無線局域網(wǎng)的智能網(wǎng)絡優(yōu)化技術

摘要：近年來基于IEEE802.11標準系列的無線局域網(wǎng)技術發(fā)展速度迅猛。但隨著接入點AP（Access Point）數(shù)目的不斷增多，AP之間距離的不斷減小，同頻段的干擾問題將會嚴重影響到無線局域網(wǎng)的總?cè)萘?。傳統(tǒng)蜂窩小區(qū)的網(wǎng)絡優(yōu)化方法對于無線局域網(wǎng)已經(jīng)不再適用，這是因為無線局域網(wǎng)AP數(shù)目多，且結(jié)構(gòu)可能并不穩(wěn)定，即AP可能根據(jù)業(yè)務需要增加、減少甚至移動。智能網(wǎng)絡優(yōu)化技術是指通過在AP之間動態(tài)地分配頻率、功率、用戶以及業(yè)務流量使得整個無線網(wǎng)絡的容量最大，性能最佳。它將是未來無線局域網(wǎng)應用的關鍵技術之一。本文介紹了智能網(wǎng)絡優(yōu)化技術的內(nèi)容、發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展方向。

關鍵詞 無線局域網(wǎng) 智能網(wǎng)絡優(yōu)化 WLAN 802.11b AP（Access Point） DFC TPC

　　一、無線局域網(wǎng)發(fā)展趨勢和技術需求

　　WLAN是無線局域網(wǎng)的英文縮寫，是近年來發(fā)展迅猛的無線數(shù)據(jù)通信技術。它的發(fā)展從1997年6月制訂第一個WLAN標準IEEE802.11[1]開始，到1999年8月，IEEE推出了新的高速標準802.11b[2]和802.11a進入快速發(fā)展。IEEE802.11b在2.4GHz頻段提供最高11Mbps的速率；IEEE802.11a則在5.8GHz頻段提供54Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。2001年11月，IEEE試驗性地批準了802.11g，用以兼容802.11b和802.11a。幾乎同時，歐洲電信標準化協(xié)會（ETSI）的寬帶無線電接入網(wǎng)絡（BRAN）小組也著手制訂Hiper（High Performance Radio）接入標準，并推出HiperLAN1和HiperLAN2。

　　IEEE802.11和HiperLAN家族在技術上的突破及WLAN產(chǎn)品成本的大幅下降，使得無線局域網(wǎng)在寬帶無線接入中可以大顯身手，不僅企業(yè)把WLAN作為他們有線LAN的延伸，機場、酒店、會議中心、咖啡廳等地也將成為WLAN應用的重點。截至目前，采用802.11b和HiperLAN1的WLAN已經(jīng)覆蓋了北美和歐洲越來越多的地區(qū)。據(jù)專家預測，全球WLAN市場總銷售額將于2004年達到近22億美元，每年平均增幅高達25%左右，同時，WLAN應用范圍不斷拓展，不僅擴展了有線LAN，甚至在某些情況下取而代之。

　　隨著人們對于無線數(shù)據(jù)業(yè)務的需求的增大，在將來，大部分熱點地區(qū)僅僅有一個或者兩三個WLAN接入點AP（Access Point）是不夠的。因此在業(yè)務繁忙的地區(qū)，需要布置一個能夠滿足業(yè)務帶寬需求的小型無線網(wǎng)絡。這種網(wǎng)絡的特點在于：網(wǎng)絡接入點AP數(shù)目比較多；AP位置比較不確定，可能根據(jù)需要增加、減少或者移動節(jié)點。

　　由于AP數(shù)目比較多，而可用的頻段相對的少（在802.11b/g標準中相互獨立無干擾的頻段只有3個），因此，部分AP之間將會存在相互干擾，這種干擾隨著AP間的距離越近對于系統(tǒng)容量的影響越大。如何在AP間分配頻率和功率資源，使得AP間的干擾最小、容量最大是必須解決的關鍵技術之一：無線網(wǎng)絡優(yōu)化。

　　現(xiàn)有的2G網(wǎng)絡優(yōu)化主要采用小區(qū)建模計算和實地路測結(jié)合的方式進行，但是這種方法用在WLAN上是不可行的。因為WLAN的特點是：網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)多，使得建模和路測的工作量大大增加；節(jié)點數(shù)目和位置可能變化，導致上述網(wǎng)絡優(yōu)化的工作經(jīng)常需要重新進行。

　　在這種背景的需求下，智能網(wǎng)絡優(yōu)化技術將成為新的研究熱點。智能網(wǎng)絡優(yōu)化技術是指通過在AP之間動態(tài)實時地分配頻率、功率、用戶以及業(yè)務流量使得整個無線網(wǎng)絡的容量最大，性能最佳。它無疑將是未來無線局域網(wǎng)大規(guī)模應用的關鍵技術。

　　二、無線局域網(wǎng)的自干擾情況

　　1. 無線局域網(wǎng)的頻率資源情況

　　下面我們以現(xiàn)在應用最為廣泛的802.11b標準為例，說明為什么在多個AP之間會存在相互干擾。

　　我們可以看到頻段1和頻段2～5之間都有部分頻譜重疊，頻譜重疊就意味著這兩個頻段之間相互有干擾存在。干擾的大小取決于兩個頻段重疊的多少，以及發(fā)射信號的頻譜特性。總之頻段序號之間的差大于等于5的頻段之間沒有干擾，小于5的頻段之間存在干擾。

　　2. 頻段之間具體干擾因子

　　根據(jù)802.11b物理層發(fā)射信號的頻譜特性，我們可以估計出頻段兩兩之間的干擾大小。

　　對于頻帶內(nèi)的干擾頻譜積分，可以得到鄰頻段干擾因子K，即如果鄰頻段總信號能量為單位1，則本頻段內(nèi)收到此鄰頻段的干擾信號的能量為K（K<1）。下表是相鄰頻段的干擾因子列表：

　　我們可以看到鄰頻段的干擾在頻段序號差小于3時相當大，大于等于4的時候則可以忽略不計了。

　　三、智能網(wǎng)絡優(yōu)化

　　網(wǎng)絡優(yōu)化的目的主要在于合理分配物理資源和網(wǎng)絡設備資源，比如頻率分配、功率分配，用戶分配、業(yè)務流量分配。通過資源的分配優(yōu)化，得到整個網(wǎng)絡的性能和穩(wěn)定性的最優(yōu)化。

　　由于無線局域網(wǎng)的特點是：網(wǎng)絡接入點AP數(shù)目比較多；AP位置比較不確定，可能根據(jù)需要增加、減少或者移動節(jié)點。因此我們需要的不是一次性的網(wǎng)絡優(yōu)化，而是根據(jù)現(xiàn)實的網(wǎng)絡情況，進行實時的優(yōu)化。而這一過程通常是無需人工干預，因此稱為智能網(wǎng)絡優(yōu)化。

　　智能網(wǎng)絡優(yōu)化可以分為兩大部分組成：自動頻率優(yōu)化、自動功率優(yōu)化。

　　1. 自動頻率優(yōu)化

　　自動頻率優(yōu)化也稱動態(tài)頻率選擇DFC（Dynamic frequency selection）是指在通過測量得到網(wǎng)絡狀況的信息的條件下，動態(tài)實時地給AP分配頻段來減小AP間干擾的機制。

　　從頻率優(yōu)化的信息獲得上，可以將自動頻率優(yōu)化分成兩類。

　　第一類是基于用戶端測量信息進行頻段分配的方案。比如在802.11h中的DFC方案就屬于此類。它的工作流程如下：

　　（1）AP發(fā)出頻段測量的指令；

　?。?）移動終端MT（Mobile Terminal）收到指令開始頻段干擾情況的測量；

　?。?）MT將測量結(jié)果提交給AP；

　　（4）AP進行是否改變自己頻道的判決；

　?。?）如果決定改變頻段，AP向和它相連的MT宣布即將改變頻段；

　　（6）AP改變作用頻段，和它相連的MT也隨著一起改變。

　　上述機制中的（4）是標準沒有具體規(guī)定的，因此有大量的研究集中在如何設計判決算法使得頻段的分配更佳穩(wěn)定有效。

　　上述機制的好處在于，頻段的分配方案可以隨著用戶的數(shù)目和位置進行實時的調(diào)整。但是這種實時調(diào)整的代價是：用戶端向AP周期性的提交干擾報告；AP在頻段間切換時引起的用戶與AP重新連接的開銷。這兩點隨著接入AP的用戶數(shù)目增多，而同比例增大。

　　還有一種頻率分配方案，它僅僅是基于AP 點的頻段測量，來調(diào)整AP之間的頻段分配。因為隨著AP接入的用戶增多，考慮到用戶的移動性，可以近似認為用戶在AP的覆蓋區(qū)域內(nèi)是統(tǒng)計意義上的均勻分布，因此AP的頻段分配可以和用戶具體某一時刻的位置無關，只與AP之間的相對位置和相互干擾情況有關。這就是第二類，基于AP測量信息的頻段分配方案。它的基本工作流程如下：

　?。?）AP測量現(xiàn)有頻段分配下的干擾情況；

　　（2）AP自己判斷最佳頻段；

　?。?）分布式獨自調(diào)整或者在上層控制器指揮下調(diào)整。

　　可以看到，第二類和第一類比區(qū)別如下：無需用戶端參與測量，因此可以兼容所有的用戶端，并且沒有占用無線網(wǎng)絡的流量；分配方案只與AP有關，在AP沒有增加、減少、移動的情況下，分配方案一般不會改變，因此非常穩(wěn)定，魯棒性好；但在用戶數(shù)目比較少的時候，優(yōu)化的結(jié)果不如第一類好。

　　第二類基于AP測量信息的頻段分配方案，根據(jù)調(diào)整步驟可以分成兩種。一種是分布式調(diào)整，即AP之間獨自判斷，獨自調(diào)整，AP間沒有信息的交互。另一種是AP將各自的測量信息提交給一個接入控制器AC（Access Controler），由AC控制AP進行調(diào)整。前一種由于AP之間沒有信息的交互，因此可能出現(xiàn)幾個AP在幾個頻段間出現(xiàn)振蕩的調(diào)整，因此達到穩(wěn)定的收斂速度比較慢。后一種由于有AC從中協(xié)調(diào)，因此收斂速度非常快。

　　2. 自動功率優(yōu)化

　　自動功率優(yōu)化主要包括用戶端發(fā)射信號的功率控制TPC（Transmit Power Control）和AP端發(fā)射信號的功率控制。

　?。?）用戶端功率控制是保證用戶當前通信質(zhì)量的基礎上，盡量減小用戶的發(fā)射功率。當用戶離AP比較近的時候，由于信號的衰減比較小，因此用戶的發(fā)射功率也可以比較小。這樣做的好處在于：在不影響此用戶的通信質(zhì)量的前提下，減小了對于同頻段其他用戶和AP的干擾；減小終端的耗電量，延長待機時間。

　?。?）AP端發(fā)射功率的控制和AP的覆蓋范圍有關，因此在一般情況下，AP為了盡可能覆蓋較大的局域，均以允許的最大功率發(fā)射，一般是20dBm（100mW）左右。

　　但是當AP的數(shù)目比較多時，覆蓋已經(jīng)不是問題而AP間的相互干擾成為了主要問題。比如AP1附近集中了大量的用戶終端，而在AP2附近用戶終端相對稀少。當接入一個AP的用戶數(shù)大于一定數(shù)目時（一般為8個），由于用戶們爭搶信道十分激烈而導致總信道的容量降低。此時，較好的辦法是將一部分離AP2較近的用戶分給AP2，這樣AP1和AP2的用戶數(shù)目趨于平衡，這種方法也稱為負載平衡（Load Balance）。一開始AP1和AP2的發(fā)射功率相等，如圖細實線和粗虛線，因此在它們交界處的屬于AP2的4個終端接受到的AP1的信號等于甚至大于AP2的信號，這對于通信來說是很不利的。當AP1進行了功率優(yōu)化后，它的覆蓋范圍縮小到粗實線所示，此時屬于AP2的4個用戶收到的干擾明顯減少，這就是配合負載平衡的AP端發(fā)射功率控制的作用。

　　3. 其他優(yōu)化

　　除了頻率優(yōu)化、功率優(yōu)化和負載平衡外，還可以有業(yè)務流量平衡，自動覆蓋檢測等等。但是都是在物理層通過改變AP的發(fā)射頻段和功率，配合上層使得整個網(wǎng)絡性能更好，運行更加穩(wěn)定的目的。

　　四、結(jié)論

　　自動頻率優(yōu)化、自動功率優(yōu)化和負載平衡，以及網(wǎng)絡流量平衡，都是屬于無線資源分配的范疇。隨著人們對于通信帶寬的要求越來越高，對于有限的無線資源的使用效率也會越來越高。因此對于無線資源分配的研究一直都沒有停止過，在2G、3G和后3G系統(tǒng)的研究中，都有無線資源分配算法的研究。

　　對于不同的通信系統(tǒng)，無線資源分配算法的代價函數(shù)和調(diào)整手段都是不同的。由于無線局域網(wǎng)的快速發(fā)展，使得它對于高效的無線分配算法的需要日益增加，引起了廣大專家和工程人員的關注，即將成為無線局域網(wǎng)新的研究熱點。

　　智能網(wǎng)絡優(yōu)化方案是符合無線局域網(wǎng)的特點和發(fā)展趨勢的無線資源分配算法。但是目前研究僅僅提出了它的具體實現(xiàn)手段[7]，和一些獨立的優(yōu)化算法，其中包括頻率優(yōu)化，功率優(yōu)化和用戶分配優(yōu)化的方案。我們期望在不久的將來，可以從整體上和理論上，針對無線局域網(wǎng)的無線資源分配提出一個完整的分析方法和最優(yōu)的解決方案。