ＩＥＥＥ ８０２．１１寬帶無線局域網負載均衡優化研究

摘 要：在基于IEEE 802.11的寬帶無線局域網中，隨著終端STA的接入、移動和無線信道的時變性，各個接入點（AP）的負載將會產生差異，需要負載均衡優化機制平衡各個AP的差異，以達到網絡資源的最大利用率。詳細討論了無線局域網中用到的幾種負載均衡機制，分析了各自的優缺點，結合這些特點給出一種新的負載均衡機制。該機制能較準確地統計終端業務信息，降低切換失敗風險，快速達到APs之間的負載均衡，優化提高網絡整體性能。

關鍵詞：IEEE802.11； 無線局域網； 負載均衡

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2008)07-2135-03

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Study on load balancing of IEEE 802.11 bandwidth WLANs

LIU Yan-bing1，2， YANG Qian-hui2， SUN Shi-xin1

(1.College of Computer Science， University of Electronic Science Technology of China， Chengdu 610054， China; 2.College of Computer Science Technology， Chongqing University of Post Telecommunications， Chongqing 400065， China)

Abstract:In the wireless local area networks based on the IEEE 802.11， each AP’s load is different because of the accesses and movements of Stations (STAs) and the time varying of wireless channels. Load balancing is required to balance the diversity of access points (APs) to maximize utilization of network resource. This paper provided a comprehensive study of different load balancing mechanisms， then gave a novel load balancing mechanism. This mechanism can exactly collect statistical traffic information of stations， reduce risk of handoff failure， achieve load balance of APs rapidly， and improve performance of the whole network.Key words：IEEE 802.11; wireless LANs; load balancing

0 引言

基于IEEE 802.11的寬帶無線局域網由于其低成本和快速接入IP網絡等優點，得到了快速的發展和廣泛的應用。目前在機場、會展中心、咖啡廳和酒店等熱點地區利用無線局域網絡進行覆蓋，為用戶提供高寬帶的無線接入。無線局域網有兩種工作模式，即獨立基本服務集和基礎結構服務集^[1]。在基礎結構網絡中，由于AP的發射功率小，覆蓋范圍有限，在一個擴展服務集中需要多個AP以擴大通信范圍。當終端上電或者漫游出當前AP小區時，終端通常是選擇收到信號強度(RSSI)最大的AP建立連接，這將導致某些APs超載，而其他的APs不能得到很好的利用，這樣將增加網絡的擁塞，造成網絡資源的浪費，使網絡的整體性能下降。通過研究發現，無線局域網的負載均衡機制可以歸納為STA主控負載均衡機制^[2，3]、AP主控負載均衡機制^[4~8]和小區呼吸負載均衡機制^[9]三類。

無線接入網的服務質量(QoS)的研究還處于開始階段，標準尚未提出可行、可靠的解決方案；另一個研究課題是移動性對無線接入網的服務質量的影響也是當前的研究熱點。本文以結構服務集為基礎，對傳統的基于RSSI的連接方法進行改進和優化：在終端接入的過程中，同時考慮RSSI和AP當前的實際負載。仿真實驗結果證明，該方法能使網絡的整體性能得到提高，這對無線局域網進一步提高QoS具有重要參考作用。

1 現有負載均衡機制

1．1 STA主控負載均衡機制

在IEEE 802.11標準中，終端STA是控制連接和漫游過程的實體。在一個擴展服務集ESS中，AP的覆蓋區域通常是相互重疊的，在重疊區域的移動終端可以與任一能夠提供足夠信號強度的AP連接。現有連接技術迫使終端與信號強度最大的AP進行連接，這種方法容易造成信號強的AP擁塞，而另一些APs空閑，導致網絡資源利用率低下。僅僅靠接收到的信號強度作為接入或切換的條件是片面的。一種可取的方法是平衡接收到的信號強度和AP的利用率，終端一方面要選擇能夠保證自己正常數據傳輸的AP；另一方面通過選擇具有較低負載的AP以避免單個AP的飽和。一些廠家生產的AP^[10~12]在它們的信標幀中通知AP的利用率。目前有大量研究集中在改進接入和切換的條件。

Papanikos等人^[13]提出，當終端發送探求請求后，APs在它們的探求響應幀中提供所連接的終端數量、所連接終端的平均RSSI和從請求終端收到的RSSI，終端利用這些信息為所有可達的APs計算一個權值，然后與具有最低權值的AP連接。 Ekici等人^[2]提出了一種預連接算法，每個終端對AP貢獻的負載與該終端的連接速度成反比，與能夠提供最高有效數據速率的AP進行連接。

1．2 AP主控負載均衡機制

AP主控負載均衡機制的核心思想是：AP處于網絡側，AP之間通過分布式系統連接，相互之間可以在不影響STA業務的情況下相互傳遞負載均衡相關的信息。一個新的終端發送連接請求時，網絡端考慮鄰近AP小區的負載和終端的需求，決定將新的終端連接到合適的AP。例如當AP出現擁塞時，將拒絕新的終端接入；當某個AP出現超載時，AP決定將一個或多個活動終端切換到另一個AP小區以降低網絡擁塞。

文獻[4~8]均采用AP主控負載均衡機制，使得AP之間的負載達到平衡。文獻[4~6]利用中心服務控制器提供負載均衡服務，中心服務控制器搜集每個AP的負載狀態，能夠較準確地決定終端與哪個AP相連。在文獻[4]中，中心服務控制器除了提供最優AP連接外，如果鄰近APs不能滿足STA的要求，中心服務控制器還建議終端切換到更遠的AP。文獻[4]中，Bejerano等人提出不考慮終端的地理位置，網絡端對終端進行公平帶寬分配，最大化每個終端的公平性。在文獻[6]中，考慮了不同業務產生的負載，不僅能夠有效控制STA的接入，平衡各個AP之間的負載，而且提供了QoS保證。這些機制最大化整個網絡利用率，但是容易造成瓶頸。

1．3 小區呼吸負載均衡機制

小區呼吸技術開始是用在蜂窩網絡中，即指小區的覆蓋范圍隨著網絡用戶數增加、網絡負載增大而減小。在文獻[8]中，O. Brickley等人采用小區呼吸技術平衡APs間的負載，以此來提高網絡的整體服務質量。AP通過改變它的發射功率，重新配置它的覆蓋范圍，降低發射功率將減小該AP的覆蓋范圍，使得終端數減少，從而降低無線媒體上的碰撞率；反之，當增加AP的發射功率時，將有效擴大該AP的覆蓋范圍。

在圖1中，AP1只有STA1與之相連，其余終端都與AP2相連。如果所有終端都有相同的數據傳輸，那么AP2的負載將比AP1的負載高，于是AP2通過降低發射功率與離自己最遠的STA3斷開連接，STA3將與AP1相連，此時網絡負載達到平衡。但是此時有可能出現這樣的情況，比如終端1、2、3、4提供的業務量分別是6 Mbps、2 Mbps、5 Mbps、1 Mbps，在沒有執行小區呼吸技術之前，AP1為6 Mbps、AP2為8 Mbps，執行小區呼吸技術后，AP1為11 Mbps，AP2為3 Mbps，AP1和AP2的負載差異更大。所以，在執行小區呼吸技術的過程中，AP與最遠的終端斷開連接不一定是最優的選擇，AP需要搜集終端的業務信息，統計終端業務等級，測量出真實負載。

2 負載分配算法設計與實現

2．1 基本思想

IEEE 802.11工作在2.4 GHz頻段上，使用14個可用信道的前面11個信道，信道1、6和11是不相互重疊，彼此之間不存在干擾。在該算法中，假設AP之間的覆蓋區域相互重疊，相鄰AP工作在互不干擾的信道上。在IEEE 802.11無線局域網中，終端通過主動掃描或被動掃描方式得到AP的信息。在被動掃描模式下，終端通過在每個AP的可用信道上偵聽信標幀得到AP的相關信息。在主動掃描模式下，終端在特定信道上發送探詢請求幀，通過收到AP的探詢響應幀而獲知AP的信息，如時間戳、信標幀間隔等信息。因此可以通過擴展信標幀或探詢響應幀的信息字段增加AP的負載信息，以達到AP的最優選擇。在本文的優化算法中，采取主動掃描得到AP的相關信息。終端主動掃描與AP建立連接的過程如圖2所示。為了使終端與AP之間更好地交互信息，需要擴展標準協議中的探詢請求幀和探詢響應幀結構，在探詢請求幀結構中增加終端發送需要占用的帶寬，探詢響應幀結構中增加AP統計到的負載信息。終端收到探詢響應幀后，得到可利用AP的RSSI和負載信息。

文獻[14]提出的ISL函數能很好地描述RSSI與負載之間的關系，借助式（1）函數定義一個權值函數Wi:

其中：1≤i≤n，n表示向終端響應探詢響應幀的AP個數；li表示第i個AP的負載；l是終端探測到可用AP的平均負載；Sα是RSSI的最低門限值；Lα是AP能夠承受的最高負載。終端提取探詢響應幀的負載信息，求出最大權值，終端向最大Wi的AP發送連接請求建立連接。

2．2 算法描述

通過以上分析研究，本文考慮在終端接入的過程中，同時考慮AP的RSSI和負載，整個負載均衡的算法過程中需要終端和AP的共同參與。設計的算法描述如下：

a）終端（STA）

（a)終端在信道上發送探詢請求幀，包括自己發送將占用的帶寬，啟動定時器，開始計時。

（b)終端若在規定的時間內收到探詢響應幀，轉（c)；否則轉（a)。

（c)終端從探詢響應幀中提取負載信息，比較相關信息是否與自己的相符，保存Ri和Li。

（d)終端掃描完所有信道后，計算權值Wi，保存Wi值，向權值Wi值最大的AP發送連接請求。

b）AP端

（a)AP收到探詢請求幀后，統計當前自身的負載信息，包括新終端加入后的負載。

（b)如果AP的負載沒有超過最大門限值，則構造探詢響應幀，向終端發回；否則轉（c)。

（c)AP不向終端發送探詢響應幀。

3 仿真實驗及分析

下面利用仿真工具對提出的算法進行驗證。仿真場景：覆蓋面積是1 000×1 000 m2，實驗中共有3個AP，AP帶寬是2 Mbps，各個AP之間相互重疊，分別工作在信道1、6和11，以降低相互之間的干擾，采用DCF信道訪問方式。在實驗開始時，AP1有4個節點，AP2有5個節點，AP3有3個節點，隨著實驗的進行，將有終端進入網絡，在重疊區域的終端根據收到的信號強度和負載信息連接到相應的AP。在實驗中，本文設所有STA的負載均為200 kbps。根據802.11標準，由于AP1具有最強的信號強度，在重疊區域新加入的終端不考慮負載都將與AP1進行連接，終端的接入造成AP1的負載量超過它所能承受的最大值，AP1的吞吐率隨著負載的增加而降低，造成數據包的丟失，影響系統的整體性能。圖3表示新終端接入前和接入后AP1吞吐量的變化情況。

圖4表示新終端接入前系統的吞吐量、新終端在接入的過程中只考慮信號強度以及同時考慮信號強度和負載時的吞吐量變化情況。從圖中可以看出，終端只考慮信號強度時，新終端均與AP1連接，使得AP1超載，終端碰撞加劇，造成系統的整體性能下降。但是終端在接入的過程中同時考慮信號強度和負載時，新終端的接入使得系統的吞吐率得到提高。

圖5表示系統延遲。在重疊區域的終端通過主動掃描得到所有可利用AP的信息，通過計算結果，新終端將與權值最大的AP3進行連接，減小了碰撞率，降低了系統延遲，提高了網絡的整體性能。

4 結束語

在IEEE 802.11標準中，終端在接入和漫游的過程中通常選擇收到信號強度大的AP建立連接，導致AP之間差異太大，浪費了無線資源，造成系統性能下降。本文針對這一情況，進行了改進，新終端在接入的過程中同時考慮信號強度和各個AP的負載信息。通過仿真實驗證明，綜合考慮信號強度和負載信息能提高系統的整體性能，降低

系統的延遲。

參考文獻：

［1］劉乃安，李曉輝，張聯峰，等. 無線局域網(WLAN)——原理、技術與應用[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，2004：15-17.

[2]EKICI O，YONGACOGLU A.Predictive association algorithm for IEEE 802.11 WLANs[C]//Proc of Information and Communication Technologies.[S.l.]:IEEE，2006:2394-2399.

[3]BALACHANDRAN A， BAHL P， VOELKER G. Hot-spot congestion relief in public-area wireless networks[C]//Proc of the 4th IEEE Workshop on Mobile Computting Systems and Applications.[S.l]:IEEE Press， 2002:70-80.

[4]BEJERANO Y， HAN S J， LI L E. Fairness and load balancing in wireless LANs using association control[C]//Proc of MobiCom 2004.New York:ACM，2004:315-329.

[5]TARTARELLI S， NUNZI G. QoS management and cogestion control in wireless hotspots[C]//Proc of Network Operations and Management Symposium.[S.l.]:IEEE，2006:95-105.

[6]VELAYOS H， ALEO V， KARLSSON G. Load balancing in overlapping wireless LAN cells[C]//Proc of IEEE International Conference on Communications.New Jersey:IEEE，2004:3833-3836.

[7]BAZZI A， DIOLAITI M， PASOLINI G. Measurement based call admission control strategies in infrastructured IEEE 802.11[C]//Proc of the 16th IEEE International Symposium on Personal， Indoor and Mobile Radio Communications.[S.l.]:IEEE，2005:2093-2098.

[8]BRICKLEY O， REA S， PESCH D. Load balancing for QoS optimisation in wireless LANs utilising advanced cell breathing techniques[C]//Proc of the 61st Vehicular Technology Conference.[S.l.]:IEEE，2005.

[9]BIANCHI G， TINNIRELLO I. Improving load balancing mechanisms in wireless packet networks[C]//Proc of IEEE International Confe-rence on Communications.[S.l.]:IEEE，2002: 891-895.

[10]Cisco Systems， Inc. Data sheet:cisco aironet，350 series access points[EB/OL].http://www.cisco.com.

[11]Proxim Wireless Networks. Data sheet:orinoco AP-600 access point[EB/OL].http://www.proxim.com.[12]AirFlow Networks， Inc. White paper:high availability for mission-critical WLANs[EB/OL].http://www.airflownetworks.com.

[13]PAPANIKOS I，LOGOTHETIS M. A study on dynamic load balance for IEEE 802.11b wireless LAN[C]//Proc of COMCON.2001.

[14]WANG Lan， NIU Zhi-sheng， ZHU Yan-feng. Integration of SNR， load and time in handoff initiation for wireless LAN[C]//Proc ofthe 14th IEEE International Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communication Proceedings.[S.l.]:IEEE，2003.

[15]BALAZINSKA M， CASTRO P. Characterizing mobility and network usage in a corporate wireless local-area network[C]//Proc of the 1st International Conference on Mobile Systems，Applications and Ser-vices.New York:ACM，2003:303-316.

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