WLAN網絡中無線射頻資源的自動管理策略

王新峰　劉霜霜

1(吉首大學軟件服務外包學院　湖南 張家界 427000)2(湖南工業職業技術學院　湖南 長沙 410208)

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WLAN網絡中無線射頻資源的自動管理策略

王新峰1劉霜霜2

1(吉首大學軟件服務外包學院湖南 張家界 427000)2(湖南工業職業技術學院湖南 長沙 410208)

針對WLAN網絡中無線射頻資源之間會相互干擾，尤其在大規模部署時，需要花費大量的人力和時間成本去調整網絡配置等問題，給出一個自動無線資源的管理策略。該策略分為4大塊功能：射頻分組、信道自動調整、功率自動調整、盲區探測和修復，每個功能解決一個特定問題。該自動調整策略綜合了設計時間、人力成本、網絡穩定、用戶體驗等，經測試確認可行有效。

WLAN無線資源功率調整信道調整

0　引　言

在手機、PAD、智能手表等智能設備普及的今天，隨時隨地接入網絡是一件很普通的事情，而這背后是無線局域網WLAN的功勞。WLAN是20世紀90年代計算機網絡與無線通信技術相結合的產物, 它提供了一種使用無線多址信道的通信方式。現在流行的WLAN系統一般由接入控制器AC和無線接入點AP組成， AP的設置都由AC發出，如圖1所示。STA(Station無線客戶端)如：手機、電腦等通過AP接入網絡。

圖1　典型WLAN結構

1　大范圍部署WLAN存在的問題

WLAN的初衷是針對家庭、小辦公室應用，這時單個AP的工作信道和發射功率的配置是不需要特別關注的。隨著WLAN技術被越來越廣泛地使用在學校、銀行、企業、商場等，高密度WLAN已經成為常見部署，此時WLAN的部署難題也就逐漸凸現出來。WLAN部署面臨以下幾個問題：

1) 無干擾信道少

802.11b國際標準規范中只有三個(1，6，11)不重疊的信道，如圖2所示。

圖2　802.11b只有三個不重疊的信道

2) 無線功率易損耗，AP覆蓋范圍難確定

AP的覆蓋范圍和其提供的接入速率是緊密相關的，STA距離AP越遠，AP提供的接入速率越低，如圖3所示。無線電波具有穿越介質后能量易損耗的自然特性，功率設置太高會造成不同AP之干擾，設置太低可能會被障礙物損耗影響覆蓋范圍及速率。

圖3　距離與接入速度關系圖

3) 外界射頻環境不斷變化

在人人都能搭建WLAN的大環境里，即使經過充分的調查，當前的信道和功率設置是最優的，下一時刻也可能就會惡化。

因此在AP高密度覆蓋的場合，管理員需要持續不斷地花費大量的精力進行AP的配置，且稍微配置不當，反而可能由于干擾或其它原因使系統性能降低。

2　RRAM自動分配策略

2.1RRAM策略的目標及應用場景

針對WLAN的大規模部署存在的問題，本文給出一個無線射頻資源自動管理策略RRAM(Radio Resource Auto-Management)。該策略合理地利用和部署無線射頻資源如信道、功率、負載均衡、準入控制等，在保證整個網絡環境穩定的前提下，提供更多接入和更高速度的網絡服務。RRAM策略總共分4大塊，如表1所示。

表1　RRAM功能表

RRAM管理策略能夠解決如下四種常見的實際用戶場景：

場景一AP覆蓋范圍過度重疊的信道功率選擇

對于一個AC或者多個AC在同網絡中存在AP覆蓋范圍重疊的情況如圖4、圖5所示，可以運用RRAM策略進行調整。

圖4　單AC下信道過度重疊場景

圖5　多AC下信道過度重疊場景

場景二AP上線時的信道動態選擇(AP重疊區域內依然有未使用的不重疊信道)

AP1處于1信道和AP2處于6信道是原有已部署好的，突然加入AP3強行位于1信道(友商或私人的不可改)，如圖6所示。這時發現AP1還有可選不重復的11信道，此時應調整AP1切換到11信道。

圖6　AP上線動態選擇信道場景

場景三功率動態調整(覆蓋范圍內某AP離線時，提升同頻AP功率以填補覆蓋，如圖7所示)

圖7　AP動態修改功率場景

場景四盲區探測和修復

無線用戶處于AP3的覆蓋范圍之外或邊緣處，如圖8所示，導致無線用戶連接不穩定。在這種情況下，AP3應該可以檢測到覆蓋盲區，并自動調高發射功率，將無線用戶納入覆蓋范圍。〗

圖8　AP覆蓋存在盲區場景

2.2RRAM各功能實現原理

2.2.1射頻分組

在有限的資源內不同AC獨立控制自己的AP，做不到統籌安排。如圖9所示場景，圓圈代表AP，里面的數字是信道號(注：有的AP有雙天線，這里假設每個AP只有一個射頻天線，只需為每個AP分配一個信道)。在這種場景下，AC1不管分配什么信道都會造成干擾。

圖9　多AC場景

為了統一考慮需要將射頻覆蓋區域相重疊的AP組成一個射頻組(RF Group)，選舉出一個領導AC。射頻組內AP的信道分配、發射功率選擇統一由領導AC集中決策。

射頻組建立的前提必須是在具備RRAM功能的AC上，且不同AC之間網絡互通。其次，每個AP都會以最大功率和最小速率發送一個鄰居信息報文，報文包含AP的鄰居列表和AC信息。其他AP接收到鄰居信息報文之后交給AC，AC依據鄰居的鄰居是自己鄰居的方法跟其他AC通信確認射頻組。

領導AC的選舉有兩種方式：

① 手動給每個AC的設置一個優先級，AC之間通信時比較優先級，優先級高的作領導。

② 自動選舉， AC之間通信時比較MAC地址， MAC地址小的作領導。

為了應對現有領導AC下線或有新AC加入導致格局改變，AC之間需要定時通信確保及時選舉新的領導。

2.2.2信道自動調整

信道自動調整算法，簡稱DCA算法。DCA算法在射頻組領導AC上運行，默認周期20分鐘，基于每個RF Group，為所有的AP制定最優化的工作信道配置。DCA算法只考慮為數不多的幾個度量：

? 信號強度——每臺AP在所有工作信道監聽到的鄰居信息的RSSI值；

? 干擾——AP報告的802.11數據發送時被干擾的時間百分比；

? 噪聲——AP在每個工作信道上監測到的噪聲值。

其中，主要的依據是信號強度，其他參數是可選的。

信道切換過程中會引起AP上的STA掉線，用戶體驗很糟糕，應盡量避免頻繁的信道切換。DCA算法運行分為兩種模式：大面積部署和正常調整。

1) 大面積部署

該模式應用在：當一個場景在初次部署了大量AP時需要給每個AP設置一個合理的信道，當場景里無線AP信道隨著時間變化而調整了一段時間需要恢復到初始信道時。在這種模式下DCA算法執行流程如下：

首先，將所有AP的信道都設置為相同信道，這樣就知道誰所受干擾最大。

其次，組領導先將組中的AP成員按照工作信道上的干擾從大到小的順序排序。優先處理干擾比較大的AP，因為先處理的AP的信道更容易被調整，排序算法使用插入排序。

最后，再按照以下步驟進行調整(類似于地圖涂色算法)。

① 按照信號強度從強到弱的順序處理每一個AP：先在可用信道列表中除去掉已修改過的鄰居工作信道，挑選出未受干擾的可用信道。

② 如果可用信道列表中有2個以上信道，按從小到大挑選一個可用信道。

③ 如果沒有可用信道，則挑選一個干擾最少的信道。

以下舉個簡單示例說明DCA的運行流程。如圖10所示場景，圖中每個圓圈代表一個AP，圈中A—1表示為這個AP名字是A所用信道為1。

圖10　未執行DCA算法前AP信道

大面積部署時將所有AP信道都置為1，然后根據干擾進行排序，所受干擾從大到小為： A>F>E>B>C>D。

① A沒有已修改鄰居AP，所以A就直接先用1信道。

② 到F時，F鄰居中有A，此時1不可用，選用6信道。

③ 到E時，由于鄰居中A、F占用了1、6信道，只能選用11信道。

同理，B、C、D選取信道分別為11、6、6信道。

執行完DCA算法后，最終AP信道設置如圖11所示，所有AP都分配到一個合理可用信道。

圖11　執行DCA算法后信道AP信道分配

2) 正常調整

正常調整場景中AP是先后上線的，此時調整的只是剛上線的單個AP，不能調整其他AP，否則遇到惡意AP頻繁上下線，會導致本場景中其他AP震蕩影響用戶正常使用。AP上線時挑選信道依照以下步驟：

① 按照信號強度從強到弱的順序處理每一個鄰居：先在可用信道列表中除去鄰居工作信道；

② 直到處理完所有鄰居或者可用信道列表中只剩下一個可用信道。

③ 如果可用信道列表中只有一個可用信道就直接選取；如果有多個信道且包含了AP的當前工作信道則保存當前信道，否則按從小到大順序選取信息，算法結束。

2.2.3功率自動調整

功率自動調整算法，簡稱TPC算法。組領導使用該算法將每個帶寬的發射功率調低，限制過度的區域覆蓋和相同信道的干擾。

每個AP報告的鄰居列表按照RSSI從高到低排序，如果AP具有三個以上的鄰居，那么RF Group Leader基于每個帶寬、每個AP應用TPC算法調低AP的發射功率，直到RSSI第三高的AP被監聽到的信號強度低于TPC門限(典型值-65 dBm)而且滿足TPC的滯后條件。TPC通過以下流程決定是否需要調低發射功率：

1) 確定是否存在RSSI第三高的鄰居，其RSSI是否高于TPC門限。

2) 使用公式確定其發射功率：

AP最大發射功率+(TPC門限-RSSI第三高的鄰居的RSSI)

(1)

3) 比較當前的發射功率和第2)步的計算結果(求其差)，確認是否超過TPC滯后量：

? 如果大于6 dB，那么發射功率應該調低一級(3 dB)。

? 如果小于-3 dB，那么發射功率應該調高一級(3 dB)。

功率級別與功率對應關系如表2所示。

表2　功率級別與功率對應關系

2.2.4盲區探測和修復

盲區探測和修復算法——Coverage Hole Detection and Correction Algorithm。該算法是基于無線用戶的信號質量確定覆蓋盲區，再增加用戶所連接AP的發射功率。

當用戶的SNR(信噪比)低于一個給定的門限時，算法確定存在一個覆蓋盲區。SNR門限基于單個AP，并且主要依賴于AP的發射功率。發射功率越高，用戶能容忍的噪聲也會越大。

覆蓋盲區的SNR門限基于兩個值：AP的發射功率和AC的Coverage profile(根據場景可設置)值。計算公式如下：

SNR門限(|dB|)=|AP發射功率(dBm)-常數(17 dBm)-

Coverage Profile(dB)|

(2)

在上述式(2)中，因為大多數國家和地區規定AP發射功率上限20 dBm，同時Coverage Profile又不會小于3 dB，所以計算式等價于：

SNR門限(dB)=Coverage Profile(Db)+常數(17 dBm)-

AP發射功率(dBm)

(3)

根據式(3)容易看出SNR門限與AP發射功率的函數關系，即增加AP的發射功率相當于降低SNR門限。一旦有一定數目的用戶的SNR低于SNR門限超過一定時間，這些用戶所連接的AP的發射功率就會增加(相當于降低SNR門限)以修復覆蓋盲區。為了闡述該算法的決策流程，這里給出一個簡單的實例。不妨假設一臺AP上的相關數據如下：

? 一個無線用戶的SNR為13 dB

? 該AP配置的發射功率配置成11 dBm(功率級別4)(參見表2)

? AP所連接的AC配置的Coverage profile為12 dB

算法將按照以下步驟做出決策：

① 計算SNR門限：|11 dBm-17 dBm-12 dB|=|-18 dB|= 18 dB。

② 因為無線用戶的SNR(13 dB)小于SNR門限(18 dB)，所以應該提高AP的發射功率。

③ 將無線用戶的SNR作為SNR門限，使用式(3)求出AP發射功率：

AP發射功率(dBm)=Coverage Profile(dB)-SNR門限(dB)+常數(17 dBm)=12 dB-13 dB+17 dBm=16 dBm。

④ 對上一步的結果按照功率級別向上取整，可得17 dBm(功率級別2)，這個功率即需要配置到AP上的發射功率。顯然，按照這個發射功率，計算出來的SNR門限為12 dBm，已經小于無線用戶的SNR(13 dB)了。

3　結　語

本文給出的自動無線資源的管理策略已使用在銳捷網絡的WLAN設備之中，經在高校和商場使用驗證該策略運行良好。當然自動調整策略也存在問題，比如有人惡意干擾情況下，自動調整策略會頻繁調整功率和信道，為了應對這種特殊情況，可以手動設置AP信道，配置禁止自動修改。

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RADIO FREQUENCY RESOURCE AUTO-MANAGEMENT STRATEGY IN WLAN

Wang Xinfeng1Liu Shuangshuang2

1(School of Software and Service Outsourcing,Jishou University,Zhangjiajie 427000,Hunan,China)2(HunanIndustryPolytechnic,Changsha410208,Hunan,China)

Radio frequency resources will interfere with each other in WLAN, especially in large-scale deployment, and it needs to spend a lot of manpower and time costs to adjust the network configuration. Aiming at the issue, this paper proposes a radio frequency resource auto-management strategy, which is divided into four functions: RF grouping, dynamic channel assignment, transmit power control and coverage hole detection and correction, and each function can solve a specific problem. The auto-management strategy proposed in this paper combines the design time, manpower cost, network stability, user experience, etc. This strategy is confirmed by the test is feasible and effective.

WLANRadio resourceTransmit power controlDynamic channel assignment

2016-04-08。王新峰，助教，主研領域：嵌入式系統設計。劉霜霜，講師。

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2016.09.031