基于IEEE 802.11协议的WLAN无线资源管理浅析

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1、前言
　　近年来，随着数据业务需求的不断增加，以IEEE 802.11协议为基础的无线局域网(WLAN)的研究正逐渐成为人们研究的热点。最初开发WLAN的目的是对有线LAN进行无线扩展，通过无线通信的方式实现有线LAN的功能，并以比有线网络更加低廉的价格和更加方便、灵活的方式进行网络安装和维护，主要用于企业和家庭网络。但是，随着蜂窝移动通信产业的成功和WLAN技术的发展，出现了与电信网络融合提供公共WLAN服务的趋势，即：电信运营商在热点地区(机场、宾馆、会议中心等)布设WLAN，使人们可以通过WLAN非常方便地享受高速的无线数据服务，这也极大地拓展了WLAN的应用空间。
　　无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，是一种采用无线传输媒介的计算机局域网络，由于利用空中电磁波进行信息传输，因此，与传统的有线网络相比，具有更大的灵活性，而且安装简单、经济实用。但是，采用无线信道进行信息传输也面临许多问题，比如：可靠性比较差，系统容量小而且覆盖范围难以控制，这些问题都需要很好地解决，尤其是在用户负载较重的情况下，如果不能很好地解决这些问题，可能会导致整个网络的性能急剧恶化，严重时甚至会造成网络的瘫痪。这些问题都可以通过有效的无线资源管理来解决。
　　本文主要针对基于IEEE 802.11的WLAN的无线资源管理(RRM)问题进行研究，首先给出一种新型的WLAN框架结构，然后在这种框架结构的基础上，研究应用于WLAN的信道分配、功率控制以及负载均衡等问题。通过这些问题的解决，可以有效降低用户之间的干扰，提高WLAN的性能，使网络资源得到更加有效的利用。
2、一种新型的WLAN架构
　　当前，随着IEEE 802.11 WLAN市场的快速膨胀，很多公司和学校以及一些公共热点地区都已经开始布设WLAN，对于家庭或SOHO用户而言，现有的WLAN设备已经能够满足人们的要求。但是对于公司用户而言，由于它需要布设多个AP（接入点）来覆盖整个办公区域，为了能够使各AP都正常、高效地工作，必须对这些AP进行有效的管理，而当前WLAN的智能是在各个AP上，也就是说各个AP实际上是处于相互独立的工作状态，无法做到信息的共享。因此可以说，当前的产品不适合用于大规模企业网络，针对这个问题，IEEE 802.11工作组正对标准进行改进，这些改进将有助于以上问题的解决。
　　为了能够满足企业用户射频管理的需求，本文给出了一种新的WLAN框架结构，它利用了“MAC分离”的思想，即：将IEEE 802.11数据、管理协议的处理以及接入点功能分别在AP和AC(接入控制器)上实现，如图1所示。对时延敏感数据的处理，如：信标处理、与客户端的握手、MAC层的加密以及射频监控等都是由AP进行处理。所有其他活动都由AC进行处理，因此，AC具备整个网络的可见度。

图1　基于MAC分离思想的WLAN框架结构

　　从图1中可以看出，AP直接或通过2层/3层设备与AC相连，RRM软件运行在AC上。RRM软件主要采集、分析处理AP的有用信息，做出判决并将结果发送回AP。利用这种架构可以非常方便地实现信道分配、功率控制以及负载均衡功能，从而可以大幅度地提高WLAN的性能。由于这种架构可以有效地对网络中AP的工作状态进行监控，因此可以满足企业用户对RF管理的需求。
3、信道分配
　　根据IEEE 802.11b协议的规定，工作在2.4 GHz频段的WLAN只有14个信道可用，而且由于信道之间是相互重叠的，为了尽可能地降低信道之间的干扰。在实际信道配置中，只有信道1、6和11是可用信道。在对大规模蜂窝网络进行信道分配时，为了使共道干扰尽可能地减小，需要将相同信道尽可能地分配到相距比较远的两个小区。由于WLAN采用CSMA/CA机制处理用户的多路访问，共道干扰的存在会使网络性能大幅度地下降。
　　当前，针对这个问题，人们已经提出了一些基于WLAN的信道分配算法[1，2]。参考文献[1]提出了一种基于小区用户负载的信道分配算法，这种算法应用在比较密集的WLAN中，AP可以根据检测到的用户数以及相邻小区内的用户负载动态地进行信道调整，使整个网络中的各AP的负载状态达到一个平衡，从而可以有效地提高整个网络的性能。参考文献[2]根据不同小区的负载情况，提出了一种启发式的信道搜索算法，利用文献中所提出的信道利用率度量对网络中的信道分配进行优化，通过这种算法可以为每个WLAN小区中的AP分配最佳的工作信道。
　　根据参考文献[2]中所提出的算法，基于本文所给出的WLAN框架结构，我们提出一种动态信道分配方案。首先，根据WLAN的拓扑结构，利用参考文献[2]中所提出的算法进行启发式搜索，计算出每个AP的最佳信道配置，然后由AC向其下属的各AP发出信道配置指令，进行相应的信道配置，这样就实现了对WLAN的静态信道配置。但是。WLAN是一个开放式的网络结构，因此很可能会存在其他AP进入本地WLAN的情况，由于WLAN无法控制其他入侵AP的工作状态，因此，入侵AP可能会对当前网络的性能造成很大的影响。针对这种情况，我们提出利用动态信道分配的方法将入侵干扰AP对本地网络的影响降到最低。
　　每个AP都可以检测到来自其他AP的共道干扰。当检测到的共道干扰超过了它所能容忍的门限值时，该AP就向AC发出告警信息，AC接收到告警信息后调用动态信道分配算法，同时将受到干扰AP不再使用与入侵干扰AP相同的工作信道作为约束条件，在此约束条件下进行最佳信道分配的搜索，通过改变干扰AP相邻AP的信道配置就可以使干扰AP对当前网络的影响降到最小。图2和图3是通过这种方法对信道进行动态配置所获得的仿真结果，图中的1、2和3分别表示3种有效信道的序号。

图2　算法应用前

图3　算法应用后

4、功率控制
　　WLAN中的功率控制可以分为两种，即：对AP的功率控制以及对STA(无线工作站)的功率控制。对AP的功率控制主要是为了完成对目标空间的覆盖。由于STA通常是移动设备，因此通过对STA的发射功率进行有效控制可以大幅度地减小STA发送数据包时所需的能耗。延长STA的工作时间。当前的IEEE 802.11协议不支持对AP和STA的功率控制，但我们的研究可以为以后IEEE 802.11的标准化工作做出贡献。在本文中，只研究对AP的功率控制问题。
　　为了完成对目标空间的覆盖，WLAN的设计者可以为AP选择安装位置并为其设置相应的发射功率，发射功率的设置根据WLAN的拓扑结构通过估算获得。AP的覆盖范围主要取决于信号传输所造成的路径损耗，而路径损耗的公式随应用场景的不同而发生改变。由于无线信道环境是在不断变化的，因此最初的功率配置可能无法完全实现对目标区域的覆盖，这样就会导致出现覆盖漏洞。同样，如果网络中的某个AP由于发生故障而无法工作，也会造成覆盖漏洞，处于覆盖漏洞内的STA将无法得到服务。为了解决这些问题，就必须对网络中的AP进行动态的功率控制，通过调整发射功率完成对漏洞的覆盖。但这种调整是极为复杂和费时的，因为AP间的路径损耗与信号传输所经过的物理环境是密切相关的，而且AP功率的调整还可能会对与其相邻的共道AP造成干扰，同时，调整AP的发射功率来完成覆盖只会影响到下行链路的覆盖区域，不会对上行链路产生影响。
　　根据前面的分析，可以考虑在AP中采用MIMO技术。MIM0技术可以调整部分AP的功率和天线的方向图，通过方向图的改变可以完成对漏洞的覆盖，不需要对整个网络进行调整，所以不会对网络中其他AP造成干扰。这对于AP较多的大规模WLAN是非常有意义的。
5、负载均衡
　　对于WLAN而言，每个AP都只有一个有效的工作信道，AP所连接的STA采用CSMA/CA机制共享这个信道，由于STA的随机分布，可能会造成某些AP所关联的STA很多，而其他AP所关联的STA很少。这样，关联STA较多的AP就可能会发生过载，导致拥塞，使网络性能下降。另一方面，1个STA可以与2个或多个AP进行通信，因此可以根据不同AP的负载状况来控制STA的接入，在AP之间进行切换，使之达到负载均衡。通过对AP的负载进行控制，可以避免AP过载情况的发生，从而大幅度地提高整个网络的性能。
　　STA与AP建立连接时，首先会向AP发送一个或多个探测请求，各AP在接收到STA发送的探测请求后，将向该STA发送响应信息。通过信息的交互，STA知道哪些AP在它的覆盖范围内，而接收到的来自AP的响应信号的强度也可以作为一个度量，来表征哪个AP可以为它提供高质量的服务。由于IEEE 802.11协议中没有规定STA与哪个AP建立连接，因此不同的生产厂商有不同的算法。
　　当前的IEEE 802.11协议不支持负载均衡，但是根据本文所给出的WLAN架构可以实现负载均衡功能，而且不需要修改STA代码。由于AC具有整个网络的可见度，因此在AC上可以监控每个AP的负载状态。当AP接收到来自STA的连接请求时，AP将请求转发给AC，AC查询该AP以及其邻居AP的负载状态，决定是否接受STA的连接请求。并将判决结果发送给AP，AP根据AC的指令接受或拒绝STA的连接请求。如果AP拒绝了STA的连接请求，STA将尝试向其他AP发送连接请求。
　　参考文献
　　1　Hui Luo, Shankaranarayanan N K. A distributed dynamic channel allocation technique for throughput improvement in a dense WLAN environment.In：IEEE Int Conf on Acoustics，Speech and Signal Processing (ICASSP 2004)，Montreal，Canada，May 2004
　　2　Leung K K，Kim B J．Frequency assignment for multi-cell IEEE 802.11 wireless networks. In：Proc of VTC2003 Fall，Lake Buena Vista，FL，USA，0ct 2003