(qū)分.

通過對比分析無線網(wǎng)絡(luò)AP前后的位置差異，可以看出優(yōu)化前的AP覆蓋隨機分布，與人群的分布存在較大出入，而通過人群變化來改變AP位置的優(yōu)化策略，能滿足實際需求，避免多余節(jié)點的資源浪費，提高節(jié)點的利用率.

本文中四個觀測對象優(yōu)化前后k值以及聚類的熵的結(jié)果如表2所示.從表2中可以看出，四處觀測區(qū)域優(yōu)化后的entropy對比優(yōu)化前有明顯的下降，說明了本文優(yōu)化方法是有效的.

表3 觀測區(qū)域優(yōu)化結(jié)果對比Tab.3 Comparison of observation area optimization results

2.2 整體效果

華中師范大學(xué)全校的無線網(wǎng)絡(luò)AP優(yōu)化前后的效果對比如圖4所示.

圖4 校園無線網(wǎng)絡(luò)AP優(yōu)化前后效果對比Fig.4 Comparison of before and after effects of campus wireless network AP optimization

從圖4中也能看出，對于教學(xué)樓，學(xué)子餐廳等教職工活動區(qū)域，無線網(wǎng)絡(luò)AP數(shù)量增加，并且顏色由深紅色轉(zhuǎn)為橘色，說明網(wǎng)絡(luò)節(jié)點承載量減少，負(fù)荷減??；對于佑銘體育館、博雅廣場等區(qū)域，無線網(wǎng)絡(luò)AP數(shù)量減少，并且顏色由藍(lán)色轉(zhuǎn)為淺黃色，說明網(wǎng)絡(luò)節(jié)點承載量加大，提升了節(jié)點利用率.

3 結(jié)語

本文是華中師范大學(xué)利用教育大數(shù)據(jù)創(chuàng)新學(xué)校治理，提升服務(wù)質(zhì)量的應(yīng)用探索實踐之一.

本文的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在兩個方面：一是數(shù)據(jù)驅(qū)動，充分利用校園大數(shù)據(jù)，進(jìn)行校園無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量評畫像，重點刻畫師生流量需求、師生日常聚集分布、校園無線網(wǎng)絡(luò)AP的位置、狀態(tài)和服務(wù)能力等特征.二是動態(tài)優(yōu)化，校園無線網(wǎng)絡(luò)AP的布局優(yōu)化不是靜態(tài)的、一次性的工程，而是動態(tài)的、長久運作的機制.校園無線網(wǎng)絡(luò)AP的布局，由師生長期不斷變化的無線網(wǎng)絡(luò)訪問需求來決定，每次優(yōu)化后的狀態(tài)，會成為下一次優(yōu)化的基點，這決定了優(yōu)化過程的動態(tài)性和持久性.

本文的研究實踐，有效地避免了在特定時間段及特定地點下的網(wǎng)絡(luò)擁堵，提高了師生的用戶體驗，在很大程度上避免了低人流量區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點利用率問題.但是，本文只探究了固定時間下的無線網(wǎng)絡(luò)AP布局優(yōu)化.下一步，將探索在全校無線網(wǎng)絡(luò)AP數(shù)量充足的情況下，根據(jù)時間段的不同，自動控制無線網(wǎng)絡(luò)AP的開啟狀態(tài)，在保障師生無線上網(wǎng)服務(wù)的前提下最大限度減少無線網(wǎng)絡(luò)AP的啟動數(shù)量，實現(xiàn)最大化的節(jié)能.