基于無線接入點(diǎn)的 WLAN網(wǎng)絡(luò)成本優(yōu)化

陳然 令曉明

(蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730070)

0 引言

隨著 3G網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展,不同網(wǎng)絡(luò)中的各種移動(dòng)通信技術(shù)也得到了廣泛的研究與關(guān)注[1-5]。如對(duì)算法[3],功率控制[5]的研究以及對(duì)實(shí)際業(yè)務(wù)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析并提出改進(jìn)[4]。其中,網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中重要的組成部分。隨著用戶數(shù)的增長(zhǎng)新業(yè)務(wù)不斷的增加,通信網(wǎng)絡(luò)面臨著持續(xù)優(yōu)化的問題。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中,網(wǎng)絡(luò)成本是一個(gè)重要的優(yōu)化目標(biāo)。電信產(chǎn)業(yè)的成本主要包括在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面的投資及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行維護(hù)方面的費(fèi)用,由于每個(gè)基站的建設(shè)費(fèi)用通常是固定的,因此,若要使網(wǎng)絡(luò)的成本最小化則可以選擇優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的(覆蓋或容量)技術(shù)指標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。無線局域網(wǎng)(WLAN)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是一個(gè)復(fù)雜的配置過程并且也應(yīng)是一個(gè)自動(dòng)規(guī)劃的過程,主要涉及自動(dòng)蜂窩小區(qū)規(guī)劃(ACP)及自動(dòng)頻率規(guī)劃(AFP)[6]。首先通過均衡 WLAN中無線接入點(diǎn)(AP)的業(yè)務(wù)負(fù)載,以實(shí)現(xiàn) AP的優(yōu)化接入,進(jìn)而分析在不滿足業(yè)務(wù)質(zhì)量要求下WLAN網(wǎng)絡(luò)的成本。

1 AP的定位

為了實(shí)現(xiàn)WLAN的無縫覆蓋,需要對(duì) AP的定位及接入選擇進(jìn)行合理的布置。如果AP間的覆蓋發(fā)生重疊則會(huì)產(chǎn)生干擾[7-8]。另外,如果設(shè)置過多的AP還會(huì)造成設(shè)備及安裝費(fèi)用的投資浪費(fèi)。

1.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)步驟

①首先產(chǎn)生一個(gè)業(yè)務(wù)區(qū)域地圖：一個(gè)業(yè)務(wù)區(qū)域地圖可以劃分成許多小型目標(biāo)用戶簇,每個(gè)簇內(nèi)包含個(gè)數(shù)不等的用戶;②設(shè)置候選 AP：候選 AP必須考慮到所需功率及安裝費(fèi);③產(chǎn)生信號(hào)電平值地圖;

④從一系列的候選 AP位置中選擇出最佳的 AP位置：綜合 AP的信號(hào)電平值及業(yè)務(wù)區(qū)域地圖找出最佳的AP位置使其既能滿足質(zhì)量需求又能滿足網(wǎng)絡(luò)容量需求.通過減小 AP的阻塞值,平衡業(yè)務(wù)負(fù)載,以增加網(wǎng)絡(luò)的容量。

1.2 AP的接入選擇

AP的設(shè)置應(yīng)位于熱點(diǎn)區(qū)域(靜態(tài)熱點(diǎn)區(qū)域)。如果 AP的設(shè)置遠(yuǎn)離目標(biāo)簇會(huì)導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量差等情況的出現(xiàn)。

依據(jù)信號(hào)電平地圖,當(dāng)目標(biāo)簇處接收到的信號(hào)電平值大于給定的門限值 -80 dBm時(shí),則認(rèn)為該目標(biāo)簇被接入 AP。如表 1所示。

表 1 大于信號(hào)電平閾值要求的AP接入選擇

2 AP成本最小化

業(yè)務(wù)負(fù)載平衡對(duì) AP的選擇是至關(guān)重要的,這是因?yàn)榉峙浣o用戶的業(yè)務(wù)負(fù)載會(huì)影響到網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。通過最小化網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載阻塞值可以獲得較好的帶寬使用率,實(shí)現(xiàn) AP的優(yōu)化接入選擇。在 AP接入情況下分析是否發(fā)生業(yè)務(wù)損失,如發(fā)生損失則要記入產(chǎn)生的損失費(fèi)用。

WLAN網(wǎng)絡(luò)成本優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)：

其中,ui是決定變量。式(1)說明整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的成本除包括與AP有關(guān)的任何費(fèi)用外還包括當(dāng)質(zhì)量不滿足的情況下由業(yè)務(wù)負(fù)載損失所產(chǎn)生的費(fèi)用;式(2)說明每個(gè)目標(biāo)簇要唯一的接入一個(gè) AP;式(3)Zj是AP的阻塞值,通過最小化阻塞值可確定目標(biāo)簇與 AP的最終接入;式(4)說明當(dāng)目標(biāo)簇與 AP相連時(shí)服務(wù)質(zhì)量得到滿足則認(rèn)為沒有損失費(fèi)用,否則產(chǎn)生的損失費(fèi)用應(yīng)計(jì)入整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的成本函數(shù)中。具體的參數(shù)設(shè)置如下述。

L目標(biāo)簇的總數(shù);M候選AP的總數(shù),其中目標(biāo)簇唯一的接入一個(gè) AP;sij與第 j個(gè) AP相連的的第 i個(gè)目標(biāo)簇的信號(hào)電平值;dij第 i個(gè)目標(biāo)簇與第j個(gè) AP相連,當(dāng) dij=1時(shí)說明目標(biāo)簇與 AP相連,否則認(rèn)為目標(biāo)簇與 AP未相連 cj第 j個(gè) AP的費(fèi)用(與AP有關(guān)的任何費(fèi)用);β1 kb/s吞吐量損失的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用,設(shè) β=100 RMB。

Δt在 AP處所需的下行鏈路比特速率與系統(tǒng)所提供的比特速率,Δt=-Di其中為網(wǎng)絡(luò)實(shí)際所提供的下行比特速率,Di目標(biāo)簇所需的比特速率。當(dāng) Δt≥0時(shí)表明目標(biāo)簇的服務(wù)質(zhì)量可以得到滿足,否則認(rèn)為目標(biāo)簇的服務(wù)質(zhì)量無法得到滿足。

3 模型的應(yīng)用

現(xiàn)以一棟寫字樓為例,說明通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)中 AP的優(yōu)化布置可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)WLAN網(wǎng)絡(luò)成本的優(yōu)化。業(yè)務(wù)區(qū)域圖如圖 1所示,共 12個(gè)目標(biāo)簇 8個(gè) AP點(diǎn)分布于整棟建筑物內(nèi)其中Di代表第i個(gè)目標(biāo)簇,目標(biāo)簇代表樓內(nèi)的熱點(diǎn)區(qū)域(可以為會(huì)議室,休息室,實(shí)驗(yàn)室,辦公室及教室等)。簇內(nèi)的用戶數(shù)從 1到 10等并設(shè)每個(gè)用戶的速率為 200kb/s則每個(gè)簇內(nèi)的用戶速率如表 2所示。

圖 1 業(yè)務(wù)區(qū)域圖及信號(hào)電平

本文使用LINGO規(guī)劃軟件[9]解決優(yōu)化問題。通過平衡負(fù)載,最小化 AP的阻塞值,可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)簇在選擇接入 AP時(shí)不是接入離其距離最近的AP而是選擇那些可以為其提供較小信號(hào)速率但仍可滿足服務(wù)質(zhì)量的AP(可提供較寬帶寬)如表 3所示。圖 2顯示了每個(gè)目標(biāo)簇的接入選擇,其中 D12未被接入到任何一個(gè)AP中。經(jīng)過對(duì)AP接入的優(yōu)化后,再分析目標(biāo)簇的服務(wù)質(zhì)量是否得到滿足,如不滿足則要計(jì)算業(yè)務(wù)損失的費(fèi)用。表 4顯示了最終各個(gè)簇的服務(wù)質(zhì)量滿足情況。

圖 2 12個(gè)目標(biāo)簇與 8個(gè) AP的優(yōu)化接入選擇

表 2 每個(gè)目標(biāo)簇所需的比特速率(kb/s)

表 3 達(dá)到最小阻塞值要求的AP接入選擇

表 4 目標(biāo)簇服務(wù)質(zhì)量滿足情況

由表 4可知目標(biāo)簇 3,4,5及目標(biāo)簇 6從各自相連的 AP處未能滿足服務(wù)質(zhì)量要求。最終,WLAN網(wǎng)絡(luò)成本優(yōu)化的最小費(fèi)用為 361 500RMB。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì) WLAN中 AP的優(yōu)化接入選擇,使目標(biāo)簇內(nèi)的用戶不必選擇離其距離最近的AP而是選擇能為其提供較小信號(hào)功率電平但仍大于信號(hào)電平閾值的 AP。并進(jìn)一步分析在已接入的情況下服務(wù)質(zhì)量是否得到滿足,如不滿足則要計(jì)入網(wǎng)絡(luò)成本中。并舉例說明了通過對(duì)負(fù)載平衡可以實(shí)現(xiàn)WLAN網(wǎng)絡(luò)成本的優(yōu)化。但在實(shí)際使用的環(huán)境中是非常復(fù)雜的,多種接入方式并存(如蜂窩系統(tǒng)與 WCDMA,TD-SCDMA等 3G網(wǎng)絡(luò)并存)這就需要在進(jìn)行WLAN網(wǎng)絡(luò)成本的優(yōu)化時(shí)不僅需要考慮業(yè)務(wù)負(fù)載的均衡還需要考慮在多種接入方式間的切換問題。

[1]張芳,蔣秦芹.無線局域網(wǎng)安全機(jī)制增強(qiáng)技術(shù)的研究[J].通信技術(shù),2008,41(05)：121-123.

[2]蔣青,魯艷.基于 WLAN的 VoIP終端移動(dòng)性管理[J].通信技術(shù),2007,40(08)：116-117.

[3]王明悅,李建勇,胡捍英.一種改進(jìn)的 WCDMA系統(tǒng)小區(qū)搜索算法[J].通信技術(shù),2008,41(01)：66-68.

[4]周小平,黃登山.WCDMA系統(tǒng)中 PS掉話的一種原因分析及改進(jìn)措施[J].通信技術(shù),2007,40(12)：46-48.

[5]李慶,梁云,胡捍英.WCDMA系統(tǒng)中功率控制的研究[J].通信技術(shù),2008,41(02)：71-73.

[6]ALEXANDRE GONDRAN,ALEXANDRE CAMINADA,JULIED FONDREVELLE,et al.Wireless LAN Planning：a Didactical Model to Optimize the Cost and Effective Payback[J].Int.J.Mobile Netowrk Design and Innovation,2007,2(01)：12-25.

[7]AMIT P J,KRISHMA N R,Kevin C A,et al.Understanding Congestion in IEEE802.11b Wireless Networks[DB/OL].(2010-02-08)[2005-07-14].http：//www.altavista.com.

[8]SANCHEZ-GONZALEZ J,SALLENT O,PEREZ-ROMERO J.On Managing Dynamic Traffic Hotspots in WCDMA Networks[DB/OL].(2010-02-30)[2006-06-21].http：//www.altavista.com.

[9]INC L S.LINGO[DB/OL].(2010-02-05)[2007-08-03].http：//www.lindo.com.