无线局域网的智能网络优化技术

牛 进 周宗仪

华中科技大学电信系 湖北武汉 430060

　　摘 要 近年来基于IEEE802.11标准系列的无线局域网技术发展速度迅猛。但随着接入点AP（Access Point）数目的不断增多，AP之间距离的不断减小，同频段的干扰问题将会严重影响到无线局域网的总容量。传统蜂窝小区的网络优化方法对于无线局域网已经不再适用，这是因为无线局域网AP数目多，且结构可能并不稳定，即AP可能根据业务需要增加、减少甚至移动。智能网络优化技术是指通过在AP之间动态地分配频率、功率、用户以及业务流量使得整个无线网络的容量最大，性能最佳。它将是未来无线局域网应用的关键技术之一。本文介绍了智能网络优化技术的内容、发展现状以及发展方向。

　　关键词 无线局域网 智能网络优化 WLAN 802.11b AP（Access Point） DFC TPC

　　一、无线局域网发展趋势和技术需求



　　WLAN是无线局域网的英文缩写，是近年来发展迅猛的无线数据通信技术。它的发展从1997年6月制订第一个WLAN标准IEEE802.11[1]开始，到1999年8月，IEEE推出了新的高速标准802.11b[2]和802.11a进入快速发展。IEEE802.11b在2.4GHz频段提供最高11Mbps的速率；IEEE802.11a则在5.8GHz频段提供54Mbps的数据传输速率。2001年11月，IEEE试验性地批准了802.11g，用以兼容802.11b和802.11a。几乎同时，欧洲电信标准化协会（ETSI）的宽带无线电接入网络（BRAN）小组也着手制订Hiper（High Performance Radio）接入标准，并推出HiperLAN1和HiperLAN2。


　　IEEE802.11和HiperLAN家族在技术上的突破及WLAN产品成本的大幅下降，使得无线局域网在宽带无线接入中可以大显身手，不仅企业把WLAN作为他们有线LAN的延伸，机场、酒店、会议中心、咖啡厅等地也将成为WLAN应用的重点。截至目前，采用802.11b和HiperLAN1的WLAN已经覆盖了北美和欧洲越来越多的地区。据专家预测，全球WLAN市场总销售额将于2004年达到近22亿美元，每年平均增幅高达25%左右，同时，WLAN应用范围不断拓展，不仅扩展了有线LAN，甚至在某些情况下取而代之。


　　随着人们对于无线数据业务的需求的增大，在将来，大部分热点地区仅仅有一个或者两三个WLAN接入点AP（Access Point）是不够的。因此在业务繁忙的地区，需要布置一个能够满足业务带宽需求的小型无线网络。这种网络的特点在于：网络接入点AP数目比较多；AP位置比较不确定，可能根据需要增加、减少或者移动节点。


　　由于AP数目比较多，而可用的频段相对的少（在802.11b/g标准中相互独立无干扰的频段只有3个），因此，部分AP之间将会存在相互干扰，这种干扰随着AP间的距离越近对于系统容量的影响越大。如何在AP间分配频率和功率资源，使得AP间的干扰最小、容量最大是必须解决的关键技术之一：无线网络优化。


　　现有的2G网络优化主要采用小区建模计算和实地路测结合的方式进行，但是这种方法用在WLAN上是不可行的。因为WLAN的特点是：网络节点数多，使得建模和路测的工作量大大增加；节点数目和位置可能变化，导致上述网络优化的工作经常需要重新进行。


　　在这种背景的需求下，智能网络优化技术将成为新的研究热点。智能网络优化技术是指通过在AP之间动态实时地分配频率、功率、用户以及业务流量使得整个无线网络的容量最大，性能最佳。它无疑将是未来无线局域网大规模应用的关键技术。

　　二、无线局域网的自干扰情况



　　1. 无线局域网的频率资源情况


　　下面我们以现在应用最为广泛的802.11b标准为例，说明为什么在多个AP之间会存在相互干扰。


　　我们可以看到频段1和频段2～5之间都有部分频谱重叠，频谱重叠就意味着这两个频段之间相互有干扰存在。干扰的大小取决于两个频段重叠的多少，以及发射信号的频谱特性。总之频段序号之间的差大于等于5的频段之间没有干扰，小于5的频段之间存在干扰。


　　2. 频段之间具体干扰因子


　　根据802.11b物理层发射信号的频谱特性，我们可以估计出频段两两之间的干扰大小。


　　对于频带内的干扰频谱积分，可以得到邻频段干扰因子K，即如果邻频段总信号能量为单位1，则本频段内收到此邻频段的干扰信号的能量为K（K<1）。下表是相邻频段的干扰因子列表：


　　我们可以看到邻频段的干扰在频段序号差小于3时相当大，大于等于4的时候则可以忽略不计了。

　　三、智能网络优化



　　网络优化的目的主要在于合理分配物理资源和网络设备资源，比如频率分配、功率分配，用户分配、业务流量分配。通过资源的分配优化，得到整个网络的性能和稳定性的最优化。


　　由于无线局域网的特点是：网络接入点AP数目比较多；AP位置比较不确定，可能根据需要增加、减少或者移动节点。因此我们需要的不是一次性的网络优化，而是根据现实的网络情况，进行实时的优化。而这一过程通常是无需人工干预，因此称为智能网络优化。


　　智能网络优化可以分为两大部分组成：自动频率优化、自动功率优化。


　　1. 自动频率优化


　　自动频率优化也称动态频率选择DFC（Dynamic frequency selection）是指在通过测量得到网络状况的信息的条件下，动态实时地给AP分配频段来减小AP间干扰的机制。


　　从频率优化的信息获得上，可以将自动频率优化分成两类。


　　第一类是基于用户端测量信息进行频段分配的方案。比如在802.11h中的DFC方案就属于此类。它的工作流程如下：


　　（1）AP发出频段测量的指令；


　　（2）移动终端MT（Mobile Terminal）收到指令开始频段干扰情况的测量；


　　（3）MT将测量结果提交给AP；


　　（4）AP进行是否改变自己频道的判决；


　　（5）如果决定改变频段，AP向和它相连的MT宣布即将改变频段；


　　（6）AP改变作用频段，和它相连的MT也随着一起改变。


　　上述机制中的（4）是标准没有具体规定的，因此有大量的研究集中在如何设计判决算法使得频段的分配更佳稳定有效。


　　上述机制的好处在于，频段的分配方案可以随着用户的数目和位置进行实时的调整。但是这种实时调整的代价是：用户端向AP周期性的提交干扰报告；AP在频段间切换时引起的用户与AP重新连接的开销。这两点随着接入AP的用户数目增多，而同比例增大。


　　还有一种频率分配方案，它仅仅是基于AP 点的频段测量，来调整AP之间的频段分配。因为随着AP接入的用户增多，考虑到用户的移动性，可以近似认为用户在AP的覆盖区域内是统计意义上的均匀分布，因此AP的频段分配可以和用户具体某一时刻的位置无关，只与AP之间的相对位置和相互干扰情况有关。这就是第二类，基于AP测量信息的频段分配方案。它的基本工作流程如下：


　　（1）AP测量现有频段分配下的干扰情况；


　　（2）AP自己判断最佳频段；


　　（3）分布式独自调整或者在上层控制器指挥下调整。


　　可以看到，第二类和第一类比区别如下：无需用户端参与测量，因此可以兼容所有的用户端，并且没有占用无线网络的流量；分配方案只与AP有关，在AP没有增加、减少、移动的情况下，分配方案一般不会改变，因此非常稳定，鲁棒性好；但在用户数目比较少的时候，优化的结果不如第一类好。


　　第二类基于AP测量信息的频段分配方案，根据调整步骤可以分成两种。一种是分布式调整，即AP之间独自判断，独自调整，AP间没有信息的交互。另一种是AP将各自的测量信息提交给一个接入控制器AC（Access Controler），由AC控制AP进行调整。前一种由于AP之间没有信息的交互，因此可能出现几个AP在几个频段间出现振荡的调整，因此达到稳定的收敛速度比较慢。后一种由于有AC从中协调，因此收敛速度非常快。


　　2. 自动功率优化


　　自动功率优化主要包括用户端发射信号的功率控制TPC（Transmit Power Control）和AP端发射信号的功率控制。


　　（1）用户端功率控制是保证用户当前通信质量的基础上，尽量减小用户的发射功率。当用户离AP比较近的时候，由于信号的衰减比较小，因此用户的发射功率也可以比较小。这样做的好处在于：在不影响此用户的通信质量的前提下，减小了对于同频段其他用户和AP的干扰；减小终端的耗电量，延长待机时间。



　　（2）AP端发射功率的控制和AP的覆盖范围有关，因此在一般情况下，AP为了尽可能覆盖较大的局域，均以允许的最大功率发射，一般是20dBm（100mW）左右。


　　但是当AP的数目比较多时，覆盖已经不是问题而AP间的相互干扰成为了主要问题。比如AP1附近集中了大量的用户终端，而在AP2附近用户终端相对稀少。当接入一个AP的用户数大于一定数目时（一般为8个），由于用户们争抢信道十分激烈而导致总信道的容量降低。此时，较好的办法是将一部分离AP2较近的用户分给AP2，这样AP1和AP2的用户数目趋于平衡，这种方法也称为负载平衡（Load Balance）。一开始AP1和AP2的发射功率相等，如图细实线和粗虚线，因此在它们交界处的属于AP2的4个终端接受到的AP1的信号等于甚至大于AP2的信号，这对于通信来说是很不利的。当AP1进行了功率优化后，它的覆盖范围缩小到粗实线所示，此时属于AP2的4个用户收到的干扰明显减少，这就是配合负载平衡的AP端发射功率控制的作用。


　　3. 其他优化


　　除了频率优化、功率优化和负载平衡外，还可以有业务流量平衡，自动覆盖检测等等。但是都是在物理层通过改变AP的发射频段和功率，配合上层使得整个网络性能更好，运行更加稳定的目的。

　　四、结论



　　自动频率优化、自动功率优化和负载平衡，以及网络流量平衡，都是属于无线资源分配的范畴。随着人们对于通信带宽的要求越来越高，对于有限的无线资源的使用效率也会越来越高。因此对于无线资源分配的研究一直都没有停止过，在2G、3G和后3G系统的研究中，都有无线资源分配算法的研究。


　　对于不同的通信系统，无线资源分配算法的代价函数和调整手段都是不同的。由于无线局域网的快速发展，使得它对于高效的无线分配算法的需要日益增加，引起了广大专家和工程人员的关注，即将成为无线局域网新的研究热点。


　　智能网络优化方案是符合无线局域网的特点和发展趋势的无线资源分配算法。但是目前研究仅仅提出了它的具体实现手段[7]，和一些独立的优化算法，其中包括频率优化，功率优化和用户分配优化的方案。我们期望在不久的将来，可以从整体上和理论上，针对无线局域网的无线资源分配提出一个完整的分析方法和最优的解决方案。


　　牛 进，就读于华中科技大学电子与信息系统系，攻读硕士学位，主研方向为无线通信。


　　周宗仪，毕业于上海交通大学，1990年获加拿大Queen's大学电子工程博士。华中科技大学电子与信息系统系教授，博士生导师。
----《中国数据通信》