無線局域網的智能網絡優化技術

摘要：近年來基于IEEE802.11標準系列的無線局域網技術發展速度迅猛。但隨著接入點AP（Access Point）數目的不斷增多，AP之間距離的不斷減小，同頻段的干擾問題將會嚴重影響到無線局域網的總容量。傳統蜂窩小區的網絡優化方法對于無線局域網已經不再適用，這是因為無線局域網AP數目多，且結構可能并不穩定，即AP可能根據業務需要增加、減少甚至移動。智能網絡優化技術是指通過在AP之間動態地分配頻率、功率、用戶以及業務流量使得整個無線網絡的容量最大，性能最佳。它將是未來無線局域網應用的關鍵技術之一。本文介紹了智能網絡優化技術的內容、發展現狀以及發展方向。

關鍵詞 無線局域網 智能網絡優化 WLAN 802.11b AP（Access Point） DFC TPC

　　一、無線局域網發展趨勢和技術需求

　　WLAN是無線局域網的英文縮寫，是近年來發展迅猛的無線數據通信技術。它的發展從1997年6月制訂第一個WLAN標準IEEE802.11[1]開始，到1999年8月，IEEE推出了新的高速標準802.11b[2]和802.11a進入快速發展。IEEE802.11b在2.4GHz頻段提供最高11Mbps的速率；IEEE802.11a則在5.8GHz頻段提供54Mbps的數據傳輸速率。2001年11月，IEEE試驗性地批準了802.11g，用以兼容802.11b和802.11a。幾乎同時，歐洲電信標準化協會（ETSI）的寬帶無線電接入網絡（BRAN）小組也著手制訂Hiper（High Performance Radio）接入標準，并推出HiperLAN1和HiperLAN2。

　　IEEE802.11和HiperLAN家族在技術上的突破及WLAN產品成本的大幅下降，使得無線局域網在寬帶無線接入中可以大顯身手，不僅企業把WLAN作為他們有線LAN的延伸，機場、酒店、會議中心、咖啡廳等地也將成為WLAN應用的重點。截至目前，采用802.11b和HiperLAN1的WLAN已經覆蓋了北美和歐洲越來越多的地區。據專家預測，全球WLAN市場總銷售額將于2004年達到近22億美元，每年平均增幅高達25%左右，同時，WLAN應用范圍不斷拓展，不僅擴展了有線LAN，甚至在某些情況下取而代之。

　　隨著人們對于無線數據業務的需求的增大，在將來，大部分熱點地區僅僅有一個或者兩三個WLAN接入點AP（Access Point）是不夠的。因此在業務繁忙的地區，需要布置一個能夠滿足業務帶寬需求的小型無線網絡。這種網絡的特點在于：網絡接入點AP數目比較多；AP位置比較不確定，可能根據需要增加、減少或者移動節點。

　　由于AP數目比較多，而可用的頻段相對的少（在802.11b/g標準中相互獨立無干擾的頻段只有3個），因此，部分AP之間將會存在相互干擾，這種干擾隨著AP間的距離越近對于系統容量的影響越大。如何在AP間分配頻率和功率資源，使得AP間的干擾最小、容量最大是必須解決的關鍵技術之一：無線網絡優化。

　　現有的2G網絡優化主要采用小區建模計算和實地路測結合的方式進行，但是這種方法用在WLAN上是不可行的。因為WLAN的特點是：網絡節點數多，使得建模和路測的工作量大大增加；節點數目和位置可能變化，導致上述網絡優化的工作經常需要重新進行。

　　在這種背景的需求下，智能網絡優化技術將成為新的研究熱點。智能網絡優化技術是指通過在AP之間動態實時地分配頻率、功率、用戶以及業務流量使得整個無線網絡的容量最大，性能最佳。它無疑將是未來無線局域網大規模應用的關鍵技術。

　　二、無線局域網的自干擾情況

　　1. 無線局域網的頻率資源情況

　　下面我們以現在應用最為廣泛的802.11b標準為例，說明為什么在多個AP之間會存在相互干擾。

　　我們可以看到頻段1和頻段2～5之間都有部分頻譜重疊，頻譜重疊就意味著這兩個頻段之間相互有干擾存在。干擾的大小取決于兩個頻段重疊的多少，以及發射信號的頻譜特性。總之頻段序號之間的差大于等于5的頻段之間沒有干擾，小于5的頻段之間存在干擾。

　　2. 頻段之間具體干擾因子

　　根據802.11b物理層發射信號的頻譜特性，我們可以估計出頻段兩兩之間的干擾大小。

　　對于頻帶內的干擾頻譜積分，可以得到鄰頻段干擾因子K，即如果鄰頻段總信號能量為單位1，則本頻段內收到此鄰頻段的干擾信號的能量為K（K<1）。下表是相鄰頻段的干擾因子列表：

　　我們可以看到鄰頻段的干擾在頻段序號差小于3時相當大，大于等于4的時候則可以忽略不計了。

　　三、智能網絡優化

　　網絡優化的目的主要在于合理分配物理資源和網絡設備資源，比如頻率分配、功率分配，用戶分配、業務流量分配。通過資源的分配優化，得到整個網絡的性能和穩定性的最優化。

　　由于無線局域網的特點是：網絡接入點AP數目比較多；AP位置比較不確定，可能根據需要增加、減少或者移動節點。因此我們需要的不是一次性的網絡優化，而是根據現實的網絡情況，進行實時的優化。而這一過程通常是無需人工干預，因此稱為智能網絡優化。

　　智能網絡優化可以分為兩大部分組成：自動頻率優化、自動功率優化。

　　1. 自動頻率優化

　　自動頻率優化也稱動態頻率選擇DFC（Dynamic frequency selection）是指在通過測量得到網絡狀況的信息的條件下，動態實時地給AP分配頻段來減小AP間干擾的機制。

　　從頻率優化的信息獲得上，可以將自動頻率優化分成兩類。

　　第一類是基于用戶端測量信息進行頻段分配的方案。比如在802.11h中的DFC方案就屬于此類。它的工作流程如下：

　　（1）AP發出頻段測量的指令；

　　（2）移動終端MT（Mobile Terminal）收到指令開始頻段干擾情況的測量；

　　（3）MT將測量結果提交給AP；

　　（4）AP進行是否改變自己頻道的判決；

　　（5）如果決定改變頻段，AP向和它相連的MT宣布即將改變頻段；

　　（6）AP改變作用頻段，和它相連的MT也隨著一起改變。

　　上述機制中的（4）是標準沒有具體規定的，因此有大量的研究集中在如何設計判決算法使得頻段的分配更佳穩定有效。

　　上述機制的好處在于，頻段的分配方案可以隨著用戶的數目和位置進行實時的調整。但是這種實時調整的代價是：用戶端向AP周期性的提交干擾報告；AP在頻段間切換時引起的用戶與AP重新連接的開銷。這兩點隨著接入AP的用戶數目增多，而同比例增大。

　　還有一種頻率分配方案，它僅僅是基于AP 點的頻段測量，來調整AP之間的頻段分配。因為隨著AP接入的用戶增多，考慮到用戶的移動性，可以近似認為用戶在AP的覆蓋區域內是統計意義上的均勻分布，因此AP的頻段分配可以和用戶具體某一時刻的位置無關，只與AP之間的相對位置和相互干擾情況有關。這就是第二類，基于AP測量信息的頻段分配方案。它的基本工作流程如下：

　　（1）AP測量現有頻段分配下的干擾情況；

　　（2）AP自己判斷最佳頻段；

　　（3）分布式獨自調整或者在上層控制器指揮下調整。

　　可以看到，第二類和第一類比區別如下：無需用戶端參與測量，因此可以兼容所有的用戶端，并且沒有占用無線網絡的流量；分配方案只與AP有關，在AP沒有增加、減少、移動的情況下，分配方案一般不會改變，因此非常穩定，魯棒性好；但在用戶數目比較少的時候，優化的結果不如第一類好。

　　第二類基于AP測量信息的頻段分配方案，根據調整步驟可以分成兩種。一種是分布式調整，即AP之間獨自判斷，獨自調整，AP間沒有信息的交互。另一種是AP將各自的測量信息提交給一個接入控制器AC（Access Controler），由AC控制AP進行調整。前一種由于AP之間沒有信息的交互，因此可能出現幾個AP在幾個頻段間出現振蕩的調整，因此達到穩定的收斂速度比較慢。后一種由于有AC從中協調，因此收斂速度非常快。

　　2. 自動功率優化

　　自動功率優化主要包括用戶端發射信號的功率控制TPC（Transmit Power Control）和AP端發射信號的功率控制。

　　（1）用戶端功率控制是保證用戶當前通信質量的基礎上，盡量減小用戶的發射功率。當用戶離AP比較近的時候，由于信號的衰減比較小，因此用戶的發射功率也可以比較小。這樣做的好處在于：在不影響此用戶的通信質量的前提下，減小了對于同頻段其他用戶和AP的干擾；減小終端的耗電量，延長待機時間。

　　（2）AP端發射功率的控制和AP的覆蓋范圍有關，因此在一般情況下，AP為了盡可能覆蓋較大的局域，均以允許的最大功率發射，一般是20dBm（100mW）左右。

　　但是當AP的數目比較多時，覆蓋已經不是問題而AP間的相互干擾成為了主要問題。比如AP1附近集中了大量的用戶終端，而在AP2附近用戶終端相對稀少。當接入一個AP的用戶數大于一定數目時（一般為8個），由于用戶們爭搶信道十分激烈而導致總信道的容量降低。此時，較好的辦法是將一部分離AP2較近的用戶分給AP2，這樣AP1和AP2的用戶數目趨于平衡，這種方法也稱為負載平衡（Load Balance）。一開始AP1和AP2的發射功率相等，如圖細實線和粗虛線，因此在它們交界處的屬于AP2的4個終端接受到的AP1的信號等于甚至大于AP2的信號，這對于通信來說是很不利的。當AP1進行了功率優化后，它的覆蓋范圍縮小到粗實線所示，此時屬于AP2的4個用戶收到的干擾明顯減少，這就是配合負載平衡的AP端發射功率控制的作用。

　　3. 其他優化

　　除了頻率優化、功率優化和負載平衡外，還可以有業務流量平衡，自動覆蓋檢測等等。但是都是在物理層通過改變AP的發射頻段和功率，配合上層使得整個網絡性能更好，運行更加穩定的目的。

　　四、結論

　　自動頻率優化、自動功率優化和負載平衡，以及網絡流量平衡，都是屬于無線資源分配的范疇。隨著人們對于通信帶寬的要求越來越高，對于有限的無線資源的使用效率也會越來越高。因此對于無線資源分配的研究一直都沒有停止過，在2G、3G和后3G系統的研究中，都有無線資源分配算法的研究。

　　對于不同的通信系統，無線資源分配算法的代價函數和調整手段都是不同的。由于無線局域網的快速發展，使得它對于高效的無線分配算法的需要日益增加，引起了廣大專家和工程人員的關注，即將成為無線局域網新的研究熱點。

　　智能網絡優化方案是符合無線局域網的特點和發展趨勢的無線資源分配算法。但是目前研究僅僅提出了它的具體實現手段[7]，和一些獨立的優化算法，其中包括頻率優化，功率優化和用戶分配優化的方案。我們期望在不久的將來，可以從整體上和理論上，針對無線局域網的無線資源分配提出一個完整的分析方法和最優的解決方案。