大規模校園無線局域網性能優化技術研究

殷冬冬

摘 要：文章通過研究大規模校園無線局域網自身特點和面臨的問題，為系統性的無線局域網性能優化提供了研究基礎。文章通過對基于用戶流量的比例公平網絡優化算法的研究，在不改變現有IEEE 802.11協議的前提下，充分利用貧瘠的無線頻譜資源，提升網絡性能。

關鍵詞：無線局域網；性能優化；網絡優化

1 無線局域網

IEEE 802家族是由一系列局域網絡技術規格所組成，802.11屬于其中成員之一。隨著IEEE802.11的提出，無線局域網的概念正式被提出。IEEE802.11b的提出促進了無線局域網（Wireless Local Area Networks，WLAN）的初步發展，也使得人們看到了WLAN的前景。而數據傳輸能力較高的802.11a/g是WLAN保持競爭力的重要優勢。自從2006年被提出后，采用802.11n標準的WLAN吞吐量可達600 Mbps。為了適應高清視頻傳輸等寬帶數據業務的發展，并繼續保持WLAN的競爭優勢，IEEE于2008年年底啟動了吞吐量可達千兆的新一代WLAN技術標準（802.11ac和802.11ad）的研制工作。

2 大規模校園無線局域網存在的問題

2.1 容量規劃問題

在無線局域網的網絡規劃中，整個網絡的容量對系統性能的影響比無線局域網的覆蓋范圍對系統性能的影響更大。為了防止單個用戶接入使得整個小區的傳輸速率下降，首先需要發現問題所在，然后通過調整網絡參數，保證小區內的每個用戶都有較理想的傳輸速率。

2.2 射頻干擾問題

射頻干擾是對無線局域網性能影響最大的問題，在大規模校園無線局域網中更加突出。大規模校園無線局域網，特別是運營商網絡，由于布設的接入點數量多、用戶數量大、信號覆蓋重疊區域大，使得其中的干擾問題相當嚴重。干擾不僅影響無線局域網的覆蓋范圍和通信容量，而且伴隨著同一個地理空間內多個無線網絡的共存更加吸引人們的關注。

2.3 頻率資源分配問題

目前最常用的IEEE 802.11g/n協議都運行在2.4 GHz頻段，總頻寬為83.5 MHz，每個信道占用22 MHz頻寬，劃分為13個信道。可見WLAN能夠使用的頻譜資源非常緊張，加上在實際使用中這點有效的頻譜資源往往還得不到合理的分配，導致網絡性能的進一步下降。大規模校園無線局域網中接入點數量多、用戶密度大，但是可分配資源卻很少。因此解決頻率資源分配問題主要有兩種手段，一是在現有協議框架下通過研究有效的頻率分配方法，使有限的頻率資源得到充分的利用；另一種手段是通過協議的改進，進行頻段的擴展，如IEEE 802.11a/ac協議工作在同為工業科學醫學頻段但外部設備干擾相對較少的5 GHz頻段；而更加先進的IEEE 802.11ad則工作在60 GHz頻段提供125 MHz的單信道帶寬。

2.4 隱藏節點與暴露節點問題

隱藏終端問題是指在無線通信中，兩個無線站都能感知接入點的存在，但由于某種原因如地理分布，這兩個無線站無法感知對方的存在。這樣，就使得兩個無線站相對于對方都是隱藏終端。雖然IEEE 802.11協議定義了分布式協調功能來避免沖突的產生，但是隱藏終端問題才是無線局域網中產生大量沖突錯誤的主要原因。在無線網絡中，由隱藏節點所導致的碰撞難以被監聽，因為無線收發器通常是半雙工工作模式，即無法同時收發數據。為了防止碰撞發生，802.11允許工作站使用請求發送（Ready to Send，RTS）和允許發送（Clear to Send，CTS）幀來清空傳送區域。但是RTS-CTS機制會大大降低無線信道的利用效率，使得網絡性能下降。

暴露終端問題是指即使發射機無法同時利用無線傳輸介質時，在這種情況下發射機不會發送數據。在這種情況下，發送器可以在不影響對方情況下發送數據，但不這樣做是因為可以感知到通道狀況較為繁忙。因此，這些發射器成為對方的暴露終端。

3 基于用戶流量的比例公平網絡優化算法

3.1 基于用戶流量的比例公平算法與其他方法的比較

如圖1所示，在此例子中，有兩個訪問接入點（Access Point，AP）：a，b及兩個用戶u，v，它們間的傳輸速率分別為rua=10，rub=0，rva=2，rvb=1。

圖1 優化方法說明示意

首先說明本方法與傳統比例公平算法的優勢。如果用戶關聯基于最強的信號能量，則u和v都會關聯到AP a。如果系統只在AP a采用傳統的比例公平調度算法，則u的帶寬分配為5，而v的帶寬分配為1。但是，如果系統采用比例公平聯合用戶關聯與信道選擇算法調整，使得AP a與b處于正交信道，并且v關聯到AP b。這樣使得u的帶寬為10，而v的帶寬為1。這是一個相對于單純的比例公平更好的結果，并且也保證了公平性。而且單純的比例公平的分配結果5，1相對于聯合比例公平的10，1來說并不是帕累托最優解。帕累托最優是指資源分配的一種理想狀態，即假定固有的一群人和可分配的資源，從一種分配狀態到另一種狀態的變化中，在沒有使任何人境況變壞的前提下，也不可能再使某些人的處境變好。換句話說，就是不可能再改善某些人的境況，而不使任何其他人受損。

其次，說明本方法與max-min fairness方法的優勢。由于max-min fairness算法保證各用戶的絕對公平而不考慮系統性能。于是上例中u，v依然關聯與AP a，并且它們分配的帶寬均為10/6。而本方法的帶寬分配分別為10，1。

3.2 用戶速率對網絡性能的影響

定理1：同一個信道內不同速率用戶的吞吐量由發送速率最低的那個用戶決定。

證明：考慮以下情況，一個無線局域網中有N個不同發送速率的用戶競爭同一個無線信道。其中N-1個用戶采用高發送速率R（例如：IEEE 802.11g 54 Mbps），只有一個用戶使用低發送速率r（如1，2，5.5 Mbps）。則它們的幀傳輸時間分別為：ttr=Sd/R和ttr=Sd/r，其中，Sd為發送數據幀的長度。同樣的，MAC層ACK幀也以不同用戶對應的速率從AP發回該用戶。不同速率用戶的關聯開銷時間分別定義為tROV和trOV。endprint

Tf表示發送速率為R的高速率用戶的傳輸時間：

同樣的，發送速率為r的低速率用戶相應的傳輸時間Ts為：

于是，高速率用戶的信道利用率表示如下：

其中，tjam為碰撞消耗的平均時間。考慮到N-1個高速率用戶和1個低速率用戶兩兩都會發生碰撞，則tjam可以表示為一下形式：

N-1個高速率用戶的MAC層吞吐量為：

其中，，于是得到：

同樣的，可以得到低速率用戶的信道利用率為：

于是低速率用戶的MAC層吞吐量為：

其中，。于是得到：

說明同一個信道內發送速率更高的高速率用戶的吞吐量與低速率用戶的吞吐量相同。

802.11中的CSMA/CA機制為了給不同速率的用戶提供平等的接入機會，導致了負載長度相同的情況下，低速率用戶相較于高速率用戶占用信道的時間更長，從而導致了整個信道吞吐量的下降。

3.3 基于用戶流量的比例公平

基于負載的比例公平的效用函數其實就是以分配帶寬b為底，負載d為指數的指數函數。于是有4種用戶出現，低流量低速率用戶，大流量高速率用戶，低流量高速率用戶及大流量高速率用戶。低速率用戶是影響網絡性能的最主要原因。首先，本方法的設計思路就是在保證公平性的前提下，通過將負載少并且速率低的用戶集中分配到同一個基站子系統（Base Station Subsystem，BSS）中，這樣就可以防止這些用戶的影響降低網絡的性能。其次，保證大負載量、速率高的用戶可以得到盡量多的信道占用時間，并減少其他用戶對其的干擾，這樣可以大幅增加網絡性能。然后，考慮其他兩種用戶的分配問題。指數函數增長更快，說明指數變量即負載d的增長對于效用函數U增長貢獻更大。于是，大流量低速率用戶會分配在獨立BSS內，而更多的低流量高速率用戶會被集中在同一個BSS中。低流量高速率用戶占用時間少而效率高，所以分配在同一個BSS內也不會降低它們的性能。所以在四種情況下，基于負載的比例公平算法都可以提高網絡性能。

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